甘肅省隴南市森林火險氣象等級智能網(wǎng)格預(yù)報研究

劉 麗，蘇軍鋒，黃應(yīng)文

（甘肅省隴南市氣象局，甘肅 武都 746000）

近年來，中國森林火險氣象等級預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。1999 年，中國氣象局協(xié)同國家林業(yè)局共同聯(lián)合開展國家級別的森林火險氣象等級預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)工作，使中國森林火險氣象等級業(yè)務(wù)有了飛躍式的發(fā)展，帶動了各省（市、自治區(qū)）的火險預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)的發(fā)展，預(yù)報水平和技術(shù)大輻度提高，但因觀測站點、交通不便等各方面因素的限制，預(yù)報方式仍以大范圍站點和區(qū)域預(yù)報為主［1-7］。這種預(yù)報模式下的預(yù)報結(jié)果與西方發(fā)達國家［8-12］基于網(wǎng)格的森林火險預(yù)報結(jié)果相比，其預(yù)報的精度低、區(qū)域性的代表性也較差，一定程度上制約了精細化、高準確度的森林火險氣象等級預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)發(fā)展。

甘肅省隴南市森林資源在全省位居第一，森林覆蓋率最高、生物種類繁多。森林資源主要分布于宕昌岷江林區(qū)、康縣康南林區(qū)、徽縣和兩當(dāng)縣轄區(qū)內(nèi)的小隴山林區(qū)和武都、文縣的白龍江、白水江林區(qū)。在危害森林因子中，火災(zāi)是一種最具破壞性的災(zāi)害，不僅直接危及立木、土壤甚至于微生物和野生動物，而且還能降低森林更新能力，引起土壤貧瘠和破壞森林涵養(yǎng)水源的作用，繼而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，造成大氣污染，而在森林可燃物和火源具備的情況下，森林能否著火、著火后能否成災(zāi)，主要取決于氣象條件［1］?；痣U氣象是指有利于發(fā)生森林火災(zāi)的氣象條件，如高溫、干旱、大風(fēng)等。因此，做好森林火險氣象預(yù)報可以為預(yù)防、控制、撲救森林火災(zāi)提供科學(xué)的依據(jù)，減少森林火災(zāi)損失。

因此，對隴南市森林火災(zāi)特征空間分布及火險預(yù)報方法進行研究，利用智能網(wǎng)格預(yù)報結(jié)果積極開展森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)報工作，保護和發(fā)展現(xiàn)有森林，對于改善生態(tài)環(huán)境，促進國民經(jīng)濟發(fā)展，保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)乃至長江中下游人民生命財產(chǎn)的安全都具有十分重要的意義。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

1.1.1 氣象資料 氣象數(shù)據(jù)資料采用的是1981—2010 年隴南市8 縣1 區(qū)基本氣象站近30 年數(shù)據(jù)的平均值，包括平均氣溫、年均降水量、年相對濕度等氣象要素值。數(shù)值網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品所采用的數(shù)據(jù)是2018 年甘肅省氣象局中心氣象臺下發(fā)的全省智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品，該產(chǎn)品的空間分辨率達到5 km×5 km。甘肅省氣象局中心氣象臺智能網(wǎng)格氣象預(yù)報產(chǎn)品是由國家氣象中心基于主客觀融合預(yù)報、采用精細化地理信息的插值分析以及區(qū)域建模預(yù)報等技術(shù)方法研發(fā)的中國區(qū)域格點化預(yù)報產(chǎn)品，預(yù)報時效為240 h、時間分辨率為3 h，在時間分變率和空間分辨率上有很大的提高，使天氣預(yù)報更精準。

1.1.2 火災(zāi)資料 根據(jù)圖1 可以看出，近20 年來，隴南市火災(zāi)發(fā)生呈明顯遞增的趨勢，尤其是從2010 年以來火險等級日趨升高，說明研究區(qū)域火災(zāi)預(yù)防形勢十分嚴峻。

