突发暴雨型滑坡泥石流地质灾害格点化预警方法*

2011-01-18王东法徐月飞

浙江气象 2011年3期

赵放王东法杨军陈列徐月飞

(1．浙江省气象台，浙江杭州310017;2．台州市气象局，浙江椒江331002;3．衢州市气象局，浙江衢州324000)

0 引言

地质灾害调查表明，滑坡在我国地质灾害中所占比例高达51% ，而暴雨诱发的滑坡比重竟占滑坡总数的90%［1］。浙江省发生的滑坡、泥石流等斜坡地质灾害以突发暴雨型为主。1996年8月1日，受9608号台风影响，青田尾矿库大坝冲毁，形成巨大的泥石流灾害，造成近百人伤亡，并冲毁厂房、民房，损毁大量农田，直接经济损失达3000万元。2005年9月3日19：00—23：00，受台风后部气流影响临安市西部昌化地区遭遇特大强降雨，引发多处泥石流灾害，冲毁民房132间，死亡9人。2009年8月13日23：00，暴雨引发清凉峰镇发生重大山体滑坡，造成一间3层民房被掩埋，11人死亡2人失踪。因此，重视和加强由暴雨等气象因素诱发的突发性地质灾害的研究意义重大。造成地质灾害的因素有很多，持续或急剧的降水是最主要的因素之一。目前，尚未研究出对降雨诱发滑坡泥石流进行定量预测预报的成熟方法。另外，加强灾害预警信息产品开发并使之与城市网格化的管理理念相一致，也是突发公共事件预警处理网格化管理的迫切需求。

以气象方法进行地质灾害的预报国内外作了不少研究［2］，地质灾害气象等级预报是当前常用的一种方法，以短期预报为主。主要是采用基于统计资料的临界雨量阈值判别法，来获取滑坡、泥石流等发生的指标。如殷坤龙等［3］指出降雨量的阈值受地区、滑坡类型等影响十分明显，滑坡发生的概率和滑坡数量不仅与降雨量的大小成正相关关系，而且与滑坡发生的当天降雨及前期降雨特征关系密切。根据单九生等［4］对诱发江西滑坡的降水特征的统计分析，王锡稳等［5］对陇南“5·31”特大泥石流灾害的成因分析，马力等［6］对重庆市山体滑坡气象条件等级预报的研究，以及杜惠良等［7］针对滑坡、泥石流应用MM5中尺度预报模式的应用等研究，都表明暴雨或持续性降雨是诱发山体滑坡的最主要因素，并与连续降水的累计值有关。然而，由于形成滑坡灾害的因素很多，地质背景条件差异很大，它和降雨的关系十分复杂，传统的预报方法仍然带有很强的主观随意性和非客观化的分析和预测因素。一是由于泥石流灾害的发生在时空上存在明显的不确定性，预报因素包含的地质背景条件及其机理的信息相对不足;二是常规降水的定量化预报、降水落区的精度和定位等仍有很大的偏差;三是由于地形复杂、强降水分布不均，用空间尺度较大的资料作滑坡泥石流灾害的监测和预警还存在着许多困难和不足。随着现代化气象装备的发展，加强以雷达、卫星、自动站等新的监测手段的应用，并结合数值预报、高分辨地理信息等技术，在传统的气象地质灾害预测方法的基础上，发展和完善该领域的研究与业务，建立时空更加精细的突发性的气象灾害预警方法，具有十分重要的理论意义与实用价值。

1 主要技术方法

新一代多普勒天气雷达可以获得高时空分辨率的降水强度信息，是监测台风、强对流等天气，并进行临近预报的重要手段之一。利用雷达数字组网、自动站等监测手段，结合数值预报产品、地理信息等技术，形成连续滚动的高分辨(0．01经纬度格距)0～3 h定量降水预报，通过数字高程模型、遥感数据(地质图、土壤图、土地利用现状)获取浙江省境内地质灾害易发区数据分布，在Logistic回归模型基础上对传统的灾害预警模型进行改进，以动态方式逐时递进的引入前期有效累积降雨量，以网格化的处理方式，建立具有高分辨(约1 km×1 km)的强降雨诱发型滑坡、泥石流的定点定量临近预警客观分析方法。

