东北地区火险时空特征分析

1、第 页 共 14 页东北地区火险时空特征分析1 研究区概况我国东北地区包括东北三省和内蒙古东部，这里是我国森林面积最大的区域。大、小兴安岭和长白山呈马蹄形环绕在广阔富饶的东北大平原的西、北、东部，南临黄、渤海；地处温带，气候温和湿润，发育着黑龙江、乌苏里江、松花江、辽河、鸭绿江等水系，资源丰富。虽然地理条件复杂，但其内部具有相对一致性和相似性，而与周围地区又具有一定的独特性和差异性，因而东北区形成了一个完整的自然地理区域1。该区山地海拔300 - 1600米，平原地区海拔35 - 200米。本区植被按区系组成，大致可分为三大部分，即达乌里区系、长白区系和蒙古区系。它们分别和寒温带针叶林、温带针

2、阔叶混交林和温带草原三种植被类型相适应。在现阶段的地形、气候等因素影响下，东北植被的区域分异也相当明显。山地形成森林植被，平原出现森林草原和草原植被。区内有较大面积的森林土壤、草原土壤和森林草原土壤，属地带性土壤，同时存在着大面积的非地带性土壤。地带性植被属寒温带针叶林和温带针阔混交林。森林主要分布在大兴安岭、小兴安岭和东部长白山山地三大林区，松嫩平原和三江平原和辽河平原是少林地区，天然林多、人工林少2。2 研究意义及方法森林在陆地自然生态系统中扮演重要角色，它在整个自然界的动态平衡中具有关键的作用3。近几十年来，由于全球气候变化，世界范围的人口膨胀，工业化进程加快，森林中人类的活动影响加剧，

3、森林火灾发生的危险性提高，森林资源的持续稳定发展是世界各国关注的焦点，防御和控制森林火灾也受到各国的普遍重视。东北地区分布有我国最为重要的林区，也是森林火灾的重灾区，森林防火工作一直是生产安全工作的重中之重。而森林火灾的发生有很深的自然因素和社会因素，火灾事件的发生与多种因子相关，如气象、地形、植被、人的作用等，是一个复杂的相互作用过程4。了解该区林火的时间特征，分析林火发生的空间演化规律、林火与各种社会地理因素之间的潜在关系，并探索林火的时空综合分布规律。不仅可为该区森林火险的预报预测和区划的研究提供理论基础，也可为科学有效地开展森林防火工作提供参考。本文主要利用GIS统计方法，分析东北地区

4、10年来森林火灾发生的时间变化规律。通过一系列GIS空间分析方法，利用ArcGIS9.3、Excel、SPSS等一系列软件，探索林火与地形、NDVI、土地覆盖、行政区以及人类活动等自然地理和这会经济因子之间的关系，并用适合的图、表等方式进行空间可视化。利用核密度分析得到十年中每个年份的火点密度分布图，分析在时间变化情况下林火的空间变化规律。3 东北地区火灾时空分异3.1 东北地区林火基本情况 东北地区的森林是我国有代表性的寒温带森林，代表牲的植被类型主要有杜鹃兴安落叶松林、杜香兴安落叶松林、越橘兴安落叶松林、草类兴安落叶松林、樟子松林、兴安落叶松桦林和白桦林等。其中位于祖国最北部大兴安岭林区，

5、有林地面积657.8万公顷，森林覆被率78.94%，是国家重点国有林区和天然林资源主要分布区，也是森林火灾多发区。1987年“56”火灾后22年的时间，大兴安岭累计发生重特大森林火灾20余起，造成了惨重的经济损失、大量的资源消耗和较大的政治影响，已经成为必须积极面对和着力解决的严峻现实课题5。经过40多年的开发建设，东北地区森林质量明显下降，林内杂草、灌木丛生，枯枝落叶等腐殖层增厚，可燃物载量平均每公顷达30-50吨，林分密度小，林内可燃物含水率极低，加之以落叶松、樟子松和桦树为主的易燃树种占96%以上，极易发生较大森林火灾。此外，北部干冷的气候条件及大风使东北地区森林火灾频繁发生。而且受全球

6、灾害性天气影响，森林、沼泽含水率大幅下降。近年来，东北地区各地对林区切实加大了火烧迹地清理力度，但仍有大面积区域没有清理，火烧迹地内存在着大量的烧死木，且灌木杂草丛生，一旦发生火灾，极易蔓延，扑救相当困难6。3.2 森林火灾发生的时间变化规律3.2.1森林火灾年际变化特征在一定的地理区域内，在气候变化的影响下，林火发生情况随时间变化呈一定规律。我国森林火灾年际变化大约有5-6年和10年的准周期。绝大部分省（区）的火灾季节为11月份至翌年4月份，在火灾的年际变化过程中可能存在重灾年份（或重灾时段）7。通过对东北地区十年来火点数据的计算得到每年火灾的过火面积（图1）。东北地区林火年际变化主要有以下

