甘肅省隴南市森林火險氣象等級智能網格預報研究

劉 麗，蘇軍鋒，黃應文

（甘肅省隴南市氣象局，甘肅 武都 746000）

近年來，中國森林火險氣象等級預報業務發展迅速。1999 年，中國氣象局協同國家林業局共同聯合開展國家級別的森林火險氣象等級預報預警業務工作，使中國森林火險氣象等級業務有了飛躍式的發展，帶動了各省（市、自治區）的火險預報預警業務的發展，預報水平和技術大輻度提高，但因觀測站點、交通不便等各方面因素的限制，預報方式仍以大范圍站點和區域預報為主［1-7］。這種預報模式下的預報結果與西方發達國家［8-12］基于網格的森林火險預報結果相比，其預報的精度低、區域性的代表性也較差，一定程度上制約了精細化、高準確度的森林火險氣象等級預報預警業務發展。

甘肅省隴南市森林資源在全省位居第一，森林覆蓋率最高、生物種類繁多。森林資源主要分布于宕昌岷江林區、康縣康南林區、徽縣和兩當縣轄區內的小隴山林區和武都、文縣的白龍江、白水江林區。在危害森林因子中，火災是一種最具破壞性的災害，不僅直接危及立木、土壤甚至于微生物和野生動物，而且還能降低森林更新能力，引起土壤貧瘠和破壞森林涵養水源的作用，繼而導致生態環境破壞，造成大氣污染，而在森林可燃物和火源具備的情況下，森林能否著火、著火后能否成災，主要取決于氣象條件［1］。火險氣象是指有利于發生森林火災的氣象條件，如高溫、干旱、大風等。因此，做好森林火險氣象預報可以為預防、控制、撲救森林火災提供科學的依據，減少森林火災損失。

因此，對隴南市森林火災特征空間分布及火險預報方法進行研究，利用智能網格預報結果積極開展森林火災預測預報工作，保護和發展現有森林，對于改善生態環境，促進國民經濟發展，保障農林業生產乃至長江中下游人民生命財產的安全都具有十分重要的意義。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

1.1.1 氣象資料 氣象數據資料采用的是1981—2010 年隴南市8 縣1 區基本氣象站近30 年數據的平均值，包括平均氣溫、年均降水量、年相對濕度等氣象要素值。數值網格預報產品所采用的數據是2018 年甘肅省氣象局中心氣象臺下發的全省智能網格預報產品，該產品的空間分辨率達到5 km×5 km。甘肅省氣象局中心氣象臺智能網格氣象預報產品是由國家氣象中心基于主客觀融合預報、采用精細化地理信息的插值分析以及區域建模預報等技術方法研發的中國區域格點化預報產品，預報時效為240 h、時間分辨率為3 h，在時間分變率和空間分辨率上有很大的提高，使天氣預報更精準。

1.1.2 火災資料 根據圖1 可以看出，近20 年來，隴南市火災發生呈明顯遞增的趨勢，尤其是從2010 年以來火險等級日趨升高，說明研究區域火災預防形勢十分嚴峻。

圖1 近20 年來隴南市火災次數年際變化

1.1.3 地理信息、林區分布、社會經濟資料 本研究所用隴南市最新行政區劃、經緯坐標、海拔高度、DEM 數據、林區分布、GDP及人口等相關數據來源于隴南市森林草原局、應急管理局及大數據管理中心。

1.2 研究方法

1.2.1 森林分布數字矢量化提取 隴南市森林大多分布在文縣，武都區南部，康縣南部，兩當縣、成縣、徽縣北部，禮縣、宕昌縣，分布面積較為廣泛，且多為交叉分布。

利用GIS 技術將隴南市森林分布圖，采取分類插值的方法提取到全市森林分布數字化矢量圖，同時將森林分布插值計算，得到隴南市用于柵格圖形計算值。shpfile 格式計算坐標圖如圖2 所示。

