华坪县灾害性暴雨的本地化预警指标研究

和三强，陈小华，和卫东

(1.华坪县气象局，云南 华坪 674800；2.云南省气象台，云南 昆明 650034；3.丽江市气象局，云南 丽江 674100)

0 引言

云南省丽江市华坪县地处滇西北高原的金沙江河谷地区，既受北方冷空气南下的影响，又受西南季风和东南季风的双重影响，是云南暴雨的一个多发区[1]。据近3年灾情资料，华坪暴雨造成的洪涝灾害、滑坡、泥石流等地质灾害，直接经济损失平均达9 648.79万元，占气象灾害损失的34.4%，仅次于干旱造成的损失，因此提高暴雨灾害预警的准确率是非常必要的。目前气象部门积极开展暴雨的预报预警工作，而且是每年汛期的重点工作，但基层台站因天气预报预警的分析方法及技术能力较低，暴雨预警基本按实况出现的预警标准来做，如暴雨蓝色预警信号大多按“已达50 mm以上且降雨可能持续”的标准发布，结果多为预警正确但基本没有预警时间的提前量，故暴雨灾害预警效果明显偏低。近年来，云南气象工作者对云南暴雨的成因进行了深入的研究[2-14]，对云南暴雨灾害的认识及提高暴雨预报准确率起到了积极的作用，但关于如何做好暴雨灾害预警的研究及相关文献目前并不多见。

本文使用1981～2020年近40年华坪县暴雨灾情资料，特别是近8年完整的自动雨量站资料及闪电定位资料，分析华坪县暴雨灾害的时空分布特征和暴雨灾害的直接成因，并提炼出华坪县暴雨灾害的本地化降水量预警指标，以期提高华坪暴雨灾害的预警准确率和预警效果。

1 资料和方法

1.1 资料

1981～2000年华坪县的洪涝灾情数据采用文献[15]所记载的灾情资料；2001～2020年的洪涝灾情数据采用丽江市民政局提供的《灾情快讯》中核报数据及中国气象局气象灾害管理系统(http：//10.1.64.146/disaster/index)中的核报数据；2013～2020年自动雨量站及闪电定位数据采用云南省气象台Wfois.YN(2020)系统上的数据。

1.2 方法

(1)使用1981～2020年的灾情数据统计出华坪县暴雨灾害的时间分布特征，作为暴雨灾害预警的气候背景。使用2013～2020年的灾情资料及自动雨量站的数据构建暴雨灾害指数K，根据K值使用ArcGIS软件绘制出华坪县暴雨灾害的空间分布图，以便提高暴雨预警的针对性。K值计算公式如下：

(1)

式中：n表示某个乡镇某个自动雨量站出现暴雨灾情的次数；Ri表示出现第i次暴雨灾情时某个自动雨量站的24 h降水量值(单位：mm)；μ=50.0 mm。K值(无量纲)的物理意义为：某个乡镇某个站点暴雨灾情出现的次数越多，对应的累计暴雨量值越大，则K值就越大，就越有可能成为暴雨灾害的多发区、易发区和重灾区，这样通过K值的不同大小就可绘出暴雨灾害指数的空间分布状况。

目前因华坪县自动雨量站仅为28个，无法满足华坪县全境绘图，因而采用降水量等值线内插的办法进行了处理。

(2)暴雨的时空分布特征能反映华坪县暴雨灾害的时空特点，因此分析暴雨灾害的时空变化规律是做好预警的基础性工作。本文分析的重点是找出华坪县主要降水过程中有预兆暴雨出现的短时降水量临界值，以便在保证暴雨预警准确率的基础上增大预警暴雨的提前量。众所周知，暴雨是强对流天气的产物，是中尺度雨团多次影响的结果[16，17]，同时暴雨又是较长时间持续降水的结果[18]。因此，通过分析自动站逐小时雨量数据，特别是分析中尺度雨团和10.0 mm/h以上的短时雨强数据(次数)，以及闪电定位数据，寻找暴雨灾害发生的对流性特征、中尺度雨团影响特征、连续中等强度降水特征，及其与前兆雨团活动的先后关系，就可确定华坪暴雨预警的小时雨量值。下面给出两个特例来说明利用前兆雨团来预警暴雨灾害的可行性。

