胡振菊,何炳文,高 偉,胡劍波

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

無資料地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)降水插補(bǔ)方法試驗(yàn)

胡振菊,何炳文,高 偉,胡劍波

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

區(qū)域自動(dòng)氣象站網(wǎng)和多普勒天氣雷達(dá)的建設(shè)和使用,大大提高了降水監(jiān)測的時(shí)空分辨率。將常德太陽山多普勒天氣雷達(dá)和區(qū)域內(nèi) 192個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站降水資料,經(jīng)過反距離插值、多普勒雷達(dá)雨量估算等方法試驗(yàn),證明其應(yīng)用的可行性,進(jìn)而用于獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的降水,為建立地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型打下基礎(chǔ)。

區(qū)域自動(dòng)氣象站;降水插補(bǔ);多普勒雷達(dá)雨量估算;地質(zhì)災(zāi)害

1 引言

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是強(qiáng)而頻繁的降水、植被覆蓋較差、山地地貌和特有的地質(zhì)條件 4方面因素綜合作用的結(jié)果。若以降水的時(shí)間變化狀況為參照,則植被、地質(zhì)地貌的變化可被忽略,因此,可以認(rèn)為氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素是特定植被、地質(zhì)地貌狀態(tài)下的降雨?duì)顩r。因此,找出降水造成地質(zhì)災(zāi)害的判據(jù)是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警模型建立的關(guān)鍵。而地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)真值雨量的獲取及降水量的預(yù)報(bào)一直制約著氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率的提高。隨著中國氣象局綜合觀測體系的重新布局,區(qū)域自動(dòng)氣象站網(wǎng)和多普勒天氣雷達(dá)的建設(shè)和投入使用大大提高了降水監(jiān)測的時(shí)空分辨率。

本文利用常德市常規(guī)氣象站、區(qū)域自動(dòng)氣象站和常德太陽山多普勒天氣雷達(dá)的雨量監(jiān)測信息,經(jīng)過反距離插值及多普勒雷達(dá)雨量估算等方法試驗(yàn),證明其應(yīng)用的可行性,并將試驗(yàn)思路應(yīng)用于無資料地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)降水的獲取,為建立地質(zhì)隱患點(diǎn)災(zāi)發(fā)模型打下基礎(chǔ)。

2 常德市地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)分布情況

2007年經(jīng)過地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)編制規(guī)劃,全市共有 537個(gè)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)。分布在侵蝕—?jiǎng)兾g的中—低山,剝蝕、溶蝕低山—丘陵,剝蝕的低山丘陵等地形上,地質(zhì)類型多屬于堅(jiān)硬—半堅(jiān)硬的工程地質(zhì)巖組,堅(jiān)硬—軟質(zhì)的工程地質(zhì)巖性組和軟質(zhì)工程地質(zhì)巖。這些地方由于地形的特殊性,加之長期風(fēng)化剝蝕,其殘坡積層厚度大,結(jié)構(gòu)松散,局部強(qiáng)降水就為崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的形成奠定了基礎(chǔ)。

3 反距離加權(quán)插值處理區(qū)域自動(dòng)氣象站雨量

由于常規(guī)氣象站一般位于城郊或城區(qū),區(qū)域自動(dòng)氣象站也并非都建在地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn),因此較多的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的真實(shí)降水資料難以得到。為解決這一問題,選定四周有區(qū)域自動(dòng)氣象站的常規(guī)氣象站進(jìn)行四點(diǎn)反距離加權(quán)插值法[1]求取雨量統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

3.1 資料選取

選取 2007年 07月 01日—2008年 08月 31日全市 7個(gè)常規(guī)氣象站 (石門、澧縣、臨澧、安鄉(xiāng)、桃源、常德、漢壽)20-20時(shí) 24h累積降水量和表 1中各常規(guī)氣象站周圍距離最近的 4個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站 20-20時(shí) 24h累積降水量。并經(jīng)過質(zhì)量控制,最終選取涵蓋無雨、小雨、中雨、大雨及暴雨的有效樣本 235個(gè),其中中雨 (24h累積降水量≤24.9mm)及以下樣本 203個(gè),大雨 (24h累積降水≥25.0mm)及以上樣本 32個(gè)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中,將常規(guī)氣象站監(jiān)測雨量作為真值,將通過反距離加權(quán)法得到的相應(yīng)雨量作為估算值,分別對中雨及以下量級(jí)和大雨及以上量級(jí)進(jìn)行了相關(guān)分析和信度檢驗(yàn) (試驗(yàn)結(jié)果如表 1。)。

分析發(fā)現(xiàn)：中雨及以下量級(jí)實(shí)況雨量與反距離加權(quán)法所求雨量二者之間相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0.634,且能通過 0.01信度的檢驗(yàn),誤差值在 10mm以內(nèi)的占89.9%;大雨及以上量級(jí)相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0.905,且能通過 0.01信度的檢驗(yàn),相對誤差 ＜30%的占85.7%。從兩種量級(jí)的相關(guān)系數(shù),信度檢驗(yàn)及絕對誤差分析表明：通過反距離加權(quán)插值法所求雨量具有可靠性和可用性。

表 1 反距離加權(quán)插值法實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4 多普勒天氣雷達(dá)雨量估算分析

