隴東氣象災(zāi)害預(yù)警信號特征分析

韓 晶,劉 翔,趙玉娟,張 峰

(甘肅省慶陽市氣象局,甘肅 慶陽 745000)

中國是世界上受自然災(zāi)害危害最嚴重的國家之一,近年來自然災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失呈明顯上升趨勢[1-2],在各種自然災(zāi)害中,氣象災(zāi)害發(fā)生頻率最高,危害也較大[3-4]。突發(fā)性強的氣象災(zāi)害天氣過程,如局地性大暴雨、大風(fēng)、冰雹和雷暴等,因其過程尺度小、生命周期短而難以預(yù)報和防范,會對人民的生命財產(chǎn)和生產(chǎn)活動,尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來很大危害[5-6]。為了防御和減輕氣象災(zāi)害損失,我國氣象部門開展了“氣象災(zāi)害預(yù)警信號”業(yè)務(wù),通過向政府和社會發(fā)布預(yù)警信號,提醒政府開展防災(zāi)減災(zāi)工作、公眾及時進行避險自救[7]。《氣象災(zāi)害預(yù)警信號發(fā)布與傳播辦法》中規(guī)定“預(yù)警信號是指我國各級氣象主管機構(gòu)所屬的氣象臺站向社會公眾發(fā)布的氣象災(zāi)害預(yù)警信息,并對預(yù)警信號的標準做出了規(guī)定”[8]。隨著突發(fā)性災(zāi)害天氣造成的損失與日俱增,氣象災(zāi)害預(yù)警信號顯得格外重要,其準確、及時發(fā)布更是非常關(guān)鍵[9-10]。

慶陽市位于甘肅省隴東,屬黃土高原溝壑區(qū),北鄰毛烏蘇沙漠,西靠六盤山,東接子午嶺,轄環(huán)縣、華池縣、慶城縣、鎮(zhèn)原縣、合水縣、寧縣、正寧縣和西峰區(qū)七縣一區(qū),地形復(fù)雜,坡地極多,土質(zhì)疏松,植被稀少,轄區(qū)內(nèi)各縣區(qū)氣候互有差異,降雨量南多北少。同時,慶陽地區(qū)又素有隴東糧倉之稱,經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活受天氣氣候條件的影響嚴重[11]。種種氣候特征導(dǎo)致慶陽市屬氣象災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)區(qū),一旦發(fā)生氣象災(zāi)害將會對慶陽市農(nóng)作物經(jīng)濟造成巨大損失。

在慶陽市,預(yù)警信號已經(jīng)不僅是氣象部門內(nèi)部及地方政府部門應(yīng)急的指令,也在氣象災(zāi)害應(yīng)急工作中發(fā)揮了巨大的作用[12],客觀、定量地分析其發(fā)布情況和預(yù)警質(zhì)量,對于發(fā)現(xiàn)和改進氣象災(zāi)害預(yù)警工作中的不足,推動氣象災(zāi)害預(yù)警向更加科學(xué)、有效的方向發(fā)展,進而對增強氣象防災(zāi)減災(zāi)能力有重要的指導(dǎo)和參考意義[13]。就目前而言,慶陽市在預(yù)警信號發(fā)布方面的研究相對較少,使用較長時段資料進行統(tǒng)計分析的相關(guān)文獻更是欠缺。研究在介紹慶陽市預(yù)警信號發(fā)布現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,利用2013—2018年慶陽地區(qū)預(yù)警信號資料對其發(fā)布的時空分布特征、發(fā)布頻次以及準確率等情況進行統(tǒng)計分析,以期改進和完善慶陽市預(yù)警信息發(fā)布工作,及時向公眾發(fā)布預(yù)警信息,提高預(yù)警能力和預(yù)警質(zhì)量,把災(zāi)害性天氣造成的損失降到最低[14-15],為當?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)工作提供指導(dǎo)和參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源與分類

