皖南山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)等級(jí)模型探討

汪大林 楊小兵 羅秀明 張 華 胡雅紅 朱雅紅

（1宣城市氣象局，安徽宣城 245300；2績溪縣應(yīng)急局，安徽績溪 245300；3績溪縣林業(yè)局，安徽績溪 245300）

績溪縣位于皖南山區(qū)，地處黃山山脈與西天目山山脈結(jié)合地帶， 地理坐標(biāo)為北緯 29°57′～30°20′、東經(jīng) 118°20′～118°55′，縣境總面積 1 126 km2，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，干季濕季分明，森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)75.5%。

森林是“地球之肺”，是國家重要的生態(tài)資源[1]。森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大且短時(shí)間內(nèi)能造成巨大損失的特點(diǎn)[2]。美國、加拿大和澳大利亞等國優(yōu)化了森林火險(xiǎn)分級(jí)方法，通過分析多種氣象條件確定火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，為當(dāng)?shù)厣只馂?zāi)的預(yù)報(bào)工作提供理論依據(jù)[3]。在國內(nèi)，計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)開始逐步與森林防火技術(shù)相融合。很多學(xué)者已經(jīng)開始從事森林防火平臺(tái)的開發(fā)和研究：2005年陜西漢中建成了“漢中市森林防火氣象服務(wù)系統(tǒng)”，2010年遼寧省研發(fā)完成了遼寧省森林防火氣象信息服務(wù)系統(tǒng)，江西、云南等省根據(jù)當(dāng)?shù)亓謪^(qū)的特點(diǎn)開始嘗試研制各種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助決策系統(tǒng)[4]，甄文芳等[5]開發(fā)了安徽省森林防火氣象服務(wù)支持系統(tǒng)，還有國內(nèi)其他學(xué)者也對(duì)森林防火進(jìn)行了研究[6-13]。筆者利用績溪縣近10年火情和氣象數(shù)據(jù)對(duì)本縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)等級(jí)模型進(jìn)行探討分析，以期為皖南山區(qū)森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)工作提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

森林火災(zāi)數(shù)據(jù)來源于績溪縣林業(yè)局提供的2010年1月至2020年4月績溪縣森林火情數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)來源于績溪縣氣象局提供的2010年1月至2021年4月逐日有關(guān)氣象數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本文采用中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)》（GB/T 36743—2018）[14]對(duì)績溪縣境內(nèi) 4 個(gè)區(qū)域站（績溪國家氣象觀測(cè)站和瀛洲龍川、伏嶺大障和板橋頭六要素站）2019年10月至2021年4月森林火險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)本地化建模分析。

4個(gè)六要素站觀測(cè)的氣象要素有氣溫、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和相對(duì)濕度；全縣還有23個(gè)四要素觀測(cè)站，其觀測(cè)的氣象要素有氣溫、雨量和風(fēng)向風(fēng)速。考慮到森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)等級(jí)中涉及的氣象要素為日最高氣溫、降雨量、風(fēng)速和最小相對(duì)濕度，且在一定的海拔高度范圍內(nèi)，海拔高度上升100 m，氣溫下降0.5℃，對(duì)績溪縣境內(nèi)的六要素站和四要素站的日最高氣溫進(jìn)行海拔修訂。每年的防火期（10月至翌年4月）績溪縣的降水多為大范圍降雨，很少有局部短時(shí)強(qiáng)降水，加上績溪縣境內(nèi)多丘陵地形，相對(duì)濕度的變化也較小，故降雨量和相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)參考國家站的預(yù)報(bào)結(jié)論。

1.3 技術(shù)路線圖

模型用于預(yù)測(cè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)，運(yùn)行時(shí)用戶只需輸入臺(tái)站號(hào)。模型由6個(gè)指標(biāo)組成，分別是氣溫、相對(duì)濕度、連續(xù)無降水日、風(fēng)速、日降水量及綜合因子（考慮農(nóng)事用火頻率、林地狀態(tài)等因子），其中涉及的氣象相關(guān)數(shù)據(jù)均由CIMISS獲得，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工質(zhì)控后再進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)頁采用php+html語言開發(fā)，利用php調(diào)取CIMISS數(shù)據(jù)，獲取氣象數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，調(diào)用jpgraph圖表庫對(duì)運(yùn)算結(jié)果繪圖，最后利用html進(jìn)行相關(guān)結(jié)果的前臺(tái)展示（圖1）。

2 結(jié)果與分析

通過2019年10月至2021年4月共40期的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)周報(bào)驗(yàn)證分析，以及縣應(yīng)急局、林業(yè)局等部門專家的驗(yàn)證，得到績溪縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)和森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)，完成了宣城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建。

2.1 日最高氣溫的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)A值

日最高氣溫的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)A值見表1。氣溫是影響森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)最重要的氣象因子之一。在每年防火期內(nèi)，尤其是10—11月和次年的3—4月，日最高氣溫會(huì)超過25℃；而秋季連續(xù)日最高氣溫超過25℃的干燥天氣大大提高了森林火險(xiǎn)的危險(xiǎn)程度，更不利于森林防火的控制。