圖1 近20 年來隴南市火災(zāi)次數(shù)年際變化

1.1.3 地理信息、林區(qū)分布、社會經(jīng)濟資料 本研究所用隴南市最新行政區(qū)劃、經(jīng)緯坐標(biāo)、海拔高度、DEM 數(shù)據(jù)、林區(qū)分布、GDP及人口等相關(guān)數(shù)據(jù)來源于隴南市森林草原局、應(yīng)急管理局及大數(shù)據(jù)管理中心。

1.2 研究方法

1.2.1 森林分布數(shù)字矢量化提取 隴南市森林大多分布在文縣，武都區(qū)南部，康縣南部，兩當(dāng)縣、成縣、徽縣北部，禮縣、宕昌縣，分布面積較為廣泛，且多為交叉分布。

利用GIS 技術(shù)將隴南市森林分布圖，采取分類插值的方法提取到全市森林分布數(shù)字化矢量圖，同時將森林分布插值計算，得到隴南市用于柵格圖形計算值。shpfile 格式計算坐標(biāo)圖如圖2 所示。

圖2 隴南市森林分布矢量圖

1.2.2 森林火險指標(biāo)靜、動態(tài)因子的選取 從隴南市大數(shù)據(jù)管理局獲取到全市104 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的近十年的經(jīng)濟發(fā)展水平（GDP）數(shù)據(jù)庫和人口分布數(shù)量庫，經(jīng)濟發(fā)展水平越高，人口越密集的地方發(fā)生林火的可能性也就越大，反之則越小，因此本研究將這兩者作為影響林火發(fā)生的靜態(tài)因子，利用Excel 2007 的空間分析功能，將GDP 和人口密度數(shù)據(jù)分布進行空間殘差處理，使用柵格計算器對各要素值進行計算，得到該計算要素的空間分布柵格數(shù)據(jù)，所需的數(shù)據(jù)有：高程、線性經(jīng)度、線性緯度，最后進行空間分析疊加，得到該要素的實際空間分布［13-15］，計算得到隴南市GDP 柵格空間分布（M）（圖3）和人口柵格空間分布（R）（圖4）數(shù)據(jù)。

根據(jù)標(biāo)準《森林火險氣象等級GB∕T36743—2018》，可知與林火發(fā)生蔓延的因素有：氣溫、相對濕度、降水、風(fēng)速等。溫度越高，可燃物中水分蒸發(fā)和變干的速度越快，火災(zāi)發(fā)生的可能性越大；相對濕度越小導(dǎo)致可燃物含水率越低，越利于林火燃燒發(fā)展；降水及連續(xù)無雨日數(shù)長短直接影響可燃物含水量，是決定林火發(fā)生可能性和能否蔓延的重要因素；風(fēng)是影響火災(zāi)蔓延的主要氣象因子，風(fēng)速較大時，火場易蔓延擴大，危險性增加，蒸發(fā)量越大，日照時數(shù)越長，林木和水分的蒸騰作用越明顯，易燃的可能性也就越大。因此，根據(jù)多年火災(zāi)發(fā)生的實地要素值分析及專家評估，年平均氣溫、年均降水量、年日照時數(shù)、年蒸發(fā)量及連旱天數(shù)以及大風(fēng)是影響隴南林火發(fā)生的最主要氣象因子。隨著各氣象因子的變化，對林火的影響范圍及危險程度也有所有同，而隴南地處山區(qū)，垂直立體性氣候分布特征明顯，因此將氣象要素作為動態(tài)因子進行分析，利用GDP 和人口柵格空間分布數(shù)據(jù)處理的同樣方法，得到各動態(tài)氣象因子的空間分布柵格圖（圖5）。

圖3 隴南市GDP 發(fā)展水平柵格圖（M）

1.2.3 隴南市森林火險綜合因子等級分布圖 森林火險區(qū)劃評價指標(biāo)體系，結(jié)合最新隴南市近十年平均人口密度（R）、經(jīng)濟發(fā)展水平（M）、森林分布密度以及影響林火發(fā)生、發(fā)展的決定性氣象因子等因素，利用層次分析法賦予各個要素不同的權(quán)重系數(shù)分界值和火險等級（表1）。

