基于卡爾曼濾波方法對(duì)漠河森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)的研究

張金勇 吳樹(shù)森 李 冰 許麗玲

（漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300）

0 引言

森林是國(guó)家的重要資源，保護(hù)森林資源，開(kāi)展森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)，是預(yù)防森林火災(zāi)發(fā)生的重要手段。國(guó)內(nèi)眾多氣象和防火專家對(duì)森林火險(xiǎn)、火災(zāi)及其影響因子進(jìn)行了廣泛的研究[1-4]。一些省市縣建立了適合本地的林火預(yù)報(bào)模型(方法)和火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[5]。楊光等基于加拿大火險(xiǎn)天氣指標(biāo)系統(tǒng),研究了1971—2010年間大興安嶺漠河縣林火行為指標(biāo)的變化特征[6]。胡同欣等利用大興安嶺塔河林業(yè)局實(shí)地森林調(diào)查資料,通過(guò)異速生長(zhǎng)方程,對(duì)典型林分喬木的干、枝、葉、皮的活可燃物載量進(jìn)行估算，提出了相應(yīng)的林火管理策略[7]。漠河位于中國(guó)的最北部，面積18233km2，是國(guó)家重要森林基地，每年都有不同程度的森林火情或火災(zāi)發(fā)生，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失，在一定程度上制約了漠河經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的改善。本文針漠河區(qū)域森林火險(xiǎn)等級(jí)的逐日滾動(dòng)預(yù)報(bào)問(wèn)題，定義了森林火險(xiǎn)等級(jí)的客觀標(biāo)準(zhǔn)，提出利用卡爾曼濾波原理預(yù)報(bào)森林火險(xiǎn)等級(jí)的方法，并根據(jù)相似預(yù)報(bào)原理制作的逐日降水預(yù)報(bào)對(duì)森林火險(xiǎn)等級(jí)強(qiáng)度進(jìn)行客觀訂正。經(jīng)過(guò)兩年的試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法預(yù)報(bào)效果較好。

1 卡爾曼濾波方法制作森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)

卡爾曼，匈牙利數(shù)學(xué)家，1960年發(fā)表了論文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》?？柭鼮V波方法是一種遞推式濾波方法，它的突出優(yōu)點(diǎn)是：不需要保存全部歷史資料數(shù)據(jù)，可借助于前時(shí)刻的濾波結(jié)果，遞推出現(xiàn)時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)量，大大減少了存儲(chǔ)量和計(jì)算量。我國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展迅速，但氣象臺(tái)站積累足夠供建立MOS方程使用的數(shù)值產(chǎn)品歷史資料比較困難。采用卡爾曼濾波方法，可以處理一系列帶有誤差的預(yù)報(bào)值而得到它的最佳估算值，以此提高下一時(shí)刻的預(yù)報(bào)精度，這對(duì)提高預(yù)報(bào)精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。卡爾曼濾波方法在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域中主要用于制作溫度等連續(xù)性氣象要素的預(yù)報(bào)，是一種能較快適應(yīng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式經(jīng)常變化的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法，它通過(guò)建立可變的預(yù)報(bào)模式，利用上一次預(yù)報(bào)誤差的反饋信息來(lái)修正原預(yù)報(bào)模式中的參數(shù)，從而克服MOS預(yù)報(bào)方程中系數(shù)固定不變而產(chǎn)生較大的預(yù)報(bào)誤差的缺陷。國(guó)內(nèi)已有多人將卡爾曼濾波方法應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)制作中[9-10]。重慶市氣象部門(mén)于 2002年完成了“利用卡爾曼濾波方法預(yù)報(bào)三峽庫(kù)區(qū)中期森林火險(xiǎn)等級(jí)研究”,并運(yùn)行森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中[11]。

在漠河區(qū)域選擇火險(xiǎn)預(yù)報(bào)因子時(shí)，發(fā)現(xiàn)20時(shí)850hpa氣溫與當(dāng)日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)在0.9以上（信度檢驗(yàn)達(dá)到0.001）。進(jìn)一步分析和檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 歐洲中心 105°N、30°E 和 110°N、30°E 兩個(gè)格點(diǎn)的850hpa溫度預(yù)報(bào)可以很好地代表漠河區(qū)域850hpa溫度實(shí)況的變化，特別是3d以內(nèi)的預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確率在80%以上。因此，可以把它們作為地面最高氣溫的預(yù)報(bào)因子。