特例1：图1是华坪县历史上最大洪涝灾害过程的中尺度雨团影响变化过程。由图可见，2015年9月15日晚22时(图1a)25.0 mm/h以上的中尺度雨团影响田坪村，田坪村中心雨量达69.1 mm/h；23时(图1b)25.0 mm/h以上的中尺度雨团继续影响田坪村，田坪村中心雨量达72.9 mm/h；16日01时(图1c)25.0 mm/h以上的中尺度雨团继续影响田坪村，田坪村中心雨量达51.0 mm/h；16日02时(图1d)50.0 mm/h以上特强雨团再次影响田坪村，田坪村中心雨量高达83.6 mm/h。受4次超强雨团影响，24小时过程雨量达285.7 mm，出现历史上超大洪灾，直接经济损失高达30 083.1万元。此次过程完全由伴有强对流的4次超级中尺度雨团影响而造成，雨团总降水量276.6 mm，占总过程雨量的96.8%。如果第1次雨团影响时便发布暴雨红色预警，至少可提前1小时。所以，根据中尺度雨团影响初期强降水出现来预警，可达到较好的暴雨预警效果。

图1 2015年9月15日夜间华坪县田坪村特大暴雨的中尺度雨团影响情况(a)15日22时；(b)15日23时；(c)16日01时；(d)16日02时Fig.1 The impact of the mesoscale rain masses of the extreme heavy rain in TianPing Village，Huaping County at night on September 15，2015(a)22∶00 on the 15th；(b)23∶00 on the 15th；(c)01∶00 on the 16th；(d)02∶00 on the 16th

特例2：图2是华坪县坝山因连续性长时间较强降水引发洪涝、泥石流、山体滑坡灾害过程的逐小时雨量图。由图可见，2013年7月19日，受较强冷空气影响，华坪县坝山出现未伴有对流(雷暴)的连续性降水过程，7月19日20时开始到20日16时连续20小时出现3.0 mm/h以上的连续性降水，24小时过程雨量达244.4 mm，造成了严重洪涝、泥石流、山体滑坡灾害，成为华坪县近8年最大的特大暴雨之一，仅次于上述田坪村大暴雨。但此次大暴雨与田坪村大暴雨明显不同之处是，田坪村大暴雨是以伴有对流性超级雨团所致，而本次是非对流性的连续性长时间降水所致。但同样地，只要抓住过程前逐小时连续降水的特征，也可提前发布暴雨预警的准备。本文通过大量历史个例分析得出，当连续5 h出现≥1.6 mm/h的雨强时可作为发布暴雨灾害预警信号的一个临近参考指标。

图2 2013年7月19～20日华坪县坝山连续性降水的逐小时雨量(19日20时～20日20时)Fig.2 Hourly rainfall of continuous precipitation in Bashan，Huaping County from 20∶00 July 19 to 20∶00 July 20，2013

2 结果与讨论

2.1 华坪县暴雨灾害的时空分布特征

使用1981～2000年近40年华坪县洪涝灾情数据资料，统计出暴雨灾害的时间分布特征(图3)。由图3可见，华坪县暴雨造成的洪涝灾害以8月最多，共26次；其次为9月，共21次；再次为7月，共17次；6月最少为6次。引发的地质灾害(滑坡、泥石流等)则以7月最多为6次；8月、9月次之为4次；6月最少为3次。总体而言，洪涝灾害多于地质灾害，暴雨造成洪涝灾害平均每年约1.8次，暴雨造成地质灾害平均每年约0.4次。

图3 华坪县40年暴雨灾害频次数的时间分布(1981～2020年)Fig.3 Time distribution of the frequency of heavy rain disasters in Huaping County in the past 40 years(1981～2020)

使用2013～2020年近8年华坪县灾情数据及自动雨量站降水数据，应用公式(1)可计算出暴雨灾害指数K及其趋势分区图(华坪县暴雨灾害的空间分布特征图)，见图4。由图可见，华坪县的西北部以田坪村为中心，是暴雨灾害的易发区和重灾区，中部及以西以北为暴雨灾害的多发区，而南部则为少发区和极少发区。

图4 华坪县暴雨灾害的K指数趋势分布图(2013～2020年)Fig.4 K-index trend distribution map of torrential rain disasters in Huaping County from 2013 to 2020)

2.2 华坪县暴雨灾害的降水成因分类

使用2013～2020年近8年华坪县灾情数据和自动雨量站降水数据及闪电定位数据分析可知：

(1)华坪县暴雨灾害事件数的78.1%(25/32)是由24小时降水量在100.0 mm以上的大暴雨或特大暴雨造成，而24小时降水量在50.0～99.9 mm暴雨造成的灾害事件数仅占16.0%(5/32)，说明大暴雨或特大暴雨是华坪县暴雨预警的重中之重；另外有2个灾害个例(占6.3%)过程降水量仅达到大到暴雨(37.0～49.9 mm)标准，表明大到暴雨也可能造成洪涝灾害，因而在暴雨预警中也要引起重视。

