陳 濤，陳春艷，周益平，管薇薇，陳 融

(1.湖南衡陽市氣象臺，湖南 衡陽 421001;2.湖南祁東縣氣象局，湖南 祁東 421600;3.湖南衡東縣氣象局，湖南衡東 421400;4.湖南耒陽市氣象局，湖南耒陽 421800)

0 引言

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，崩塌、滑坡和泥石流的分布范圍占國土面積的44.8%［1］。地質(zhì)災(zāi)害的形成受地質(zhì)條件、氣象條件、人類活動等諸多因素影響，是多種因素共同作用下從緩變到突變的復(fù)雜過程，其中降水是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素［2-4］。衡陽地處湘中以南，地貌以崗、丘為主，平原面積僅占20.8%。境內(nèi)大部分巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，山丘斜坡廣泛分布著厚度為1～10m的殘坡積層。此類土體結(jié)構(gòu)松散、透水性好、遇水易軟化，在強(qiáng)降水作用下，常沿巖土接觸面向下滑動，形成群發(fā)性滑坡、崩塌、泥石流地質(zhì)災(zāi)害。因此衡陽是湖南省地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)之一。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，財產(chǎn)總量與分布密度都有所增加，同樣規(guī)模的氣象災(zāi)害完全可能導(dǎo)致更高水平的直接經(jīng)濟(jì)損失［5］，故對地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防則顯得尤為迫切。

縱觀地質(zhì)災(zāi)害研究與預(yù)警預(yù)報歷史，國外經(jīng)歷了3個階段:20世紀(jì)60～70年代，為探索示范研究時期，一般基于滑坡監(jiān)測時間位移曲線外延法進(jìn)行分析判斷;20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了敏感性制圖、信息論、灰色系統(tǒng)理論等預(yù)報方法;20世紀(jì)90年代至今，出現(xiàn)了模糊數(shù)學(xué)、專家系統(tǒng)、災(zāi)變理論、分形理論、控制論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等預(yù)報方法［6］。國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害研究起步較晚［7－11］，但發(fā)展較快，如將數(shù)學(xué)、力學(xué)、非線性科學(xué)以及近年來發(fā)展起來的3S技術(shù)等新理論、技術(shù)和方法不斷被引入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警研究中。隨著全球變暖，突發(fā)性重大氣象災(zāi)害發(fā)生頻率增大，對于這方面的研究工作更為重視。

為了有效地減輕氣象因素誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，2003年4月7日國土資源部和中國氣象局簽署了《國土資源部和中國氣象局聯(lián)合開展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警工作協(xié)議》。2004年，衡陽市氣象局與衡陽市國土資源局開始合作，開展了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息電視及手機(jī)短信發(fā)布工作。2009年，在衡陽市科技局的支持下，衡陽市氣象局研制開發(fā)了氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，并于次年正式投入業(yè)務(wù)運行，在近3年的運行中效果顯著，為各級領(lǐng)導(dǎo)的決策服務(wù)與防災(zāi)減災(zāi)起到積極作用。

1 系統(tǒng)工作原理

氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型及降水臨界建立是系統(tǒng)開發(fā)重點。首先通過對衡陽有地質(zhì)災(zāi)害記錄以來大量數(shù)據(jù)與強(qiáng)降水相關(guān)性研究，建立符合當(dāng)?shù)貙嵡榈慕邓c地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系模型，在建模過程中充分考慮了地形、地質(zhì)、水文、人口密度及植被等各種因素，針對不同監(jiān)測點分別建立了危險系數(shù)。其次是獲取各監(jiān)測點前期降水?dāng)?shù)據(jù)，通過遍布全市的自動站監(jiān)測網(wǎng)點，以小時為時間單位，自動采集各監(jiān)測點實時降水?dāng)?shù)據(jù)，通過移動或聯(lián)通無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行姆?wù)器中。再次就是從9210系統(tǒng)獲取各監(jiān)測點未來降水預(yù)報值，本系統(tǒng)采用日本氣象廳每日兩次(08時和20時)發(fā)布的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，通過距離倒數(shù)乘方法插值，訂正到各監(jiān)測點。最后將臨近降水預(yù)報值及前十天的逐日降水輸入到預(yù)警模型中，計算各監(jiān)測點在當(dāng)前氣象條件下地質(zhì)災(zāi)害危險等級，形成預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 邏輯架構(gòu)

