淺談城市防災減災服務技術

楊昱天津市氣象服務中心

淺談城市防災減災服務技術

楊昱
天津市氣象服務中心

摘要：綜合利用現(xiàn)代氣象業(yè)務和城市氣象防災減災社區(qū)建設工作基礎，初步建立城市內(nèi)澇風險預警服務業(yè)務體系，提升以社區(qū)為基本單元的氣象災害風險管理和預警信息發(fā)布能力，推動城市氣象防災減災制度化，提高城市氣象防災減災水平，提高全社會參與氣象防災減災的力度，為全面推進城市氣象防災減災體系建設奠定基礎。

關鍵詞：防災減災；內(nèi)澇；預警信息

引言

2O世紀9O年代以來，在以全球變暖為主要特征的氣候變化背景下，全球災害明顯增多，并以關聯(lián)性強、破壞性大、范圍廣、形式多樣化的特點，危及人類生命和健康，威脅人類正常生活，破壞公益設施和公私財產(chǎn)，破壞資源與生態(tài)環(huán)境，威脅到社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。防御氣象災害、保障經(jīng)濟安全，是中國氣象事業(yè)發(fā)展乃至國家經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的重要課題[2]。高溫、暴雨、雷電、冰雹和霧（霾）等氣象災害頻繁發(fā)生，特別是強降水具有突發(fā)性、分布不均勻性，由于早期規(guī)劃失誤和防災減災基礎工程不配套，城市災害愈來愈多，經(jīng)濟損失和生態(tài)環(huán)境破壞愈來愈嚴重。因此通過研究城市防災減災綜合能力水平，提高城市抵御災害能力，減輕災害給城市帶來的損失，是一個亟需解決的課題。天津作為沿海城市，城市內(nèi)澇現(xiàn)象尤為突出，目前城市街道社區(qū)氣象災害防御工作仍相對薄弱，組織體系亟需健全，預警信息發(fā)布手段和渠道亟需擴展，社區(qū)對氣象災害防御和氣象預報預警及服務的需求日趨增多，因此，開展城市氣象防災減災社區(qū)建設工作十分必要。

一、建設內(nèi)容及規(guī)模

（一）建設“八有”城市氣象防災減災社區(qū)

在社區(qū)開展“有工作場所、有人員配備、有風險評估、有應急處置、有預警手段、有宣傳培訓、有防災減災志愿者隊伍、有長效發(fā)展機制”的“八有”氣象防災減災社區(qū)建設。

（二）強化城市氣象防災減災的科技支撐

1.提高城市氣象災害風險預警服務能力

編制城市內(nèi)澇風險普查技術指南，會同城建、交通、水利、民政等部門重點針對城市交通和易積澇區(qū)域，聯(lián)合開展精細到具體災害隱患點的暴雨洪澇氣象災害風險普查。

2.提高城市精細化預報預警服務能力

（1）雨量實時檢測報警

根據(jù)城市氣象災害風險普查結果，按照不同的風險區(qū)域和級別計算不同區(qū)域、不同隱患點的面雨量信息。針對不同城市內(nèi)澇風險區(qū)域的每個內(nèi)澇風險隱患點設置面雨量報警閾值，通過自動監(jiān)測雨量信息即可提供內(nèi)澇隱患的報警。

（2）雷達定量降水估算報警

以當前業(yè)務應用的SWAN定量降水估測產(chǎn)品為基礎,針對不同范圍內(nèi)不同類型降水的定量降水估測結果進行系統(tǒng)性的檢驗，了解估測誤差規(guī)律，對估測結果進行系統(tǒng)訂正。同時在訂正的基礎上將雷達的降水估測結果用于內(nèi)澇風險監(jiān)測工作中，提供基于雷達定量降水估測的格點化的產(chǎn)品結果入庫，提高監(jiān)測預警效率，滿足城市內(nèi)澇風險監(jiān)控的需求。

（3）城區(qū)1公里精細化格點預報

時效6小時、3小時間隔、每天05、08、11、14、17、20、23時滾動更新的常規(guī)氣象要素預報，內(nèi)容包括天氣現(xiàn)象、風向、風速、最高溫度、最低溫度、相對濕度、降水概率、等十要素，形成城區(qū)網(wǎng)格點的精細化預報產(chǎn)品入庫。

