華坪縣災(zāi)害性暴雨的本地化預(yù)警指標(biāo)研究

和三強(qiáng)，陳小華，和衛(wèi)東

(1.華坪縣氣象局，云南 華坪 674800；2.云南省氣象臺(tái)，云南 昆明 650034；3.麗江市氣象局，云南 麗江 674100)

0 引言

云南省麗江市華坪縣地處滇西北高原的金沙江河谷地區(qū)，既受北方冷空氣南下的影響，又受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的雙重影響，是云南暴雨的一個(gè)多發(fā)區(qū)[1]。據(jù)近3年災(zāi)情資料，華坪暴雨造成的洪澇災(zāi)害、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失平均達(dá)9 648.79萬(wàn)元，占?xì)庀鬄?zāi)害損失的34.4%，僅次于干旱造成的損失，因此提高暴雨災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確率是非常必要的。目前氣象部門(mén)積極開(kāi)展暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警工作，而且是每年汛期的重點(diǎn)工作，但基層臺(tái)站因天氣預(yù)報(bào)預(yù)警的分析方法及技術(shù)能力較低，暴雨預(yù)警基本按實(shí)況出現(xiàn)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做，如暴雨藍(lán)色預(yù)警信號(hào)大多按“已達(dá)50 mm以上且降雨可能持續(xù)”的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，結(jié)果多為預(yù)警正確但基本沒(méi)有預(yù)警時(shí)間的提前量，故暴雨災(zāi)害預(yù)警效果明顯偏低。近年來(lái)，云南氣象工作者對(duì)云南暴雨的成因進(jìn)行了深入的研究[2-14]，對(duì)云南暴雨災(zāi)害的認(rèn)識(shí)及提高暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率起到了積極的作用，但關(guān)于如何做好暴雨災(zāi)害預(yù)警的研究及相關(guān)文獻(xiàn)目前并不多見(jiàn)。

本文使用1981～2020年近40年華坪縣暴雨災(zāi)情資料，特別是近8年完整的自動(dòng)雨量站資料及閃電定位資料，分析華坪縣暴雨災(zāi)害的時(shí)空分布特征和暴雨災(zāi)害的直接成因，并提煉出華坪縣暴雨災(zāi)害的本地化降水量預(yù)警指標(biāo)，以期提高華坪暴雨災(zāi)害的預(yù)警準(zhǔn)確率和預(yù)警效果。

1 資料和方法

1.1 資料

1981～2000年華坪縣的洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[15]所記載的災(zāi)情資料；2001～2020年的洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)采用麗江市民政局提供的《災(zāi)情快訊》中核報(bào)數(shù)據(jù)及中國(guó)氣象局氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)(http：//10.1.64.146/disaster/index)中的核報(bào)數(shù)據(jù)；2013～2020年自動(dòng)雨量站及閃電定位數(shù)據(jù)采用云南省氣象臺(tái)Wfois.YN(2020)系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)。

1.2 方法

(1)使用1981～2020年的災(zāi)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出華坪縣暴雨災(zāi)害的時(shí)間分布特征，作為暴雨災(zāi)害預(yù)警的氣候背景。使用2013～2020年的災(zāi)情資料及自動(dòng)雨量站的數(shù)據(jù)構(gòu)建暴雨災(zāi)害指數(shù)K，根據(jù)K值使用ArcGIS軟件繪制出華坪縣暴雨災(zāi)害的空間分布圖，以便提高暴雨預(yù)警的針對(duì)性。K值計(jì)算公式如下：

(1)

