Yang J,Dong Q R, of the evolution of the 21 May 2009 wildfire from Mongolia to China using WRF-Fire Model[J].Trans Atmos Sci,43(4):：10./(in Chinese).
每年全球草原、森林火灾有几十万起,平均损失面积达1%以上(李兴华等,2001)。我国每年发生森林、草原火灾有1万多次,燃烧面积上百万公顷,给畜牧业生产及人民生活造成了巨大损失。每年春季和秋季蒙古国东部边境地区是草原火灾高发阶段,对我国东北森林资源构成极大威胁(峰芝,2015)。
包括草原火、林火在内的野火蔓延是一个多相、多组分可燃物在各种气象条件和地形影响下燃烧和运动的极其复杂的现象(王秋华,2010)。林火蔓延模型根据是否考虑传热导机制可划分为统计模型、经验模型和物理模型。目前主要的林火蔓延模型有美国Rothermel物理机理模型(Rothermel,1972)、澳大利亚McArthur统计模型(Noble et al.,1980)、半经验半统计的加拿大林火蔓延模型(Forestry Canada Fire Danger Group,1992)、王正非林火蔓延模型(王正非,1983),以及在这些模型基础上的修正模型。其中Rothermel模型是基于实验参数的能量守恒半经验物理机理模型,已得到广泛应用(单延龙,2003)。
火场行为的预测预报对森林火灾的扑救、人力和物力配备等具有很重要的意义。在上述燃烧模型的基础上,结合气象环境条件,形成了一系列林火蔓延模拟、预测系统,并得以业务应用。具有代表性的主要有:1)美国农业部林务局首先开发的BEHAVE系统,基于可燃物性质和环境条件确定燃烧蔓延速率和火线强度,多应用于潜在林火行为研究(Burgan et al.,1984);2)美国威斯康星大学开发了LANDIS系统,包括种子扩散、森林演替、人工采伐干扰和林火干扰等过程,它主要用于模拟大时空尺度下的森林演替(金文斌等,2006);3)美国火灾科学实验室开发了FARSITE系统,它对树冠火、地表火和飞溅火等不同林火行为物理模型进行整合,模拟不同气象、地形和可燃物的条件下的林火燃烧蔓延过程(Keane and Garner,1998);4)加拿大林火增长模型项目小组研发了Prometheus林火模拟系统,依托可燃物空间数据、地形数据、每日或每小时火灾气象数据和最新的林火蔓延算法与火行为方程进行燃烧蔓延模拟(Tymstra et al.,2010)。
相关研究在国内也已开展。陈鹏宇(2014)利用Prometheus系统研究了大兴安岭南部森林和草甸过渡地区的林火蔓延。辛喆等(2013)利用美国国家标准研究所开发的火灾模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)建立简化的草原火灾模型,得出了不同影响因素下火灾的热释放速率、燃烧速率等的变化规律。
上述研究工作表明,作为驱动因子的气象条件以离线形式提供给燃烧模型,无法表征火场与环境场的相互反馈机制,直接限制了这些模型在火场蔓延业务预报中的应用。中尺度数值天气模式系统(WRF,Weather Research and Forecast)与火场蔓延物理模型的耦合为该问题的解决提供了有效途径(Beer,1991;M?lders,2008;Fox-Hughes,2012;Coen et al.,2013;Coen and Schroeder,2015)。WRF-Fire数值模式采用Anderson(1982)可燃物分类方法,该方法通过试验测定13种类型可燃物的物理参数,如不同组分负载量、含水量等,从而可得到燃烧热量产生率,进而确定火线的传播速度(Coen et al.,2013)。该模式系统近地面风场、可燃物特性和地形条件决定火线的传播速度和方向。同时可燃物燃烧释放的潜热和感热反馈给气象模型,实现了燃烧与气象环境的双向反馈。基于该模式系统已得到一系列研究成果,Sun et al.(2009)利用该系统研究火场在平坦地形上的传播,得到与实况基本一致的结果;Dobrinkova et al.(2011)模拟了靠近哈尔曼丽的保加利亚林火过程,结果显示WRF-Fire甚至在数据不是很充分的情况下对林火实况的模拟亦有较大提升。
