200911-国外森林火灾预警与预测预报

国外森林火灾预警与预测预报蒋岳新国家林业局防火办0前言伴随着以计算机为代表的高新技术迅猛发展，在世界范围内，森林火灾预警及预警及预测的应用已成为越来越多的有林国家林火管理的有力工具。国际上许许多多的林火研究工作者们不辞千辛万苦，从试验室到现场观测都做了大量的工作。他们通过不同的途径和方法，摸索到许多规律性的东西，获得许多有实用价值的宝贵经验，取得了可喜的成绩。林火预测预报的研究和应用，在西方发达国家至少要比中国早30年。我国目前林火预警及预测预报，无论是从研究角度还是从应用角度都与美国、加拿大等国有很大差距。 1林火预警预测的概念林火预警及预测报是指依据一些客观要素，针对森林火灾的有关趋势，采用一定的数理方法所作出的预测。林火预测预报一般可分为三种：即火险天气预报、林火发生预报和林火行为预报。林火预报还可分为短期预报(2天以内的天气变化)、中期预报(310天)和长期(10天以上)预测预报。(1)森林火险天气预报 森林火险天气预报，仅预测预报天气条件能否引起火灾的可能性，它不包括火源在内。(2)林火发生预报 综合考虑天气条件的变化，可燃物干湿程度变化和森林可燃物类型特点及火源出现的危险等，来预测预报火灾发生的可能性，包括雷击火和人为火发生的可能性。(3)林火行为预报 预报火灾发生后，预测预报林火蔓延速度、能量释放、火强度以及扑火难易程度。1.1林火预测预报的发展历史 林火预测预报从本世纪20年代迄今，已有70余年的历史，在世界各国发展很快。1914年美国就开始研制火险等级；苏联在沙俄时期曾采用桧柏枝条和木柱体的方法来预估林火的发生，1928年加拿大莱特(WRIGHT)利用空气中的相对湿度来进行火险预报，以相对湿度50为界限，小于50就有发生林火的可能；1936年美国吉思抱恩(GlSBORNE)提出多因子预报方法。 40年代日本昌山久尚提出实效湿度法；1944年苏联聂斯切洛夫提出综合指标法等等。以上方法均属于火险天气预报范畴，将火险等级划分为不燃、难燃、可燃、易燃、强烈燃烧等五级。50年代以后，研究林火预报的国家越来越多。其中发展最快的是美国和加拿大。 到70年代，这两个国家首先形成了国家级火险预报系统。例如1972年加拿大提出“加拿大森林火灾天气指标系统”。该系统是在大量火灾资料和天气资料以及野外试验的基础上，利用水热平衡原理，预报全国统一的三种可燃物湿度码，每天只需测定气温，相对温度，风速和降水量等四个气象因子就可进行三天预报。1972年美国也提出国家火险级系统，计算着火分量，蔓延分量和能量释放分量，并确定三个独立指标，即雷击火发生指标，人为火发生指标和燃烧指标，将这三个指标又归纳为火负荷指标。该系统到1978年又进行了修订。改为“国家最新火险等级预报系统”。从定性预报向定量预报迅速发展。美国北方林火实验室还设计出一种测算火行为的袖珍计算器，程序简单、计算速度快、精确度高、使用者只要输入一定的数值，就可以获得火灾特征值，用于预测火行为，1974年苏联在个别林区也提出利用电子计算机编制林火预报程序的新方法。 我国研究林火预报较晚，1955年才开始，主要是在苏、美、日等国家林火预报的基础上，结合我国的情况进行研究的。例如：风速补正综合指标法，双指标法以及火险尺法等。1978年以后，我国的林火预报发展也较快，已由火险天气预报向林火发生预报和林火行为预报发展，并开始研制全国性的林火预报系统。 美国1977年研制了自动遥测天气站(RAWS)，重约90Kg，由太阳能电池供电，进行自动测量，储存和发送风速、风向、气温，可燃物湿度、降水量、空气相对湿度，气压等参数，所提供的风的数据是每十分钟的平均数值，自动遥测天气站每隔l小时观测一次数据，每隔三小时将测量得到的所有数据经传感器发送到同步气象卫星，由国家海洋大气管理局控制的气象卫星，把这些数据发送到接收站，从这里再自动传送到电子计算中心进行储存、处理。之后，数据自动输送到国家林火信息管理系统(AFFIRMS)，再传到广播系统对最近天气状况和火险天气提供不间断的广播。在天气形势严峻时，停止常规的火险天气广播，使用专门报警通讯， 1984年美国自动气象站引入我国气象部门。1987年黑龙江省森保所与黑龙江省科学院自动化所合作，也研制出我国的“森防SF森林天气自动遥测系统”。林火预报的研究方面，世界各国林火预报方法很多，到目前为止全世界共有一百多种，我国也有十多种。1.2林火预测预报因子的选择与测定 为了达到预报速度快、精度高、运用简便，在林火预报研究中的关键问题是主要因子的选择和预报因子的测定。