山洪地质灾害防治气象保障工程

1、湖南省气象局 气象预报业务能力建设专项(2016-2017年) 实施方案 项目名称：中小河流洪水、山洪、地质灾害气象风险预报研究 项目编号：YBNL16YBNL16- -1212- -1 1 项目负责人：刘红武 单位责任人：蔡荣辉 项目承担单位(盖章)：湖南省气象台 项目起止时间：20162016 年 1 1 月- -20172017 年 1212 月 编制日期：20162016 年 6 6 月 3030 日 湖南省气象局科技与预报处印制编写说明 1 1. 实施方案 由项目负责人按照湘气办发201621201621 号文件”要求认真编制，不得删减建设任务。 实施方案为项目验收的依据，各项内容应

2、尽可能详细填写，列出可考核的具体指标。 2,2,实施方案要有明确可行的技术路线、详细可检查的业务化指标。项目建设要立足于业务应用， 研发新成果， 整合已有的研究成果， 形成集约化研究成果。 3 3 . .项目研究成果要实现集约化应用， 天气业务类研究成果要集成到省市县一体化气象预报业务平台（分精细化气象要素格点预报业务系统和短时临近预报预警业务系统），气候业务类研究成果要集成到集约化的湖南省气候业务平台（分湖南省气候预测业务系统和湖南省气候监测评估业务系统），数据对接省级 CIMISSCIMISS 系统。 4 4 . .项目承担单位：项目负责人所在单位（处级）。每个项目必须明确一名单位责任人（

3、须本人亲笔签名），单位责任人必须为处级单位负责人。 5 5 . .项目实施周期最长为二年，项目起止时间一般为 20162016 年 1 1 月至 20172017 年 1212 月。 6 6 .经费使用须严格按有关经费管理办法执行，不得用于采购硬件。经费预算表由项目负责人和单位责任人亲笔签名。 一、目的意义 中小河流洪水、山洪、地质灾害是我省面临的主要自然灾害，由于湖 南省多丘陵分布，地形三面环山，山洪地质灾害多发生在湘西、湘东南等地质条件复杂多地带。根据暴雨诱发中小河流洪水和山洪地质灾害气象风险预警服务业务规范（试行）、暴雨洪涝灾害致灾临界（面）雨量确定技术指南、20132013年度暴雨诱发

4、中小河流洪水和山洪地质灾害气象风险预警服务业务考核方案等文件要求，从 20132013 年开始，各省气象局全面展开了暴雨诱发的中小河流、山洪地质灾害气象风险预警业务，由国家气象中心研制的基于 SWANSWAN 的山洪地质灾害和中小河流预报预警平台已经投入业务使用，能够实现面雨量的实况显示、预报风险预警产品的交互制作和产品的自动分发等功能，在气象灾害风险预警上取得了一些成效。通过历年的山洪建设项目及相关研究，目前中小河流洪水、山洪、地质灾害的易发区调查、雨量阈值研究等工作也取得了一定进展。确定了湖南的 114114 条河流边界、14961496 个山洪沟位置并逐一进行了编码，并初步计算了 585

5、8 条流域三种等级的雨量阈值。由于工作量较大，山洪、地质灾害的临界雨量还在进一步研究过程中，尤其是对不同时效、不同地质条件下发生地质灾害的雨量阈值研究是本项目的理论研究重点。 目前我省中小河流洪水、山洪、地质灾害气象风险预报以及流域气象服务还基本停留在量级降水预报基础上的主观判定阶段，缺乏定量依据和 相关的产品及服务素材。止匕外，由于上述平台缺乏动态处理能力，在气象风险预报方面还存在一定局限。通过本课题的研究，开发适应本省业务需求的气象风险预警预报服务平台，为气象风险预报及流域气象服务提供定量化的依据，增强中小河流治理区、山洪灾害易发区和泥石流、滑坡等地质灾害隐患点的气象风险预警预报服务的针对

