地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    2012-08-23     論文導(dǎo)讀:介紹了杭州地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和功能特點(diǎn)。在地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)普查基礎(chǔ)上，應(yīng)用足夠密度、實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠炅坑^測(cè)資料，綜合分析各隱患點(diǎn)地質(zhì)穩(wěn)定狀況、前期有效降雨量、臨近降雨強(qiáng)度對(duì)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害影響，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法建立了地質(zhì)災(zāi)害.    介紹了杭州地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和功能特點(diǎn)。在地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)普查基礎(chǔ)上，應(yīng)用足夠密度、實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠炅坑^測(cè)資料，綜合分析各隱患點(diǎn)

2、地質(zhì)穩(wěn)定狀況、前期有效降雨量、臨近降雨強(qiáng)度對(duì)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害影響，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法建立了地質(zhì)災(zāi)害氣象臨近預(yù)警模型，在此基礎(chǔ)上采用資料細(xì)網(wǎng)格插值、閥值自動(dòng)判別、預(yù)警實(shí)時(shí)發(fā)布等技術(shù)，構(gòu)建了全自動(dòng)化運(yùn)行的地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)，將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警精細(xì)到村、信息實(shí)時(shí)發(fā)布到責(zé)任人。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來(lái)應(yīng)用效果良好，在防災(zāi)避災(zāi)和提高防治工作效率等方面發(fā)揮了積極作用。地質(zhì)災(zāi)害; 精細(xì)化; 臨近預(yù)警系統(tǒng)收稿日期: 2012-02-280 引 言杭州地質(zhì)結(jié)構(gòu)和天氣氣候復(fù)雜，平均每年發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事件近 60 起，屬地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)。隨著自動(dòng)氣象站密度提高，信息無(wú)線傳輸技術(shù)成熟，地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)等相關(guān)基

3、本信息數(shù)據(jù)完整詳實(shí)以及地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防網(wǎng)絡(luò)體系不斷健全，深入開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)氣象預(yù)警技術(shù)研究條件基本成熟。2008 年初，杭州市氣象局與市國(guó)土資源局提出建設(shè)“杭州市地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)”的工作思路，并開(kāi)展技術(shù)路線設(shè)計(jì)和相關(guān)攻關(guān)技術(shù)研究，著重解決了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警精細(xì)化、發(fā)布及時(shí)性、服務(wù)針對(duì)性和運(yùn)行自動(dòng)化 4 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警和群測(cè)群防體系的無(wú)縫隙對(duì)接，提高了地質(zhì)災(zāi)害防治的科學(xué)水平?？傮w思路降水是滑坡、崩塌、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因，基于臨界雨量開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警是我國(guó)當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警行之有效的減災(zāi)方法。本系統(tǒng)依據(jù)國(guó)土部門精細(xì)到點(diǎn)的地質(zhì)穩(wěn)定狀況

4、調(diào)查結(jié)果、落實(shí)到人的地質(zhì)災(zāi)害防治組織體系等基礎(chǔ)信息，利用氣象部門足夠密度、實(shí)時(shí)傳輸?shù)淖詣?dòng)氣象站資料，采用資料細(xì)網(wǎng)格插值、閥值自動(dòng)判別、預(yù)警實(shí)時(shí)發(fā)布等技術(shù)，構(gòu)建了全自動(dòng)化運(yùn)行的地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)，將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警精細(xì)到村、信息實(shí)時(shí)發(fā)布到責(zé)任人。系統(tǒng)整體架構(gòu)見(jiàn)圖 1。圖 1 地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1建設(shè)目標(biāo)構(gòu)建基于實(shí)時(shí)雨量等資料的地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化氣象臨近預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警精細(xì)浙 江 氣 象到村( 隱患點(diǎn)) ，預(yù)警信息通過(guò)手機(jī)短信直接發(fā)布到相關(guān)責(zé)任人，并實(shí)現(xiàn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)終端在任何時(shí)間、任意地點(diǎn)可查詢地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警狀況及地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)相關(guān)信息。預(yù)警對(duì)象與等級(jí)降雨誘發(fā)的