高空间分辨率的可燃物分类是定量模拟、预报火场蔓延的基础。如美国已公开发布其30 m空间分辨率的可燃物分类等基础数据库(
1 “5·21”过境大火概况
2009年5月21日,蒙古国境内发生草原火灾,所在区域为草甸草原,植被状况良好、可燃物载量大(柯伟等,2010)。火场不断发展并蔓延至我国内蒙古自治区阿尔山、兴安盟边境地区,对森林资源造成极大威胁。在防火隔离带和人工灭火作业的共同作用下,26日08时(世界时,下同)此次草原大火被成功堵截于边境附近并全部扑灭(柯伟等,2010)。
风场是决定火场蔓延的基本要素之一,火灾期间气象条件根据风场变化(图略)可分为4个阶段:5月21日12时,火场区域处于地面高压前侧,风向为西北风,随后地面高压向西南方向移动并逐渐减弱,并在21日18时风向变为南风;22日06时从贝加尔湖移来的气旋逐渐逼近,于23日18时气旋分裂为两个,南部气旋位于呼伦湖,火场风向转为东南风;24日火场全天被云遮盖,00时受到高空槽发展影响,分裂的气旋合并,气旋增强发展。之后气旋向东北方向移动,06时风向转为西北风;5月22、23日火场受高压影响,风力较小,是扑火的好时机。
图1 MODIS数据7、6、5波段合成影像:(a)21日03时30分;(b)22日02时35分;(c)23日03时20分;(d)25日03时05分;(e)26日03时50分(过火区为暗红色,林火热点呈现亮红色,白色为边境线)Fig.1 MODIS 7,6,5 band synthetic image:(a)0330 UTC 21;(b)0235 UTC 22;(c)0320 UTC 23;(d)0305 UTC 25;(e)0350 UTC 26(dark red area:burned area;bright red area:fire ignitions area;white line:border)
利用Terra卫星获取的MODIS资料,使用7、6、5波段RGB合成影像,可以有效地增强林火热点的影像特征(肖利,2008;赵文化等,2008),如图1所示(24日04时40分火场被云覆盖)。从图中可以看到,21日03时30分未见火点,22日02时35分火场已形成并有向东扩张的趋势(图1b)。23日03时20分火点主要集中在蒙古国境内,火场东侧边界与边境线基本重合并存在明显火点(图1c);23日03时20分—25日03时05分火场向南北方向延伸了约1个纬度(78 km),蒙古国境内仍存在零星火点(图1d);26日03时50分火场继续向北蔓延,但此时刻已无火点(图1e)。
2 数值模拟方案
2.1 WRF-Fire模式简介
WRF是美国环境预测中心和国家大气研究中心发展的新一代非静力平衡、高分辨率的中尺度数值天气模式系统( et al.,2011)。
WRF-Fire采用了适用范围较广的Rothermel模型。在风场和地形的共同作用下的火线蔓延速度为:
式中:R0为平坦无风时的火线传播速度(m/s),由燃烧放热与引燃耗热的比值确定。
其中:IR为火焰强度(W/m2),即单位时间单位面积燃烧释放的热量;ξ为向外传递的热量占IR的比例;ρb为可燃物密度(kg/m3),单位空间可燃物质量;ε为开始燃烧时可燃物占ρb的比例;Qig为使可燃物达到燃点所需要的热量(J/kg)。
式(1)中φw为风速修正系数,φs为坡度修正系数,分别为
φs=5.275β-0.3tg2φ。
其中：S为与火线垂直的风速分量(m/s)；β为可燃物紧密度(容积比,与ρb成正比)；系数C、B、E与最适紧密度βop由可燃物表面积体积比、β确定,φ为坡度(Rothermel,1972)。
式(1)表征了火场蔓延速度决定于风场、坡向及可燃物性质。在风场和坡度共同作用下,火场以着火点为焦点,风速与坡度合矢量方向为火头的前进方向,形成椭圆形火场。
2.2 可燃物分类与防火隔离带设置