林火预报因子的分类 林火预报涉及的因子繁多，其中有些是稳定因子(即不变因子)，如气候区、地形地势、森林特征等；有些是不稳定因子(即可变因子)，如可燃物含水量、气象因子、火源等；在预测预报研究中应该选择哪些因子，不应该选择哪些因子，这对于精确、简便地进行林火预测预报具有决定性作用。目前在林火预报研究中常采用的主导因子是可燃物的含水量、降水量或干旱日数、相对湿度、温度和风五个因素。从我国南方林区来说，主要采用气温日较差、相对湿度、降水、连旱天数等主要气象因子。(1)稳定因子 随时间变化，不随地点变化，对林火预报起长期作用的环境因素称为稳定因子。这些因子在某种具体林火预报系统中并不是直接输入，但必须考虑到稳定因子的作用，作为参考。特别是在国家级火险预报系统中，这些因子常作为大区划分火险区的基本资料而存入自然地理数据库。气候区气候区能反应某一区域水热条件和植被分布，进而影响可燃物种类、分布和数量，同一气候区内火险天气出现的季节和持续时间是比较一致的。因此在研究林火预报系统时可先以气候区为单位划分出较大的火险区，再根据不同气候区的特点制定出具体可行的预报方法。 从大的气候区来看，林火有其明显的地理分布规律。南北回归线属热带地区，林火出现的比较少；从回归线向南或向北到极地带，尤其是纬度在4861之间为多火灾区。我国的东北地区，加拿大，美国北部属于这一带。美国1978国家火险等级系统把全国划分为四个气候等级区，分别用干旱、半干旱、半湿、湿来表示气候区的水湿程度。在进行火险预报时首先确定其地理位置属哪个区，然后选择适合该区的可燃物模型，确定预报方法。澳大利亚根据气候区的干湿状况划分出不同的火险带，以此来决定选用林火预报系统或是草地火预报系统。地形在大的气候区内，地形是地质变迁的结果。其变化要用地质年代来度量，比较缓慢。但是作为地形因素的坡度、坡向和坡位、海拔高度，直接影响林火的发生与发展。在进行林火预报时要考虑其作用。 目前、美国、加拿大和澳大利亚的林火预报系统在进行火行为预报时，都考虑了坡度因子作用，采用坡度修正蔓延模型。例如：美国1972年国家火险级，根据坡度把地形划分为三级，如表8-1所示，1978年又对系统进行了调整，如表8-2所示。表8-1 1972年坡度分级系统坡度级陡坡占比重（） 1 020 2 2140 3 40表8-2 1978年坡度分级系统坡度级 陡坡占比重（） 1025 22640 34155 45675 575火险高低最早提出火强度计算式的美国人白兰。澳大利亚塔斯玛尼亚洲应用的火险预报尺，是根据日降水量和最高温度确定土壤干旱度来预报火险的。法国应用的两种火险预报方法，都是以土壤含水量大小来确定森林地被物的干旱指标，进行火险预报。(2)林火预报半稳定因子 随着时间变化，随地点变化明显的相对稳定的环境因子。林火预报半稳定因子包括火源、能见度、林火管理水平、可燃物特征等。这些因子中有些可直接输入到林火预报系统中，有的只能作间接参考，有的可以通过统计方法得出，有的则需实际测定。火源火源大体上可以划分为人为火源和自然火源两大类。不论哪种火源都包含着既是固定的、又是不固定的因素。在一般情况下，某一地区常见火源可以看作是固定的。但是随着国民经济的发展，生产方式的改变，火源种类和出现的频度也不断发生变化。因此关于火源的历史资料不宜较长时间地使用，国外一般使用最近510年的火源统计资料，以保证预报的准确性。 火源作为林火预报的因子只是最近20年才被采纳，现已成为林火发生预报的重要输入参数。东北林业大学研究的“林火发生预报”在国内首次引入了火源因子，但由于我国目前雷电预报水平有限，只采用人为火源，因此应该说是人为火发生预报，在东北林业大学林火发生预报系统中，火源是经过预处理，以火源等级形式输入的。火源等级是按计算火源指标I来划分的，共分为5级。(8-1)式中 N某林业局10年林火发生次数；S该林业局的面积。 美国国家火险等级系统把雷击火和人为火源同时引入预报系统内，其输出的雷击火发生指标和人为火发生指标是林火发生预报的重要参数。能见度能见度是指人肉眼所能看到的最大距离。主要受空气纯净程度影响。空气中的烟、薄雾、空气中飘移的粉尘等都能降低能见度。能见度在早期林火预报的研究中有人应用过，但现在几乎没有人用它来作火险预报了。但能见度对于林火探测和航空护林影响很大，使许多小火不易被发现，最终酿成火灾，因此在林火管理上要给予足够的重视。在我国东北地区，烟，霾和风沙天气往往是林火天气的预兆。林火管理水平林火管理水平涉及面很广，并直接关系到林火预报工作实施的好坏。林火管理水平低，即使是有良好的防火设备，也难以发挥应有的作用。在林火预报中，林火管理水平的高低是用控制火的能力来评价的。比较先进的林火预报系统，可以在火险预报的基础上通过计算机辅助决策系统派遣扑火力量，确定最佳扑火方案。