浙江森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孔照林 王亞云 賈 燕 陸 明

（1.浙江省氣象臺(tái)，浙江 杭州 310017；2.浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，浙江 杭州 310017；3.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017）

0 引言

浙江省位于我國(guó)東南沿海，地形復(fù)雜，森林覆蓋率達(dá)60.58%，有七山一水兩分田之說(shuō)，因此森林火災(zāi)也是危害浙江省的主要災(zāi)害之一。根據(jù)浙江省生態(tài)省建設(shè)規(guī)劃綱要和省委省政府關(guān)于全面推進(jìn)林業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的意見，浙江著力建成比較完備的森林生態(tài)體系，在全國(guó)率先實(shí)現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化，建立完善的森林防火體系是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要保證，森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)作為森林防火體系中不可或缺的一部分也被提到了非常重要地位。隨著氣象觀測(cè)技術(shù)、數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，為建立森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)保障。研究森林火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展與氣象條件的關(guān)系，研制森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，制作和發(fā)布森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)的預(yù)報(bào)，為各級(jí)部門、群眾提供中、短期預(yù)報(bào)服務(wù)，對(duì)提高防御自然災(zāi)害能力,預(yù)防和減少森林火災(zāi)的發(fā)生和降低損失具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)模型

本系統(tǒng)主要考慮短期內(nèi)天氣和氣象要素的變化對(duì)森林和草原可燃物易燃性的影響，并以此為依據(jù)劃分火險(xiǎn)等級(jí)?，F(xiàn)階段所采用的氣象要素主要有：日最高氣溫、日最小相對(duì)濕度、連續(xù)無(wú)降水日數(shù)、預(yù)報(bào)日降水情況、日平均風(fēng)速。其中日最高氣溫、預(yù)報(bào)日降水情況、日平均風(fēng)速這三個(gè)要素的預(yù)報(bào)值主要是通過(guò)讀取每日下午16:00的城鎮(zhèn)報(bào)文，前期無(wú)降水日數(shù)主要是通過(guò)自動(dòng)站數(shù)據(jù)可得，日最小相對(duì)濕度讀取了WRF預(yù)報(bào)的值。目前產(chǎn)品的預(yù)報(bào)時(shí)效為72個(gè)小時(shí)，預(yù)報(bào)范圍為浙江省67個(gè)常規(guī)站。預(yù)報(bào)方法主要是根據(jù)火災(zāi)危險(xiǎn)度HTZ=A+B+C+D-E，計(jì)算HTZ的值對(duì)照森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可得相應(yīng)的火險(xiǎn)等級(jí)；其中A為日最高氣溫指標(biāo)值，B為日最小相對(duì)濕度指標(biāo)值，C為連續(xù)無(wú)降水日數(shù)指標(biāo)值，D為日平均風(fēng)速指標(biāo)值，E為預(yù)報(bào)日降水情況的指標(biāo)值。

該模型相較之前的森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)主要做了兩點(diǎn)改進(jìn)。一是實(shí)現(xiàn)了從森林火險(xiǎn)區(qū)域性大范圍預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)換到空間上更精細(xì)的逐站點(diǎn)的預(yù)報(bào)，并且預(yù)報(bào)時(shí)效增加到72個(gè)小時(shí)；其次是所讀取的資料做了調(diào)整，主要采用了城鎮(zhèn)預(yù)報(bào)的氣象要素值進(jìn)行計(jì)算，主觀能動(dòng)性得到了提高，重點(diǎn)加強(qiáng)了預(yù)報(bào)日降水情況要素對(duì)森林火險(xiǎn)作用的考慮。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)層、運(yùn)算傳輸層和顯示層組成，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是各層分離，數(shù)據(jù)層主要處理原始預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的獲取、保存以及數(shù)據(jù)入原始數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，運(yùn)算傳輸層實(shí)現(xiàn)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)模型的運(yùn)算以及結(jié)果的傳輸，顯示層主要實(shí)現(xiàn)用戶查看結(jié)果，采用WEB客戶端方式。這種結(jié)構(gòu)完全適合于森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布模式,在數(shù)據(jù)傳輸效率、功能實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)上體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件主要由森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)運(yùn)算子系統(tǒng)、人機(jī)交互訂正子系統(tǒng)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品WEB顯示子系統(tǒng)三部分組成。

2.1 森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)運(yùn)算子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)利用Microsoft Visual Studio 2008平臺(tái)以及C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)編譯完成。后臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)為Microsoft SQL Server 2005。森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)指數(shù)運(yùn)算的核心方程為：HTZ=A+B+C+D-E，其中A指數(shù)為森林防火期每日的最高空氣溫度的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)，讀取的是各地市城鎮(zhèn)報(bào)中預(yù)報(bào)的最高溫度并計(jì)算的權(quán)重值。B指數(shù)為森林防火期每日的最小相對(duì)濕度的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)，根據(jù)浙江省氣象臺(tái)WRF模式中的預(yù)報(bào)日最低RH值并賦予的權(quán)重值。C指數(shù)為森林防火期每日前期或當(dāng)日的降水量及連續(xù)無(wú)降水日數(shù)的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)，讀取的是浙江省自動(dòng)站氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中開始計(jì)算日之前10天的降水量并計(jì)算的權(quán)重值。D指數(shù)為森林防火期每日的最大風(fēng)力等級(jí)的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)，讀取的是各地市城鎮(zhèn)報(bào)中預(yù)報(bào)的最大風(fēng)速電碼并計(jì)算的權(quán)重值。E指數(shù)為預(yù)報(bào)日降水情況對(duì)應(yīng)的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)，讀取的是城鎮(zhèn)報(bào)天氣代碼并計(jì)算的權(quán)重值。

