基于多元化觀測手段的森林火災應急氣象服務研究
——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.會東縣氣象局，四川會東 615200；3.中國氣象局 成都高原氣象研究所，四川成都 610072

森林火災的發生與氣候背景有關，氣象因子是森林火災發生發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，亞熱帶季風氣候特征顯著，干濕季分明，春季午后多偏南大風，升溫迅速，導致森林火災多發、突發、重發，對涼山經濟社會發展造成嚴重的影響。例如，2019年木里縣雅礱江鎮“3·30”森林火災、2019年冕寧縣臘窩鄉“4·7”森林火災和2020年西昌市瀘山“3·30”森林火災等，其中，西昌瀘山“3·30”森林火災過火總面積約30.48 km2，受害森林面積約7.92 km2，造成直接經濟損失9 731.12萬元。氣象部門針對森林草原防滅火氣象服務保障做了很多工作，并進行了大量研究分析[2-13]。結果表明，森林草原防滅火離不開氣象服務保駕護航。通過多元化開展應急氣象觀測，全面提高森林草原防滅火應急氣象服務保障能力水平，有效避免和減輕森林草原火災造成的損失，為涼山森林草原防滅火工作作貢獻。

1 涼山州概況

涼山州作為四川省三大重點林區之一，近年來牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”理念，積極加強林區生態環境保護，大力實施生態脆弱區修復等項目，筑牢涼山生態屏障。截至2021年9月，全州林地面積達40 050 km2，森林覆蓋率51%[14]。在取得顯著成績的同時，森林草原防滅火仍面臨嚴峻形勢。據統計，涼山州林區可燃物負荷量達4 000萬 t，3—4月森林火險等級居高不下，此期間雷電、大風等災害性天氣極易引發山火，疊加高坡度和峽谷地形極易造成爆燃火，復雜地形限制人員和裝備機動性等導致火災撲救極為困難[15]。2019—2022年發生的森林火災高達66起，其中2019年有39起，森林火災集中分布在西昌、冕寧、喜德、鹽源、木里等縣（市）（圖1）。

圖1 2019—2022年涼山州森林火災分布點

近年來，涼山州氣象局多渠道發力，提高森林草原防滅火應急氣象服務保障能力。與相關部門建立了協作機制，聯合州應急管理局和州林草局發布森林草原火險預警信息，森林火災發生時，開展應急氣象觀測，監測預報火場風力、風向、溫度、濕度等氣象要素，為前線撲火決策指揮提供科學依據；成立了森林草原防滅火氣象保障領導小組，負責全州森林草原防滅火氣象保障工作的組織協調；制定了《涼山州森林草原防火氣象服務方案》和《涼山州氣象局森林草原火災應急預案（試行）》，推動森林草原防滅火應急氣象服務保障各項工作有序開展；成立了氣象應急服務先鋒隊，下設綜合協調、應急氣象觀測、移動激光測風雷達等9個組，進一步細化了職能職責；通過開展業務培訓、歷次森林火災應急氣象服務總結復盤交流等手段，不斷提高隊伍業務素養；新增了車載X波段天氣雷達1部、移動激光測風雷達1部、應急氣象觀測站20套、WR-1D型車載火箭增雨系統19套，進一步提升了應急氣象服務能力。

2 應急氣象觀測

2.1 應急自動氣象站

2.1.1 設備調試在用的應急自動氣象站有3種，分別為無錫DZB4型、天津DZB2型和華云CAWS620-MS型六要素應急自動氣象站。前期應完成設備調試工作，包括采集器設置、通訊參數設置、中心站設置等，確保第一時間在前線開展應急觀測。

