云南省森林火險氣象等級預報模式研究

戴叢蕊 李蒙 張明達

摘 要：運用1996年至2007年的林火數(shù)據(jù)，分析了云南森林火災的時空分布特征；基于“森林火險氣象等級”氣象行業(yè)標準，利用林火資料結合相應森防期內(nèi)逐日的多個氣象因子，應用Visual Basic編程計算云南125個氣象臺站12個氣象要素的林火分類條件概率，獲得125個站點12個氣象因子的火險貢獻度數(shù)學模型以及森林火險氣象指數(shù)分級指標，并建立相關數(shù)據(jù)庫。在此基礎上構建了云南省森林火險氣象等級預報模型。經(jīng)驗證，模型對云南森林火災的發(fā)生具有較好的預報能力，可以進行實際應用。

關鍵詞：森林火險 氣象要素 林火氣象等級 云南

中圖分類號：S762 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0236-03

森林火災是一種世界性的自然災害。近年來，世界和中國發(fā)生了多次創(chuàng)紀錄的森林火災。如2007年希臘森林大火、2006年和2009年澳大利亞兩次森林大火[1]。我國森林火災也頻繁發(fā)生，如云南昆明安寧在近10年就發(fā)生了三次重大林火，每次都造成嚴重損失，受到黨中央國務院和省委省政府的高度重視。

森林火災發(fā)生的物質(zhì)條件，如可燃物類型、載量等因子短期內(nèi)不會發(fā)生大的變化，氣象條件是主要的觸發(fā)因素。森林火災的發(fā)生、發(fā)展、蔓延、撲救在很大程度上都受氣象條件的制約和影響[2]。與森林火險相關的氣象因子很多，而這些因子又是相互影響，緊密聯(lián)系著的，因此，只能選擇那些對森林火災發(fā)生、蔓延、熄滅影響較大的因子作為主要因子；該文按照“森林火險氣象等級”中華人民共和國氣象行業(yè)標準，選取了與降水量、氣溫、相對濕度、風速和連旱日數(shù)相關的12個氣象因子來對森林火險氣象等級進行研究。

1 研究區(qū)概況

云南是我國的四大林區(qū)之一，森林覆蓋率為47.5%，針葉林是云南大部分地區(qū)的優(yōu)勢樹種。云南也是森林火災的重災區(qū)，每年干季（每年11月至次年5月），風高物燥，降水量少，森林火災極易發(fā)生，森林火災發(fā)生率居全國前列[3-4]。據(jù)統(tǒng)計，1997年至2007年云南共發(fā)生森林火災4907起，加之云南與老撾、緬甸等國接壤，邊境火時有發(fā)生，如果處置不當，會引發(fā)嚴重的經(jīng)濟損失和社會問題，甚至演變成國際糾紛。

2 數(shù)據(jù)來源

云南省林業(yè)廳提供的1996年至2007年林火資料，以及云南125個氣象站森防期內(nèi)逐日的降水量、最高氣溫、最低氣溫、最小相對濕度和平均風速。

3 云南林火時空分布特征

根據(jù)林火發(fā)生數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到云南林火的發(fā)生概況，從發(fā)生的區(qū)域來看（見圖1），在16個地州中普洱發(fā)生的森林火災次數(shù)最多，麗江次之，大理第三，發(fā)生次數(shù)最少的是西雙版納。具體到125個縣市來看，普洱的寧洱、思茅區(qū)和瀾滄，麗江的寧蒗、華坪，大理的云龍，怒江的蘭坪等縣是林火的高發(fā)區(qū)。從發(fā)生的時間來看（見圖2），旬林火發(fā)生次數(shù)大于30次的時段，主要集中在3～4月份，與我省的森林防火戒嚴期完全吻合。林火發(fā)生次數(shù)最多的是4月上旬，達71.4次；其次是4月中旬，57.6次；3月中旬為第三，51.9次；在這些時段內(nèi)發(fā)生森林火災的可能性很大。

4 森林火險氣象等級的計算

該研究依據(jù)“森林火險氣象等級”氣象行業(yè)標準，選取了24 h降水量、日最高氣溫、日最低氣溫、日最小相對濕度、日平均風速、前一日24 h降水量、前3 d降水量累積值、前3 d低相對濕度平均值、前3 d最高氣溫累積值、日降水量連續(xù)≤5 mm的日數(shù)、日降水量連續(xù)≤3 mm的日數(shù)、日降水量連續(xù)≤0.5 mm的日數(shù)共12個氣象因子，作為林火氣象等級預報的影響因子。利用VB編程分模塊計算森林火險氣象等級需要的數(shù)據(jù)，并建立相關數(shù)據(jù)庫。

4.1 氣象要素與火災情況的完整統(tǒng)計表

建立了1997年至2007年每個森防期內(nèi)每日氣象要素與相對應火災次數(shù)的綜合數(shù)據(jù)庫。

4.2 建立12個氣象單因子的森林火險貢獻度模型

4.2.1 確定氣象因子上下限

根據(jù)云南30年整編氣象資料統(tǒng)計出12個氣象因子的極大值和極小值，確定各因子上下限（見表1）。然后劃分因子區(qū)間，等間隔劃分，劃分出的因子區(qū)間大小在數(shù)值上大于或等于該因子單位數(shù)值的2倍 。

4.2.2 計算分類條件概率

統(tǒng)計云南省125個氣象站逐個氣象因子在每個因子區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的日數(shù)Yi，以及因子區(qū)間的火情出現(xiàn)次數(shù)Fi，即可計算分類條件概率Pi，公式為：

