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        甘肅省隴南市森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)研究

        2021-02-07 03:32:42蘇軍鋒黃應(yīng)文
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:火險(xiǎn)林火隴南

        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(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)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(jí)別的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)工作,使中國森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)業(yè)務(wù)有了飛躍式的發(fā)展,帶動(dòng)了各省(市、自治區(qū))的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的發(fā)展,預(yù)報(bào)水平和技術(shù)大輻度提高,但因觀測(cè)站點(diǎn)、交通不便等各方面因素的限制,預(yù)報(bào)方式仍以大范圍站點(diǎn)和區(qū)域預(yù)報(bào)為主[1-7]。這種預(yù)報(bào)模式下的預(yù)報(bào)結(jié)果與西方發(fā)達(dá)國家[8-12]基于網(wǎng)格的森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)結(jié)果相比,其預(yù)報(bào)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(xì)化、高準(zhǔn)確度的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)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(dòng)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(xiǎn)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(xiǎn)氣象預(yù)報(bào)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(duì)隴南市森林火災(zāi)特征空間分布及火險(xiǎn)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行研究,利用智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)結(jié)果積極開展森林火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作,保護(hù)和發(fā)展現(xiàn)有森林,對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)乃至長(zhǎng)江中下游人民生命財(cái)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(duì)濕度等氣象要素值。數(shù)值網(wǎng)格預(yù)報(bào)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(tái)下發(fā)的全省智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品,該產(chǎn)品的空間分辨率達(dá)到5 km×5 km。甘肅省氣象局中心氣象臺(tái)智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品是由國家氣象中心基于主客觀融合預(yù)報(bào)、采用精細(xì)化地理信息的插值分析以及區(qū)域建模預(yù)報(bào)等技術(shù)方法研發(fā)的中國區(qū)域格點(diǎn)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品,預(yù)報(bào)時(shí)效為240 h、時(shí)間分辨率為3 h,在時(shí)間分變率和空間分辨率上有很大的提高,使天氣預(yù)報(bào)更精準(zhǔn)。

        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(shì),尤其是從2010 年以來火險(xiǎn)等級(jí)日趨升高,說明研究區(qū)域火災(zāi)預(yù)防形勢(shì)十分嚴(yán)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)將森林分布插值計(jì)算,得到隴南市用于柵格圖形計(jì)算值。shpfile 格式計(jì)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(xiǎn)指標(biāo)靜、動(dòng)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的近十年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(GDP)數(shù)據(jù)庫和人口分布數(shù)量庫,經(jīng)濟(jì)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(jìn)行空間殘差處理,使用柵格計(jì)算器對(duì)各要素值進(jìn)行計(jì)算,得到該計(jì)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(jìn)行空間分析疊加,得到該要素的實(shí)際空間分布[13-15],計(jì)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(zhǔn)《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)GB∕T36743—2018》,可知與林火發(fā)生蔓延的因素有:氣溫、相對(duì)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(duì)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(zhǎng)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?dú)庀笠蜃?,風(fēng)速較大時(shí),火場(chǎng)易蔓延擴(kuò)大,危險(xiǎn)性增加,蒸發(fā)量越大,日照時(shí)數(shù)越長(zhǎng),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(shí)地要素值分析及專家評(píng)估,年平均氣溫、年均降水量、年日照時(shí)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?dú)庀笠蜃印kS著各氣象因子的變化,對(duì)林火的影響范圍及危險(xiǎn)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(dòng)態(tài)因子進(jìn)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(dòng)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(xiǎn)綜合因子等級(jí)分布圖 森林火險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)價(jià)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(jì)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(gè)要素不同的權(quán)重系數(shù)分界值和火險(xiǎn)等級(jí)(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(jí)邊界行政點(diǎn)及森林分布的矢量數(shù)據(jù),推算出每個(gè)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(xiǎn)等級(jí)

        利用ArcGIS 10.0 軟件將動(dòng)靜態(tài)因子進(jìn)行疊加,疊加時(shí)使用柵格計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算,最后得到動(dòng)態(tài)因子與靜態(tài)因子綜合疊加計(jì)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(shí)數(shù)、年最小相對(duì)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(jìn)行圖層顯示、分類、美化,最后生成研究區(qū)內(nèi)精細(xì)化森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)區(qū)劃(圖6),將火險(xiǎn)氣象等級(jí)劃分為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(一級(jí))、次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(二級(jí))、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(三級(jí))、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(四級(jí))、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(五級(jí))五級(jí)。

