林火中的阴燃现象:研究前沿与展望

森林中的植物腐殖质和有机泥炭土的阴燃是地球上尺度最大的燃烧与火灾现象,造成了巨大的经济损失及跨国界的雾霾,并严重破坏了生态系统。本文综述了阴燃林火的基础燃烧理论和化学反应机理,总结了其点火、火蔓延和熄火的行为特性。同时,归纳了近年来泥炭阴燃火的研究动态,包括如何通过小尺度的阴燃实验理解大尺度的阴燃林火,如何构建阴燃的数值模型等关键科学问题。最后,探讨了阴燃林火问题在燃烧学、火灾科学、林学、生态环境学、地球物理等多学科的交叉研究热点和方向,以期对未来多学科的交叉研究提供必要的参考和科学指导。     

基于红外热成像的林地余火死灰复燃点诊断方法研究

林地余火阴燃特性具有隐蔽性强、持续时间长、目测难度大、且具有死灰复燃等特点,从而一直困扰森林火灾的彻底扑灭。为了及时、高效地发现林地余火阴燃点,探索林地余火死灰复燃的特征及规律,在南京森林警察学院点烧基地里进行测试实验,以无人机搭载热红外成像系统、气象采集系统等为工具,把火源点设置在杨树林内,人为干预进行点烧、熄灭、复燃等重复实验,实验包括白天和夜晚两个时间段,用安装于无人机上的红外热成像仪对火源进行观测。实验表明：林地余火死灰复燃的温度在500～600℃,离散程度较大;林地余火死灰复燃在白天的时间普遍短于夜晚时间,表明外界温度越高,越会促进林地余火死灰复燃的速率;在森林中,不同地点、不同时间段的森林背景温度标准差比较稳定,主要处于1～9 之间;林地余火红外图像的温度数据的标准差值分布在30～85之间;红外图像的温度数据的标准差值分布在55～85 之间,则可定为死灰复燃可疑阶段。该方法量化了死灰复燃的火环境及温度参数阈值,明确林地余火阴燃点引燃特征值。该研究成果将推动森林防火技术的发展,为安全扑火提供重要的方法和资料。     

基于红外热成像的林地余火死灰复燃点诊断方法研究（英文）

林地余火阴燃特性具有隐蔽性强、持续时间长、目测难度大、且具有死灰复燃等特点,从而一直困扰森林火灾的彻底扑灭。为了及时、高效地发现林地余火阴燃点,探索林地余火死灰复燃的特征及规律,在南京森林警察学院点烧基地里进行测试实验,以无人机搭载热红外成像系统、气象采集系统等为工具,把火源点设置在杨树林内,人为干预进行点烧、熄灭、复燃等重复实验,实验包括白天和夜晚两个时间段,用安装于无人机上的红外热成像仪对火源进行观测。实验表明:林地余火死灰复燃的温度在500~600℃,离散程度较大;林地余火死灰复燃在白天的时间普遍短于夜晚时间,表明外界温度越高,越会促进林地余火死灰复燃的速率;在森林中,不同地点、不同时间段的森林背景温度标准差比较稳定,主要处于1~9之间;林地余火红外图像的温度数据的标准差值分布在30~85之间;红外图像的温度数据的标准差值分布在55~85之间,则可定为死灰复燃可疑阶段。该方法量化了死灰复燃的火环境及温度参数阈值,明确林地余火阴燃点引燃特征值。该研究成果将推动森林防火技术的发展,为安全扑火提供重要的方法和资料。     

无人机视角下的林木爆燃火特性研究（英文）

森林火灾"爆燃"现象的特征是突然发生的高强度、高蔓延速度的燃烧。目前为止,关于"爆燃火"的原因还没有达成共识。以无人机视角下对林木爆燃火特性研究,以四川木里特大森林火灾为研究对象,通过分析凉山州某森林扑火部队3月31日木里森林火灾当天KWT(科卫泰)无人机航拍火场画面,结合无人机实时影像及实地调研数据,分析了峡谷地形林火蔓延时空特征,探讨了峡谷中风向风速变化时空分布规律,研究了地形变化条件下,不同海拔高度风速特征,建立了无人机倾角测量风速模型(其中为风速m·s~(-1),为无人机倾角°)。结果表明,高山峻岭特殊地形环境下每天4:00—12:00时间段为静风期,为峡谷林火扑救最佳时期;午后15:00—17:00和晚上20:00—22:00为山谷地形风速活跃期;仿真软件数据显示山顶、谷底与山腰不同海拔位置的风速风向不统一,谷底会产生乱流现象,且风速与海拔不存在正相关关系,小气候在复杂地形中占主导影响地位;在谷口至山谷深处的中间位置会出现气流速度的波峰状态,并易形成乱流,为爆燃火发生提供了客观必要条件。该研究可为复杂地形环境下,森林草原火灾扑救安全提供数据和技术支撑。     