圖2 隴南市森林分布矢量圖

1.2.2 森林火險指標靜、動態因子的選取 從隴南市大數據管理局獲取到全市104 個鄉鎮的近十年的經濟發展水平（GDP）數據庫和人口分布數量庫，經濟發展水平越高，人口越密集的地方發生林火的可能性也就越大，反之則越小，因此本研究將這兩者作為影響林火發生的靜態因子，利用Excel 2007 的空間分析功能，將GDP 和人口密度數據分布進行空間殘差處理，使用柵格計算器對各要素值進行計算，得到該計算要素的空間分布柵格數據，所需的數據有：高程、線性經度、線性緯度，最后進行空間分析疊加，得到該要素的實際空間分布［13-15］，計算得到隴南市GDP 柵格空間分布（M）（圖3）和人口柵格空間分布（R）（圖4）數據。

根據標準《森林火險氣象等級GB∕T36743—2018》，可知與林火發生蔓延的因素有：氣溫、相對濕度、降水、風速等。溫度越高，可燃物中水分蒸發和變干的速度越快，火災發生的可能性越大；相對濕度越小導致可燃物含水率越低，越利于林火燃燒發展；降水及連續無雨日數長短直接影響可燃物含水量，是決定林火發生可能性和能否蔓延的重要因素；風是影響火災蔓延的主要氣象因子，風速較大時，火場易蔓延擴大，危險性增加，蒸發量越大，日照時數越長，林木和水分的蒸騰作用越明顯，易燃的可能性也就越大。因此，根據多年火災發生的實地要素值分析及專家評估，年平均氣溫、年均降水量、年日照時數、年蒸發量及連旱天數以及大風是影響隴南林火發生的最主要氣象因子。隨著各氣象因子的變化，對林火的影響范圍及危險程度也有所有同，而隴南地處山區，垂直立體性氣候分布特征明顯，因此將氣象要素作為動態因子進行分析，利用GDP 和人口柵格空間分布數據處理的同樣方法，得到各動態氣象因子的空間分布柵格圖（圖5）。

圖3 隴南市GDP 發展水平柵格圖（M）

1.2.3 隴南市森林火險綜合因子等級分布圖 森林火險區劃評價指標體系，結合最新隴南市近十年平均人口密度（R）、經濟發展水平（M）、森林分布密度以及影響林火發生、發展的決定性氣象因子等因素，利用層次分析法賦予各個要素不同的權重系數分界值和火險等級（表1）。

圖4 隴南市人口分布密度柵格圖（R）

采用ArcGIS 空間疊置分析方法，提取隴南市100 m×100 m 網格的經度、緯度、海拔高度和鄉鎮、縣級邊界行政點及森林分布的矢量數據，推算出每個因子在100 m×100 m 網格上的值，生成高精度、高空間分辨率的林火發生的影響因子網格要素分布圖，其結果能夠反映各影響因子隨經度、緯度和高度變化的地帶性特征。

圖5 隴南市年平均氣溫、年均降水量、連旱天數及大風日數空間分布柵格圖

表1 各影響因子的權重系數、分界值和火險等級

利用ArcGIS 10.0 軟件將動靜態因子進行疊加，疊加時使用柵格計算器進行計算，最后得到動態因子與靜態因子綜合疊加計算因子F，公式為：

式中，M、R、Q、J、N、S、Z、D分別代表隴南市GDP、人口、平均氣溫、年均降水量、年均日照時數、年最小相對濕度、年均蒸發量、年均連旱天數。將疊加結果因子無量綱化，并將無量綱化結果進行圖層顯示、分類、美化，最后生成研究區內精細化森林火險氣象等級區劃（圖6），將火險氣象等級劃分為低風險區（一級）、次低風險區（二級）、中等風險區（三級）、次高風險區（四級）、高風險區（五級）五級。

圖6 隴南市森林火險氣象等級綜合因子區劃

2 森林火險智能網格預報模型建立

森林火險氣象等級智能網格預報的背景場是采用甘肅省中心氣象臺智能網格預報結果，空間分辨率為0.05°。預報因子參考《森林火險氣象等級GB∕T 36743—2018》［16］，森林火險氣象指數［17，18］計算公式：