圖4 隴南市人口分布密度柵格圖（R）

采用ArcGIS 空間疊置分析方法，提取隴南市100 m×100 m 網(wǎng)格的經(jīng)度、緯度、海拔高度和鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣級邊界行政點及森林分布的矢量數(shù)據(jù)，推算出每個因子在100 m×100 m 網(wǎng)格上的值，生成高精度、高空間分辨率的林火發(fā)生的影響因子網(wǎng)格要素分布圖，其結(jié)果能夠反映各影響因子隨經(jīng)度、緯度和高度變化的地帶性特征。

圖5 隴南市年平均氣溫、年均降水量、連旱天數(shù)及大風(fēng)日數(shù)空間分布柵格圖

表1 各影響因子的權(quán)重系數(shù)、分界值和火險等級

利用ArcGIS 10.0 軟件將動靜態(tài)因子進行疊加，疊加時使用柵格計算器進行計算，最后得到動態(tài)因子與靜態(tài)因子綜合疊加計算因子F，公式為：

式中，M、R、Q、J、N、S、Z、D分別代表隴南市GDP、人口、平均氣溫、年均降水量、年均日照時數(shù)、年最小相對濕度、年均蒸發(fā)量、年均連旱天數(shù)。將疊加結(jié)果因子無量綱化，并將無量綱化結(jié)果進行圖層顯示、分類、美化，最后生成研究區(qū)內(nèi)精細化森林火險氣象等級區(qū)劃（圖6），將火險氣象等級劃分為低風(fēng)險區(qū)（一級）、次低風(fēng)險區(qū)（二級）、中等風(fēng)險區(qū)（三級）、次高風(fēng)險區(qū)（四級）、高風(fēng)險區(qū)（五級）五級。

圖6 隴南市森林火險氣象等級綜合因子區(qū)劃

2 森林火險智能網(wǎng)格預(yù)報模型建立

森林火險氣象等級智能網(wǎng)格預(yù)報的背景場是采用甘肅省中心氣象臺智能網(wǎng)格預(yù)報結(jié)果，空間分辨率為0.05°。預(yù)報因子參考《森林火險氣象等級GB∕T 36743—2018》［16］，森林火險氣象指數(shù)［17，18］計算公式：

FFDI為基于各因子的火險指數(shù)加權(quán)得到的，綜合火險氣象指數(shù)；F為當(dāng)日平均風(fēng)速（m∕s）；Q為當(dāng)日平均氣溫（℃）；S為最小相對濕度（%）；R為連續(xù)無降水日數(shù)（d）；IF（F）、IQ（Q）、IS（S）、IR（R）、IJ（J）分別表示各火險氣象因子對應(yīng)的火險指數(shù)（表2）。

按照《森林火險氣象等級》標(biāo)準，將森林火險氣象指數(shù)由低至高分為5 個等級：低、較低、較高、高、極高。森林火險氣象等級劃分標(biāo)準及其對應(yīng)的危險程度、易燃程度、蔓延程度如表3 所示。

3 森林火險氣象等級智能網(wǎng)格預(yù)報效果分析

對靜態(tài)因子、動態(tài)因子進行分析，繪制隴南市森林火險氣象等級分布區(qū)劃圖，建立智能網(wǎng)格預(yù)報模型，并根據(jù)高精度的智能網(wǎng)格預(yù)報，實現(xiàn)了精細化的森林火險氣象等級智能網(wǎng)格預(yù)報，產(chǎn)品的空間分辨率是5 km。2019 年1 月，隴南市近40 d 降水量持續(xù)異常偏少，其中武都、文縣連續(xù)近30 d 沒有出現(xiàn)有效降水，氣候異常干燥，旱情出現(xiàn)，而武都、文縣人口分布密、經(jīng)濟發(fā)展水平略高于其他地區(qū)。結(jié)合整體靜態(tài)因子、動態(tài)因子分析，非常利于林火的發(fā)生。2019年 1 月 20—27 日，隴南市共發(fā)生林火 10 起，其中 8 起出現(xiàn)在武都、文縣、宕昌境內(nèi)的白龍江、白水江林區(qū)和岷江林區(qū)內(nèi)。從 2019 年 1 月 20—27 日連續(xù) 7 d 林區(qū)智能網(wǎng)格預(yù)報結(jié)果來看，1 月中下旬開始隴南市降水異常偏少，旱情嚴重，森林火險氣象等級居高不下，高森林火險氣象等級主要集中在 1 月18—25日，智能網(wǎng)格模型預(yù)報結(jié)果顯示（圖7）與隴南市森林火險氣象等級區(qū)劃結(jié)果及高火險發(fā)生點的空間分布、時間變化基本一致。

