地质灾害气象预警预报理论与方法
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发布时间：2022-04-23 16:12
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时间：2023-10-09 04:13
一、内容概述
本成果是地质灾害气象预警预报研究与服务工作开展9年来的系统分析与总结，提出了地质灾害区域预警隐式统计预报法、显式统计预报法和动力预报法等3种方法，系统开展了两代地质灾害区域气象预警技术方法（隐式统计预报法和显式统计预报法）研究与应用。在全国范围内，分区研究了不同地层、构造、气候等条件下地质灾害的发生规律，并建立了地质灾害预警模型，在区域地质灾害气象预警技术方法研究方面取得了显著性进展和创新性成果，开创了中国*地质灾害气象预警的先河，为省级地质灾害气象预警提供了技术指导和借鉴，得到了各级*和社会公众的认可。
1.地质灾害区域预警原理
提出了地质灾害区域隐式统计预报、显式统计预报和动力预报等三分法，设计并开发完成了地质灾害隐式统计和显式统计预警两类系统。
（1）隐式统计预报法
隐式统计预报法把地质环境因素的作用隐含在降雨参数中，在某地区的预警判据中仅仅考虑临界降雨参数建立模型。隐式统计法可称为第一代预报方法，比较适用于地质环境模式比较单一的小区域。第一代国家级地质灾害预警系统采用该方法设计实现，在2003～2007年应用。
（2）显式统计预报法
显式统计预报法是一种考虑地质环境变化与降雨参数等多因素叠加建立预警判据模型的方法，它是由地质灾害危险性区划与空间预测转化过来的，该方法可以充分反映预警地区地质环境要素的变化，并随着调查研究精度的提高相应地提高地质灾害的空间预警精度。显式统计法可称为第二代预报方法，比较适用于地质环境模式比较复杂的大区域。该方法基于地质环境空间分析，通过网格剖分计算单元的地质灾害“潜势度”、合并单元分析结果后区划实现的，克服了仅仅依据单一临界雨量指标的*，在临界诱发因素的表达、预警指标的选定与量化分级等方面可进一步升级。第二代国家级地质灾害预警系统采用该方法设计实现，并在2008年以后应用。
（3）动力预报法
动力预报法是一种考虑地质体在降雨过程中在地-气耦合作用下研究对象自身动力变化过程而建立预警判据方程的方法，实质上是一种解析方法。动力方法的预报结果是确定性的，可称为第三代预报方法，因需精密仪器检测，目前该方法只适用于单体试验区域或特别重要的局部区域。该方法主要依据降雨前、降雨中和降雨后降水入渗在斜坡体内的转化机制，具体描述整个过程中斜坡体内地下水动力作用变化与斜坡体稳定状态变化的对应关系。成果第一完*在四川雅安创建了第一个试验区。
2.第一代国家级地质灾害预警系统
预警区划：根据中国地貌格局、地质环境特征及其与降雨诱发型崩滑流地质灾害关系的统计分析结果，以全国性分水岭、气候带、大地构造单元和区域地质环境条件，进行一级分区；以区域分水岭、历史滑坡泥石流事件分布密度、地形地貌特征、地层岩性、地质构造与新构造运动、年均降雨量分布等，进行二级分区。将全国划分为7个预警大区、74个预警区。
临界降雨判据：采用统计分析方法，开展滑坡泥石流与降雨关系研究，制作滑坡泥石流与不同时段临界降雨量关系散点图，散点集中成带分布，其上界可用β线表示，下界可用α线表示。利用1日、2日、4日、7日、10日和15日等过程降雨量，建立地质灾害预警判据模式图，作为临界降雨判据。
预警专用符号：设计制作了地质灾害气象预警预报专用“符号”。从2005年开始，在*电视台发布地质灾害气象预警信息图片时，同时配发崩塌、滑坡和泥石流动画，增强了地质灾害预警信息的视觉冲击力，也提高了地质灾害气象预报预警的社会影响力和全民防灾意识。
预警软件系统：2003～2006年，模型采用第一代临界雨量判据法，基于C语言开发了预警预报软件。2007年，模型仍采用第一代临界雨量判据法，基于ArcGIS开发了第二套预警预报软件。
3.第二代国家级地质灾害预警系统
预警模型建立过程：①地质灾害预警分区，将全国分为7个预警大区，分区建立预警模型；②地质灾害气象预警信息图层编制，充分考虑地质灾害发生的地质环境基础信息、地质灾害历史发生实况等，共编制预警信息图层30个，建立了比较全面的全国地质灾害气象预警预报信息系统，主体图层的精度从第一代的1∶600万提升到1∶100万；③地质灾害潜势度计算；④统计预警模型建立。
（1）显式统计预警模型方法