6、性和实用性，以提高气象风险预报水平及流域气象服务能力。 二、主要研究和建设内容 中小河流、山洪、地质灾害气象风险预报预警是指某一地区因降水诱发的灾害尚未形成，从而通过掌握的预报资料，通过技术手段对有可能产生灾害的地区提前发布灾害预报预警。本项目主要基于对以有的中小河流、山洪地质灾害预警研究成果，通过历史资料反查与统计，研究 QPQPE E、 QPFQPF 产品的算法，结合雷达、自动站等多种手段，对临界面雨量进行计算，通过专家打分法、神经网络法等方法优选，将过程有效降雨量结果与灾害风险综合估计，计算未来一定时效内所影响区域的气象灾害风险等级，制 作和发布相应的气象风险预报产品，逐步推进对中小河流

7、、山洪地质灾害气象风险预报精细化、 智能化， 并建立一套标准统一的中小河流、 山洪地质灾害普查数据库，一套完善的致灾临界面雨量指标体系，一个自动化的业务平台，一个规范的气象风险预报业务流程，一个业务产品，建立适应我省发展的省、市、县一体化风险预报预警模式。 主要建设内容包括以下几方面： 1 1、研究 QPFQPF、QPEQPE 产品算法。结合雷达、区域自动雨量站网、模式等多种资料， 利用主汛期降水过程的资料开展包括与雨量计和单部雷达降水产品、 SWANSWAN 降水产品的对比分析，最终确定湖南省的 QPEQPE、QPFQPF 算法。开发出适用于山洪、地质灾害气象预警、中小流域洪水气象预警的降水

8、产品，如地质灾害点的降水监测产品、地市级范围的降水监测产品以及 湖南全省的降水监测产品等。 2 2、分别研究中小河流域、山洪与地质灾害等不同时效的雨量阈值，建立基于统计方法的雨量阈值数据库。 3 3、根据计算得出的雨量阈值，建立雨量值与中小河流域、山洪、地质灾害等发生的关系，对不同时效内的各中小流域、山洪、地质灾害易发点等进行气象风险等级评定。 4 4、分别建立湖南流域气象服务业务流程与湖南地质灾害预报预警业务流程。根据 暴雨诱发中小河流洪水和山洪地质灾害气象风险预警服务业务规范 （试行） （气减函201320133434 号）、暴雨诱发山洪灾害气象预警业务规范（暂行）等业务文件要求，制定中小

9、河流域洪水、山洪地质灾害风险监测-分析-预报预警一订正一制作-分发一服务的一体化业务规范和流程，包括指导原则、业务内容、职责分工及预报预警指导产品体系等。同时，基于省市县三级协同预报平台，实现风险预警预报产品的实时共享及指导，协同订正反馈的流程建设。 5 5、研发业务平台，实现 QPEQPE、QPFQPF 产品展示、灾害易发区查看、实况降水量统计、灾害风险等级预报与报警、服务产品制作、阈值订正分析等功能。 三、技术路线和实施方案 1 1、主要思路及技术路线 收集整理包括气象数据、水文水利资料、地理信息数据和社会统计资料在内的基础资料，分别建立中小流域内气象数据集、山洪、地质灾害等数据库。根据湖

10、南省中小河流洪水、 山洪沟、 地质灾害基础信息普查结果， 结合 GISGIS 技术， 利用 DEMDEM数字高程湖南区域范围的数据，通过水文分析 方法，计算出河流的形状，通过流向分析、汇流累积分析、河网分析、分水岭分析等完成对中小流域的提取，再通过与真实河流信息对比，选择合适的阈值作为中小流域边界。 根据统计与模拟相结合来建立中小河流、 山洪地质灾害雨量阈值数据库，通过面雨量预报与水文数据相结合来综合判定中小河流洪水风险等级；基于精细化的山洪、地质灾害气象风险预警区划研究，建立山洪、地质灾害风险预报模型，确定风险等级划分标准，并以此为依据完成对山洪、地质灾害的风险区划评价。并根据预报结果与评价

11、结果的对应关系，制作风险预报预警产品。研发业务平台，实现QPEQPE、 QPFQPF 产品显示、实况降水量统计、灾害易发区查看、灾害监测与报警、灾害风险预报预警区客观分析与订正、服务产品制作分发等功能。分别建立湖南流域气象服务业务流程与山洪、地质灾害预报预警业务流程，实现风险预警预报产品的省市县的三级显示、实时共享及指导。其技术路线如下： |实洒IQPE小封实地调查11经验统计11模式推鼠rz J 一（面）雨量监测预报产品临界7面）雨量 中小河流洪水、山洪和地质灾害 气象风险预警等级 气象风险等级预警服务产品 决策用户、基层指导 图i技术路线流程图 2 2、实施方案 2.1QPE2.1QPE