式中：n表示某個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)某個(gè)自動(dòng)雨量站出現(xiàn)暴雨災(zāi)情的次數(shù)；Ri表示出現(xiàn)第i次暴雨災(zāi)情時(shí)某個(gè)自動(dòng)雨量站的24 h降水量值(單位：mm)；μ=50.0 mm。K值(無(wú)量綱)的物理意義為：某個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)某個(gè)站點(diǎn)暴雨災(zāi)情出現(xiàn)的次數(shù)越多，對(duì)應(yīng)的累計(jì)暴雨量值越大，則K值就越大，就越有可能成為暴雨災(zāi)害的多發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，這樣通過(guò)K值的不同大小就可繪出暴雨災(zāi)害指數(shù)的空間分布狀況。

目前因華坪縣自動(dòng)雨量站僅為28個(gè)，無(wú)法滿足華坪縣全境繪圖，因而采用降水量等值線內(nèi)插的辦法進(jìn)行了處理。

(2)暴雨的時(shí)空分布特征能反映華坪縣暴雨災(zāi)害的時(shí)空特點(diǎn)，因此分析暴雨災(zāi)害的時(shí)空變化規(guī)律是做好預(yù)警的基礎(chǔ)性工作。本文分析的重點(diǎn)是找出華坪縣主要降水過(guò)程中有預(yù)兆暴雨出現(xiàn)的短時(shí)降水量臨界值，以便在保證暴雨預(yù)警準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上增大預(yù)警暴雨的提前量。眾所周知，暴雨是強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)物，是中尺度雨團(tuán)多次影響的結(jié)果[16，17]，同時(shí)暴雨又是較長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)降水的結(jié)果[18]。因此，通過(guò)分析自動(dòng)站逐小時(shí)雨量數(shù)據(jù)，特別是分析中尺度雨團(tuán)和10.0 mm/h以上的短時(shí)雨強(qiáng)數(shù)據(jù)(次數(shù))，以及閃電定位數(shù)據(jù)，尋找暴雨災(zāi)害發(fā)生的對(duì)流性特征、中尺度雨團(tuán)影響特征、連續(xù)中等強(qiáng)度降水特征，及其與前兆雨團(tuán)活動(dòng)的先后關(guān)系，就可確定華坪暴雨預(yù)警的小時(shí)雨量值。下面給出兩個(gè)特例來(lái)說(shuō)明利用前兆雨團(tuán)來(lái)預(yù)警暴雨災(zāi)害的可行性。

特例1：圖1是華坪縣歷史上最大洪澇災(zāi)害過(guò)程的中尺度雨團(tuán)影響變化過(guò)程。由圖可見(jiàn)，2015年9月15日晚22時(shí)(圖1a)25.0 mm/h以上的中尺度雨團(tuán)影響田坪村，田坪村中心雨量達(dá)69.1 mm/h；23時(shí)(圖1b)25.0 mm/h以上的中尺度雨團(tuán)繼續(xù)影響田坪村，田坪村中心雨量達(dá)72.9 mm/h；16日01時(shí)(圖1c)25.0 mm/h以上的中尺度雨團(tuán)繼續(xù)影響田坪村，田坪村中心雨量達(dá)51.0 mm/h；16日02時(shí)(圖1d)50.0 mm/h以上特強(qiáng)雨團(tuán)再次影響田坪村，田坪村中心雨量高達(dá)83.6 mm/h。受4次超強(qiáng)雨團(tuán)影響，24小時(shí)過(guò)程雨量達(dá)285.7 mm，出現(xiàn)歷史上超大洪災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)30 083.1萬(wàn)元。此次過(guò)程完全由伴有強(qiáng)對(duì)流的4次超級(jí)中尺度雨團(tuán)影響而造成，雨團(tuán)總降水量276.6 mm，占總過(guò)程雨量的96.8%。如果第1次雨團(tuán)影響時(shí)便發(fā)布暴雨紅色預(yù)警，至少可提前1小時(shí)。所以，根據(jù)中尺度雨團(tuán)影響初期強(qiáng)降水出現(xiàn)來(lái)預(yù)警，可達(dá)到較好的暴雨預(yù)警效果。

