风场-坡度耦合机制对云南松计划烧除行为及二氧化碳与一氧化碳排放特征的调控作用

《Fire》：Slope–Wind Coupling Effects on Fire Behavior and Emission Dynamics During Prescribed Burning in Mountainous Yunnan Pine Forests Tengteng Long, Yun Liu, Xiaohui Pu, Zhi Li, Shun Li, Qiuhua Wang, Li Han, Ning Lu, Leiguang Wang and Weiheng Xu

　　

研究人员针对山地林火动态及区域火管理策略优化的需求，揭示了风场与坡度耦合机制在计划烧除行为中的作用。受坡风、谷风和背风环流影响，燃料含水率与火焰蔓延特征发生改变，传统观测与实验受地形复杂、天气多变及实验安全限制，难以获取火焰-流场相互作用的瞬变结构与能量传递规律。近年来，计算流体动力学（CFD）方法尤其是大涡模拟（LES）成为研究风-坡耦合火行为的重要手段，可在受控条件下重构温度、速度与热通量分布，表征多尺度湍流特征与热力学反馈过程。研究表明，上坡火常因浮力与辐射预热叠加产生加速效应，下坡火则随坡度呈非线性传播；背风坡区火焰与气流可形成“上升-下沉边界旋转流”，引发瞬态侧向扩展。研究人员采用CFD方法弥补了实验与观测在时空分辨率及可重复性上的不足，为揭示风-坡耦合下的火焰动态结构提供了新途径。尽管现有研究已从动力学角度系统分析下坡火蔓延，但对燃烧产物排放的定量研究仍较薄弱。在计划烧除过程中，风速与坡度的耦合直接影响火焰稳定性与燃烧效率，进而决定二氧化碳（CO2）与一氧化碳（CO）的排放特征。以往研究多关注不同燃料类型或火强度下的总体排放，缺乏针对下坡点火条件下风场与坡度变化如何系统性地定量影响CO2和CO排放模式的评估。为此，研究人员旨在通过大涡模拟（LES）量化坡度-风场耦合对蔓延速率与温度场的改变，揭示不同风速与坡度下CO2与CO释放速率及总量的变化规律，为山区计划烧除中可控碳排放的评估、管理与优化提供科学依据。

该研究由研究人员发表于《Fire》期刊，聚焦云南松林计划烧除过程中的风场-坡度耦合机制及其对火行为与碳排放的调控作用。研究背景在于，山地地形引发的局地环流显著影响可燃物含水率与火焰蔓延，但传统观测难以捕捉复杂流场与火焰相互作用的瞬变过程，且现有研究对下坡火燃烧产物排放的定量认知不足，制约了计划烧除碳核算的准确性。为此，研究人员通过开展高分辨率数值模拟，结合野外样地调查与实验室燃料测定，系统分析了不同坡度与风速组合下的火蔓延动力学、热动态及气体排放特征，构建了二次响应面模型量化风-坡耦合效应，并阐明了燃烧效率与碳排放的响应模式。研究结果表明，风与坡度的交互作用显著改变火前线形态与蔓延速率，且碳排放与火强度存在解耦现象，强调在山区火管理碳核算中需同时考虑燃料消耗过程与燃烧效率。这一成果为优化计划烧除实施方案、改进区域碳排放清单提供了重要的物理机制依据。

在关键技术方法上，研究人员选取云南中部典型云南松林（Pinus yunnanensis）为研究区，于2022年2月在赵壁山开展野外调查与采样。通过设置10 m×10 m样方获取地表燃料垂直分层结构，采集凋落物样品测定热值与理化性质。研究采用火灾动力学模拟器（FDS, version 6.7.9）进行大涡模拟（LES），构建18 m×18 m×16 m计算域，将冠层简化为带阻力参数的几何障碍物。地表燃料床按矿物土壤、土壤-凋落物混合层和松针凋落层进行参数化，采用预设单位面积释热率（HRRPUA）方法表征表面燃烧，并设置线性点火源。模拟设计了0°至35°共7种坡度与0、1、2 m s^-1三种风速的21种下坡火情景，环境温湿度恒定。通过布置热电偶阵列监测火焰前锋到达时间以计算蔓延速率（ROS），并利用FDS输出的物种质量通量在近地表参考平面积分计算CO₂与CO累积排放量，采用能量比率法计算表观燃烧效率（η）。网格敏感性分析表明0.2 m分辨率在计算精度与成本间取得平衡。统计建模采用二次响应面模型拟合坡度（θ）与风速（V）对相对蔓延速率（rROS）的影响，并通过Origin 2022进行显著性检验。

