摘要: 基于MODIS火点资料和区域站气象数据对2011~2023年贵州省山火特征分析及气象因子的影响分析。结果表明：在2011年至2023年期间，MODIS监测到的贵州山火总数为20,866个，其中，山火数量在2013年、2014年、2015年和2023年均超过2000个，尤其是2023年达到2542个，为最高点。从空间分布来看，主要集中在黔西南、黔南和安顺市，火点数量分别为4982个、4399个和2572个。贵州省山火在春季高发，特别是2月、3月和4月，占比达61%，与春季气候干燥、风力大、农业和林业活动密切相关。夏季和秋季山火数量较少，冬季有所回升。山火数量在不同地区、不同月份之间表现出显著的差异，贵阳、遵义、铜仁在2、3、8月时易发生山火，六盘水、安顺、黔东南、黔南、黔西南在2、3、4月时易发生山火，而毕节在1、2、3月易发生山火。黔西南、六盘水及安顺市区域相较于其他地区，呈现出更高的火点温度与更低的相对湿度特征，火点温度主要集中在15℃至22℃的范围内，55%至75%的相对湿度区间为火点分布的高峰范围。
Abstract: Analysis of Forest Fire Characteristics and Meteorological Factors in Guizhou Province from 2011 to 2023 Based on MODIS Fire Data and Regional Meteorological Data. The results show that from 2011 to 2023, a total of 20,866 forest fires were detected by MODIS in Guizhou. Notably, the number of fires exceeded 2000 in 2013, 2014, 2015, and 2023, with the highest count of 2542 occurring in 2023. Spatially, the fires were primarily concentrated in the prefectures of Qianxinan, Qiannan, and Anshun, with 4982, 4399, and 2572 fires, respectively. Forest fires in Guizhou were most frequent in spring, particularly in February, March, and April, accounting for 61% of the total. This high incidence is closely related to the dry climate, strong winds, and intensive agricultural and forestry activities during spring. In contrast, the number of fires in summer and autumn was lower, with a slight increase in winter. The distribution of forest fires varied significantly across different regions and months. Fires were more likely to occur in Guiyang, Zunyi, and Tongren in February, March, and August; in Liupanshui, Anshun, Qiandongnan, Qiannan, and Qianxinan in February, March, and April; and in Bijie in January, February, and March. Compared to other regions, Qiannan, Liupanshui, and Anshun areas exhibit higher ignition temperature and lower relative humidity. The ignition temperature is mainly concentrated in the range of 15°C to 22°C, and the peak range of ignition distribution is between 55% and 75% relative humidity.
