連續化森林火險天氣等級預報模型研究

石霖晟杰

(內蒙古包頭市氣象局，內蒙古 包頭 014030)

如何有效防范森林火災、保證生態健康、維護資源已經是老生常談的話題，基于現代社會的發展，前人對這方面進行研究分析，取得了顯著成效。在全球氣候變暖干旱的背景下，火災頻頻發生，且造成了嚴重的經濟損失，也容易造成社會恐慌。森林火險天氣指數涉及到氣象、森林火災2個具體要素之間的關系，借助經驗、數學擬合等得到最終的結果，用來預測某個林區存在火險的指數。火險指數越來越高，說明該地區發生火災的可能性比較大，需要采取合理的措施預防火災的出現。經過專家學者的研究以及實際火災預報的使用，證明該方式在火災監測預警過程中發揮了重要作用。

1 森林火險氣象等級

我國森林火災預報工作的研究起步比較晚，1955年才開始，且在蘇美日等國家原油發展的基礎上結合當時的發展情況，提出了風速補正綜合指標法、火險尺法等；改革開放之后我國的林火預報工作開始全面發展，當時全國開始研制林火預報系統，現有林業行業標準立足1995年的標準上，以《全國森林火險天氣等級》為基礎。但是從當前的實情來看，該文件當中存在幾個問題，這里進行簡要分析。以省為單位，預報設計比較粗糙，而且只是概率性的預報火險等級，無法區分山頭、縣區的火險等級情況，預報無法保證精度；使用預報查找表得到森林火險指數，在實際運用過程中證明該方式存在缺陷，權值打分的形式很難符合森林火險實際情況，最終表示數值存在階躍現象，最終的預報結果存在很多問題，精度差異大，火險小會預報指數大[1]；GIS系統在當前具備采集、處理、分析、表達等功能為一體，但是火險天氣預報等級標準已經無法在GIS系統再運行使用。為解決該標準當中存在的問題，國內許多學者對這方面進行了深入研究與分析，尋找了不同次數出現林火的原因，并且指出該文件當中存在的不合理部分，同時加以改正，如在具體的分析當中，增加了實效雨量、積雪深度等發光面的要素。文章研究的模式使用高橋公式計算蒸發量，以累積求和的計算方式計算出飽水量，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準當中存在的問題，需要在未來的發展中不斷創新、改進，以增強實用性。

針對森林火險氣象等級方面的研究，文章以GB/T 36743-2018為主要指標進行分析，本標準對風速(wind speed)的認定是按照GB/T 20478-2006的標準為依據，風速是指離地10m單位內空氣移動的水平距離，單位表示為m·s-1；降水量(precipitation)、氣溫(air temperature)，認定標準與風速標準一致，均為GB/T 20478-2006。該文件對雪深、氣象干旱等級、相對濕度、氣象干旱綜合指數、無降水日、森林火險氣象指數等做出了詳細界定。森林火險氣象等級的確定，在原則上基本都一致，根據地勢、氣候條件、歷史火災發生情況等，按照實際分析需要劃分區域，之后確定劃分等級。

2 模型設計

按照《全國森林火險等級》標準，在標準當中對森林火險氣象指數的表示分別是最高氣溫火險天氣指數的表示為F1、F2；F3為降水量、連續干旱天氣的林火危險指數；F4為最大風力火險天氣指數；F5是地帶性因素，考慮地帶性氣候邊帶的影響[2]。綜合分析各項因素，查閱得到預報因子的具體表示方式，且將其代入到公式當中計算，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

對于上述表達當中用來表示火險天氣指數的F1至F5，作為計算模型，在下面的分析過程中，以最高溫度x1的火險天氣指數F1為計算模型，分析連續化模型構建的過程，加上其余預報因子建設連續化模型，建設過程套用上述模型，而F2、F3至F5的模型建設基本上于此相同[3]。這里簡要闡述具體步驟。

參照現有的分區間，用打分形式來計算火險指數，使用國家標準進行，套用節點值，以最高溫度x1作為主要目標，劃分6個區間，其中數值使用x1i對應區間內的火險指數F1i,通過這幾個參數構建出樣本集，其中，i=1……6，其中，使用最高氣溫火險天氣指數創建模式過程中使用的樣本集：

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

模型計算過程中使用行業規定的極值與樣本點分布特征，生長曲線選擇Logistic來擬合表示，最終整合得到形式：

y=k/1+e(α+βx)

實際上國家標準對最高氣溫火險指數有明確規定：x1≤25，因此在設置模型的時候定義函數最大值不能超過25。使用SPSS軟件來分析該樣本集，整合樣本分析、綜合整理、具體設計、回歸擬合，通過此得到表達式：

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

模型計算，同時進行統計檢驗分析，假定一個數值進行模擬試驗，如果試驗證明該方式可行，則證明模型設計的實際運用可行性強，且實際運用效益好。通過實際分析，證明模型的可信度、可行性超過了95%，在具體運用過程中取得實際效果。通過對擬合圖、驗算，得到連續化森林火險等級預報計算函數表達式：

