风力作用下灌草交错带火线加速突变临界条件分析

灌草交错带广泛分布于我国北方干旱和半干旱地区，兼具林地与草原特征，植被类型多样，燃料分布不均，成为野外火灾高风险区域。该区域火线传播常表现出非线性动态特征，尤其在一定风力作用下，火势可能从缓慢蔓延骤然转为快速扩展，形成突变式传播，严重挑战传统火灾监测与应对机制。现有研究多集中于均质燃料条件下风力对火传播速度的影响，较少关注异质燃料与风场耦合作用下的突变机制。实际中，植被结构断续性与风场扰动交织，构成复杂的火行为背景，需系统揭示其突变的形成规律。掌握这种加速突变的临界诱发条件，是提升预警响应效率与科学制定防控策略的关键。

一、灌草交错带火传播机制分析

（一）灌草交错带的结构与燃料特性

灌草交错带是由高大灌木与低矮草本植物交错分布而成的复合型植被结构，广泛存在于北方干旱、半干旱生态过渡带，具有典型的空间异质性与燃料非均匀性。生物土壤结皮是由生长于地表及表层土壤中的隐花植物，包括藻类、地衣类、苔藓类等光自养生物和土壤中的真菌、细菌、古细菌等以不同的占比与土壤矿质颗粒紧密结合而形成的复杂结构体，在全球干旱半干旱地区广泛分布，平均盖度可达 40% ，常分布于维管植物间隙，是土壤与大气间的界面层，影响着土壤- 大气间物质与能量交换，显著影响土壤水分入渗、分布、蒸发及径流等水文过程 Π_ζ^[1] 。由于灌木与草层在垂直方向上形成上下分布的多层燃料结构，使得热辐射和对流传热可以沿植被梯度高效传递。特别在风力扰动作用下，火焰易发生倾斜并与上层灌木接触，从而形成“跳跃式”火传播机制[2]。

（二）火传播模式分类与临界状态定义

灌草交错带内的火传播行为可归纳为两种基本模式：一是稳态蔓延模式，二是非稳态突变模式。前者指火线沿固定路径均速推进，传播稳定、形态规则，常出现在风力较弱或燃料含水率较高的情形下；而后者则是在特定外界条件影响下，如风速陡升、植被高度密集等，火头在短时间内迅速扩展，传播速率和火焰形态发生突变。非稳态突变常伴随明显物理变化：火焰高度可由 1.5 米迅速跃升至 2.5 米以上，热通量瞬时增强，火头速度由 0.2m/s 飙升至 0.8 m/s 甚至更高。突变的发生通常在数十秒至数分钟内完成，是一种强非线性的动力过程。火传播速率变化的时间序列可用于识别突变事件，尤其当传播速率的加速度出现显著正跃变并维持高水平状态时，说明系统已突破传播临界点，进入快速扩展阶段，这也是当前野外火情判断与预警响应的关键参数之一。

（三）风力作用机制及其与植被的耦合效应

风力对灌草交错带火传播的推动作用表现在多个方面。首先，风速的提高会增强火焰对前方未燃区域的辐射与对流传热，缩短引燃时间；其次，风力会改变火焰倾角，使其前倾贴近地表，加速灌丛与草本之间的热量交换，增强火传播连续性；此外，风场的空间不稳定性还可能诱发湍流涡旋，使火焰分裂、聚合与推进过程更加复杂[3]。实测表明，当风速处于 3 至 6m/s 区间时，火传播速率呈指数增长，尤其在灌木密度为 0.7 株 /m² 以上，草本覆盖度超过 60% 的情况下，风力与燃料结构之间形成强烈的耦合效应，极易诱发火线突变。风力对火焰倾斜角的影响显著，倾角超过 60 度后，热辐射有效作用距离成倍增长，从而放大了火传播系统的非线性响应。

二、火线加速突变临界条件建模

（一）数学模型构建与假设前提

为定量刻画风力与植被结构耦合条件下火线传播的突变过程，本研究基于半经验方法建立了二维空间火传播模型，充分融合了热输运机制、风场变化特征以及燃料空间分布结构三类核心变量。在建模思路上，模型在传统 Rothermel 火传播框架基础上，引入了风速调节因子与非均质燃料修正函数，从而更贴近灌草交错带这种结构复杂、生物量差异显著的真实生态系统。特别是通过遥感数据反演草被覆盖率、灌木密度和植被高度，构建空间燃料连续性指数，使模型具备较高的场景还原能力。模型运行条件设置方面，假定地形起伏变化有限，坡度不大于 20 度，风速在短时内稳定波动，初始点火位置固定，火源尺度小于5 平方米。虽然简化了极端天气干扰与三维湍流场因素，但这些设定有助于清晰突出风- 燃料耦合机制在突变传播过程中的驱动作用，并为后续临界阈值识别和火线动态响应建模奠定基础。

