連續(xù)化森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)模型研究

石霖晟杰

(內(nèi)蒙古包頭市氣象局，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

如何有效防范森林火災(zāi)、保證生態(tài)健康、維護(hù)資源已經(jīng)是老生常談的話題，基于現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，前人對(duì)這方面進(jìn)行研究分析，取得了顯著成效。在全球氣候變暖干旱的背景下，火災(zāi)頻頻發(fā)生，且造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，也容易造成社會(huì)恐慌。森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)涉及到氣象、森林火災(zāi)2個(gè)具體要素之間的關(guān)系，借助經(jīng)驗(yàn)、數(shù)學(xué)擬合等得到最終的結(jié)果，用來(lái)預(yù)測(cè)某個(gè)林區(qū)存在火險(xiǎn)的指數(shù)?；痣U(xiǎn)指數(shù)越來(lái)越高，說(shuō)明該地區(qū)發(fā)生火災(zāi)的可能性比較大，需要采取合理的措施預(yù)防火災(zāi)的出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)專家學(xué)者的研究以及實(shí)際火災(zāi)預(yù)報(bào)的使用，證明該方式在火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

1 森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)

我國(guó)森林火災(zāi)預(yù)報(bào)工作的研究起步比較晚，1955年才開(kāi)始，且在蘇美日等國(guó)家原油發(fā)展的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)時(shí)的發(fā)展情況，提出了風(fēng)速補(bǔ)正綜合指標(biāo)法、火險(xiǎn)尺法等；改革開(kāi)放之后我國(guó)的林火預(yù)報(bào)工作開(kāi)始全面發(fā)展，當(dāng)時(shí)全國(guó)開(kāi)始研制林火預(yù)報(bào)系統(tǒng)，現(xiàn)有林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立足1995年的標(biāo)準(zhǔn)上，以《全國(guó)森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)》為基礎(chǔ)。但是從當(dāng)前的實(shí)情來(lái)看，該文件當(dāng)中存在幾個(gè)問(wèn)題，這里進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。以省為單位，預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)比較粗糙，而且只是概率性的預(yù)報(bào)火險(xiǎn)等級(jí)，無(wú)法區(qū)分山頭、縣區(qū)的火險(xiǎn)等級(jí)情況，預(yù)報(bào)無(wú)法保證精度；使用預(yù)報(bào)查找表得到森林火險(xiǎn)指數(shù)，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中證明該方式存在缺陷，權(quán)值打分的形式很難符合森林火險(xiǎn)實(shí)際情況，最終表示數(shù)值存在階躍現(xiàn)象，最終的預(yù)報(bào)結(jié)果存在很多問(wèn)題，精度差異大，火險(xiǎn)小會(huì)預(yù)報(bào)指數(shù)大[1]；GIS系統(tǒng)在當(dāng)前具備采集、處理、分析、表達(dá)等功能為一體，但是火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無(wú)法在GIS系統(tǒng)再運(yùn)行使用。為解決該標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了深入研究與分析，尋找了不同次數(shù)出現(xiàn)林火的原因，并且指出該文件當(dāng)中存在的不合理部分，同時(shí)加以改正，如在具體的分析當(dāng)中，增加了實(shí)效雨量、積雪深度等發(fā)光面的要素。文章研究的模式使用高橋公式計(jì)算蒸發(fā)量，以累積求和的計(jì)算方式計(jì)算出飽水量，并且提出具體方式。文章闡述的模型在一定程度上改變了以往使用標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中存在的問(wèn)題，需要在未來(lái)的發(fā)展中不斷創(chuàng)新、改進(jìn)，以增強(qiáng)實(shí)用性。

