西寧市城市內澇災害預警指標研究

摘 要：利用常規氣象觀測資料和積水深度監測資料，通過研究西寧市暴雨內澇災害的日降水量和面雨量指標、逐1、3和6 h降水量和面雨量指標、逐時降水誘發指標，建立了暴雨內澇氣象災害預警動態指標體系，并劃分為4個等級，依次用藍、黃、橙、紅顏色預警表示，并進行了相關說明。研究結果能為地方政府開展城市內澇防災減災工作提供科學依據。

關鍵詞：城市內澇；內澇預警；降水量；西寧市

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

城市內澇災害是由于短時強降水或過程降水量偏大造成的徑流集中或過多，在地勢低洼、排水不暢等情況下形成積水的城市自然災害[1]。影響城市內澇的因素有很多，如自然條件、人為因素、排水管網設計等[2]。

當前，國內內澇預警系統的相關研究可以歸納為以下3類：基于雨洪模型的暴雨內澇預警[3]；基于神經網絡算法和大數據的內澇預警[4]；基于物聯網實時監測技術的暴雨內澇預警。城市內澇預報預警研究也成為當前研究熱點[5]。青海省西寧市是青藏高原區唯一人口超百萬的城市，近年來西寧市強降水頻繁，城市內澇災害頻發。當前，青海省對城市暴雨內澇災害風險預報預警關鍵技術缺乏相應的研究，難以針對性和系統性地開展內澇預報服務。因此，建立針對西寧市降水特征和城市建設特征的內澇監測預報預警系統，對提高西寧市氣象災害防災減災能力、災害預報預警能力均具有重要的意義。

1 資料和方法

1.1 資料來源

1.1.1 氣象監測數據

選取西寧市31個氣象監測站1986年5月1日—2022年12月31日逐日降水資料和2013年1月1日—2022年12月31日的逐小時降水資料。

1.1.2 內澇災情數據

選取西寧市1986—2022年暴雨內澇災害資料，內澇災害共計106次。

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨內澇災害概率預警模型

模型主要計算降水因子的臨界閾值，然后根據歷史資料的統計得出因子不同取值時的概率，最后得出合成的概率。將暴雨洪澇內澇災害發生概率定義劃分為10%、25%、50%、75%和95%，與這些概率對應的因子取值作為暴雨內澇災害發生概率時的臨界值。

1.2.2 暴雨內澇災害降水誘發指標

通常情況下，西寧市發生一次性強降水天氣過程＜5 h，因此，以1 h間隔劃分5 h雨量，根據各地暴雨內澇災害易發程度，可選取1～5 h相應影響系數、暴雨內澇災害發生等級指標條件進行計算。建立了暴雨洪內澇災害逐時誘發模型方程為：

Y=R0+1/2×R1+1/3×R2+1/4×R3+1/5×R4（1）

式（1）中，Y表示暴雨內澇災害逐時誘發因素大小；R0～R4表示暴雨內澇災害潛伏因素大小（單位：mm），R0為前1 h雨量、R1為前2 h雨量、R2為前3 h雨量、R3為前4 h雨量、R4為前5 h雨量；暴雨內澇災害誘發模型方程中的數值1、1/2、1/3、1/4、1/5為經驗系數，表示該降水時有效降水量權重大小。

2 結果與分析

2.1 暴雨內澇災害日降水量和面雨量預警指標

分析1986年5月1日—2022年12月31日西寧市城市內澇災害降水過程與相應觀測站的降水量，結果表明（表1），西寧市18次城市內澇中，日降水量＞30.1 mm

有11次，占內澇總次數的61.1%，日降水量在15.1～

30.0 mm的有6次，占33.3%；日降水量在10.1～15.0 mm的城市內澇只有1次，占5.6%。因此，按照當日面雨量預報指標采用相鄰3個氣象站小時降水量的算術平均值建立了面雨量預警指標，面雨量預報指標分別為＜7.0、7.0～15.0、15.0～25.0、25.0～39.0和＞39.0 mm。

表1是西寧市暴雨內澇氣象災害降水量和面雨量預警指標，結果表明，當日降水量＜4.0 mm或面雨量＜

7.0 mm時，沒有暴雨內澇災害影響；當日降水量為10.1

～20.0 mm或面雨量為15.1～25.0 mm時，暴雨內澇影響程度較大，為中等內澇；當日降水量≥30.1 mm或面雨量≥39.1 mm時，暴雨內澇影響程度極大，為嚴重內澇。

2.2 暴雨內澇災害逐小時降水量預報指標

城市暴雨內澇災害預警逐小時降水量（S）和面雨量（M）預報指標詳見表2。在引起西寧市城市內澇強降水中，逐1、3和6 h最大雨量占有較大比重。因此在選擇城市內澇預警等級指標的雨量指標時，應重點考慮1～6 h內的降水量和面雨量。

