基于多元化观测手段的森林火灾应急气象服务研究——以凉山州为例

王 霄，陈文龙，黄 欣，刘群山，谢 冬，程晓龙

1.凉山州气象局，四川凉山 615000； 2.会东县气象局，四川会东 615200；3.中国气象局 成都高原气象研究所，四川成都 610072

森林火灾的发生与气候背景有关，气象因子是森林火灾发生发展的决定性因素之一[1]。凉山州地处青藏高原东南缘，地形以山脉和河谷为主，亚热带季风气候特征显著，干湿季分明，春季午后多偏南大风，升温迅速，导致森林火灾多发、突发、重发，对凉山经济社会发展造成严重的影响。例如，2019年木里县雅砻江镇“3·30”森林火灾、2019年冕宁县腊窝乡“4·7”森林火灾和2020年西昌市泸山“3·30”森林火灾等，其中，西昌泸山“3·30”森林火灾过火总面积约30.48 km2，受害森林面积约7.92 km2，造成直接经济损失9 731.12万元。气象部门针对森林草原防灭火气象服务保障做了很多工作，并进行了大量研究分析[2-13]。结果表明，森林草原防灭火离不开气象服务保驾护航。通过多元化开展应急气象观测，全面提高森林草原防灭火应急气象服务保障能力水平，有效避免和减轻森林草原火灾造成的损失，为凉山森林草原防灭火工作作贡献。

1 凉山州概况

凉山州作为四川省三大重点林区之一，近年来牢固树立“绿水青山就是金山银山”理念，积极加强林区生态环境保护，大力实施生态脆弱区修复等项目，筑牢凉山生态屏障。截至2021年9月，全州林地面积达40 050 km2，森林覆盖率51%[14]。在取得显著成绩的同时，森林草原防灭火仍面临严峻形势。据统计，凉山州林区可燃物负荷量达4 000万 t，3—4月森林火险等级居高不下，此期间雷电、大风等灾害性天气极易引发山火，叠加高坡度和峡谷地形极易造成爆燃火，复杂地形限制人员和装备机动性等导致火灾扑救极为困难[15]。2019—2022年发生的森林火灾高达66起，其中2019年有39起，森林火灾集中分布在西昌、冕宁、喜德、盐源、木里等县（市）（图1）。

图1 2019—2022年凉山州森林火灾分布点

近年来，凉山州气象局多渠道发力，提高森林草原防灭火应急气象服务保障能力。与相关部门建立了协作机制，联合州应急管理局和州林草局发布森林草原火险预警信息，森林火灾发生时，开展应急气象观测，监测预报火场风力、风向、温度、湿度等气象要素，为前线扑火决策指挥提供科学依据；成立了森林草原防灭火气象保障领导小组，负责全州森林草原防灭火气象保障工作的组织协调；制定了《凉山州森林草原防火气象服务方案》和《凉山州气象局森林草原火灾应急预案（试行）》，推动森林草原防灭火应急气象服务保障各项工作有序开展；成立了气象应急服务先锋队，下设综合协调、应急气象观测、移动激光测风雷达等9个组，进一步细化了职能职责；通过开展业务培训、历次森林火灾应急气象服务总结复盘交流等手段，不断提高队伍业务素养；新增了车载X波段天气雷达1部、移动激光测风雷达1部、应急气象观测站20套、WR-1D型车载火箭增雨系统19套，进一步提升了应急气象服务能力。

2 应急气象观测

2.1 应急自动气象站

2.1.1 设备调试在用的应急自动气象站有3种，分别为无锡DZB4型、天津DZB2型和华云CAWS620-MS型六要素应急自动气象站。前期应完成设备调试工作，包括采集器设置、通讯参数设置、中心站设置等，确保第一时间在前线开展应急观测。