12、算法的确定 采用基于雷达 Z Z- -R R 关系-雨量计的定量降水估测方法， 假设雷达天线定位数据真实可靠（高度数据到米，站点经纬度到秒）；雨量站定位也必须保证精度到秒。对应评估雨量计的雷达估算值的取法有： “Beft“Beft 方法：当雨量计的降水测量值处在与相对应的 3M3M 象素点雷达 9 9 个估算值之间时，雷达估算降水取 9 9 点平均值，当雨量计的降水测量值大于或小于雷达所有 9 9 点估算值时，雷达估算降水取靠近雨量计测量值的雷达估算值。 “Bestiatch”“Bestiatch”方法：当雨量计的降水测量值处在与相对应的 3333 象素点雷达 9 9 个估算值之间时，雷达估算

13、降水取所对应的雨量计测量值，当雨量计的降水测量值大于或小于雷达所有 9 9 点估算值时，雷达估算降水取靠近雨量计测量值的雷达估算值，保留 0.1mm0.1mm 精度。 九点平均法：无论雨量计为何值，雷达估算降水取 9 9 点平均值， 其目的就是削减随机误差。 将 18981898 个观测考核站雨量值， 采用 cressmancressman 方法插值到统一格点上， 形成一个基于区域自动站雨量格点化的定量降水估测产品，解决雷达 QPEQPE 空间连续性问题。 采用加权平均法，寻找离 9797 站最近的格点 QPEQPE 值，计算两种 QPEQPE 产品与 9797站雨量值的相对误差确定权重。设第

14、 i i 种估测方法的相对误差累积量为： Yo-Y(i) Yo 其中 Y0Y0 为 9797 站观测值，n n 为站点数，m=2m=2 为方法数，依据误差小权重大的原则，可确定其权重为: m 工日-E j1 wi:m (n-1尸Ej j1 基本技术流程如下图所示。 2.2QPF2.2QPF 产品算法研究 2.2.12.2.1 基于多种数值模式订正产品的降水动态集成技术 A A 采用误差对比动态集成方法对 ECEC、T639T639、JAPANJAPAN 和华南中尺度模式进行集成，其方法可分为以下三步： 第一步，先统计 4 4 个模式过去 5 5 天某一个预报时效的降雨和实况降水量,雷达基数据

15、雷达Z-R关系一雨量计 的定量降水估测 SWAN- QPE 九点平均 雷达沽侧_ QPE 加权也均法 得到该预报时效模式过去 5 5 天的误差序列 d(i=1d(i=1-5),5), d=Ty-Ts iii y 式中，di是模式第 i i 天的订正误差，Ti是模式第 i i 天的预报降水量，s, Ti是第 i i 天的实况降水量，将 didi 和 TiTi 分别处理成为 5km*5km5km*5km 格点资料。 第二步，采用时间反距离权重系数法求该预报时效模式的订正值D: 5 ,2i i4 上式中，i i 是过去 5 5 天中任意一天距离当前日期的天数，由上式可知,距离当前日期越近，其预报误差

16、di在订正值D中所占的权重越大，反之，距离当前日期越远，其预报误差弓在订正值D中所占的权重越小。通过以上方法得到 4 4 个模式的订正值DE、DT、DJ和DH。 第三步， 根据模式过去 5 5 天的订正值和不同权重系数， 求多模式集成的降水预报值: T=TE-DE.WETT-DT.WTTJ-DJ.WJTH-DH.WH 上式中，T是最后的多模式集成的降水预报值，WE是 ECEC 的权重系数，TE是 ECEC 的降水预报值，WT是 T639T639 的权重系数，TT是 T639T639 的降水预报值，WJ是 JAPANJAPAN 的权重系数，TJ是 JAPANJAPAN 的降水预报值，WH是华南区