5、區(qū)域性和局地性地質(zhì)災(zāi)害，重點(diǎn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害中、高易發(fā)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)及所在村作為最小預(yù)警對(duì)象。參照氣象災(zāi)害預(yù)警發(fā)布規(guī)范，將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分為 5 個(gè)等級(jí)，1 5 級(jí)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性依次增大，并明確響應(yīng)預(yù)警等級(jí)的防范對(duì)策建議。在實(shí)際預(yù)警發(fā)布中，1 2 級(jí)不對(duì)外發(fā)布預(yù)警，3 級(jí)或以上對(duì)外實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警。地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警分為 5 個(gè)等級(jí): 1 級(jí)，可能性很小; 2 級(jí)，可能性較小; 3 級(jí)預(yù)警用黃色表示，可能性較大; 4 級(jí)預(yù)警用橙色表示，可能性大; 5 級(jí)預(yù)警用紅色表示，可能性很大。預(yù)警時(shí)段與地域預(yù)警時(shí)段為全天候 24 h; 預(yù)警地域?yàn)檎麄€(gè)杭州市域范圍。預(yù)警模型的建立臨界降雨量判據(jù)研究根據(jù)有關(guān)研

6、究積累和歷史經(jīng)驗(yàn)，滑坡泥石流的發(fā)生不僅與前期降雨量、當(dāng)日降雨量有關(guān)，且與臨近短時(shí)降雨強(qiáng)度關(guān)系密切。對(duì)全市 186 個(gè)歷史滑坡泥石流事件與降雨過(guò)程的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析也發(fā)現(xiàn): 杭州地質(zhì)災(zāi)害主要為滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷，其中滑坡、崩塌兩類地質(zhì)災(zāi)害占 92%，因降雨直接或間接誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害占 72%。本系統(tǒng)確定的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判別標(biāo)準(zhǔn) Rd 與地質(zhì)穩(wěn)定性分區(qū) Gc、有效累計(jì)雨量 Rv 和短時(shí)降水強(qiáng)度 Rs 有關(guān)，Gc 為地質(zhì)穩(wěn)定性，分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū) 3類，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件、地形坡度、不良地質(zhì)狀況和潛在威脅人員與財(cái)產(chǎn)等因子綜合劃定，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)國(guó)土資源部 2006 年 10 月印

7、發(fā)的縣( 市) 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求實(shí)施細(xì)則( 修訂稿) ，由市國(guó)土部門調(diào)查提供; Rv 為有效累計(jì)雨量，取前幾天有效累計(jì)雨量，本系統(tǒng)取 5 d; Rs 短時(shí)降雨強(qiáng)度，指定最近 1 h，2 h，3 h和 6 h 雨強(qiáng); Rd 為預(yù)警判別標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同的地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)，分別建立基于 Rv，Rs 的判別標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于不同的降雨類型及不同的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，其降雨量臨界值及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是變化的，根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)修正分別擬訂了高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)的臨界值降雨量預(yù)警判據(jù)，不設(shè)定低易發(fā)區(qū)臨界值降雨量預(yù)警判據(jù)。預(yù)警判別因子地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的臨界值降雨量預(yù)警判據(jù)主要考慮 3 個(gè)因子: 隱患點(diǎn)的地質(zhì)穩(wěn)定狀況、最近 5

