基于卡尔曼滤波方法对漠河森林火险等级预报的研究.doc

基于卡尔曼滤波方法对漠河森林火险等级预报的研究 张金勇吴树森李冰许丽玲 （漠河县气象局，黑龙江漠河165300） 【摘要】根据卡尔曼滤波的原理，按照漠河区域的林区分布和气候特点划分为4个区域，采用最高气温定义森林火险等级，确定各区域未来15d逐日森林火险等级，并根据逐日降水预报进行客观订正。经过2年的试验结果表明，运用卡尔曼滤波方法预报漠河区域森林火险等级的准确率均达到67%以上，效果较好。 关键词漠河；森林火险；卡尔曼滤波；预报方法 0引言 森林是国家的重要资源，保护森林资源，开展森林火险等级预报，是预防森林火灾发生的重要手段。国内众多气象和防火专家对森林火险、火灾及其影响因子进行了广泛的研究1-4。一些省市县建立了适合本地的林火预报模型(方法)和火险等级预报系统5。杨光等基于加拿大火险天气指标系统,研究了1971xx年间大兴安岭漠河县林火行为指标的变化特征6。胡同欣等利用大兴安岭塔河林业局实地森林调查资料,通过异速生长方程,对典型林分乔木的干、枝、叶、皮的活可燃物载量进行估算，提出了相应的林火管理策略7。漠河位于中国的最北部，面积18233km2，是国家重要森林基地，每年都有不同程度的森林火情或火灾发生，并造成重大经济损失，在一定程度上制约了漠河经济的发展、生态环境的改善。本文针漠河区域森林火险等级的逐日滚动预报问题，定义了森林火险等级的客观标准，提出利用卡尔曼滤波原理预报森林火险等级的方法，并根据相似预报原理制作的逐日降水预报对森林火险等级强度进行客观订正。经过两年的试验结果表明，该方法预报效果较好。 1卡尔曼滤波方法制作森林火险等级预报 卡尔曼，匈牙利数学家，1960年发表了论文ANewApproachtoLinearFilteringandPredictionProblems。卡尔曼滤波方法是一种递推式滤波方法，它的突出优点是：不需要保存全部历史资料数据，可借助于前时刻的滤波结果，递推出现时刻的状态估计量，大大减少了存储量和计算量。我国数值预报发展迅速，但气象台站积累足够供建立MOS方程使用的数值产品历史资料比较困难。采用卡尔曼滤波方法，可以处理一系列带有误差的预报值而得到它的最佳估算值，以此提高下一时刻的预报精度，这对提高预报精度具有重要的现实意义8。卡尔曼滤波方法在天气预报领域中主要用于制作温度等连续性气象要素的预报，是一种能较快适应数值预报模式经常变化的统计预报方法，它通过建立可变的预报模式，利用上一次预报误差的反馈信息来修正原预报模式中的参数，从而克服MOS预报方程中系数固定不变而产生较大的预报误差的缺陷。国内已有多人将卡尔曼滤波方法应用于天气预报制作中9-10。重庆市气象部门于xx年完成了“利用卡尔曼滤波方法预报三峡库区中期森林火险等级研究”,并运行森林火险预测业务中11。 在漠河区域选择火险预报因子时，发现20时850hpa气温与当日最高气温的相关系数在0.9以上（信度检验达到0.001）。进一步分析和检验发现，欧洲中心105N、30E和110N、30E两个格点的850hpa温度预报可以很好地代表漠河区域850hpa温度实况的变化，特别是3d以内的预报，准确率在80%以上。因此，可以把它们作为地面最高气温的预报因子。 根据卡尔曼滤波的原理，首先出连续2个月的历史资料，然后采用逐步回归方法建立初始预报方程。确定出W和V的值，并得到初始回归方程的系数。在建立温度预报方程时，按照漠河区域的林区分布和气候特点划分为4个区域，并在每个区域分别选取预报代表点(北极村、西林吉、富克山、阿木尔分别代表北部、中部、西南部和东部)，根据卡尔曼滤波的自适应原理，对初始预报方程进行一段时间的适应就可以得到各区域的最高温度预报方程。初始预报方程建立以后，就可以进行实际预报。首先提取上述4个区域所需资料，接着进行各自的递推计算，得到新的订正后的回归系数和误差并加以保存，以便作为下一时刻t+t(t为预报时效)运行递推系统的输入信息，然后根据订正后的预报方程分别作出各区域未来(15d)最高气温预报。每天都如此反复循环，实现预报方程的更新。 