17、域模式的权重系数，TH是华南区域模式的降水预报值。各模式的权重系数按下式求得： DTD2D； 2(或十Dj+D；+哈，以此类推。 如果该预报时效某模式缺资料，比如假设 JAPANJAPAN 和华南模式缺资料，只有 ECEC 模式和 T639T639 模式有效，则权重系数按下式求得： di* 2 (6-i)2 WE=1 万 DEDT,以此类推。 由以上权重系数的求取方法可知，模式的订正值 D D 越大（意味着模式的预报误差也越大），则其权重系数 W W 越小，反之，订正值 D D 越小（模式的预报误差也越小），则其权重系数 W W 越大。 B B、针对集合预报产品的动态集成 目前 ECEC 的集

18、合预报包括 5151 个成员，由于其成员在每一个起报时间 都不是固定的，因此在使用时，首先检验各成员的 1212 小时降雨量，计算 成员前 1212 小时预报平均绝对距平值，根据距平值动态分配权重，选择预报质量最好的 1010 个（可调参数）成员，第一种：3/10,3/10,2 2- -3 3 种权重：1.5/10,41.5/10,4- -6 6 种权重：0.8/10,70.8/10,7- -1010 种权重：0.4/100.4/10。最后将数据处理成 5km*5km5km*5km 分辨率数据。 2.2.22.2.2 0 0- -24h24h 湖南省范围内逐小时降水产品输出方法 24h24h

19、内的逐小时降水预报技术研究根据不同的时间段可分别采用三个不同的方法来实现： 0 0- -1h1h 的时间内， 采用临近外推方法； 1 1- -6h6h 时间段采用 BlendingBlending 技术，6 6- -24h24h 采用模式产品加权处理。 A A、0 0- -1h1h 降水产品开发：在汛期时，提取 S SWANWAN 系统的回波外推的 1 1 小时降水预报产品，利用加权平均方法计算得到 5km*5km5km*5km 降水产品；在非汛期，SWANSWAN 降水预报产品时采用汛期时采用的方法，因雷达末开机而没有外推产品时，由区域自动站雨量资料插值成 5km*5km5km*5km 的

20、QPEQPE 产品，利用外推方法获得降水产品。 B B、1 1- -6h6h 的降水预报产品： 雷达回波和降水外推预报与数值预报相融合的预报方法，具体是采用加权平均与 ARMORfAdjustmentofRainfromModelswithRadardataARMORfAdjustmentofRainfromModelswithRadardata） 相结合的方法。 加权平均法：预报值为雷达外推和数值模式预报结果的加权平均， 其权重系数根据外推预报和模式预报精度与预报时间的统计关系确定。ARMORARMOR 方法：首先利用当前雷达观测分析模式预报的降水位置和强度误差，并导出误差的时间变化趋势，然

21、后利用估计的误差趋势对模式预报的降水和强度误差进行修正。权重函数采用双曲正切函数。，模式产品采用华南中尺度数值预报模式的降水产品。是否有 0 0- -6h6h 的降水外推产品（如 BJBJ- -ANCANC 系统分发的产品） C C、6 6- -24h24h 降水产品开发：直接采用中尺度数值模式输出的降水预报产品，利用插值方法处理完成。 2.22.2 临界（面）雨量确定 确定山洪防治县致灾临界气象条件，统计和分析每条中小河流、每条山洪沟和每个地质灾害隐患点的不同风险等级、不同计算时长的致灾临界 （面）雨量阈值。统计和分析中小河流洪水过去 1h1h、3h3h、6h6h、24h24h、48h48h

22、、 72h72h 与 120h120h 的时间长度的累计面雨量数值； 统计和分析山洪沟、 地质灾害过去 1h1h、3h3h、6h6h、24h24h 的时间长度的累计面雨量数值；根据地质环境、灾害等级、规模、险情等诱发条件，对相似条件的灾害隐患点设置致灾临界（面）雨量初始值。风险等级根据每个计算区域格点的面雨量，与阈值相比较，在达到 70%,100%,150%,200%70%,100%,150%,200%时形成 4 4 到 1 1 级的风险实况数据。各类灾害临界雨量计算流程图如下： （1 1）中小河流洪水临界（面）雨量确定 （2 2）山洪临界（面）雨量确定 1.收集资料气嚣，水文、GI5 等 j

