基于多元化觀測(cè)手段的森林火災(zāi)應(yīng)急氣象服務(wù)研究
——以涼山州為例

王 霄，陳文龍，黃 欣，劉群山，謝 冬，程曉龍

1.涼山州氣象局，四川涼山 615000； 2.會(huì)東縣氣象局，四川會(huì)東 615200；3.中國(guó)氣象局 成都高原氣象研究所，四川成都 610072

森林火災(zāi)的發(fā)生與氣候背景有關(guān)，氣象因子是森林火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的決定性因素之一[1]。涼山州地處青藏高原東南緣，地形以山脈和河谷為主，亞熱帶季風(fēng)氣候特征顯著，干濕季分明，春季午后多偏南大風(fēng)，升溫迅速，導(dǎo)致森林火災(zāi)多發(fā)、突發(fā)、重發(fā)，對(duì)涼山經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成嚴(yán)重的影響。例如，2019年木里縣雅礱江鎮(zhèn)“3·30”森林火災(zāi)、2019年冕寧縣臘窩鄉(xiāng)“4·7”森林火災(zāi)和2020年西昌市瀘山“3·30”森林火災(zāi)等，其中，西昌瀘山“3·30”森林火災(zāi)過火總面積約30.48 km2，受害森林面積約7.92 km2，造成直接經(jīng)濟(jì)損失9 731.12萬(wàn)元。氣象部門針對(duì)森林草原防滅火氣象服務(wù)保障做了很多工作，并進(jìn)行了大量研究分析[2-13]。結(jié)果表明，森林草原防滅火離不開氣象服務(wù)保駕護(hù)航。通過多元化開展應(yīng)急氣象觀測(cè)，全面提高森林草原防滅火應(yīng)急氣象服務(wù)保障能力水平，有效避免和減輕森林草原火災(zāi)造成的損失，為涼山森林草原防滅火工作作貢獻(xiàn)。

1 涼山州概況

涼山州作為四川省三大重點(diǎn)林區(qū)之一，近年來(lái)牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”理念，積極加強(qiáng)林區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，大力實(shí)施生態(tài)脆弱區(qū)修復(fù)等項(xiàng)目，筑牢涼山生態(tài)屏障。截至2021年9月，全州林地面積達(dá)40 050 km2，森林覆蓋率51%[14]。在取得顯著成績(jī)的同時(shí)，森林草原防滅火仍面臨嚴(yán)峻形勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，涼山州林區(qū)可燃物負(fù)荷量達(dá)4 000萬(wàn) t，3—4月森林火險(xiǎn)等級(jí)居高不下，此期間雷電、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣極易引發(fā)山火，疊加高坡度和峽谷地形極易造成爆燃火，復(fù)雜地形限制人員和裝備機(jī)動(dòng)性等導(dǎo)致火災(zāi)撲救極為困難[15]。2019—2022年發(fā)生的森林火災(zāi)高達(dá)66起，其中2019年有39起，森林火災(zāi)集中分布在西昌、冕寧、喜德、鹽源、木里等縣（市）（圖1）。

圖1 2019—2022年涼山州森林火災(zāi)分布點(diǎn)

近年來(lái)，涼山州氣象局多渠道發(fā)力，提高森林草原防滅火應(yīng)急氣象服務(wù)保障能力。與相關(guān)部門建立了協(xié)作機(jī)制，聯(lián)合州應(yīng)急管理局和州林草局發(fā)布森林草原火險(xiǎn)預(yù)警信息，森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，開展應(yīng)急氣象觀測(cè)，監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)火場(chǎng)風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象要素，為前線撲火決策指揮提供科學(xué)依據(jù)；成立了森林草原防滅火氣象保障領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)全州森林草原防滅火氣象保障工作的組織協(xié)調(diào)；制定了《涼山州森林草原防火氣象服務(wù)方案》和《涼山州氣象局森林草原火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案（試行）》，推動(dòng)森林草原防滅火應(yīng)急氣象服務(wù)保障各項(xiàng)工作有序開展；成立了氣象應(yīng)急服務(wù)先鋒隊(duì)，下設(shè)綜合協(xié)調(diào)、應(yīng)急氣象觀測(cè)、移動(dòng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)等9個(gè)組，進(jìn)一步細(xì)化了職能職責(zé)；通過開展業(yè)務(wù)培訓(xùn)、歷次森林火災(zāi)應(yīng)急氣象服務(wù)總結(jié)復(fù)盤交流等手段，不斷提高隊(duì)伍業(yè)務(wù)素養(yǎng)；新增了車載X波段天氣雷達(dá)1部、移動(dòng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)1部、應(yīng)急氣象觀測(cè)站20套、WR-1D型車載火箭增雨系統(tǒng)19套，進(jìn)一步提升了應(yīng)急氣象服務(wù)能力。

