浙江森林火險氣象等級精細化預報預警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孔照林 王亞云 賈 燕 陸 明

（1.浙江省氣象臺，浙江 杭州 310017；2.浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，浙江 杭州 310017；3.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017）

0 引言

浙江省位于我國東南沿海，地形復雜，森林覆蓋率達60.58%，有七山一水兩分田之說，因此森林火災(zāi)也是危害浙江省的主要災(zāi)害之一。根據(jù)浙江省生態(tài)省建設(shè)規(guī)劃綱要和省委省政府關(guān)于全面推進林業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的意見，浙江著力建成比較完備的森林生態(tài)體系，在全國率先實現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化，建立完善的森林防火體系是實現(xiàn)這一目標的重要保證，森林火險氣象等級預報作為森林防火體系中不可或缺的一部分也被提到了非常重要地位。隨著氣象觀測技術(shù)、數(shù)值預報技術(shù)、計算機技術(shù)的長足發(fā)展，為建立森林火險氣象等級預報系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)保障。研究森林火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展與氣象條件的關(guān)系，研制森林火險氣象等級精細化預報預警系統(tǒng)，制作和發(fā)布森林火險氣象等級的預報，為各級部門、群眾提供中、短期預報服務(wù)，對提高防御自然災(zāi)害能力,預防和減少森林火災(zāi)的發(fā)生和降低損失具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 森林火險氣象等級模型

本系統(tǒng)主要考慮短期內(nèi)天氣和氣象要素的變化對森林和草原可燃物易燃性的影響，并以此為依據(jù)劃分火險等級。現(xiàn)階段所采用的氣象要素主要有：日最高氣溫、日最小相對濕度、連續(xù)無降水日數(shù)、預報日降水情況、日平均風速。其中日最高氣溫、預報日降水情況、日平均風速這三個要素的預報值主要是通過讀取每日下午16:00的城鎮(zhèn)報文，前期無降水日數(shù)主要是通過自動站數(shù)據(jù)可得，日最小相對濕度讀取了WRF預報的值。目前產(chǎn)品的預報時效為72個小時，預報范圍為浙江省67個常規(guī)站。預報方法主要是根據(jù)火災(zāi)危險度HTZ=A+B+C+D-E，計算HTZ的值對照森林火險天氣等級標準，可得相應(yīng)的火險等級；其中A為日最高氣溫指標值，B為日最小相對濕度指標值，C為連續(xù)無降水日數(shù)指標值，D為日平均風速指標值，E為預報日降水情況的指標值。

該模型相較之前的森林火險等級預報主要做了兩點改進。一是實現(xiàn)了從森林火險區(qū)域性大范圍預報轉(zhuǎn)換到空間上更精細的逐站點的預報，并且預報時效增加到72個小時；其次是所讀取的資料做了調(diào)整，主要采用了城鎮(zhèn)預報的氣象要素值進行計算，主觀能動性得到了提高，重點加強了預報日降水情況要素對森林火險作用的考慮。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)層、運算傳輸層和顯示層組成，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的特點是各層分離，數(shù)據(jù)層主要處理原始預報數(shù)據(jù)的獲取、保存以及數(shù)據(jù)入原始數(shù)據(jù)庫的功能，運算傳輸層實現(xiàn)森林火險氣象等級預報模型的運算以及結(jié)果的傳輸，顯示層主要實現(xiàn)用戶查看結(jié)果，采用WEB客戶端方式。這種結(jié)構(gòu)完全適合于森林火險等級預報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布模式,在數(shù)據(jù)傳輸效率、功能實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)維護上體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

圖1 數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)開發(fā)和實現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件主要由森林火險氣象等級運算子系統(tǒng)、人機交互訂正子系統(tǒng)和預報產(chǎn)品WEB顯示子系統(tǒng)三部分組成。

2.1 森林火險氣象等級運算子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)利用Microsoft Visual Studio 2008平臺以及C#語言設(shè)計編譯完成。后臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺為Microsoft SQL Server 2005。森林火險氣象等級指數(shù)運算的核心方程為：HTZ=A+B+C+D-E，其中A指數(shù)為森林防火期每日的最高空氣溫度的森林火險天氣指數(shù)，讀取的是各地市城鎮(zhèn)報中預報的最高溫度并計算的權(quán)重值。B指數(shù)為森林防火期每日的最小相對濕度的森林火險天氣指數(shù)，根據(jù)浙江省氣象臺WRF模式中的預報日最低RH值并賦予的權(quán)重值。C指數(shù)為森林防火期每日前期或當日的降水量及連續(xù)無降水日數(shù)的森林火險天氣指數(shù)，讀取的是浙江省自動站氣象數(shù)據(jù)庫中開始計算日之前10天的降水量并計算的權(quán)重值。D指數(shù)為森林防火期每日的最大風力等級的森林火險天氣指數(shù)，讀取的是各地市城鎮(zhèn)報中預報的最大風速電碼并計算的權(quán)重值。E指數(shù)為預報日降水情況對應(yīng)的森林火險天氣指數(shù)，讀取的是城鎮(zhèn)報天氣代碼并計算的權(quán)重值。

2.2 人機交互訂正子系統(tǒng)