FFDI為基于各因子的火險指數加權得到的，綜合火險氣象指數；F為當日平均風速（m∕s）；Q為當日平均氣溫（℃）；S為最小相對濕度（%）；R為連續無降水日數（d）；IF（F）、IQ（Q）、IS（S）、IR（R）、IJ（J）分別表示各火險氣象因子對應的火險指數（表2）。

按照《森林火險氣象等級》標準，將森林火險氣象指數由低至高分為5 個等級：低、較低、較高、高、極高。森林火險氣象等級劃分標準及其對應的危險程度、易燃程度、蔓延程度如表3 所示。

3 森林火險氣象等級智能網格預報效果分析

對靜態因子、動態因子進行分析，繪制隴南市森林火險氣象等級分布區劃圖，建立智能網格預報模型，并根據高精度的智能網格預報，實現了精細化的森林火險氣象等級智能網格預報，產品的空間分辨率是5 km。2019 年1 月，隴南市近40 d 降水量持續異常偏少，其中武都、文縣連續近30 d 沒有出現有效降水，氣候異常干燥，旱情出現，而武都、文縣人口分布密、經濟發展水平略高于其他地區。結合整體靜態因子、動態因子分析，非常利于林火的發生。2019年 1 月 20—27 日，隴南市共發生林火 10 起，其中 8 起出現在武都、文縣、宕昌境內的白龍江、白水江林區和岷江林區內。從 2019 年 1 月 20—27 日連續 7 d 林區智能網格預報結果來看，1 月中下旬開始隴南市降水異常偏少，旱情嚴重，森林火險氣象等級居高不下，高森林火險氣象等級主要集中在 1 月18—25日，智能網格模型預報結果顯示（圖7）與隴南市森林火險氣象等級區劃結果及高火險發生點的空間分布、時間變化基本一致。

表2 森林火險氣象指數劃分標準

表3 森林火險氣象等級劃分標準

同時，通過對 1 月 29 日—2 月 5 日 8 d 的模型進行逐日檢驗，檢驗結果表明，預報準確率在70%以上（表4）。說明智能網格預報模型命中概率較高，隨著動態氣象因子背景場的變化，智能網格預報結果也在不斷變化，對火險氣象條件的判定結果也逐漸提升，對隴南市森林火險的發生預測具有很好的指示作用。

圖7 隴南市2019 年1 月18—25 日森林火險氣象等級智能網格預報

表 4 1 月 29 日—2 月 5 日 8 d 的模型進行逐日檢驗結果

4 結論

1）本研究利用人口分布密度、經濟發展水平及森林空間分布數據，基于GIS，采用殘差分析、空間分析技術將全市森林資源分布數據與影響林火發生的動態因子、靜態因子相結合，根據影響不同而賦予不同的權重，無量綱后得到甘肅省隴南市森林火險氣象等級區劃圖，能夠客觀科學地反映隴南市林火發生發展的風險頻次及等級，此區劃圖對于決策及火災高風險區的指揮謀劃有很好的參考價值。

2）用于智能網格預報的計算模型選用的是2018 年國家林業局下發的標準《森林火險氣象等級GB∕T 36743—2018》，最終選定影響林火發生蔓延的主要氣象因子有平均氣溫、平均降水、連旱天數、平均風速、最小相對濕度。將各個影響因子加權得到火險氣象指數FFDI，并通過有效降水量來訂正FFDI，確定森林火險氣象等級的劃分，并對各等級可能發生的火災程度及未來發展蔓延程度進行描述分類。

3）智能網格預報實現了從站點到格點的全新變革，產品空間分辨率5 km，預報時效為10 d，使政府及相關部門隨時獲取基于具體位置的專業化、精細化的森林火險氣象等級智能網格預報預警產品，為精準預報、精準指揮、精準防御提供了科學有力的支撐，在隴南市森林火險氣象等級短中期無縫隙精細化預報預測以及火災發生安全保障服務中取得了良好的服務效果。

4）智能網格預報模型未考慮林區內各植被的類型及生長狀態以及冬季高山區林區積雪覆蓋等要素的變化，可以考慮將衛星監測產品也應用到火險預報模型中來，加入林區植被和冬季積雪覆蓋的情況，使預報預測更加精準。