2 應(yīng)急氣象觀測(cè)

2.1 應(yīng)急自動(dòng)氣象站

2.1.1 設(shè)備調(diào)試在用的應(yīng)急自動(dòng)氣象站有3種，分別為無(wú)錫DZB4型、天津DZB2型和華云CAWS620-MS型六要素應(yīng)急自動(dòng)氣象站。前期應(yīng)完成設(shè)備調(diào)試工作，包括采集器設(shè)置、通訊參數(shù)設(shè)置、中心站設(shè)置等，確保第一時(shí)間在前線開展應(yīng)急觀測(cè)。

調(diào)試前，應(yīng)選擇正確的串口通訊參數(shù)，一般情況下波特率為9 600、校驗(yàn)位None、數(shù)據(jù)位8、停止位1。由于無(wú)錫DZB4型通信模塊未嵌入采集器，需要單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，其余2種設(shè)備通信參數(shù)均在采集器中設(shè)置。采集器參數(shù)主要包括區(qū)站號(hào)、經(jīng)緯度、海拔高度、氣壓傳感器海拔高度、報(bào)警參數(shù)等，通信參數(shù)主要包括主傳IP及端口、輔助IP及端口、通信方式等，中心站除設(shè)置觀測(cè)要素、站點(diǎn)名稱、站址、儀器廠商、型號(hào)等信息之外，還需根據(jù)應(yīng)急站型號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)宏格式，確保數(shù)據(jù)解析正確，然后進(jìn)行站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)配置（圖2）。

圖2 采集器、通信模塊及中心站參數(shù)設(shè)置界面

2.1.2 測(cè)試及安裝調(diào)試完畢后應(yīng)進(jìn)行設(shè)備測(cè)試。將SIM卡裝入采集器卡槽，連接各要素傳感器至采集器信號(hào)線纜，將太陽(yáng)能板、電池、采集器線纜接入電源控制器對(duì)應(yīng)接口，查看采集器、電源控制器指示燈，判斷采集器是否工作正常、太陽(yáng)能板充電是否正常、電池電壓是否過低。將筆記本電腦連接至采集器，查看各傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)是否正常，如有異常，檢查線纜連接是否正確，對(duì)應(yīng)要素傳感器是否故障，需要注意的是，靜風(fēng)情況下可通過人為轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向風(fēng)速傳感器判斷是否故障，降水量可通過人為翻動(dòng)計(jì)數(shù)翻斗以查看干簧管是否損壞。查看中心站是否正常接收數(shù)據(jù)，如站點(diǎn)未正常上線或數(shù)據(jù)異常，檢查SIM卡是否松動(dòng)、中心站參數(shù)設(shè)置是否正確、是否選擇了正確的數(shù)據(jù)宏格式等。

抵達(dá)前線時(shí)，應(yīng)綜合考慮太陽(yáng)能充電、風(fēng)速風(fēng)向無(wú)遮擋等綜合因素，選擇火場(chǎng)附近最具代表性的開闊地帶安裝應(yīng)急自動(dòng)氣象站，GRPS信號(hào)弱時(shí)，加裝北斗氣象通信終端。安裝時(shí)需注意以下事項(xiàng)：一是北斗安裝方向朝南；二是避免太陽(yáng)能板和電池正負(fù)極接觸造成短路；三是雨量傳感器和三腳架安裝時(shí)需調(diào)至水平；四是電源線正負(fù)極線序必須正確，以免造成采集器損壞。

安裝完畢后，可現(xiàn)場(chǎng)連接采集器讀取實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)、小時(shí)歷史數(shù)據(jù)等，為前線作出撲火決策提供科學(xué)依據(jù)。通過中心站客戶端也可調(diào)取火場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)，制作短期、短時(shí)、臨近專題天氣預(yù)報(bào)等氣象服務(wù)產(chǎn)品。

2.2 車載X波段天氣雷達(dá)

YLD1-D型車載全固態(tài)X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由雷達(dá)系統(tǒng)、氣象觀測(cè)模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、配電系統(tǒng)、綜合保障部分、雷達(dá)升降平臺(tái)等組成，采用升降式安裝方式，工作時(shí)升出艙外，行車時(shí)收回艙內(nèi)。有效監(jiān)測(cè)距離為300 km，能定量探測(cè)150 km內(nèi)，高度24 km內(nèi)的云體、暴雨、冰雹、大面積降雨等天氣現(xiàn)象。其在涼山州森林草原防滅火應(yīng)急氣象服務(wù)、人工增雨作業(yè)和雷達(dá)區(qū)域補(bǔ)盲等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