7、几方面特征：（1）东北地区每年都有火灾发生，这主要由东北地区特殊的自然地理环境所决定的，东北地区森林覆盖率较高，其植被种类复杂多样，人类活动频繁。诸多因素导致火灾多发。图1 20002009年各年过火面积统计图（2）森林火灾发生次数年际间波动较大，20002009年间，2003年火灾面积最大，为11850，其次为2001年。2003年以后基本没有出现过火面积特别大的年份，且火灾面积逐渐趋于稳定。具体来讲，在大部分年份中，东北林火的过火面积都维持在2000以下，但是个别年份火灾面积远远高于正常数量，如2003年和2001年，林火发生比较频繁，然而在2002年，火点数只有57个。（3）在2003年

8、之后6年内，虽然火灾面积稍有波动且基本上未发生过大面积特大火灾，但是火灾面积总体呈逐步上升趋势，火灾总面积也不容小觑。3.2.2森林火灾的季节变化特征利用GIS的方法对十年林火火点按照月份进行汇总统计，得到图2所示的火点季节分布图。图2 20002009年火点季节分布图可以看出，东北林火主要集中于34月之间，主要原因在于东北地区春季降水较少，气温升高导致地面温度上升。此外，在89月份火点数再次上升。可见东北地区火点数的季节分布大致集中于春秋两季，冬夏发火较少。表明林火的发生与气候存在很大的相关性。主要表现在火点数和降雨量呈负相关，和地表温度呈正相关，并受到二者综合影响。气候背景是决定这一地区森

9、林火灾季节变化发生的重要因素。大多数年份，黑龙江省入春以后，大部分地区天干物燥、高温风大，森林火险等级居高不下，春季火险季节长达3-4个月之久；而夏季为雨季，除非干旱，一般不发生森林火灾；秋季火险季节短，只有12个月，此时是林区草木变黄季节，在特定的气象条件下，林火蔓延迅速，也可能引起大的森林火灾；冬季黑龙江林区冰雪覆盖，发生森林火灾的可能极少；春季气温回升，农事活动频繁，增加了引发林区森林火灾的可能性。各气象要素之间是相互联系和影响的，它对火灾的影响也是综合性的，不能用单一气象要素去研究火灾，在实践中预测火险等级时应考虑各要素的综合影响。3.3 森林火灾发生的空间变化规律3.3.1 林火与行

10、政区划研究林火与行政区的关系便于在防灾、救灾等工作中以政区为单位进行合理规划并对物资、人员等进行合理配置。通过一些列分析，并利用GIS的空间可视化功能，得到东北地区十年来火灾火点位置的行政区分布，如图3所示。图3 东北地区十年林火火点分布及各行政区内火点密度分布图图4 各地区十年来火点总数统计图由上图可以看出：（1）火灾空间分布不均衡。主要分布于北纬45度以北地市（图3），其中黑河、海拉尔和塔河分布最多（图4），分别占十年火点总数的27%、25%和21%。而这三个地区恰恰又是东北地区最靠北的三个市。（2）各市火点密度分布不均衡。首先计算得到各地市的十年火点分布密度，计算公式为： （1）式中，N

11、各市表示每年火点数目，S表示各地市辖区面积，表示各地市火点密度。分析发现以黑河市、塔河市和大庆市的平均火点密度最高，海拉尔市由于面积较大，其火点平均密度下降（图3）。总体来说，东北地区北部地市火点密度总体大于南部地市。（3）各行政区边界火灾多发。十年来火灾火点主要集中分布于各地市交界地区附近（图3）。可能由于政区分界线与地形之间的某种关联导致这种情况的发生，例如地形区的分界线往往作为政区分界线，而这些地方多是山川丘陵地带，关于林火与地形之间的关系，下文在探讨林火的空间分布特征时将做更为详细的探讨。3.3.2 林火与地形主要地形因子包括高程、坡度、坡向以及坡度变率等，所有发生于地表的空间现象几乎

12、都要受到地形的影响，因此，探讨林火与地形之间的关系，是深刻了解森林火灾的空间分布特征所必不可少的内容。本文主要采用ArcGIS空间分析功能对数据进行分析，并通过空间数据可视化得到图5和图6。 （1）林火与高程之间的关系图5 东北地区十年火点高程分布透视及统计图表一 东北地区十年林火火点数目在不同高程区间分布表海拔（米）0-250250-500500-750750-10001000-1892火点数（个）47921258024301312796结合图5和表一，从地貌上看，十年来火点主要集中分布于小兴安岭山区、松嫩平原以及三江平原地区。从高程上看，火点分布主要集中于海拔高度为300米到600米之间的

