受氣象因子驅(qū)動的火災系統(tǒng)標度性研究.pdf

1、火災的影響因素具有多樣性和復雜性，并且大多數(shù)因素的定量作用難以精確得到，因此研究火災的分布特性是火災科學中的難點問題之一。通過目前火災系統(tǒng)的復雜性研究現(xiàn)狀可知，研究者們較為關注的有兩點：一是森林火災模型的構建，二是真實森林火災的統(tǒng)計規(guī)律。研究結(jié)果表明，利用自組織臨界性火災模型能夠?qū)﹂L期、宏觀上的火災分布做出合理的預測，并且可以由中、小火災的發(fā)生頻率來預測大火災的發(fā)生風險。那么森林火災模型和實際數(shù)據(jù)的結(jié)果是否吻合?火災具有什么樣的時間標度

2、特征?又會受到什么因素的影響?由于火災與氣象變化密切相關，本文通過模型和時間序列分析，研究了火災系統(tǒng)和氣象因子的時空分布特性及標度性特征。
　　 Drossel和Schwabl提出來的森林火災模型(DS模型)表明森林火災具有自組織臨界性，并且已經(jīng)用來解釋真實火災的“頻率—面積”冪律分布。然而，由DS模型得到的森林火災“頻率—時間間隔”為指數(shù)分布，與實際的周期振蕩的冪律分布不符。針對這種情況，本文研究了氣象參數(shù)同火災發(fā)生概率之間的

3、變化關系，制定了相應的模型規(guī)則，提出了一個新的森林火災模型：氣象因子驅(qū)動模型(WD模型)。在WD模型中，點火概率隨相對濕度變化，建立了模型和實際火災之間的定量對應關系。結(jié)果表明，火災的“頻率—面積”仍然為冪律分布，且斜率和DS模型一樣；“頻率—時間間隔”也滿足冪律分布，具有與實際的數(shù)據(jù)一致的周期振蕩性。我們進一步發(fā)現(xiàn)相對濕度具有與火災類似振蕩周期的冪律分布，并且與閾值和地點無關。這表明氣象參數(shù)的外在驅(qū)動，而不是森林火災的內(nèi)在動力學，是產(chǎn)

4、生森林火災時間分布的本質(zhì)原因。
　　 由于氣象因素對森林火災起著重要的影響作用，本文利用去趨勢波動分析(DFA)的方法研究了森林火災面積序列與溫度、相對濕度和降水序列的標度性特征，比較了它們各自的相關性，發(fā)現(xiàn)這四種時間序列具有相似的冪指數(shù)和“轉(zhuǎn)折點”，在約大于5天的時間尺度上都具有持久穩(wěn)固的長程冪律相關性，它們之間可能是相互耦合的。我們還發(fā)現(xiàn)氣象的季節(jié)周期性趨勢對相關性的分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，造成了標度指數(shù)變化較大，并且不同時

5、間尺度上的標度特征可能受到不同趨勢的影響。
　　 除了面積之外，火災的時間分布模式也對火災序列的結(jié)構起作用。本文研究了不同地區(qū)的森林火災和城市火災的時間間隔序列，發(fā)現(xiàn)它們都具有自相似性和持久穩(wěn)固的長程相關性，并且包含兩個標度指數(shù)，不隨地點的變化而變化。城市火災時間間隔序列在小的時間尺度上接近于白噪聲，相關性也比森林火災要弱，可能是因為人類活動的隨機性和人口密度造成的。隨著閾值的增加，大時間尺度上的城市火災標度性減弱。