云南丽江暴雨灾害的自动雨量站预警指标研究

Study on the Early Warning Index of Automatic Rainfall Station for Rainstorm Disaster in Lijiang, Yunnan

摘要: 收集整理云南省丽江市历史上暴雨灾情资料、降水资料特别是近9年自动雨量站逐小时雨量资料及闪电定位资料，使用统计学方法分析诊断暴雨灾害的致灾成因。结果表明：1) 丽江市暴雨灾害主要发生在每年的5~10月，尤以7月份最为突出；2) 丽江市华坪县西北部是暴雨灾害的多发区和重灾区；3) 暴雨灾害可分为中尺度雨团造成对流性强降水和中尺度雨团参与的连续性降水两类，而且尤以对流性降水类居多；4) 丽江市境内任意1个自动雨量站点出现29.4 mm/h以上的对流性短时强降水或2个县(区)以上的任意1个站点出现R6 ≥ 34.2 mm的非对流性降水时，发布相关暴雨预警，预警时间提前量平均为7.1小时，用此临界指标对2022年5~10月份进行逐日检验，效果较好。

Abstract: Collect and sort out the historical rainstorm disaster data, precipitation data, especially the hourly rainfall data and lightning location data of the automatic rainfall station in recent 9 years in Lijiang City, Yunnan Province, and use statistical methods to analyze and diagnose the causes of rainstorm disasters. The results show that: 1) rainstorm disasters in Lijiang mainly occur from May to October every year, especially in July; 2) the northwest of Huaping County, Lijiang City is the area with frequent and severe rainstorm disasters; 3) the rainstorm disaster can be divided into two types: the convective heavy precipitation caused by the mesoscale rain cluster and the continuous precipitation participated by the mesoscale rain cluster, especially the convective precipitation; 4) when any one automatic rainfall station in Lijiang has convective short-term strong precipitation of more than 29.4 mm/h or R6 ≥ 34.2 mm precipitation at any one station in more than two counties (districts), the relevant rainstorm warning will be issued, with an average advance of 7.1 hours. This critical index is used to conduct daily inspection from May to October 2022, and the effect is good.

1. 引言

暴雨造成的洪涝和泥石流、山体滑坡、崩塌等地质灾害是一种严重的气象灾害，给全世界各国人民的生命和财产造成了严重的威胁，因而是国内外气象预报预警中的重之重。目前，随着气象科学技术及相关领域的飞速发展，对暴雨过程预报水平有了显著的提高，特别是随着数值预报技术的显著提高，近年来10天以内的天气过程预报水平有了实质性的飞跃，但由于世界各国地形地貌的特殊性给暴雨落点的精准度离我们预期还有很大的差距，即：目前世界各国对暴雨落点的预报还有很大的难度，这就需要我们的预警技术弥补。对暴雨灾害的预警技术，国内外也投入了大量的先进的监测设备并借助计算机和互联网等先进手段研制了多种预警业务系统，并在防灾减灾的实际工作中取得了显著的成效。但也还存在很多的不足，如预警提前量不足，预警频发造成空报现象较多，给我们的防灾减灾工作带来了一些被动，浪费了大量的人力、物力和财力。就目前而言，我市气象部门已建立了127个自动气象观测站，全省已建立了上千个自动气象观测站，已建立了全国气象息信综合分析应用系统(MICAPS系统)、云南智能预警业务平台、云南气象APP等先进的业务系统，对气象灾害预报预警起到了核心的作用，也是我国成为气象大国、气象强国、气象现代化的重要标志。

近年来，云南气象工作者对引起云南暴雨灾害的天气系统进行了整理和详尽的分析 ‎[1] - ‎[6] ，对云南暴雨灾害的认识及提高暴雨预报准确率起到了积极的作用；同时，随着观测手段增加和高分辨率模式发展，从中尺度甚至更小尺度认识暴雨、强对流等强对流天气事件的可预报性引起了更多的关注 ‎[7] ，对云南暴雨模拟研究也取得了一些成果 ‎[8] ‎[9] ‎[10] ‎[11] ‎[12] 。但关于如何做好暴雨灾害预警的研究及相关文献目前并不多见，特别是用自动气象站降水量数据作预警的研究及暴雨灾害的历史数据作时空分布研究、暴雨灾害的气象成因等研究在省内甚至国内未发表相关论文，因而本文的研究对提高我市乃至我省及我国暴雨灾害预警水平的提高具有重要业务价值和现实意义。