13、高程区间。海拔500米以上，随高程的增加火点数目逐渐减少。因此对于森林防火要格外注意海拔300米至600米之间的区域。（2）林火与坡度之间的关系图6 东北地区十年火点坡度分布透视及统计图总体上，随着地形坡度的增加，火点数目逐渐减少，二者呈负相关。这表明，地形越平坦的地方火点数最多，也最容易发生火灾。十年来所有火点分布地区最大坡度不超过9度，而均值大约只有1度。这表明所有发生过火灾的区域地形总体是比较平坦的，也表明地形对火灾发生的影响较大。3.3.3 林火与土地覆盖土地覆盖是自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，包括地表植被、土壤、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物，具有特定的时间和空间属性

14、，其形态和状态可在多种时空尺度上变化8。土地覆盖是随遥感技术发展而出现的一个新概念，其研究的角度侧重于土地的自然属性，对地表覆盖物进行分类。如对林地的划分，根据林地生态环境的不同，将林地分为针叶林地、HYPERLINK http:/ 东北地区各种土地覆盖类型及其面积东北地区土地覆盖类型面积（）落叶阔叶林Tree Cover, broadleaved, deciduous, closed321193.66常绿针叶林Tree Cover, needle-leaved, evergreen15487.74落叶针叶林Tree Cover, needle-leaved, deciduous134340.

15、6混合叶型林木覆盖区Tree Cover, mixed leaf type10213.36树木/其他自然植被混合区Mosaic: Tree Cover / Other natural vegetation651.88曾发生火灾的林木覆盖区Tree Cover, burnt466.12常绿灌丛Shrub Cover, closed-open, evergreen40942.88落叶灌丛Shrub Cover, closed-open, deciduous5267.5草地Herbaceous Cover, closed-open243921.8稀疏的草本或稀疏的灌木覆盖Sparse herbace

16、ous or sparse shrub cover77322.6定期灌溉的灌丛或草地Regularly flooded shrub and/or herbaceous cover18281.88种植区和人工管理区Cultivated and managed areas436744.98农田/树木/其他植被覆盖混合区Mosaic: Cropland / Tree Cover / Other natural vegetation5127.32农田/灌木/草地混合区Mosaic: Cropland / Shrub and/or grass cover23833.18裸地Bare Areas6098.

17、26水体Water Bodies11836.18冰雪地面Snow and Ice8.6人工地表及相关区域Artificial surfaces and associated areas420.54图7 东北地区2000-2009年不同土地覆盖区火点数统计图20002009年间，东北地区的不同地表类型中，发生森林火灾最多的是落叶阔叶林覆盖区，占所有火点数的38%。其次为草地、落叶针叶混交林覆盖区以及种植和人工管理区域，分别占到总火点数的25%、18%和11%。然而，在东北地区的土地覆盖类型中，种植和人工管理区域面积最大，在40万平方千米以上。其次为落叶阔叶林、草地以及落叶针叶混交林。虽然面积的大

18、小对不同土地覆盖类型内火点数的多少有很大影响，但这种影响不可能是决定性的。对每种土地覆盖类型区内火点数的多少主要取决于该土地覆盖类型区的性质。例如：水体、冰雪和裸露地表所占的面积并不小，但这些地方是不可能发生森林火灾的。而种植和人工管理区域的面积虽然最大，但该区域内的火点数却远远少于落叶阔叶林覆盖区、草地和落叶针叶混交林覆盖区。其中一方面原因可能在于种植区域有人工管理，能够及时发现火情并在最快的时间内进行扑救，但是林区和草原区域却没有这方面的优势。而另一方面原因在于林区的易燃性物质较多以及林木的属性方面。3.3.4 林火与NDVINDVI（Normalized Difference Veget

19、ation Index）HYPERLINK http:/ (2)其中，IR表示遥感多波段图像中的近红外波段，R为红外波段2。NDVI是评价植被覆盖度和植被状态的有效参数，它和植物的蒸腾作用、太阳光的截取、光合作用以及地表HYPERLINK http:/ 东北地区2000-2004年火点NDVI值统计直方图从图8看出：NDVI在0-0.9之间均有火点分布。NDVI在0.2-0.4区间内火点分布最多，此外，分别在0-0.1和0.8处出现两个小的峰值。NDVI在0.5-0.7之间火点数最少。NDVI在0.5以下时，发火概率明显高于NDVI在0.5以上，而NDVI在0.3左右火灾危险最高。原因可能在于