2.2.1 前期準(zhǔn)備工作前期應(yīng)進(jìn)行設(shè)備定期維護(hù)保養(yǎng)工作，確保雷達(dá)整車在前線及時(shí)開展應(yīng)急觀測(cè)。一是依托機(jī)內(nèi)故障檢測(cè)與標(biāo)定系統(tǒng)完成雷達(dá)初始檢查。二是檢查天饋線系統(tǒng)各連接部位有無(wú)松動(dòng)，并清潔反射面、饋源輻射口及防護(hù)罩，以免影響電磁波的輻射與接收。三是伺服間隙檢查、伺服指向精度和齒輪磨損檢查、水平校準(zhǔn)等。四是進(jìn)行收發(fā)機(jī)箱的發(fā)射機(jī)、頻率源、接收機(jī)、標(biāo)定單元等功能檢查。五是終端操控與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件功能檢查，主要包含軟件是否正常、控制是否有效、數(shù)據(jù)有無(wú)丟包等。六是檢查發(fā)電機(jī)機(jī)油和柴油是否充足，按技術(shù)要求定期對(duì)雷達(dá)車電瓶和UPS進(jìn)行充放電維護(hù)、電壓和電流檢查。

2.2.2 架設(shè)及開機(jī)測(cè)試到達(dá)指定指點(diǎn)后，加電前將工作地和避雷地連接外接地錨，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行整車加電，閉合UPS供電開關(guān)、“穩(wěn)壓電源”開關(guān)，通過“電壓測(cè)量”按鈕查看輸出電壓是否穩(wěn)定，打開電源控制板面板上的“總開關(guān)”“設(shè)備總開”“直流總開”“自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)開關(guān)”，進(jìn)行整車調(diào)平，調(diào)整雷達(dá)車電動(dòng)支撐腿，完成后關(guān)閉自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，切斷直流總開電源。打開“升降平臺(tái)”供電開關(guān)，雷達(dá)自動(dòng)升出艙外，啟動(dòng)兩臺(tái)雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)，待“雷達(dá)信號(hào)處理終端SP”“雷達(dá)控制終端CT”及“雷達(dá)產(chǎn)品終端PT”軟件狀態(tài)顯示窗口全部指示燈變綠后，在“雷達(dá)控制終端”CT軟件中進(jìn)行“方位定北”，完成后即可執(zhí)行VCP21模式進(jìn)行體掃觀測(cè)。雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品處理完成后，可在后方固定終端進(jìn)行數(shù)據(jù)到報(bào)時(shí)效性檢查和觀測(cè)數(shù)據(jù)查看，前線可通過車載雙極化天氣雷達(dá)用戶終端實(shí)時(shí)查看觀測(cè)數(shù)據(jù)，為實(shí)施人工增雨和專業(yè)氣象服務(wù)提供依據(jù)（圖3）。

圖3 車載雷達(dá)信號(hào)處理終端和產(chǎn)品終端界面

2.3 移動(dòng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)

YW-LR型移動(dòng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)由雷達(dá)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、可調(diào)平承載三角支架和載車組成。前期應(yīng)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包含網(wǎng)絡(luò)配置、掃描方式等。其中，Ppi為固定仰角水平掃描模式，Rhi為固定方位角，在所選仰角范圍內(nèi)上下掃描模式，可根據(jù)實(shí)際情況在軟件內(nèi)修改參數(shù)調(diào)整初始定位角度。應(yīng)選擇火場(chǎng)附近相對(duì)平坦開闊、無(wú)高大障礙物的地點(diǎn)架設(shè)移動(dòng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，且觀測(cè)主要方向0°仰角以上無(wú)主要障礙物和光學(xué)敏感設(shè)備。使用地釘和拉線固定好三腳架后，將GPRS天線連接雷達(dá)、雷達(dá)供電線纜及通訊光纖接入電源控制箱，待發(fā)電機(jī)運(yùn)行1 min后與電源控制箱連接，打開雷達(dá)控制終端軟件，點(diǎn)擊運(yùn)行，即可在控制終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)徑向速度、風(fēng)速風(fēng)向輪廓等雷達(dá)數(shù)據(jù)（圖4）。通過控制終端軟件上傳雷達(dá)數(shù)據(jù)，即可在遠(yuǎn)程PC端和手機(jī)移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看觀測(cè)產(chǎn)品和雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)產(chǎn)品顯示界面

