连续化森林火险天气等级预报模型研究

石霖晟杰

(内蒙古包头市气象局，内蒙古 包头 014030)

如何有效防范森林火灾、保证生态健康、维护资源已经是老生常谈的话题，基于现代社会的发展，前人对这方面进行研究分析，取得了显著成效。在全球气候变暖干旱的背景下，火灾频频发生，且造成了严重的经济损失，也容易造成社会恐慌。森林火险天气指数涉及到气象、森林火灾2个具体要素之间的关系，借助经验、数学拟合等得到最终的结果，用来预测某个林区存在火险的指数。火险指数越来越高，说明该地区发生火灾的可能性比较大，需要采取合理的措施预防火灾的出现。经过专家学者的研究以及实际火灾预报的使用，证明该方式在火灾监测预警过程中发挥了重要作用。

1 森林火险气象等级

我国森林火灾预报工作的研究起步比较晚，1955年才开始，且在苏美日等国家原油发展的基础上结合当时的发展情况，提出了风速补正综合指标法、火险尺法等；改革开放之后我国的林火预报工作开始全面发展，当时全国开始研制林火预报系统，现有林业行业标准立足1995年的标准上，以《全国森林火险天气等级》为基础。但是从当前的实情来看，该文件当中存在几个问题，这里进行简要分析。以省为单位，预报设计比较粗糙，而且只是概率性的预报火险等级，无法区分山头、县区的火险等级情况，预报无法保证精度；使用预报查找表得到森林火险指数，在实际运用过程中证明该方式存在缺陷，权值打分的形式很难符合森林火险实际情况，最终表示数值存在阶跃现象，最终的预报结果存在很多问题，精度差异大，火险小会预报指数大[1]；GIS系统在当前具备采集、处理、分析、表达等功能为一体，但是火险天气预报等级标准已经无法在GIS系统再运行使用。为解决该标准当中存在的问题，国内许多学者对这方面进行了深入研究与分析，寻找了不同次数出现林火的原因，并且指出该文件当中存在的不合理部分，同时加以改正，如在具体的分析当中，增加了实效雨量、积雪深度等发光面的要素。文章研究的模式使用高桥公式计算蒸发量，以累积求和的计算方式计算出饱水量，并且提出具体方式。文章阐述的模型在一定程度上改变了以往使用标准当中存在的问题，需要在未来的发展中不断创新、改进，以增强实用性。

针对森林火险气象等级方面的研究，文章以GB/T 36743-2018为主要指标进行分析，本标准对风速(wind speed)的认定是按照GB/T 20478-2006的标准为依据，风速是指离地10m单位内空气移动的水平距离，单位表示为m·s-1；降水量(precipitation)、气温(air temperature)，认定标准与风速标准一致，均为GB/T 20478-2006。该文件对雪深、气象干旱等级、相对湿度、气象干旱综合指数、无降水日、森林火险气象指数等做出了详细界定。森林火险气象等级的确定，在原则上基本都一致，根据地势、气候条件、历史火灾发生情况等，按照实际分析需要划分区域，之后确定划分等级。

2 模型设计

按照《全国森林火险等级》标准，在标准当中对森林火险气象指数的表示分别是最高气温火险天气指数的表示为F1、F2；F3为降水量、连续干旱天气的林火危险指数；F4为最大风力火险天气指数；F5是地带性因素，考虑地带性气候边带的影响[2]。综合分析各项因素，查阅得到预报因子的具体表示方式，且将其代入到公式当中计算，得出具体的描述方式，其中表示为F1、F2、F3、F4、F5，代入公式：

HTZ=F1+F2+F3+F4-F5

对于上述表达当中用来表示火险天气指数的F1至F5，作为计算模型，在下面的分析过程中，以最高温度x1的火险天气指数F1为计算模型，分析连续化模型构建的过程，加上其余预报因子建设连续化模型，建设过程套用上述模型，而F2、F3至F5的模型建设基本上于此相同[3]。这里简要阐述具体步骤。

参照现有的分区间，用打分形式来计算火险指数，使用国家标准进行，套用节点值，以最高温度x1作为主要目标，划分6个区间，其中数值使用x1i对应区间内的火险指数F1i,通过这几个参数构建出样本集，其中，i=1……6，其中，使用最高气温火险天气指数创建模式过程中使用的样本集：

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

模型计算过程中使用行业规定的极值与样本点分布特征，生长曲线选择Logistic来拟合表示，最终整合得到形式：

y=k/1+e(α+βx)

实际上国家标准对最高气温火险指数有明确规定：x1≤25，因此在设置模型的时候定义函数最大值不能超过25。使用SPSS软件来分析该样本集，整合样本分析、综合整理、具体设计、回归拟合，通过此得到表达式：

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

模型计算，同时进行统计检验分析，假定一个数值进行模拟试验，如果试验证明该方式可行，则证明模型设计的实际运用可行性强，且实际运用效益好。通过实际分析，证明模型的可信度、可行性超过了95%，在具体运用过程中取得实际效果。通过对拟合图、验算，得到连续化森林火险等级预报计算函数表达式：