(2)在暴雨过程中伴有闪电(雷暴)的灾害事件占78.1%(25/32)，未伴有闪电(雷暴)的仅占21.9%(7/32)，表明华坪县暴雨灾害以对流性降水为主，连续性长时间降水引发的仅占21.9%(7/32)。

(3)暴雨灾害中夜间暴雨(80.0%以上的降水集中在夜间)占59.4%(19/32)，白天为主的暴雨仅占9.4%(3/32)，包括白天和夜间的占31.3%(10/32)。表明暴雨灾害大多发生在夜间，预防难度大，暴雨预警最好在白天提前发布。

(4)定义相邻3个站1小时雨量≥10.0 mm为一个中尺度雨团[17]；规定自动雨量站连续5 h以上≥1.6 mm/h 的降水为一次连续性降水。以此标准分析得到：华坪县暴雨灾害个例中以中尺度雨团为主造成的个例占78.1%(25/32)，伴有中尺度雨团但以连续性降水为主造成的占21.9%(7/32)；中尺度雨团为主的暴雨个例中，最少影响1个小时(2018年9月28日23时丁王82.0 mm/h)，最多影响8个小时(2018年9月14日鸡冠山特大暴雨灾害，24小时过程总降水量208.9 mm)，平均有5个雨团影响；以连续性降水为主的个例中最少为连续6个小时(2015年8月8日新火山100.5 mm/24h)，最多为连续20个小时(2013年7月19日20-20h坝山244.4 mm/24h)，平均达11.9个小时。

2.3 华坪县暴雨灾害的预警临界值及应用检验

根据上述华坪县暴雨灾害的降水成因分类，可以得出：只要出现首个中尺度对流雨团及首次连续性降水，即可对暴雨灾害作提前预警的准备；据暴雨灾害的历史个例统计，当华坪县境内出现以20.8 mm/h以上为中心的对流雨团或23.9 mm/h以上的单站强对流雨强或连续5 h出现≥1.6 mm/h的雨强时，可作为发布暴雨蓝色预警的警戒指标(当出现50.0 mm/h以上降水时应考虑发布暴雨红色预警)，历史拟合率为100%，暴雨灾害预警的时间提前量平均为6 h。使用该预警指标对2020年主汛期逐日检验情况见表1，暴雨预警准确率达62.5%，提前量达7.7 h，取得较好的效果。需特别说明的是，2020年空报的15次中有10次实况均达到了大到暴雨的量级，预警发布后社会效果比较好，毕竟华坪县历史上大到暴雨也造成过灾害。在实际预警中还要参考天气背景、数值预报、卫星云图、雷达回波等资料的综合分析诊断，应用效果会更好，特别是省、市气象台发布了强降水天气预报的情况下，使用本警戒指标效果会更好一些。

表1 华坪县2020年本文指标暴雨预警应用效果逐日检验情况Tab.1 Daily inspection of the application effect of the indicator rainstorm warning in Huaping County in 2020

3 结论与讨论

使用华坪县暴雨灾情资料及和自动雨量站及闪电定位资料，通过构建暴雨灾害指数和深入分析，得出如下结论。

(1)华坪县暴雨灾害主要发生在6～9月，暴雨造成的洪涝灾害以8月最多，9月、7月次之，6月最少；暴雨造成的地质灾害(滑坡、泥石流等)以7月最多，8月、9月次之，6月最少。暴雨洪涝灾平均每年约1.8次，暴雨地质灾害平均每年约0.4次。

(2)以田坪村为中心的西北部是华坪县暴雨灾害的多发区和重灾区，县城中部及以西以北为多发区，而南部则为少发区和极少发区。

(3)华坪县暴雨灾害近78.1%是由24小时雨量为100.0 mm以上的大暴雨或特大暴雨造成，说明大暴雨或特大暴雨是华坪县暴雨预警的重中之重；另外有近6.3%的大到暴雨，也可造成洪涝灾害。

(4)伴有对流的中尺度雨团和伴有中尺度雨团的连续性降水是造成华坪县暴雨灾害的两个主要直接原因。当境内出现20.8 mm/h以上为中心的对流雨团或23.9 mm/h以上的单站强对流雨强或连续5 h出现≥1.6 mm/h的雨强时，华坪县应做好发布暴雨灾害预警的准备(出现50.0 mm/h以上的雨强则应做好发布暴雨红色预警的准备)。此指标经检验预警效果较好，可应用于日常业务。