可燃物类别不同,燃烧特性差异很大。我国目前尚缺少可燃物分类基础数据库。本文利用FROM-GLC(Finer Resolution Observation and Monitoring of Global Land Cover)(Gong,2016)地表覆盖数据,与Anderson(1982)的13种可燃物类型进行映射,确定可燃物类别;再根据单延龙(2003)和田晓瑞等(2008)对大兴安岭地区可燃物特性的研究,确定研究区域的具体可燃物种类。在蒙古草甸草原中,草的种类主要是羊矛(恩和,2005),对应Anderson分类中的种类1(低草);兴安盟针叶林区主要为落叶松等高大乔木类树种,结合该地燃烧特点主要以地表火为主(田晓瑞等,2008),将林区划分为种类8(密林);将裸地、水体、砂石、工厂建筑等归为种类14(不可燃物质),具体物理参数如表1。
表1 研究区域可燃物类型(Anderson,1982)Table 1 Description of fuel types类别典型植被负载量/(t·acre-1) 1 h10 h100 h活可燃物可燃物层厚度/ft引燃临界含水量/% 1低草 8密林 14不可燃物1×10-71×10-71×10-71×
中蒙边境防火隔离带基本沿边境线设置。由于地形、边防公路及国防通讯光缆等设施的影响,局部隔离带不完全与国境线一致,本文暂不考虑这种局部差异,于国境线我国一侧设置宽100 m的防火隔离带(柯伟等,2010)。
图2 模拟区域(a)、研究区域可燃物分布(b;A、B分别表示阿尔山市及兴安盟;黑线为边境线;浅绿色为草地;深绿色为密林;红色为不可燃物质)及地形高度(c,单位:m)Fig.2 (a)Domains for the numerical simulation,(b)fuel models(A:Arxan;B:Hinggan;black line:border,light green area:grassland,dark green:closed timber,red:no fuel) and (c)terrain height(unit:m)
2.3 数值试验方案
本文使用WRF 3.6.1版(2014年8月发布),采用NCEP/NCAR每日4次1°×1°的FNL分析资料作为初始场和边界条件,设置四层网格嵌套(图2a),格距分别为32 km、8 km、2 km和25 m。对应的地形资料分辨率为10′、5′、2′和1″。第四层研究区域地形数据采用ASTER GDEM (Advanced Space Borne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model)(GISAT,2011),栅格分辨率约30 m。研究区域的可燃物种类分布及地形如图2b及图2c。物理方案采用WRF单参数化微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Monin-Obukhov近地面层方案、Noah陆面过程方案和YSU大气边界层方案,在1、2层区域使用Kain-Fritsch浅对流积云参数化方案。垂直层数为37层,时间步长160 s。模拟时段为2009年5月21日00时—24日12时。
从图1a、1b两时次卫星影像无法判断起火点位置,考虑图1b火场地形较为平坦,当天风速约为4～6 m/s,风向为东北风,起火点附近地面主要为裸露地表,可燃物负载量小,估测初火点位于119.83°E、46.83°N,着火时间为21日11时左右。
敏感性试验除未设置防火隔离带外,其他计算方案均与控制试验相同。
3 结果分析
3.1 火场蔓延特征的控制试验
图3—7给出了模拟得到的火场分布,从火场蔓延方向和速度可将本次大火的发展分为4个阶段:
阶段1(21日12—22时):近地面为东北风,风速2～6 m/s,火场向西南方蔓延。此处地表大部分为裸露地表,可燃物负载量小,蔓延速度小。
图3 模拟的火场、风场:(a)21日16时;(b)21日19时;(c)21日22时(灰色为过火区;黑线为边境线)Fig.3 Simulated fire area and wind field:(a)1600 UTC 21;(b)1900 UTC 21;(c)2200 UTC 21(grey area:fire area;black line:border)