根据地质灾害区域预警预报理论，显式统计预警方法综合考虑了地质环境因素、降雨因素，即不同于临界降雨模板法，预警模型中既要考虑降雨因素的作用，还需要特别包含地质环境因素的指标。地质环境因素复杂多样，用一个综合指标来衡量，降雨因素选取两个指标进行衡量。
选取“地质灾害潜势度”（G）作为地质环境条件因素的综合指标；当日雨量（Rd）、前期雨量（Rp）作为降雨诱发因素的指标；以G、Rd、Rp作为输入量，以历史地质灾害点的实际发生情况作为输出量，开展统计分析，建立显式统计的预警模型，通用函数如下：
T＝G＋Rd＋Rp
式中：T为预警指数，据此确定地质灾害气象预警等级；G为地质灾害潜势度，是地质环境条件的量化指标；Rd为日雨量，是地质灾害发生当日的雨量，预警分析时为预报雨量；Rp为前期累计雨量，是地质灾害发生前的累计雨量。
（2）预警专用符号
设计了第二代预警动画符号，在*电视台（CCTV-1）发布预警产品图片时，同时配发预警符号动画和播音员播音的形式，第二代预警符号的*真性和美观效果有显著提高。
（3）预警软件系统
第二代国家级地质灾害预警系统构架于微软Windows操作系统、Office系统和Map-GIS平台，具有方便的图层管理、预警计算、自动成区等功能，能够实现日常预警预报自动服务工作，集成了两代模型方法、地质环境背景、降雨数据等实时查询、便利的交互操作。
二、应用范围及应用实例
2003～2011年，第一代和第二代国家级地质灾害预报预警系统为全国地质灾害气象预报预警工作应用了9年，在*电视台发布地质灾害预警信息639次，在中国地质环境信息网站发布1133次，在*人民广播电台发布152次。国家级地质灾害气象预警工作还为2008年“5·12”汶川特大地震、2010年“4·14”玉树地震、2010年“8·8”舟曲特大山洪泥石流等灾害的抢险救灾工作提供了有针对性的预警预报服务。
地质灾害气象预警系统研发与服务9年来，明显提高了突发性地质灾害易发区广大民众的防灾减灾意识，尤其是通过与地质灾害“群测群防”的共同配合应用，对减轻地质灾害造成的经济损失，减少人员伤亡，提高民众防灾减灾意识，促进社会稳定，保护重要基础设施等发挥了重要作用，得到了社会各界比较广泛的认可。此项工作也得到了*总理、*副总理、回良玉副总理以及孙文盛*、徐绍史*等领导的肯定和赞赏。
典型实例检验：
2007年8月19日，国家气象中心降雨预报结果显示：在浙江南部、福建全境、广东东北部有暴雨（50mm）；其中，浙江南部局部、福建大部、广东东北局部有大暴雨（100mm），福建东部沿海局部有特大暴雨（250mm）。在综合分析地质灾害“潜势度”、气象预报雨量、气象前期实况雨量后，采用全国地质灾害预报预警软件Prediction，自动生成了预警结果。
根据地质灾害发生情况的反馈，本次预警时段全国共有较重大的地质灾害点105处，其中福建80处、浙江10处、云南5处、湖南10处。其中，90处灾害点在5级预警区范围内，3处灾害点落在4级预警区范围内，6处灾害点在3级预警区范围内，另有6处灾害点落在预警区范围之外。
三、推广转化方式
地质灾害气象预警预报理论与方法的相关研究成果，已有多篇研究论文在核心、EI等期刊发表，多次进行学术大会交流，专著《中国地质灾害区域预警方法与应用》已出版，且依据显式统计预警模型研发的第二代国家级地质灾害预警软件系统和发布系统取得了2项计算机软件著作权登记证书。
自2003年起至今，地质灾害气象预警预报理论与方法的相关研究成果，已成功应用于国土资源部和中国气象局联合开展的地质灾害气象预警预报工作中，在国土资源部和中国气象局合作示范的带动下，目前全国已有30个省、223个市、1035个县开展了地质灾害气象预警预报工作。自2003年6月至2010年，通过地质灾害气象预警预报、地质灾害调查和群测群防相结合等方式，全国各地共成功避让地质灾害5356起，避免人员伤亡29.18万人，避免财产损失37.7亿元。鉴于这8年取得的防灾减灾成效显著且得到社会认可，2010年10月14日，国土资源部和中国气象局签订了《关于深化地质灾害气象预警预报工作合作的框架协议》。
因此，随着地质灾害气象预警预报需求的不断提高，地质灾害气象预警预报理论与方法的相关研究成果，必将持续得到深入研究和应用，并在地质灾害防治事业中发挥更大作用。
技术依托单位：中国地质环境监测院（国土资源部地质灾害应急技术指导中心）
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