（4）城區(qū)氣象災害分區(qū)預警服務

制作市區(qū)暴雨、雷電、冰雹、暴雪、風暴潮等氣象災害預警信號產(chǎn)品，通過郵件、傳真、手機短信等方式實現(xiàn)對決策用戶和公眾的實時發(fā)布。

3.提高城市智能化氣象服務水平

建立集地理信息、災害信息等信息于一體，具有氣象災害監(jiān)測預警、風險評估、信息服務功能的智能化城市氣象服務業(yè)務系統(tǒng)。

4.提高城市氣象預警信息發(fā)布能力

建立街道——社區(qū)——小區(qū)樓棟三級氣象災害預警信息接收與傳播組織管理構架，完善信息發(fā)布傳播“綠色通道”機制，完成重大突發(fā)性氣象災害預警信息全媒體的全網(wǎng)發(fā)布。

5.強化部門合作和應急聯(lián)動

加強與民政、水利、水文、國土、應急、衛(wèi)生、城市運行保障等部門的聯(lián)動，制定城市重大氣象災害預警聯(lián)動標準，實現(xiàn)氣象災害應急預案與其它應急預案的對接，提高氣象防災減災工作效率。

6.推動城市氣象防災減災社會化發(fā)展

建立城市社區(qū)氣象災害應急準備認證制度，探索明確政府、企業(yè)、社會、公眾氣象防災減災責任義務的有效方式，推動建立社會自發(fā)、自下而上的防災減災救災機制。

7.推動城市氣象防災減災法制化、標準化建設

制定《氣象災害防御條例》和《氣象災害應急預案》的有關內(nèi)容，同時根據(jù)本地特點和需求，繼續(xù)推動城區(qū)氣象災害防御立法工作。

8.完善城市氣象防災減災政府主導的長效發(fā)展機制

完善政府統(tǒng)一領導、綜合協(xié)調(diào)，相關部門各負其責、有效聯(lián)動的氣象防災減災組織體系，相關部門分管領導為成員的氣象災害應急指揮部或氣象災害防御領導小組。

9.開展社區(qū)氣象科普宣傳

編寫通俗易懂、方便實用的氣象防災社區(qū)學習培訓教材，借助防災減災日、科技日在發(fā)放氣象災害防御知識掛圖，提高避險自救互救技能。

二、技術特點

建立健全街道/社區(qū)氣象災害預警信息接收與傳播的網(wǎng)格組織管理制度。

（一）安裝水位尺

為方便氣象信息員、志愿者和公眾將采集的積水數(shù)據(jù)標準化，我們采用目前在水利上通用的E字型水位米尺，安裝在內(nèi)澇隱患點。

（二）城市內(nèi)澇風險管理

1.繪制內(nèi)澇隱患點分布圖

加強與水務局排水管理處合作，獲取最新市內(nèi)內(nèi)澇積水點分布圖以及歷次內(nèi)澇災情數(shù)據(jù)，繪制市區(qū)內(nèi)澇隱患點分布圖。

2.科學確定內(nèi)澇致災臨界（面）雨量

每一區(qū)域積澇的致災臨界降水條件都不同，當排水條件發(fā)生變化時，應根據(jù)最新的城市內(nèi)澇普查資料確定致災臨界降水條件。

（三）內(nèi)澇風險預警服務體系建設

1.建立應用數(shù)值預報產(chǎn)品、雷達估測、預測降水產(chǎn)品的城市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測預報系統(tǒng)