2降水预报对森林火险等级的订正 2.1环流相似预报方法 环流相似预报降水的基本思路是，首先选取描述大尺度环流背景的ECMWF500hpa高度预报场（2060N，60120E），沿纬向作标准化处理，利用欧氏距离公式计算所选取范围内高度场与历史同期样本之间的距离，选出距离最小的前30个相似样本；然后将所选取的范围进一步缩小（2540N，95115E），以提取对漠河区域天气有直接影响的天气尺度系统特征，对经过第一次过滤的30个样本求其距离，选取最相似的前10个样本；最后选取西林吉附近两个格点上的ECMWF850hpa温度预报值（30N、105E，30N、110E），再对上述10个样本计算绝对距离，确定出最佳相似样本。 挑选出最佳相似样本后，将该样本所对应的实况天气作为该时次的预报值，其输出结果是各区域未来15天逐日面雨量等级：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利用降水预报订正森林火险等级 研究表明，自然降水对森林火灾有较大抑制作用，在预报森林火险等级时必须充分考虑降水因素1。另一方面，采用前面的方法预报森林火险等级时，对出现无明显降温的降水过程时，容易造成火险等级预报偏强的情况。因此，有必要利用降水预报对森林火险等级预报进行订正。根据降水与森林火灾的负相关关系，可以规定出火险等级。当预报某日某区域有小雨时，其森林火险降低一级；当预报某日某地有中雨以上降水时，该日森林火险降低2级，次日的森林火险降低1级。这样就对卡尔曼滤波方法预报的森林火险进行了有效的订正。 3结果检验 检验结果表明，卡尔曼滤波方法预报漠河区域森林火险等级的准确率均达到67%以上，其中24、48和120h预报准确率达到70%80%，从各区域预报情况来看，除东部7296h预报效果稍差一些外，其它区域各时次的预报均达到70%以上，说明该方法对漠河各区森林火险等级有较强预报能力。进一步分析可知，采用降水预报订正后，其预报准确率普遍提高3%6%，多数时次预报准确率达到70%以上，说明引入降水预报对森林火险等级的订正效果较好。 4结束语 4.1漠河区域森林火灾多发生在气温高、湿度小的连晴少雨时段内，采用最高气温定义的森林火险等级标准简便适用，且较客观，不仅适用于不同季节和不同区域，而且可以使森林火险等级预报得到简化。 4.2数值预报可用时效的延长对制作较长时效的降水和温度预报提供了可能，进而大大提高了森林火险等级预报的准确性和延长了森林火险等级预报的时效。 参考文献 1舒立福,张小罗,戴兴安.林火研究综述():林火预测预报J.世界林业研究,xx,16(4):34-37. 2邸雪颖.林火预报学M.哈尔滨:东北林业大学出版社,1990:2-10. 3狄丽颖,孙仁义.中国森林火灾研究综述J.灾害学,xx,22(4):118-123. 4王景华,龙先华,李德,等.基于GIS的四川省森林火灾空间分布特征J.东北林业大学学报,xx,40(9):51-56. 5闫敏慧,梅其珍,徐月.黑龙江省多因子综合森林火险预报业务系统J.黑龙江气象,xx,27(3):18-20. 6杨光,邸雪颖,舒立福.近40a大兴安岭漠河县林火行为指标变化特征J.东北林业大学学报,xx,40(12):78-82,100. 7胡同欣,鲁佳宇,魏书精,等.大兴安岭塔河典型林分可燃物载量估算J.东北林业大学学报,xx,41(12):52-55. 8南京信息工程大学气象台.卡尔曼滤波方法应用EB/OL.百度,xx-05-19.wenku.baidu./link?url=at1EUmvQUFOKHLe1L6mNZKXXCm4IP8ylpN1YvfftkDEU3yqVOchoUo7O0kbxA8VJDFB6DxGt43Nt_3o65e7tMOXI-LpkdN_8uLvXQ4ezn6u.xx-08-20. 9黄嘉佑,谢庄.卡尔曼滤波在天气预报中的应用J.气象,1993,19(4):3-7. 10陈雷,刘开福,李英.卡尔曼滤波在短期气候预测中的应用J.气象,xx,27(10):42-45. 11唐云辉