基于前期衡陽氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的需求分析，依據(jù)科學(xué)性、實用性、規(guī)范性等原則，制定系統(tǒng)三層邏輯架構(gòu)，分別為技術(shù)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)功能層。系統(tǒng)開發(fā)依賴Server2003數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Surfer圖形顯示技術(shù)等，前臺開發(fā)采用快速應(yīng)用程序開發(fā)工具Delphi。系統(tǒng)運行所需數(shù)據(jù)按類型分為降水實況數(shù)據(jù)、未來預(yù)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測點地理信息數(shù)據(jù)及監(jiān)測點危險系數(shù)。業(yè)務(wù)功能層是衡陽氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的客戶端層，用戶通過客戶端提供的工作界面實現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用價值。圖1為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的邏輯框架圖。

2.2 應(yīng)用架構(gòu)

系統(tǒng)研發(fā)對象定位為辦公的局域網(wǎng)用戶，主要包括系統(tǒng)管理員和專業(yè)分析人員。系統(tǒng)管理員除了可操控專業(yè)分析人員的功能模塊以外，還可對系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、選擇預(yù)警站點。根據(jù)衡陽前期降水實況及數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品結(jié)果，每天兩次滾動發(fā)布預(yù)警信息，預(yù)警實效為24小時?；诖耍瑢㈩A(yù)警系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、資料處理子系統(tǒng)、歷史災(zāi)情子系統(tǒng)、監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)四個部分(見圖2)。

圖1 氣象地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 Logic Structure of Meteorologicalgeological Disasters Monitoring System

圖2 氣象地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)圖Fig.2 The Application Architecture for Meteorological-geological Disasters Monitoring System

(1)系統(tǒng)管理子系統(tǒng)是對系統(tǒng)運行時參數(shù)文件配置及中間文件的保存路徑設(shè)置。由于Server2003數(shù)據(jù)庫文件保存在服務(wù)器中，在安裝客戶端時需進(jìn)行數(shù)據(jù)庫鏈接文件設(shè)置，同時程序運行將產(chǎn)生臨時文件和結(jié)果文件，通過人工設(shè)置，可增強(qiáng)客戶端安裝時的靈活性。

(2)資料處理子系統(tǒng)是進(jìn)行監(jiān)測點選擇、異常降水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)控。自動站數(shù)據(jù)在采集發(fā)送過程中，由于供電、儀器及通訊等多方面原因可導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)管理員通過監(jiān)控模塊發(fā)現(xiàn)異常，并可屏蔽異常點數(shù)據(jù)進(jìn)入模型分析，確保原始數(shù)據(jù)真實有效。

(3)歷史災(zāi)情子系統(tǒng)用于對衡陽歷史氣象地質(zhì)災(zāi)情的查詢、分析統(tǒng)計及新災(zāi)情的編輯。

(4)監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)是監(jiān)測平臺核心，包括預(yù)警分析、近期降水實況統(tǒng)計及數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品顯示三大功能，其中預(yù)警分析還包含了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測分析及預(yù)警產(chǎn)品輸出功能。

3 系統(tǒng)開發(fā)重點

3.1 氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型設(shè)計

3.1.1 氣象預(yù)報等級的劃分

按照國土資源部與中國氣象局制定的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報等級標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)報等級分為五級，即一級:可能性很小;二級:可能性較小;三級(注意級):可能性較大;四級(預(yù)警級):可能性大;五級(警報級):可能性很大。從現(xiàn)實預(yù)警出發(fā)，三級及以上為地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警信息發(fā)布級。