（1）將雷達估算降水技術用于內(nèi)澇模型

研制項目針對暴雨監(jiān)測開發(fā)的雷達定量估測降水系統(tǒng)（QPEGS）與城市面雨量計算的接口，雷達資料采用天津多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)資料，降水資料為天津地面觀測自動站降水量資料。采用雷達默認Z-I關系（Z=300I1.4）將回波強度值轉換成降水強度，再通過累積分別得到6分鐘和1小時尺度的雷達估算降水量資料。用4種校準方法得出降水估算產(chǎn)品，包括VAR（變分方法），OPT（最優(yōu)插值），KLM（卡爾曼濾波），KOP（卡爾曼濾波和最優(yōu)插值綜合產(chǎn)品）。降水估算產(chǎn)品是480×480格點的等1km間距降水數(shù)據(jù)，雷達站的中心坐標為，經(jīng)度39.044o,緯度117.725o。通過下面兩種插值方法，將雷達估算降水資料插值到計算網(wǎng)格上，獲得更加精確的面雨量信息。

建立模型與SWAN雷達估算降水產(chǎn)品QPE、QPF的接口。

（2）對應用QPEGS的不同估算降水產(chǎn)品計算的城市面雨量的合理性進行評估。

（3）研發(fā)雷達估算降水產(chǎn)品與數(shù)值預報產(chǎn)品的接口，即利用雷達估算降水產(chǎn)品，相對應時刻的數(shù)值預報降水產(chǎn)品進行訂正，實現(xiàn)業(yè)務化自動運行。

將雷達估算降水與數(shù)值預報降水產(chǎn)品計算的面雨量帶入城市暴雨內(nèi)澇模型，通過模擬得出計算域內(nèi)的最大水深、過程水深等變量，用于WEBGIS的城市暴雨內(nèi)澇顯示平臺。

2.建立基于WEBGIS的城市暴雨內(nèi)澇顯示平臺

將WEBGIS技術用于平臺設計，將地理數(shù)據(jù)擴展為分布式的、超媒體特性的、相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了多源降水實況與預測、城市暴雨積水模擬與預測、災情評估為一體的綜合顯示功能。主要內(nèi)容包括:

（1）編制老系統(tǒng)與新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換程序；

（2）研發(fā)社區(qū)內(nèi)澇精細化預報評估技術

利用DEM數(shù)據(jù)與模型網(wǎng)格的平均高程計算高程差，如（1-4）式。

利用高程差和模型網(wǎng)格的平均水深，細化社區(qū)積水深度。

例如，對于任意一個模型網(wǎng)格，假設在這個網(wǎng)格中有n個DEM柵格，設每個柵格的水深為hi，模型網(wǎng)格的水深為h，每個概化的網(wǎng)格的高程為DEMi，模型網(wǎng)格的平均高程為-------DEM，則：

（3）編制基于WEBGIS的城市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測、預測、預警平臺顯示程序，功能包括：

顯示降水實況信息；

顯示降水預測預警信息；

顯示最大積水深度、積水隨時間變化和內(nèi)澇風險等級信息；

3.城市氣象指數(shù)、生活指數(shù)和健康指數(shù)及等級劃分

制作20種城市氣象指數(shù)、生活指數(shù)、健康指數(shù)預報業(yè)務產(chǎn)品，確定等級劃分標準、氣象條件、強度、防護措施、提示或服務用語等。

（四）城市精細化預報預警技術

1.實時雨量監(jiān)測計算面雨量

（1）基于站點的逐10分鐘的當前小時累積面雨量計算

首先按照城市氣象災害風險普查結果，針對不同的風險區(qū)域選取對應范圍內(nèi)所包含的自動站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。對風險區(qū)內(nèi)澇點相關的自動站雨量進行累積，計算得到該風險區(qū)當前時次的1小時累積雨量。采用算術平均法或者權重分配法計算風險區(qū)內(nèi)所有的雨量值作為該區(qū)的面雨量情況。

（2）基于站點的整點的24小時累積面雨量計算：

提取自動站的整點的小時雨量，統(tǒng)計之前24小時內(nèi)的累積雨量，通過算術平均法,計算得到各區(qū)范圍內(nèi)對應的站點的24小時累積雨量的平均值作為面雨量。

2.雷達定量降水估算網(wǎng)格產(chǎn)品

范圍為市內(nèi)，提取基于SWAN的逐小時雷達定量降水估算QPE的網(wǎng)格結果，網(wǎng)格精度保證為1公里。1小時QPE產(chǎn)品每6分鐘更新一次，每20分鐘打包傳送一次，所有產(chǎn)品都提供到數(shù)據(jù)庫，供科研所使用。