1．1 浙江突发地质灾害特点及易发区分布

浙江省地形复杂，岛屿众多，地势由西南向东北呈阶梯状倾斜。浙西南山地多千米以上山岭，最高山峰黄茅尖海拔1929 m;中部多500 m左右的山地丘陵;东北部平原区属长江三角洲一部分。当前，斜坡地质灾害是浙江省危害最严重的地质灾害灾种，它主要发生于山地小流域中。山地斜坡地质灾害是水流和岩土地质体相互作用下致使岩土体发生变形破坏、滑移、坠落或流滚而酿成的灾害，崩塌、滑坡、泥石流的比例各占17%，74%，9%［1］。根据近年来的灾害统计数据和浙江地质背景条件及其机理的信息［8］，按照地质灾害预报5个等级的划分标准(1级为可能性很小，2级为可能性较小，3级为可能性较大(注意级)，4级为可能性大(预警级)，5级为可能性很大(警报级))，将滑坡(泥石流)灾害分布特点及对触发因素的分析(地形(坡度和形态等))、断裂构造及地层岩性信息，土壤湿度、土壤含水量、植被/裸露地作为输入变量，把当前已知的并有具体发生日期和位置记载的滑坡灾害点作为输出变量，在GIS平台上从数字高程模型(DEM)、遥感数据、地质图、土壤图、土地利用现状图数据库进行调用分析，形成浙江省境内高分辨格点(1 km×1 km)的地质灾害易发区分布数据(图1)，并将其作为影响该格点上地质灾害发生概率大小的因子之一。

图1 浙江地质灾害易发区分布(分辨率1 km×1 km)

1．2 资料处理与网格选取

1．2．1 雷达动态降水反演

降水因子至关重要，主要依靠雷达、自动站等资料分析获得。根据浙江地理情况，选25°N～33°N，116°E ～124°E 所围区域，进行资料时空同化和网格量化。网格点水平方向的经纬度分辨率为0．01°×0．01°，通过 GIS 平台与地质灾害易发区分布数据相结合，形成高密度的预警网格单元元素(约1 km ×1 km)。雷达时空和网格量化处理，以某一部雷达体扫时间所获得的基数据为基准，截取其余雷达在6 min时间段内所生成的数据，集成为区域范围的雷达体扫数据(理论上时间误差小于3 min)。根据雷达的仰角、方位和斜距在雷达球坐标系中的位置，用内插方法给该网格点回波强度赋值，得到该网格点上的分析值。取笛卡尔坐标网格在垂直方向分辨率为1 km，水平方向的经纬度分辨率为0．01°×0．01°。多个雷达的资料重叠区网格单元i的反射率值的公式为：

雷达降水反演，在聚类分析的基础上使用改进的最佳窗概率配对法计算Z-I关系中的系数A和b，实时计算基本反射率因子Z和自动站降水量I的动态关系。采用变分技术对估算的小时降水强度进行校准，并进行误差定量分析。该方法将雨量计单点测量精度较高和雷达能测量降水时空分布的优点结合起来，可获得比单纯使用雷达作定量降水估测更为精确的结果［9］。

伴随动态定量估测降水精确度分析，用评估因子(E)随时进行反馈订正：

评估因子(E)：E=QR/QG

式中，QR—雷达估测雨量(插值到站点)，QG—对应自动站雨量。

如以 2007年 10月 07日 11：00—12：00(UTC)降水过程雷达定量估测降水精确度评估因子(E)为例(图2)。该降水过程(全省自动站≥1．0 mm降水743个)的评估因子检验结果分别为 0．98(≥1．0 mm)和 0．95(≥10．0 mm)。

图2 2007年10月07日12：00(UTC)降水过程定量估测降水精确度评估因子(E)

1．2．2 3 h 定量降水预报

临近预报正在向自动化、快速化、高时空分辨率方向发展。近年来，通过采用和引进国内外先进的技术方法和手段，浙江省的定量降水预报系统得以不断改进，主要的方法是：1 h的降水临近预报，用改进的交叉相关法识别和矩心跟踪法进行回波团跟踪外推，再根据最新时刻的雨量数据，作1 h降水估计线性外推;2～3h的降水预报：考虑到降水率变化及简单外推会造成较大的累计误差，采用数值模式的输出结果对外推进行匹配和适当控制。首先，以1 h降水预报与模式预报对应的网格点的预报进行阵列式匹配分析，调整模式在降水落区上的时空差;其次，将TREC风场与相应时刻各高度层模式输出的引导气流进行比较，搜索出最具相关的引导气流的空间分布，并以此引导场对1 h回波作2～3 h的外推，同时以模式物理量的输出结果对雷达外推回波团进行强弱变化(生消)控制，进而获得2～3 h降水预报。回波外推中，考虑到浙江经常受到台风、东向暴雨等特有的天气系统的影响，针对螺旋带结构中尺度对流群既具有系统性的移向趋势又有旋转性的运动特点，增加了半拉格朗日订正的算法。此外，外推中引入方向变量因子，通过判断回波连续两个时段内移动方向上的变化，在外推时加上旋转修正，从而提高了带状结构回波移动的预报时效。经检验，3 h 强回波外推预报相关系数在0．4 ～0．85［10，11］。实际应用表明，上述方法极大地提高了3h定量降水的客观预报能力，图3为2007年10月7日21：00 1 h和3 h的降水预报与实况降水对比，降水预报与实况的叠合比较一致。