針對(duì)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)方面的研究，文章以GB/T 36743-2018為主要指標(biāo)進(jìn)行分析，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)速(wind speed)的認(rèn)定是按照GB/T 20478-2006的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，風(fēng)速是指離地10m單位內(nèi)空氣移動(dòng)的水平距離，單位表示為m·s-1；降水量(precipitation)、氣溫(air temperature)，認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)一致，均為GB/T 20478-2006。該文件對(duì)雪深、氣象干旱等級(jí)、相對(duì)濕度、氣象干旱綜合指數(shù)、無(wú)降水日、森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)等做出了詳細(xì)界定。森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)的確定，在原則上基本都一致，根據(jù)地勢(shì)、氣候條件、歷史火災(zāi)發(fā)生情況等，按照實(shí)際分析需要?jiǎng)澐謪^(qū)域，之后確定劃分等級(jí)。

2 模型設(shè)計(jì)

按照《全國(guó)森林火險(xiǎn)等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中對(duì)森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)的表示分別是最高氣溫火險(xiǎn)天氣指數(shù)的表示為F1、F2；F3為降水量、連續(xù)干旱天氣的林火危險(xiǎn)指數(shù)；F4為最大風(fēng)力火險(xiǎn)天氣指數(shù)；F5是地帶性因素，考慮地帶性氣候邊帶的影響[2]。綜合分析各項(xiàng)因素，查閱得到預(yù)報(bào)因子的具體表示方式，且將其代入到公式當(dāng)中計(jì)算，得出具體的描述方式，其中表示為F1、F2、F3、F4、F5，代入公式：

HTZ=F1+F2+F3+F4-F5

對(duì)于上述表達(dá)當(dāng)中用來(lái)表示火險(xiǎn)天氣指數(shù)的F1至F5，作為計(jì)算模型，在下面的分析過(guò)程中，以最高溫度x1的火險(xiǎn)天氣指數(shù)F1為計(jì)算模型，分析連續(xù)化模型構(gòu)建的過(guò)程，加上其余預(yù)報(bào)因子建設(shè)連續(xù)化模型，建設(shè)過(guò)程套用上述模型，而F2、F3至F5的模型建設(shè)基本上于此相同[3]。這里簡(jiǎn)要闡述具體步驟。

參照現(xiàn)有的分區(qū)間，用打分形式來(lái)計(jì)算火險(xiǎn)指數(shù)，使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，套用節(jié)點(diǎn)值，以最高溫度x1作為主要目標(biāo)，劃分6個(gè)區(qū)間，其中數(shù)值使用x1i對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)的火險(xiǎn)指數(shù)F1i,通過(guò)這幾個(gè)參數(shù)構(gòu)建出樣本集，其中，i=1……6，其中，使用最高氣溫火險(xiǎn)天氣指數(shù)創(chuàng)建模式過(guò)程中使用的樣本集：

{Xxi1，YF1i}={(2.5,0)(12.5，8)(17.5,12)(22.5,16)(27.5,20)}

模型計(jì)算過(guò)程中使用行業(yè)規(guī)定的極值與樣本點(diǎn)分布特征，生長(zhǎng)曲線選擇Logistic來(lái)擬合表示，最終整合得到形式：

y=k/1+e(α+βx)

實(shí)際上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最高氣溫火險(xiǎn)指數(shù)有明確規(guī)定：x1≤25，因此在設(shè)置模型的時(shí)候定義函數(shù)最大值不能超過(guò)25。使用SPSS軟件來(lái)分析該樣本集，整合樣本分析、綜合整理、具體設(shè)計(jì)、回歸擬合，通過(guò)此得到表達(dá)式：

F1=25/1+e(2.74+0.15x1)

模型計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析，假定一個(gè)數(shù)值進(jìn)行模擬試驗(yàn)，如果試驗(yàn)證明該方式可行，則證明模型設(shè)計(jì)的實(shí)際運(yùn)用可行性強(qiáng)，且實(shí)際運(yùn)用效益好。通過(guò)實(shí)際分析，證明模型的可信度、可行性超過(guò)了95%，在具體運(yùn)用過(guò)程中取得實(shí)際效果。通過(guò)對(duì)擬合圖、驗(yàn)算，得到連續(xù)化森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)計(jì)算函數(shù)表達(dá)式：

F1=25/1+e(2.74+0.15x1)

F2=22/1+e(-4.13+0.09x2)