无人机视角下的林木爆燃火特性研究

森林火灾“爆燃”现象的特征是突然发生的高强度、高蔓延速度的燃烧。目前为止，关于“爆燃火”的原因还没有达成共识。以无人机视角下对林木爆燃火特性研究，以四川木里特大森林火灾为研究对象，通过分析凉山州某森林扑火部队3月31日木里森林火灾当天KWT（科卫泰）无人机航拍火场画面，结合无人机实时影像及实地调研数据，分析了峡谷地形林火蔓延时空特征，探讨了峡谷中风向风速变化时空分布规律，研究了地形变化条件下，不同海拔高度风速特征，建立了无人机倾角测量风速模型（其中为风速m·s-1，为无人机倾角°）。结果表明，高山峻岭特殊地形环境下每天4:00—12:00时间段为静风期，为峡谷林火扑救最佳时期；午后15:00—17:00和晚上20:00—22:00为山谷地形风速活跃期；仿真软件数据显示山顶、谷底与山腰不同海拔位置的风速风向不统一，谷底会产生乱流现象，且风速与海拔不存在正相关关系，小气候在复杂地形中占主导影响地位；在谷口至山谷深处的中间位置会出现气流速度的波峰状态，并易形成乱流，为爆燃火发生提供了客观必要条件。该研究可为复杂地形环境下，森林草原火灾扑救安全提供数据和技术支撑。     

森林火行为计算机模拟的尝试

森林火灾是灾害性的复杂燃烧现象,通常分为地下火、地表火和树冠火。地下火在地下可燃物诸如泥煤、有机土壤中以焖烧极缓慢地蔓延;树冠火是火焰锋在树木顶部推进,特点是火强度大,蔓延迅速,它是大火灾环境中活跃的火行为;地表火则是在森林地表植被诸如荒草、灌木上蔓延,是最常见的林火现象。     

基于突变论的林火蔓延分析

在对森林火灾进行能量和质量守恒分析的基础上,把尖点突变模型应用于森林火灾蔓延的预测,使突变理论在 森林火灾的模型中从理论上有了初步的应用。文中计算了林火发生突变时的一些分歧点,分析了林火突变的特点和变化规 律。     

燃煤锅炉中痕量元素排放因子的研究

目前国内外对煤燃烧过程中痕量元素的排放和控制作了大量的研究工作,但是对痕量元素的排放因子的研究却鲜见报道。本文通过实验数据和一些经验数据对痕量元素排放因子进行了研究,了解了燃煤电厂锅炉容量和负荷对痕量元素排放因子的影响,并考察了除尘装置及脱硫装置等与痕量元素排放因子的关系,结果发现大容量锅炉痕量元素排放因子要相对小一些,且随着负荷降低,痕量元素排放因子会增加。     

聚氨酯泡沫反向阴燃的数值模拟

本文根据两步反应机理,建立了2维非稳态燃料阴燃的数学模型.该模型考虑了气体在多孔介质内扩散系数的变化.应用该模型模拟了来流速度对阴燃速度及平均最高温度的影响,结果表明;首先阴燃传播速度随着来流速度的增大而增大,当风速为0.2 cm/s时,阴燃速度达到最大值0.0093 cm/s,而后随着风速的增大阴燃速度逐渐降低直至熄灭;来流速度对阴燃最高温度影响不大.同时还模拟了氧气浓度的影响、燃料阴燃中气体组分和固体成分的变化以及温度分布情况.     

高温热源特性对木粉阴燃传播特性影响

为了探究高温热源特性对阴燃传播的影响,本文基于高温氮化硅点火装置建立了阴燃传播速度实验测试平台,并以红棕木粉为实验材料,结合木粉的热重分析开展了不同引燃温度和时间作用下木粉阴燃传播特性实验研究,结果表明:在实验条件下,木粉堆在6种不同适宜热源引燃温度下所能达到的最高温度几乎一致约490℃,且三个热电偶位置距离阴燃初始点越近其升温到最高温度越慢;在640℃到675℃之间存在一个最佳热源热通量使木粉堆析出挥发分与内部氧气含量为适宜比例,且在这个比例下木粉阴燃初期的传播速度最快,约4.4×10~(-2) cm/s;相同高温热源温度下,木分堆持续引燃时间越长,热源提供的总热量越大,阴燃初期的传播速度越快。所得结果可为木材加工企业防控阴燃火灾提供实验依据。     