為了克服奇異值、計算誤差等各種情況的出現(xiàn)，在森林火險氣象等級預報對公眾公布前必須由預報員根據(jù)預報資料和預報經(jīng)驗進行人工訂正，所以本系統(tǒng)必須開發(fā)一個供預報員使用的人機交互訂正子系統(tǒng)。子系統(tǒng)分為三部分：GIS交互區(qū)、數(shù)據(jù)交互區(qū)和控制區(qū)，具體如圖2所示。

圖2 人機交互訂正子系統(tǒng)界面

GIS交互區(qū)采用自我開發(fā)的具有GIS功能的氣象信息顯示控件MIDS，該控件使用ATL開發(fā)的控件不依賴運行庫，尺寸較小，能夠以等值線、填色等值區(qū)域等方式顯示數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)分層疊加顯示。支持以Http方式下載數(shù)據(jù)并顯示。支持圖層疊加，支持通用的GIS地圖格式，支持地圖放大、縮小、漫游操作。多圖層疊加顯示功能使用圖層類實現(xiàn)，首先建立一個HCLayer的基類，該類有一個虛函數(shù)OnDraw()來實現(xiàn)圖層的繪制。然后從HCLayer派生出HCStationLayer（站點資料顯示圖層）、HCGridLayer（格點資料顯示圖層）、HCImageLayer（圖像資料顯示圖層）、HCUserLayer（用戶自定義繪制圖層）。等值線的繪制是使用格點資料進行繪制的。具體分為等值點的計算、追蹤連接、等值線標注、等值線填充等幾個步驟。Gis地圖的格式支持使用TinyXML實現(xiàn)XML格式的GMP地圖文件的讀入。該區(qū)域可實現(xiàn)浙江1：50000地理信息的顯示和消隱，森林火險氣象等級預報的疊加和修改，預報數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)裙δ堋?/p>

數(shù)據(jù)交互區(qū)是預報數(shù)據(jù)通過網(wǎng)格的方式提供給預報員修改，可實現(xiàn)按數(shù)值大小、地理位置排序，可實現(xiàn)批量修改。控制區(qū)是控制基本文件操作、地理信息控制和數(shù)據(jù)傳輸控制的區(qū)域，包含圖片保存、地圖放大縮小、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.3 預報產(chǎn)品WEB顯示子系統(tǒng)

通過C#ASP網(wǎng)頁技術(shù)編寫的森林火險預報產(chǎn)品WEB顯示子系統(tǒng)用來將預報產(chǎn)品實時傳輸給相關(guān)部門和公眾，第一時間將預報信息服務(wù)到位，做到及時提醒防御。具體如圖3所示。

3 應(yīng)用與評估

該系統(tǒng)2012年5月起正式業(yè)務(wù)化運行，成為省級森林火險氣象等級精細化預報預警核心系統(tǒng)，每日16：00準時發(fā)布全省各縣的森林火險氣象等級預報和預警，為全省的相關(guān)部門提供了重要的參考，為防范森林火災(zāi)，減少經(jīng)濟損失起到了重要的作用。

圖3 森林火險等級預報產(chǎn)品

同時為了了解系統(tǒng)運行的效果，本系統(tǒng)對發(fā)布的分縣森林火險氣象等級預報進行了檢驗評分，以2012年6月為例，全省共發(fā)布24小時、48小時、72小時全省（67站）分縣森林火險氣象等級預報30次，準確的次數(shù)分別為24小時12.6次、48小時10.8次、72小時9.1次，基本準確的次數(shù)分別為：24小時 14.8次、48小時14.9次、72小時13.6次；基本準確以上得分24小時、48小時、72小時分別為91.4%、85.9%和76%，預報效果達到優(yōu)秀標準，具體檢驗結(jié)果如表1所示。

表1 2012年6月森林火險氣象等級預報全省平均數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

通過檢驗結(jié)果得出：

(1)森林火險氣象等級危險度與日最高氣溫、日最小相對濕度、連續(xù)無降水日數(shù)、預報日降水情況、日平均風速關(guān)系極為顯著。森林火險氣象等級危險度與日最高氣溫、連續(xù)無降水日數(shù)、日平均風速關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系,與日最小相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系。

(2)本系統(tǒng)所建立的浙江森林火險氣象等級精細化預報預警模型是科學有效的，可以為全省相關(guān)部門提供正確的重要參考。

(3)通過本系統(tǒng)所開發(fā)的軟件可以科學地做出森林火險氣象等級預報預警，基于浙江森林火險氣象等級預報模型，可對預報的行政區(qū)域進行細化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)浙江省森林火險氣象等級精細化預報預警。

［1］于宏洲,范文義.基于WebGIS的森林火險氣象等級預報系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東北林業(yè)大學學報,2010,38(5):122-125.

［2］王加義,葉光營.福建省森林火險氣象等級精細化預報[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(增1):129-131.

［3］牛若蕓,翟盤茂,佘萬明.森林火險氣象指數(shù)的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用氣象學報,2007,18(4):479-488.

［4］王正非,朱廷曜,朱勁偉,等.森林氣象學[M].北京:中國林業(yè)出版社,1982:363-418.

［5］徐鶴鳴,王東.多目標優(yōu)化問題的求解框架[J].微計算機信息,2009,12-3:164-168.

［6］楊美和,高穎儀.長白山森林火險預報方法研究[J].吉林林業(yè)科技,1983,42(1):1-4.