23、jj 实地考察，究一等口 2,数据处理弛据整岸口褊域边界提取口面雨量计森. 九选择分析方法,计法一嘎型法 . 4,摘走降雨-水也关系历史耕冰统计拟合堞剪蓄粕率定 （3 3）泥石流、滑坡致灾临界雨量确定 泥石流、滑坡等地质灾害的致灾临界雨量阈值由于致灾因子及环境复杂，确定非常难，不同灾害等级的阈值则更难确定。这里仅考虑灾害发生时对应的雨量，做为致灾临界（面）雨量。 造成沟谷流域岩土体失稳产生洪流的雨量，为泥石流致灾临界（面）雨量，考虑前期累积雨量与短历时降水强度共同影响。 诱发滑坡的致灾临界雨量，可以理解为降雨导致斜坡发生破坏的临界值，其下限是斜坡没有变形破坏，濒临破坏；上限是斜坡已经发生变形破

24、坏。滑坡根据致灾机理的不同，采用的指标有临界（面）雨量（或雨强）及有效雨量，反映强降水或持续降水造成的滑坡。 目前，国内外学者研究的方法主要有以下几类： &检验班化 业务服警 0 灾情反馈 口检战.脩正.史善 图2中小河流洪水临界（面）雨量确定方法流程 一. 5、I临界南景指标叵港*jU奥慧口回闲京 图3山洪致灾临界（面）雨量确定方法流程 a a、基于灾害资料的统计分析方法 通过对实际的降雨和泥石流、滑坡灾害资料进行统计分析，得出相应的前期有效降雨量和触发雨量（1010 分钟、3030 分钟和 1h1h 雨量等）之间的关系，从而绘制雨量阈值曲线。该方法准确度高，但需要有非常丰富的、长期

25、的雨量序列资料和灾害资料。因此，适用于具有长期观测历史的地区。有效雨量表达式为： 错误！未找到引用源。 RaRa 表示有效雨量；RlRl 表示灾害发生当日及前期的降雨量（灾害发生当日 1=0,1=0,灾害发生前 n n 天，l=nl=n）;K;K 为递减系数，一般取 0.80.8 左右，各地不同。n n 对于不同的泥石流沟、不同的滑坡都不同，K K 和 n n 都需要通过统计确定。 b b、相似类比法 针对缺少降水和灾害资料的地区，当这些地方的地理、地质、生态等与已确定致灾临界阈值的地区较为相似，可近似的认为致灾临界雨量也相似，可根据实际情况适当调整。 c c、基于机理的确定方法 基于机理的预

26、报模型已有很多研究，但离实际应用仍有较大距离。 2.32.3 修订致灾临界（面）雨量阈值。 根据试验业务检验和效益评估结果，根据定量和定性相结合的原则，修订每条中小河流、每条山洪沟和每个地质灾害隐患点的不同风险等级、不同计算时长的致灾临界（面）雨量阈值。对于有降水记录并且有灾情发生的灾害隐患点，按照实况降水量订正致灾临界（面）雨量阈值；对于无降水无灾害发生的灾害隐患点，根据地质环境、灾害等级、规模、险情等 诱发条件，参照相似条件的灾害隐患点统计平均值进行订正。 3 3、业务平台建设 业务平台建设基于现有气象灾害风险预警平台进行优化。实现从监测一 分析-预报预警一订正一制作-分发-服务等功能为一

27、体的作业流程。 资料监测报警模块 包括强天气监测预警、基于 QPEQPE 的中小河流雨量预警、基于自动雨量站的预警等，主要实现对与流域为主划分的区域雨量水位的监测，上游 发生强降水天气时，对超过降水阈值的区域进行报警。对地质灾害高风险区雨量进行监测，累计的有效雨量超过灾害发生阈值时对其发出相应级别的报警。 风险等级预报模块 基于雷达、自动站降水、模式预报资料的 QPFQPF 面雨量预报产品，山洪、地质灾害风险等级客观预报产品等，利用已建成的阈值数据与风险等级评分标准，建立基于 QPFQPF 与临界雨量之间的对比关系，超过临界雨量值则给与预报区域相应风险等级客观预报结果，主要实现对短期内产生流域