图4 阶段2a模拟的火场、风场:(a)21日23时;(b)22日00时;(c)22日01时;(d)22日02时(灰色为过火区;黑线为边境线)Fig.4 Simulated fire area and wind field:(a)2300 UTC 21;(b)0000 UTC 22;(c)0100 UTC 22;(d)0200 UTC 22 (grey area:fire area;black line:border)
图5 阶段2b模拟的火场、风场:(a)21日23时;(b)22日00时;(c)22日01时;(d)22日02时(灰色为过火区;黑线为边境线)Fig.5 Simulated fire area and wind field:(a)2300 UTC 21;(b)0000 UTC 22;(c)0100 UTC 22;(d)0200 UTC 22 (grey area:fire area;black line:border)
图6 阶段3模拟的火场、风场:(a)23日12时;(b)23日15时;(c)23日17时(灰色为过火区;黑线为边境线)Fig.6 Simulated fire area and wind field:(a)1200 UTC 23;(b)1500 UTC 23;(c)1700 UTC 23(grey area:fire area;black line:border)
图7 阶段4模拟的火场、风场:(a)23日21时;(b)24日04时;(c)24日12时(灰色为过火区;黑线为边境线)Fig.7 Simulated fire area and wind field:(a)2100 UTC 23;(b)0400 UTC 24;(c)1200 UTC 24(grey area:fire area;black line:border)
阶段2(21日22时至22日11时):根据火场到达防火隔离带前后进一步划分为2a、2b两阶段。
阶段2a(21日22时至22日02时):受来自内蒙古东乌珠穆沁旗北部地区高压向西南移动的影响,近地面风向转为西风,风速增加到8～10 m/s,地面可燃物均一全为草地。22日01时(图4c)火线被山坡阻拦分为两支,南侧的一支地形平坦,且风向与坡向一致,使南侧的火线迅速到达中蒙边境带(图4d)。
阶段2b(22日02时至11时):风向维持不变,地面可燃物仍为草地,由于防火隔离带的阻挡,火线不再向东蔓延,向南北略微扩散。图5b中119°55′E、46°45′N附近位于背风坡,易形成下沉气流,坡向和风向之间角度小,该处蔓延速度大。
阶段3(22日11时至23日20时):防火隔离带有效地阻止了火线继续向中国境内蔓延。地表以草地为主,局部有乔木。受来自贝加尔湖处气旋逼近的影响,风向转为南风,风速8～10 m/s,火线开始向北蔓延。由于不可燃物质(沙地)的阻碍,火线蔓延速度不均,产生分支,左侧的一支火蔓延速度快,主要是因为该处地势较平坦,坡向与风向之间的夹角小(图6b、c)。
第四阶段(23日20时至24日12时):风速增加,随着气旋向东北方向移动,火场风向从南风逐渐转为西北风,火线向东南方向蔓延。24日04时风速增加到16 m/s以上,119°55'E、46°42'N附近由于湖泊阻挡,火线蔓延速度减小,只向西略有扩展。
将图3—7与图1对照,可以看出,过火面积、蔓延速度、蔓延方向均与实况基本一致,表明估测的初始火点位置及时间较为准确,控制试验能够客观再现本次火灾的发展过程,揭示气象因子、可燃物分布和地形在本次过程中的综合效应。此次火灾持续时间长,对当地林业资源构造成严重威胁。经协调,蒙古方面同意中国过境开展扑火作业(柯伟等,2010),因此图7d过火区域的形成早于实况。
3.2 无隔离带条件下的火场蔓延的敏感性试验
实况和控制试验均表明隔离带是控制火场蔓延的有效手段。为评估本次大火越境可能造成的危害,本文设置了无防火隔离带的敏感性试验。
