綿陽市森林草原火險氣象等級預(yù)報研究與軟件開發(fā)

孫自川，張青艷,鄒鳳亮

1.四川省平武縣氣象局；2.綿陽市氣象局；3.四川省綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院

四川省綿陽市安縣雎水鎮(zhèn)到江油馬角壩鎮(zhèn)一線以北屬龍門山山地區(qū)；東南部鹽亭縣、梓潼縣屬盆北低山區(qū)；西南三臺縣、涪城區(qū)、游仙區(qū)等屬盆中丘陵區(qū)，森林資源豐富，2020年森林資源覆蓋率達(dá)到55.8%。根據(jù)2013-2021年中國統(tǒng)計年鑒，近幾年森林火災(zāi)頻發(fā)（表1），不僅造成了經(jīng)濟(jì)損失，還有人員傷亡[1]；森林火災(zāi)與氣象條件密切相關(guān)，因此正確預(yù)報森林火災(zāi)發(fā)生概率對綿陽市減少森林火災(zāi)和保護(hù)森林資源具有現(xiàn)實意義。

表1 2013-2020年中國森林火災(zāi)情況

國外從20世紀(jì)20年代僅以單一氣象要素對森林火險氣象等級進(jìn)行預(yù)報[2]，到20世紀(jì)80年代綜合考慮多種氣象要素，利用計算機(jī)制作森林火險氣象等級預(yù)報[3]，為我國1998年研制國家森林火險氣象指數(shù)提供了理論支持。[4]根據(jù)知網(wǎng)統(tǒng)計信息，隨著國家對森林火災(zāi)的重視，進(jìn)入21世紀(jì)開始與森林火災(zāi)氣象相關(guān)的研究明顯增加。近幾年各省根據(jù)本地氣候研發(fā)森林火險等級預(yù)報較多[5-8]，但利用分辨率高的精細(xì)化預(yù)報資料進(jìn)行市級森林火險氣象預(yù)報研究較少。因此本文采用《GB/T 367-2018》森林火險氣象指數(shù)計算方法，結(jié)合綿陽市當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c，研發(fā)森林火險等級預(yù)報程序并開展業(yè)務(wù)化運行。

一、資料與方法

（一）資料來源

綿陽市預(yù)報和實況資料、中國地面累年日值數(shù)據(jù)表(1981-2010)來源于氣象大數(shù)據(jù)云平臺*天擎，包括實況和預(yù)報產(chǎn)品的最小相對濕度、日降水量、日最高溫度、日最大10m UV風(fēng)；中國地面累年日值數(shù)據(jù)表(1981-2010)。

綿陽市的空間矢量數(shù)據(jù)集采用1:25萬中國空間矢量數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于中國四川省信息中心。

（二）研究方法

1.氣候數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）有無降水判斷

判斷有無降水時，根據(jù)本地氣候特征，對不同季節(jié)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，由于降水量數(shù)據(jù)是取小數(shù)點后一位，用預(yù)報格點日降水值與實際格點日降水值比較，取0.1作為基本單位進(jìn)行比較（比如預(yù)報格點有一萬個，取值0.1分割有無降水，得到一個檢驗值，然后取0.2分割有無降水，再得到一個檢驗值，依次類推，如果0.2的檢驗值最高，那么就采用0.2進(jìn)行分割）。

比較每天的0.1mm、0.2mm、0.3mm的檢驗值，根據(jù)上述檢驗結(jié)果，確定判斷當(dāng)日有無降水的最小單位分別為：12月-2月＜0.1mm，3-4月和11月＜0.2mm，其余時段＜0.3mm，由此判定當(dāng)日有無降水。

（2）有無降水日數(shù)判斷

根據(jù)《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2017）,首先從氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口-地面數(shù)據(jù)-中國地面累年日值數(shù)據(jù)表(1981-2010)下載綿陽市各縣逐日溫度和降水資料，采用Thornthwaite方法計算潛在蒸散量，帶入相對濕潤度指數(shù)計算公式，按照氣象干旱綜合指數(shù)計算方法求得綿陽市各縣逐日氣象干旱綜合指數(shù)（MCI），為森林火險氣象指數(shù)中f(M)的判斷提供依據(jù)。

MCI=Ka×（a×SPIW60+b×MI 30+C×SPI90+d×SPI150）

式中：MI30-近30天相對濕潤度指數(shù)；SPI90-近90天標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；SPI150-近150天標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；SPIW60-近60天標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)；a-SPIW60的權(quán)重系數(shù)；b-MI30的權(quán)重系數(shù)；c-SPI90的權(quán)重系數(shù)；d-SPI150的權(quán)重系數(shù)；Ka-為季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)，取值方法參見附錄H；