圖1 2015年9月15日夜間華坪縣田坪村特大暴雨的中尺度雨團(tuán)影響情況(a)15日22時(shí)；(b)15日23時(shí)；(c)16日01時(shí)；(d)16日02時(shí)Fig.1 The impact of the mesoscale rain masses of the extreme heavy rain in TianPing Village，Huaping County at night on September 15，2015(a)22∶00 on the 15th；(b)23∶00 on the 15th；(c)01∶00 on the 16th；(d)02∶00 on the 16th

特例2：圖2是華坪縣壩山因連續(xù)性長(zhǎng)時(shí)間較強(qiáng)降水引發(fā)洪澇、泥石流、山體滑坡災(zāi)害過(guò)程的逐小時(shí)雨量圖。由圖可見(jiàn)，2013年7月19日，受較強(qiáng)冷空氣影響，華坪縣壩山出現(xiàn)未伴有對(duì)流(雷暴)的連續(xù)性降水過(guò)程，7月19日20時(shí)開(kāi)始到20日16時(shí)連續(xù)20小時(shí)出現(xiàn)3.0 mm/h以上的連續(xù)性降水，24小時(shí)過(guò)程雨量達(dá)244.4 mm，造成了嚴(yán)重洪澇、泥石流、山體滑坡災(zāi)害，成為華坪縣近8年最大的特大暴雨之一，僅次于上述田坪村大暴雨。但此次大暴雨與田坪村大暴雨明顯不同之處是，田坪村大暴雨是以伴有對(duì)流性超級(jí)雨團(tuán)所致，而本次是非對(duì)流性的連續(xù)性長(zhǎng)時(shí)間降水所致。但同樣地，只要抓住過(guò)程前逐小時(shí)連續(xù)降水的特征，也可提前發(fā)布暴雨預(yù)警的準(zhǔn)備。本文通過(guò)大量歷史個(gè)例分析得出，當(dāng)連續(xù)5 h出現(xiàn)≥1.6 mm/h的雨強(qiáng)時(shí)可作為發(fā)布暴雨災(zāi)害預(yù)警信號(hào)的一個(gè)臨近參考指標(biāo)。

圖2 2013年7月19～20日華坪縣壩山連續(xù)性降水的逐小時(shí)雨量(19日20時(shí)～20日20時(shí))Fig.2 Hourly rainfall of continuous precipitation in Bashan，Huaping County from 20∶00 July 19 to 20∶00 July 20，2013

2 結(jié)果與討論

2.1 華坪縣暴雨災(zāi)害的時(shí)空分布特征

使用1981～2000年近40年華坪縣洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)資料，統(tǒng)計(jì)出暴雨災(zāi)害的時(shí)間分布特征(圖3)。由圖3可見(jiàn)，華坪縣暴雨造成的洪澇災(zāi)害以8月最多，共26次；其次為9月，共21次；再次為7月，共17次；6月最少為6次。引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流等)則以7月最多為6次；8月、9月次之為4次；6月最少為3次?？傮w而言，洪澇災(zāi)害多于地質(zhì)災(zāi)害，暴雨造成洪澇災(zāi)害平均每年約1.8次，暴雨造成地質(zhì)災(zāi)害平均每年約0.4次。

圖3 華坪縣40年暴雨災(zāi)害頻次數(shù)的時(shí)間分布(1981～2020年)Fig.3 Time distribution of the frequency of heavy rain disasters in Huaping County in the past 40 years(1981～2020)

使用2013～2020年近8年華坪縣災(zāi)情數(shù)據(jù)及自動(dòng)雨量站降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用公式(1)可計(jì)算出暴雨災(zāi)害指數(shù)K及其趨勢(shì)分區(qū)圖(華坪縣暴雨災(zāi)害的空間分布特征圖)，見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，華坪縣的西北部以田坪村為中心，是暴雨災(zāi)害的易發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，中部及以西以北為暴雨災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，而南部則為少發(fā)區(qū)和極少發(fā)區(qū)。