研究選取2013—2018年慶陽市的預(yù)警信號發(fā)布資料,對地市和縣級氣象臺重復(fù)或重疊發(fā)布的預(yù)警信號進行剔除。應(yīng)用分類數(shù)理統(tǒng)計方法,分析其時空分布、等級分布、發(fā)布頻次及準確率等特征。

根據(jù)《甘肅省氣象災(zāi)害預(yù)警信號發(fā)布業(yè)務(wù)實施細則》,氣象災(zāi)害預(yù)警信號主要有暴雨、暴雪、寒潮、大風(fēng)、沙塵暴、高溫、干旱、雷電、冰雹、霜凍、大霧、霾、道路結(jié)冰13類,依據(jù)氣象災(zāi)害可能造成的危害和緊急程度劃分為4級:Ⅳ級(一般)、Ⅲ級(較重)、Ⅱ級(嚴重)、Ⅰ級(特別嚴重),依次用藍、黃、橙、紅4種顏色表示[16-17]。其中暴雨、暴雪、寒潮、大風(fēng)分藍黃橙紅4個等級,高溫、雷電、大霧、沙塵暴、道路結(jié)冰分黃、橙、紅3個等級,霜凍分藍、黃、橙3個等級,干旱、冰雹分橙、紅2個等級,霾分黃、橙2個等級。雷電和冰雹的預(yù)警信號是定性標準,其余預(yù)警信號均為定量標準。因慶陽市的地域條件和天氣特點,沙塵暴、干旱預(yù)警信號不常發(fā),霾預(yù)警信號從近兩年才開始發(fā)布且慶陽市不常見,故以上3類不計入統(tǒng)計。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理采用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計方法,并用Excel、Surfer等軟件進行統(tǒng)計分析和畫圖處理。

2 氣象災(zāi)害預(yù)警信號分布特征

2.1 類別分布

2013—2018年慶陽市各類預(yù)警信號分布見圖1。分析圖1可知,近6年主要發(fā)布的預(yù)警信號有暴雨、暴雪、寒潮、大風(fēng)、高溫、雷電、冰雹、霜凍、大霧、道路結(jié)冰10類。其中雷電預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)最多,達237次,占24.7%;其次是大霧預(yù)警信號203次,占21.2%;暴雨預(yù)警信號123次,占12.8%;道路結(jié)冰預(yù)警信號120次,占12.5%;大風(fēng)預(yù)警信號78次,占8.1%;冰雹預(yù)警信號72次,占7.5%;高溫預(yù)警信號50次,占5.2%;寒潮預(yù)警信號38次,占4.0%;霜凍預(yù)警信號32次,占3.3%;最少是暴雪預(yù)警信號,僅6次,占0.6%。可見,暴雨、雷電、大霧和道路結(jié)冰是慶陽市發(fā)布的預(yù)警信號中較多的幾類。

圖1 2013—2018年慶陽市各類預(yù)警信號分布Fig.1 Distribution map of various warning signals from 2013 to 2018 in Qingyang City

2.2 年際分布

2013—2018年慶陽市預(yù)警信號整體分布情況見圖2。由圖2可知6年間累計發(fā)布預(yù)警信號959次,年均發(fā)布160次,每年均在百次以上,2014年及以前,年發(fā)布次數(shù)均低于平均值,2014年以后,年發(fā)布次數(shù)均高于平均值。其中2015年發(fā)布的預(yù)警信號最多,為195次,其次是2016年170次,2017年169次,2018年166次,2014年134次,2013年最少,為125次,與最多的2015年相差70次。這是因為隨著對氣象災(zāi)害的認識和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的提高,預(yù)警信號的發(fā)布越來越精細化。

圖2 2013—2018年慶陽市預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)趨勢Fig.2 Trend chart of early warning signal releasing frequencies from 2013 to 2018 in Qingyang City

