地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)在預(yù)警中的應(yīng)用

王平波，游 情

（1.山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030024；2.廣州金汀信息科技有限公司，廣東 廣州 510670）

1 引言

山西省地處黃土高原區(qū)，地形高差大，山高坡陡，溝壑縱橫，自然地質(zhì)環(huán)境條件較差，崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，特別是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，人類工程活動(dòng)愈加強(qiáng)烈，修路切坡、削坡建房等造成邊坡失穩(wěn)，引發(fā)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，由此帶來了一定的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ?，地質(zhì)災(zāi)害已成為影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全和阻礙當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

針對山西省地質(zhì)災(zāi)害危害嚴(yán)重的現(xiàn)狀，按照全國《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》的要求及原國土資源部、國家氣象局的統(tǒng)一部署，原山西省國土資源廳與山西省氣象局于2004年起，每年汛期（6—9月）聯(lián)合開展全省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)工作，通過開展地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作，對提高全民的防災(zāi)減災(zāi)意識，減輕以降水為主要誘因的崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，具有非常重要的意義。

2 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法

2.1 預(yù)警等級劃分

地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警涉及的災(zāi)種是因氣象因素引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是通過對不同地區(qū)降水與崩塌、滑坡、泥石流的統(tǒng)計(jì)研究，找出不同地區(qū)降水誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流的臨界值，建立相應(yīng)的預(yù)警模型，對降水誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流的可能性作出判斷。

預(yù)警等級是未來一段時(shí)間內(nèi)，某區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的一種量度，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的相關(guān)規(guī)范[1]，預(yù)警等級共分為四級級別：Ⅰ級紅色預(yù)警、Ⅱ級橙色預(yù)警、Ⅲ級黃色預(yù)警、Ⅳ級藍(lán)色預(yù)警，如表1所示。

表1 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級劃分表

2.2 預(yù)警方法

山西省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)工作從2004年開始至今，經(jīng)過了手工判據(jù)預(yù)報(bào)及預(yù)警模型預(yù)報(bào)兩個(gè)階段。2004—2007年以手工預(yù)報(bào)、人工判據(jù)為主，2008年以后采用預(yù)警預(yù)報(bào)模型進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2．2．1 人工判據(jù)法（臨界降雨量判據(jù)法）

應(yīng)用地貌分析法，根據(jù)地形地貌格局、氣候分帶、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)環(huán)境條件和降雨型崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)警區(qū)域劃分，山西省共劃分為11個(gè)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)。收集預(yù)警區(qū)內(nèi)已發(fā)生的崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的相關(guān)資料，并進(jìn)行整理與登記，然后向氣象臺(tái)收集這些地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生當(dāng)日及前15日的降水量情況，建立臨界降雨量模板判據(jù)，如圖1所示。圖1中α線和β線為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級劃分界線，橫坐標(biāo)為過程降水量的統(tǒng)計(jì)天數(shù)，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的過程降水量，散點(diǎn)為對應(yīng)過程降水量統(tǒng)計(jì)天數(shù)和過程降水量數(shù)值發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害事件。根據(jù)前期實(shí)際降雨量和未來24 h預(yù)報(bào)降雨量，對每個(gè)預(yù)警區(qū)疊加分析，初步判定發(fā)生降雨型地質(zhì)災(zāi)害的可能性。最后，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)方式、強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，對未來24 h降雨過程誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的空間分布進(jìn)行預(yù)報(bào)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)臨界降水判據(jù)模板

2．2．2 預(yù)警預(yù)報(bào)模型法

2008年山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心與廣州云金地?cái)?shù)碼科技有限公司合作開發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息系統(tǒng)，建立了地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了山西省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作自動(dòng)化，預(yù)警成果自動(dòng)生成（可進(jìn)行人工干預(yù)）、自動(dòng)入庫、出圖，與氣象臺(tái)實(shí)現(xiàn)專線資料傳輸、可視化會(huì)商，山西省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作邁上了一個(gè)新臺(tái)階。

山西省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息系統(tǒng)利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對地質(zhì)災(zāi)害的影響因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)抽取和空間疊加分析，將空間數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊（Fuzzy）和信息優(yōu)化（Optimize）處理，利用模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和預(yù)先建立的樣本庫數(shù)據(jù)計(jì)算每一個(gè)災(zāi)害分析單元的失穩(wěn)系數(shù)，從而建立起“模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型”，利用歷史和預(yù)報(bào)降雨量數(shù)據(jù)結(jié)合已經(jīng)建立的災(zāi)害預(yù)警分析模型進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)分析。