（二）参数敏感性分析与临界条件提取

在完成模型构建后，研究进一步采用 Morris 法对输入变量进行全局敏感性分析，以明确系统中主导火线突变演化的关键参数。被评估变量包括平均风速（3–7 m/s）、灌木密度（0.5–1.2 株 /m² ）、草本负载量（ 0.2--0.6kg/m² ）、植被含水率（6–18%）、草高（0.2–0.5 米）以及地面坡度（5–20°）等六项。分析结果显示，风速为最显著因子，在多数场景下对火传播速率与突变概率的贡献占比超过 40% ；其次为灌木密度与草本覆盖度，其组合直接影响燃料连续性与火焰的水平跃迁能力。含水率虽为被动变量，但在低于 12% 时其影响迅速放大，可显著缩短点火时间和预热距离，诱发提前突变。依据敏感性排序及模拟响应结果，研究总结出一组典型的火线突变临界组合条件，包括风速超过5.2 m/s、灌木密度高于 0.8 株 /m² 、草高超过 0.4 米且覆盖率达 70% 以上，以及含水率低于 10% 。这些多变量耦合条件构成了“高风险突变区”的参数边界，在野外火情监测与火险等级划分中具有可操作性，可支持区域火灾模型预警阈值的动态设定与优化。

（三）模型验证与模拟分析

为验证模型的预测能力与实际适应性，选取内蒙古科尔沁沙地灌草交错区某次春季典型野火事件作为案例开展实证分析。研究通过无人机多光谱遥感技术获取高分辨率植被图层，结合气象站点风速、气温、湿度等数据，重建火前环境边界条件，作为模型输入。模拟结果显示，火头传播方向与速度与实际火场观测数据高度吻合，在空间路径重合度方面达到 85% 以上，传播时间误差控制在 ±3 分钟内。在此基础上设置三类对比情境进一步探讨模型对突变行为的响应：其一，在高风速（6m/s）条件下，突变出现时间明显提前，火焰高度和传播速度成倍增长；其二，在极端干旱状态（植被含水率降至 8% ）下，即使风速较低（约4.2 m/s），系统也能突破传播临界点，表现出非稳态突变特征；其三，在设置 2 米宽防火隔离带后，火线在耦合路径中断的节点被成功阻断，突变行为未能形成，验证了隔离措施对火行为调控的有效性。模型运行结果不仅证明了其在真实复杂地表条件下的稳定性与预测力，也为火灾风险评估与防控策略部署提供了模拟依据。特别是在区域应急响应方案制定中，该模型可用于生成高风险突变区域图谱，优化人员与资源配置策略。

三、火线突变特征识别与预警指标构建

（一）火线突变过程的动态特征

火线突变是野外火灾传播过程中的关键转折点，具有高度非线性与不可逆性，常在风力、燃料结构和地形条件达到某种组合状态时被快速激发。该过程不仅表现为传播速度的突然跃升，更伴随着一系列高度协同的物理量剧烈变化。研究表明，在突变发生前，火头传播速度通常保持在 0.2～0.4m/s 范围，一旦临界条件被突破，其传播速度可在 30秒至 2 分钟内迅速跃升至 0.9m/s 以上；火焰高度则由原本的 1.2 ～ 1.5米快速增至2.5 米甚至更高，局部出现“火舌”或“火墙”现象；同时，火前热通量密度大幅上升，从常态的 15 ～ 25 kW/m² 跃增至 40 ～ 60kW/m²，形成极强预热带，对未燃区域形成“超前引燃”压力。空间结构方面，火头宽度呈快速扩展态势，由线状边界转化为舌状或斑块式蔓延格局，尤其在风向不稳定或地形变坡地带，火势可能在多个方向同时展开 [4]。上述过程可通过红外成像仪监测火焰温度与形态，高频风速仪监测局地风速变化，或利用烟羽升腾角与流速变化间接判别火势强度。这类突变通常来势迅猛、持续时间短、调控难度大，是火场形势逆转的重要诱因之一，因此在火灾预警与快速响应体系中需给予高度关注。