不同燃烧状态飞火颗粒自由燃烧规律研究

飞火是开放空间中大尺度火灾非连续性蔓延的主要形式。本文通过不同热流下的木质飞火颗粒自由燃烧实验,揭示不同燃烧状态飞火颗粒的结构变形、质量损失及温度分布的变化规律。研究表明,颗粒结构变形受材料化学反应机制和热机械力作用共同影响;颗粒燃烧反应易造成热解气体的内部积聚,以致内压激增、诱发喷射或喷溅细小颗粒的现象;阴燃过程颗粒表面温度变化较小但持续时间很长,明火状态的颗粒持续高温并且温度与质量变化剧烈。     

水平纤维质填充床阴燃过程的数值模拟

对上方具有空气掠过的水平纤维质填充床的阴燃点燃及阴燃波的传播进行了数值模拟。模型中考虑了燃料的热解、氧化降解和炭的氧化反应,并将热解和氧化降解气体产物分成ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ和ＣＨ４,填充床表面及其上方设ＣＯ气相氧化反应。计算表明,填充床表面的辐射散热量的大小对阴燃波结构影响很大。     

燃池内的阴燃过程的实验分析研究

为了分析燃池内的燃烧过程,设计制造了水平和竖直的纤维质燃料阴燃实验台,进行了 阴燃过程气体成分的实验分析。实验结果给出了在不同的阴燃阶段ＣＨ４、Ｈ２、ＣＯ和ＣＯ２等 气体的生成规律,以及含水量、空气量和阴燃传播方向等对生成气体的影响,为深入研究阴燃的机 理,提高燃池的用能水平提供了必要的依据。     

空气/天然气λ对QHCCI燃烧过程影响的研究

本文采用天然气气口顺序喷射、柴油引燃方式实现了基于天然气的准均质压燃着火燃烧过程（ＱＨＣＣＩ），本文研 究了气口喷射天然气／空气过量空气系数（λ）ＱＨＣＣＩ对燃烧过程的影响，分析了各种排放产物及燃油经济性同过量空气 系数（λ）、停缸数和引燃柴油量的关系。通过燃烧优化，发动机ＮＯｘ、颗粒和ＮＭＨＣ排放均达到了欧Ⅱ排放指标。     

结合纹理因子和地形因子的森林蓄积量多光谱估测模型

森林蓄积量是林分调查中重要因子,是评价森林数量和质量的重要指标。传统森林蓄积量实测方法耗时费力、效率低下,多元线性回归遥感反演方法精度较低,难以达到精准林业要求。机器学习是一种利用训练数据,进行自我改进、自动提升性能的方法,可以任意逼近非线性系统,提高模型预测精度。以鹫峰林场森林为研究对象, 综合考虑影像光谱因子、纹理因子、地形因子,采用机器学习中的BP神经网络、最小二乘支持向量机、随机森林方法构建了森林蓄积量多光谱估测模型BP-FSV,LSSVM-FSV和RF-FSV,并在Matlab2014a中编程实现。旨在从建模因子选择和模型方法建立两个方面,优化建模因子特征提取,提高森林蓄积量模型预测精度。以角规观测样地实测数据、森林小班二类调查数据、林相图数据为基础,使用以上三种模型结合Landsat8 OLI多光谱数据分林型进行了森林蓄积量反演建模预测。以决定系数R2和均方根误差RMSE为指标,分析了三种反演模型的训练能力和预测能力。研究结果表明：利用3种机器学习方法构建的结合光谱因子、地形因子、纹理因子反演模型能够提高森林蓄积量的预测精度。以上模型中,RF-FSV模型在针、阔、混三种林型中都表现出较强的预测能力,高于BP-FSV模型,高于或接近于LSSVM-FSV模型。RF-FSV模型在训练阶段,R2和RMSE针叶林中为0.839和13.953 3,阔叶林中为0.924和7.634 1,混交林中为0.902和12.153 9,预测阶段R2和RMSE在针叶林中为0.816和15.630 1,阔叶林中为0.913和4.890 2,混交林中为0.865和9.344 1。RF-FSV模型建模精度和预测精度较高,为森林蓄积量遥感反演估测提供了一种新的方法。     

基于类间方差的MODIS森林火灾火点检测方法

提出一种基于火点与背景的类间方差和烟雾掩膜的红外光谱火点检测算法。该算法的潜在火点判定阈值设为305K,再利用MODIS热红外光谱通道亮温数据的类间方差值将森林火灾火点从背景中区分出来,并对低温闷烧火点采用烟雾掩膜进行识别。应用该算法对福建省和黑龙江地区的林火数据进行探测处理,与传统MODIS火点检测方法比较分析表明,该算法使用简单高效,在不同环境适应性较强,可以更准确地检测到高温明火点和一些低温闷烧火点,降低了火点的误报率和小火点的漏报率,检测效果更理想。     