表2 森林火險氣象指數(shù)劃分標(biāo)準

表3 森林火險氣象等級劃分標(biāo)準

同時，通過對 1 月 29 日—2 月 5 日 8 d 的模型進行逐日檢驗，檢驗結(jié)果表明，預(yù)報準確率在70%以上（表4）。說明智能網(wǎng)格預(yù)報模型命中概率較高，隨著動態(tài)氣象因子背景場的變化，智能網(wǎng)格預(yù)報結(jié)果也在不斷變化，對火險氣象條件的判定結(jié)果也逐漸提升，對隴南市森林火險的發(fā)生預(yù)測具有很好的指示作用。

圖7 隴南市2019 年1 月18—25 日森林火險氣象等級智能網(wǎng)格預(yù)報

表 4 1 月 29 日—2 月 5 日 8 d 的模型進行逐日檢驗結(jié)果

4 結(jié)論

1）本研究利用人口分布密度、經(jīng)濟發(fā)展水平及森林空間分布數(shù)據(jù)，基于GIS，采用殘差分析、空間分析技術(shù)將全市森林資源分布數(shù)據(jù)與影響林火發(fā)生的動態(tài)因子、靜態(tài)因子相結(jié)合，根據(jù)影響不同而賦予不同的權(quán)重，無量綱后得到甘肅省隴南市森林火險氣象等級區(qū)劃圖，能夠客觀科學(xué)地反映隴南市林火發(fā)生發(fā)展的風(fēng)險頻次及等級，此區(qū)劃圖對于決策及火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)的指揮謀劃有很好的參考價值。

2）用于智能網(wǎng)格預(yù)報的計算模型選用的是2018 年國家林業(yè)局下發(fā)的標(biāo)準《森林火險氣象等級GB∕T 36743—2018》，最終選定影響林火發(fā)生蔓延的主要氣象因子有平均氣溫、平均降水、連旱天數(shù)、平均風(fēng)速、最小相對濕度。將各個影響因子加權(quán)得到火險氣象指數(shù)FFDI，并通過有效降水量來訂正FFDI，確定森林火險氣象等級的劃分，并對各等級可能發(fā)生的火災(zāi)程度及未來發(fā)展蔓延程度進行描述分類。

3）智能網(wǎng)格預(yù)報實現(xiàn)了從站點到格點的全新變革，產(chǎn)品空間分辨率5 km，預(yù)報時效為10 d，使政府及相關(guān)部門隨時獲取基于具體位置的專業(yè)化、精細化的森林火險氣象等級智能網(wǎng)格預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品，為精準預(yù)報、精準指揮、精準防御提供了科學(xué)有力的支撐，在隴南市森林火險氣象等級短中期無縫隙精細化預(yù)報預(yù)測以及火災(zāi)發(fā)生安全保障服務(wù)中取得了良好的服務(wù)效果。

4）智能網(wǎng)格預(yù)報模型未考慮林區(qū)內(nèi)各植被的類型及生長狀態(tài)以及冬季高山區(qū)林區(qū)積雪覆蓋等要素的變化，可以考慮將衛(wèi)星監(jiān)測產(chǎn)品也應(yīng)用到火險預(yù)報模型中來，加入林區(qū)植被和冬季積雪覆蓋的情況，使預(yù)報預(yù)測更加精準。