28、洪水风险的等级预报，山洪等级预报以及地质灾害气象风险预报。同时，保留对预报结果的人工订正。 基础信息管理模块 对各基础信息数据（包括灾害点位置、名称、种类）以及中小河流、山洪沟、地质灾害隐患点（区）对应的不同阈值数据的管理，主要实现对数据的增删、查询、修改、动态更新等功能。 资料后台处理模块 包括对 QPEQPE 定量估测降水、自动站降水、各种降水预报产品（QPFQPF、中央台指导预报、本省降水预报、各种数值模式降水预报产品）数据处理，生成灾害点（区域）的综合雨量，并与临界雨量阈值进行对比，生成风险等级客观预报产品，供预报员参考和修订。 产品生成与发布 在后台生成的风险预警客观预报产品的基础上

29、，实现预报员通过人机交互对客观产品的订正以及各种形式产品的生成，建立我省气象灾害风险预报预警制作与发布模块。 致灾临界面雨量修订提醒模块 对照灾情信息，自动对致灾临界面雨量进行分析，如发现某一灾害点的致灾临界面雨量与多次灾情发生时的时段雨量相比均偏大或偏小，则提醒业务人员可对该致灾临界面雨量进行修订。 四、成果业务集成方案 本项目研究成果集成到省市县一体化的湖南省现代天气预报业务平台。本项目主要收集完善辖区内中小河流洪水、山洪和地质灾害风险隐患点信息，采用 GISGIS 技术提取并确立中小河流、山洪沟风险区域边界，并将边界信息录入整合进中小河流洪水、山洪地质灾害气象风险预警系统，确定辖区内中小

30、河流洪水和山洪地质灾害气象风险预警等级指标体系，建 立湖南省中小河流、山洪、地质灾害的灾情数据库和临界雨量数据库，研发风险预警业务化平台，制定中小河流域洪水、山洪、地质灾害风险监测一分析-预报预警一订正一制作-分发一服务的一体化业务规范和流程，包括业务内容、职责分工及预警指导产品体系等。同时，基于省市县三级协同预报平台，实现风险预警预报产品的实时共享及指导，协同订正反馈的流程建设。为省市县三级中小河流、山洪地质灾害风险预警和服务业务起到支撑，为汛期中小河流洪水、山洪、地质灾害防御防治提供有利的指导作用。 五、业务技术考核指标 1 1、建立中小河流域、山洪及地质灾害等不同时效的雨量阈值数据库。

31、2 2、制订中小河流域洪水、山洪地质灾害风险业务规范和服务流程。 3 3、 建立气象风险预报预警业务平台， 实现从监测-分析-预报预警一订正-制作-分发-服务等功能为一体的作业流程。 4 4、在核心期刊发表论文 1 12 2 篇。 5 5、完成课题验收。 六、主要完成人员、任务分工及投入工作量 1 1、承担单位：湖南省气象台 2 2、项目负责人：刘红武 3 3、参与人员：参与人为中短期天气预报、短时天气预报、计算机开 发等方面的专业技术人员，详见下表： 序号 姓名 性别 年龄 所在单位 职称 学历 专业 现从事研究方向 工作量 1 刘红武 女 34 湖南省气象台 硕士 气象学 大气预报 0.5

32、 2 徐靖宇 男 32 湖南省气象台 工程师 硕士 地理信息 短时预警 0.5 3 刘炼炸 男 33 湖南省气象台 工程师 本科 大气科学 天气预报、系统开发 0.4 4 陈静静 女 33 湖南省气象台 硕士 气象学 大气预报 0.4 5 兰明才 男 32 湖南省气象台 工程师 硕士 气象学 短临预警 0.2 6 唐杰 男 35 湖南省气象台 硕士 气象学 系统开发 0.3 7 田莹 女 31 湖南省气象台 工程师 硕士 气象学 天气坎报、系统开发 0.2 8 傅承浩 女 41 湖南省气象台 高工 硕士 气象学 系统开发 0.3 9 曾腊梅 女 28 湖南省气象台 助理工程师 硕士 气象学 天气坎报 0.2 10 杨公云 女 32 湖南省气象台 工程师