基于卡爾曼濾波方法對漠河森林火險等級預報的研究

張金勇 吳樹森 李 冰 許麗玲

（漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300）

0 引言

森林是國家的重要資源，保護森林資源，開展森林火險等級預報，是預防森林火災發生的重要手段。國內眾多氣象和防火專家對森林火險、火災及其影響因子進行了廣泛的研究[1-4]。一些省市縣建立了適合本地的林火預報模型(方法)和火險等級預報系統[5]。楊光等基于加拿大火險天氣指標系統,研究了1971—2010年間大興安嶺漠河縣林火行為指標的變化特征[6]。胡同欣等利用大興安嶺塔河林業局實地森林調查資料,通過異速生長方程,對典型林分喬木的干、枝、葉、皮的活可燃物載量進行估算，提出了相應的林火管理策略[7]。漠河位于中國的最北部，面積18233km2，是國家重要森林基地，每年都有不同程度的森林火情或火災發生，并造成重大經濟損失，在一定程度上制約了漠河經濟的發展、生態環境的改善。本文針漠河區域森林火險等級的逐日滾動預報問題，定義了森林火險等級的客觀標準，提出利用卡爾曼濾波原理預報森林火險等級的方法，并根據相似預報原理制作的逐日降水預報對森林火險等級強度進行客觀訂正。經過兩年的試驗結果表明，該方法預報效果較好。

1 卡爾曼濾波方法制作森林火險等級預報

卡爾曼，匈牙利數學家，1960年發表了論文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》。卡爾曼濾波方法是一種遞推式濾波方法，它的突出優點是：不需要保存全部歷史資料數據，可借助于前時刻的濾波結果，遞推出現時刻的狀態估計量，大大減少了存儲量和計算量。我國數值預報發展迅速，但氣象臺站積累足夠供建立MOS方程使用的數值產品歷史資料比較困難。采用卡爾曼濾波方法，可以處理一系列帶有誤差的預報值而得到它的最佳估算值，以此提高下一時刻的預報精度，這對提高預報精度具有重要的現實意義[8]。卡爾曼濾波方法在天氣預報領域中主要用于制作溫度等連續性氣象要素的預報，是一種能較快適應數值預報模式經常變化的統計預報方法，它通過建立可變的預報模式，利用上一次預報誤差的反饋信息來修正原預報模式中的參數，從而克服MOS預報方程中系數固定不變而產生較大的預報誤差的缺陷。國內已有多人將卡爾曼濾波方法應用于天氣預報制作中[9-10]。重慶市氣象部門于 2002年完成了“利用卡爾曼濾波方法預報三峽庫區中期森林火險等級研究”,并運行森林火險預測業務中[11]。

在漠河區域選擇火險預報因子時，發現20時850hpa氣溫與當日最高氣溫的相關系數在0.9以上（信度檢驗達到0.001）。進一步分析和檢驗發現， 歐洲中心 105°N、30°E 和 110°N、30°E 兩個格點的850hpa溫度預報可以很好地代表漠河區域850hpa溫度實況的變化，特別是3d以內的預報，準確率在80%以上。因此，可以把它們作為地面最高氣溫的預報因子。

根據卡爾曼濾波的原理，首先整理出連續2個月的歷史資料，然后采用逐步回歸方法建立初始預報方程。確定出W和V的值，并得到初始回歸方程的系數。在建立溫度預報方程時，按照漠河區域的林區分布和氣候特點劃分為4個區域，并在每個區域分別選取預報代表點(北極村、西林吉、富克山、阿木爾分別代表北部、中部、西南部和東部)，根據卡爾曼濾波的自適應原理，對初始預報方程進行一段時間的適應就可以得到各區域的最高溫度預報方程。初始預報方程建立以后，就可以進行實際預報。首先提取上述4個區域所需資料，接著進行各自的遞推計算，得到新的訂正后的回歸系數和誤差并加以保存，以便作為下一時刻t+△t(△t為預報時效)運行遞推系統的輸入信息，然后根據訂正后的預報方程分別作出各區域未來(1～5d)最高氣溫預報。每天都如此反復循環，實現預報方程的更新。

2 降水預報對森林火險等級的訂正

2.1 環流相似預報方法

環流相似預報降水的基本思路是，首先選取描述大尺度環流背景的 ECMWF500hpa 高度預報場（20～60°N，60～120°E），沿緯向作標準化處理，利用歐氏距離公式計算所選取范圍內高度場與歷史同期樣本之間的距離，選出距離最小的前30個相似樣本；然后將所選取的范圍進一步縮小（25～40°N，95～115°E），以提取對漠河區域天氣有直接影響的天氣尺度系統特征，對經過第一次過濾的30個樣本求其距離，選取最相似的前10個樣本；最后選取西林吉附近兩個格點上的ECMWF850hpa溫度預報值（30°N、105°E，30°N、110°E），再對上述 10 個樣本計算絕對距離，確定出最佳相似樣本。