2013—2018年慶陽市氣象災(zāi)害預(yù)警信號年分布特征見圖3。由圖3可知各類預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)有增有減,但大部分預(yù)警信號還是呈現(xiàn)出隨著年份增加的趨勢,尤其是暴雨、高溫、冰雹6年間發(fā)布次數(shù)相差較大。不同類型預(yù)警信號發(fā)布數(shù)量的差異,與相應(yīng)天氣發(fā)生的特點以及各類預(yù)警信號的預(yù)警標準密切相關(guān)。其中雷電預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)是其他預(yù)警信號的1～39倍,而且整體呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢,這是因為近年來自動站網(wǎng)布設(shè)加密,監(jiān)測面更廣更密,再加上預(yù)報員預(yù)警發(fā)布技巧日趨熟練,使小尺度的雷電過程得到了更精準的識別和研判;寒潮、大風(fēng)、霜凍等預(yù)警信號增加率不明顯,是由于這幾類災(zāi)害性天氣與當?shù)貧夂蛱卣骱蛥^(qū)域地形地貌有直接關(guān)系,而氣候、地形地貌相對穩(wěn)定少變。

圖3 2013—2018年慶陽市預(yù)警信號年分布Fig.3 Annual distribution map of warning signals from 2013 to 2018 in Qingyang City

2.3 季節(jié)分布

2013—2018年慶陽市預(yù)警信號季節(jié)分布特征見圖4。由圖4可知,暴雨預(yù)警信號發(fā)布在春夏秋季,夏季發(fā)布次數(shù)最多,占89.4%;暴雪預(yù)警信號發(fā)布在春秋冬季,主要在冬季,占66.7%;寒潮預(yù)警信

圖4 2013—2018年慶陽市各類預(yù)警信號季節(jié)分布Fig.4 Seasonal distribution map of various warning signals from 2013 to 2018 in Qingyang City

號發(fā)布在春秋冬季,冬季最多,占39.5%,各季節(jié)分布相對均勻;大風(fēng)預(yù)警信號一年四季均有發(fā)布,春季居多,占56.4%;高溫預(yù)警信號僅發(fā)布在夏季;雷電、冰雹預(yù)警信號均發(fā)布在春夏秋季,夏季最多,分別占79.7%、84.7%;霜凍預(yù)警信號僅出現(xiàn)在春季;大霧預(yù)警信號一年四季均有發(fā)布,秋季最多,占46.8%,夏春季次之,冬季最少;道路結(jié)冰預(yù)警信號發(fā)布在春秋冬季,冬季最多,達85%。這與相應(yīng)災(zāi)害性天氣發(fā)生的季節(jié)性密切相關(guān)。

2.4 等級分布

2013—2018年慶陽市預(yù)警信號發(fā)布等級分布特征見圖5。由圖5可知不同預(yù)警信號發(fā)布等級不盡相同。寒潮、大風(fēng)預(yù)警信號全部為藍色,雷電預(yù)警信號全部為黃色,冰雹預(yù)警信號全部為橙色,暴雪、霜凍預(yù)警信號集中在藍色,暴雨、大霧、道路結(jié)冰預(yù)

圖5 2013—2018年慶陽市氣象災(zāi)害預(yù)警信號等級分布Fig.5 Degree distribution map of warning signals of meteoro-logical disasters from 2013 to 2018 in Qingyang City

警信號集中在黃色,高溫預(yù)警信號集中在橙色。暴雨預(yù)警信號涉及4種等級,其中藍色、黃色在暴雨預(yù)警信號總數(shù)中占72%;高溫、大霧、道路結(jié)冰預(yù)警信號涉及黃、橙2種等級,其中高溫橙色在高溫預(yù)警信號總數(shù)中占62%,大霧黃色在大霧預(yù)警信號總數(shù)中占97%,道路結(jié)冰黃色在道路結(jié)冰預(yù)警信號總數(shù)中占93%;暴雪、霜凍預(yù)警信號涉及藍、黃2種等級,其中暴雪藍色在暴雪預(yù)警信號總數(shù)中占83%,霜凍藍色在霜凍預(yù)警信號總數(shù)中占88%。