1. 引言
贵州省地处中国西南地区，地形复杂，植被繁茂，面临着山火频发的问题。据资料显示，贵州森林覆盖率高达60%，并且在1950年至2010年间，该地区发生山火的次数位居全国第四，森林受灾程度综合评价中亦高居全国第二，凸显了山火问题的严重性[1]。山火的频繁发生不仅威胁着森林资源的可持续发展，还可能对区域气候和生物多样性产生不可估量的影响。因此，深入研究贵州山火的成因、发生规律及其影响因素，对于有效预防和控制山火、保护森林资源、维护生态平衡具有重大意义。
在当前的林火研究中，遥感技术发挥着日益重要的作用，自美国国家航空航天局(NASA)发射Terra和Aqua卫星后，其搭载的MODIS传感器定位能力较NOAA卫星有较大提升，结合其精细的时空分辨率以及强大的定性与定量分析能力，成为该领域研究的关键工具[2]。国内外学者利用MODIS数据进行了大量林火研究，取得了丰富的成果[3]-[12]。Kumari结合MODIS和气象数据对森林火灾发生率进行探讨[13]。Albar对印度尼西亚2006年至2015年的火灾开展描述性统计分析[14]。贾旭等人发现2002~2014年内蒙古火点空间分布格局由东北向西南逐渐减少，揭示了火点分布与地理环境的密切关系[15]。杨青青等人研究了海南岛森林火灾的时空特征，为当地森林防火工作提供了科学依据[16]。MODIS数据还可以结合神经网络方法等先进技术，能更加精确地评估森林火灾风险[17] [18]。
在贵州地区山火的研究中，多集中在卫星数据的适用性验证或基于多源数据的时空特征分析上。例如，田鹏举等人验证了MODIS卫星遥感在贵州山火监测中的可行性[19]；罗宇翔等人则应用NOAA系列气象卫星数据直接定位贵州乡镇火点[20]。此外，黄红发现1991年至2006年贵州森林火灾具有较大的年际差异，总体呈现增多的趋势，时间上集中在2~4月，空间上多分布在黔南及黔东南森林[21]；徐盛基等人对2005~2010年贵州森林火灾进行空间上的特征分析，结果与黄红研究成果有一致性[22]。有研究者基于贵州省2011~2020年卫星火点、地形地理等数据构建了贵州省山火预测模型，得出春、秋和冬季的高火险区集中在贵州省西部，夏季则集中在贵州东部[23]。
山火的发生与蔓延不仅与森林本身状况有关，还受到气象条件等多种因素的影响。然而，目前缺乏气象条件对贵州近十年山火的影响研究，且相关数据的时空分辨率仍有待提高。相关研究表明，气象因子中逐月平均温度、逐月平均湿度和逐月累计降雨量对贵州省林火发生概率有极显著影响[24]-[26]。气象因子主要是通过影响森林可燃物的含水率进而影响其被引燃的可能性，间接影响林火发生的可能性。随着空气温度下降，相对湿度升高和降雨量增加，则森林可燃物含水率显著增加，其被引燃的难易程度也显著提高[27]。目前，大多数对山火与气象条件相关性的研究大多基于月气象要素，而基于日尺度的研究可能产生不同的结果，张运林(2024)基于月尺度的风速进行研究，发现对林火发生概率没有显著影响，不同于曾爱聪等(2020)基于日尺度的研究，发现风速与林火发生呈显著正相关[12]-[27]。因此，基于长时段的高时空分辨率的气象数据对山火的研究仍是有必要的。
在今后还需进一步缩小气象数据的研究尺度或考虑前一段时间的累计气象值，更好地揭示气象要素对林火发生概率的影响机理，提高林火发生概率预测精度。因此，本文旨在利用MODIS火点数据和长时段日时间尺度的气象数据对贵州省近十年山火时空分布进行深入分析，揭示山火的季节性和年际变化特征，探讨山火与气象因素的关系，分析山火易发的气象条件，深入了解山火的发生规律和影响因素，为贵州省山火的风险评估和预警提供数据支持，为山火防治策略的制定提供科学依据。
2. 资料与方法
本研究所用数据：1) 贵州省2011年至2023年山火数据来自于NASA FIRMS (https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/download/)，每个活火点位置数据包含经纬度、时间、亮度与传感器等信息，用于贵州省山火时空特征分析；2) 贵州省区域站逐日气象数据来自于中国气象局，时间范围2011年至2023年，用于气象条件对山火的影响分析，运用Matlab程序查找与火点距离最近的气象站，提取离火点最近的气象站的日平均气温、日相对湿度作为火点处的气象值。
3. 研究结果分析