Pi=Fi/Yi （1）

式中，i=1，2，…，N，N為因子區(qū)間數(shù)。

Pi是在Yi發(fā)生條件下Fi發(fā)生的概率，Pi的大小反映了不同區(qū)間內(nèi)火情嚴重程度或火災危險度。按照計算得出分類條件概率獲取森林火災發(fā)生的臨界值R0、森林火災幾率開始明顯增大的臨界值R0.5和森林火災幾率開始大量發(fā)生的臨界值R1（如表2中只列出部分站點日最高氣溫的R0、R0.5、R1，其他要素略）。

4.2.3 確定待定系數(shù)a、b、c

根據(jù)算出的R0、R0.5、R1，可得到12個氣象要素的單因子森林火險貢獻度模型的待定系數(shù)a、b、c。公式有以下幾項。

4.2.4 獲取單因子森林火險貢獻度數(shù)學模型

（1）T14、Td、VP、PT72H、PR24LR5、PR24LR3、PR24LR0.5為森林火險增因子，其數(shù)學模型如下：

（2）R24、U14、PR24、PR72H、PU72P為森林火險減因子，其數(shù)學模型如下所示。

式中：R24為24 h降水量；T14為日最高氣溫；Td為日最低氣溫；U14為日最小相對濕度；VP為日平均風速；PR24為前1日24 h降水量；PR72H為前3天降水量累積值；PU72P為前3天最低相對濕度平均值；PT72H為前3 d最高氣溫累積值；PR24LR5為日降水量≤5 mm的連續(xù)日數(shù)；PR24LR3為日降水量≤3 mm的連續(xù)日數(shù)；PR24LR0.5為日降水量≤0.5 mm的連續(xù)日數(shù)；x為氣象因子的預報值或觀測值。

將4.2.3得到的a、b、c分別代入（7）、（9）就可獲得云南125個氣象站各自的12個單因子森林火險貢獻度模型。

4.3 每日森林火險氣象指數(shù)（FFDI）計算

式中：Uj為當前因子指數(shù)，前5個因子單因子（R24、T14、Td、U14、V14）森林火險貢獻度的平均值；Uq為前期因子指數(shù)，后7個因子單因子（PR24、PR72H、PU72P、PT72H、PR24LR5、PR24LR3、PR24LR0.5）森林火險貢獻度的平均值。

4.4 劃分125個氣象站點森林火險氣象等級的分級指標

通過計算125個氣象站點各自過去10年內(nèi)，森防期每日的林火氣象指數(shù)，將其逐日值組成一個集合，升序排列后按10%、20%、40%、20%、10%的比例劃分成5個等級，各子集分界點的FFDI值即為A、B、C、D。云南地形地貌復雜，氣候類型多樣，導致各地的森林火險氣象等級分級指標差異大。在滇中、滇東北、滇西北、滇西南、滇東南每個區(qū)域內(nèi)隨機選取了部分站點的分級指標見表3。

5 森林火險氣象等級計算結果與驗證

目前，大范圍實時的森林火災監(jiān)測主要是通過衛(wèi)星遙感的熱點監(jiān)測來實現(xiàn)，因此，可以用監(jiān)測到的衛(wèi)星熱點來反映森林火險情況。選取云南2013年森林防火期內(nèi)，天氣晴好，林火衛(wèi)星熱點較多的2月5日、3月1日、3月24日，對比衛(wèi)星熱點和相應的森林火險氣象等級結果，見表4。該文提取熱點對應的森林火險發(fā)生等級使用的是ArcGIS的Extract Values to Points功能來實現(xiàn)。

從表4中可以看出，除2月5日有5個熱點出現(xiàn)在2級的較難燃燒區(qū)域外，其他223個熱點均在3級以上的火險區(qū)域內(nèi)，且以4級的易燃區(qū)和5級的極易燃區(qū)居多。在1級的難燃區(qū)域未出現(xiàn)衛(wèi)星熱點。這說明基于氣象行業(yè)標準構建的云南森林火險氣象等級模型具有較好的預報能力，可以用于云南森林火險等級預報的實際應用。

6 結果與討論

該文通過以上計算分析，建立了云南省森林火險氣象等級預報模型。經(jīng)驗證，它具有較好的預報能力。研究結果可為林業(yè)部門采取有效的預防措施提供技術支撐，對云南森林防火工作、生態(tài)環(huán)境和生物多樣性保護具有重要意義。然而森林火險預報是一項繁雜的綜合性研究工作[5-6]。影響森林火險預報的因素除了氣象因子以外，還有可燃物、地形、火源等因子，本研究只是做了一些粗淺的探討。今后將開展基于氣象、森林可燃物等因子的綜合林火預報方法研究，進一步提高預報準確率。

參考文獻

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[3] 魯韋坤，李湘，余凌翔，等.云南省森林火險氣象等級區(qū)劃研究[J].大氣科學學報，2011，34（3）：322-328.

[4] 徐虹，楊曉鵬，朱勇，等.基于RS和GIS的云南省森林火險預報研究[J].福建林業(yè)科技，2007，34（2）：85-88

[5] 張映堂，霍義強.滇中地區(qū)森林火險等級預報方法的研究[J].林業(yè)科學，1995，31（3）：239-246.

[6] 高歌，張洪濤.北京市火險氣象等級預警數(shù)值模擬研究[J].應用氣象學報，2002，13（5）：609-620.