调试前，应选择正确的串口通讯参数，一般情况下波特率为9 600、校验位None、数据位8、停止位1。由于无锡DZB4型通信模块未嵌入采集器，需要单独对其进行设置，其余2种设备通信参数均在采集器中设置。采集器参数主要包括区站号、经纬度、海拔高度、气压传感器海拔高度、报警参数等，通信参数主要包括主传IP及端口、辅助IP及端口、通信方式等，中心站除设置观测要素、站点名称、站址、仪器厂商、型号等信息之外，还需根据应急站型号选择对应的数据宏格式，确保数据解析正确，然后进行站点数据库配置（图2）。

图2 采集器、通信模块及中心站参数设置界面

2.1.2 测试及安装调试完毕后应进行设备测试。将SIM卡装入采集器卡槽，连接各要素传感器至采集器信号线缆，将太阳能板、电池、采集器线缆接入电源控制器对应接口，查看采集器、电源控制器指示灯，判断采集器是否工作正常、太阳能板充电是否正常、电池电压是否过低。将笔记本电脑连接至采集器，查看各传感器观测数据是否正常，如有异常，检查线缆连接是否正确，对应要素传感器是否故障，需要注意的是，静风情况下可通过人为转动风向风速传感器判断是否故障，降水量可通过人为翻动计数翻斗以查看干簧管是否损坏。查看中心站是否正常接收数据，如站点未正常上线或数据异常，检查SIM卡是否松动、中心站参数设置是否正确、是否选择了正确的数据宏格式等。

抵达前线时，应综合考虑太阳能充电、风速风向无遮挡等综合因素，选择火场附近最具代表性的开阔地带安装应急自动气象站，GRPS信号弱时，加装北斗气象通信终端。安装时需注意以下事项：一是北斗安装方向朝南；二是避免太阳能板和电池正负极接触造成短路；三是雨量传感器和三脚架安装时需调至水平；四是电源线正负极线序必须正确，以免造成采集器损坏。

安装完毕后，可现场连接采集器读取实时观测数据、小时历史数据等，为前线作出扑火决策提供科学依据。通过中心站客户端也可调取火场气象数据，制作短期、短时、临近专题天气预报等气象服务产品。

2.2 车载X波段天气雷达

YLD1-D型车载全固态X波段双偏振多普勒天气雷达采用模块化设计，主要由雷达系统、气象观测模块、通信网络、配电系统、综合保障部分、雷达升降平台等组成，采用升降式安装方式，工作时升出舱外，行车时收回舱内。有效监测距离为300 km，能定量探测150 km内，高度24 km内的云体、暴雨、冰雹、大面积降雨等天气现象。其在凉山州森林草原防灭火应急气象服务、人工增雨作业和雷达区域补盲等领域发挥了重要作用。

2.2.1 前期准备工作前期应进行设备定期维护保养工作，确保雷达整车在前线及时开展应急观测。一是依托机内故障检测与标定系统完成雷达初始检查。二是检查天馈线系统各连接部位有无松动，并清洁反射面、馈源辐射口及防护罩，以免影响电磁波的辐射与接收。三是伺服间隙检查、伺服指向精度和齿轮磨损检查、水平校准等。四是进行收发机箱的发射机、频率源、接收机、标定单元等功能检查。五是终端操控与信号处理系统软件功能检查，主要包含软件是否正常、控制是否有效、数据有无丢包等。六是检查发电机机油和柴油是否充足，按技术要求定期对雷达车电瓶和UPS进行充放电维护、电压和电流检查。

2.2.2 架设及开机测试到达指定指点后，加电前将工作地和避雷地连接外接地锚，启动发电机进行整车加电，闭合UPS供电开关、“稳压电源”开关，通过“电压测量”按钮查看输出电压是否稳定，打开电源控制板面板上的“总开关”“设备总开”“直流总开”“自动调平系统开关”，进行整车调平，调整雷达车电动支撑腿，完成后关闭自动调平系统，切断直流总开电源。打开“升降平台”供电开关，雷达自动升出舱外，启动两台雷达控制计算机，待“雷达信号处理终端SP”“雷达控制终端CT”及“雷达产品终端PT”软件状态显示窗口全部指示灯变绿后，在“雷达控制终端”CT软件中进行“方位定北”，完成后即可执行VCP21模式进行体扫观测。雷达数据采集和产品处理完成后，可在后方固定终端进行数据到报时效性检查和观测数据查看，前线可通过车载双极化天气雷达用户终端实时查看观测数据，为实施人工增雨和专业气象服务提供依据（图3）。

