楊 寅，林 建，包紅軍

(1.國(guó)家氣象中心，北京 100081；2.中國(guó)氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

我國(guó)受崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害影響嚴(yán)重。根據(jù)自然資源部數(shù)據(jù)，2018年全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害2 966起，造成105人死亡、7人失蹤、73人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失14.7億元。

大量研究證明氣象是誘發(fā)滑坡、泥石流等淺層地質(zhì)災(zāi)害的主要因素。國(guó)土資源部和中國(guó)氣象局2003年起聯(lián)合開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警，并從2004年逐漸在省級(jí)開(kāi)展聯(lián)合預(yù)警[1]。隨著業(yè)務(wù)持續(xù)開(kāi)展，地質(zhì)和氣象部門(mén)工作者借鑒國(guó)內(nèi)外降水強(qiáng)度-時(shí)間(I-D)曲線[2]、降水驅(qū)動(dòng)指標(biāo)RTI[3]、閾值等相關(guān)研究成果[4-5]，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際研發(fā)了多種氣象預(yù)警模型[6-10]，并分析總結(jié)了豐富的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)[11]，使我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警業(yè)務(wù)水平逐漸提高。

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警水平提高依賴(lài)于地質(zhì)災(zāi)害形成和發(fā)生機(jī)理研究深化、客觀模型性能和主觀經(jīng)驗(yàn)積累與豐富，目前預(yù)警業(yè)務(wù)主要技術(shù)是“客觀模型+主觀訂正”，而其水平的提升需要通過(guò)預(yù)警檢驗(yàn)反饋和支撐?？陀^評(píng)估和定量檢驗(yàn)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警效果，首先要建立合理的檢驗(yàn)方法。近年來(lái)，學(xué)者們先后提出預(yù)警命中數(shù)量[6]，有效預(yù)警百分比[7]，命中率、漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率等一種或若干種的指標(biāo)組合[10-12]，預(yù)兆得分(TS評(píng)分)[13]，以及涵蓋預(yù)警時(shí)間、空間和強(qiáng)度的預(yù)警效果評(píng)估方法[14-15]等多種預(yù)警檢驗(yàn)方法。目前地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警主流檢驗(yàn)方法主要分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為單指標(biāo)法，以準(zhǔn)確率等單個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)估氣象預(yù)警效果，結(jié)果簡(jiǎn)單直觀，但未考慮空?qǐng)?bào)和(或)漏報(bào)影響。第二類(lèi)為多指標(biāo)法，考慮命中、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)，但指標(biāo)數(shù)量多，檢驗(yàn)結(jié)果使用困難，也無(wú)法合理定量地描述不同等級(jí)氣象預(yù)警的效果。

研究分析2018年全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空分布特征，提出一種地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警綜合評(píng)估方法，并選取典型災(zāi)害個(gè)例論證評(píng)估方法的合理性，最后比較分析了地質(zhì)災(zāi)害影響重點(diǎn)省份區(qū)域的氣象預(yù)警效果。

1 2018年地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空特征分析

根據(jù)自然資源部數(shù)據(jù)，2018年全國(guó)共發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害2 966起。表1是西南、西北等地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量分布，由表1可見(jiàn)，西南地區(qū)數(shù)量最高，達(dá)1 044次，西北地區(qū)災(zāi)害僅次于西南，為868次，以上兩地區(qū)災(zāi)害數(shù)量之和占全國(guó)總數(shù)64.5%,“西多東少”空間分布特征明顯。以縣為基本單元分析各省(自治區(qū)、直轄市)地質(zhì)災(zāi)害情況，云南、四川、甘肅、貴州、湖北五省災(zāi)情最為嚴(yán)重。分析地質(zhì)災(zāi)害時(shí)間分布特征，絕大多數(shù)災(zāi)害發(fā)生在6～8月，以云南等五個(gè)省份為例，6～8月期間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生百分率均超過(guò)80%。

圖1 2018年全國(guó)各地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量分布Fig.1 The distribution of geo-hazards between different regions of China in 2018

2 地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警綜合評(píng)估方法

2.1 業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法

氣象部門(mén)評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法是依據(jù)2017年8月中國(guó)氣象局發(fā)布的《地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)技術(shù)指南》，指南規(guī)定以縣行政區(qū)或地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)為檢驗(yàn)對(duì)象，確定三種檢驗(yàn)指標(biāo)，分別是命中率(TSR)、漏報(bào)率(PO)和空?qǐng)?bào)率(FAR)，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：NA，NB，NC，nd——分別為Ⅳ級(jí)及以上地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警命中、空?qǐng)?bào)、漏報(bào)，以及無(wú)預(yù)警且沒(méi)有出現(xiàn)災(zāi)害的縣或地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量。

