集合卡曼滤波算法对FARSITE林火蔓延预测的修正效果研究

发布时间：2020-06-29 07:05

【摘要】：森林火灾是一种全球性的灾害现象,各地每年都会有一定数量的森林火灾发生,这些火灾往往规模较大,有时还会形成特大型火灾,控制起来非常困难。火灾不仅会破坏生态系统,还会释放含碳气体形成大面积环境污染,更有可能对人类生命财产造成威胁,每年许多国家在森林火灾管理和扑救上都会投入大量精力。利用计算机仿真模拟技术进行林火预测是提前掌握火灾变化,做好危机防范的重要手段。但森林火灾燃烧机理复杂,其发生发展没有明显规律性,无法进行精确建模。火灾行为受可燃物、地形、气象等多种环境参数的影响,参数的准确获取存在困难,这些都会对预报可信度产生很大影响。本文在给定的火灾案例下,选择FARSITE模拟器作为林火蔓延的仿真工具,以集合卡曼滤波算法作为数据同化方法,开展了动态数据驱动的林火蔓延预测研究,为森林火灾的精准预报提供了新的思路,并主要做了以下两个方面的研究工作:林火蔓延的主要气象因子“风”对集合卡曼滤波算法修正效果的影响研究。本文将火线位置作为待修正参量,针对初始火源位置输入偏差导致的FARSITE火线预测不准确的问题,利用集合卡曼滤波算法同化真实火线观测数据进行动态修正。并在这一过程中加入“风”这一动态数据,研究“风”对算法的修正效果的影响。结果表明:风的存在会加剧预测火线拓扑结构的复杂性,但无论是在无风和还是有风情况下,算法都能降低预测偏差,对火线位置和形态进行有效修正;当输入误差由火源位置这一个变为火源位置和风两个参数都存在误差时,算法修正能力下降,状态变量的均方根误差值曲线由持续下降变为波动状态,后者的火线修正结果不能很好反映系统的真实状态。集合卡曼滤波算法参数对修正效果的影响研究。通过控制变量法分别研究了算法中的几个关键参数:集合元素个数,观测数据标准差及同化频率对FARSITE预测偏差的修正效果的影响。改变参数取值,从火线输出图,火线位置状态变量的均方根误差值、距离指标这几个方面比较同化前后结果的差异。结合多个维度的分析结果进行相关性讨论,总结出算法参数在同化过程中的作用机制,得到参数取值对修正效果的影响规律。研究可为集合同化的参数分析和同化方案的设计提供借鉴。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S762.2
【图文】：

森林燃烧

常不发生森林火灾。这是因为此时正值雨季，森林植被处于快速生长期，蒸腾作逡逑用旺盛，体内含有大量水分。因此在“火三角”的基础上用森林燃烧环来解释森逡逑林火灾的燃烧现象。逡逑森林燃烧环的五个要素为：气候区、森林可燃物类型、火源条件、火环境、逡逑火行为。气候区指的是综合某地长期天气规律得到的稳定性的天气状况；森林可逡逑燃物类型，这里包括地下可燃物，地表可燃物和空中可燃物，地下可燃物是指由逡逑松散地被层到林中１米以下空间范围内的所有可以燃烧的物质，地表可燃物包括逡逑苔藓，草本植物，灌木，林木，树叶和林内杂物（风倒木，风折木和虫害木等），逡逑空中可燃物为距地面一定高度以上的燃烧物质，一般以１米为标准，包括林木的逡逑树干、树枝和冠层，空中可燃物的易燃性和数量是决定树冠火能否发生的关键，逡逑森林可燃物类型并不是某一种特定的物质，而是一类物质；凡是能为森林火灾的逡逑发生提供能量的外界热源都可以称之为火源，火源条件可以分为天然火源和人为逡逑火源两大类；火环境指的是土壤、地形、氧气条件、林内局部气候、天气等要素：逡逑林火行为即火灾从孕育、发生、发展直至减弱到最后熄灭的整个过程中所体现的逡逑特性。逡逑

示意图,火点,椭圆,形式

Ｇ．Ｄ．Ｒｉｃｈａｒｄｓ于邋１９９０年将Ｈｕｙｇｅｎｓ方法引入到ＦＡＲＳＩＴＥ模拟器中。ＦＡＲＳＩＴＥ逡逑借助Ｈｕｙｇｅｎｓ波动理论将火灾的空间增长模拟为椭圆波的扩散，在单位时间步长逡逑内，火线上的每个火点都被看作独立火源并以椭圆形式向前蔓延，如图２．２。火逡逑点位于椭圆的一个焦点上，椭圆的形状（ｇ卩ａ／ｂ，ａ／ｃ的值）和方向（即火头前进方向）逡逑由风和坡合成矢量决定，而椭圆大小则由根据Ｒｏｔｈｅｒｍｅｉ模型计算得到的火头蔓逡逑延速度和模拟时间步长决定。火灾以火点为源向四周蔓延时，在风和坡度的合成逡逑矢量方向蔓延速度最快，距离焦点最远，这一部分区域称为火头。靠近焦点的区逡逑域为火尾，它与火头的蔓延方向相反，两侧则为火翼。逡逑风矢量产逡逑二火翼逡逑．？逦火点火头方向、、＞逡逑坡度矢量＼，火翼逡逑图２．２火点的椭圆蔓延形式示意图逡逑按照Ｈｕｙｇｅｎｓ波动理论，同光的传播一样，每个火点都被看作是独立的，并逡逑认为各点间互相干涉很小

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