8、 d 有效降水量( Rv) 、短時(shí)降雨強(qiáng)度( Rs) 。Rv 計(jì)算方法參照杭州地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)等級(jí)預(yù)報(bào)方法研究成果，前期降水量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的作用隨著時(shí)間推移逐漸減弱。有效降水量( Rv) 計(jì)算公式為:Rv = 5i = 1Ai* Rpi式中，i =1 5，Rpi 以當(dāng)天為基準(zhǔn)前推第i d的日降水量，Rp2 即為昨天日降水量，Rp1 為截止當(dāng)前的當(dāng)天累計(jì)降雨量; Ai 為有效降水量折算系數(shù)，A1 A5 分別為 1，0.8，0.6，0.4，0.2。Rs 等級(jí)劃分Rs 短時(shí)降雨強(qiáng)度是指 1 h，2 h，3 h 和 6 h 的降雨量，系統(tǒng)所指的短時(shí)降雨強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)雨量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定級(jí)到級(jí)，具體標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 1。地

9、質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)參照杭州地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)等級(jí)預(yù)報(bào)方法研究成果，建立以該點(diǎn)所屬地質(zhì)穩(wěn)定狀況為類別，橫坐標(biāo)為短時(shí)降雨強(qiáng)度 Rs、縱坐標(biāo)為有效降水 Rv的預(yù)警等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)，建立不同地質(zhì)穩(wěn)定性區(qū)域的氣象預(yù)警指標(biāo)及預(yù)警等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，以連續(xù)晴好( 無(wú)雨) 5 d 以上為計(jì)算中斷期，即認(rèn)為在連續(xù)晴好 5 d 以上，前期氣象因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生不起誘導(dǎo)作用。根據(jù)對(duì)突33浙 江 氣 象 33 卷 2 期發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的各種誘因的綜合分析，擬訂了臨界值降雨量預(yù)警判據(jù) 。表 2、表 3 分別為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)氣象預(yù)警等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警技術(shù)研究地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)和雨量站

10、分布狀況杭州市 1 6 萬(wàn) km2建有 298 個(gè)自動(dòng)氣象站，平均間距 5 10 km2，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和主要地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)至少有一個(gè)自動(dòng)氣象站，分布基本均勻，雨量數(shù)據(jù)每分鐘實(shí)時(shí)采集; 地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn) 1000 個(gè)左右，分布不均勻，每年根據(jù)調(diào)查情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。2009 年，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)增建了自動(dòng)氣象站，雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為地質(zhì)災(zāi)害氣象精細(xì)化實(shí)時(shí)預(yù)警提供充分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)代表雨量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)代表雨量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的工作之一是將離散點(diǎn)資料插值成規(guī)則的網(wǎng)格點(diǎn)資料。本系統(tǒng)采用 Surfer 軟件提供 Grid 內(nèi)插計(jì)算完成插值過(guò)程。Grid 提供了距離倒數(shù)加權(quán)法、最小曲率法、三角

11、網(wǎng)線性插值法、克立格法、多元回歸法等數(shù)學(xué)插值模型?？紤]到降雨不勻均性，本系統(tǒng)采用了克立格插值方法，將全市離散點(diǎn)雨量資料插值成規(guī)則的 0.01° ×0 01°網(wǎng)格點(diǎn)資料，來(lái)代表網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警發(fā)布技術(shù)實(shí)現(xiàn)隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，以 CDMA，GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)形成的數(shù)據(jù)服務(wù)，不受地理環(huán)境和天氣條件的限制，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，安全可靠性高，時(shí)效性和帶寬滿足地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警短信的傳輸要求。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判別算法，系統(tǒng)每 10 min 自動(dòng)計(jì)算全市地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的氣象預(yù)警等級(jí)，判定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，對(duì)于達(dá)到 3 級(jí)或以上預(yù)警等級(jí)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，則自動(dòng)采用無(wú)線通信技術(shù)，按照集約規(guī)則，只向隱患點(diǎn)對(duì)應(yīng)的責(zé)任人和所在的村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、國(guó)土部門相關(guān)責(zé)任人發(fā)布預(yù)警信息，提醒或指導(dǎo)相關(guān)人員做好監(jiān)測(cè)防災(zāi)工作。而未達(dá)到 3 級(jí)預(yù)警等級(jí)的地質(zhì)災(zāi)害隱患