業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法考慮了命中、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)，實(shí)用性較強(qiáng)，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該方法存在缺陷：首先，方法不區(qū)分預(yù)警等級(jí)，對(duì)Ⅳ級(jí)至Ⅰ級(jí)預(yù)警同等對(duì)待，既無(wú)法描述不同等級(jí)預(yù)警效果,還易導(dǎo)致業(yè)務(wù)人員傾向于發(fā)布最低等級(jí)預(yù)警，不利于預(yù)警業(yè)務(wù)開(kāi)展和防災(zāi)減災(zāi)工作實(shí)施。其次，檢驗(yàn)指標(biāo)為三個(gè)，數(shù)量較多，結(jié)果不直觀。如以縣為檢驗(yàn)基本單元，A省TSR、PO和FAR分別為85%、15%、80%，B省為88%、20%、90%，B省TSR高，但A省PO和FAR更優(yōu)，無(wú)法明確評(píng)判兩省預(yù)警效果好壞。

2.2 綜合評(píng)估方法

2016年8月中國(guó)氣象局發(fā)布《暴雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警業(yè)務(wù)規(guī)范》，規(guī)定氣象行業(yè)的預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照25%～50%、50%～75%、75%～95%、95%以上的災(zāi)害概率分為Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅰ級(jí)預(yù)警。國(guó)家級(jí)業(yè)務(wù)中，目前只對(duì)外發(fā)布Ⅲ級(jí)及以上等級(jí)的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警，同時(shí)氣象行業(yè)收集的災(zāi)情數(shù)據(jù)主要以縣為基本單元，尚未精確至災(zāi)害點(diǎn)具體經(jīng)緯度位置。

研究借鑒地震預(yù)測(cè)檢驗(yàn)常用的R值評(píng)分方法[16]，結(jié)合預(yù)警等級(jí)越高、災(zāi)害發(fā)生概率越大的劃分標(biāo)準(zhǔn)，考慮預(yù)警發(fā)布和災(zāi)情數(shù)據(jù)實(shí)際情況，提出一種地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警綜合評(píng)估方法(簡(jiǎn)稱(chēng)綜合評(píng)估方法)：

(4)

式中：NA，NB，NC，ND——分別為Ⅲ級(jí)及以上預(yù)警命中、空?qǐng)?bào)、漏報(bào)，以及無(wú)預(yù)警且沒(méi)有出現(xiàn)災(zāi)害的縣行政區(qū)數(shù)量，縣行政區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一起或多起地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，認(rèn)定數(shù)量為一次；

a，b，c——為變量NA，NB，NC和ND的權(quán)重系數(shù)。

綜合評(píng)估方法的物理意義為考慮地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級(jí)(即災(zāi)害發(fā)生概率)的準(zhǔn)確率與虛報(bào)率之差。方法根據(jù)不同等級(jí)氣象預(yù)警的災(zāi)害概率確定各變量的權(quán)重系數(shù)：對(duì)于NC，由于災(zāi)害實(shí)際發(fā)生，概率為100%，以此為基準(zhǔn)設(shè)定權(quán)重系數(shù)b為1；對(duì)于NA和NB的系數(shù)a，實(shí)際業(yè)務(wù)中，當(dāng)災(zāi)害概率位于預(yù)警等級(jí)的概率區(qū)間內(nèi)即發(fā)布預(yù)警，因此以各預(yù)警等級(jí)的概率區(qū)間下限值確定Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅰ級(jí)預(yù)警的權(quán)重系數(shù)，值分別為0.5、0.75和1；ND項(xiàng)所包含的縣均無(wú)預(yù)警發(fā)布，故本文取其概率區(qū)間上限值，對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)c為0.5。

綜合評(píng)估方法的取值區(qū)間為[-1,1]，檢驗(yàn)指標(biāo)R不僅受命中、空?qǐng)?bào)、漏報(bào)影響，還與預(yù)警等級(jí)有關(guān)。預(yù)警命中縣數(shù)量越多、空?qǐng)?bào)縣越少，評(píng)估得分越高；命中縣的預(yù)警等級(jí)越高，評(píng)估得分越高，而空?qǐng)?bào)縣的預(yù)警等級(jí)越高，評(píng)估得分越低。

2.3 典型地質(zhì)災(zāi)害個(gè)例預(yù)警效果檢驗(yàn)