图3 车载雷达信号处理终端和产品终端界面

2.3 移动激光测风雷达

YW-LR型移动激光测风雷达由雷达系统、软件系统、供电系统、可调平承载三角支架和载车组成。前期应对其进行参数设置，包含网络配置、扫描方式等。其中，Ppi为固定仰角水平扫描模式，Rhi为固定方位角，在所选仰角范围内上下扫描模式，可根据实际情况在软件内修改参数调整初始定位角度。应选择火场附近相对平坦开阔、无高大障碍物的地点架设移动激光测风雷达，且观测主要方向0°仰角以上无主要障碍物和光学敏感设备。使用地钉和拉线固定好三脚架后，将GPRS天线连接雷达、雷达供电线缆及通讯光纤接入电源控制箱，待发电机运行1 min后与电源控制箱连接，打开雷达控制终端软件，点击运行，即可在控制终端实时监测径向速度、风速风向轮廓等雷达数据（图4）。通过控制终端软件上传雷达数据，即可在远程PC端和手机移动端实时查看观测产品和雷达运行状态。

图4 激光测风雷达产品显示界面

3 森林防灭火天气预报

天气预报是森林防灭火气象服务的核心，能够为政府制定科学的防灭火方案和决策提供重要的技术支撑。制作森林防灭火天气预报的实况资料，除来自应急自动气象站、移动雷达的观测资料之外，常规地面和高空观测资料、气象卫星和天气雷达产品等也是制作天气预报的实况基础，数值预报产品是制作天气预报的核心资料。根据森林防灭火工作对天气预报时长的需求，可将森林防灭火专题天气预报分为短期预报、短时和临近预报。相比于常规的天气预报，森林防灭火天气预报更加关注风力和风向的预报。

3.1 天气实况资料获取

在气象专网通畅的情况下，可通过MICAPS和若干气象业务网站获取高空、地面天气图，以及气象卫星、天气雷达产品等实况资料；而在只有普通互联网的情况下则可以通过中国气象部门和国外气象公司的网站获取各种实况资料（表1）。

表1 天气实况资料的获取途径

3.2 数值天气预报产品获取

在气象专网通畅的情况下，可通过MICAPS和若干气象业务网站获取数值预报产品；而在只有普通互联网的情况下，可以通过中国气象部门和国外气象公司的网站获取各种实况资料（表2）。

表2 数值预报产品获取途径

3.3 不同时长的天气预报

森林防灭火短期天气预报的时长通常为24 h，时间间隔为1~3 h；短时天气预报的时长通常为6 h，时间间隔为1 h；短期天气预报的时长通常为1～2 h。这些不同时长的天气预报的气象要素均包括天气现象、降水量、气温、相对湿度、平均风力风向、极大风力风向。短期天气预报较多参考数值预报产品，可为森林防灭火，以及人工增雨装备和人员的部署提供更多时间提前量的参考；短时天气预报要综合天气实况和数值预报产品，其是对短期天气预报的补充和订正；临近天气预报主要依靠各种气象实况资料进行经验外推，近年来也有不少基于多种实况资料的临近预报产品，其是对短期预报和短时预报的及时补充和订正，能为森林防灭火工作提供最精确的预报结论。

4 结论与讨论

充分依托DZB4型、DZB2型、CAW S620-MS型六要素应急自动气象站，YLD1-D型车载全固态X波段双偏振多普勒天气雷达，YW-LR型移动激光测风雷达多元化开展应急气象观测，为前线指挥部作出扑火决策、开展人工增雨作业、制作森林防灭火天气预报提供充分依据。同时在不同网络环境下，充分利用好各种天气实况资料和数值预报产品制作森林防灭火天气预报，全面提高凉山州森林草原防灭火应急气象服务保障能力水平，有效避免和减轻森林草原火灾造成的损失，为凉山森林草原防灭火工作贡献气象力量。