造成慶陽市預(yù)警信號各級別發(fā)布數(shù)量差異的原因主要有:低級別災(zāi)害明顯多于高級別災(zāi)害,且各類預(yù)警等級不一致;七縣一區(qū)的地勢地貌不盡相同,同類別災(zāi)害性天氣的預(yù)警標準在川道和塬區(qū)所造成的影響也不盡相同,從影響程度分析,川道地區(qū)低級別災(zāi)害性天氣預(yù)警可能會高于塬區(qū)高級別災(zāi)害性天氣預(yù)警[18];在實際預(yù)警信號發(fā)布中,當預(yù)測未來有可能升級預(yù)警信號級別時,考慮危害程度,直接按可能產(chǎn)生的最高級別預(yù)警標準發(fā)布。

2.5 空間分布

對慶陽市10類常用的預(yù)警信號(暴雨、暴雪、寒潮、大風(fēng)、高溫、雷電、冰雹、霜凍、大霧、道路結(jié)冰)進行統(tǒng)計分析,運用Surfer繪圖軟件繪制得到相應(yīng)空間分布圖(見圖6～圖13)。

2013—2018年慶陽市預(yù)警信號發(fā)布數(shù)量的空間分布見圖6。由圖6可知,預(yù)警信號發(fā)布數(shù)量總體呈東多西少的態(tài)勢,發(fā)布數(shù)量較多的為華池縣、慶城縣、合水縣、寧縣,最多的為正寧縣784次,最少的為鎮(zhèn)原縣636次。以下重點分析發(fā)布總數(shù)排在前五(雷電、大霧、暴雨、道路結(jié)冰、大風(fēng))以及致災(zāi)較強(冰雹、霜凍)的預(yù)警信號空間分布特征。

圖6 慶陽市預(yù)警信號發(fā)布總次數(shù)空間分布Fig.6 Spatial distribution of total degree of warning signals in Qingyang City

從圖7～圖13可以看出,慶陽市2013—2018年不同預(yù)警發(fā)布次數(shù)的分布態(tài)勢有所不同,且差異較大。

圖7 慶陽市雷電預(yù)警次數(shù)空間分布Fig.7 Spatial distribution of lightning of warning signals in Qingyang City

圖8 慶陽市大霧預(yù)警次數(shù)空間分布Fig.8 Spatial distribution of fog of warning signals in Qingyang City

圖9 慶陽市暴雨預(yù)警次數(shù)空間分布Fig.9 Spatial distribution of rainstorm of warning signals in Qingyang City

圖10 慶陽市道路結(jié)冰預(yù)警次數(shù)空間分布Fig.10 Spatial distribution of road icing of warning signals in Qingyang City

圖11 慶陽市大風(fēng)預(yù)警次數(shù)空間分布Fig.11 Spatial distribution of gale of warning signals in Qingyang City

圖12 慶陽市冰雹預(yù)警次數(shù)空間分布Fig.12 Spatial distribution of hail of warning signals in Qingyang City

圖13 慶陽市霜凍預(yù)警次數(shù)空間分布Fig.13 Spatial distribution of frost of warning signals in Qingyang City

由圖7可知,雷電預(yù)警信號的發(fā)布呈東多西少的態(tài)勢,其中合水縣最多,達204次,鎮(zhèn)原縣最少,為170次,慶陽市雷電預(yù)警信號發(fā)布中心主要集中在東南部,其他縣區(qū)雷電預(yù)警分布相對零散。雷電為慶陽市汛期較為常見的天氣過程,故預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)始終是預(yù)警信號中最多的。

