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，保護森林資源，開展森林火險等級預報，是預防森林火災發(fā)生的重要手段。國內(nèi)眾多氣象和防火專家對森林火險、火災及其影響因子進行了廣泛的研究[1-4]。一些省市縣建立了適合本地的林火預報模型(方法)和火險等級預報系統(tǒng)[5]。楊光等基于加拿大火險天氣指標系統(tǒng),研究了1971—2010年間大興安嶺漠河縣林火行為指標的變化特征[6]。胡同欣等利用大興安嶺塔河林業(yè)局實地森林調(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行估算，提出了相應的林火管理策略[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發(fā)生，并造成重大經(jīng)濟損失，在一定程度上制約了漠河經(jīng)濟的發(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報問題，定義了森林火險等級的客觀標準，提出利用卡爾曼濾波原理預報森林火險等級的方法，并根據(jù)相似預報原理制作的逐日降水預報對森林火險等級強度進行客觀訂正。經(jīng)過兩年的試驗結(jié)果表明，該方法預報效果較好。

1 卡爾曼濾波方法制作森林火險等級預報

卡爾曼，匈牙利數(shù)學家，1960年發(fā)表了論文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》。卡爾曼濾波方法是一種遞推式濾波方法，它的突出優(yōu)點是：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報值而得到它的最佳估算值，以此提高下一時刻的預報精度，這對提高預報精度具有重要的現(xiàn)實意義[8]?？柭鼮V波方法在天氣預報領(lǐng)域中主要用于制作溫度等連續(xù)性氣象要素的預報，是一種能較快適應數(shù)值預報模式經(jīng)常變化的統(tǒng)計預報方法，它通過建立可變的預報模式，利用上一次預報誤差的反饋信息來修正原預報模式中的參數(shù)，從而克服MOS預報方程中系數(shù)固定不變而產(chǎn)生較大的預報誤差的缺陷。國內(nèi)已有多人將卡爾曼濾波方法應用于天氣預報制作中[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報三峽庫區(qū)中期森林火險等級研究”,并運行森林火險預測業(yè)務中[11]。

在漠河區(qū)域選擇火險預報因子時，發(fā)現(xiàn)20時850hpa氣溫與當日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)在0.9以上（信度檢驗達到0.001）。進一步分析和檢驗發(fā)現(xiàn)， 歐洲中心 105°N、30°E 和 110°N、30°E 兩個格點的850hpa溫度預報可以很好地代表漠河區(qū)域850hpa溫度實況的變化，特別是3d以內(nèi)的預報，準確率在80%以上。因此，可以把它們作為地面最高氣溫的預報因子。

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)。在建立溫度預報方程時，按照漠河區(qū)域的林區(qū)分布和氣候特點劃分為4個區(qū)域，并在每個區(qū)域分別選取預報代表點(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原理，對初始預報方程進行一段時間的適應就可以得到各區(qū)域的最高溫度預報方程。初始預報方程建立以后，就可以進行實際預報。首先提取上述4個區(qū)域所需資料，接著進行各自的遞推計算，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為預報時效)運行遞推系統(tǒng)的輸入信息，然后根據(jù)訂正后的預報方程分別作出各區(qū)域未來(1～5d)最高氣溫預報。每天都如此反復循環(huán)，實現(xiàn)預報方程的更新。

2 降水預報對森林火險等級的訂正

2.1 環(huán)流相似預報方法

環(huán)流相似預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 高度預報場（20～60°N，60～120°E），沿緯向作標準化處理，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一步縮?。?5～40°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上的ECMWF850hpa溫度預報值（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，將該樣本所對應的實況天氣作為該時次的預報值，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 利用降水預報訂正森林火險等級

研究表明，自然降水對森林火災有較大抑制作用，在預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報偏強的情況。因此，有必要利用降水預報對森林火險等級預報進行訂正。根據(jù)降水與森林火災的負相關(guān)關(guān)系，可以規(guī)定出火險等級。當預報某日某區(qū)域有小雨時，其森林火險降低一級；當預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報的森林火險進行了有效的訂正。

3 結(jié)果檢驗

檢驗結(jié)果表明，卡爾曼濾波方法預報漠河區(qū)域森林火險等級的準確率均達到67%以上，其中24、48和120h預報準確率達到70%～80%，從各區(qū)域預報情況來看，除東部72～96h預報效果稍差一些外，其它區(qū)域各時次的預報均達到70%以上，說明該方法對漠河各區(qū)森林火險等級有較強預報能力。進一步分析可知，采用降水預報訂正后，其預報準確率普遍提高3%～6%，多數(shù)時次預報準確率達到70%以上，說明引入降水預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準簡便適用，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報得到簡化。

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

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