因此就要考虑到林火管理水平和控制火的能力。一般来说，一地区林火管理水平短时期内变化不大，只是不同地区之间有所差别，因此这个因素比较稳定。可燃物特征 就可燃物本身来讲，不但有其一定的动态变化规律，而且也与环境条件密切相关。在研究森林燃烧的几乎所有的可燃物特征都很重要，但在研究林火预报时多数系统只考虑可燃物类型(模型)，可燃物负荷量，可燃物组成，结构，可燃物含水率。其中除可燃物含水率以外，其它几项都相对稳定。森林可燃物是森林燃烧的基础物质，不论是火险预报还是火行为预报必须针对预报区的可燃物类型，其燃烧性和对火行为的贡献。在林火预报中，先要对森林可燃物进行分类，划分可燃物类型。然后对每种可燃物的基本性质透彻的研究，制定出可燃物模型，以此来进行火险和火行为预报。美国1972国家火险等级系统共制定9个可燃物模型，1978年系统增加到20个，以提高预报的准确性。可燃物模型可以提供有关火行为的可燃物参数，输入到罗森迈尔林火蔓延模型，进行林火强度和林火蔓延计算。这些可燃物参数包括可燃物结构，组成，密实度，大小，热值，矿物质含量等。可燃物负荷量是预报火行为的另一个重要参数。美国系统把它包含在可燃物模型中。澳大利亚系统则把它作为一个单独因子来预报火强度、林火蔓延速度、火焰长度和平均飞火距离。其可燃物负荷量划分为5级：I级：5tha，II级：10tha，III级： 15t/ha，IV级：20tha，V级：25tha。加拿大也在火险天气指标的基础上划分出14种可燃物模型用以火行为预报。(3)林火预报变化因子 随着时间和地点发生变化的环境因素。林火预报变化因子是林火预报的最重要因子。可以通过观测和计算直接输入到林火预报系统中。例如：可燃物含水率、风速、空气温度、空气湿度、降水量、连旱天数、地下水位蒸发量、雷电活动水平等。可燃物含水率可燃物含水率大小决定森林燃烧的难易程度，也就是点燃的难易程度。因此可燃物的含水率是判断林火能否发生，进行林火发生预报的重要因子、可燃物含水率的大小还决定林火蔓延速度，能量释放大小和扑火难易程度。因此可燃物含水率也是林火行为预报的重要因子。其中细小可燃物含水率大小对火灾能否发生影响最大。一般经验告诉我们，当细小可燃物含水率大于8时，一般的火源是不能引起森林火灾的，当细小可燃物含水率小于4时，点火就非常容易。可燃物含水率在自然状态下受空气湿度、空气温度和降水的影响。而不同种类的可燃物对气象因子的反应是不一致的。例如细小可燃物含水率主要随大气湿度变化，吸收水分和散失水分都很快，几小时内就可从不燃到可燃；中等可燃(大枝条、中层腐殖质等)其含水率变化比较缓慢，而且是累积性的，其含水量也可视为林地的干燥程度；粗大和重型坚实可燃物(原木、倒木、深层腐殖质，泥炭层等)含水率变化更为缓慢，只有在长期干旱或持续降水情况下才能改变其含水率。活可燃物的含水率主要受本身的生理过程影响，在生长季节水分含量较大，不易燃烧。 在研究可燃物含水率时经常用到两个重要概念：平衡点含水率和时滞，这两个概念比较抽象，我们接触的比较少，在此应理解为：平衡点含水率是可燃物水分含量的基准，可燃物的干与湿是由其含水率低于或高于平衡点含水率来决定。不同种类可燃物含水率平衡点不一样。可燃物含水率在达到平衡点之前是逐渐吸水过程，而达到平衡点含水率则趋于稳定。但是改变环境条件，如降水增加等还会使可燃物继续吸水。可燃物吸水饱和后如果天气干燥又开始逐渐失水。而时滞是指不同种类可燃物含水率对外界环境的反应，时滞小的可燃物种类对环境变化反应快，时滞大的可燃物种类对环境条件反应慢。这与可燃物本身的结构大小密切相关。由于时滞是可燃物对水分反映的结果，所以美、加等国普遍用时滞来划分可燃物种类。美国国家火险等级系统按时滞大小把可燃物分为四种，在第七章已经作了论述。 可燃物含水率是林火预报的基础，不论哪个系统，尽管采用的方法不同，但都必须考虑可燃物含水率在林火预报中的作用。风风在林火预报中是除可燃物含水率外另一个十分重要的因子。风速和风向对林火蔓延影响很大。般来说风速小于2.2 m/s ，风速与林火蔓延速度之比为1：1；风速大于2.2 m/s，林火蔓延速度为风速的1.5次幂。风速加速可燃物水分的蒸发，直接影响到可燃物的含水率。 目前各国火险预报多数把风速作为间接因子来考虑对可燃物含水率的影响，而在火行为预报中把风作为决定火强度、林火蔓延速度、火场面积的直接因子。例如：美国系统采用的罗森迈尔蔓延模型把风速因子作为一个重要参数。 加拿大系统中初始蔓延指标：(8-2)(8-3)(8-4)式中 R初始蔓延指标；f(U)风速函数；f(F)细小可燃物湿度码函数；U中午风速；M细小可燃物含水率。 澳大利亚林火预报系统的林火蔓延速度是由火险指标和风速等气象因子确定的。