1．3 滑坡泥石流预警模型

地质灾害的预报实质是对触发条件的预报，从统计学角度出发，对其产生影响的各因子数据可以作为自变量。而灾害的发生与不发生可以作为分类因变量。由于不是连续变量，线性回归将不适用于此类自变量和因变量之间的推导关系，通常采用对数线性模型。

Logistic回归模型是对数线性模型的一种特殊形式［12］，设P为某事发生的概率，取值范围为［0，1］，xm为自变量，建立回归方程：

α 为常数;βi(i=1，2，…，m) 为逻辑回归系数。

图3 2007年10月7日21：00短时临近预报(1，3 h)与实况对比

强降水与地质灾害等级关系，通常以“前期有效降雨量”的概念，取自当天及前几天的逐日降雨量用于滑坡灾害分析。所谓“前期有效降雨量”是指前期降雨进入岩土体并一直滞留，直至发灾当天的雨量。国内外学者对此已作过相应的研究，并提出了计算进入岩土体降雨量的经验公式：

式中：ra，当天的前期有效降雨量;k，有效雨量系数(一般取0．84);rn，前第n天的降雨量;

由此得出，当日某时刻未来3 h后激发雨量R：

R=Y3(3 h雨量预报)+R21(21 h实际累计降水量)。

各网格点上，某时刻未来3 h后实际有效累积降雨量 Y(i，j)：

通过统计浙江省1950年以来地质灾害的历史资料，确定前期有效累积降雨量和当日降雨量引发地质灾害的最小降雨量界限(该界限之下未发生灾害)和最大降雨量界限(该界限之上必定发生灾害)，从而得到灾害概率发生的回归方程和预警指数：

W(i，j)为预警指数，N(i，j)为地质灾害易发分级指数，P为发生灾害概率，A，B为权重系数(对新出现的灾害点通过调整该点的权重系数也可使预报模型适应其改变)。

依据上面的公式即可得到各个网格点上发生灾害概率的界限和地质灾害临近预报预警指数W(i，j)，根据实时监测覆盖全省地区水平分辨率为0．01°×0．01°经纬度格点的地质灾害临近预报预警指数W(i，j)，实现定量化分析和气象灾害等级判断。若预测未来3 h达到临界降雨量及出现较高的预警，则可发布格点所对应的地理位置3 h时效的地质灾害的预警。

对2005—2008年期间浙江发生的降雨诱发的109个滑坡泥石流灾害调查实例，应用该预报预警模型作验证，在灾害发生的地点均给出了高级别(3级以上)的预警指数，无漏报现象，3级以下的预警指数存在一定范围的虚报(也和灾情的收集不完整有关)，但从实用的角度看仍然可以起到较好的警示意义。事实上，在一般情况下由暴雨所引发的地质灾害，从泥石流发生到成灾过程之间还有一定的时间，最大雨强的出现到泥石流暴发有0．5～2 h的时间间隔，如避难信息能在这段时间间隔内发布，就有可能提前3～5 h采取措施，避免重大的人员伤亡和经济损失。

2 个例应用

2009年8月13日下午，浙江省临安清凉峰镇出现暴雨天气，16：00—18：00雨量达到88 mm。23：30，暴雨引发该镇林竹村梓棚坞发生重大山体滑坡，造成了严重灾害。图4所示为8月13日15：00 3 h实效降雨量预报(图4a)和网格点上地质灾害预警指数(图4b)。经检验，预报预警模型在灾害发生的地点给出了高级别的预警，预报与实况基本吻合。

图4 2009年8月13日15：00地质灾害预报产品(黑三角符号上方格点为灾害实况位置)

2010年受热带风暴“莫兰蒂”以及其减弱后的低压环流与冷空气相结合的影响，浙江全省大部分地区普降中到大雨。9月11日，杭州市东部早晨(05：00—07：00)出现强降雨天气过程，主要出现在主城区、萧山和富阳东部，全市累计面雨量35．2 mm，其中主城区81．5 mm、萧山80．9 mm、富阳30．9 mm、桐庐19．3 mm、余杭15．3 mm。杭州市蜀山街道金西村、闻堰镇、湘湖旅游度假区、杭州市滨江区长河街道汤家井村美女山公墓等16个地点，相继发生了泥石流、滑坡等小面积地质灾害。预报预警模型业务试运行系统，从05：00起对灾害发生的地点连续给出了高级别的预警(图略)，为气象服务及时提供了准确的预报预警信息。