圖4 華坪縣暴雨災(zāi)害的K指數(shù)趨勢(shì)分布圖(2013～2020年)Fig.4 K-index trend distribution map of torrential rain disasters in Huaping County from 2013 to 2020)

2.2 華坪縣暴雨災(zāi)害的降水成因分類

使用2013～2020年近8年華坪縣災(zāi)情數(shù)據(jù)和自動(dòng)雨量站降水?dāng)?shù)據(jù)及閃電定位數(shù)據(jù)分析可知：

(1)華坪縣暴雨災(zāi)害事件數(shù)的78.1%(25/32)是由24小時(shí)降水量在100.0 mm以上的大暴雨或特大暴雨造成，而24小時(shí)降水量在50.0～99.9 mm暴雨造成的災(zāi)害事件數(shù)僅占16.0%(5/32)，說(shuō)明大暴雨或特大暴雨是華坪縣暴雨預(yù)警的重中之重；另外有2個(gè)災(zāi)害個(gè)例(占6.3%)過(guò)程降水量?jī)H達(dá)到大到暴雨(37.0～49.9 mm)標(biāo)準(zhǔn)，表明大到暴雨也可能造成洪澇災(zāi)害，因而在暴雨預(yù)警中也要引起重視。

(2)在暴雨過(guò)程中伴有閃電(雷暴)的災(zāi)害事件占78.1%(25/32)，未伴有閃電(雷暴)的僅占21.9%(7/32)，表明華坪縣暴雨災(zāi)害以對(duì)流性降水為主，連續(xù)性長(zhǎng)時(shí)間降水引發(fā)的僅占21.9%(7/32)。

(3)暴雨災(zāi)害中夜間暴雨(80.0%以上的降水集中在夜間)占59.4%(19/32)，白天為主的暴雨僅占9.4%(3/32)，包括白天和夜間的占31.3%(10/32)。表明暴雨災(zāi)害大多發(fā)生在夜間，預(yù)防難度大，暴雨預(yù)警最好在白天提前發(fā)布。

(4)定義相鄰3個(gè)站1小時(shí)雨量≥10.0 mm為一個(gè)中尺度雨團(tuán)[17]；規(guī)定自動(dòng)雨量站連續(xù)5 h以上≥1.6 mm/h 的降水為一次連續(xù)性降水。以此標(biāo)準(zhǔn)分析得到：華坪縣暴雨災(zāi)害個(gè)例中以中尺度雨團(tuán)為主造成的個(gè)例占78.1%(25/32)，伴有中尺度雨團(tuán)但以連續(xù)性降水為主造成的占21.9%(7/32)；中尺度雨團(tuán)為主的暴雨個(gè)例中，最少影響1個(gè)小時(shí)(2018年9月28日23時(shí)丁王82.0 mm/h)，最多影響8個(gè)小時(shí)(2018年9月14日雞冠山特大暴雨災(zāi)害，24小時(shí)過(guò)程總降水量208.9 mm)，平均有5個(gè)雨團(tuán)影響；以連續(xù)性降水為主的個(gè)例中最少為連續(xù)6個(gè)小時(shí)(2015年8月8日新火山100.5 mm/24h)，最多為連續(xù)20個(gè)小時(shí)(2013年7月19日20-20h壩山244.4 mm/24h)，平均達(dá)11.9個(gè)小時(shí)。

2.3 華坪縣暴雨災(zāi)害的預(yù)警臨界值及應(yīng)用檢驗(yàn)