20、较高的植被覆盖可以降低地表温度，从而减少火灾的发生概率。而较低的植被覆盖不能有效阻挡日光直射地表，使地表温度上升，导致枯枝落叶易燃。3.3.5 林火与人类活动人类本来就是自然的一个组成部分，而人类活动对自然界的影响也日益深化。林火作为一种自然现象，与人类活动的关系也极为密切。但是人为因子对林火的影响是复杂的，这中间既有积极的方面，也有消极的方面。根据现有数据，利用GIS方法分析20002004年火点到最近居民点距离和最近道路距离得到图9。图9 东北地区2000-2004年火点与居民点和道路距离值统计直方图总体来说，距离道路越远，火点数越少。而随着与村庄的距离增加，火点数先增加后减少，呈正偏分布

21、。在距离村庄410公里之间的火点数最多，峰值出现在8公里处，平均值为10公里左右。火点分布距道路的平均值为9公里左右，峰值出现在2公里左右。人类活动对火灾的影响是显著的，首先，人类活动较为频繁的地区火灾发生次数明显较多。其次，随着距离居民点距离的增加，火点数先逐渐增多后减少说明人类聚居区附近的火灾容易被发现并能得到及时扑救。此外，道路和居民点相比，在人力灭火的时效性上明显欠缺，因此火点数的峰值距离更小。4 东北地区森林火灾的时空综合特征 以上对东北地区20002009年的林火火点时间和空间分布特征进行了分析，并得到一系列结论，但都是是单单从时间或空间的单一维度来探索林火发生的规律。那么，随着时

22、间推移，不同年份的林火在空间分布上也存在差异明显，或许我们可以尝试探索不同年份里林火分布的空间变化，研究十年来火灾的分布特征。本文主要通过对十年来东北地区火灾密度的的变化来探索这一变化。利用核密度分析，分别得到东北地区十年来每年的火点密度分布图（图10）。其中HYPERLINK http:/ 20002009年东北地区火灾密度空间变化图图10为十年来东北地区各年火点分布的密度表面。从纬度上看，10年中，每年林火火点密度最高的地区都在N以北。从地貌上看，10年中林火火点密度最高的区域基本都在大兴安岭或者小兴安岭山区。而三江平原、松嫩平原以及辽河平原地区基本没有出现密度较高的区域。由此可见，在20

23、002009年间，火灾高发的核心区在空间分布上一直都相对稳定，即主要分布于大小兴安岭山区，空间变化并不是很大，只是每年灾害的严重程度不同。因此这些区域便成为火灾的高发区以及防火工作应该重点监视的地区。5 结论（1）无论从林火的年际特征还是季节特征来分析，气候因子的影响都是主要的，这中间可能主要包括气温、降水、风向以及风级等。例如火灾异常多发的2003年，黑龙江、吉林、辽宁110月的气温均高于平均水平，甚至在小范围内出现峰值，而降水相对于其他年份也较少。从季节来看也是气温较高且降水较少的季节是火灾的高发期，主要集中于春秋两季。（2）东北地区的林火空间分布极不均匀，无论是从行政区、地形、土地覆盖还

24、是与聚落的关系来看，这一特征都是明显的。（3）通过对林火与地形之间关系的探讨发现：主要影响林火分布的地形因子是坡度以及高程。至于海拔高度300米到600米之间的火点密集分布区，主要原因可能不在于是高程对火灾产生了影响，结合其他因子（如土地覆盖）来看，主要原因在于在300米到600米之间的区域是火灾高发的植被覆盖类型的主要要分布区。（4）不同的土地覆盖区域内林火发生的危险程度是不一样的，因此在森林防火工作中，要特别重视一些特别的林区（如落叶阔叶林覆盖区）和草原地区。（5）由林火与NDVI的关系来看，并非是植被覆盖度越高林火的发生几率就越大，反而是NDVI值在0.5以下时的火点数较多。所以，影响林

25、火的发生的主要因子不在于森林的密度，而在于森林的状态，具体说就是森林的湿度、温度以及林木的含水量等因素。（6）林火与人类活动的关系也是极为密切的，这里主要通过两个指标来衡量，即林火火点与居民点以及道路的距离。而其中又出现两个问题，即人类活动对林火产生的双重影响。一方面人类活动是导致林火产生的一个重要因素，例如人们在林区不合理的用火行为。而另一方面，在林火发生后，若距离居民点或者道路较近的区域又方便人们及时发现火情并进行扑救，而这一方面居民点的作用似乎要大得多。这两方面特征在火点的空间分布上都能够得到很好的体现。参考文献1 赵济，陈传康.中国地理M.高等教育学院1999.2 于成龙，张欢，杨晓强

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