表1 日最高氣溫的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)A值

影響氣溫的因素有很多，對(duì)皖南山區(qū)而言，自動(dòng)氣象站的海拔高度和下墊面環(huán)境的影響最大。通過對(duì)2019年10月至2021年4月4個(gè)六要素站日最高氣溫的對(duì)比分析來看，海拔高度起著決定性作用。通過分析計(jì)算，海拔高度上升100m，氣溫下降0.5℃，對(duì)績溪縣境內(nèi)的六要素站和四要素站的日最高氣溫進(jìn)行了海拔修訂。在此基礎(chǔ)上，對(duì)日最高氣溫的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)A值進(jìn)行了重新劃分，日最高氣溫越高，A指數(shù)越大，且呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

2.2 日最小相對(duì)濕度的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)B值

日最小相對(duì)濕度的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)B值見表2。相對(duì)濕度是影響森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)最重要的氣象因子之一，直接關(guān)系到森林防火中易燃程度的高低。相對(duì)濕度越小，更有利于樹木、草木的燃燒。通過對(duì)2019年10月至2021年4月4個(gè)六要素站日最小相對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比分析，在無雨日，每增加1 d無雨日，日最小相對(duì)濕度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)（日最高氣溫＞20℃，每增加1 d無雨日，日最小相對(duì)濕度下降8%左右；日最高氣溫＜20℃，每增加1 d無雨日，日最小相對(duì)濕度下降4%～6%）。在雨日，每增加1 d雨日，日最小相對(duì)濕度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，基本上連續(xù)3 d降雨日（日降雨量＞1.0 mm），日最小相對(duì)濕度將增加至70.0%以上。在此基礎(chǔ)上，對(duì)日最小相對(duì)濕度的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)B值進(jìn)行了重新劃分，日最小相對(duì)濕度越小，B指數(shù)越大，且呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

表2 日最小相對(duì)濕度的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)B值

2.3 日最大風(fēng)力的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)C值

日最大風(fēng)力的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)C值見表3。風(fēng)力是影響森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)重要的氣象因子之一，直接關(guān)系到森林防火中蔓延程度的高低。一旦發(fā)生森林火災(zāi)，風(fēng)力、風(fēng)向的改變無疑增加了滅火工作的難度，直接威脅到滅火人員的人身安全。皖南山區(qū)是一個(gè)多山脈的地區(qū)，天目山脈和黃山山脈縱橫交錯(cuò)，這種地形增加了對(duì)風(fēng)力、風(fēng)向的預(yù)測(cè)難度。風(fēng)力是森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)中比較難以預(yù)測(cè)的氣象因子，目前的自動(dòng)氣象站的覆蓋密度還達(dá)不到預(yù)測(cè)要求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)日最大風(fēng)力的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)C值進(jìn)行了重新劃分，日最大風(fēng)力越大，C指數(shù)越大。

表3 日最大風(fēng)力的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)C值

2.4 降雨量和無雨日的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)D值

降雨量和無雨日的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)D值見表4。降雨量是影響森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)最重要的氣象因子。通常日降雨量≥1.0 mm，植被都被潤濕，易燃程度為不能燃燒；日降雨量≥10.0 mm，植被潤濕程度更大，2 d之內(nèi)易燃程度仍為不能燃燒。對(duì)2019年10月至2021年4月4個(gè)六要素站日降雨量進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)過連續(xù)5 d的無雨日后，森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)D值呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。

表4 森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)D值

2.5 森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)

森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)（HTZ）的計(jì)算公式：

HTZ=K×（A+B+C+D）

式中，A、B、C、D根據(jù)當(dāng)日森林火險(xiǎn)氣象因子分別從表1～4查得；K為綜合因子，返青前系數(shù)K=1.0，返青后系數(shù)K=0.8。

績溪縣森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)和森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)（HTZ）見表 5。

表5 績溪縣森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)和森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)（HTZ）

3 結(jié)論與討論

本文利用績溪縣近10年火情和氣象數(shù)據(jù)建立了績溪縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)等級(jí)模型，得到了適宜皖南山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)和森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)（HZT）。氣象條件對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生與發(fā)展的最為關(guān)鍵。本文各氣象因子的等級(jí)是經(jīng)過多次訂正后得出的最優(yōu)結(jié)論，相比于國家標(biāo)準(zhǔn)《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)》（GB/T 36743—2018）中各個(gè)氣象因子等級(jí)指數(shù)和所占比例也更加合理。比如：無降水日數(shù)的天氣指數(shù)分析，皖南山區(qū)多植被覆蓋，無雨日一般超過5 d后，每多增加1 d無雨日，森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)D值會(huì)逐漸增大，而不是呈現(xiàn)一種等數(shù)級(jí)別的無差異增加。

經(jīng)過模型運(yùn)算、預(yù)報(bào)員人工訂正以及同應(yīng)急、林業(yè)部門會(huì)商后，再聯(lián)合當(dāng)?shù)貞?yīng)急、林業(yè)局發(fā)布森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)（圖1）。該等級(jí)預(yù)報(bào)對(duì)皖南鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林防火工作具有指導(dǎo)性意義。

宣城市森林防火氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件（圖2）可直觀反映宣城各縣市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的24 h至未來7 d的精細(xì)化森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)信息及火險(xiǎn)預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)了實(shí)況數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與顯示（圖3），火險(xiǎn)等級(jí)自動(dòng)生成，火險(xiǎn)預(yù)警發(fā)布全程網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化，提高了森林防火氣象服務(wù)的針對(duì)性和有效性，為森林防火工作提供了堅(jiān)實(shí)的信息保障服務(wù)。