根據(jù)歷年資料求得的綿陽市大部分時間氣象干旱綜合指數(shù)MCI＞-0.5，因此確定綿陽市為氣候特征為無旱。

2.數(shù)據(jù)處理

（1）氣象要素計算

依據(jù)日最小相對濕度、日最高氣溫計算過去18天實況數(shù)據(jù)和未來2天預(yù)報數(shù)據(jù)的平均值；因為氣溫格點數(shù)據(jù)是華氏攝氏度，要將各個格點減去273.15，得到攝氏溫度。

連續(xù)無降水日數(shù)是對24小時累計降水量的過去18天實況數(shù)據(jù)和未來2天預(yù)報數(shù)據(jù)逐日判斷（例如4月19日預(yù)報4月20日，那么就要從4月20日開始，往前計算19天，含4月20日，總共就是20天，得到從4月20日開始的逆序的連續(xù)無降水日數(shù)，有降水就結(jié)束計算）。

采用過去18天日最大10m UV風(fēng)實況資料，再加上未來2天WIU10、WIV10分量求得（v=√（WIU102+WIV102））的預(yù)報風(fēng)速值，兩者求平均，最后得到V。

（2）森林火險氣象指數(shù)計算

將各氣象要素計算值帶入國家標(biāo)準(zhǔn)《森林火險氣象等級》（GB/T 36743-2018）中的各氣象要素查對表，得到各氣象要素函數(shù)值，然后根據(jù)森林火險氣象指數(shù)（FFDI）計算公式，得出森林火險氣象指數(shù)值。

FFDI=(f(V)+f(T)+f(rRH)+f(M))×Cr×Cs

式中：

Cr-降水量修正系數(shù)；Cs-降雪修正系數(shù)；f(V)- 日最大風(fēng)速函數(shù)值；f(T)-日最高氣溫函數(shù)值；f(rRH)-日最小相對濕度函數(shù)值；f(M)-連續(xù)無降水日數(shù)函數(shù)值。氣象因子及其函數(shù)值詳見表2。

表2 氣象因子及其函數(shù)查對表

根據(jù)《森林火險氣象等級》（GB/T 36743-2018），將森林火險氣象等級分為5個等級；規(guī)定FFDI相對應(yīng)的預(yù)報服務(wù)用語見表3。

表3 森林火險氣象等級劃分描述

3.制圖

最后，根據(jù)《氣象預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品色標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)》（QX/T 180-2013），確定不同森林火險等級色標(biāo)，采用中國四川省信息中心的1:25萬中國空間矢量數(shù)據(jù)集，提取綿陽市的空間矢量數(shù)據(jù)集，再結(jié)合計算得到的森林火險氣象指數(shù)格點值，繪制出綿陽市森林火險氣象等級圖。

二、成果

每天11時10分自動提取本地預(yù)報和實況格點數(shù)據(jù)庫中， 當(dāng)天11時自動下載的無降水日數(shù)、日最小相對濕度、日最高氣溫、日最大風(fēng)速數(shù)據(jù)庫，采用《森林火險氣象等級》（GB/T 36743-2018）得出綿陽市森林火險氣象指數(shù)預(yù)報格點圖（圖1）。并上傳到數(shù)據(jù)展示庫。

圖1 綿陽市森林火險氣象指數(shù)預(yù)報圖

三、結(jié)論

（一）結(jié)論

每天制作未來24h綿陽市各區(qū)縣森林火險氣象指數(shù)預(yù)報圖，在半年的運行中，未出現(xiàn)任何問題，創(chuàng)新性的利用精細(xì)化預(yù)報和實況格點資料；實現(xiàn)了森林火險預(yù)報從主觀預(yù)報到客觀預(yù)報的突破；每天客觀的森林火險氣象等級預(yù)報圖，讓預(yù)報員能夠直觀地看到綿陽市各個區(qū)縣各個位置的森林火險氣象等級，為森林火險預(yù)報提供更加精細(xì)化的服務(wù)。

（二）討論

與前人研究相比[9-10]，本研究采用18天實況和2天預(yù)報的日最大風(fēng)速、日最高氣溫、日最小相對濕度代替14時的風(fēng)速、氣溫、相對濕度，一方面，森林火災(zāi)多發(fā)生在一日內(nèi)氣溫偏高、濕度偏小、風(fēng)速較大的時段，因此本研究采用上述氣象因子；另一方面，長期的氣溫偏高或者空氣干燥，森林物質(zhì)才易引起自燃，從而導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生，因此利用18天的實況和2天預(yù)報的上述氣候因子進(jìn)行預(yù)報。