根據(jù)上述華坪縣暴雨災(zāi)害的降水成因分類，可以得出：只要出現(xiàn)首個(gè)中尺度對(duì)流雨團(tuán)及首次連續(xù)性降水，即可對(duì)暴雨災(zāi)害作提前預(yù)警的準(zhǔn)備；據(jù)暴雨災(zāi)害的歷史個(gè)例統(tǒng)計(jì)，當(dāng)華坪縣境內(nèi)出現(xiàn)以20.8 mm/h以上為中心的對(duì)流雨團(tuán)或23.9 mm/h以上的單站強(qiáng)對(duì)流雨強(qiáng)或連續(xù)5 h出現(xiàn)≥1.6 mm/h的雨強(qiáng)時(shí)，可作為發(fā)布暴雨藍(lán)色預(yù)警的警戒指標(biāo)(當(dāng)出現(xiàn)50.0 mm/h以上降水時(shí)應(yīng)考慮發(fā)布暴雨紅色預(yù)警)，歷史擬合率為100%，暴雨災(zāi)害預(yù)警的時(shí)間提前量平均為6 h。使用該預(yù)警指標(biāo)對(duì)2020年主汛期逐日檢驗(yàn)情況見(jiàn)表1，暴雨預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)62.5%，提前量達(dá)7.7 h，取得較好的效果。需特別說(shuō)明的是，2020年空?qǐng)?bào)的15次中有10次實(shí)況均達(dá)到了大到暴雨的量級(jí)，預(yù)警發(fā)布后社會(huì)效果比較好，畢竟華坪縣歷史上大到暴雨也造成過(guò)災(zāi)害。在實(shí)際預(yù)警中還要參考天氣背景、數(shù)值預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波等資料的綜合分析診斷，應(yīng)用效果會(huì)更好，特別是省、市氣象臺(tái)發(fā)布了強(qiáng)降水天氣預(yù)報(bào)的情況下，使用本警戒指標(biāo)效果會(huì)更好一些。

表1 華坪縣2020年本文指標(biāo)暴雨預(yù)警應(yīng)用效果逐日檢驗(yàn)情況Tab.1 Daily inspection of the application effect of the indicator rainstorm warning in Huaping County in 2020

3 結(jié)論與討論

使用華坪縣暴雨災(zāi)情資料及和自動(dòng)雨量站及閃電定位資料，通過(guò)構(gòu)建暴雨災(zāi)害指數(shù)和深入分析，得出如下結(jié)論。

(1)華坪縣暴雨災(zāi)害主要發(fā)生在6～9月，暴雨造成的洪澇災(zāi)害以8月最多，9月、7月次之，6月最少；暴雨造成的地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流等)以7月最多，8月、9月次之，6月最少。暴雨洪澇災(zāi)平均每年約1.8次，暴雨地質(zhì)災(zāi)害平均每年約0.4次。

(2)以田坪村為中心的西北部是華坪縣暴雨災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，縣城中部及以西以北為多發(fā)區(qū)，而南部則為少發(fā)區(qū)和極少發(fā)區(qū)。

(3)華坪縣暴雨災(zāi)害近78.1%是由24小時(shí)雨量為100.0 mm以上的大暴雨或特大暴雨造成，說(shuō)明大暴雨或特大暴雨是華坪縣暴雨預(yù)警的重中之重；另外有近6.3%的大到暴雨，也可造成洪澇災(zāi)害。

(4)伴有對(duì)流的中尺度雨團(tuán)和伴有中尺度雨團(tuán)的連續(xù)性降水是造成華坪縣暴雨災(zāi)害的兩個(gè)主要直接原因。當(dāng)境內(nèi)出現(xiàn)20.8 mm/h以上為中心的對(duì)流雨團(tuán)或23.9 mm/h以上的單站強(qiáng)對(duì)流雨強(qiáng)或連續(xù)5 h出現(xiàn)≥1.6 mm/h的雨強(qiáng)時(shí)，華坪縣應(yīng)做好發(fā)布暴雨災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)備(出現(xiàn)50.0 mm/h以上的雨強(qiáng)則應(yīng)做好發(fā)布暴雨紅色預(yù)警的準(zhǔn)備)。此指標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)預(yù)警效果較好，可應(yīng)用于日常業(yè)務(wù)。