基于数据驱动的山区暴雨山洪水沙灾害易发区早期识别方法研究

针对山洪灾害防治研究工作中只关注暴雨-洪水的作用,忽视泥沙淤积导致的洪水-泥沙耦合致灾的问题,重建考虑松散固体物源储量空间异质性的影响因子体系,面向山区小流域复杂下垫面环境进行敏感性分析,利用地理信息空间分析、多重共线性检验计算影响因子贡献度指标,通过不同类型的贡献度-集成学习耦合算法对阿坝州5250条小流域山洪水沙灾害易发度进行识别,构建基于数据驱动的山区暴雨山洪水沙灾害早期识别方法。结果表明:山洪水沙灾害在空间上表现出一定的聚集性,影响因子特定区间对于灾害发生具有更高敏感性,部分影响因子对于灾害发生的敏感性规律具有相似性。阿坝州东部、中南部部分地区以及西北部少部分地区为高易发区,与固体物源累积高频区较为接近,洪水-泥沙耦合致灾概率相对较大,较低和低易发区主要分布在阿坝州西部和西南部地区,与固体物源累积高频区重叠度较小,洪水在致灾过程中起主导作用可能性相对较大。相对于山洪风险调查评估研究结果,基于数据驱动的山洪水沙灾害易发性早期识别结果的高易发区灾害密度更大,高风险覆盖度提高23.2—45.4个百分点。

降水集合预报集成方法研究

基于TIGGE(the THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料,对中国气象局(CMA)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、美国国家环境预报中心(NCEP)和日本气象厅(JMA)的集合数值预报结果进行降水集成。采用算术平均法、TS评分集成法和BS评分集成法在我国东南地区进行降水集成,对比分析结果表明:基于TS评分的多模式降水集成无论在分区降水评分中,还是在东南地区的台风型降水和非台风型降水实例中,都有效地改进了大雨以上的降水预报效果;基于BS评分的集成方法和算数平均集成法预报效果次之。东南地区5个子区域的降水集成试验结果表明:各子区域基于TS评分集成后降水的平均绝对误差普遍小于基于BS评分后的降水平均绝对误差。广东东南和浙江北部区域基于TS集成后的降水TS评分值最优,浙闽沿海和广东西北部区域基于TS集成后的降水TS评分次之,处于中上水平。基于算术平均集成和BS集成的降水的TS评分值只有在广东东南区域表现出较好的效果。

降水引发的西南地区公路损毁风险预报方法

降水引发公路沿线滑坡、泥石流及其他灾害频繁发生,已成为引发公路损毁的最重要因子之一.该文利用2007年1月-2013年7月区域（云、贵、川、渝4个地区）公路损毁灾害数据、基础地理信息数据及国家气象中心降水量历史资料,通过对灾害发生频次、降水量等资料的统计分析,初步探讨降水与公路损毁灾害的关系,并重点针对公路损毁的降水影响因子（即前期有效降水和损毁灾害发生当日降水）,开发具有普适性的公路损毁概率密度函数及其概率拟合方程,建立公路损毁灾害概率预报模型;综合公路损毁灾害风险区划信息（即灾害危险性等级）与降水的等级临界阈值（即降水危险性等级）,建立区域公路损毁的危险性分级预警方案,得出综合的西南地区公路损毁风险预报模型,以1～5级划分,分别为灾害发生可能性极小、灾害发生可能性较小、灾害发生可能性中等（注意）、灾害发生可能性较大（预警）、灾害发生可能性极大（警报）.该预报方法结合降水危险性等级及公路损毁灾害危险性等级,明显优于仅考虑阈值降水量的判别方法.

