【摘要】：森林地表凋落物含水率直接影响林火发生概率及被引燃后一系列火行为特征,含水率的动态变化及预测模型研究是当前林火预测预报研究的核心内容。凋落物含水率动态变化主要受气象因子的驱动,以小时为尺度预测含水率动态变化能够减小误差,提高预测精度。综合分析各种单独气象因子对林内地表凋落物含水率动态变化的影响,并以小时为步长建立含水率预测模型,能够为我国森林火险预报系统的建设提供方法和可用参数,为建立高精度的地表凋落物含水率预测技术和新一代森林火险预报系统提供关键支撑技术,具有重要意义。本研究选择我国东北地区温带森林生态系统中典型森林(蒙古栎林和红松林)进行研究。以蒙古栎和红松地表凋落物为研究对象,在实验室内构造与野外结构相似的不同密实度的凋落物床层,利用恒温恒湿箱、风扇和降雨模拟器模拟不同温湿度、风速和降雨条件下凋落物床层含水率变化情况,得到各类单独气象要素对不同床层结构含水率变化的影响,并建立相关参数预测模型。春季防火期内,在蒙古栎和红松林中选择非破坏性采样方法以小时为步长连续监测地表凋落物含水率7日,共获取336组数据。分析含水率日动态变化及其对各气象因子的响应情况,选择直接估计法(Nelson法和Simard法)和气象要素回归法以时为步长建立两种地表凋落物含水率预测模型,并计算模型误差,分析模型精度。得到主要结果如下:(1)固定温湿度条件下,蒙古栎和红松地表凋落物床层含水率随时间呈指数下降。蒙古栎床层平衡含水率均值为14.4%,范围为2.1%～34.9%;红松床层平衡含水率均值为11.9%,范围为1.8%～32.7%。蒙古栎阔叶床层的失水系数均值为0.104 h-1,范围为0.021 h-1～0.292 h-1;红松针叶床层的失水系数均值为0.106 h-1,范围为0.015 h-1～0.325 h-1。蒙古栎和红松地表凋落物床层的平衡含水率均与空气温度和相对湿度显著相关,床层密实度对其没有影响;两种类型的凋落物床层失水系数与空气温度、相对湿度及床层密实度都显著相关。选择Nelson和Simard平衡含水率模型对两种凋落物床层平衡含水率进行拟合,Simard法要明显优于Nelson法。以床层失水系数和相对湿度为分类条件,建立了形如k-aebT的蒙古栎和红松床层失水系数预测模型,失水系数与空气温度呈指数形式变化。蒙古栎床层失水系数预测模型的平均绝对误差(MAE)范围为0.003 h-1～0.03 h-1,平均相对误差(MRE)范围为3.85%～12.21%;红松床层失水系数预测模型的MAE最小值为0.003 h-1,最大值为0.011 h-1,MRE范围为3.09%～21.89%。(2)在固定风速时,蒙古栎和红松的凋落物床层含水率随时间变化呈指数下降。床层含水率超过35%时水分急剧下降,此时水分散失主要以蒸发为主,当床层含水率低于35%时,含水率变化速率降低,此时水分变化主要以扩散为主。从无风变为有风,两种类型的凋落物床层失水系数都倍增。蒙古栎地表凋落物床层在不同密实度时,床层失水系数变化范围为0.325 h-1～1.646 h-1,随风速的增加先增大后减小,在3 m·s-1时达到最大,建立了形如k=aw2+bw+c的失水系数预测模型,床层密实度分别为0.0092、0.0138和0.0184时失水系数模型拟合的MAE分别为0.035 h-1、0.108 h-1、和0.085 h-1,MRE分别为3.6%、13.1%和14.9%;红松床层在不同密实度时床层失水系数变化范围为0.319 h-1～1.224 h-1,与风速为正相关线性关系,建立了形如k=aw的失水系数预测方程,密实度分别为0.0158、0.0236和0.0315时失水系数模型拟合的MAE分别为0.079 h-1、0.104 h-1 和 0.096 h-1,MRE 分别为 13.6%、21.0%和 20.6%。(3)在降雨条件下,蒙古栎和红松的凋落物床层含水率随时间变化呈对数增加。蒙古栎床层更容易达到饱和,且饱和含水率高于红松床层。蒙古栎床层密实度为0.0092、0.0138和0.0184时,达到饱和含水率时需要的最长时间分别为0.89 h、1.00 h和1.72 h;红松床层密实度为0.015、0.0236和0.0315时,其达到饱和含水率需要最长时间分别为1.06 h、1.28 h和2.06 h。蒙古栎床层饱和时间和饱和含水率都受降雨量和床层密实度的影响,而红松床层的饱和时间受降雨量、床层密实度和初始含水率的影响,床层饱和含水率与床层密实度和降雨量显著相关。建立了形如T=aR+b和Ms=aR+b的两种凋落物类型饱和时间与饱和含水率预测模型。蒙古栎床层密实度分别为0.0092、0.0138和0.0184时,饱和时间预测模型的MAE分别为0.025 h、0.018 h和0.101 h,MRE分别为4.0%、2.4%及8.2%;饱和含水率预测模型拟合的MAE分别为12.9%、3.8%和3.8%,MRE分别为3.0%、1.1%和1.0%。