均匀可燃混气中火球点火基本方程组的数值解

本文对小火球在均匀可燃混气中点火的较普遍的非定常球对称的基本方程组进行了无量纲化和数值计算,方程组中包含五个浓度方程。计算中采用变比热和变输运系数,通过无量纲化得到临界点火直径与压力及化学反应速率常数的关系,数值计算得到了各种当量比下温度分布及浓度分布随时间的变化规律,得到了临界点火直径与混气当量比的关系,与其它文献的实验数据符合较好。本文还指出了氧气和燃料的反应级数的不同取值对于计算结果的影响,并与其它作者的实验数据进行了比较。     

北京市城区冬季雾霾天气PM2.5中元素特征研究

为了解北京市某城区2013年冬季雾霾天气细颗粒物(PM2.5)中元素浓度水平及污染特征,连续采集2013年1月—2月北京市某城区大气PM2.5,采用滤膜称重法检测PM2.5浓度,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析PM2.5中36种元素总量并采用富集因子法分析元素污染特征。结果表明:与正常天气相比,雾霾天气发生时PM2.5和其中的27种元素浓度均升高,其中As,Cr,Pb,Ti和V等重金属是PM2.5中的主要无机污染物。元素富集特征表明,雾霾天气PM2.5中的金属元素可被分为三组,其中As,Cr,Cu及Pb的富集因子高于10,属于高度富集级别;Sb和Sn等元素富集因子介于1～10,属于中度富集级别;Ti和V富集因子接近于1,属于轻微富集级别。ICP-MS用于大气PM2.5中多元素分析具有良好的精密度和准确性,可满足同时检测PM2.5主、痕量金属元素的要求。雾霾天气发生时,As,Cr和Pb等重金属元素的增加主要与人类活动如汽车尾气、化石燃料排放引起空气污染所致;该研究为开展雾霾天气PM2.5中元素特征研究提供了准确、简便的方法,可以为相关部门采取有效的措施减轻污染,保护人群健康提供科学依据。     

耦合多种特征的森林蓄积量反演方法比较——以雅鲁藏布江流域森林为例

森林资源遥感监测是遥感的重要应用方向之一。传统的统测方法花费大量的人力、物力,科学的森林资源预测可以提升工作效率并降低测算成本。森林蓄积量是评价森林生态系统质量的重要指标。蓄积量反演模型是用来估测蓄积量的数学模型,具有学习和预测的功能。同样的地物在不同光照或阴影区域有较大的差别,利用波段比值可以在一定程度上减小光照和阴影区域在建模时得出结果的误差。森林蓄积量的预测模型通常选取光谱信息和纹理特征作为主要建模因子,但未充分考虑选取波段比值、植被指数、地形因子等多特征变量时不同模型对预测精度的影响。针对不同模型的精度问题,以西藏自治区米林县为研究区域,以Landsat OLI影像、 DEM数据以及森林资源二类调查数据为数据源,对光谱信息、纹理特征和地形因子等进行提取与分析,并建立了三种基于多特征的森林蓄积量的反演模型,分别是多元逐步回归模型、 BP神经网络模型和随机森林模型。旨在研究不同模型对森林蓄积量反演的影响。采用可决系数(R²)、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)来对模型进行拟合度和精度的评价。结果显示随机森林模型的拟合度和精度均为最优(R^2...     

雾霾对典型地物光谱曲线测量的影响分析

我国雾霾的发生时间成常年化趋势,且在几十年内都可能存在,雾霾对地物光谱曲线测量的影响是不可避免的,而反射率光谱是众多遥感参数反演的基础,因此定量分析雾霾对典型地物光谱曲线测量的影响是丞需解决的问题。本文以简易的雾霾模拟实验室为基础,实际测量了不同雾霾浓度(晴空,浓度分别为35,75,150)下植被、土壤和水泥地的反射率光谱,同时与室外太阳光照下同一样本进行了对比测量和分析。本文首次综合分析不同雾霾浓度对植被、土壤、水泥地等典型地物反射率光谱曲线测量的影响,对定量分析雾霾对遥感监测、应用的影响具有重要意义。主要的研究结论有：草坪、土壤、水泥地等主要地物测量的反射率光谱曲线在晴空时反射率值最高,反射率光谱曲线也最平滑,随雾霾颗粒物浓度的增加,各主要地物的反射率都呈降低趋势,但降幅都不尽相同,降幅没有明显的规律可循;雾霾对各主要地物测量的反射率的影响,在不同波段、不同含水量状况都不尽相同,因此利用统计规律消除雾霾影响有较大困难。雾霾对地物测量的光谱的影响仍需进一步深入研究。