暴雨诱发恩施州地质灾害成因分析

强降水是滑坡、泥石流等地质灾害的直接诱因,分析其与灾害的发生关系有着重要的意义。从2020年7月鄂西南恩施州连续降雨造成滑坡等地质灾害事件出发,分析了7月的4次强降水过程降水强度与持续时间特征关系,对比了恩施州近年来的地质灾害及致灾背景,并基于区域地质灾害潜在危险性和区域易损性特征,结合5 km空间分辨率、24 h时效多源融合定量降水估测(QPE)驱动陆面水文模型,模拟了灾害过程的径流与土壤湿度特征,着重研究了7月第四次暴雨(7月15—19日)诱发湖北省恩施州8个市(县)群发性滑坡等地质灾害的成因。结果表明,恩施州大部属于地质灾害高易发区,但该区域易损度相对较低,过程降水量100 mm以上,日雨量达到50 mm以上或小时雨量达到10~30 mm,均有可能触发地质灾害,陆面水文过程模拟能较好地表征灾害的发生发展过程,而建立的过程I-D曲线对恩施州地区未来的灾害预警有一定的指示作用。

引发山洪的降水特征及动态阈值研究

降水是引发山洪灾害的最重要因素。本文应用2013年1月到2016年12月的全国山洪灾害数据、土壤含水量数据及历史降水量数据,分析全国及典型区域(云、贵、川、渝)的山洪灾害及暴雨时空演变特征,初步探讨了基于灾害前期1 h、6 h、12 h及24 h的降水与山洪灾害的关系,研究山区流域的暴雨特征及引发灾害的静态阈值计算方法,同时,结合灾害前期不同时段土壤含水量特征,以10~50 cm深度的土壤含水量推求雨量动态阈值,建立了山洪灾害动态降水阈值推求方程。同时,选取了一定数量的样本对该方程进行检验,结果表明,当灾害发生前一段时间的土壤含水量信息确定时,检验样本中对应时段的实测降水量的值大于本文建立的方程计算出的动态降水临界阈值的样本占总样本的73%以上,是较优的阈值雨量的判别方法。

CO中毒的环境气象因子分析及预测方法研究

利用2006年9月2007年3月全国CO中毒病例资料,选取日发病人数为8人以上的CO中毒事件发生日作为样本,对CO中毒的气象条件进行了分析研究.结果表明,微风或者静风、大气层结稳定的气象条件不利于CO气体的扩散,同时,气温变幅较小、气压下降、云量多和气体湿度大也可能间接导致CO中毒事件的发生.用风速、大气稳定度、24h变温、24h变压、总云量和相对湿度作为预报因子,利用阈值加权平均的方法,初步建立了区域性CO中毒气象潜势预报模型.

面向流域的定量降水估测产品检验订正

伴随着多源降水融合技术的发展,我国卫星、雷达反演、地面雨量观测计定量降水估测(QPE)产品已逐步趋于成熟,有效弥补了仅基于常规雨量站降水数据时空分辨率不足的缺陷,为江河流域面雨量产品开发和应用提供了契机;而对QPE产晶进行适用性检验和汀正是其在面向流域面雨量应用中的前提和基础。本研究利用国家气象中心及国家气象信息中心开发的QPE产品,结合水文站点实测降水数据,分别从产品误差的时空分布、流域的平均误差、不同量级降水的产品质量等角度,综合利用TS评分、命中率、漏估率、空估率以及ROC曲线等多种统计检验方法总体评估降水产品的适用性;采用递减平均法对每日的定量降水估测和实况降水的误差进行相关统计,在此基础上,对初始的QPE产品进行了优化订正,建立了基于QPE的流域面雨量产品;最后以沂河临沂站以上流域的水文要素预报为例,验证了订正产品对水文模式预报改进效果。上述研究表明,基于多源降水融合的QPE面雨量产品开发,在一定程度上可弥补目前国家级流域面雨量业务精细化不足,提升了国家级水文气象业务的技术能力。

