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  世界林业研究  2010, Vol. 23 Issue (1): 39-43  
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引用本文  

赵凤君, 王明玉, 舒立福. 森林火灾中的树冠火研究[J]. 世界林业研究, 2010, 23(1): 39-43.
Zhao Fengjun, Wang Mingyu, Shu Lifu. A Review of Crown Fire Research[J]. World Forestry Research, 2010, 23(1): 39-43.

基金项目

国家自然科学基金(30872037);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(CAFRIFEEP200809);国家林业局重点课题(2006-84)

通信作者

舒立福

作者简介

赵凤君(1971-), 女, 博士, 主要从事火干扰与火生态研究

文章历史

收稿日期:2008-12-08
森林火灾中的树冠火研究
赵凤君 , 王明玉 , 舒立福     
中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林保护学重点实验室,北京 100091
摘要:森林火灾按其燃烧物和燃烧部位的不同, 通常可分为地表火、树冠火和地下火3种。树冠火是指在林冠层燃烧和蔓延的火, 通常与地表火同时发生。树冠火发生数量不多, 但其燃烧温度高、火强度大、蔓延速度快, 对森林的破坏性极大。从树冠火的发生机制、蔓延模型、扑救方法、预防和减弱树冠火发生及蔓延危险性的措施几方面对当前国内外树冠火的研究进展进行了综述, 并对今后的研究方向进行了展望。
关键词森林火灾    树冠火    研究进展    
A Review of Crown Fire Research
Zhao Fengjun, Wang Mingyu, Shu Lifu     
Key Laboratory of Forest Protection of State Forestry Administration, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
Abstract: In light of the fuels and fuel layers burned, forest fires can be divided into surface fire, crown fire and ground fire.Crown fire is the fire that burns and spreads through the crown or canopy, usually occuring simultanously with surface fire.Crown fire seldom occurs.But with high-temperature combustion, high fire intensity and fast spread, crown fire always bring great destruction to forest.The research progress at home and abroad on the occurrence mechanism of crown fire, spread model, suppression methods and measures to prevent and mitigate crown fire occurrence and spread was reviewed in the paper.Finally, research directions in the future were looked forward.
Key words: forest fire    crown fire    research    progress    

森林火灾按其燃烧物和燃烧部位的不同, 通常分为地表火、树冠火和地下火3种。树冠火是指在林冠层燃烧和蔓延的火, 一般是由地表火遇针叶幼树群或低垂的枝条、枯立木、风倒木延烧至树冠而引起的。树冠火经常与地表火同时存在, 不但可以烧毁树木的枝叶和树干, 还能烧毁地被物、幼树和下木。树冠火的烟为暗灰色, 温度可达900℃左右, 烟雾可高达几千米。世界各国的森林火灾均以地表火为最多, 约占90%以上, 其次是树冠火, 最少是地下火[1]。虽然树冠火发生数量不多, 但由于其燃烧温度高、火强度大、蔓延速度快, 对森林的破坏性极大, 因此研究树冠火的发生机制、蔓延模型和扑救方法, 以及预防和减弱树冠火发生及蔓延危险性的措施具有非常重要的理论和实践意义。

1 树冠火的分类及燃烧特征 1.1 树冠火的分类

树冠火(crown fire)一般是由地表火引燃梯状可燃物而形成, 依据树冠火对地表火的依赖程度可分为3类。

1) 间歇性树冠火(intermittent crown fire, 也称passive crown fire)是一种断续性爬上树冠蔓延的树冠火, 其蔓延速度受地表火阶段的控制。

2) 遍燃树冠火(active crown fire)是从地面到树冠可燃物层以上, 形成一道明显火墙, 向前推进的火, 也称稳进树冠火。大部分树冠火属于这一类型。遍燃树冠火的形成和发展需要有稳定的地表火作基础, 因此又称连地树冠火(dependent crown fire)。

