江西南昌森林可燃物含水率动态变化及湿度码适用性研究

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森林可燃物含水率表示可燃物内部水分多少,其动态变化主要受气象要素和自身理化性质的影响,其值大小对森林火险预报至关重要。直接烘干法得到含水率值最准确,但在实际应用中,我们需要得到准确实时的可燃物含水率值,而基于烘干法往往都是前一段时间的含水率,无法在实际中应用。因此,研究高精度的可燃物含水率预测模型,是世界各国林火研究者关注的重点。加拿大火险等级系统中的3个湿度码能够反映可燃物的干燥程度,而且由于其是半物理模型,即有较好的外推性,模型形式还不复杂,能够在实际中应用。但是,由于可燃物类型、林分立地条件和气候区等不同,在应用湿度码前需要对其适用性进行验证,若不适用,还需对其校正。若能在研究区建立基于湿度码的可燃物含水率预测模型,对于提高可燃物含水率预测精度和火险预报具有重要意义。本研究选择江西省南昌市茶园山林场典型地表细小死可燃物和活可燃物为研究对象,在2015-2016年防火期内每日14:00监测可燃物含水率,并同步记录研究区气象数据。利用气象数据计算得到研究区每日FFMC、DMC和DC,使用全部数据和部分数据(非降雨/降雨)建立基于气象要素和湿度码的含水率预测模型,分析湿度码预测可燃物含水率的适用性和降雨对适用性的影响。并对FFMC和DC尺度模型中参数进行校正,重新建立地表细小死可燃物和活可燃物含水率预测模型,计算模型精度,分析误差。主要得到如下结果:(1)研究期,茶园山林场所有地表细小死可燃物含水率均值变化范围为61.6-139.2%,其含水率动态变化仅与前一天相对湿度和降雨呈极显著正相关;活可燃物含水率均值变化范围在118.3-181.5%之间,前一天空气温度、相对湿度和降雨对其含水率动态变化有极显著正相关关系;茶园山林场在防火期内FFMC最小值为0,最大值为89.1,均值为33.5,DMC最小值为0.1,最大值为41.0,均值仅为5.4,DC在研究期内变化范围为1.2-104.3,大部分时候都低于20.7。地表细小死可燃物含水率动态变化与3个湿度码都呈极显著负相关,且FFMC、DMC和DC对其的影响逐渐减弱。活可燃物含水率动态变化只与FFMC呈极显著负相关关系;(2)使用全部数据建立气象要素回归模型,地表细小死可燃物含水率模型中仅有前一天相对湿度,模型MAE范围为24.52-48.58%,对于活可燃物,主要包括前一天空气温度和相对湿度,模型MAE变化范围分别为11.86-25.89%;使用全部数据建立湿度码预测模型,对于地表细小死可燃物,除5号样地毛竹外,仅FFMC进入方程,预测模型R2最小值为0.2528,最大值为0.3404,模型MAE范围在26.58-49.84之间;对于活可燃物,预测模型都包含FFMC,部分包含DMC,仅6号样地茅草包含DMC,所有活可燃物含水率预测模型MAE在11.87-26.45%之间。不论是地表细小死可燃物还是活可燃物,直接使用湿度码对全部数据建立含水率预测模型预测方程并不适用;(3)非降雨条件和降雨条件下,死可燃物含水率都仅与前一天相对湿度显著正相关,而活可燃物在非降雨条件下,其含水率动态变化与前一天空气温度呈极显正相关关系,降雨条件下,除与空气湿度相关外,还与前一天相对湿度呈显著正相关;非降雨条件下,绝大多数地表细小死可燃物和活可燃物含水率动态变化仅和DMC和DC极显著负相关。降雨条件下,所有可燃物类型都与湿度码不相关。(4)对于地表细小死可燃物,非降雨条件下,气象要素回归模型仅包含前一天相对湿度,模型MAE范围为22.07-50.10%,湿度码模型MAE范围为29.41-66.47%。降雨条件下,气象要素预测模型包含前一天相对湿度和风速,模型MAE在22.81-42.08%之间,湿度码模型无法建立。对于活可燃物,非降雨条件下,气象要素回归模型仅包含前一天空气温度,所有模型MAE变化范围为11.13-22.00%,湿度码模型主要包括DMC和DC,模型最小MAE仅为10.92%,最大值为22.69%;降雨条件下,气象要素预测模型主要包括前一天相对湿度,部分包括空气温度,所有模型MAE变化范围为10.54-51.11%,湿度码模型无法建立。区分降雨和非降雨,湿度码依旧不适于研究区地表细小死可燃物和活可燃物含水率预测;(5)基于校正后FFMC和DC分别进行地表细小死可燃物和活可燃物含水率预测,预测模型误差都显著低于未校正的湿度码和气象要素回归模型。所有地表细小死可燃物和活可燃物含水率预测模型MAE变化范围分别为2.15-6.90%和4.86-8.92%。校正后的湿度码可以用于研究区地表细小死可燃物和活可燃物含水率预测,模型误差在可接受范围内。
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