江西省短历时强降水等级标准-编制说明

~~一、工作简况1．任务来源20世纪90年代以来，在以全球气候变暖为主要特征的气候变化背景下，气象灾害发生呈上升趋势，而且经济越发展，气象灾害造成的经济损失也越大。全球地表温度的升高可以改变海陆热力差异,进而使大尺度环流的结构发生变化,加剧区域以及全球的水循环,进一步影响降水以及强降水的空间分布。地表的蒸发也会随着地面温度的升高而增加,而且温度的升高还会增强大气保持水分的能力,进而增大洪涝灾害发生的频率。江西具有特殊的地形和地质条件，短时间内的极端降水能引发强致灾性的气象灾害，短历时强降水即是对这一灾害具体标定的手段。2.标准起草单位及主要起草人本标准主要起草单位：江西省气象台。本标准主要起草人：支树林、张弛、陈娟、包慧濛、蒋璐君。二、编制原则和主要内容1.编制原则按照有关气象法律法规中的属地化原则，江西省短历时强降水等级标准制定应由江西省气象部门负责。主要依据为：（1）1999年10月31日中华人民共和国第九届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议通过的《中华人民共和国气象法》赋予气象部门的主要职能。（2）2001年10月19日江西省第九届人民代表大会常务委员会第二十六次会议通过的《江西省实施〈中华人民共和国气象法〉办法》。根据《江西省实施〈中华人民共和国气象法〉办法》，依据1990年中国气象局《重要天气预报质量评定办法（试行）》（第一次修订）、1998年中国气象局《天气预报业务规定》（试行）、2003年中国气象局《地面气象观测规范》（修订）和湖南省气象局《湖南省天气气候若干标准暂行规定》（试行本）及2011年《江西省气象台短时临近预报岗位职责及业务规范流程》、《江西省预报员手册》（试行本）、《江西省气象台短时临近预报质量考核办法》（试行本）等，编制短历时强降水等级标准的分类。（1）按照标准的一般划分，气象标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。江西气象短历时强降水等级标准为地方标准。（2）短历时强降水等级标准是降水等级达到一定程度而形成的，为此制定短历时强降水等级标准时要对涉及到的降水要素及等级先作解释说明。（3）短历时强降水等级标准是开放式的，在框架确定后，可以根据需要及时修改和补充，并向江西省质量技术监督局备案。（4）短历时强降水等级标准确立过程中，将通过对历史气象资料进行反算来进行论证，以确保短历时强降水等级标准制定的合理性。2.主要内容的论据2.1短历时强降水的定义1小时内降水强度较大，且其对应地面雨量达到或超过某一阈值的天气现象。2.2短历时暴雨3小时内降水强度较大，且其对应地面雨量达到或超过某一阈值的天气现象。2.3雨强1或3小时内的地面雨量值，以毫米为单位。2.4短历时强降水事件气象观测站上降水量超过规定阈值，则称为一次短历时强降水事件。2.5短历时强降水阈值判断是否为短历时强降水事件的雨量门限。2.6短历时暴雨阈值判断是否为短历时暴雨事件的雨量门限。2.7标准以强降水事件为研究对象，对其雨强、次数和强度作定量描述，以1和3小时内短历时强降水量R的大小确定短历时强降水和短历时暴雨的严重程度。2.8短历时强降水的等级标准（1）轻度短历时强降水20mm≤R﹤32mm。（2）较强短历时强降水32mm≤R﹤45mm。（3）强短历时强降水45mm≤R﹤58mm。（4）极强短历时强降水R≥58mm。2.9短历时暴雨的等级标准（1）轻度短历时暴雨71mm≤R﹤92mm。（2）强短历时暴雨R≥92mm。三、主要试验（或验证）的分析1．数据来源采用2005～2014年共10年的逐小时降水资料，包括2005～2008年的国家气象站资料和2009～2014年间国家气象站与新建自动气象站资料。由于气象现代化的进步，气象观测手段日新月异，从上世纪至21世纪10年代，江西省原有的国家气象站和自动气象站设备有了明显的更新换代，大大提高了降水观测记录的完整性和准确性，但与此同时也带来一些问题：由于观测方式和观测仪器的改变，几十年的观测记录有十分明显的系统性误差，因此对比并评估了前后资料的一致性，选取了近十年的观测资料作为此次标准订立的资料基础，在此基础上进行了分析，并最终形成相关标准。2．数据质量控制对2005～2014年的国家气象站逐小时降水资料进行统计，发现即使观测手段较往年已经有了较大提高，但仍存在一系列观测误差，因此首先应该对降水资料进行筛选和判定，选取通过质量控制的降水资料进行分析，然后才能得出较为准确的段历时强降水标准。