        圖6 隴南市森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)綜合因子區(qū)劃

        2 森林火險(xiǎn)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)模型建立

        森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)的背景場(chǎng)是采用甘肅省中心氣象臺(tái)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)結(jié)果,空間分辨率為0.05°。預(yù)報(bào)因子參考《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)GB∕T 36743—2018》[16],森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)[17,18]計(jì)算公式:

        FFDI為基于各因子的火險(xiǎn)指數(shù)加權(quán)得到的,綜合火險(xiǎn)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(duì)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(xiǎn)氣象因子對(duì)應(yīng)的火險(xiǎn)指數(shù)(表2)。

        按照《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn),將森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)由低至高分為5 個(gè)等級(jí):低、較低、較高、高、極高。森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)程度、易燃程度、蔓延程度如表3 所示。

        3 森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)效果分析

        對(duì)靜態(tài)因子、動(dòng)態(tài)因子進(jìn)行分析,繪制隴南市森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)分布區(qū)劃圖,建立智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)模型,并根據(jù)高精度的智能網(wǎng)格預(yù)報(bào),實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào),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(jì)發(fā)展水平略高于其他地區(qū)。結(jié)合整體靜態(tài)因子、動(dòng)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(bào)結(jié)果來看,1 月中下旬開始隴南市降水異常偏少,旱情嚴(yán)重,森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)居高不下,高森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)主要集中在 1 月18—25日,智能網(wǎng)格模型預(yù)報(bào)結(jié)果顯示(圖7)與隴南市森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)區(qū)劃結(jié)果及高火險(xiǎn)發(fā)生點(diǎn)的空間分布、時(shí)間變化基本一致。

        表2 森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)

        表3 森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

        同時(shí),通過對(duì) 1 月 29 日—2 月 5 日 8 d 的模型進(jìn)行逐日檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在70%以上(表4)。說明智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)模型命中概率較高,隨著動(dòng)態(tài)氣象因子背景場(chǎng)的變化,智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)結(jié)果也在不斷變化,對(duì)火險(xiǎn)氣象條件的判定結(jié)果也逐漸提升,對(duì)隴南市森林火險(xiǎn)的發(fā)生預(yù)測(cè)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(xiǎn)氣象等級(jí)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)

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

        4 結(jié)論

        1)本研究利用人口分布密度、經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(xiǎn)氣象等級(jí)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(xiǎn)頻次及等級(jí),此區(qū)劃圖對(duì)于決策及火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的指揮謀劃有很好的參考價(jià)值。

        2)用于智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)的計(jì)算模型選用的是2018 年國家林業(yè)局下發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)GB∕T 36743—2018》,最終選定影響林火發(fā)生蔓延的主要?dú)庀笠蜃佑衅骄鶜鉁亍⑵骄邓?、連旱天數(shù)、平均風(fēng)速、最小相對(duì)濕度。將各個(gè)影響因子加權(quán)得到火險(xiǎn)氣象指數(shù)FFDI,并通過有效降水量來訂正FFDI,確定森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)的劃分,并對(duì)各等級(jí)可能發(fā)生的火災(zāi)程度及未來發(fā)展蔓延程度進(jìn)行描述分類。

        3)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)了從站點(diǎn)到格點(diǎn)的全新變革,產(chǎn)品空間分辨率5 km,預(yù)報(bào)時(shí)效為10 d,使政府及相關(guān)部門隨時(shí)獲取基于具體位置的專業(yè)化、精細(xì)化的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品,為精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)指揮、精準(zhǔn)防御提供了科學(xué)有力的支撐,在隴南市森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)短中期無縫隙精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)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(bào)模型未考慮林區(qū)內(nèi)各植被的類型及生長(zhǎng)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(cè)產(chǎn)品也應(yīng)用到火險(xiǎn)預(yù)報(bào)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(bào)預(yù)測(cè)更加精準(zhǔn)。

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