根據(jù)卡爾曼濾波的原理，首先整理出連續(xù)2個(gè)月的歷史資料，然后采用逐步回歸方法建立初始預(yù)報(bào)方程。確定出W和V的值，并得到初始回歸方程的系數(shù)。在建立溫度預(yù)報(bào)方程時(shí)，按照漠河區(qū)域的林區(qū)分布和氣候特點(diǎn)劃分為4個(gè)區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域分別選取預(yù)報(bào)代表點(diǎn)(北極村、西林吉、富克山、阿木爾分別代表北部、中部、西南部和東部)，根據(jù)卡爾曼濾波的自適應(yīng)原理，對(duì)初始預(yù)報(bào)方程進(jìn)行一段時(shí)間的適應(yīng)就可以得到各區(qū)域的最高溫度預(yù)報(bào)方程。初始預(yù)報(bào)方程建立以后，就可以進(jìn)行實(shí)際預(yù)報(bào)。首先提取上述4個(gè)區(qū)域所需資料，接著進(jìn)行各自的遞推計(jì)算，得到新的訂正后的回歸系數(shù)和誤差并加以保存，以便作為下一時(shí)刻t+△t(△t為預(yù)報(bào)時(shí)效)運(yùn)行遞推系統(tǒng)的輸入信息，然后根據(jù)訂正后的預(yù)報(bào)方程分別作出各區(qū)域未來(lái)(1～5d)最高氣溫預(yù)報(bào)。每天都如此反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)方程的更新。

2 降水預(yù)報(bào)對(duì)森林火險(xiǎn)等級(jí)的訂正

2.1 環(huán)流相似預(yù)報(bào)方法

環(huán)流相似預(yù)報(bào)降水的基本思路是，首先選取描述大尺度環(huán)流背景的 ECMWF500hpa 高度預(yù)報(bào)場(chǎng)（20～60°N，60～120°E），沿緯向作標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用歐氏距離公式計(jì)算所選取范圍內(nèi)高度場(chǎng)與歷史同期樣本之間的距離，選出距離最小的前30個(gè)相似樣本；然后將所選取的范圍進(jìn)一步縮小（25～40°N，95～115°E），以提取對(duì)漠河區(qū)域天氣有直接影響的天氣尺度系統(tǒng)特征，對(duì)經(jīng)過(guò)第一次過(guò)濾的30個(gè)樣本求其距離，選取最相似的前10個(gè)樣本；最后選取西林吉附近兩個(gè)格點(diǎn)上的ECMWF850hpa溫度預(yù)報(bào)值（30°N、105°E，30°N、110°E），再對(duì)上述 10 個(gè)樣本計(jì)算絕對(duì)距離，確定出最佳相似樣本。

挑選出最佳相似樣本后，將該樣本所對(duì)應(yīng)的實(shí)況天氣作為該時(shí)次的預(yù)報(bào)值，其輸出結(jié)果是各區(qū)域未來(lái)1～5天逐日面雨量等級(jí)：小雨（面雨量＜mm）、中雨（10mm≤面雨量＜25mm）、大雨（25mm≤面雨量＜50mm）、暴雨（面雨量≥50mm）。

2.2 利用降水預(yù)報(bào)訂正森林火險(xiǎn)等級(jí)

研究表明，自然降水對(duì)森林火災(zāi)有較大抑制作用，在預(yù)報(bào)森林火險(xiǎn)等級(jí)時(shí)必須充分考慮降水因素[1]。另一方面，采用前面的方法預(yù)報(bào)森林火險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，對(duì)出現(xiàn)無(wú)明顯降溫的降水過(guò)程時(shí)，容易造成火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)偏強(qiáng)的情況。因此，有必要利用降水預(yù)報(bào)對(duì)森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正。根據(jù)降水與森林火災(zāi)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以規(guī)定出火險(xiǎn)等級(jí)。當(dāng)預(yù)報(bào)某日某區(qū)域有小雨時(shí)，其森林火險(xiǎn)降低一級(jí)；當(dāng)預(yù)報(bào)某日某地有中雨以上降水時(shí)，該日森林火險(xiǎn)降低2級(jí)，次日的森林火險(xiǎn)降低1級(jí)。這樣就對(duì)卡爾曼濾波方法預(yù)報(bào)的森林火險(xiǎn)進(jìn)行了有效的訂正。