3.1.2 氣象預(yù)警指標(biāo)和方法

目前國內(nèi)采用的氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)主要有前期雨量、有效雨量、日雨量與預(yù)報雨量等［12］。以往在確定指標(biāo)過程中主要考慮了前期降水可能對發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的影響，而對監(jiān)測點的災(zāi)害易發(fā)程度等級考慮不多。因此本著實用和合理可靠的原則，首先劃分各個地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，再對各個易發(fā)區(qū)確定不同降水型的預(yù)警指標(biāo)。

根據(jù)各縣降水區(qū)域特征，將衡陽劃分為三大地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，依次為:高易發(fā)區(qū)(祁東、常寧、耒陽)、中易發(fā)區(qū)(衡山、衡東、南岳)、低易發(fā)區(qū)(衡陽縣、衡南、衡陽市區(qū))。

借鑒國內(nèi)外研究應(yīng)用成果［13-15］，對145個地質(zhì)災(zāi)害個例的有效累積雨量進(jìn)行統(tǒng)計，確定了衡陽降水型地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警指標(biāo)臨界值(見表1)。表中雨量等級參照降水強(qiáng)度國家標(biāo)準(zhǔn)［16］。

表1 衡陽降水型地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警指標(biāo)臨界值Tab.1 The Forecasting and Warning Critical Values of Geological Disasters on Rainfall Pattern in Hengyang

3.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)最繁雜的運算就是對全市近300個監(jiān)測點前10天降水量統(tǒng)計。統(tǒng)計前，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊對數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行分析，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點數(shù)據(jù)異常(日降水量大于250mm或數(shù)據(jù)缺測兩天以上)，則摒棄該點資料的使用。在系統(tǒng)運行之初，通過模塊U_Rain.pas，自動計算正常監(jiān)測點前10天降水值，并形成文本文件Rain10.txt。另外，系統(tǒng)采用格點插值法，將數(shù)值預(yù)報結(jié)果插值到不同監(jiān)測點。最后將正常監(jiān)測點的降水預(yù)報和降水實況與表1對比，以確定在當(dāng)前狀況下各監(jiān)測點的地質(zhì)災(zāi)害危險等級，并形成危險等級文件sf.txt供Surfer調(diào)用繪制預(yù)警等級色斑圖。

3.3 Delphi與Surfer接口的實現(xiàn)

Surfer是一個完美的二維數(shù)據(jù)處理和顯示軟件，并具有一定的三維顯示功能。Surfer提供了許多ActiveX對象，Delphi可方便對Surfer的各種圖形繪制功能進(jìn)行調(diào)用。

Delphi調(diào)用Surfer的ActiveX對象代碼如下:

4 預(yù)警個例及問題分析

2012年6月1～10日，衡陽境內(nèi)已出現(xiàn)6～8天小到中雨過程，預(yù)計未來將出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水。6月10日，系統(tǒng)對全市11個監(jiān)測點發(fā)出重度危險預(yù)警，對41個點發(fā)出中度危險預(yù)警。11日，衡陽有5個區(qū)域出現(xiàn)暴雨，祁東縣歸陽鎮(zhèn)、步云橋及河洲鎮(zhèn)出現(xiàn)大面積山體滑坡，其中歸陽鎮(zhèn)廖阿村唐家組因山體滑坡，導(dǎo)致4人被埋不幸全部遇難。另外衡陽縣、常寧市、耒陽市各有3處，衡山、衡東各有2處，衡南縣1處出現(xiàn)山體滑坡，系統(tǒng)對出現(xiàn)滑坡的大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)均能發(fā)出預(yù)警(78.6%)。圖3是2012年6月10日系統(tǒng)所繪制的未來24小時氣象地質(zhì)災(zāi)害點預(yù)警分布圖。衡陽縣、常寧市和耒陽市大部及祁東西部地區(qū)為中度氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，衡山和衡東為重度地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域。