温度温度是火险预报的直接因子，从火险预报研究一开始就普遍受到重视。现代林火预报从两方面来考虑温度作用。可燃物本身温度和土壤温度直接影响可燃物点燃的难易程度。因此在做林火预报时可以直接输入系统中。例如，美国国家火险等级系统直接输入空气温度和可燃物温度。空气温度高低可以通过对环境的影响间接作用于可燃物，改变可燃物物理性质，影响火险等级。利用可燃物含水率随空气条件变化的关系，可以通过空气温度、湿度等来预估可燃物含水率。例如：澳大利亚最初林火预报系统就是靠空气温度和湿度与可燃物含水率的关系，利用回归分析方法来计算可燃物含水率的。湿度空气中水分含量是森林能否燃烧以及衡量林火蔓延速度的重要参数。空气对可燃物含水率影响最大，几乎所有预报系统都离不开空气湿度这一输入因子，只是采用的表达方式不同。有的系统用平均相对湿度，有的系统用最低相对湿度，还有的系统用空气饱和差。空气相对湿度可以直接从气象台站天气预报获取，但考虑到气象台站地理位置与林内小气候的差别，最好采取某种修正方法来真实反应火场实际湿度情况。降水降水包括雨、雪、露、冰雹、霜、雾等。无论哪种降水对林火的发生和火行为特征都有影响，因而也是各个预报系统都将考虑的预报因子。在林火预报的具体应用中，多数考虑的是降水量和降水持续时间。连旱天数指连续不下雨的天数，与其相对应的是累积降雨-指从某时开始降雨的累积日数。连旱天数和累积降雨日数不但对细小可燃物含水率和地下水位有影响，而且还能影响到粗大可燃物含水率变化。因此在研究粗大可燃物含水率时首先要考虑连旱天数和累积降雨日数，而研究细小可燃物含水率时应着重考虑24h降水量。目前各系统对连旱天数都给予一定的重视。雷电活动雷电活动是雷击火发生预报的必要参数。雷击火的分布有一定的区域局限性，前苏联集中在西伯利亚地区，美国集中在落基山脉和西太平洋沿岸各州，加拿大各省均有雷击火公布。我国主要分布在大兴安岭林区和阿尔泰林区。目前美国国家火险等级系统可以通过雷电探测仪对每日雷电活动进行探测，输入雷击火发生预报系统进行预报。我国这方面的工作刚刚开始。 除上述一些因子之外，气压、地下水位、蒸发量等变化因子对林火预报也有直接或间接的作用。1.3林火预报因子的选择 林火预报精度大小的关键，除了系统本身方法的科学性外，主要是看如何选择适当的因子，客观真实地反应林火发生的可能性。选择哪些因子，怎样应用这些因子，要根据预报系统的原理和方法来定。(1) 火险预报因子的选择 火险预报主要是根据气象要素和植被对环境条件的反应来估计林火发生的可能性，也就是天气条件是否有利于林火发生。因此火险预报应主要选择一些能反应天气干湿的气象要素，绝大多数为变化因子。如：空气温度，相对湿度，降水，风、连旱天数等。植被条件则主要选择可燃物含水率，特别是细小可燃物含水率。根据这些火险因子，利用数学或统计学方法计算出火险指标，划分火险等级，这就是火险预报。(2) 林火发生预报因子的选择 林火发生预报是在火险预报的基础上进行的。林火发生预报要求预报出某一地区某一时间段内林火出现的概率或次数，所以选择的因子不仅要有火险预报的变化因子，还由于林火发生预报涉及因子较多，不可能全部输入到预报系统中，应经过筛选，取那些对林火发生影响最大的因子。这一工作现在已由计算机来完成。(3) 林火行为预报因子的选择 林火行为预报要求输出一些定量指标，如火强度、蔓延速度、火焰长度、火场周界和火场面积等。因此输入因子也要求定量化。如果某些因子对火行为预报很重要，但又不能直接测定得到所需定量指标，则需经数学方法进行量化处理，然后输入系统中。概括起来，林火行为预报要求选择如下三大类因子：可燃物因子：含水率，负荷量，结构，组成，密度，表面积体积比等。气象因子：空气温度，湿度，风速，风向，降水量，降水持续时间等。地形因子：坡度，坡向，坡位等。(4) 预报因子的测定 预报因子测定的时间、地点和方法是火险数据可靠性的前提，是预报准确性的基础。因此，一定要认真做好，如一天内火险最高的时间一般在午后13时，因而在这时测定森林可燃物含水量，比其他时间测定的为佳。森林防火范围大，在山区，地形、小气候、森林可燃物类型等常有变化，测定的地点则应设在火灾发生次数频度最大，可燃物最易燃，最容易出现火灾的地形、地段。 预报因子的测定，气象因子用常规方法测定(即百叶箱放于草地上，并与周围建筑物有一定间隔)，风速要取34min的平均值，可燃物含水量的测定(8-5)式中W为含水量，Q 0为取样的重量，Q 为105烘干后的重量，也就是可燃物含有活动水分与其干重之比)，一般采用腐殖质层或地表枯枝落叶层或指示板的含水量，每天在标准地内采集样品或指示板，称其湿重，放到烘干箱里加热到105，持续24小时，称其干重，算出含水量。