国家级地质灾害气象预报技术与业务化应用实践

今年是中国气象局与国土资源部联合制作并发布全国地质灾害气象预报工作开展的第10年，经过10年的努力，国家级、省级、地（市）级和县级气象和国土部门针对地质灾害气象预报的联合制作发布业务从无到有，国家级地质灾害的预报模型、预报流程不断完善，成为规范化与制度化预报业务，目前基本实现了逐级指导、层层发布、最后落实到乡村的群防群治体系。截止~U2012年，成功避让地质灾害6210起，避免了35万人伤亡，避免经济财产损失超过45亿元。

全国地质灾害气象风险精细化网格预报方法及其应用

降水是地质灾害的主要诱因。地质灾害气象风险主要是降水诱发地质灾害导致的人员伤亡、财产破坏和经济活动中断的预期损失;地质灾害气象风险度在数值上可表达为降水因子致灾概率、孕灾环境潜在危险度和易损度三者归一后数值的乘积。分析选取有效雨量代表降水致灾因子,分区建立有效雨量致灾概率拟合方程;通过下垫面环境信息量方法评价地质灾害潜在危险度;通过简易易损度模型评价地质灾害易损度,三者共同构建地质灾害气象风险预报模型和评价方法,应用精细化定量降水网格预报产品,建立地质灾害气象风险精细化网格预报试验,以地质灾害事件对照模型试验结果,表明地质灾害气象风险模型应用效果良好。

国家级水文气象预报业务技术进展与挑战

近年来,国家级水文气象预报业务已经取得了明显进展,但与国外先进水平相比还有一定的差距。总结了近十年来国内外水文气象预报业务现状和技术进展,目前国家级的技术支撑状况和所面临的挑战,并提出未来发展计划。目前,水文气象预报技术主要是以基于统计学的致灾阈值模型和分布式水文模型等为主,结合大数据分析与人工智能的气象—水文—地质耦合预报模式将在水文气象预报中发挥重要作用。流域天—空—地基监测、水文气象灾害机理研究和多尺度分析是水文气象预报的重要基础;基于无缝隙精细化智能网格降水的水文气象预报技术及水文集合预报模式是水文气象预报的发展方向。

北京“7·16”暴雨诱发地质灾害成因分析

从2018年7月16日北京暴雨过程雨情和地质灾害灾情出发,介绍了此次过程的地质灾害气象预警及检验;并基于北京区域地质灾害易发度信息,结合多源融合定量降水估测(QPE)驱动CREST水文模型模拟径流量与土壤湿度特征、过程雨强特征,分析了北京本次地质灾害气象成因。结果表明,北京北部和西部处于地质灾害中、高易发区,区(县)小时累计面雨量达到50 mm以上易发生灾害,降水持续24 h后是地质灾害的高发时段,灾害常发生于雨强较大峰值后的15 h内;基于雨强-降水持续时间推求的地质灾害致灾临界雨量阈值对北京地区地质灾害气象预警有一定的借鉴意义;基于水文模型的北京区域径流量、坡面径流深、土壤湿度等水文过程要素模拟对预警也有较好的指导意义。

基于当日临界雨量的国家级地质灾害风险预警方法

降水是引发滑坡、崩塌、泥石流的主要诱因。通过全国地质灾害易发程度区划研究,初步将全国划分为西北、东北、青藏高原、黄土高原、秦岭大巴山区、华北、云贵高原、中南和东南地区共9大预警分区。应用1950—2014年地质灾害历史灾情数据,选取灾害当天降水量作为建模因子,对其进行正态化处理后对地质灾害发生概率密度进行多项式、傅里叶和高斯拟合,发现高斯拟合方法最优,选取高斯拟合方法分区建立地质灾害概率预报方程,并结合业务地质灾害风险预警等级划分,制定地质灾害风险预警当日临界雨量阈值指标,应用2015年4—10月172个地质灾害样本以及江西兴国和于都2015年5月17—21日降水诱发地质灾害过程对当日临界雨量指标进行预报检验,结果表明当日临界雨量指标判别简单可行,判定效果较好,具有实际应用价值。

