基于随机性元胞自动机模型的森林地表火蔓延风险预测方法

森林地表火蔓延模型研究是林火行为预报的理论基础，一直是森林火灾领域的研究热点。迄今的模型对林区立地条件和环境条件参数均采用统计平均值，未考虑实际参量的局部变化，给火场扩展模拟预测的结果带来系统误差。本项目拟发展一种基于随机性元胞自动机的火蔓延风险预测模型。首先对林区立地条件和环境条件随机性变化规律进行实地观测，建立合理的随机概率分布来表征和描述；依托现有的实验条件，对复杂条件的随机性对火行为的影响进行实验模拟研究，并提出改进的火蔓延速度模型；在此基础上建立新的元胞状态演化规则，建立随机性迭代方法来模拟参量的局部变化；最终建立基于随机性元胞自动机模型的火蔓延风险预测方法，给出的预测结果是林区范围内每个格网的火蔓延风险概率分布，更适合火灾扑救决策的实际需求。项目成果有明确的应用前景，将为林火预测预报提供基础实验数据和科学方法，对加强森林防火、保护宝贵而有限的森林资源具有重要意义。

森林地表火蔓延模型研究是林火行为预报的理论基础，一直是森林火灾领域的研究热点。迄今的模型对林区立地条件和环境条件参数均采用统计平均值，未考虑实际参量的局部变化，给火场扩展模拟预测的结果带来系统误差。本项目发展了一种基于随机性元胞自动机的火蔓延风险预测模型。首先对林区立地条件和环境条件随机性变化规律进行实地观测，发展了一种基于聚类分析的根据林分因子估算地表可燃物载量随机性分布的方法，对大兴安岭地区样地的树龄、郁闭度、胸径、树高等林分因子采用重心法进行系统聚类分析，建立了可燃物载量与林分因子的对应关系；考虑郁闭度影响建立了森林细小可燃物含水率预测模型，模型能够有效降低因郁闭度差异带来的预测误差，同时可直接采用气象预报数据进行计算，有更强的适用性；研制大型可调坡度燃烧平台，开展松针线形地表上坡火蔓延模拟实验，引入了依据燃烧消耗程度的修正因子，获得了对于上坡火蔓延速率较好的预测效果，在大坡度条件下明显优于国际已有模型；开展了单树树冠火对其相邻建筑的热辐射规律研究，实验测量不同间距情况下建筑物不同高度位置的辐射热流密度，并在前人圆柱火焰模型的基础上提出了分层圆柱火焰模型，揭示了树冠火辐射热流密度随高度和距离的增加而递减的变化规律；研究了基于蒙特卡罗算法的随机过程仿真方法，并用于对一种连锁性的多米诺过程进行仿真模拟；建立基于随机性元胞自动机的森林火灾地表火预测模型，提出尺度自适应计算方法解决计算精度和效率的矛盾，实现对复杂三维地形和复杂气象条件下大范围林区地表火蔓延的实时预测预报。开发森林地表火预测软件。. 项目完成发表论文8篇，其中SCI、EI收录论文4篇；培养博士生1人，硕士生4人；申请专利2项，获实用新型专利1项，获软件著作权1项，认定科技成果1项，获林学领域最高奖励梁希林业科学技术奖二等奖1项。项目成果为林火预测预报提供了基础实验数据、科学方法和工程软件，对加强森林防火、保护宝贵而有限的森林资源具有重要应用价值。