3) 独立型树冠火(independent crown fire)是只在树冠可燃物层推进的树冠火, 也称离地树冠火。

1.2 树冠火的燃烧特征

树冠火是在树冠层燃烧的林火, 具有完全不同于地表火和地下火的燃烧特征, 其燃烧温度高、火强度大、蔓延速度快, 易引发特殊火行为。如树冠火能产生强大的对流柱, 在大火中对流柱发展迅速, 并且由于浮力的作用, 常常携带大量正在燃烧着的可燃物, 它们被带到火焰前方未燃的可燃物中, 引起飞火。当同时产生多处飞火时即可产生火爆。火爆现象一旦发生就可能产生火旋, 即高速旋转的热气流, 转速可达每分钟上万转之多, 水平风速可达10 m/s以上。

2 树冠火发生机制

树冠火的发生和蔓延是在特定的条件下发生的, 包括可燃物条件、气象条件和地形条件等。

2.1 可燃物条件

1) 梯状可燃物。地表火引燃树冠火必须有梯状可燃物存在。梯状可燃物, 也称空中可燃物, 是指高度在1.5 m以上的所有的空中可燃物, 主要包括大幼树、大灌木、林冠层和层间植物等, 有时将层间植物(藤本和树毛等)、灌木、幼树及树干上的枯枝等又称为桥形可燃物或梯形可燃物, 这些可燃物是地表火发展到树冠火的"桥梁"或"梯子"。

2) 林分类型。针叶林较阔叶林易发生树冠火, 这一方面是由于针叶林枝、叶、树皮和木材中均含有大量挥发性油和树脂, 极易燃烧; 另一方面更重要的是针叶林内存在梯状可燃物。1994年4月16-22日在内蒙古红花尔基林业局樟子松林发生的特大森林火灾过火面积6.7万多hm2, 其主要原因就是树冠火[2]

3) 林分层次。林分层次对林火发生, 特别是林火种类影响最大。常见的林分有单层林和复层林。一般来讲, 单层林易发生地表火, 而复层针叶林则易发生树冠火。林分密度和垂直方向的成层性是发生树冠火的两大因素。张景群等[3]研究认为, 树冠最大密度层的密度是划分树冠火潜在危险性大小的依据, 密度越大, 发生树冠火的可能性越大; 林分组成不同, 空间易燃可燃物的密度大小有差异, 就几种纯林而言, 油松>华山松>落叶松>阔叶林, 阔叶树种的增加能够降低易燃可燃物在层间的密度; 针、阔混交林的各树种主林冠层错位, 是降低最大密度层易燃可燃物密度的一个重要因素。

4) 林分年龄。林分随年龄变化其结构也逐渐改变, 林木个体间为争夺营养空间, 必然产生种间和种内竞争, 其结果将导致一部分树木或树木的某些器官死亡, 凋落于地面, 增加地被物负荷量。针叶幼林树冠接近地面, 林木自然整枝和自然稀疏快, 会出现大量枯枝和枯立木, 树冠层的可燃物垂直分布呈金字塔形, 树冠底层的可燃物负荷量比重大, 潜在能量高, 如果地表起火后不能自生自灭或迅速扑灭, 一旦引燃树冠底部的枝叶便很容易转变为高能量的树冠火[4]。而在老龄林内, 树冠稀疏, 自然整枝良好, 枝下高高, 由于缺乏梯状可燃物, 地表火不易引发树冠火。

2.2 气象条件

气象条件是决定树冠火是否发生及其蔓延状况的重要因子, 气温、降雨量、空气相对湿度和风速是指示森林火险状况高低的基本气象因子, 其中干旱和大风与树冠火的发生和蔓延密切相关。树冠火多发生在长期干旱的针叶幼林、中龄林或针叶异龄林中, 这是由于长期干旱一方面导致地表枯落物含水率下降, 易引发地表火; 另一方面, 针叶林中梯状可燃物变得干枯, 易被地表火引燃, 形成树冠火[1]

大风是树冠火蔓延的助燃剂。王立夫[2]等研究发现, 大风对1994年内蒙古红花尔基林业局大面积树冠火的形成起了关键作用, 其在外业调查中发现一条宽1~2 km、长超过10 km的黑色火烧带。在这条带上, 无论坡度、树木径级和郁闭度大小, 以及可燃物负荷量多少, 树木大部分都被烧死。其原因就是风速大(高达15 km/h以上), 形成了高温热平流, 造成了高强度的遍燃爆发火。