對于地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)降水量的另一種獲取方法就是基于常德太陽山新一代多普雷達(dá)的雨量估算,為了檢驗(yàn)多普勒天氣雷達(dá)雨量估算 (基于 1h累積降水 ohp、3h累積降水 thp、風(fēng)暴總累積降水stp雷達(dá)產(chǎn)品)與真實(shí)降水實(shí)況的誤差,在統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)中用了反距離加權(quán)插值法中所用的 235個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站監(jiān)測的降水量 (作為真實(shí)雨量值)與常德太陽山多普勒雷達(dá)對應(yīng)的估算雨量。圖 1a為中雨及以下量級(jí)實(shí)況雨量和雷達(dá)估算降水對比圖,二者之間相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0.800,且能通過 0.01信度的檢驗(yàn),誤差值在 10mm以內(nèi)的占 98.5%。圖1b為大雨及以上量級(jí)實(shí)況雨量與雷達(dá)估算降水對比圖,二者之間相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0.900,且能通過0.01信度的檢驗(yàn),相對誤差 ＜30%的占 78.1%,通過兩種量級(jí)的相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn),信度檢驗(yàn),誤差檢驗(yàn),說明通過雷達(dá)估算降水獲取的雨量具有可靠性和可用性。

圖 1 多普勒天氣雷達(dá)雨量估算與實(shí)況對比

5 兩種尺度雨量信息在地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)災(zāi)發(fā)模型中的綜合應(yīng)用

雖然利用區(qū)域自動(dòng)氣象站網(wǎng)的雨量監(jiān)測,通過插值處理,可以得到地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的降水量,但仍不能滿足獲取所有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)降水真值的需求,而多普勒天氣雷達(dá)高時(shí)空分辨率的監(jiān)測產(chǎn)品為地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)降雨量的獲取提供了技術(shù)支持,但畢竟是空中降水情況,存在一定的局限性,因此為使地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的估算雨量值更逼近真實(shí)值,采用對兩種尺度所求雨量進(jìn)行加權(quán)處理,又因地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降水強(qiáng)度呈正相關(guān),因此取大雨及以上量級(jí)作為衡量權(quán)重系數(shù)的依據(jù)。具體方法為分別取兩種尺度的大雨及以上量級(jí)誤差 ＜30%的比例系數(shù)為權(quán)重總和,各自的比例系數(shù)除以權(quán)重總和即為各自的權(quán)重系數(shù),再對兩種尺度雨量值求和,得到其綜合雨量值。

圖 2 綜合雨量估算與實(shí)況對比

綜合雨量值與實(shí)況進(jìn)行誤差分別對中雨及以下量級(jí)和大雨及以上量級(jí)的分析發(fā)現(xiàn)：前者相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0.691,且能通過 0.01信度的檢驗(yàn),誤差值在 10mm以內(nèi)的占 94.1%;后者相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.951,且能通過 0.01信度的檢驗(yàn),相對誤差 ＜30%的占 87.5%。綜合雨量與實(shí)況對照見圖 2所示。通過兩種量級(jí)的相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn),信度檢驗(yàn),誤差檢驗(yàn),說明通過兩者加權(quán)以后獲取的雨量比單一資料更具有可靠性和可用性,特別是大雨及以上量級(jí)。

以兩種監(jiān)測系統(tǒng)的綜合雨量值作為地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的前期雨量因子,建立地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)預(yù)報(bào)模型[2-3]。

6 小結(jié)和問題

①地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)本身的降雨量與周邊區(qū)域自動(dòng)氣象站及多普勒雷達(dá)估算雨量之間相關(guān)性很高,這是試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

②分別按中雨及以下量級(jí)和大雨級(jí)以上量級(jí)的雨量進(jìn)行了相關(guān)性和信度檢驗(yàn)試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種方法運(yùn)用于求取地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)雨量是可行的,而將二者綜合效果更優(yōu)。

③區(qū)域自動(dòng)氣象站和多普勒天氣雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率的優(yōu)勢,為監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的降雨情況提供了依據(jù),為開展地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化、定量的等級(jí)預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過業(yè)務(wù)試驗(yàn)效果明顯。

④區(qū)域自動(dòng)站自 2006年以后才先后建成投入,由于其數(shù)量和分布密度的限制,試途采用插值的方法獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患的真實(shí)雨量,難免存在誤差,特別是對于局地強(qiáng)對流性降水企圖通過插值的方法獲取,物理意義不十分清晰。

⑤按大雨或以上量級(jí)誤差 ＜30%的比例系數(shù)求兩種監(jiān)測資料權(quán)重的方法有待進(jìn)一步科學(xué)論證。

[1] 丁力,彭九慧,譚國明 .承德市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)方法初探[J].氣象科技,2006.34(6)：750-753.

[2] 彭貴芬,段旭,舒康寧,等 .應(yīng)用 KDD技術(shù)分析地質(zhì)災(zāi)害降水的關(guān)系[J].氣象科技,2007.35(2)：252-257.

[3] 王仁喬,周月華,王麗,等 .大降雨型滑坡臨界雨量及潛勢預(yù)報(bào)模型研究[J].氣象科技,2005.33(4)：121-123.

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1003-6598(2010)增刊-0132-02

2010-09-10

胡振菊 (1971-),女,高工,主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。