調試前，應選擇正確的串口通訊參數，一般情況下波特率為9 600、校驗位None、數據位8、停止位1。由于無錫DZB4型通信模塊未嵌入采集器，需要單獨對其進行設置，其余2種設備通信參數均在采集器中設置。采集器參數主要包括區站號、經緯度、海拔高度、氣壓傳感器海拔高度、報警參數等，通信參數主要包括主傳IP及端口、輔助IP及端口、通信方式等，中心站除設置觀測要素、站點名稱、站址、儀器廠商、型號等信息之外，還需根據應急站型號選擇對應的數據宏格式，確保數據解析正確，然后進行站點數據庫配置（圖2）。

圖2 采集器、通信模塊及中心站參數設置界面

2.1.2 測試及安裝調試完畢后應進行設備測試。將SIM卡裝入采集器卡槽，連接各要素傳感器至采集器信號線纜，將太陽能板、電池、采集器線纜接入電源控制器對應接口，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，查看各傳感器觀測數據是否正常，如有異常，檢查線纜連接是否正確，對應要素傳感器是否故障，需要注意的是，靜風情況下可通過人為轉動風向風速傳感器判斷是否故障，降水量可通過人為翻動計數翻斗以查看干簧管是否損壞。查看中心站是否正常接收數據，如站點未正常上線或數據異常，檢查SIM卡是否松動、中心站參數設置是否正確、是否選擇了正確的數據宏格式等。

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

安裝完畢后，可現場連接采集器讀取實時觀測數據、小時歷史數據等，為前線作出撲火決策提供科學依據。通過中心站客戶端也可調取火場氣象數據，制作短期、短時、臨近專題天氣預報等氣象服務產品。

2.2 車載X波段天氣雷達

YLD1-D型車載全固態X波段雙偏振多普勒天氣雷達采用模塊化設計，主要由雷達系統、氣象觀測模塊、通信網絡、配電系統、綜合保障部分、雷達升降平臺等組成，采用升降式安裝方式，工作時升出艙外，行車時收回艙內。有效監測距離為300 km，能定量探測150 km內，高度24 km內的云體、暴雨、冰雹、大面積降雨等天氣現象。其在涼山州森林草原防滅火應急氣象服務、人工增雨作業和雷達區域補盲等領域發揮了重要作用。

2.2.1 前期準備工作前期應進行設備定期維護保養工作，確保雷達整車在前線及時開展應急觀測。一是依托機內故障檢測與標定系統完成雷達初始檢查。二是檢查天饋線系統各連接部位有無松動，并清潔反射面、饋源輻射口及防護罩，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、水平校準等。四是進行收發機箱的發射機、頻率源、接收機、標定單元等功能檢查。五是終端操控與信號處理系統軟件功能檢查，主要包含軟件是否正常、控制是否有效、數據有無丟包等。六是檢查發電機機油和柴油是否充足，按技術要求定期對雷達車電瓶和UPS進行充放電維護、電壓和電流檢查。

2.2.2 架設及開機測試到達指定指點后，加電前將工作地和避雷地連接外接地錨，啟動發電機進行整車加電，閉合UPS供電開關、“穩壓電源”開關，通過“電壓測量”按鈕查看輸出電壓是否穩定，打開電源控制板面板上的“總開關”“設備總開”“直流總開”“自動調平系統開關”，進行整車調平，調整雷達車電動支撐腿，完成后關閉自動調平系統，切斷直流總開電源。打開“升降平臺”供電開關，雷達自動升出艙外，啟動兩臺雷達控制計算機，待“雷達信號處理終端SP”“雷達控制終端CT”及“雷達產品終端PT”軟件狀態顯示窗口全部指示燈變綠后，在“雷達控制終端”CT軟件中進行“方位定北”，完成后即可執行VCP21模式進行體掃觀測。雷達數據采集和產品處理完成后，可在后方固定終端進行數據到報時效性檢查和觀測數據查看，前線可通過車載雙極化天氣雷達用戶終端實時查看觀測數據，為實施人工增雨和專業氣象服務提供依據（圖3）。