另外，本系統(tǒng)的空報率較高。這次共對52個點發(fā)出了中等程度以上的災(zāi)害預(yù)警，實際出現(xiàn)的災(zāi)害有17處，空報率為67.3%。原因有以下三個方面:一是各監(jiān)測點危險系數(shù)存在偏差，需更加細(xì)化;二是數(shù)值預(yù)報與部分監(jiān)測點降水實況誤差大。日本數(shù)值預(yù)報格點為2.5×2.5。空間精度小，插值后各監(jiān)測點預(yù)報差別不大;三是空間上的網(wǎng)格值變化是均勻的，難以從根本上反映天氣系統(tǒng)不均勻變化特征。多種因素的疊加，導(dǎo)致空報率被放大。

圖3 2012年6月11日氣象地質(zhì)災(zāi)害隱患點預(yù)警等級分布圖Fig.3 The Distribution of Warning Levels on Meteorological-geological Disasters in all Monitoring Points on June 11，2012

5 結(jié)論

本文介紹了以 Server2003為數(shù)據(jù)庫，調(diào)用Surfer功能模塊的衡陽氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)以各監(jiān)測點前10日降水實況及未來24小時數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品為基礎(chǔ)，通過模型運算，獲得各監(jiān)測區(qū)域未來24小時內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況，并繪預(yù)警等級分布圖、形成氣象服務(wù)產(chǎn)品。實際應(yīng)用表明，該本系統(tǒng)具有操作簡便，一定程度上提高了衡陽氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警能力。不足的是目前數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品精度不夠，監(jiān)測點的危險系數(shù)設(shè)置粗放，放大了系統(tǒng)空報率，需在系統(tǒng)升級中得以改進(jìn)。

［1］ 劉長友，陳愛麗，巴圖，等.從IPCC第四次評估報告看全球氣候變化及防災(zāi)減災(zāi)對策［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2008，10(4):140 －141.

［2］ 郁淑華.四川盆地泥石流、滑坡的時空分布特征及其氣象成因分析［J］.高原氣象，2003，22(z1):83－89.

［3］ 柳源.中國地質(zhì)災(zāi)害(以崩、滑、流為主)危險性分析與區(qū)劃［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，14(1):95－99.

［4］ 平松晉也，石川芳之，三好巖生，等.1998年9月高知縣因暴雨集中導(dǎo)致泥沙災(zāi)害記實［J］.水土保持科技情報，2000(3):31－32.

［5］ 劉彤，閆天池.氣象災(zāi)害損失與區(qū)域差異的實證分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2011(2):84－91.

［6］ 王禮堯，余德清，化銳，等.湖南省區(qū)域群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的設(shè)計研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(4):103 －106.

［7］ 黃莉，周云霞，黃君健，等.廣西西南部地質(zhì)災(zāi)害氣象因素風(fēng)險評估［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2008，10(4):79－82.

［8］ 王清川.近58年廊坊市氣象災(zāi)情普查分析及問題與建議［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2009，11(4):36 －43.

［9］ 朱龍彪，何彩芬，陳有利，等.寧波市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警方法［J］.氣象，2007，33(11):112－117.

［10］ 王志祿，張燕，孫暢.隴南地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報及預(yù)警技術(shù)研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2005，16(1):105－110.

［11］ 林玲玲，于曉輝，劉曉燕.安寧河?xùn)|岸西昌段蛇尾巴村滑坡、泥石流成因分析［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2011，13(3):25 －29.

［12］ 中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所.甘肅泥石流［M］.北京:人民交通出版社，1982.

［13］ 張書余.地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報基礎(chǔ)［M］.北京:氣象出版社，2005:88－95.

［14］ 陳百煉.降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的氣象預(yù)警方法研究［J］.貴州氣象，2002，26(4):4 －7.

［15］ 張鐵軍，王錫穩(wěn)，魏文娟，等.甘肅省山洪地質(zhì)災(zāi)害氣象等級預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究［J］.甘肅科技，2008，24(16):58－60.

［16］ 國家防汛總指揮部辦公室.防汛手冊［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1992.