基于集成学习的山区中小流域滑坡易发区早期识别优化试验

滑坡作为山洪水沙耦合运动的物源和动力基础,其易发区的识别是山洪水沙灾害预报预警和风险评估的重要前提。以往的山洪水沙灾害防治研究主要关注洪水的影响,而忽视了固体物源的作用。为完善山区中小流域山洪水沙灾害防控体系,提出基于集成学习的山区中小流域滑坡易发区早期识别方法,并对数据样本构建和影响因子选取过程进行优化试验。将滑坡单元下垫面环境因子频率比作为无监督学习算法数据样本进行聚类分析;根据聚类算法易发性分区结果选取非滑坡单元,并结合滑坡单元构建集成学习分类算法数据样本集,比较单体算法和融合算法的易发性分区结果准确率和覆盖度。选取研究区域高分卫星遥感影像建立松散堆积物直接解译标志,基于目视解译识别松散堆积物面积,通过回归分析构建松散堆积物面积–体积幂律关系,形成研究区域松散堆积物空间分布图。将固体物源作为下垫面环境因子,比较引入物源因子前后的滑坡易发性分区结果准确率和覆盖度。结果表明:K-Means–RF、K-Means–AdaBoost融合算法输出的高易发区覆盖率相对于K-Means单体算法分别提高9.3%、12.1%。两类融合算法的易发性分区准确率和泛化能力比较接近,K-Means–AdaBoost融合算法对于滑坡点的预测效果更优。考虑物源因子后的K-Means–RF和K-Means–AdaBoos融合算法易发性分区中的高易发区覆盖率分别提高14.2%和17.7%,召回率均提高12.1%。

山洪灾害气象预警业务技术进展

从我国暴雨区域特征、定量降水估测与预报技术、山洪灾害气象预警技术、山洪灾害气象风险预警业务4个方面系统介绍中国气象局山洪灾害气象预警业务技术进展。阐述了地理信息系统与不同水文气象分区短历时降水特性基础上的多源信息融合雨量实况场是支撑面向山洪灾害的雨量监测预警精度的重要途径;机器学习与雷达外推、快速同化预报相结合的短时临近定量降水智能预报技术,基于控制体积法的概念性与物理性结合的分布式水文模型以及动态雨量阈值技术是提升面向山洪灾害预报预警精度的主要方法;山洪灾害风险普查广度与深度是推动山洪灾害气象风险预警业务能力的前提条件。

长江上游流域面雨量与主要水电站发电能力关系分析

鉴于水电是关系国家安全稳定和国计民生的重要行业,以水电站的发电量预测为目的,通过分析2013~2017年的旬面雨量、流量相关性,确定两者关系,再根据历史资料拟合流量与电量,得到电站电量的推求关系。结果表明,三峡电站还原后逐旬流量与宜昌以上流域逐旬平均面雨量相关系数大于其与宜宾以上流域、岷沱江、嘉陵江的面雨量相关系数,溪洛渡电站还原后逐旬流量与宜宾以上流域逐旬平均面雨量的相关系数较与金沙江上游、石鼓-攀枝花、雅砻江的面雨量的相关系数高。采用控制子流域加权面雨量和控制子流域面雨量两种方式分别进行电站控制流域面雨量与三峡、溪洛渡还原后的流量进行回归拟合,发现采用控制子流域面雨量与电站还原后的流量拟合效果更好,当电站入库流量分别稳定超过22000、6000 m^(3)/s时,电站的最大发电能力均为满发状态。