研究结果部分首先展示了网格收敛与空间敏感性分析。网格敏感性测试表明0.1 m与0.2 m分辨率的释热率（HRR）时间序列在峰值与演化趋势上差异微小，0.2 m网格显著降低计算负荷并保持精度。模型验证显示模拟的云南松无风蔓延速率（0.003–0.027 m s^-1，坡度0–30°）与黄松凋落物实验数据范围一致，且在15°坡度下与同地点野外观测值（0.00280–0.00410 m s^-1）高度吻合，证实模型能合理再现云南松凋落物的火焰蔓延行为。

其次，坡度对火蔓延与热动态的影响表现为非线性特征。在无风条件下，下坡蔓延速率（ROS）从0°时的0.0272 m s^-1显著下降至30°时的0.0023 m s^-1（降幅约91.5%），但在35°时略有回升。沿火线中心线与两翼的相对蔓延速率（rROS）均在30°达到最低值。热动态分析的时间-距离温度图显示，缓坡（0–20°）呈现单一连续高温带，峰值温度高且持续时间长；陡坡（25–35°）高温带到达延迟且持续时间延长，35°时下游出现晚期次生高温斑块，对应测点温度历史中出现晚期升温现象，表明最陡坡度下存在多阶段热暴露过程。

第三，坡度与风速的交互效应对火蔓延动力学具有复杂影响。风场引入显著增强火蔓延并改变坡度效应：1 m s^-1风速下中心线rROS在10°达峰值0.571，约为无风峰值的3倍；风速增至2 m s^-1时，rROS峰值位置从10°迁移至20°，峰值降至0.274。风-坡耦合导致火前线由无风时的近似对称分布转变为不对称U形结构，中心线rROS始终高于两翼。二次响应面模型（R²=0.96）量化表明，坡度线性项为负（b₁=-0.0057），风速线性项为正（b₂=+0.0081），二次项分别呈U形（b₁₁=+0.00014）与倒U形（b₂₂=-0.020），交互项为正（b₁₂=+0.0021），证实中等坡度与风速存在协同增强效应。温度分布热图进一步揭示，风速驱动火蔓延机制从浮力辅助型向强制对流主导型转变，中等风速下坡度浮力与风力协同维持高温区，强风则形成短暂而剧烈的燃烧事件。

第四，燃烧特性与气体排放分析表明碳排放与火强度存在解耦。无风条件下，CO₂释放率在15–20°坡度达峰值（约0.27 kg s^-1），35°时峰值降低但燃烧持续超10,000 s，转为持久低强度模式。风速增加使CO₂通量峰值更高且出现更早，2 m s^-1时形成极高强度但短促的燃烧事件。累积排放显示，无风时总CO₂随坡度增加至35°达最大值717.5 kg；有风时陡坡总CO₂趋于减少，但30°例外。总CO排放介于0.87–2.23 kg，最高值出现在35°与1 m s^-1风速组合。燃烧效率（η）在58.6%（10°, 1 m s^-1）至73.6%（35°, 1 m s^-1）间变化，25–35°陡坡下η常高于70%。

讨论部分指出，下坡蔓延速率对坡度的非单调响应挑战了单调坡度校正因子的适用性，35°时出现的晚期二次加热特征暗示近地表流场重组。风-坡耦合关系随风速增加从协同转向竞争，1 m s^-1时协同增强火焰贴附与对流换热，2 m s^-1时强风削弱贴附并降低蔓延效率，且火前线呈不对称U形而非上坡常见的倒V形。研究最重要的发现是CO₂排放与蔓延速率及温度的脱钩，在35°无风条件下，尽管ROS与峰值温度未同步增加，累积CO₂却达最高，这归因于陡坡区浮力涡旋促进混合与氧化，表明总碳排放更直接受控于燃料消耗量与燃烧效率，而非瞬时火强度。基于此，研究建议在山区计划烧除风险评估中需区分缓坡与陡坡敏感区，优化地形分类阈值；排放清单模型应纳入地形因子，从单纯依赖火强度或过火面积转向基于“燃料消耗×燃烧效率”的过程化框架。同时，需在安全约束下平衡燃烧效率与操作稳定性，并综合考量火行为、排放效应与生态反馈。研究亦指出当前模型在燃料异质性、燃料含水率表征及排放组分覆盖方面的局限，展望了耦合中尺度大气模式、融合激光雷达三维燃料结构数据的发展方向。

结论部分强调，山地条件下常用的火行为指标（如ROS与近地表温度）不能稳定代表累积CO₂排放，将排放简化为强度或面积的线性函数会引入不确定性。因此，对于地形起伏显著的针叶林区，碳排放估算应从“面积驱动+固定排放因子/强度代理”转向能表征“凋落物燃料消耗量×燃烧效率（含明火与残燃阶段结构）”的过程化参数方案，以降低风-坡耦合导致的系统偏差。未来研究应将风-坡交互作用转化为适用于清单模型的分层方案或校正项，并结合野外观测约束燃料消耗、燃烧时长与残燃贡献，以支持山区计划烧除排放的可比核算与不确定性评估。