以一次典型地質(zhì)災(zāi)害個(gè)例分析綜合評(píng)估方法優(yōu)點(diǎn)和合理性。2018年7月1日夜間至2日，受高空槽和低層切變線影響，甘肅南部、四川盆地西部和北部等地出現(xiàn)暴雨，部分地區(qū)大暴雨或特大暴雨，中國(guó)氣象局與自然資源部7月1日20時(shí)聯(lián)合發(fā)布橙色等級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警。受降水誘發(fā)，7月2日甘肅和四川省分別有13和11個(gè)縣出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害(圖2)。

圖2 2018年7月2日20時(shí)24h降水量(填色)、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生縣(黑色三角形)和氣象預(yù)警情況Fig.2 The 24 hour precipitation observation, location of county with geological hazards and meteorological early warning at 12:00(UTC) 2 July, 2018

表1是氣象預(yù)警在甘肅和四川省命中、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)情況，以及業(yè)務(wù)檢驗(yàn)和綜合評(píng)估方法結(jié)果對(duì)比。

預(yù)警在甘肅命中、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)的縣數(shù)量分別為10個(gè)、7個(gè)和3個(gè)，其中命中與空?qǐng)?bào)均為Ⅲ級(jí)預(yù)警，無(wú)預(yù)警且沒(méi)有地質(zhì)災(zāi)害的縣66個(gè)，綜合評(píng)估方法得分如下：

(5)

預(yù)警在四川省的命中縣數(shù)量為10個(gè)，其中Ⅲ級(jí)8個(gè)、Ⅱ級(jí)2個(gè)；漏報(bào)2個(gè)縣；空?qǐng)?bào)21個(gè)縣，其中Ⅲ級(jí)19個(gè)、Ⅱ級(jí)2個(gè)，無(wú)預(yù)警且沒(méi)有地質(zhì)災(zāi)害的縣數(shù)量147個(gè)，綜合評(píng)估方法檢驗(yàn)結(jié)果為：

(6)

表1 典型地質(zhì)災(zāi)害個(gè)例預(yù)警情況及業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法和綜合評(píng)估方法結(jié)果對(duì)比

甘肅與四川相比TSR略高、FAR更低，但四川PO低，三種檢驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果互有高低，根據(jù)業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法結(jié)果無(wú)法直接判斷兩省預(yù)警效果優(yōu)劣。綜合評(píng)估方法以單指標(biāo)R給出四川優(yōu)于甘肅的檢驗(yàn)結(jié)果，比業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法更簡(jiǎn)單直觀。再分析綜合評(píng)估方法合理性，預(yù)警在甘肅與四川的命中縣數(shù)量均為10個(gè)，甘肅均為Ⅲ級(jí)預(yù)警，而四川有2個(gè)縣為Ⅱ級(jí)，考慮到較高等級(jí)預(yù)警代表災(zāi)害發(fā)生概率更大，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防御工作的指示作用更強(qiáng)，同時(shí)四川省災(zāi)害漏報(bào)縣數(shù)量更低，預(yù)警效果在四川更好的評(píng)估結(jié)果是合理的。此外，如果將四川省命中縣的預(yù)警等級(jí)由Ⅲ級(jí)升級(jí)為Ⅰ級(jí)，評(píng)分提高為0.66；將空?qǐng)?bào)縣的Ⅲ級(jí)預(yù)警均上調(diào)為Ⅱ級(jí)，評(píng)分下降為0.56；說(shuō)明綜合評(píng)估方法要求根據(jù)實(shí)際情況發(fā)布相應(yīng)等級(jí)氣象預(yù)警，鼓勵(lì)對(duì)命中縣發(fā)布高等級(jí)預(yù)警，并懲罰在空?qǐng)?bào)縣發(fā)布高等級(jí)預(yù)警。

綜合評(píng)價(jià)方法在考慮預(yù)警命中、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)的同時(shí)，區(qū)分評(píng)估了不同等級(jí)氣象預(yù)警的效果，檢驗(yàn)結(jié)果直觀，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警業(yè)務(wù)科學(xué)開(kāi)展有促進(jìn)作用。