阶段1及阶段2a火场均位于蒙古国境内,火场面积为2.25×107m2。从阶段2b(图8)开始,由于无隔离带阻挡,火线越境后继续往东南方向蔓延,不断向中国境内深入。火线所及区域以草地为主,森林及不可燃物质少,坡度小,近地面风速4～8 m/s,火线蔓延速度约为0.22 m/s。
图8 无防火隔离带模拟的火场、风场:(a)22日07时;(b)22日11时Fig.8 Simulated fire area and wind field without fire-prevention isolation barrier:(a)0700 UTC 22;(b)1100 UTC 22
阶段3(图9)随着风向的改变,23日07时火线到达119°56′E、46°49′N～46°58′N附近,风速4～6 m/s,地势平缓,地表仍以草地为主,但湖泊、公路等不可燃区域增多,火线蔓延速度不均,产生分支。23日15时之后,风速增加至8～12 m/s,120°2′E～120°12′E、46°51′N附近可燃物以密林为主,地形升高约300 m,风向与坡向之间夹角变大,火线蔓延速度小。而119°55′E～120°2′E、47°N～47°5′N区域处,可燃物以草地为主,但地势增加缓慢,蔓延速度相较大。
图9 阶段3模拟的火场、风场:(a)23日07时;(b)23日11时;(c)23日15时;(d)23日19时Fig.9 Simulated fire area and wind field for stage 3:(a)0700 UTC 23;(b)1100 UTC 23;(c)1500 UTC 23;(d)1900 UTC 23
图10 阶段4模拟的风场、火场:(a)23日21时;(b)24日00时;(c)24日04时;(d)24日08时Fig.10 Simulated fire area and wind field for stage 4:(a)2100 UTC 23;(b)0000 UTC 24;(c)0400 UTC 24;(d)0800 UTC 24
阶段4(图10)风向由南风逐渐向北风转变。24日00—04时,风速增至12～16 m/s,风向从西风逐渐转为西北风,120°5′E、46°57′N～47°5′N区域可燃物以森林为主,但地形复杂,此处火线蔓延速度约为0.12 m/s。24日04—08时,风向为西北风,120°5′E～120°15′E、46°40′N处可燃物以草地为主,风速16 m/s。该处地势平缓,风向与坡向之间夹角小,火线蔓延速度约为0.68 m/s。至24日12时,火线继续向东南方向蔓延并超出研究区域,燃烧面积达到1.65×109m2,约为未过境前的73倍。23日21时火头向北蔓延,火尾向周围缓慢扩散。24日04时风向转为西北风,火尾变火头向东南方迅速扩散。因此在进行灭火作业时需及时扑灭火尾,谨防因风向调转使火尾变成火头,造成不必要的损失。
4 结论与讨论
利用WRF-Fire模式研究了“5·21”蒙古国入境火的蔓延过程,结论如下:
1)模拟火场区域、蔓延方向、速度与MODIS监测合成影像一致,表明WRF-Fire模式可以较准确再现真实火场的发展过程。
2)此次火灾过程受天气系统发展影响,可分为4个阶段:第一阶段,由于可燃物负载量小,所以火线蔓延速度小;第二阶段,地表可燃物为草地,在风向与坡向一致时火线迅速移向中蒙边境线,受到隔离带阻挡火线不再向中国境内蔓延;第三阶段,可燃物以草地为主,风向转南,火线主要向东北方向蔓延;第四阶段,风向转北,风速增加到16 m/s以上,由于湖泊及隔离带的阻挡,火线向东南方蔓延速度小。
3)敏感性试验表明,若无防火隔离带,火线越过边境受风向影响继续向东南、东北方向蔓延,58 h后过火面积约为未过境前的70倍,可造成重大森林资源损失。
4)风向转变可导致火场蔓延方向突变,灭火作业中需及时扑灭火尾,防止因风向突变而引起回烧。
利用FROM-GLC地表覆盖数据映射可燃物类别对模拟准确性有一定影响,发展我国可燃物分类基础数据库,对于火场蔓延模拟研究及业务预报将具有推动作用。
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