2.1质量控制对数据进行质量控制过程中，需要不断地对被数据检验的进程修改质量控制（以下简称QC）码，其定义如下： 数据正确： QC码=0 数据可疑： QC码=1 数据错误： QC码=2 无观测数据： QC码=8 数据未做质量控制： QC码=92.2气候极限值检查如数据超过了气候学界限值的范围，则判定站点该时次数据错误，QC码=22.3时间一致性检查逐一分析资料中连续6个及以上时次大于0的降水量，如数据无变化，则判定为错。2.4空间一致性检查（1）对可能存在错误的连续性强降水资料进行QC筛查：从当前时次开始前推，连续4个时次降水量均在10mm以上时，进行累计降水统计。然后，将其与邻近站表中排在前面的5个邻近站4～5个连续时次累计降水进行比较，均满足：被检站累计降水量>2.5×邻近站累计降水量条件时，则认为数据可疑，即QC=1。（2）当被检站雨量>5mm且QC码=9时，将其与邻近国家级站的雨量进行比较：当被检验站与任何一个邻近的国家站数据存在如下关系时，则停止比较，而认为被检验站数据及其比较的国家站数据均正确，即QC码=0。0.8×邻近站降水量<=被检站降水量<=1.2×邻近站降水量（3）当被检站的QC码=9时，则继续与邻近站数据比较：在邻近站表中按前后顺序一次性选择N个邻近站，将它们当前时次及上个时次的降水量值形成数据序列。定义该序列的最大值为VALUE_Max，最小值为VALUE_Min，其中N=16或N=NMax（NMax>0)，NMax指邻近站不足16个时。该站所有邻近站的数量)当被检验站小时降水量R与VALUE_Max、VALUE_Min比较，若符合下列判断原则，则数据正确，QC码=0，；若不符合下列原则且N>=3，则数据可疑，QC码=1。a1×VALUE_Max>=R>=a2×VALUE_Min(a1>1,a2<1)在该过程中，把降水量划分成0～0.1mm、0.1～5mm、5～10mm、10～50mm、>50mm这5个强度区间进行检查，对于不同的降水量段，a1及a2的取值也不同。3．短历时强降水量级判定及结果分析3.12005～2014年间雨量数据的可靠性由于空间检验的三个步骤都需要用到附近的邻近站，而江西省的自动站数据在2009年之后才有较完整的储存，因此先对国家气象站逐小时降水进行气候极限值和时间一致性的检验。根据任芝花（2010）对2006年1月～2009年9月降水数据研究，小时雨量的错误数据有约44%出现在0～0.1mm的区域上，因此有必要对江西省内0～0.1mm的降水频次进行统计，以评估江西的小时雨量错误数据的分布状况如何，结果如图1所示。可以看到，全省国家气象站这10年间、0.1mm降水出现的频次逐年变化，其中2005和2006年有异常高值分布，不符合存在比其他年份高出数倍频次的气候学分布与变化特征；2007年以后的8年中，最大的频次差值大约为1.5万次，即变化较为平稳。出现这一现象的可能原因是观测方式的改变和观测仪器的更新，其根本原因是气象现代化建设进程的推进和整个事业的发展。基于此统计结果，认为0～0.1mm量级的降水对短历时强降水分布的阈值制定工作意义不大，因此，可舍去该区域、而仅统计0.1mm·h-1以上雨量的分布。图10.1mm·h-1的逐小时降水频次的逐年统计分布图2为2005～2014年间≥30mm·h-1降水频次的年际分布，可以看到，该小时雨量的频次分布于约100～250个间，可见经过质量控制后，上述所有年份的30mm·h-1以上降水频次的分布是合理的。图2≥30mm·h-1的逐小时降水频次的逐年统计分布从近些年的实况资料上可以看到许多类似于下图3的状况。图3a为2015年9月17日8:00～18日8:00江西全省的雨量分布，红圈中标注的部分为两个区域自动气象站--吉安市永丰县潭头和回龙村，其站号分别为J8014和J8367。其中，J8014站在24h内出现了10次0.1mm·h-1的降水，J8367站也出现1个时次0.1mm的降水（图3b），且都通过了质量控制。而通常情况下，连续出现0.1mm降水往往是由于设备故障错报导致的降水数据，这种情况下，往往很难通过单一降水资料的质量控制进行排查处理。(b)(a)(b)(a)图32015年9月17日08:00～18:00雨量分布及2个区域气象站的逐小时雨量变化综上所述，江西省从2005～2014年的小时降水稳定性较差，尤其是2005和2006年中，0.1mm·h-1降水的值远远大于其余年份，故存在较明显的数据质量问题。不仅如此，近些年的降水也经常出现错误数据，且这种量级小的降水无回波与之对应，因此无法有效利用雷达资料对其进行质量控制。3.22009～2014年数据可靠性分析2009年后江西建成了较完整的自动站网络，因此用2009～2014年的自动站资料与原有的国家气象站进行比对，对国家气象站的数据准确性进行空间检验后，得到质量控制后的国家气象站0.1mm的降水频次分布，结果如图4所示。可以看出各个年份的降水频次较为接近，没有系统性的误差。图4质控后2009～2014年0.1mm·h-1的逐小时降水频次的逐年统计分布尽管如此，空间误差检验只是用单一资料对降水的准确性进行甄别，因而仍具有一定的局限性。