……

F5=12x(H-x5)/10

式中，x1為最高氣溫值；x2為最小相對(duì)濕度值；x31為前期降雨量數(shù)值；x32為連續(xù)干旱天數(shù)值；x4為風(fēng)速值；H為行政區(qū)域最大緯度值。

將上述表達(dá)式中的預(yù)報(bào)因子中的連續(xù)5個(gè)火險(xiǎn)天氣指數(shù)分別代入的奧森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)指數(shù)綜合計(jì)算公式當(dāng)中，F(xiàn)1、F2、F3、F4、F5代入，即可得到連續(xù)化的林火預(yù)報(bào)等級(jí)數(shù)值A(chǔ)，從而得到預(yù)報(bào)計(jì)算。通過(guò)本次計(jì)算之后，再使用現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)再次計(jì)算，進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果數(shù)值對(duì)比如表2。

表2 連續(xù)函數(shù)計(jì)算數(shù)值與現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值對(duì)比

從表2中可以看出，如果2個(gè)氣象條件相近的預(yù)報(bào)點(diǎn)，可以看出計(jì)算得到的函數(shù)結(jié)果與現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的火險(xiǎn)級(jí)別相差為一級(jí)，但是按照本次設(shè)置選擇的函數(shù)計(jì)算表達(dá)式得到的結(jié)果則為同一個(gè)級(jí)別，也就是說(shuō)本次設(shè)置出來(lái)的模型更符合氣象規(guī)律，反應(yīng)結(jié)果更直觀，可行性更強(qiáng)。

3 實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要使用GIS，本次試驗(yàn)使用連續(xù)化森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)模型進(jìn)行輔助、運(yùn)用GIS系統(tǒng)來(lái)提供小區(qū)域內(nèi)地理環(huán)境、地圖數(shù)據(jù)分析圖表，能夠得到連續(xù)化森林天氣等級(jí)預(yù)報(bào)專題的圖表，具體步驟如下。

得到最高氣溫?cái)?shù)值、最小濕度值、前期降雨量值、連續(xù)干旱天數(shù)值、風(fēng)速值、行政區(qū)域緯度值、最大緯度值的預(yù)報(bào)因子數(shù)據(jù)的方式有2種，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，計(jì)算行政區(qū)域囊括的不同觀測(cè)站點(diǎn)，用n表示，得到平均數(shù)值，作為預(yù)報(bào)因子數(shù)據(jù)做好備份記錄，選取行政區(qū)域內(nèi)幾何中心位置的維度值作為計(jì)算的緯度值；將樣本中囊括的所有樣本集導(dǎo)入到軟件分析系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)行梯度下降的回歸分析操作，同時(shí)建立起相關(guān)函數(shù)內(nèi)插模型來(lái)為后續(xù)計(jì)算做準(zhǔn)備，使用強(qiáng)大的GIS系統(tǒng)軟件進(jìn)行空間分析，建立柵格數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)因子。得到數(shù)據(jù)制衡存儲(chǔ)在媒介當(dāng)中。在這個(gè)過(guò)程中，前一種數(shù)據(jù)表是記錄下的參數(shù)，以預(yù)報(bào)因子算術(shù)平均值作為代表，直觀展示出整個(gè)行政單元區(qū)域內(nèi)的氣象的情況；后一種是在空間內(nèi)插入模型獲取連續(xù)化柵格數(shù)據(jù)，柵格的大小作為主要表示單位，表示變化區(qū)域地理位置上的氣象變化情況[4]。

將得到的預(yù)報(bào)因子數(shù)據(jù)代入到計(jì)算公式當(dāng)中，按照規(guī)定計(jì)算得到等級(jí)指數(shù)。

重復(fù)上述2個(gè)步驟，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到系統(tǒng)當(dāng)中，建立起預(yù)報(bào)行政區(qū)域內(nèi)指定維度的林火氣象預(yù)測(cè)等級(jí)數(shù)據(jù)表格。