2.3 地形条件

地形是影响火行为的重要因素, 尤其在山地条件下, 地形起伏变化影响火行为的发展。当火向山上蔓延时, 火焰较贴近可燃物, 与有风条件下产生同样的效果, 这将导致预热和更快的燃烧。热量沿着山坡上升, 会产生一股气流, 又进一步加快了蔓延速度, 这种现象随着坡度的增大更为明显。

山地的大气与自由大气是不一样的。风越过山地, 常形成越山气流和绕山气流, 越山气流随着风速的加大, 由平流发展成涡流、转子流。在低矮的丘陵, 2~3级风就可在山的背后形成涡流, 在高山地带, 5级以上的大风才能在山背后形成涡流。涡流使燃烧的火产生火旋。风越过山脊鞍形场, 形成水平和垂直的旋风, 燃烧时也会形成火旋。而火旋对于树冠火的发生可产生重要影响。因此复杂的地形, 不均匀的可燃物分布, 多变的局地风与林火相互作用, 形成非常复杂的火行为特征。一旦发生火灾, 极易形成高强度的树冠火和地表火[5]

2.4 特殊火行为

在燃烧过程中, 由于受热不平衡而使火呈快速旋转式向前蔓延, 形成火旋风。火旋风容易产生速度极高的涡流状热气流, 温度可高达800℃以上, 旋转速度可达23 000~24 000 r/min, 旋风中心的上升流速度达64~80 km/h。因此在具备梯状可燃物情况下, 火旋风极易引发树冠火。在出现高强度火旋风时, 即使不存在梯状可燃物, 火旋风也会引起树冠燃烧[1]

3 树冠火蔓延模型

目前林火蔓延模型从大的方面可以分成以下几种:以美国的Rothermel模型为代表的物理机理模型, 以加拿大的国家林火蔓延模型为代表的半机理半统计模型, 以澳大利亚的McArthur模型为代表的统计模型, 中国的王正非林火蔓延模型等, 以及在这些模型基础上的修正模型[6]

当前对于火蔓延模型的研究主要关注于森林地表火, 树冠火的蔓延模型基于地表火蔓延模型之上。地表火向树冠火的转化过程[7-8]和树冠火蔓延过程[9]是树冠火研究的重点内容。

目前从理论角度揭示树冠火的引发、发展及蔓延规律的尝试尚不成功。尽管一些文献描述了树冠火的蔓延速率和一些定性方面的火行为, 但仍不能从微小时间尺度和空间尺度上对树冠火蔓延时的对流过程进行描述, 而这些对流过程对树冠火的蔓延过程起着决定性的作用[10]。树冠火火行为模型在林火管理辅助决策中的应用很大程度上受限于对可燃物状态的定量化描述, 尤其是树冠可燃物层的特征[11]。Cruz等[12]通过线性回归的方法对树冠层可燃物进行了定量化的描述, 这对于发展树冠火火行为模型具有决定性的意义。

1997-2000年, 国际森林研究协会在加拿大西北地区开展了10次国际树冠火模拟实验, 主要目的在于开展一系列高强度的树冠火试验, 发展树冠火火行为的理论模型和经验模型[13-14]。此外, Call等[15]在班克松(Pinus banksiana)幼林通过一系列树冠火火烧实验, 发展了一个用于估算树冠火火线火强度的经验性模型。

Grishin等[16]研究了在均一的森林中, 在各种隔离带公路和电缆等影响下树冠火的蔓延问题, 通过数量化的方法对树冠火的危险区域进行确定。Cruz[17]基于北方森林火烧实验, 发展了一个非线性模型用于对树冠火的蔓延速度进行预测。该模型能够对不同类型树冠火的蔓延速度进行预测, 尽管有很多缺点, 但对林火管理仍然有很好的辅助作用。为了更好地理解树冠火的动态过程, 需要火焰周围清晰的三维图像, 包括火焰燃烧区域和上升气流等。通过红外图像可以更好地理解树冠火的运动过程[18]