表1" 暴雨內澇氣象災害日降水量和面雨量預警指標

等級 影響程度 日降水量/mm 面雨量/mm 預警等級 預警顏色 描述

1級 沒有內澇影響 ≤4.0 ＜7.0 沒有內澇 無 沒有暴雨內澇災害影響

2級 內澇影響較小 4.1～10.0 7.0～15.0 輕度內澇 藍 暴雨內澇影響程度較小

3級 內澇影響較大 10.1～20.0 15.0～25.0 中等內澇 黃 暴雨內澇影響程度較大

4級 內澇影響很小 20.1～30.0 25.0～39.0 較重內澇 橙 暴雨內澇影響程度很大

5級 內澇影響極大 ≥30.1 ≥39.0 嚴重內澇 紅 暴雨內澇影響程度極大

表2" 暴雨內澇氣象災害逐小時降水量（S）和面雨量（M）預警指標 mm

氣象災害 預警指標 紅色 橙色 黃色 藍色 無預警

逐1 h雨量 降水量 S≥12.0 8.0≤S＜12.0 5.0≤S＜8.0 3.0≤S＜5.0 S＜3.0

面雨量 M≥18.0 10.0≤M＜18.0 7.0≤M＜10.0 4.0≤M＜7.0 M＜4.0

逐3 h雨量 降水量 S≥20.0 14.0≤S＜20.0 10.0≤S＜14.0 6.0≤S＜10.0 S＜6.0

面雨量 M≥35.0 25.0≤M＜35.0 12.0≤M＜25.0 8.0≤M＜12.0 M＜8.0

逐6 h雨量 降水量 S≥40.0 23.0≤S＜40.0 15.0≤S＜23.0 9.0≤S＜15.0 S＜9.0

面雨量 M≥47.0 28.0≤M＜47.0 18.0≤M＜28.0 11.5≤M＜18.0 M＜11.5

2.2.1 逐1 h降水量預警指標

2013年5月1日—2022年10月31日，西寧市城市內澇災害出現前的1 h降水過程超過0.1 mm的總次數為67 221次。其中，逐1 h降水量＜2.9 mm的次數為62 740次，占總次數的93.3%；逐1 h降水量為5.0～8.0 mm

的次數為860次，占總次數的1.3%；逐1 h降水量＞12.0 mm的次數為187次，占總次數的0.3%。采用相鄰3個氣象站小時降水量的算術平均值建立了逐1 h降水量預警指標，分別為3.0～4.9、5.0～7.9、8.0～12.0和＞12.0 mm，其相對應的逐1 h面雨量預警指標分別為＜3.9、4.0～6.9、7.0～9.9、10.0～17.9和＞18.0 mm，對應的城市暴雨內澇災害預警內容為沒有內澇、輕度內澇、中等內澇、較重內澇和嚴重內澇。

2.2.2 逐3 h降水量預警指標

2013年5月1日—2022年10月31日，西寧市城市內澇災害出現前的3 h降水過程超過0.1 mm的總次數為104 860次。其中，逐3 h降水量＜5.9 mm的次數為97 478

次，占總次數的93.0%；逐3 h降水量為10.0～13.9 mm的次數為1 350 d，占總次數的1.3%；逐3 h降水量在20.0～29.9 mm的次數為308次，占總次數的0.3%；逐3 h降水量＞30.0 mm的次數為112次，占總次數的0.1%。因此，西寧市城市內澇災害風險的逐3 h降水量預報指標分別為6.0～10.0、10.0～14.0、14.0～20.0和＞20.0 mm，相應的逐3 h面雨量預報指標分別為＜8.0、8.0～12.0、12.0～25.0、25.0～35.0和＞35.0 mm，對應的城市暴雨內澇災害預警為沒有內澇、輕度內澇、中等內澇、較重內澇和嚴重內澇。

2.2.3 逐6 h降水量預警指標

2013年5月1日—2022年10月31日，西寧市城市內澇災害出現前的6 h降水過程超過0.1 mm的總次數為146 940次。其中，逐6 h降水量＜9.0 mm的次數為137 270次，占總次數的93.4%；逐6 h降水量為15.0～

23.0 mm的次數為1 899次，占總次數的1.3%；逐6 h降水量＞40.0 mm的次數為988次，占總次數的0.1%。因此，西寧市城市內澇災害風險的逐6 h降水量預報指標＜9.0、9.0～15.0、15.0～23.0、23.0～40.0和＞40.0 mm，

相應的逐6 h面雨量預報指標分別為＜11.5、11.5～

18.0、18.0～28.0、28.0～47.0和＞47.0 mm，對應的城市暴雨內澇災害預警為沒有內澇、輕度內澇、中等內澇、較重內澇和嚴重內澇。

2.3 暴雨內澇災害逐時降水誘發指標

通過對2013年5月—2022年10月期間西寧市暴雨內澇災害逐時降水誘發模型分析發現，西寧市31個氣象監測站中共出現暴雨內澇誘發值超過0.1 mm的共計116 751次。其中，誘發值＜4.9 mm的次數為