3.1. 贵州省山火逐年时空分布
在2011年至2023年期间，贵州省通过MODIS监测到的山火总数为20,866个(表1)，其中，黔西南、黔南和安顺三个市州的火点数量位居前三，分别达到了4982个、4399个和2572个。相比之下，贵阳、铜仁和遵义三地的火点数量较少，分别为708个、780个和962个，均不足1000个。从年份分布来看(图1)，贵州省的山火点数量呈现出明显的波动趋势。2013年、2014年、2015年和2023年这四年的山火数均超过2000个。尤其是2023年，山火数量达到2542个，成为近年来贵州省山火数量的最高点。从2011年开始，贵州山火数量持续上升，2014年达到第一个峰值，随后数量逐渐下降。然而，在2018年山火数量再次激增至第二个峰值，虽然之后有所回落，但在2023年再次攀升至第三个峰值。从空间分布来看，贵州省的南部较北部严重，西部较东部严重，山火多集中于西南部地区。这可能是因为黔西南、黔南和安顺地区地形复杂，存在较多的山地、丘陵且植被茂密，一旦发生山火，火势受到地形和风向的影响，难以控制。此外，人类活动也是导致山火频发的重要原因之一，这三个地区的居民可能更多地依赖于农业和林业活动，如烧荒、祭祀等易引发山火的活动。不同市州的分布特征各有不同。贵阳市的山火多集中在中部、西部和南部地区；遵义市和六盘水市的山火则多集中于其东北和西南地区；安顺市南部和西部地区的山火数量也较多；毕节市的山火点较为分散，前期多集中于东部，后期则多集中于西部；铜仁市的山火则多集中于东部和西部，而黔东南州的山火点较为分散，西南和东南地区火点较少；黔南州的山火点分布较为均匀，北部火点相对较少；黔西南州的山火点分布也相对均匀，但西南地区较其他地区火点偏少。
Figure 1. Spatial distribution of mountain fires in Guizhou province from 2011 to 2023
图1. 2011~2023年贵州省山火空间分布
Table 1. Number of wildfires in various cities and prefectures of Guizhou province from 2011 to 2023
表1. 2011~2023年贵州省各市州山火数
城市 |
贵阳 |
遵义 |
六盘水 |
安顺 |
毕节 |
铜仁 |
黔东南 |
黔南 |
黔西南 |
贵州省 |
火点(个) |
708 |
962 |
1765 |
2572 |
2535 |
780 |
2163 |
4399 |
4982 |
20,866 |
3.2. 贵州省山火逐月变化
贵州省的山火在不同月份之间表现出显著的差异(图2)，2011年至2023年1~12月火点数量分别为1965、3781、5583、3378、890、334、677、1135、429、575、1061、1058，可以看出，2月、3月和4月是山火的高发期，占比高达61%，尤其是3月份的山火数量最多，占比27%。相比之下，6月、7月、9月和10月的山火数量则相对较少。春季(3月~5月)是贵州省山火最为严重的季节，这与春季气候干燥、风力较大、降水较少、植被开始恢复生长等因素有关，同时，春季是农业生产和林业活动的旺季，如烧荒、垦荒等行为可能增加山火的风险。春季也是人们外出踏青、露营、祭祀等活动的高峰期，也可能引发山火。夏季(6月~8月)和秋季(9月~11月)的山火数量相对较低，这可能是因为夏季雨水较多，有利于降低山火风险，而秋季虽然气候逐渐干燥，但由于植被已经进入凋落期，可燃物相对较少，但并不意味着这两个季节的山火风险完全可控，夏季的雷电天气和秋季的干燥气候及燃烧桔梗行为都可能引发山火。进入冬季(12月~2月)，山火数量有所回升，可能与冬季干燥的气候以及人类活动增加(如祭祀、取暖等)有关。过去近十年中，一些月份的累计火点数主要集中在特定年份和地区。1月的累计火点数主要来自于2014年1月的黔南和2019~2022年的毕节，4月主要来自于2015年的黔西南、黔南、安顺，8月的累计火点数主要来自于2011、2019年的黔南、黔东南、遵义，11月的累计火点数主要来自于2011年的黔东南和2020、2021、2022、2023年的毕节，12月主要来自于2013年的黔东南、2017年的黔南和2019、2021年的毕节。统计得到贵州不同地区最易发生山火的月份的火点数占全年火点数的比值，贵阳、遵义、铜仁三地历年来易发生山火的月份皆为2、3、8月，占全年比重分别为49%、42%和50%；六盘水、安顺、黔东南、黔南、黔西南等地易发生山火的月份为2、3、4月，占全年比重分别为71%、76%、46%、60%和73%；毕节在1、2、3月易发生山火，占全年比重为55%，几乎所有地区在2、3月为山火高峰期，各市州占全年比重分别为36%、26%、55%、59%、39%、37%、34%、43%和49%。
