对亚热带森林中与气候因素相关的微气候变化及其对地表细小燃料水分动态影响的建模研究

《Fire Ecology》：Modeling aspect-associated microclimate variation and time-lag effects on surface fine fuel moisture dynamics in subtropical forests

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摘要

背景

地表细燃料含水量（SFFMC）对 ignition potential（点火潜力）和野火行为有显著影响，但在湿度较高的亚热带森林中，其逐日的变化动态及与地形相关的变异性仍缺乏定量研究。我们利用中国南方马松（Pinus massoniana）林分长达一年的每两小时一次的数据集，来分析不同坡向类别下的日变化和季节变化，并通过随机森林（Random Forest）、XGBoost、SHAP 解释以及基于探索性结构方程模型（SEM）的路径分析来评估气象、地形和前因变量对这些变化的影响。

结果

SFFMC 显示出明显的日变化和季节变化。一天中，平均含水量在 10:00–16:00 时最低（35.27?±?0.56%），而在 04:00–06:00 时最高（49.08?±?0.47%）。季节平均值方面，春季（62.0?±?30.8%）和冬季（52.8?±?28.2%）的最高，而夏季（39.2?±?33.5%）和秋季（34.6?±?17.6%）最低。阴坡区的 SFFMC 高于阳坡区（分别为 52.1?±?31.9% vs 41.6?±?27.1%），并且阴坡区的日最低含水量出现在秋季和冬季的下午 4–6 点。随机森林和 XGBoost 在监测的季节性范围内表现出很强的预测能力，而时间屏蔽验证表明其预测能力在周尺度上优于月尺度。SHAP 分析显示，春季和冬季 SFFMC 的变化主要受降水的影响，而在夏季和秋季则更多地受温度和坡向的影响。基于 SEM 的分析发现，日降水量与 SFFMC 之间存在正向关联，而温度与 SFFMC 之间存在负向关联，这一主要关联结构在敏感性分析中也得到了验证。

结论

亚热带马松林中的 SFFMC 变化反映了水热条件、时间因素和地形因素的相互作用。阴坡持续的水分优势以及阳坡在白天的较早干燥现象表明，操作性的火灾危险评估应同时考虑坡向和一天中的时间。将实时 SFFMC 监测数据与最近的气象条件相结合，可以帮助火灾管理者识别白天的低水分时段，评估夜间水分的恢复情况，并提高亚热带森林中的地形敏感型预警和应对能力。

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