2森林火灾预警及预测预报方法 林火预测预报方法是进行林火预测预报的重要一环，主要方法有经验法、数学方法、物理方法、野外实验法和室内测定法等。2.1 利用历史火灾资料来研究林火预报 利用火灾资料来找出林火发生发展规律，这种方法只要对过去林火发生的天气条件、地点、时间、次数、火源等进行统计和分析，找出其相关性，利用其相关性编制预报模型，划分等级指标，进行火险预报。其预报的准确程度与资料和可靠性，采用的分析方法，主要因子的选定和预报的范围等都有密切关系。由于目前世界各国准确地预报天气还有一定的难度，运用预报模式将逐日逐段的气象因子换算成火险天气等级，也产生一定的截断误差，气象因子对可燃物干湿度的影响也十分复杂，火灾的发生和成灾程度又受人为(如火源、扑救能力等)影响较大。因而，一般来说，这种预报方法准确性较低。但其优点是不需要特别布置观测，只凭气象站的走时观测资料就可计算火险的大小。2 .2利用可燃物湿度变化与气象要素的关系来进行林火预报 可燃物的湿度(含水量)是影响林火发生的一个直接因素，而可燃物湿度变化又是多种气象要素综合作用的结果。这种方法就是根据这种原理进行预报的。测定可燃物的含水量应在不同森林可燃物类型中，采用不同可燃物种类和规格的测湿棒来进行。这种方法需要长期定点观测，并有足够数量的观测点。此法不仅能测定死可燃物(如枯枝落叶、倒木等)的含水量，也能测定活可燃物(草木，灌木，乔木等)的含水量，比较接近实际情况，但受测量手段制约，精度有限，实用性差。2.3 利用点火试验进行林火预报 此法根据点火试验与气象要素之间的关系来进行预报，并需要在不同森林可燃物类型的一定面积上进行多次点烧才比较精确，点火试验可在野外和室内结合进行。一般野外点火试验其准确性更高。澳大利亚曾点火试验800次，研制了火险预报等级，不仅能预报在各种天气条件下林火发生的可能性，还能预报林火发生后的蔓延速度和火强度等林火行为。2.4 综合法进行林火预报 这是将可燃物湿度与气象要素之间的关系与点火试验等方法结合起来，并引入火源因素来进行林火预报，准确性较高，预报的项目多而全面，它可以预报火灾出现的时间、火的蔓延速度和火强度等，目前世界各国采用的比较多。2.5 利用林火模型来进行预报 这种方法主要对影响着火和蔓延的各种要素(影响着火主要因素如可燃物类型、含水量、火源、火险天气等，影响蔓延的主要因素如风、坡度等)进行模拟试验，通过电子计算机处理得出的数值，再到野外进行检验修正。这种研究方法是目前发展的方向。 所有的数据必须经过统计处理，并有足够的样本。火险等级是一个综合数字，是根据测定各因子的数据综合计算的，而不是以某一个单因子来决定的。计算方法的科学性直接影响计算结果。但也有一部分是由观察经验取得的，如风速等，这些指标必须与实际情况相符合，否则需根据实测数据加以调整，以提高预报精确度。 通过室内外进行的火灾模拟试验，经过电子计算机处理得出的数值，再到野外进行检验修正。最后形成计算机软件程序，借助于计算机进行计算模拟，使得林火预测预报方便、快捷而有效。3 国外林火预测预报方法 从世界各国研究林火预报来看，当前都是向提高精度，快速传递和便于应用的方向发展，随着人们对森林防火重要性认识的不断提高，林火预报业务系统也将逐步健全和完善。为了今后更好地开展我国的林火研究工作，特别是林火预测预报，我们有必要总结和比较一下世界各主要国家森林火险等级系统研究的方法和特点。各国有各自的长处和短处，我们应该吸取他们的精华，借鉴利用，在他们研究的基础上建立和发展具有我们中国特色的林火预报系统。3.1 瑞典 瑞典火险等级系统被称为Angstrom指标，现在已经用于斯堪地那维亚部分地区。这一火险等级系统是目前所应用的所有火险等级系中最简单的一种。 火险指标的计算式如下：(8-7)式中 I火险指标；R 相对湿度(；T空气温度()。 火险等级划分如表8-3所示。表8-3瑞典火险等级系统级别指标 描述 1I 4.0不可能发生火灾 2 2.5I4.0不利于火烧条件 3 2.0I2.5有利于火烧条件 4I2.0火灾很容易发生 这个指标忽视了降雨和风的影响，没有准确地反映出相对湿度，温度，可燃物含水量之间的相互关系。它的主要优点就是简便。在没有笔和纸的情况下用脑就可以计算火险等级。 瑞典火险等级预报方法主要应用于斯堪地那维亚部分地区。是目前所有林火预报中最简单的方法，只采用空气相对湿度和空气温度两个因子来计算Angstron指标，以此来划分火险等级。3.2 法国 在法国，利用土壤湿度法和干旱指标法确定火险等级，对于火险等级中干旱和风雨两因子被认为是最重要的可变量。