張金勇 吳樹森 李 冰 許麗玲

（漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300）

0 引言

森林是國家的重要資源，保護(hù)森林資源，開展森林火險等級預(yù)報，是預(yù)防森林火災(zāi)發(fā)生的重要手段。國內(nèi)眾多氣象和防火專家對森林火險、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)報模型(方法)和火險等級預(yù)報系統(tǒng)[5]。楊光等基于加拿大火險天氣指標(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,通過異速生長方程,對典型林分喬木的干、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]。漠河位于中國的最北部，面積18233km2，是國家重要森林基地，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)域森林火險等級的逐日滾動預(yù)報問題，定義了森林火險等級的客觀標(biāo)準(zhǔn)，提出利用卡爾曼濾波原理預(yù)報森林火險等級的方法，并根據(jù)相似預(yù)報原理制作的逐日降水預(yù)報對森林火險等級強(qiáng)度進(jìn)行客觀訂正。經(jīng)過兩年的試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法預(yù)報效果較好。

1 卡爾曼濾波方法制作森林火險等級預(yù)報

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)，可借助于前時刻的濾波結(jié)果，遞推出現(xiàn)時刻的狀態(tài)估計量，大大減少了存儲量和計算量。我國數(shù)值預(yù)報發(fā)展迅速，但氣象臺站積累足夠供建立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)報值而得到它的最佳估算值，以此提高下一時刻的預(yù)報精度，這對提高預(yù)報精度具有重要的現(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，是一種能較快適應(yīng)數(shù)值預(yù)報模式經(jīng)常變化的統(tǒng)計預(yù)報方法，它通過建立可變的預(yù)報模式，利用上一次預(yù)報誤差的反饋信息來修正原預(yù)報模式中的參數(shù)，從而克服MOS預(yù)報方程中系數(shù)固定不變而產(chǎn)生較大的預(yù)報誤差的缺陷。國內(nèi)已有多人將卡爾曼濾波方法應(yīng)用于天氣預(yù)報制作中[9-10]。重慶市氣象部門于 2002年完成了“利用卡爾曼濾波方法預(yù)報三峽庫區(qū)中期森林火險等級研究”,并運(yùn)行森林火險預(yù)測業(yè)務(wù)中[11]。

在漠河區(qū)域選擇火險預(yù)報因子時，發(fā)現(xiàn)20時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 兩個格點(diǎn)的850hpa溫度預(yù)報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，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)報因子。

根據(jù)卡爾曼濾波的原理，首先整理出連續(xù)2個月的歷史資料，然后采用逐步回歸方法建立初始預(yù)報方程。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)報方程時，按照漠河區(qū)域的林區(qū)分布和氣候特點(diǎn)劃分為4個區(qū)域，并在每個區(qū)域分別選取預(yù)報代表點(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，對初始預(yù)報方程進(jìn)行一段時間的適應(yīng)就可以得到各區(qū)域的最高溫度預(yù)報方程。初始預(yù)報方程建立以后，就可以進(jìn)行實(shí)際預(yù)報。首先提取上述4個區(qū)域所需資料，接著進(jìn)行各自的遞推計算，得到新的訂正后的回歸系數(shù)和誤差并加以保存，以便作為下一時刻t+△t(△t為預(yù)報時效)運(yùn)行遞推系統(tǒng)的輸入信息，然后根據(jù)訂正后的預(yù)報方程分別作出各區(qū)域未來(1～5d)最高氣溫預(yù)報。每天都如此反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報方程的更新。

2 降水預(yù)報對森林火險等級的訂正

2.1 環(huán)流相似預(yù)報方法

環(huán)流相似預(yù)報降水的基本思路是，首先選取描述大尺度環(huán)流背景的 ECMWF500hpa 高度預(yù)報場（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算所選取范圍內(nèi)高度場與歷史同期樣本之間的距離，選出距離最小的前30個相似樣本；然后將所選取的范圍進(jìn)一步縮小（25～40°N，95～115°E），以提取對漠河區(qū)域天氣有直接影響的天氣尺度系統(tǒng)特征，對經(jīng)過第一次過濾的30個樣本求其距離，選取最相似的前10個樣本；最后選取西林吉附近兩個格點(diǎn)上的ECMWF850hpa溫度預(yù)報值（30°N、105°E，30°N、110°E），再對上述 10 個樣本計算絕對距離，確定出最佳相似樣本。

挑選出最佳相似樣本后，將該樣本所對應(yīng)的實(shí)況天氣作為該時次的預(yù)報值，其輸出結(jié)果是各區(qū)域未來1～5天逐日面雨量等級：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)報訂正森林火險等級

研究表明，自然降水對森林火災(zāi)有較大抑制作用，在預(yù)報森林火險等級時必須充分考慮降水因素[1]。另一方面，采用前面的方法預(yù)報森林火險等級時，對出現(xiàn)無明顯降溫的降水過程時，容易造成火險等級預(yù)報偏強(qiáng)的情況。因此，有必要利用降水預(yù)報對森林火險等級預(yù)報進(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)定出火險等級。當(dāng)預(yù)報某日某區(qū)域有小雨時，其森林火險降低一級；當(dāng)預(yù)報某日某地有中雨以上降水時，該日森林火險降低2級，次日的森林火險降低1級。這樣就對卡爾曼濾波方法預(yù)報的森林火險進(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)報漠河區(qū)域森林火險等級的準(zhǔn)確率均達(dá)到67%以上，其中24、48和120h預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到70%～80%，從各區(qū)域預(yù)報情況來看，除東部72～96h預(yù)報效果稍差一些外，其它區(qū)域各時次的預(yù)報均達(dá)到70%以上，說明該方法對漠河各區(qū)森林火險等級有較強(qiáng)預(yù)報能力。進(jìn)一步分析可知，采用降水預(yù)報訂正后，其預(yù)報準(zhǔn)確率普遍提高3%～6%，多數(shù)時次預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到70%以上，說明引入降水預(yù)報對森林火險等級的訂正效果較好。

4 結(jié)束語

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段內(nèi)，采用最高氣溫定義的森林火險等級標(biāo)準(zhǔn)簡便適用，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等級預(yù)報得到簡化。

4.2 數(shù)值預(yù)報可用時效的延長對制作較長時效的降水和溫度預(yù)報提供了可能，進(jìn)而大大提高了森林火險等級預(yù)報的準(zhǔn)確性和延長了森林火險等級預(yù)報的時效。

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[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,2012,40(12):78-82,100.

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