無資料地質(zhì)災(zāi)害隱患點降水插補方法試驗

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)害隱患點降水插補方法試驗

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)域自動氣象站網(wǎng)和多普勒天氣雷達的建設(shè)和使用,大大提高了降水監(jiān)測的時空分辨率。將常德太陽山多普勒天氣雷達和區(qū)域內(nèi) 192個區(qū)域自動氣象站降水資料,經(jīng)過反距離插值、多普勒雷達雨量估算等方法試驗,證明其應(yīng)用的可行性,進而用于獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患點的降水,為建立地質(zhì)災(zāi)害隱患點等級預(yù)報模型打下基礎(chǔ)。

區(qū)域自動氣象站;降水插補;多普勒雷達雨量估算;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)下的降雨狀況。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)報預(yù)警模型建立的關(guān)鍵。而地質(zhì)災(zāi)害隱患點真值雨量的獲取及降水量的預(yù)報一直制約著氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警準確率的提高。隨著中國氣象局綜合觀測體系的重新布局,區(qū)域自動氣象站網(wǎng)和多普勒天氣雷達的建設(shè)和投入使用大大提高了降水監(jiān)測的時空分辨率。

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

2 常德市地質(zhì)災(zāi)害隱患點分布情況

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個地質(zhì)災(zāi)害隱患點。分布在侵蝕—剝蝕的中—低山,剝蝕、溶蝕低山—丘陵,剝蝕的低山丘陵等地形上,地質(zhì)類型多屬于堅硬—半堅硬的工程地質(zhì)巖組,堅硬—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)域自動氣象站也并非都建在地質(zhì)災(zāi)害隱患點,因此較多的地質(zhì)災(zāi)害隱患點的真實降水資料難以得到。為解決這一問題,選定四周有區(qū)域自動氣象站的常規(guī)氣象站進行四點反距離加權(quán)插值法[1]求取雨量統(tǒng)計實驗。

3.1 資料選取

選取 2007年 07月 01日—2008年 08月 31日全市 7個常規(guī)氣象站 (石門、澧縣、臨澧、安鄉(xiāng)、桃源、常德、漢壽)20-20時 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個區(qū)域自動氣象站 20-20時 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,其中中雨 (24h累積降水量≤24.9mm)及以下樣本 203個,大雨 (24h累積降水≥25.0mm)及以上樣本 32個。

3.2 實驗結(jié)果分析

實驗中,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和大雨及以上量級進行了相關(guān)分析和信度檢驗 (試驗結(jié)果如表 1。)。

分析發(fā)現(xiàn)：中雨及以下量級實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 0.634,且能通過 0.01信度的檢驗,誤差值在 10mm以內(nèi)的占89.9%;大雨及以上量級相關(guān)系數(shù)可達 0.905,且能通過 0.01信度的檢驗,相對誤差 ＜30%的占85.7%。從兩種量級的相關(guān)系數(shù),信度檢驗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)插值法實驗結(jié)果分析

4 多普勒天氣雷達雨量估算分析

對于地質(zhì)災(zāi)害隱患點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的雨量估算,為了檢驗多普勒天氣雷達雨量估算 (基于 1h累積降水 ohp、3h累積降水 thp、風(fēng)暴總累積降水stp雷達產(chǎn)品)與真實降水實況的誤差,在統(tǒng)計實驗中用了反距離加權(quán)插值法中所用的 235個區(qū)域自動氣象站監(jiān)測的降水量 (作為真實雨量值)與常德太陽山多普勒雷達對應(yīng)的估算雨量。圖 1a為中雨及以下量級實況雨量和雷達估算降水對比圖,二者之間相關(guān)系數(shù)可達 0.800,且能通過 0.01信度的檢驗,誤差值在 10mm以內(nèi)的占 98.5%。圖1b為大雨及以上量級實況雨量與雷達估算降水對比圖,二者之間相關(guān)系數(shù)可達 0.900,且能通過0.01信度的檢驗,相對誤差 ＜30%的占 78.1%,通過兩種量級的相關(guān)系數(shù)檢驗,信度檢驗,誤差檢驗,說明通過雷達估算降水獲取的雨量具有可靠性和可用性。

圖 1 多普勒天氣雷達雨量估算與實況對比

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

雖然利用區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的雨量監(jiān)測,通過插值處理,可以得到地質(zhì)災(zāi)害隱患點的降水量,但仍不能滿足獲取所有地質(zhì)災(zāi)害隱患點降水真值的需求,而多普勒天氣雷達高時空分辨率的監(jiān)測產(chǎn)品為地質(zhì)災(zāi)害隱患點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)害隱患點的估算雨量值更逼近真實值,采用對兩種尺度所求雨量進行加權(quán)處理,又因地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降水強度呈正相關(guān),因此取大雨及以上量級作為衡量權(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 綜合雨量估算與實況對比

綜合雨量值與實況進行誤差分別對中雨及以下量級和大雨及以上量級的分析發(fā)現(xiàn)：前者相關(guān)系數(shù)可達 0.691,且能通過 0.01信度的檢驗,誤差值在 10mm以內(nèi)的占 94.1%;后者相關(guān)系數(shù)可達0.951,且能通過 0.01信度的檢驗,相對誤差 ＜30%的占 87.5%。綜合雨量與實況對照見圖 2所示。通過兩種量級的相關(guān)系數(shù)檢驗,信度檢驗,誤差檢驗,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。

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

6 小結(jié)和問題

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

②分別按中雨及以下量級和大雨級以上量級的雨量進行了相關(guān)性和信度檢驗試驗,實驗結(jié)果表明兩種方法運用于求取地質(zhì)災(zāi)害隱患點雨量是可行的,而將二者綜合效果更優(yōu)。

③區(qū)域自動氣象站和多普勒天氣雷達以其高時空分辨率的優(yōu)勢,為監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害隱患點的降雨情況提供了依據(jù),為開展地質(zhì)災(zāi)害精細化、定量的等級預(yù)報奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過業(yè)務(wù)試驗效果明顯。

④區(qū)域自動站自 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)害隱患的真實雨量,難免存在誤差,特別是對于局地強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)報模型研究[J].氣象科技,2005.33(4)：121-123.

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B

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)報工作。