(1) 土壤湿度法 孢朽留尔(C. Bordreuil)等人从气候、土壤、植被是一个统一体的生态学观点出发，根据实际土壤含水量确定以下4种干旱等级。表8-4干旱等级划分：级别 划分 r指标 描述I级RrR/2（150mmr75mm）不易干旱II级R/2 rR/3（75mmr 50mm）进入干旱期III级R/3rR5（500mmr30mm）长期干旱IV级rR/5（r30mm)很长期干旱 其中有2个参数：R土壤饱和含水量，在地中海地区R150mm；r土壤实际含水量。这里 R为常数，r则由月平均气温T和月平均降水量P推算得出。 干旱等级划分如表8-4所示：(2)干旱指标法 指标每日计算，与风速结合起来确定未来火验等级。设计者认为火险预报最主要2个变量是干旱指标和风。干旱等级量是下列方程式确定的：(8-8)式中D 干旱指标；C土壤吸水能力变量；d土壤含水率；E依据Thornthwaite (1948)水分潜在蒸散值。 干旱指标D需要每日计算，并与风速结合以确定火险等级。3.3 日本 “实效湿度法”是日本都市预报火的一种方法，它的理论依据是：可燃物的易燃程度取决于可燃物含水量的大小，而可燃物含水量的大小又与空气湿度有密切关系。计算式如下：(8-9)h0当天平均相对湿度；h1前一天平均相对湿度；h2前二天平均相对湿度；hn前n天平均相对湿度。a系数。 按上式计算查表得出火险等级 纵观国际林火研究发展趋势，我们可以看出，只局限于考虑天气因子作为变量是不够的，苏，瑞，法，日都没有考虑可燃物类型和地形对火的影响，这不能不说是一个很大的缺陷。而美国，加拿大和澳大利亚都已从定性研究发展到定量研究，在试验方法上考虑的因子比较全面，能比较客观地反映出实际情况，这是值得我们借鉴学习的。3.4 澳大利亚 早在本世纪30年代，澳大利亚就有人开始进行林火预报研究。其中以麦克阿瑟(AG，McArthur)的火险预报系统应用最广。McArthur火险预报系统是依据典型桉树可燃物800次试验火测得的数据，每次实验火燃烧3060分，可以说，澳大利亚系统同加拿大系统一样，也是由经验法导出的。 澳大利亚火险等级指标同美国和加拿大两个系统做法相似，它包括对三种可燃物类型的三个水分含量的测定。最广泛地应用的是MCArthur (1966，1967) 建立的用于按树林型中的系统。(1) 草地火险尺 McArthur于1966年研制出了用于预报草地火险的火险尺，1973年进一步修改定型。 草地火险尺火险预报基本因子有：空气相对湿度、空气温度、风速、干枯度。在预报火焰长度时采用可燃物负荷量指标：草本植物的疏、中、密三级。输出结果为：火险指标、火险级，难控程度，0.5h、1h、2h 4h的火烧面积，最大火场面积，火焰长度。 草地火险尺在理论上得到进一步充实，增加了有关参数的数学模型。M(97.74.06H)(T6.0)-0.00854H3000C-30(8-10)式中 M可燃物含水率()：H空气相对湿度()；C干枯度。当M 188%F=3.35W (0.0403V-0.0897M)(8-11)当188% M30%F=0.299W(0.0403V-1.686)(30-M) (8-12)式中 F火险指标；W可燃物负荷量，(t/ha)；V风速，(km/h)；式中 R火蔓延速度(kmh)。(2) 森林火险系统 1967年麦克阿瑟研制出森林火险尺， 1973年修正后定型为现在澳大利亚普遍应用的林火预报方法。森林火险预报通过森林火险尺实现。用以计算火险指标的因素有：雨后天数、降雨量、干旱因子、相对湿度、温度、风速、可燃物负荷量。 澳大利亚火险预报系统是经过800多次野外点火试验建立起来的，因此有坚实的野外场试验基础，但只适用于较单一的可燃物类型(桉树林)该系统突出了火行为定量输出预报，这是其它系统所不具备的。输出的定量火行为参数有林火蔓延速度、火线强度、飞火距离和是否发生树冠火。 火险指标采用如下数学模型计算：(8-13)式中 F火险指标；T空气温度()；H空气相对湿度(%)。(8- 14)式中 坡度()。 火焰长度H(m)为：(8-15)(8-16)式中 S飞火距璃(km)；W 可燃物负荷量(tha)。 干旱因子：D=0.191(I1.04)(N1)15/(3.52(N+1)15+ (8-17)式中 D干旱因子(无量纲)；I干旱指标(mm)；N雨后天数；P降雨量。表8-5火险等级划分 级低火险指标50 火险指标F取值0100。通常F值越大，越危险。 火险等级划分如表8-5所示。3.5 俄罗斯前苏联林火预报系统自聂斯切洛夫(Hesterov)提出综合指标法至今，已有40年历史。这期间，前苏联预报方法不断改进，但就原理讲，还未跳出聂氏提出的综合指标法。在苏联比较广泛使用的是点火指标(P)。