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為最小相對濕度值；x31為前期降雨量數值；x32為連續干旱天數值；x4為風速值；H為行政區域最大緯度值。

將上述表達式中的預報因子中的連續5個火險天氣指數分別代入的奧森林火險天氣等級指數綜合計算公式當中，F1、F2、F3、F4、F5代入，即可得到連續化的林火預報等級數值A，從而得到預報計算。通過本次計算之后，再使用現行行業標準再次計算，進行對比，計算結果數值對比如表2。

表2 連續函數計算數值與現行行業標準數值對比

從表2中可以看出，如果2個氣象條件相近的預報點，可以看出計算得到的函數結果與現行行業標準計算得到的火險級別相差為一級，但是按照本次設置選擇的函數計算表達式得到的結果則為同一個級別，也就是說本次設置出來的模型更符合氣象規律，反應結果更直觀，可行性更強。

3 實現方法

實現過程主要使用GIS，本次試驗使用連續化森林火險天氣等級預報模型進行輔助、運用GIS系統來提供小區域內地理環境、地圖數據分析圖表，能夠得到連續化森林天氣等級預報專題的圖表，具體步驟如下。

得到最高氣溫數值、最小濕度值、前期降雨量值、連續干旱天數值、風速值、行政區域緯度值、最大緯度值的預報因子數據的方式有2種，下面進行簡單分析，計算行政區域囊括的不同觀測站點，用n表示，得到平均數值，作為預報因子數據做好備份記錄，選取行政區域內幾何中心位置的維度值作為計算的緯度值；將樣本中囊括的所有樣本集導入到軟件分析系統當中，進行梯度下降的回歸分析操作，同時建立起相關函數內插模型來為后續計算做準備，使用強大的GIS系統軟件進行空間分析，建立柵格數據預報因子。得到數據制衡存儲在媒介當中。在這個過程中，前一種數據表是記錄下的參數，以預報因子算術平均值作為代表，直觀展示出整個行政單元區域內的氣象的情況；后一種是在空間內插入模型獲取連續化柵格數據，柵格的大小作為主要表示單位，表示變化區域地理位置上的氣象變化情況[4]。

將得到的預報因子數據代入到計算公式當中，按照規定計算得到等級指數。

重復上述2個步驟，得到相關數據，存儲到系統當中，建立起預報行政區域內指定維度的林火氣象預測等級數據表格。

將所有數據資料導入到地理信息系統軟件當中，將反映行政區域劃分的ID屬性、名稱等合并到屬性庫當中，并按照火險天氣等級對指定計算得到的維度區域圖進行渲染。

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前2個步驟，計算數據模型、建立表格、存儲數據，按照數據行以及相關步驟對火險天氣等級A進行渲染。根據選擇渲染模式的不同，得到的結果也存在差異。具體實現過程當中，借助GIS系統使用空間內插法、空間關系模型法等，通過規定方式來進行模擬推廣，連續化氣象觀測數值[5]。

在具體實現過程中，使用柵格像素大小為空間單元，設計出森林天氣等級精細化預報圖，渲染得到的圖能夠直觀表現出連續變化地理區域的具體情況，觀察火險等級的詳細發生情況，分析相鄰維度之間火險等級差異情況。借助GIS工具來查詢，能夠得到柵格單位上火險等級的大小分布情況。具體設計過程中同樣以現行行業標準作出了預報示意圖，圖中對火險氣象等級的設計方式以州縣為單位，氣象條件連續變化在地理區域上并無明顯差異，但是相鄰2個行政區域在位置交界處的火險等級相差呈現出極度不合理的現象[6]。

氣象部門在環保、林火等公眾性服務方面作出了極大貢獻，公眾有目共睹，當前預測內容涉及面非常廣，從海洋到陸地，從空間環境到太空，除了溫度、降水、風等常規的監測之外，在未來的發展過程中還會預測地面環境對天氣造成的影響，當前是短期預報，未來的發展可能傾向于長期、跨季度、跨年的氣候預報。當前氣象部門的發展更需要與實際發展相結合，充分運用現代新技術與新理論，改進傳統發展當中存在的弊端和不足。本次模擬取得了比較精細的效果，但是不可止步于此，該系統仍舊處于不斷發展和進步當中，未來全球的預報內容及形式只會更加豐富，森林火險天氣預報工作，也會在未來的發展當中得到創新和進步。

4 總結

綜上，本文在分析連續化的林火預報模型建立的過程中，將計算模型得到數據與現行行業標準進行對比和分析，結果表示該模型在準確性、精確化程度方面有明顯地提高，克服了傳統預報模式中存在標準粗糙、誤差等情況的存在，借助GIS，讓氣象預報更加科學合理，解決了傳統行業使用過程中存在的諸多問題。而且該連續化模型研制工作還可以運用在林火撲救指揮中，能夠為具體工作的開展提供理論上的指導，提供技術上的支持，對于行業的發展有很重要的意義。