Cruz等[19]基于71次野外实验, 在水平针叶林地上对树冠火发生概率进行分析, 考虑了环境变量, 风速、可燃物、细小死可燃物湿度和可燃物消耗量, 可以对树冠火的发生进行预测。Butler等[20]在不同高度对北方林树冠火的空气温度和热通量, 以及极端温度和最大热通量进行了测量, 对于确定树冠火的热传输过程和规律很有意义。Dupuy等[21]用多阶段物理模型对树冠火进行模拟, 分别对固相燃烧阶段和气相燃烧阶段进行分析, 考虑了不同可燃物的热解特性、地形特征以及风的影响。

国内的树冠火研究较少。张景群等[3]按照持续燃烧原理得出, 在其他条件相同的情况下, 只有当空间可燃物相当大时, 才有可能发生连续型树冠火; 当冠层可燃物载量较小时, 在地表火支持下, 将发生间歇型树冠火。吴清松等[22]建立了树冠火蔓延的一维物理模型, 给出火蔓延的控制方程组和定解条件, 得出树冠火蔓延速度特性曲线, 研究水分蒸发和有机物热解对树冠火蔓延速度的影响。翁韬等[23]依据圆柱火焰面辐射几何模型预测典型单树树冠火辐射的理论, 在单树辐射模型的基础上发展了多树辐射的简化模型, 然后选用雪松为实验树, 在开放空间进行了模拟实验研究, 得到多棵雪松燃烧形成的树冠火的辐射热通量值。

4 小结

树冠火只有在特定的可燃物条件、地形条件和气象条件下才发生, 其中地形条件和气象条件是人为能力无法改变的, 要预防和减弱树冠火发生的危险性, 只能从改变可燃物状况着手。梯状可燃物的存在是树冠火发生的必要条件, 要降低树冠火发生的危险性就要采取措施去除梯状可燃物。很多学者致力于此方面的研究, Pollet等[24]认为, 通过间伐或计划烧除去除美国黄松(Pinus ponderosa)林内的小径级树木可有效降低发生树冠火的危险性; Fiedler等[25]认为, 如果间伐掉胸径小于22.86 cm (9英寸)的幼树可明显降低美国黄松林发生树冠火的危险性, 但若将胸径小于40.64 cm (16英寸)的幼树全部间伐掉反而不能很好地降低树冠火发生的危险性。

由于树冠火燃烧温度高、火强度大、蔓延速度快, 不可强行扑打火头, 应采取间接扑火的方式, 在火头前方根据树冠高度及火场风速开设足够宽的隔离带, 待树冠火降至地面后再进行扑救。由于树冠火易引发特殊火行为, 如火旋风、对流柱、火爆和飞火等, 特别是在复杂的山地条件下, 对扑火队员的安全将构成极大的威胁, 因此需要特别注意。

相较于地表火而言, 树冠火的研究相对薄弱。国内树冠火研究较少, 张景群等[3]、张思玉等[4]研究了冠层可燃物结构对树冠火发生的影响。钟占荣等[5]、吴清松等[22]、翁韬等[23]对树冠火蔓延模型进行了初步研究, 但研究主要集中在通过室外火烧实验对火行为进行一些统计性或非线性的研究。由于在室内实验模拟的难度, 室内实验与野外火烧实验并没有很好地结合, 在小尺度上理解树冠火的发展和运动过程尚不能很好地解决。

今后应对以下方面进行深入的研究:1)树冠可燃物结构, 树冠的空间结构对于树冠火的引发、连续燃烧及扑灭至关重要, 因此需重点研究树冠可燃物的空间结构, 包括水平特征和垂直特征, 以及树冠火可燃物的热解特性。2)树冠火引发机理, 研究地表火向树冠火过渡的引燃过程及其影响因素。3)树冠火蔓延过程及连续燃烧, 研究树冠火连续燃烧的条件和树冠火的热传播机制。4)树冠火蔓延的数值模拟研究。

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