國(guó)世友,王承偉,劉麗敏
(1.黑龍江省龍?jiān)茪庀罂萍加邢挢?zé)任公司氣象院士工作站,哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象臺(tái),哈爾濱 150030;3.伊春市氣象局,黑龍江伊春 153000)
近百年來(lái),全球氣候變暖特征顯著。1980年代以來(lái),全球每個(gè)連續(xù)10 a都比前一個(gè)10 a更暖。中國(guó)是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū),1951—2019年中國(guó)年平均氣溫每10 a升高0.24 ℃,升溫速率高于同期全球平均水平[1-2],且區(qū)域間差異明顯,如1959—2014年陜西略陽(yáng)年平均氣溫每10 a升高0.15 ℃[3],西安春季和冬季日數(shù)呈縮短趨勢(shì)、夏季和秋季呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[4]。同時(shí)氣候變暖正在影響著生態(tài)環(huán)境,千陽(yáng)縣蘋(píng)果種植將不會(huì)受凍害影響[5],全球森林火災(zāi)災(zāi)害發(fā)生的頻率與強(qiáng)度增加[6]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng),具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、減少污染、提供科研等多種功能,對(duì)維護(hù)生態(tài)環(huán)境起著不可替代的作用[7]。而森林火災(zāi)是對(duì)森林生態(tài)資源危害最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一,森林的燃燒與氣象條件密切相關(guān),高溫、干旱、大風(fēng)天氣有利于森林火災(zāi)的發(fā)生[8-9]。
大興安嶺呼中林區(qū)擁有我國(guó)最大的溫帶原生落葉松自然保護(hù)區(qū),林間可燃物積累豐富,易燃可燃物隨處可見(jiàn)。冬季氣溫低,地表積雪覆蓋,氣溫處于燃點(diǎn)以下,不易發(fā)生火災(zāi);而春季天氣回暖,3—4月積雪逐漸融化,5月氣溫升至燃點(diǎn)以上,加之降水少、大風(fēng)日多,森林火險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到春季的最高等級(jí),一旦發(fā)生火災(zāi),危害非常嚴(yán)重。春季林火多是人為火源引起的,因此,了解呼中林區(qū)5月火險(xiǎn)等級(jí)變化趨勢(shì),對(duì)于人為管控火源,預(yù)防火災(zāi)發(fā)生,減少森林資源的損失具有重要意義。
大興安嶺呼中林區(qū)位于我國(guó)大興安嶺主山脈東坡、伊勒呼里山脈北坡,總面積約9 372.44 km2,植被類(lèi)型以西伯利亞植物區(qū)系成分為主,混有東北植物區(qū)系和蒙古植物區(qū)系成分。典型地帶性植被類(lèi)型為寒溫帶針葉林,單優(yōu)勢(shì)種為興安落葉松林。主要的針葉喬木樹(shù)種有興安落葉松、云杉、樟子松以及少量分布于高海拔山地的偃松。主要的闊葉喬木樹(shù)種有山楊、白樺、甜楊和位于河岸以及溝谷兩側(cè)的鉆天柳[10]。
研究采用的資料包括呼中國(guó)家氣象觀測(cè)站1974—2020年5月氣溫、降水量、風(fēng)速觀測(cè)資料;第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃(CMIP6)全球氣候模式1974—2014年歷史模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)和中等發(fā)展情景(SSP2-4.5)2021—2100年預(yù)估數(shù)據(jù),平均氣溫和降水量均使用22個(gè)模式數(shù)據(jù),平均風(fēng)速為19個(gè)模式數(shù)據(jù),CMIP6模式數(shù)據(jù)下載及說(shuō)明見(jiàn)網(wǎng)站(http://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/),呼中的模式數(shù)據(jù)使用雙線性插值方法得到。為了便于與歷史時(shí)期比較,選取1991—2020年為基準(zhǔn)時(shí)段,變化趨勢(shì)采用線性傾向率估計(jì)。
由于不同的CMIP6模式模擬能力和預(yù)估結(jié)果存在差異[11],這里假定模式模擬能力強(qiáng),則模式預(yù)估結(jié)果的可信度就高。先計(jì)算1974—2014年各個(gè)模式的5月平均氣溫、降水量和平均風(fēng)速模擬值與觀測(cè)值的符合度指數(shù),根據(jù)指數(shù)大小選擇模式作為集成成員[12],平均氣溫和降水量入選模式的符合度指數(shù)超過(guò)0.55,平均風(fēng)速的達(dá)到0.50。平均氣溫選擇的模式為GFDL-ESM4、INM-CM4-8、NorESM2-LM,降水量的模式為BCC-CSM2-MR、CanESM5、GFDL-ESM4,平均風(fēng)速的為INM-CM5-0、TaiESM1。在預(yù)估中采用權(quán)重集成方法得到呼中林區(qū)氣象要素值。