它依据于聂斯切洛夫(1949)的工作，计算式如下：(8-18)式中P点火指标；T温度；w降雨后的天数；D露点温度。 雪融化后，春季第一天开始计算P值，温度要在0以上。点火指标每天增加，直到降雨3mm时，P值降到0，然后这一过程又重新开始。Hesterov系统在1962年由Gritsemko作修改，其主要依据是从水汽压变化方面做修改的。苏联点火指标的特点是，计算简单，但方法还是比较粗放的。(1) 林区每日火险鉴定 这是由穆欣研究出的利用天气条件鉴定林业局每日火险程度的方法，于1973年由前苏联国家林业总局批准。穆欣认为，无论可燃物温度如何，天气如何干燥，若无火源是不会发生林火的，而聂氏综合指标中不含火源和风因子。所以在聂氏综合指标判断林业局火险天气的基础上，利用火源、风等因素确定林业局以下单位(如林段、林班、自然林段)每天火险亚级。 首先按通用的或者当地的等级表鉴定整个林业局范围火险等级，再根据下列火源组别和火源出现程度鉴定林业局内各个地区的火险亚级表。林区火源可能出现程度鉴定表如表8-6所示。表8-6林区火源可能出现程度鉴定火源组别 火源可能出现的程度 火源 1 少 可能出现闪电、自然和个别进入林区的人员（意外） 2 除上述外，林区出现有组织的人员，如伐木工、旅游 中 者、参观者 3 除上述1、2组外在林中还出现没有组织的人员、钓鱼、 高 打猎、采野果、蘑菇、草药人员 由4个气象要素值的大小确定可燃物状况指数(地表可燃物易燃程度)。按林区各气候要素鉴定可燃物状况指数，从表查到的总分是对可燃物湿度状况的评值。可燃性用下列指数表示：a不充分燃烧，b 可能燃烧；c 充分燃烧。 此外，还有一些根据植被、地形、土壤对聂斯切洛夫的综合指标法进行补正等方法。(2) 根据土壤地形特点预报森林可燃性 此法由前苏联B.A. 斯列金斯基研究提出，利用土壤和地形2个稳定因子，降水和阳光照射2个气象因子来确定不同立地条件下的森林燃烧性。如图1所示，按森林燃烧性，某一施业区所有林地可划为危险、不危险、相对危险三类。 第一类是各种砂质土壤地区。草类、苔藓、地衣类生长并不高，盖度很少超过0.5，生草程度低，常能见到干燥杂草。土壤无控制水分的能力，在无树木或灌木的地段和疏林地因受阳光强烈照射很快失去水分，草类开始枯焦，形成燃烧和产生地表火的条件。 第二类是各种土壤和粘土地区及沙滩、低洼地、沼泽地等。这些地方草类长得很高，组成复杂，盖度将近1，生草程度很强，枯死草类被绿色活草覆盖。在这种立地条件下，就是出现高火险天气也不易引起燃烧。 第三类是各种沙壤士，燃烧性比第二类强，但比第一类差。地 形 条 件低地(1)平地(2)起伏地(3)坡地(4)高地(5)土壤类型沙土(a)沙壤土(b)壤土 (c)粘土(d)图8-1燃烧性预报图 注：箭头所指方向燃烧性逐渐减小 地形条件分为低地、平地、起伏地、坡地和高地5种类型。 知道了各施业区土壤、地形条件，最后一次降水时间，考虑到前一天云量和早晨天气状况以及整个林业局的火险级，就可在允许概率之下，按各个施业区和作业区预报出现燃烧的可能性，采取必要预防措施。最危险的土壤、地形条件是各种砂士和高地(见图8-1)。当稀疏矮小草类和老草干枯到易燃程度并形成火势蔓延的条件，若降雨发生在晚上，雨量不超过3mm，次日是晴天，则火灾有可能在傍晚发生。3.6 加拿大 加拿大林务局于1968年提出以模型的形式研究国家级林火预报系统。加拿大森林火险系统(CFFDRS)由四个子系统构成，火险天气指标子系统(FWI)，火行为子系统(FBP)，火发生子系统(FOP)和火灾负荷子系统。加拿大森林火险等级系统包括两个部分：林火天气指标系统(如图8-2所示)、林火行为系统(如图8-3所示)。林火天气指标系统回答了三个问题：在一定天气条件下森林着火机率有多大？森林起火后蔓延速度有多快？林火蔓延后控制这场林火的难度有多大？ 加拿大林火天气指标系统有六个组成部分，三个组成是最初的，二个组成是中间的，最后一个组成是代表在标准可燃物类型上单个火的强度，火险天气指标(FWI)的基本结构是一组易被计算处理的方程式，六个组成部分共有29个计算式，最后计算出FWI值。 加拿大火险等级特点：它是通过大量的现场观测将数据作数理统计分析，即在选择的地区内，把收集到的若干野外数据综合考虑天气、可燃物含水量、火行为来建立经验曲线，制表，建立方程式，为计算机使用方便起见再建立“码值”。 加拿大火险天气指标系统由六部分组成：三个基本码，二个中间指标和一个最终指标。其各部分组成的关系见图8-2。三个初始组合(1、2、3)，即三湿度码，反映三种不同变干湿度的可燃物的含水率大小，两个中间组合( 4，5) 分别反映蔓延速度和燃烧可能消耗的可燃物量。