由圖8可知,大霧預(yù)警信號的發(fā)布呈東多西少的態(tài)勢,其中正寧縣為大霧易發(fā)區(qū),發(fā)布次數(shù)最多,6年間發(fā)布了180次,環(huán)縣最少,僅為71次,分布具有明顯的地域差別。大霧預(yù)警發(fā)布區(qū)域與實況大霧發(fā)生基本一致,服務(wù)效果較好。大霧預(yù)警信號現(xiàn)狀為提前預(yù)警時間短,極大多數(shù)表現(xiàn)為實況預(yù)警,很少出現(xiàn)預(yù)報預(yù)警,因而其預(yù)警技術(shù)仍需加強。

由圖9可知,暴雨預(yù)警信號的發(fā)布呈東北多西南少的態(tài)勢,其中華池縣最多,發(fā)布次數(shù)為82次,西峰區(qū)最少,為56次。慶陽市暴雨的地理分布呈現(xiàn)自東北向西南減少的特點,東北部受林區(qū)影響,降水較為頻繁,特別是區(qū)域性的暴雨頻次較高。雖然西南部暴雨頻次相對較少,但暴雨的致災(zāi)性嚴重,如果延誤了發(fā)布時機,就會降低發(fā)布的效果[19]。

由圖10可知,道路結(jié)冰預(yù)警信號的發(fā)布區(qū)域性不明顯,整體分布較為均勻,其中西峰區(qū)最多,為117次,華池縣最少,為109次。道路結(jié)冰在慶陽市有明顯的季節(jié)性,只發(fā)生在冬半年溫度較低的情況下,但卻是至關(guān)重要的預(yù)警信號之一,在冬季有降雪的情況下會造成大片路面結(jié)冰,對交通影響較大。

由圖11可知,大風(fēng)預(yù)警信號的發(fā)布呈現(xiàn)中西北部多南部少的態(tài)勢,其中西峰區(qū)、慶城縣預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)最多,為78次,合水縣、寧縣、正寧縣最少,為75次,整體而言,發(fā)布次數(shù)較為接近。這是因為寒潮影響范圍較廣,慶陽各縣區(qū)的差別不明顯。

由圖12可知,冰雹預(yù)警信號的發(fā)布呈現(xiàn)西北多于東南的態(tài)勢,其中華池縣最多,為49次,西峰區(qū)最少,為23次,分布具有明顯的地域差異。冰雹過程在慶陽發(fā)生的相對頻次較少,故預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)也不太多,但冰雹過程致災(zāi)性較強,預(yù)警信號的發(fā)布十分重要。雷電、冰雹均屬于強對流天氣過程,此類天氣雖然影響范圍比較小、時間短,但突發(fā)性強、強度大,常導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生[20],當看到對流系統(tǒng)將要進入本地區(qū)時,氣象預(yù)報人員必須提前發(fā)布強對流預(yù)警信號予以警示。

由圖13可知,霜凍預(yù)警信號的發(fā)布呈現(xiàn)北多南少的態(tài)勢,其中環(huán)縣、華池縣、慶城縣最多,為32次,西峰區(qū)最少,為16次。霜凍災(zāi)害直接體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)上,對于農(nóng)業(yè)而言,有效的預(yù)警時間通常為一周,所以霜凍預(yù)警更重要的是預(yù)警時間的提前量,應(yīng)盡早通過各種渠道傳送到最有可能受災(zāi)的地域群體中。

3 氣象災(zāi)害預(yù)警信號質(zhì)量檢驗

采用2013—2018年預(yù)警信號評價資料進行分析,根據(jù)《氣象災(zāi)害預(yù)警信號質(zhì)量檢驗辦法(試行)》進行預(yù)警信號的質(zhì)量檢驗,其內(nèi)容包括準確性和時效性[21-24]。

(1) 準確性檢驗指標為TS評分,其計算公式為

其中:NAk為預(yù)報正確次數(shù);NBk為空報次數(shù);NCk為漏報次數(shù);k=1～4,代表預(yù)警信號級別,分別為藍色、黃色、橙色、紅色。