四、短历时强降水等级标准1．标准划分方法江西省短历时强降水阈值的确定，采用固定阈值法和百分位算法。（1）固定阈值法参考国内外各行业的阈值标准，对江西省短历时强降水标准进行阈值设定。气象行业上，国家气象局颁布的降水强度等级划分标准：就24小时而言，累计雨量≥50mm为暴雨，≥100mm为大暴雨；就12小时而言，累计雨量≥30mm为暴雨，≥70mm为大暴雨；对6小时而言，累计雨量介于25至60之间即为暴雨；而对1小时而已，通常把雨量≥20mm·h-1定义为短历时强降水。在预报业务中，预报员会以小时雨强20～30mm、30～50mm、50～80mm及80mm以上分类予以关注；但在公众预报服务中，当小时雨强超过20mm这一标准时，气象部门就会提请相关区域进行关注，并就可能的极值雨强对公众进行提醒。然而我国幅员辽阔、地域广袤、气候复杂，例如：我国海南省属于热带季风气候，上海市属于亚热带季风气候，四川成都属于亚热带季风性湿润气候，内蒙古又属于温带大陆性季风气候。短历时强降水国家标准的制定兼顾了各地的气候，缺乏一定的针对性。日本气象局发布公众的指南中，把20mm·h-1的降水定义为短历时强降水，认为其会引起地表径流；地质灾害研究者在研究降水对土壤的侵蚀试验时发现，20mm·h-1以上降水会引起地表径流，但对水土流失影响不大；当小时降水大于50mm时，很容易引起土壤侵蚀，水土流失。借鉴上述做法，分别以20mm·h-1和30mm·h-1作为江西省短历时强降水的阈值，对全省91个国家气象站的6年降水频次进行统计，所得结果如图5所示。(a)(b)(a)(b)图52009～2014年大于20mm·h-1（a）和30mm·h-1（b）的年均降水频次从图5a可以看出，江西省小时雨强大于20mm·h-1的降水最大频次为8次，分布于鹰潭南部、上饶南部、抚州东部和井冈山等地，这些地方地势较高，因此表明山地地形与较强的降水具有较好的正相关关系。最小值位于九江北部和上饶东北部等地。这些特征与全省降水分布的气候态特征相近，表明全国标准的20mm·h-1作为短历时强降水的阈值同样适用于江西省。由图5b可以看到，30mm·h-1的降水年均频次分布大致在0.6～3.3次之间。从形势分布上看，大值区分别位于井冈山地区、抚州东部、上饶西部、景德镇和赣州石城县附近。在分布态上与20mm·h-1具有相似性，因此也具有较好的代表性，但其发生频次较少，因此，作为江西省的短历时强降水标准来说，30mm·h-1还是显得略偏高，而从分布态和发生的频次上看，20mm·h-1的降水作为江西省的短历时强降水标准是最合适的。（2）相对阈值法依据世界气象组织的推荐指标，将超过98％分位点的短历时强降水事件定义为极端气象事件。具体算法为：取1961～2009年各站1小时降水量≥0.1mm的逐小时降水量资料按照升序排列，将第98个百分位值定义为该站短历时强降水阈值。参照该做法，对江西省大于0.1mm·h-1的降水进行统计，发现98%分位点的雨量值约为12mm·h-1。分析认为，对江西省的短历时强降水天气而言，该阈值明显过低。江西位于副热带季风性气候区，盛夏时期，对流性降水往往都能达到10mm·h-1以上，而且12mm·h-1的降水在江西并不具有致灾性，因此需对该做法进行改进。考虑到微量降水数据的真实性和观测仪器误差所带来的影响，结合业务实践经验，排除了1mm·h-1以下的降水资料，仍采用相对阈值法和升序排列，取98%分位点的小时雨量统计，得到结果如图6所示。可以看到，对≥1mm·h-1的小时雨量而言，98%分位点量级的雨量分布大都在19～21mm·h-1之间，平均约为20mm·h-1。在空间分布上，仅九江、宜春、上饶等地的部分地区和赣州市南部低于该阈值，吉安市西部的局部地区高于该阈值，总体而言，它们的分布范围较小，因此20mm·h-1作为短历时强降水的阈值能具有很好的空间代表性。与固定阈值法对比后发现，排除1mm·h-1以下的降水数据后，采用98%分位值雨量（约20mm·h-1）作为短历时强降水阈值标准、与固定阈值论述法中20mm·h-1作为短历时强降水的标准非常吻合，因此可将20mm·h-1作为最终的江西省短历时强降水阈值标准，其具有很好的地方适应性。图62009～2014年间江西全省国家气象站≥1mm·h-1的小时雨量98%分位点的降水量级分布2.轻度短历时强降水的阈值有上述分析可知，无论用固定阈值法或相对阈值法，20mm·h-1的阈值标准都与江西省的降水的分布特征吻合，因此将其作为江西省短历时强降水起始阈值的地方标准，并将其定义为轻度短历时强降水的阈值。其不会形成滞涝灾害，但地面低洼处可能会有积水，会对出行等造成不利影响。3.强和极强短历时强降水的阈值以上述结论为基础，继续进行降水量级分