暴雨致洪预报系统及其评估

该文研发了基于CREST V2.1分布式水文模型的暴雨致洪预报系统,应用中国气象局降水业务产品,开展全国0.125°×0.125°的逐日洪水预报和区域30″×30″的逐时洪水预报。其中,全国洪水预报以松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、东南诸河、珠江、西南诸河和西北诸河十大水资源分区的典型流域为研究对象,区域洪水预报以淮河流域为研究对象。以模拟和观测流量之间的效率系数为目标函数,采用SCE-UA方法分别对全国和区域洪水预报模型的参数分流域进行率定。评估参数率定前后模型对效率系数、相关系数和相对偏差的改进程度,并对参数率定后的模型进行检验。结果表明:率定后的模型能够重现控制水文站的实测洪水过程,与率定前相比,效率系数和相对偏差有显著改进,相关系数有较大改进。系统符合业务需求,具有较好的预报精度和时效性,具备业务应用能力。

降水引发的中国公路损毁灾害时空变化特征

基于中国干线公路灾情资料分析了降水引发公路损毁灾害的时间与空间分布特征,并对诱发公路损毁灾害的高程、坡度、高程差、断层密度、工程岩组等环境因子及最大小时雨强、强降雨发生频次、强降雨持续时间等降水因子采用信息量法进行了分析对比。结果表明:坡度、强降雨持续时间、高程差、断层密度、强降雨发生频次等因子对公路损毁灾害发生的影响作用最大。依据综合信息量将全国干线公路损毁灾害危险性划分为极高、高、较高、低和极低5个等级。经过检验,采用信息量法划分公路损毁灾害危险性等级能较好地反映公路损毁灾害的潜在空间分布,本文研究结果可以为公路损毁灾害预报预警及工程建设提供参考。

基于逆推法和德尔菲法的地质灾害气象服务效益评估

地质灾害气象服务发挥越来越重要的作用,既有可量化的经济效益,也有不可忽视难以量化的、潜在的社会效益和生态效益。根据历年地质灾害调查与分析数据,运用逆推法结合德尔菲法,建立地质灾害气象服务效益评估模型,并根据已有研究及防汛经验对模型的系数进行量化。模型以地质灾害气象预报评分和灾害直接经济损失为输入,以防灾减灾效益值、防灾减灾效益百分率、气象服务直接经济效益、气象服务直接经济效益百分率为输出,可同时对各区域、各时间段的地质灾害过程进行气象服务效益分段评估,也可评估年度地质灾害气象服务效益。该模型在2017年地质灾害气象效益评估中表现良好,有一定指导意义。

东南地区引发地质灾害降水分型及阈值分析

降水是引发地质灾害的最重要因素。该文综合利用2013-2016年东南地区(浙、闽、粤三省)地质灾害数据、国家气象中心逐小时降水量资料,通过对灾害特征和降水量等资料的统计,初步分析了降水因子与地质灾害的关系,并重点针对地质灾害的降水影响因子进行灾害降水的分型,根据降水分型(短临降水型、短时降水型、短期降水型、长历时降水型),基于最小临界雨量法,建立了各类型降水在东南地区的引发地质灾害的降水阈值分布。利用该降水阈值的分布特征,检验了2017年的各分类降水引发地质灾害的降水量,发现阈值雨量的判别方法较为科学,具有较强的参考价值。

淮河流域2016年汛期洪水预报试验

预报大流域降雨径流与洪水是非常复杂的预报难题。本研究建立气象水文耦合预报模型对复杂大流域的洪水预报进行预报试验。模型采用中央气象台格点化降水预报产品作为预见期内降水,驱动水文水动力学耦合模型进行洪水预报。选择新安江水文模型用于流域降雨径流模拟,基于扩散波与柱蓄和楔蓄理论建立Muskingum-Cunge水位流量演算模型进行具有行蓄洪区的复杂河系洪水预报。以淮河鲁台子站以上流域2016年汛期洪水为例,将构建的气象水文耦合预报模型进行洪水预报试验。结果表明,模型取得了较好的预报精度,应用格点化降水预报产品考虑预见期内降水预报的洪水预报对于不考虑预见期降水预报,洪水预报预见期得到一定的有效延长,对同类流域预报有一定的借鉴意义。