(2) 時效性檢驗指標為預(yù)警信號時間提前量,其計算公式為

C=B-A,

其中:A為預(yù)警信號的發(fā)布時間;B為與預(yù)警信號對應(yīng)的災(zāi)害性天氣實況出現(xiàn)時間。

通過對慶陽市2013—2018年預(yù)警信號服務(wù)質(zhì)量進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(見表1):預(yù)警信號TS評分和提前時間均呈增加趨勢,各類氣象災(zāi)害預(yù)警信號準確率總體水平達到了85.1%,提前時間達到了172.5 min。從預(yù)警信號的發(fā)布準確率看,慶陽市對預(yù)警信號的把握和發(fā)布較為準確,其中高溫預(yù)警、寒潮預(yù)警、霜凍預(yù)警由于天氣特點及預(yù)報的難易程度等原因,發(fā)布時間上的提前量較為明顯,而暴雨、雷電、冰雹預(yù)警發(fā)布多屬于過程預(yù)警和實況預(yù)警,時間提前量較低。

表1 2013—2018年慶陽市預(yù)警信號質(zhì)量檢驗統(tǒng)計

4 結(jié)論

通過分析慶陽市2013—2018年常發(fā)災(zāi)害性預(yù)警信號發(fā)布資料,得出以下結(jié)論:

(1) 慶陽市主要發(fā)布的預(yù)警信號有暴雨、暴雪、寒潮、大風(fēng)、高溫、雷電、冰雹、霜凍、大霧、道路結(jié)冰10類。其中雷電預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)最多,其次分別是大霧、暴雨、道路結(jié)冰、大風(fēng)、冰雹、高溫、寒潮、霜凍預(yù)警信號,最少是暴雪預(yù)警信號。

(2) 預(yù)警信號年發(fā)布次數(shù)以2014年為分界點,之前均低于平均值,之后均高于平均值,其中2015年發(fā)布次數(shù)最多,2013年最少。

(3) 多數(shù)預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)整體呈現(xiàn)出隨著年份增加的趨勢,尤其是暴雨、高溫、冰雹6年間發(fā)布次數(shù)相差較大,雷電預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)明顯高于其他類別預(yù)警信號,呈明顯上升趨勢,而寒潮、大風(fēng)、霜凍等預(yù)警信號增加率不明顯。

(4) 暴雨、雷電、冰雹預(yù)警信號夏季發(fā)布次數(shù)最多;暴雪、寒潮、道路結(jié)冰預(yù)警信號冬季發(fā)布最多;大風(fēng)預(yù)警信號春季發(fā)布居多;大霧預(yù)警信號秋季發(fā)布最多;高溫預(yù)警信號僅發(fā)布在夏季;霜凍預(yù)警信號僅出現(xiàn)在春季。

(5) 發(fā)布的預(yù)警信號級別中,寒潮、大風(fēng)全部為藍色,雷電全部為黃色,冰雹全部為橙色,暴雪、霜凍集中在藍色,暴雨、大霧、道路結(jié)冰集中在黃色,高溫集中在橙色。

(6) 預(yù)警信號發(fā)布總數(shù)空間上總體呈東多西少的態(tài)勢,發(fā)布數(shù)量較多的為華池縣、慶城縣、合水縣、寧縣。預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)中,雷電、大霧均是東多西少;暴雨東北多西南少;道路結(jié)冰區(qū)域性不明顯;大風(fēng)中西北部多南部少;冰雹西北多于東南;霜凍北多南少。

(7) 預(yù)警信號TS評分和提前時間均呈增加趨勢,各類氣象災(zāi)害預(yù)警信號準確率總體水平達到了85.1%,提前時間達到了172.5 min。

(8) 由于預(yù)警信號統(tǒng)計樣本較少,準確性和時效性規(guī)律特征不是非常明顯,隨著樣本數(shù)量的增加可以作進一步的統(tǒng)計分析。實際工作中還應(yīng)該逐步提高預(yù)報和分析判斷能力,結(jié)合氣象災(zāi)害分布特征掌握好預(yù)警信號發(fā)布的時機,做好預(yù)警信號發(fā)布工作。