（二）临界状态监测指标与预警判据

针对火线突变过程的快速性与突发性，构建一套可实时识别的预警指标体系成为提高火灾响应效率的关键。通过对多个火灾案例数据与模拟结果进行比对分析，本研究提出以五类核心指标为基础的“多因子突变预警体系”：第一，风速指标，当平均风速持续超过 4.5m/s 或局部阵风超过 6m/s 时，火焰倾角急剧增加，传播前沿推进加速；第二，热通量指标，火前热流密度若稳定超过 25 kW/m²，即可判断火势具有强辐射预热能力，具备突变潜力；第三，植被结构指标，草被覆盖率超过 60% ，表明燃料连续性强，支持大尺度火头形成；第四，燃料含水率指标，含水率低于 12% 时，热分解速率加快，助燃效果增强；第五，火传播动态指标，若传播速率持续上升，且出现指数级变化趋势（加速度突增），可视为系统已接近突变门槛。各指标可赋予不同权重并汇总为火线突变风险指数（FI），通过公式计算实现风险量化分级。FI 值在0.6 ～ 0.7 区间时判为中等风险，建议进入预备响应阶段；超过 0.7 则判定为高风险状态，必须立即部署防控资源。此类指标体系可嵌入移动式风火监测装置、高空遥感平台或气象雷达系统，实现火势状态的动态监测与远程识别，具有技术可行性与部署成本低的优势，适合在大面积灌草交错带中推广应用。

（三）突变风险评估与应用建议

依托突变预警指标体系，可进一步开展区域尺度的突变风险评估与空间化管理，为火灾治理提供科学依据。具体可通过将高分遥感图像与地理信息系统（GIS）集成，叠加风场数据、地形坡度、植被分布与燃料湿度等要素，构建火线突变敏感性评估模型，并输出风险等级分布图。对于评估为高风险的区域，应优先设立永久性隔离带，隔离带建议宽度控制在 2 ～ 5 米之间，并根据主导风向进行方向优化；同时在重点区域布设风速、温湿度与红外热流传感器，通过无线传输网络与监控平台联动，实现火势状态的即时感知与突变预警。管理策略方面，建议建立“风险分级—响应对应”机制，例如 FI 值达到 0.6 时，启动区域火源管控与草层清除作业；FI 值大于 0.7 时，则启动扑火力量前置部署与空中侦察任务，确保突变发生前可形成快速压制能力。此外，还可结合植被管理手段实施前期风险干预，如对高密度草被地段进行阶段性割除，灌木带内实施抑制生长修剪或更替为低可燃性种群，降低燃料连续性与载热能力，实质性削弱突变行为形成的基础条件[5]。整体上，该系统打通了“感知—评估—响应”闭环链条，提升了对极端火行为的预判能力与治理效率，对我国北方生态过渡区的野火综合管控具有现实意义与广阔应用前景。

总结：本研究围绕风力作用下灌草交错带火线突变传播行为展开系统分析，揭示了燃料空间结构与风速变化共同驱动火势非线性演化的机理。通过构建半经验耦合模型，识别出影响火线突变的关键参数组合，并提取了典型临界阈值。在此基础上，建立了多因子预警指标体系，并提出空间化风险评估与管控建议。研究结果为提升火灾突变识别、预警响应与区域防控策略提供了理论支撑与技术路径，具有较强的应用价值，尤其适用于我国北方干旱半干旱灌草过渡区的火灾治理实践。

参考文献

[1] 张旭东 . 水蚀风蚀交错区灌草 - 生物结皮覆被土壤水分平衡研究 [D]. 西北农林科技大学 ，2024.000842.

[2] 张宁 . 高山生态交错带木本植物小枝功能性状及种间关系变化[D]. 甘肃农业大学 ，2024.000269.

[3] 张 旭 东 ， 杨 光 ， 赵 允 格 ， 等 . 黄 土 高 原 水 蚀 风 蚀 交 错区生物结皮对灌草生态系统水分耗散的影响 [J]. 水土保持学报 ，2024，38（05）：184-191+202.

[4] 佟鑫. 灌草配置模式对荒漠草原土壤风蚀的作用机理研究[D].内蒙古农业大学 ，2023.000012.

[5] 李文. 围封对祁连山东段高寒灌草交错系统碳交换的影响[D].甘肃农业大学 ，2020.000076.