系统只需输入每天中午空气温度、相对湿度、风速和前24H降水量的观测值即可运行。(1)细小可燃物湿度码(FFMC)反映的是林中细小可燃物和表层枯枝落叶含水率变化。其代表的可燃物为：枯枝落叶层12cm厚，负荷量为5t/ha左右。细小可燃物湿度码对空气湿度反映效果。其取值范围为(099)。(2)干旱码(DC)干旱码反映深层可燃物含水率。这一层土壤1020cm，结构比较紧密，负荷量约为440tha。其水分变化最迟缓，往往随季节变化。开始设计时以土壤中水分状况来表示，通过研究得到：其水分损失按指数关系变化，所以也很适用于代表某些粗大可燃物，如倒木等。(3)初始蔓延指标(ISI)初始蔓延指标(ISI)是加拿大火险天气指标系统的一个中间指标，由细小可燃物湿度码和风速共同决定，能表示在可燃物数量不变情况下林火蔓延速度，它也是加拿大林火预报系统的一个子系统中林火蔓延模型的最基本参数。ISI的计算是由细小可燃物函数和风函数的结合来实现的。(4调整后的枯落物下层湿度码(ADMC) ADMC是枯落物下层湿度码和干旱码的结合。它即能提供DC一个有限的变化权重，又能保持DMC的作用。特别是当DMC接近0时，DC不影响每天的火险状况。(5)火险天气指标(FWI)火险天气指标(FWI)是由初始蔓延指标和调整后的枯落物下层湿度码(ADMC)的结合而产生的，也是系统的最终指标。降雨R湿度H气温T降雨R气温T降雨量R湿度H风速W温度T下层落叶层湿度码DMC干旱码DC细小可燃物湿度码FFMC林火天气指标FWI最初蔓延指标ISI风速W调整后落叶层湿度码ADMC图8-2加拿大火险天气指标系统图12345可燃物即：选择模型火险天气即：ISI地形条件坡度对蔓延速度调整加拿大林火行为预报系统参数 量纲蔓延速度（ ROS）m/min; km/h可燃物消耗量kg/m2 ;t/ha火线强度kW/m输入：图8-3加拿大林火行为预报系统结构图3.7 美国 美国于1920年初就形成了火险级系统，1940年认识到要有一个适用于全国的火险系统。1958年，由火灾研究和火灾控制人员组成的联合委员会，统一一个全国使用的系统。1961年一个4相级(FOUR一PHASE RATING)系统的基础结构已初步形成。1972年2月美国林业研究报告出版了国家火险级系统，并被广泛应用。1974年又对1972年的系统进行改进， 1978年正式推出经过修改的最新国家火险级系统(NFDRS)。 美国火险等级系统有四种指标，即人为火发生指标(MCOI)，雷击火发生指标LOI)，燃烧指标(BI)，火灾负荷指标(FLI)。 人为火发生指标是由人为危险得出的。它估计某一火险区域内人为火源的情况和着火组分状况。 雷击火发生指标和人为火发生指标的概念相似，它是从着火组分和闪电危险性或雷暴活动指标得出的。这两个发生指标都根据火险级区内预期发生火灾次数来表达。 上述两种发生指标都可以判断，如计算人为火发生指标时，首先要计算人为危险，其方法是：在15的标度范围内，把在指定的火险级区内可能出现人为的主要火源(即危险火源)的活动情况作出相应的评定。这个等级是一周内每天的标定等级。如果某种特殊危险火源比一周内正常的天活动少，可以认为这一天是无危险”或“低”的日活动级；如果活动很多的话、则可以认为是“高”或“特别高”的活动级。 计算人为危险的程序可分为两个阶段，第一阶段包括分析历史火险天气和火发生记录，以便鉴定危险火源，确定危险火源之比，计算人为权衡因子，第二阶段，每天要评定各危险火源的日活动级，计算人为危险。 燃烧指标是从蔓延组分和能量释放组分得出。它是估计控制火难度的一个依据。 用控制单个火场困难程度的衡量标准乘上用人为火发生指标和雷击火发生指标表示出来的火灾可能发生次数，就产生出总的潜在火灾控制工作的困难程度。这就是火灾负荷指标。火灾负荷指标是美国森林火险等级系统的最后指标，它综和了其他指标组分和估算的火源危险性、可燃物着火性和火行为潜力。 美国森林火险等级系统的特点是：输入因子考虑的比较全面，包括气象因子、地形和植被状况。工作比较细致，火发生预报把人为火发生和雷击火发生分开考虑，不仅考虑死可燃物含水量变化，而且还考虑了活可燃物含水量状况。四种指标均用物理模型和数学模型来计算，模型依据是实验室试验数据。 下面简介一下美国所推行的国家火险等级系统。（1） 系统的构造 美国所推行的国家火险等级系统，提供了三个防火指标：火灾发生指标，燃烧指标，火灾负荷指标。 火灾发生指标，是指在一个相当均匀的面积上可能发生的火灾次数；燃烧指标，是指在一定面积上存在一个平均火灾需要的能量；火灾负荷指标，是指在这一面积上一天内控制可能发生火灾的能力，它表明的是某一地区每天所需的防火工