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： YBNL16-12-1 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：2016年1月-2017年12月编制日期：2016年6 月 30日湖南省气象局科技与预报处印制编 写 说 明1.实施方案由项目负责人按照“湘气办发201621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，各项内容应尽可能详细填写，列出可考核的具体指标。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

2、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CIMISS系统。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（须本人亲笔签名），单位责任人必须为处级单位负责人。5. 项目实施周期最长为二年，项目起止时间一般为2016年1月至2017年12月。6.经费使用须严格按有关经费管理办法

3、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、2013年度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考核方案等文件要求，从2013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SWAN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，

4、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114条河流边界、1496个山洪沟位置并逐一进行了编码，并初步计算了58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

5、依据和相关的产品及服务素材。此外，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。2、 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

6、过历史资料反查与统计，研究QPE、QPF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、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、研究QPF、QPE产品算法。结合雷达

7、、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、SWAN降水产品的对比分析，最终确定湖南省的QPE、QPF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、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、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、分别建立湖南流域气象服务业务流程与湖南地质

8、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201334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，制定中小河流域洪水、山洪地质灾害风险监测分析预报预警订正制作分发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、研发业务平台，实现QPE、QPF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、主要思路及技术路线

9、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GIS技术，利用DEM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

10、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QPE、QPF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：图1 技术路线流程图2、实施方案2.1 QPE算法的确定 采用基于雷达Z-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）；

11、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： “Best-fit”方法：当雨量计的降水测量值处在与相对应的3×3象素点雷达9个估算值之间时，雷达估算降水取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。 “Best-match”方法：当雨量计的降水测量值处在与相对应的3×3象素点雷达9个估算值之间时，雷达估算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0.1mm精度。 九点平均法：无论雨量计为何值，雷达估算降水

12、取9点平均值，其目的就是削减随机误差。将1898个观测考核站雨量值，采用cressman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QPE空间连续性问题。采用加权平均法，寻找离站最近的格点QPE值，计算两种产品与站雨量值的相对误差确定权重。设第i种估测方法的相对误差累积量为：其中Y0为97站观测值，n为站点数，m=2为方法数，依据误差小权重大的原则，可确定其权重为：基本技术流程如下图所示。2.2 QPF产品算法研究2.2.1 基于多种数值模式订正产品的降水动态集成技术 A采用误差对比动态集成方法对EC、T639、JAPAN和华南中尺度模式进行集成，其方法可

13、分为以下三步：第一步，先统计4个模式过去5天某一个预报时效的降雨和实况降水量，得到该预报时效模式过去5天的误差序列（i=15）， 式中，是模式第i天的订正误差，是模式第i天的预报降水量，是第i天的实况降水量，将di和Ti分别处理成为5km*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： 上式中，i是过去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，其预报误差在订正值中所占的权重越大，反之，距离当前日期越远，其预报误差在订正值中所占的权重越小。通过以上方法得到4个模式的订正值、和。第三步，根据模式过去5天的订正值和不同权重系数，求多模式集成的降水

14、预报值：上式中，是最后的多模式集成的降水预报值，是EC的权重系数，是EC的降水预报值，是T639的权重系数，是T639的降水预报值， 是JAPAN的权重系数，是JAPAN的降水预报值，是华南区域模式的权重系数，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：，以此类推。如果该预报时效某模式缺资料，比如假设JAPAN和华南模式缺资料,只有EC模式和T639模式有效，则权重系数按下式求得：，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越大（意味着模式的预报误差也越大），则其权重系数W越小，反之，订正值D越小（模式的预报误差也越小），则其权重系数W越大。B、针对集合预报产品的动态

15、集成 目前EC的集合预报包括51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12小时降雨量，计算成员前12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10个（可调参数）成员，第一种：3/10，2-3种权重：1.5/10，4-6种权重：0.8/10,7-10种权重：0.4/10。最后将数据处理成5km*5km分辨率数据。2.2.2 0-24h湖南省范围内逐小时降水产品输出方法 24h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：0-1h的时间内，采用临近外推方法；1-6h时间段采用Blending技术，6-24h

16、采用模式产品加权处理。 A、0-1h降水产品开发：在汛期时，提取SWAN系统的回波外推的1小时降水预报产品，利用加权平均方法计算得到5km*5km降水产品；在非汛期，SWAN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*5km的QPE产品，利用外推方法获得降水产品。 B、1-6h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ARMOR(AdjustmentofRainfromModelswithRadardata)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

17、推预报和模式预报精度与预报时间的统计关系确定。ARMOR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0-6h的降水外推产品（如BJ-ANC系统分发的产品） C、6-24h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。2.2 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

18、分析中小河流洪水过去1h、3h、6h、24h、48h、72h与120h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1h、3h、6h、24h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%时形成4到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）中小河流洪水临界（面）雨量确定（2）山洪临界（面）雨量确定 图2 中小河流洪水临界（面）雨量确定方法流程 图3 山洪致灾临界（面）雨量确定方法流程（3） 泥石流

19、、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：a、基于灾害资料的统计分析方法 通

20、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（10分钟、30分钟和1h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：Ra表示有效雨量；Rl表示灾害发生当日及前期的降雨量（灾害发生当日l=0，灾害发生前n天，l=n）；K为递减系数，一般取0.8左右，各地不同。n对于不同的泥石流沟、不同的滑坡都不同, K和n都需要通过统计确定。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

21、的认为致灾临界雨量也相似，可根据实际情况适当调整。c、基于机理的确定方法基于机理的预报模型已有很多研究，但离实际应用仍有较大距离。 2.3 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、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

22、行优化。实现从监测分析预报预警订正制作分发服务等功能为一体的作业流程。 3.1 资料监测报警模块 包括强天气监测预警、基于QPE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。 3.2 风险等级预报模块 基于雷达、自动站降水、模式预报资料的QPF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QPF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

23、级客观预报结果，主要实现对短期内产生流域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。 3.3 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。 3.4 资料后台处理模块 包括对QPE定量估测降水、自动站降水、各种降水预报产品（QPF、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。 3.5 产品生成

24、与发布 在后台生成的风险预警客观预报产品的基础上，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。 3.6 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GIS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

25、地质灾害气象风险预警系统，确定辖区内中小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、地质灾害风险监测分析预报预警订正制作分发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、建立中小河流域、山洪及地质灾害等不同时效的

26、雨量阈值数据库。、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、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订正制作分发服务等功能为一体的作业流程。4、在核心期刊发表论文1篇。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、承担单位：湖南省气象台 2、项目负责人：刘红武 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湖南省气象台高工硕士气象学天气预报0.5 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0.53刘炼烨男33湖南省气象台工程师本科大气科学天气预报、系统开发0.44陈静静女33湖南省气象台高工硕士气象学天气预报0.45兰明才男32湖南省气象台工程师硕士气象学短临预警0.26唐 杰男35湖南省气象台高工硕士气象学系统开发0.37田 莹女31湖南省气象台工程师硕士气象学天气预报、系统开发0.28傅承浩女41湖南省气象台高 工硕士气象学系统开发0.39曾腊梅女28湖南省气象台助理工程师硕士气象学天气预报0.210杨云芸女32湖南省气象