權(quán)重集成公式為
(1)
其中,y(t)表示第t年的集成值,t為年份(t=2021,2022,…,2100),m是參加集成的模式數(shù),χi(t)是第i個(gè)模式第t年的值,ωi是第i個(gè)模式的權(quán)重。
權(quán)重ωi(i≥1)計(jì)算公式為
(2)
式中ri為第i個(gè)模式模擬值與觀測(cè)值的符合度指數(shù)。
符合度指數(shù)的計(jì)算公式為
(3)
符合度指數(shù)在0.0與1.0之間,越接近于1,說(shuō)明模式模擬值與觀測(cè)值越符合。符合度指數(shù)在40%以上為基本可信,60%以上為良好,80%以上為優(yōu)秀[13]。
采用《全國(guó)森林火險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)》(LY/T 1063—2008)推薦的森林火險(xiǎn)因子(樹(shù)種燃燒類(lèi)型、人口密度、路網(wǎng)密度、月降水量、月平均氣溫、月平均風(fēng)速)權(quán)值之和來(lái)定義森林火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)[14],以森林火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)大小劃分火險(xiǎn)等級(jí)。大興安嶺呼中林區(qū)地廣人稀,假定1974—2100年樹(shù)種燃燒類(lèi)型、人口密度、路網(wǎng)密度變化不大,權(quán)值分別取10、3、4。逐年的森林火險(xiǎn)氣象因子權(quán)值用f(x)=(1+aebx)-1計(jì)算得到[14-15],式中x為氣象因子值,a、b為待定系數(shù),e為常數(shù),取2.72。
圖1a給出了1974—2020年呼中5月平均氣溫距平變化曲線。由圖1a可以看到,1974—2020年,呼中5月平均氣溫整體的上升趨勢(shì)非常明顯,增溫速率為0.31 ℃/10 a。1970年代中后期至2000年代5月平均氣溫低于基準(zhǔn)值(9.1 ℃),其中1970年代中期至1980年代偏低幅度超過(guò)0.5 ℃,1974年最低為6.4 ℃;1990年代、2000年代偏低幅度小。2010年代處于偏高時(shí)期,2010年最高為11.0 ℃(表1)。
圖1 1974—2020年呼中5月平均氣溫距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均風(fēng)速距平(c)及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平(d)年際變化
表1 1974—2020年呼中5月平均氣溫距平、降水量距平百分率、平均風(fēng)速距平及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平的年代際變化
1974—2020年呼中5月降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖1b),增加幅度為10.2 %/10 a。1970年代中后期至2000年代處于偏少時(shí)期(表1),其中1970年代中后期至1980年代、2000年代比基準(zhǔn)值(49.0 mm)少20%以上, 2006年最少為10.3 mm(偏少79%)。2010年代為偏多時(shí)段,偏多近3成,2015年最多為102.2 mm,比基準(zhǔn)值多1倍有余。同時(shí)也可以看出,降水量的年際變動(dòng)幅度大,最大值約為最小值的10倍。
1974—2020年呼中5月平均風(fēng)速趨于明顯減小(圖1c),變化速率-0.17 (m/s)/10 a。1970年代中后期至1990年代平均風(fēng)速大于基準(zhǔn)值(2.2 m/s)的幅度逐漸減小(表1),到2000年代以后轉(zhuǎn)為小于基準(zhǔn)值。平均風(fēng)速比基準(zhǔn)值偏小的年份主要在2007年以后,其中2011年和2012年均偏小0.5 m/s;2006年之前大多數(shù)年份偏大,1978年和1999年最大為3.4 m/s。
在氣候暖濕化、平均風(fēng)速顯著減小背景下,1974—2020年呼中5月火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)在波動(dòng)中呈減小趨勢(shì)(圖1d),變化速率-5.0/10 a。在2000年代之前火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)偏大(表1),2010年代開(kāi)始轉(zhuǎn)為偏小。1999年火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大為99,比基準(zhǔn)值(51)大48,比2015年最小值(37)大62?;痣U(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大值約是最小值的3倍,年際變化幅度較大。