综上所述，贵州省山火季节性变化显著，春季山火尤为严重，夏秋两季山火相对较少，冬季有所回升。
Figure 2. Radar map of time distribution of mountain fires in various cities and prefectures of Guizhou province from 2011 to 2023
图2. 2011~2023年贵州省各市州山火时间分布雷达图
3.3. 气象条件对山火发生的影响分析
贵州省每年2月至4月为全省森林高火险期，本节内容通过分析2011年至2023年2至4月贵州省火点数据与气象数据之间的关系，旨在揭示火点发生时的温度和相对湿度的空间分布及其频次特征。温度空间分布图(图3(a))可以清晰地看到火灾发生时温度的分布特征，黔西南、六盘水和安顺市的火点温度高于贵州其他市州，可能是地形地貌、气候条件、植被类型、人类活动、燃烧材料和局地气象条件等多种因素共同作用的结果。温度的频次直方图(图3(b))显示了火灾发生时不同温度的出现频率，叠加的概率密度函数(PDF)则显示了温度数据的概率分布。可以看到，温度在15℃到22℃之间的火点数量最多，这表明在这种温度条件下，火灾发生的可能性较高。
Figure 3. Spatial distribution (a) and histogram (b) of mountain fires and temperature in Guizhou province from February to April, 2011 - 2023
图3. 2011~2023年2~4月贵州省山火与温度空间分布(a)和直方图(b)
Figure 4. Spatial distribution (a) and histogram (b) of mountain fires and relative humidity in Guizhou province from February to April, 2011 - 2023.
图4. 2011~2023年贵州省山火与相对湿度空间分布(a)和直方图(b)
湿度空间分布图(图4(a))显示了火点附近气象站的相对湿度分布情况，不同颜色的点展示了温度在不同地理位置上的变化情况，湿度较低的区域往往与火点的高发区重叠，黔西南、六盘水和安顺市的相对湿度低于贵州其他市州，这表明相对干燥的条件也是火灾发生的重要因素。相对湿度的频次直方图(图4(b))显示了火点发生时不同湿度的出现频率和概率分布，相对湿度在55%到75%之间的火点数量最多。
4. 结论
基于MODIS火点资料和区域站气象数据对2011~2023年贵州省山火特征分析及气象条件对山火发生的影响分析，得出以下结论：
1、在2011年至2023年期间，MODIS监测到的贵州山火总数为20,866个，山火发生频次呈现出明显的波动趋势，2013年、2014年、2015年和2023年的山火数均超过2000个，2023年火点值为历年最高2542个，山火多集中于贵州省西南部，特别是黔西南、黔南和安顺三个地区。
2、贵州省山火在春季高发，特别是2月、3月和4月，占比达61%，与春季气候干燥、风力大、农业和林业活动密切相关。夏季和秋季山火数量较少，冬季有所回升。
3、山火数量在不同地区、不同月份之间表现出显著的差异，贵阳、遵义、铜仁在2、3、8月时易发生山火，占全年比重分别为49%、42%和50%；六盘水、安顺、黔东南、黔南、黔西南在2、3、4月时易发生山火，占比分别为71%、76%、46%、60%和73%；毕节在1、2、3月易发生山火，占比为55%。
4、黔西南、六盘水及安顺市区域相较于贵州其他地区，呈现出更高的火点温度与更低的相对湿度特征，表明在这种温度条件下，相对干燥的条件也是火灾发生的重要因素，也可能是地形地貌、气候条件、植被类型、人类活动、燃烧材料和局地气象条件等多种因素共同作用的结果。温度在15℃到22℃之间的火点数量最多，相对湿度在55%到75%之间的火点数量最多。
基金项目
昆明市气象局自筹项目(2023-004号)：天气雷达径向速度退模糊算法研究；贵州省气象局科研业务项目(黔气科登2023-10-07)：黔东南州“两山”对暴雨过程的地形敏感性试验及研究。
NOTES
*通讯作者。