3.制作城區(qū)1公里精細化格點預報產(chǎn)品

（1）讀取人工訂正后的鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細化站點預報產(chǎn)品

每天05：00、08：00、11:00、14:00、17:00、20:00、23：00讀取市區(qū)短臨精細化業(yè)務平臺中基于wrf的人工訂正后的0-3和3-6小時格點預報產(chǎn)品，包括天氣現(xiàn)象，3小時最高氣溫和最低氣溫，災害天氣等十要素。

（2）建立預報區(qū)域網(wǎng)格

確定網(wǎng)格范圍：找出一矩形區(qū)域（5m*5n），確保這一矩形區(qū)域能覆蓋城區(qū)范圍；在矩形區(qū)域內(nèi)劃分為（m+1）×（n+1）個網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率為1km×1km；確定各個網(wǎng)格的經(jīng)度、緯度；將格點進行編號：從1一直到（m+1）×（n+1）。

（3）將粗格點預報插值為1公里的精細化格點數(shù)據(jù)

天氣現(xiàn)象：無法利用插值解決，選取與該格點距離最近的站點的天氣現(xiàn)象作為該格點的天氣現(xiàn)象；

（4）逐3小時定量降水格點數(shù)據(jù)插值

逐3小時定量降水格點數(shù)據(jù)插值為逐小時，插值方法采用線性非線性結合的方法，格點數(shù)據(jù)入庫，制作城區(qū)災害落區(qū)精細化預警產(chǎn)品。

（五）城市氣象災害預警信息發(fā)布

1.城市氣象防災減災社區(qū)氣象服務產(chǎn)品制作平臺

開發(fā)建設精細化社區(qū)氣象預警服務產(chǎn)品制作平臺，首先提供開發(fā)該制作平臺的各部分模塊名稱、框架結構圖和相應的電子文檔、各模塊所提供的數(shù)據(jù)源信息及接口數(shù)據(jù)源信息所存儲的位置即提供服務器的IP地址、用戶名和密碼。

2.開發(fā)城市氣象預警信息顯示平臺

該平臺主要用于社區(qū)氣象信息服務站使用，其中包括社區(qū)概況、地理位置特點及人員信息等。

本系統(tǒng)軟件相互獨立，子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換全部通過信息基礎數(shù)據(jù)庫完成。邏輯上劃分為三個層次，由上至下依次為應用層，服務層，數(shù)據(jù)層。

通過一鍵式發(fā)布氣象預警信息的技術能很好的與該顯示平臺對接，所發(fā)布的預警信息能夠及時的顯示在該平臺上面大大節(jié)省人工干預的工作，做到預警信息及時、有效準確更好的解決最后一公里問題。

總體數(shù)據(jù)流程

預警信息發(fā)布的總體流程為：接收預警信息→處理預警信息→信息存儲→發(fā)布預警信息→運行監(jiān)控→信息反饋。

3、結束語

當今社會，城市化進程加快，城市的增加速度和城市人口、經(jīng)濟聚集的速度都是前所未有的。也正因為如此，城市必然成為防災減災的重點區(qū)域。城市防災減災體系的建立必須與城市建設同步協(xié)調(diào)發(fā)展，必須在城市規(guī)劃中增加防災減災內(nèi)容，在城市基礎設施建設中重視防災減災要求，才能科學合理的規(guī)劃城市。同時還要整合現(xiàn)有社會防災減災資源，提高綜合防災減災協(xié)調(diào)能力和救援效率，推廣防災減災安全知識，建立重特大災害事故的防控機制，是政府和相關部門義不容辭的責任，是構筑和諧社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本保證。

參考文獻：

[1]周云，李伍平，浣石，等.防災減災工程學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：3-25.

[2]高慶華，劉惠敏.自然災害綜合研究的回顧與展望[J].防災減災工程學報，2003，23(1)：97—101

作者簡介：楊昱（1963-），男，天津人，本科，工程師，研究方向：計算機應用。