地質災害氣象風險預警及氣象格點數據在預警中的應用

王平波，游 情

（1.山西省地質環境監測中心，山西 太原 030024；2.廣州金汀信息科技有限公司，廣東 廣州 510670）

1 引言

山西省地處黃土高原區，地形高差大，山高坡陡，溝壑縱橫，自然地質環境條件較差，崩塌、滑坡、泥石流地質災害較發育，特別是由于經濟發展的需求，人類工程活動愈加強烈，修路切坡、削坡建房等造成邊坡失穩，引發崩塌、滑坡地質災害時有發生，由此帶來了一定的經濟損失及人員傷亡，嚴重影響了當地居民的正常生活，地質災害已成為影響人民生命財產安全和阻礙當地經濟發展的重要因素。

針對山西省地質災害危害嚴重的現狀，按照全國《地質災害防治條例》的要求及原國土資源部、國家氣象局的統一部署，原山西省國土資源廳與山西省氣象局于2004年起，每年汛期（6—9月）聯合開展全省地質災害氣象風險預警預報工作，通過開展地質災害氣象風險預警工作，對提高全民的防災減災意識，減輕以降水為主要誘因的崩塌、滑坡、泥石流等突發性地質災害造成的經濟損失與人員傷亡，具有非常重要的意義。

2 地質災害氣象風險預警方法

2.1 預警等級劃分

地質災害氣象風險預警涉及的災種是因氣象因素引發的崩塌、滑坡、泥石流等突發性地質災害。地質災害氣象風險預警是通過對不同地區降水與崩塌、滑坡、泥石流的統計研究，找出不同地區降水誘發崩塌、滑坡、泥石流的臨界值，建立相應的預警模型，對降水誘發崩塌、滑坡、泥石流的可能性作出判斷。

預警等級是未來一段時間內，某區域發生地質災害風險的一種量度，根據地質災害氣象風險預警的相關規范[1]，預警等級共分為四級級別：Ⅰ級紅色預警、Ⅱ級橙色預警、Ⅲ級黃色預警、Ⅳ級藍色預警，如表1所示。

表1 地質災害氣象風險預警等級劃分表

2.2 預警方法

山西省地質災害氣象預警預報工作從2004年開始至今，經過了手工判據預報及預警模型預報兩個階段。2004—2007年以手工預報、人工判據為主，2008年以后采用預警預報模型進行預報。

2．2．1 人工判據法（臨界降雨量判據法）

應用地貌分析法，根據地形地貌格局、氣候分帶、地層巖性、地質構造等地質環境條件和降雨型崩塌、滑坡、泥石流等地質災害的發生情況進行預警區域劃分，山西省共劃分為11個地質災害風險預警區。收集預警區內已發生的崩塌、滑坡、泥石流地質災害點的相關資料，并進行整理與登記，然后向氣象臺收集這些地質災害點發生當日及前15日的降水量情況，建立臨界降雨量模板判據，如圖1所示。圖1中α線和β線為地質災害預警等級劃分界線，橫坐標為過程降水量的統計天數，縱坐標為對應的過程降水量，散點為對應過程降水量統計天數和過程降水量數值發生的地質災害事件。根據前期實際降雨量和未來24 h預報降雨量，對每個預警區疊加分析，初步判定發生降雨型地質災害的可能性。最后，結合地質環境、生態環境和人類活動方式、強度等指標進行綜合判斷，對未來24 h降雨過程誘發地質災害的空間分布進行預報。

圖1 標準臨界降水判據模板

2．2．2 預警預報模型法

2008年山西省地質環境監測中心與廣州云金地數碼科技有限公司合作開發了地質災害風險預警信息系統，建立了地質災害氣象風險預警模型，實現了山西省地質災害氣象風險預警工作自動化，預警成果自動生成（可進行人工干預）、自動入庫、出圖，與氣象臺實現專線資料傳輸、可視化會商，山西省地質災害氣象風險預警工作邁上了一個新臺階。