圖2a給出了預(yù)估的2021—2100年呼中5月平均氣溫距平時(shí)間序列。由圖2a可知,2021—2100年,呼中5月平均氣溫整體上仍維持上升趨勢(shì),增溫速率0.15 ℃/10 a。從5月平均氣溫距平年代際變化幅度來(lái)看(表2),各年代5月平均氣溫均偏高1.0 ℃以上,其中2020年代至2040年代偏高幅度逐漸增大,2050年代有所回落,2060年代又上升,2070年代小幅下降,2080年代至2090年代又增大,偏高幅度升至2.0 ℃以上。從年際變化來(lái)看,2021—2100年呼中5月平均氣溫有79 a高于基準(zhǔn)值,最大值偏高3.9 ℃,最小值偏低0.3 ℃。
圖2 2021—2100年呼中5月平均氣溫距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均風(fēng)速距平 (c)及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平(d)年際變化
表2 2021—2100年呼中5月平均氣溫距平、降水量距平百分率、平均風(fēng)速距平及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平的年代際變化
2021—2100年呼中5月降水量在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)(圖2b),增加幅度為3.8%/10 a。就降水量年代際變化而言(表2),2020年代、2030年代偏少,尤其是2020年代明顯偏少,達(dá)-23%;2040年代以后轉(zhuǎn)為偏多,其中2060年代至2080年代偏多10%以上。從年際變化來(lái)看,未來(lái)80 a呼中5月降水量最大值為81.4 mm,比基準(zhǔn)值多60%以上;最小值23.4 mm,偏少52%??梢?jiàn),降水量的年際變動(dòng)幅度仍然較大。
2021—2100年呼中5月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)不明顯,僅表現(xiàn)為微弱的減小趨勢(shì)(圖2c)。2040年代、2050年代偏小(表2),其它時(shí)段偏大,2020年代、2060年代偏大0.1 m/s以上。未來(lái)80 a呼中5月平均風(fēng)速最大值為2.9 m/s,比基準(zhǔn)值大0.7 m/s;最小值為1.6 m/s,偏小0.6 m/s。
在氣候暖濕化、風(fēng)速減小情景下,2021—2100年呼中5月火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)整體呈減小趨勢(shì)(圖2d),變化速率-7.0/10 a。從年代際變化來(lái)看(表2),2020年代、2030年代、2060年代火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)偏大,其中2020年代偏大5.3;其它年代指數(shù)偏小,大多數(shù)年代火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平低于-3.0。在2021—2100年期間,火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大值為77,約是最小值(39)的2倍,說(shuō)明森林火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的年際變化幅度仍比較大。
(1)1974—2020年大興安嶺呼中林區(qū)5月氣候具有暖濕化的趨勢(shì),平均風(fēng)速和火險(xiǎn)等級(jí)均呈現(xiàn)減小趨勢(shì),平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的變化速率分別為0.31 ℃/10 a、10.2%/10 a、-0.17 (m/s)/10 a、-5.04/10 a。氣象因子及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)年際變化幅度大,平均氣溫、平均風(fēng)速和火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大值約為最小值的2倍,降水量約為10倍。
(2)中等發(fā)展情景下,2021—2100年5月呼中林區(qū)整體為氣溫上升、降水量增加、風(fēng)速減小、火險(xiǎn)等級(jí)減小趨勢(shì)。相對(duì)于基準(zhǔn)值,2020年代和2030年代平均氣溫偏高、降水偏少、平均風(fēng)速偏大、火險(xiǎn)等級(jí)偏高,2060年代平均氣溫偏高、降水偏多、平均風(fēng)速偏大、火險(xiǎn)等級(jí)偏高,其它年代平均氣溫偏高、降水量偏多、火險(xiǎn)等級(jí)偏低。氣象因子及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)年際變化幅度仍較大,平均氣溫、降水量最大值是最小值的3倍有余,平均風(fēng)速、火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的約為2倍。