2.2 人機(jī)交互訂正子系統(tǒng)

為了克服奇異值、計(jì)算誤差等各種情況的出現(xiàn)，在森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)對(duì)公眾公布前必須由預(yù)報(bào)員根據(jù)預(yù)報(bào)資料和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工訂正，所以本系統(tǒng)必須開發(fā)一個(gè)供預(yù)報(bào)員使用的人機(jī)交互訂正子系統(tǒng)。子系統(tǒng)分為三部分：GIS交互區(qū)、數(shù)據(jù)交互區(qū)和控制區(qū)，具體如圖2所示。

圖2 人機(jī)交互訂正子系統(tǒng)界面

GIS交互區(qū)采用自我開發(fā)的具有GIS功能的氣象信息顯示控件MIDS，該控件使用ATL開發(fā)的控件不依賴運(yùn)行庫(kù)，尺寸較小，能夠以等值線、填色等值區(qū)域等方式顯示數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)分層疊加顯示。支持以Http方式下載數(shù)據(jù)并顯示。支持圖層疊加，支持通用的GIS地圖格式，支持地圖放大、縮小、漫游操作。多圖層疊加顯示功能使用圖層類實(shí)現(xiàn)，首先建立一個(gè)HCLayer的基類，該類有一個(gè)虛函數(shù)OnDraw()來(lái)實(shí)現(xiàn)圖層的繪制。然后從HCLayer派生出HCStationLayer（站點(diǎn)資料顯示圖層）、HCGridLayer（格點(diǎn)資料顯示圖層）、HCImageLayer（圖像資料顯示圖層）、HCUserLayer（用戶自定義繪制圖層）。等值線的繪制是使用格點(diǎn)資料進(jìn)行繪制的。具體分為等值點(diǎn)的計(jì)算、追蹤連接、等值線標(biāo)注、等值線填充等幾個(gè)步驟。Gis地圖的格式支持使用TinyXML實(shí)現(xiàn)XML格式的GMP地圖文件的讀入。該區(qū)域可實(shí)現(xiàn)浙江1：50000地理信息的顯示和消隱，森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)的疊加和修改，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

數(shù)據(jù)交互區(qū)是預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)格的方式提供給預(yù)報(bào)員修改，可實(shí)現(xiàn)按數(shù)值大小、地理位置排序，可實(shí)現(xiàn)批量修改?？刂茀^(qū)是控制基本文件操作、地理信息控制和數(shù)據(jù)傳輸控制的區(qū)域，包含圖片保存、地圖放大縮小、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.3 預(yù)報(bào)產(chǎn)品WEB顯示子系統(tǒng)

通過(guò)C#ASP網(wǎng)頁(yè)技術(shù)編寫的森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品WEB顯示子系統(tǒng)用來(lái)將預(yù)報(bào)產(chǎn)品實(shí)時(shí)傳輸給相關(guān)部門和公眾，第一時(shí)間將預(yù)報(bào)信息服務(wù)到位，做到及時(shí)提醒防御。具體如圖3所示。

3 應(yīng)用與評(píng)估

該系統(tǒng)2012年5月起正式業(yè)務(wù)化運(yùn)行，成為省級(jí)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警核心系統(tǒng)，每日16：00準(zhǔn)時(shí)發(fā)布全省各縣的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)和預(yù)警，為全省的相關(guān)部門提供了重要的參考，為防范森林火災(zāi)，減少經(jīng)濟(jì)損失起到了重要的作用。

圖3 森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品

同時(shí)為了了解系統(tǒng)運(yùn)行的效果，本系統(tǒng)對(duì)發(fā)布的分縣森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)分，以2012年6月為例，全省共發(fā)布24小時(shí)、48小時(shí)、72小時(shí)全?。?7站）分縣森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)30次，準(zhǔn)確的次數(shù)分別為24小時(shí)12.6次、48小時(shí)10.8次、72小時(shí)9.1次，基本準(zhǔn)確的次數(shù)分別為：24小時(shí) 14.8次、48小時(shí)14.9次、72小時(shí)13.6次；基本準(zhǔn)確以上得分24小時(shí)、48小時(shí)、72小時(shí)分別為91.4%、85.9%和76%，預(yù)報(bào)效果達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，具體檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 2012年6月森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)全省平均數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果得出：

(1)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)危險(xiǎn)度與日最高氣溫、日最小相對(duì)濕度、連續(xù)無(wú)降水日數(shù)、預(yù)報(bào)日降水情況、日平均風(fēng)速關(guān)系極為顯著。森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)危險(xiǎn)度與日最高氣溫、連續(xù)無(wú)降水日數(shù)、日平均風(fēng)速關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系,與日最小相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)本系統(tǒng)所建立的浙江森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警模型是科學(xué)有效的，可以為全省相關(guān)部門提供正確的重要參考。

(3)通過(guò)本系統(tǒng)所開發(fā)的軟件可以科學(xué)地做出森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警，基于浙江森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)模型，可對(duì)預(yù)報(bào)的行政區(qū)域進(jìn)行細(xì)化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)浙江省森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警。

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