红松床层密实度分别为0.0158、0.0236和0.0315时,饱和时间预测模型拟合的MAE分别为0.073 h、0.114 h和0.107 h,MRE为10.7%、14.6%和9.2%;饱和含水率预测模型拟合MAE分别为10.3%、10.5%和 33.9%,MRE 分别为 2.9%、3.0%和 11.9%。(4)空气温度和相对湿度具有稳定日变化规律,凌晨温度最低,然后开始上升至14:00时下降;相对湿度变化正好与空气温度相反。风速和降雨没有稳定日变化规律。蒙古栎和红松地表凋落物含水率具有强烈的日变化规律,两种凋落物类型变化规律相同。无降雨时,床层含水率从凌晨开始上升至8:40左右达到最大值,然后开始下降,13:40-15:40时含水率最低,然后又开始上升,每日变化过程中随机出现的风会使日变化规律有细微改变,但总体趋势未变。空气温度、相对湿度和降雨量对地表凋落物含水率变化有极显著影响,含水率变化对气象因子的响应有一定滞后性,气象因子采集时间与含水率监测时间差距越大,相关性越差。采用Nelson法和Simard法得到蒙古栋和红松两种凋落物类型的时滞分别为4.24 h、16.34 h和29.25 h和52.32 h。对于蒙古栎凋落物床层,Nelson法、Simard法和气象要素回归法的MAE和MRE分别为11.04%、8.03%、30.29%和26.67%、6.45%、79.76%。对于红松凋落物床层,三种建模方法的MAE 和 MRE 分别为 2.04%、2.01%、14.61%和 2.10%、5.27%、70.80%。不论是蒙古栎还是红松地表凋落物含水率日动态变化预测模型,都是Simard法预测效果最好,Nelson法次之,气象要素回归法效果最差。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S792.186;S791.247
【文章目录】：摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究综述
1.2.1 林火预测预报研究
1.2.2 森林地表凋落物含水率研究
1.2.3 森林地表凋落物含水率影响因子研究
1.2.4 森林地表凋落物含水率预测预报研究
1.3 研究目的和意义
1.4 研究内容
1.5 创新点
1.6 技术路线
2 研究区概况
2.1 地质地貌
2.2 气候
2.3 植被
2.4 土壤条件
2.5 森林火灾概况
3 实验设计与研究方法
3.1 室内模拟实验
3.1.1 温湿度对凋落物床层含水率变化的影响
3.1.2 风速对凋落物床层含水率变化的影响
3.1.3 降雨对凋落物床层含水率变化的影响
3.2 野外含水率日变化监测实验
3.2.1 样地调查及布设
3.2.2 数据采集
3.3 含水率预测模型
3.3.1 模型构建
3.3.2 预测模型精度检验
4 室内模拟空气温湿度对凋落物床层含水率变化的影响
4.1 引言
4.2 数据处理
4.3 结果与分析
4.3.1 不同温湿度条件下不同结构凋落物床层含水率动态变化
4.3.2 温湿度及床层密实度对平衡含水率的影响
4.3.3 温湿度及床层密实度对失水系数的影响
4.3.4 平衡含水率预测模型
4.3.5 床层失水系数模型建立
4.4 讨论
4.5 本章小结
5 室内模拟风速对不同结构凋落物床层含水率变化的影响
5.1 引言
5.2 数据处理
5.3 结果与分析
5.3.1 试验基本情况
5.3.2 不同风速条件下凋落物含水率与时间变化情况
5.3.3 风速及床层密实度对床层失水系数的影响
5.3.4 失水系数预测模型
5.4 讨论
5.5 本章小结
6 室内模拟降雨对不同结构凋落物床层含水率变化的影响
6.1 引言
6.2 数据处理
6.3 结果与分析
6.3.1 试验基本情况
6.3.2 不同降雨量时凋落物床层含水率与时间变化情况
6.3.3 凋落物床层饱和时间研究
6.3.4 凋落物床层饱和含水率研究
6.3.5 凋落物床层饱和时间及饱和含水率模型
6.4 讨论
6.5 本章小结
7 野外地表凋落物床层含水率日变化预测模型研究
7.1 引言
7.2 数据处理
7.3 结果与分析
7.3.1 监测期间气象要素日动态变化
7.3.2 地表凋落物含水率日动态变化
7.3.3 地表凋落物含水率日动态变化与气象因子相关性分析
7.3.4 地表凋落物床层含水率日动态变化预测模型
7.4 讨论
7.5 本章小结
8 综合讨论
结论
参考文献
附录
攻读学位期间发表的学术论文
致谢
东北林业大学博士学位论文修改情况确认表
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