山西省地質災害預警信息系統利用先進的網絡技術、數據庫技術和地理信息系統（GIS）技術，對地質災害的影響因素進行動態抽取和空間疊加分析，將空間數據的屬性數據進行模糊（Fuzzy）和信息優化（Optimize）處理，利用模糊人工神經網絡模型和預先建立的樣本庫數據計算每一個災害分析單元的失穩系數，從而建立起“模糊人工神經網絡地質災害預警模型”，利用歷史和預報降雨量數據結合已經建立的災害預警分析模型進行預警預報分析。

山西省地質災害氣象預警系統運行以來，大幅提高了工作效率和預警準確度，在復雜的天氣條件下能在最短的時間內及時發出預警，對當地政府地質災害防治工作起到了重要的指導作用。該模型具有自學習功能，隨著每年地質災害隱患排查后全省地質災害數據庫的更新及用戶參數的調整，該模型會同步進行自我更新完善，不斷提高預報準確率。

2.3 預警發布

山西省地質災害風險預警成果如圖2所示，它的發布渠道主要是電視、網站和手機短信，預警產品制作完成后，三級以下預警級別通過山西省地質災害信息網發布；有三級及三級以上預警級別時，及時與氣象臺會商，預警結果除在山西省地質災害信息網發布外，在山西衛視新聞之后的天氣預報節目中發布，同時利用預警短信群發功能給地質災害防治管理人員及群測群防人員發送預警短信。

2.4 預警流程

山西省地質災害氣象風險預警流程如圖3所示。

圖2 地質災害氣象風險預警網成果發布圖

圖3 山西省地質災害風險預警流程圖

3 氣象格點數據在地質災害風險預警中的應用

2018年山西省地質災害氣象風險預警系統將預測降水量站點數據改為氣象格點數據進行地質災害預警分析[3]，氣象格點數據建立的標準為5 km，全省格網數為11 868個。氣象格點數據的應用主要通過增加預測降水量的點密度，提高地質災害風險預警的精度。

3.1 總體架構

系統采用數據服務層、業務邏輯層、表現層三層體系結構，系統設計與實現采用面向對象的軟件設計方法和組件開發技術。在數據服務層，以Oracle大型關系型數據庫存儲數據，用ArcGIS進行空間數據管理和服務，以ArcEngine為客戶端開發工具。在業務邏輯層，以GIS應用組件、災害預警模型算法組件、版本自動更新組件、用戶管理組件、數據訪問組件等為基礎進行開發，利用Micrοsοft的WebService和ASP.NET包裝和表現組件，最后使用IIS進行Web服務。

3.2 格點預報數據分析技術流程

山西省格點預報數據預警分析技術流程如圖4所示。

圖4 山西省格點預報數據預警分析流程圖

3.3 算法

克里金方法（Kriging），是以南非礦業工程師KRIGE.D G（克里格）名字命名的一項實用空間估計技術，是地質統計學的重要組成部分，也是地質統計學的核心。

3.4 應用功能

利用氣象格點數據進行地質災害氣象風險預警的應用功能有雨量數據融合管理系統和格點預報融合分析系統，具體功能如表2、表3所示。

表2 雨量數據融合管理功能表

4 結論

地質災害氣象風險預警涉及的災種主要有崩塌、滑坡、泥石流突發性地質災害；預警等級分為四級，一級紅色——預警地質災害風險很大，二級橙色預警——地質災害風險大，三級黃色預警——地質災害風險較大，四級藍色——預警地質災害風險較小。地質災害氣象風險預警的方法有人工判據法和預警模型法，人工判據法的關鍵是確定不同降雨過程臨界值作為預警判據，通過人工分析，對地質災害發生的可能性作出預測和判定。預警模型法實現了預警工作自動化，在復雜的天氣條件下能在最短的時間及時發出預警。利用氣象格點數據進行地質災害風險預警是在預警模型法的基礎上，將預測站點數據改為預測格網數據，通過增加預測降水量的點密度，從而提高了地質災害風險預警的精度。

表3 格點預報融合分析功能表