將所有數(shù)據(jù)資料導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)軟件當(dāng)中，將反映行政區(qū)域劃分的ID屬性、名稱等合并到屬性庫(kù)當(dāng)中，并按照火險(xiǎn)天氣等級(jí)對(duì)指定計(jì)算得到的維度區(qū)域圖進(jìn)行渲染。

相繼添加需要的地圖要素之后，得到直觀可視化渲染圖。完成上述步驟之后循環(huán)前2個(gè)步驟，計(jì)算數(shù)據(jù)模型、建立表格、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)行以及相關(guān)步驟對(duì)火險(xiǎn)天氣等級(jí)A進(jìn)行渲染。根據(jù)選擇渲染模式的不同，得到的結(jié)果也存在差異。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程當(dāng)中，借助GIS系統(tǒng)使用空間內(nèi)插法、空間關(guān)系模型法等，通過(guò)規(guī)定方式來(lái)進(jìn)行模擬推廣，連續(xù)化氣象觀測(cè)數(shù)值[5]。

在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，使用柵格像素大小為空間單元，設(shè)計(jì)出森林天氣等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)圖，渲染得到的圖能夠直觀表現(xiàn)出連續(xù)變化地理區(qū)域的具體情況，觀察火險(xiǎn)等級(jí)的詳細(xì)發(fā)生情況，分析相鄰維度之間火險(xiǎn)等級(jí)差異情況。借助GIS工具來(lái)查詢，能夠得到柵格單位上火險(xiǎn)等級(jí)的大小分布情況。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中同樣以現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作出了預(yù)報(bào)示意圖，圖中對(duì)火險(xiǎn)氣象等級(jí)的設(shè)計(jì)方式以州縣為單位，氣象條件連續(xù)變化在地理區(qū)域上并無(wú)明顯差異，但是相鄰2個(gè)行政區(qū)域在位置交界處的火險(xiǎn)等級(jí)相差呈現(xiàn)出極度不合理的現(xiàn)象[6]。

氣象部門(mén)在環(huán)保、林火等公眾性服務(wù)方面作出了極大貢獻(xiàn)，公眾有目共睹，當(dāng)前預(yù)測(cè)內(nèi)容涉及面非常廣，從海洋到陸地，從空間環(huán)境到太空，除了溫度、降水、風(fēng)等常規(guī)的監(jiān)測(cè)之外，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中還會(huì)預(yù)測(cè)地面環(huán)境對(duì)天氣造成的影響，當(dāng)前是短期預(yù)報(bào)，未來(lái)的發(fā)展可能傾向于長(zhǎng)期、跨季度、跨年的氣候預(yù)報(bào)。當(dāng)前氣象部門(mén)的發(fā)展更需要與實(shí)際發(fā)展相結(jié)合，充分運(yùn)用現(xiàn)代新技術(shù)與新理論，改進(jìn)傳統(tǒng)發(fā)展當(dāng)中存在的弊端和不足。本次模擬取得了比較精細(xì)的效果，但是不可止步于此，該系統(tǒng)仍舊處于不斷發(fā)展和進(jìn)步當(dāng)中，未來(lái)全球的預(yù)報(bào)內(nèi)容及形式只會(huì)更加豐富，森林火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)工作，也會(huì)在未來(lái)的發(fā)展當(dāng)中得到創(chuàng)新和進(jìn)步。

4 總結(jié)

綜上，本文在分析連續(xù)化的林火預(yù)報(bào)模型建立的過(guò)程中，將計(jì)算模型得到數(shù)據(jù)與現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果表示該模型在準(zhǔn)確性、精確化程度方面有明顯地提高，克服了傳統(tǒng)預(yù)報(bào)模式中存在標(biāo)準(zhǔn)粗糙、誤差等情況的存在，借助GIS，讓氣象預(yù)報(bào)更加科學(xué)合理，解決了傳統(tǒng)行業(yè)使用過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題。而且該連續(xù)化模型研制工作還可以運(yùn)用在林火撲救指揮中，能夠?yàn)榫唧w工作的開(kāi)展提供理論上的指導(dǎo)，提供技術(shù)上的支持，對(duì)于行業(yè)的發(fā)展有很重要的意義。