3 結(jié)果檢驗(yàn)

檢驗(yàn)結(jié)果表明，卡爾曼濾波方法預(yù)報(bào)漠河區(qū)域森林火險(xiǎn)等級(jí)的準(zhǔn)確率均達(dá)到67%以上，其中24、48和120h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到70%～80%，從各區(qū)域預(yù)報(bào)情況來(lái)看，除東部72～96h預(yù)報(bào)效果稍差一些外，其它區(qū)域各時(shí)次的預(yù)報(bào)均達(dá)到70%以上，說(shuō)明該方法對(duì)漠河各區(qū)森林火險(xiǎn)等級(jí)有較強(qiáng)預(yù)報(bào)能力。進(jìn)一步分析可知，采用降水預(yù)報(bào)訂正后，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率普遍提高3%～6%，多數(shù)時(shí)次預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到70%以上，說(shuō)明引入降水預(yù)報(bào)對(duì)森林火險(xiǎn)等級(jí)的訂正效果較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 漠河區(qū)域森林火災(zāi)多發(fā)生在氣溫高、濕度小的連晴少雨時(shí)段內(nèi)，采用最高氣溫定義的森林火險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)便適用，且較客觀，不僅適用于不同季節(jié)和不同區(qū)域，而且可以使森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)得到簡(jiǎn)化。

4.2 數(shù)值預(yù)報(bào)可用時(shí)效的延長(zhǎng)對(duì)制作較長(zhǎng)時(shí)效的降水和溫度預(yù)報(bào)提供了可能，進(jìn)而大大提高了森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和延長(zhǎng)了森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)的時(shí)效。

[1]舒立福,張小羅,戴興安.林火研究綜述(Ⅱ):林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[J].世界林業(yè)研究,2003,16(4):34-37.

[2]邸雪穎.林火預(yù)報(bào)學(xué)[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,1990:2-10.

[3]狄麗穎,孫仁義.中國(guó)森林火災(zāi)研究綜述[J].災(zāi)害學(xué),2007,22(4):118-123.

[4]王景華,龍先華,李德,等.基于GIS的四川省森林火災(zāi)空間分布特征[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,40(9):51-56.

[5]閆敏慧,梅其珍,徐月.黑龍江省多因子綜合森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)[J].黑龍江氣象,2010,27(3):18-20.

[6]楊光,邸雪穎,舒立福.近40a大興安嶺漠河縣林火行為指標(biāo)變化特征[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,40(12):78-82,100.

[7]胡同欣,魯佳宇,魏書(shū)精,等.大興安嶺塔河典型林分可燃物載量估算[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,41(12):52-55.

[8]南京信息工程大學(xué)氣象臺(tái).卡爾曼濾波方法應(yīng)用[EB/OL].百度,2014-05-19.http://wenku.baidu.com/link?url=at1EUmvQUFOKHLe1L6mNZKXXCm4IP8ylpN1Y vfftkDEU3yqVOchoUo7O0kbxA8VJDFB6DxGt43Nt_3o65e7tMOXI -LpkdN_8uLvXQ4ezn6u.2014-08-20.

[9]黃嘉佑,謝莊.卡爾曼濾波在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].氣象,1993,19(4):3-7.

[10]陳雷,劉開(kāi)福,李英.卡爾曼濾波在短期氣候預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].氣象,2001,27(10):42-45.

[11]唐云輝.重慶市森林火險(xiǎn)等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)研究[EB/OL].百度,2012-03-17.http://wenku.baidu.com/link?url=CVeBaFfggEekCezXXx_8Oys32MOT-HfBwxVM_fHhFxBM9vx5icCHHwI6S96NOitTSVZEcBiNrN4GjgPX1-SFYPrIqCZsFJepKuGcs O5L0yW,2014-08-20.