挑選出最佳相似樣本后，將該樣本所對應的實況天氣作為該時次的預報值，其輸出結果是各區域未來1～5天逐日面雨量等級：小雨（面雨量＜mm）、中雨（10mm≤面雨量＜25mm）、大雨（25mm≤面雨量＜50mm）、暴雨（面雨量≥50mm）。

2.2 利用降水預報訂正森林火險等級

研究表明，自然降水對森林火災有較大抑制作用，在預報森林火險等級時必須充分考慮降水因素[1]。另一方面，采用前面的方法預報森林火險等級時，對出現無明顯降溫的降水過程時，容易造成火險等級預報偏強的情況。因此，有必要利用降水預報對森林火險等級預報進行訂正。根據降水與森林火災的負相關關系，可以規定出火險等級。當預報某日某區域有小雨時，其森林火險降低一級；當預報某日某地有中雨以上降水時，該日森林火險降低2級，次日的森林火險降低1級。這樣就對卡爾曼濾波方法預報的森林火險進行了有效的訂正。

3 結果檢驗

檢驗結果表明，卡爾曼濾波方法預報漠河區域森林火險等級的準確率均達到67%以上，其中24、48和120h預報準確率達到70%～80%，從各區域預報情況來看，除東部72～96h預報效果稍差一些外，其它區域各時次的預報均達到70%以上，說明該方法對漠河各區森林火險等級有較強預報能力。進一步分析可知，采用降水預報訂正后，其預報準確率普遍提高3%～6%，多數時次預報準確率達到70%以上，說明引入降水預報對森林火險等級的訂正效果較好。

4 結束語

4.1 漠河區域森林火災多發生在氣溫高、濕度小的連晴少雨時段內，采用最高氣溫定義的森林火險等級標準簡便適用，且較客觀，不僅適用于不同季節和不同區域，而且可以使森林火險等級預報得到簡化。

4.2 數值預報可用時效的延長對制作較長時效的降水和溫度預報提供了可能，進而大大提高了森林火險等級預報的準確性和延長了森林火險等級預報的時效。

[1]舒立福,張小羅,戴興安.林火研究綜述(Ⅱ):林火預測預報[J].世界林業研究,2003,16(4):34-37.

[2]邸雪穎.林火預報學[M].哈爾濱:東北林業大學出版社,1990:2-10.

[3]狄麗穎,孫仁義.中國森林火災研究綜述[J].災害學,2007,22(4):118-123.

[4]王景華,龍先華,李德,等.基于GIS的四川省森林火災空間分布特征[J].東北林業大學學報,2012,40(9):51-56.

[5]閆敏慧,梅其珍,徐月.黑龍江省多因子綜合森林火險預報業務系統[J].黑龍江氣象,2010,27(3):18-20.

[6]楊光,邸雪穎,舒立福.近40a大興安嶺漠河縣林火行為指標變化特征[J].東北林業大學學報,2012,40(12):78-82,100.

[7]胡同欣,魯佳宇,魏書精,等.大興安嶺塔河典型林分可燃物載量估算[J].東北林業大學學報,2013,41(12):52-55.

[8]南京信息工程大學氣象臺.卡爾曼濾波方法應用[EB/OL].百度,2014-05-19.http://wenku.baidu.com/link?url=at1EUmvQUFOKHLe1L6mNZKXXCm4IP8ylpN1Y vfftkDEU3yqVOchoUo7O0kbxA8VJDFB6DxGt43Nt_3o65e7tMOXI -LpkdN_8uLvXQ4ezn6u.2014-08-20.

[9]黃嘉佑,謝莊.卡爾曼濾波在天氣預報中的應用[J].氣象,1993,19(4):3-7.

[10]陳雷,劉開福,李英.卡爾曼濾波在短期氣候預測中的應用[J].氣象,2001,27(10):42-45.

[11]唐云輝.重慶市森林火險等級精細化預報研究[EB/OL].百度,2012-03-17.http://wenku.baidu.com/link?url=CVeBaFfggEekCezXXx_8Oys32MOT-HfBwxVM_fHhFxBM9vx5icCHHwI6S96NOitTSVZEcBiNrN4GjgPX1-SFYPrIqCZsFJepKuGcs O5L0yW,2014-08-20.