3 地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域預(yù)警效果評(píng)估

根據(jù)2018年全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害特征，研究以縣為基本單元，選取6～8月地質(zhì)災(zāi)害影響最嚴(yán)重區(qū)域，即云南、四川、甘肅、貴州、湖北五個(gè)省份進(jìn)行預(yù)警效果檢驗(yàn)。表2給出預(yù)警在各省命中、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)的縣數(shù)量，以及業(yè)務(wù)檢驗(yàn)和綜合評(píng)估方法結(jié)果。分析業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法，各省TSR均在97%以上，變化幅度僅為2%；除個(gè)別省份外，PO與FAR分別超過(guò)55%和80%，而且兩個(gè)指標(biāo)的變化幅度較小，均在10%以?xún)?nèi)，整體來(lái)看檢驗(yàn)結(jié)果的區(qū)分度不明顯。對(duì)比分析各省結(jié)果，貴州預(yù)警命中災(zāi)害的比例最大、漏報(bào)災(zāi)害的比例最少，TSR和PO最優(yōu)，雖然貴州FAR與該指標(biāo)最優(yōu)的湖北有9%差距，但貴州PO比湖北有領(lǐng)先17%的更大優(yōu)勢(shì)，因此貴州預(yù)警效果最好；在其余四個(gè)省中，湖北TSR和FAR均最優(yōu)，PO與表現(xiàn)最好的四川接近(相差2%)，因此湖北預(yù)警效果是次優(yōu)的；剩余的云南、四川和甘肅三省TSR、PO和FAR指標(biāo)各有高低，難以根據(jù)業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法結(jié)果判斷各省預(yù)警效果好壞。

相比而言，綜合評(píng)估方法以單個(gè)指標(biāo)評(píng)估各省，直觀地給出了貴州最優(yōu)，湖北其次，云南最差的預(yù)警效果排名，此外R值范圍在0.16～0.50，變化幅度達(dá)34%，比業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法TSR、PO和FAR指標(biāo)變化幅度大，區(qū)分度更明顯。圖3是業(yè)務(wù)檢驗(yàn)和綜合評(píng)估方法的定量結(jié)果對(duì)比，綜合評(píng)估方法檢驗(yàn)得分整體上與漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率負(fù)相關(guān)，這是符合業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)的。由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，綜合評(píng)估方法指標(biāo)唯一，結(jié)果直觀，區(qū)分度明顯，并且符合業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害影響嚴(yán)重的云南等五省份，綜合評(píng)估方法給出了預(yù)警效果從高到低為貴州、湖北、四川、甘肅、云南。

表2 2018年6～8月云南等五省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警情況及業(yè)務(wù)檢驗(yàn)方法和綜合評(píng)估方法檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 2018年6～8月云南等五省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的業(yè)務(wù)檢驗(yàn)和綜合評(píng)估方法檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of results between operational and comprehensive evaluation method for meteorological early warning to geological hazards in Yunnan and other four provinces from June to August, 2018

4 結(jié)論與討論

(1)2018年我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)出西多東少的空間分布特征，以西南地區(qū)受災(zāi)害影響最為嚴(yán)重，西北地區(qū)次之，兩地區(qū)災(zāi)害數(shù)量之和占全國(guó)總數(shù)64.5%；時(shí)間分布特征方面，絕大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害都發(fā)生在6～8月。

(2)研究提出一種地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警綜合評(píng)估方法，該方法檢驗(yàn)指標(biāo)唯一，根據(jù)不同等級(jí)氣象預(yù)警的災(zāi)害發(fā)生概率確定變量權(quán)重系數(shù)，物理意義為考慮地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級(jí)(即災(zāi)害發(fā)生概率)的準(zhǔn)確率與空?qǐng)?bào)率差值。2018年西部地區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害個(gè)例檢驗(yàn)結(jié)果表明，綜合評(píng)估方法具有考慮命中、空?qǐng)?bào)和漏報(bào)的同時(shí)，區(qū)分評(píng)估不同等級(jí)氣象預(yù)警效果的能力，檢驗(yàn)結(jié)果區(qū)分度高，與漏報(bào)率和空?qǐng)?bào)率指標(biāo)負(fù)相關(guān)，符合業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)。此外，該評(píng)估方法具有要求根據(jù)實(shí)際情況發(fā)布相應(yīng)等級(jí)氣象預(yù)警的特點(diǎn)，鼓勵(lì)對(duì)預(yù)警命中縣發(fā)布高等級(jí)預(yù)警，懲罰空?qǐng)?bào)縣發(fā)布高等級(jí)預(yù)警。

(3)采用綜合評(píng)估方法，以縣行政區(qū)為基本單元對(duì)2018年6～8月地質(zhì)災(zāi)害影響嚴(yán)重五個(gè)省份的氣象預(yù)警進(jìn)行對(duì)比，預(yù)警效果由高到低排名為貴州、湖北、四川、甘肅、云南。

由于目前氣象部門(mén)收集的災(zāi)情信息只能精確到天，綜合評(píng)估方法未考慮預(yù)警時(shí)間精度檢驗(yàn)，如果未來(lái)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間更精確，可以將時(shí)間項(xiàng)引入檢驗(yàn)方法中。