3 森林防滅火天氣預(yù)報(bào)

天氣預(yù)報(bào)是森林防滅火氣象服務(wù)的核心，能夠?yàn)檎贫茖W(xué)的防滅火方案和決策提供重要的技術(shù)支撐。制作森林防滅火天氣預(yù)報(bào)的實(shí)況資料，除來(lái)自應(yīng)急自動(dòng)氣象站、移動(dòng)雷達(dá)的觀測(cè)資料之外，常規(guī)地面和高空觀測(cè)資料、氣象衛(wèi)星和天氣雷達(dá)產(chǎn)品等也是制作天氣預(yù)報(bào)的實(shí)況基礎(chǔ)，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品是制作天氣預(yù)報(bào)的核心資料。根據(jù)森林防滅火工作對(duì)天氣預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)的需求，可將森林防滅火專題天氣預(yù)報(bào)分為短期預(yù)報(bào)、短時(shí)和臨近預(yù)報(bào)。相比于常規(guī)的天氣預(yù)報(bào)，森林防滅火天氣預(yù)報(bào)更加關(guān)注風(fēng)力和風(fēng)向的預(yù)報(bào)。

3.1 天氣實(shí)況資料獲取

在氣象專網(wǎng)通暢的情況下，可通過MICAPS和若干氣象業(yè)務(wù)網(wǎng)站獲取高空、地面天氣圖，以及氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)產(chǎn)品等實(shí)況資料；而在只有普通互聯(lián)網(wǎng)的情況下則可以通過中國(guó)氣象部門和國(guó)外氣象公司的網(wǎng)站獲取各種實(shí)況資料（表1）。

表1 天氣實(shí)況資料的獲取途徑

3.2 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品獲取

在氣象專網(wǎng)通暢的情況下，可通過MICAPS和若干氣象業(yè)務(wù)網(wǎng)站獲取數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品；而在只有普通互聯(lián)網(wǎng)的情況下，可以通過中國(guó)氣象部門和國(guó)外氣象公司的網(wǎng)站獲取各種實(shí)況資料（表2）。

表2 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品獲取途徑

3.3 不同時(shí)長(zhǎng)的天氣預(yù)報(bào)

森林防滅火短期天氣預(yù)報(bào)的時(shí)長(zhǎng)通常為24 h，時(shí)間間隔為1~3 h；短時(shí)天氣預(yù)報(bào)的時(shí)長(zhǎng)通常為6 h，時(shí)間間隔為1 h；短期天氣預(yù)報(bào)的時(shí)長(zhǎng)通常為1～2 h。這些不同時(shí)長(zhǎng)的天氣預(yù)報(bào)的氣象要素均包括天氣現(xiàn)象、降水量、氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)力風(fēng)向、極大風(fēng)力風(fēng)向。短期天氣預(yù)報(bào)較多參考數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，可為森林防滅火，以及人工增雨裝備和人員的部署提供更多時(shí)間提前量的參考；短時(shí)天氣預(yù)報(bào)要綜合天氣實(shí)況和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，其是對(duì)短期天氣預(yù)報(bào)的補(bǔ)充和訂正；臨近天氣預(yù)報(bào)主要依靠各種氣象實(shí)況資料進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)外推，近年來(lái)也有不少基于多種實(shí)況資料的臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品，其是對(duì)短期預(yù)報(bào)和短時(shí)預(yù)報(bào)的及時(shí)補(bǔ)充和訂正，能為森林防滅火工作提供最精確的預(yù)報(bào)結(jié)論。

4 結(jié)論與討論

充分依托DZB4型、DZB2型、CAW S620-MS型六要素應(yīng)急自動(dòng)氣象站，YLD1-D型車載全固態(tài)X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，YW-LR型移動(dòng)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)多元化開展應(yīng)急氣象觀測(cè)，為前線指揮部作出撲火決策、開展人工增雨作業(yè)、制作森林防滅火天氣預(yù)報(bào)提供充分依據(jù)。同時(shí)在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，充分利用好各種天氣實(shí)況資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品制作森林防滅火天氣預(yù)報(bào)，全面提高涼山州森林草原防滅火應(yīng)急氣象服務(wù)保障能力水平，有效避免和減輕森林草原火災(zāi)造成的損失，為涼山森林草原防滅火工作貢獻(xiàn)氣象力量。