109 661次，占總降水誘發值總次數的93.9%；誘發值為9.0～21.9 mm的次數有1 489次，占總降水誘發值總次數的1.3%；誘發值為22.0～30.9 mm的次數有111次，占總降水誘發值總次數的0.09%。由表3可知，當5 h內降水誘發值分別為＜5.0、5.0～8.0、8.0～13.0、13.0～20.0及＞20.0 mm時，相應的面雨量誘發預報指標分別為＜6.5、6.5～12.0、12.0～20.0、20.0～25.0和＞25.0 mm，分別對應沒有內澇、輕度內澇、中等內澇、較重內澇和嚴重內澇。其中，Y為誘發指標，M為誘發面雨量，h為降水深度。

2.4 暴雨內澇災害預警動態指標體系

西寧市城市暴雨內澇災害預警動態指標體系見表4。實際預報中逐1、3、6 h和誘發降水（或面雨量）指標中同時滿足2項及以上標準，則可按同時滿足最高的預報指標發布內澇災害預警。37個觀測站中5站次及以上達到嚴重內澇標準時，發布城市暴雨內澇5級紅色預警；10站次及以上達到較重內澇至嚴重內澇標準時，發布城市暴雨內澇4級橙色預警；15站次及以上達到中等內澇至較重內澇標準時，發布城市暴雨內澇3級黃色預警；20站次及以上達到輕度內澇至中等內澇標準時，發布城市暴雨內澇2級藍色預警；沒有暴雨內澇，不需要發布預警。

表3" 暴雨內澇氣象災害逐時降水誘發和面雨量誘發指標

等級 預警指標 誘發值/mm 降水深度/m 預警含義 預警顏色 內澇災害誘發程度

1級 誘發指標 Y≤5.0 h＜0.021 沒有內澇 無 不會誘發暴雨內澇災害

誘發面雨量 M＜6.5

2級 誘發指標 5.0＜Y≤8.0 0.021≤h＜0.055 輕度內澇 藍 難以誘發暴雨內澇災害

誘發面雨量 6.5≤M＜12.0

3級 誘發指標 8.0＜Y≤13.0 0.055≤h＜0.226 中等內澇 黃 可以誘發暴雨內澇災害

誘發面雨量 12.0≤M＜20.0

4級 誘發指標 13.0＜Y≤20.0 0.226≤h＜0.683 較重內澇 橙 容易誘發暴雨內澇災害

誘發面雨量 20.0≤M＜25.0

5級 誘發指標 Y≥20.0 h≥0.683 嚴重內澇 紅 極易誘發暴雨內澇災害

誘發面雨量 M≥25.0

表4" 暴雨內澇氣象災害預警動態指標體系表 mm

內澇等級 預警指標 1 h 3 h 6 h 逐時誘發降水量

1級 降水量 S＜3.0 S＜6.0 S＜9.0 Y≤5.0

面雨量 M＜4.0 M＜8.0 M＜11.5 M＜6.5

2級 降水量 3.0≤S＜5.0 6.0≤S＜10.0 9.0≤S＜15.0 5.0＜Y≤8.0

面雨量 4.0≤M＜7.0 8.0≤M＜12.0 11.5≤M＜18.0 6.5≤M＜12.0

3級 降水量 5.0≤S＜8.0 10.0≤S＜14.0 15.0≤S＜23.0 8.0＜Y≤13.0

面雨量 7.0≤M＜10.0 12.0≤M＜25.0 18.0≤M＜28.0 12.0≤M＜20.0

4級 降水量 8.0≤S＜12.0 14.0≤S＜20.0 23.0≤S＜40.0 13.0＜Y≤20.0

面雨量 10.0≤M＜18.0 25.0≤M＜35.0 28.0≤M＜47.0 20.0≤M＜25.0

5級 降水量 S≥12.0 S≥20.0 S≥40.0 Y≥20.0

面雨量 M≥18.0 M≥35.0 M≥47.0 M≥25.0

3 結論

（1）研究了西寧市暴雨內澇災害日降水量和面雨量指標、逐時降水量和面雨量指標、逐時降水誘發指標及暴雨內澇氣象災害預警動態指標，形成能夠服務于城市內澇氣象災害預警技術的多時效致災臨界面雨量和致災臨界水位動態指標體系。

（2）后期通過對氣象災害預警技術業務指標體系中氣象要素對暴雨內澇氣象災害指標等進行了檢驗，建立的氣象災害預警指標體系具有較高的預報實用性，充分說明暴雨內澇風險預警技術研究成果的實用性。

（3）建立的暴雨內澇災害的降水臨界值需要大量準確的災害發生記錄進行驗證。大部分內澇隱患點缺乏監測資料，還有部分積水監測點雖有積水監測資料，但數據精度低且記錄時間短。這些均會對模型建立及預測效果產生影響。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-11

基金項目：西寧市科技計劃項目民生科技專項（2023-M-06）資助。

作者簡介：張婷華（1989—），女，青海西寧人，高級工程師，研究方向為天氣預報與氣象服務。