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

F2=22/1+e(-4.13+0.09x2)

……

F5=12x(H-x5)/10

式中，x1为最高气温值；x2为最小相对湿度值；x31为前期降雨量数值；x32为连续干旱天数值；x4为风速值；H为行政区域最大纬度值。

将上述表达式中的预报因子中的连续5个火险天气指数分别代入的奥森林火险天气等级指数综合计算公式当中，F1、F2、F3、F4、F5代入，即可得到连续化的林火预报等级数值A，从而得到预报计算。通过本次计算之后，再使用现行行业标准再次计算，进行对比，计算结果数值对比如表2。

表2 连续函数计算数值与现行行业标准数值对比

从表2中可以看出，如果2个气象条件相近的预报点，可以看出计算得到的函数结果与现行行业标准计算得到的火险级别相差为一级，但是按照本次设置选择的函数计算表达式得到的结果则为同一个级别，也就是说本次设置出来的模型更符合气象规律，反应结果更直观，可行性更强。

3 实现方法

实现过程主要使用GIS，本次试验使用连续化森林火险天气等级预报模型进行辅助、运用GIS系统来提供小区域内地理环境、地图数据分析图表，能够得到连续化森林天气等级预报专题的图表，具体步骤如下。

得到最高气温数值、最小湿度值、前期降雨量值、连续干旱天数值、风速值、行政区域纬度值、最大纬度值的预报因子数据的方式有2种，下面进行简单分析，计算行政区域囊括的不同观测站点，用n表示，得到平均数值，作为预报因子数据做好备份记录，选取行政区域内几何中心位置的维度值作为计算的纬度值；将样本中囊括的所有样本集导入到软件分析系统当中，进行梯度下降的回归分析操作，同时建立起相关函数内插模型来为后续计算做准备，使用强大的GIS系统软件进行空间分析，建立栅格数据预报因子。得到数据制衡存储在媒介当中。在这个过程中，前一种数据表是记录下的参数，以预报因子算术平均值作为代表，直观展示出整个行政单元区域内的气象的情况；后一种是在空间内插入模型获取连续化栅格数据，栅格的大小作为主要表示单位，表示变化区域地理位置上的气象变化情况[4]。

将得到的预报因子数据代入到计算公式当中，按照规定计算得到等级指数。

重复上述2个步骤，得到相关数据，存储到系统当中，建立起预报行政区域内指定维度的林火气象预测等级数据表格。

将所有数据资料导入到地理信息系统软件当中，将反映行政区域划分的ID属性、名称等合并到属性库当中，并按照火险天气等级对指定计算得到的维度区域图进行渲染。

相继添加需要的地图要素之后，得到直观可视化渲染图。完成上述步骤之后循环前2个步骤，计算数据模型、建立表格、存储数据，按照数据行以及相关步骤对火险天气等级A进行渲染。根据选择渲染模式的不同，得到的结果也存在差异。具体实现过程当中，借助GIS系统使用空间内插法、空间关系模型法等，通过规定方式来进行模拟推广，连续化气象观测数值[5]。

在具体实现过程中，使用栅格像素大小为空间单元，设计出森林天气等级精细化预报图，渲染得到的图能够直观表现出连续变化地理区域的具体情况，观察火险等级的详细发生情况，分析相邻维度之间火险等级差异情况。借助GIS工具来查询，能够得到栅格单位上火险等级的大小分布情况。具体设计过程中同样以现行行业标准作出了预报示意图，图中对火险气象等级的设计方式以州县为单位，气象条件连续变化在地理区域上并无明显差异，但是相邻2个行政区域在位置交界处的火险等级相差呈现出极度不合理的现象[6]。

气象部门在环保、林火等公众性服务方面作出了极大贡献，公众有目共睹，当前预测内容涉及面非常广，从海洋到陆地，从空间环境到太空，除了温度、降水、风等常规的监测之外，在未来的发展过程中还会预测地面环境对天气造成的影响，当前是短期预报，未来的发展可能倾向于长期、跨季度、跨年的气候预报。当前气象部门的发展更需要与实际发展相结合，充分运用现代新技术与新理论，改进传统发展当中存在的弊端和不足。本次模拟取得了比较精细的效果，但是不可止步于此，该系统仍旧处于不断发展和进步当中，未来全球的预报内容及形式只会更加丰富，森林火险天气预报工作，也会在未来的发展当中得到创新和进步。

4 总结

综上，本文在分析连续化的林火预报模型建立的过程中，将计算模型得到数据与现行行业标准进行对比和分析，结果表示该模型在准确性、精确化程度方面有明显地提高，克服了传统预报模式中存在标准粗糙、误差等情况的存在，借助GIS，让气象预报更加科学合理，解决了传统行业使用过程中存在的诸多问题。而且该连续化模型研制工作还可以运用在林火扑救指挥中，能够为具体工作的开展提供理论上的指导，提供技术上的支持，对于行业的发展有很重要的意义。