山西省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行以來，大幅提高了工作效率和預(yù)警準(zhǔn)確度，在復(fù)雜的天氣條件下能在最短的時(shí)間內(nèi)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，對當(dāng)?shù)卣刭|(zhì)災(zāi)害防治工作起到了重要的指導(dǎo)作用。該模型具有自學(xué)習(xí)功能，隨著每年地質(zhì)災(zāi)害隱患排查后全省地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的更新及用戶參數(shù)的調(diào)整，該模型會(huì)同步進(jìn)行自我更新完善，不斷提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

2.3 預(yù)警發(fā)布

山西省地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警成果如圖2所示，它的發(fā)布渠道主要是電視、網(wǎng)站和手機(jī)短信，預(yù)警產(chǎn)品制作完成后，三級以下預(yù)警級別通過山西省地質(zhì)災(zāi)害信息網(wǎng)發(fā)布；有三級及三級以上預(yù)警級別時(shí)，及時(shí)與氣象臺(tái)會(huì)商，預(yù)警結(jié)果除在山西省地質(zhì)災(zāi)害信息網(wǎng)發(fā)布外，在山西衛(wèi)視新聞之后的天氣預(yù)報(bào)節(jié)目中發(fā)布，同時(shí)利用預(yù)警短信群發(fā)功能給地質(zhì)災(zāi)害防治管理人員及群測群防人員發(fā)送預(yù)警短信。

2.4 預(yù)警流程

山西省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程如圖3所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警網(wǎng)成果發(fā)布圖

圖3 山西省地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程圖

3 氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的應(yīng)用

2018年山西省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)將預(yù)測降水量站點(diǎn)數(shù)據(jù)改為氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析[3]，氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)為5 km，全省格網(wǎng)數(shù)為11 868個(gè)。氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要通過增加預(yù)測降水量的點(diǎn)密度，提高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的精度。

3.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層三層體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法和組件開發(fā)技術(shù)。在數(shù)據(jù)服務(wù)層，以O(shè)racle大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用ArcGIS進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理和服務(wù)，以ArcEngine為客戶端開發(fā)工具。在業(yè)務(wù)邏輯層，以GIS應(yīng)用組件、災(zāi)害預(yù)警模型算法組件、版本自動(dòng)更新組件、用戶管理組件、數(shù)據(jù)訪問組件等為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，利用Micrοsοft的WebService和ASP.NET包裝和表現(xiàn)組件，最后使用IIS進(jìn)行Web服務(wù)。

3.2 格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)分析技術(shù)流程

山西省格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)預(yù)警分析技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 山西省格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)預(yù)警分析流程圖

3.3 算法

克里金方法（Kriging），是以南非礦業(yè)工程師KRIGE.D G（克里格）名字命名的一項(xiàng)實(shí)用空間估計(jì)技術(shù)，是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的重要組成部分，也是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心。

3.4 應(yīng)用功能

利用氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的應(yīng)用功能有雨量數(shù)據(jù)融合管理系統(tǒng)和格點(diǎn)預(yù)報(bào)融合分析系統(tǒng)，具體功能如表2、表3所示。

表2 雨量數(shù)據(jù)融合管理功能表

4 結(jié)論

地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警涉及的災(zāi)種主要有崩塌、滑坡、泥石流突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害；預(yù)警等級分為四級，一級紅色——預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很大，二級橙色預(yù)警——地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大，三級黃色預(yù)警——地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，四級藍(lán)色——預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較小。地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的方法有人工判據(jù)法和預(yù)警模型法，人工判據(jù)法的關(guān)鍵是確定不同降雨過程臨界值作為預(yù)警判據(jù)，通過人工分析，對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性作出預(yù)測和判定。預(yù)警模型法實(shí)現(xiàn)了預(yù)警工作自動(dòng)化，在復(fù)雜的天氣條件下能在最短的時(shí)間及時(shí)發(fā)出預(yù)警。利用氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是在預(yù)警模型法的基礎(chǔ)上，將預(yù)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)改為預(yù)測格網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過增加預(yù)測降水量的點(diǎn)密度，從而提高了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的精度。

表3 格點(diǎn)預(yù)報(bào)融合分析功能表