圖3 車載雷達信號處理終端和產品終端界面

2.3 移動激光測風雷達

YW-LR型移動激光測風雷達由雷達系統、軟件系統、供電系統、可調平承載三角支架和載車組成。前期應對其進行參數設置，包含網絡配置、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，在所選仰角范圍內上下掃描模式，可根據實際情況在軟件內修改參數調整初始定位角度。應選擇火場附近相對平坦開闊、無高大障礙物的地點架設移動激光測風雷達，且觀測主要方向0°仰角以上無主要障礙物和光學敏感設備。使用地釘和拉線固定好三腳架后，將GPRS天線連接雷達、雷達供電線纜及通訊光纖接入電源控制箱，待發電機運行1 min后與電源控制箱連接，打開雷達控制終端軟件，點擊運行，即可在控制終端實時監測徑向速度、風速風向輪廓等雷達數據（圖4）。通過控制終端軟件上傳雷達數據，即可在遠程PC端和手機移動端實時查看觀測產品和雷達運行狀態。

圖4 激光測風雷達產品顯示界面

3 森林防滅火天氣預報

天氣預報是森林防滅火氣象服務的核心，能夠為政府制定科學的防滅火方案和決策提供重要的技術支撐。制作森林防滅火天氣預報的實況資料，除來自應急自動氣象站、移動雷達的觀測資料之外，常規地面和高空觀測資料、氣象衛星和天氣雷達產品等也是制作天氣預報的實況基礎，數值預報產品是制作天氣預報的核心資料。根據森林防滅火工作對天氣預報時長的需求，可將森林防滅火專題天氣預報分為短期預報、短時和臨近預報。相比于常規的天氣預報，森林防滅火天氣預報更加關注風力和風向的預報。

3.1 天氣實況資料獲取

在氣象專網通暢的情況下，可通過MICAPS和若干氣象業務網站獲取高空、地面天氣圖，以及氣象衛星、天氣雷達產品等實況資料；而在只有普通互聯網的情況下則可以通過中國氣象部門和國外氣象公司的網站獲取各種實況資料（表1）。

表1 天氣實況資料的獲取途徑

3.2 數值天氣預報產品獲取

在氣象專網通暢的情況下，可通過MICAPS和若干氣象業務網站獲取數值預報產品；而在只有普通互聯網的情況下，可以通過中國氣象部門和國外氣象公司的網站獲取各種實況資料（表2）。

表2 數值預報產品獲取途徑

3.3 不同時長的天氣預報

森林防滅火短期天氣預報的時長通常為24 h，時間間隔為1~3 h；短時天氣預報的時長通常為6 h，時間間隔為1 h；短期天氣預報的時長通常為1～2 h。這些不同時長的天氣預報的氣象要素均包括天氣現象、降水量、氣溫、相對濕度、平均風力風向、極大風力風向。短期天氣預報較多參考數值預報產品，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間提前量的參考；短時天氣預報要綜合天氣實況和數值預報產品，其是對短期天氣預報的補充和訂正；臨近天氣預報主要依靠各種氣象實況資料進行經驗外推，近年來也有不少基于多種實況資料的臨近預報產品，其是對短期預報和短時預報的及時補充和訂正，能為森林防滅火工作提供最精確的預報結論。

4 結論與討論

充分依托DZB4型、DZB2型、CAW S620-MS型六要素應急自動氣象站，YLD1-D型車載全固態X波段雙偏振多普勒天氣雷達，YW-LR型移動激光測風雷達多元化開展應急氣象觀測，為前線指揮部作出撲火決策、開展人工增雨作業、制作森林防滅火天氣預報提供充分依據。同時在不同網絡環境下，充分利用好各種天氣實況資料和數值預報產品制作森林防滅火天氣預報，全面提高涼山州森林草原防滅火應急氣象服務保障能力水平，有效避免和減輕森林草原火災造成的損失，為涼山森林草原防滅火工作貢獻氣象力量。