本文使用文献 ‎[13] 的思路及方法，应用1981~2021年近41年丽江市暴雨灾情资料，特别是近9年完整的自动雨量站资料及闪电定位资料，分析丽江市暴雨灾害的时空分布特征和暴雨灾害的直接成因，并提炼出丽江市暴雨灾害的本地化降水量预警指标，以期提高我市暴雨灾害的预警准确率和预警效果。

2. 资料和方法

2.1. 资料

1981~2000年的丽江市洪涝灾情数据采用文献 ‎[14] 所记载的灾情资料；2001~2021年的洪涝灾情数据采用丽江市民政局提供的《灾情快讯》中核报数据及中国气象局气象灾害管理系统(气象内网) (http://10.1.64.146/disaster/index)中的核报数据；2013~2021年自动雨量站及闪电定位数据采用云南省气象台Wfois.YN (2020)系统上的数据。

2.2. 方法

Figure 1. Impact of mesoscale rain masses in Tianping, Huaping County, Lijiang City, during the night of 2015-9-15 for extraordinarily heavy rainfall (a) at 22:00 on the 15th; (b) at 23:00 on the 15th; (c) at 01:00 on the 16th; (d) at 02:00 on the 16th

图1. 2015-9-15日夜间丽江市华坪县田坪特大暴雨的中尺度雨团影响情况(a) 15日22时；(b) 15日23时；(c) 16日01时；(d) 16日02时

1) 使用1981~2021年的灾情数据统计出丽江市暴雨灾害的时间分布特征，作为暴雨灾害预警的气候背景。使用2013~2021年的灾情资料及自动雨量站的数据构建暴雨灾害指数K，根据K值使用ArcGis软件绘制出丽江市暴雨灾害的空间分布图。K值计算公式如下：

$K=\frac{1}{\mu }\cdot {\displaystyle \sum Ri}\left(\text{i}=\text{1},\cdots n\right)$ (1)

其中n表示某个乡镇某个自动雨量站出现暴雨灾情的次数；Ri表示出现第i次暴雨灾情时某个自动雨量站的24小时降水量值，单位：mm；µ = 50.0 mm。K值(无量纲)的物理意义为：某个乡镇某个站点暴雨灾情出现的次数越多，对应的累计暴雨量值越大，则K值就越大，就越有可能成为暴雨灾害的多发区、易发区和重灾区，这样通过K值的不同大小就可绘出暴雨灾害指数的空间分布状况。目前因丽江市自动雨量站仅为137个，无法满足全境绘图，因而采用降水量等值线内插的办法进行了处理。

2) 暴雨的时空分布特征能反映丽江市暴雨灾害的时空特点，分析暴雨灾害的时空变化规律是做好预警的基础性工作。本文分析的重点是找出丽江市主要降水过程中有预兆暴雨出现的短时或累计降水量临界值，以便在保证暴雨预警准确率的基础上增大暴雨预警的提前量。众所周知，暴雨是强对流天气的产物，是中尺度雨团多次影响的结果 ‎[15] ‎[16] ，同时暴雨又是较长时间持续降水的结果 ‎[17] 。因此，通过分析自动站逐小时雨量数据，特别是分析中尺度雨团和10.0 mm/h以上的短时雨强数据(次数)，以及闪电定位数据，寻找暴雨灾害发生的对流性特征、中尺度雨团影响特征、连续中等强度降水特征，及其与前兆雨团活动的先后关系，就可确定丽江市暴雨预警的小时雨量值。下面给出两个特例来说明利用前兆雨团来预警暴雨灾害的可行性。

特例1 ‎[13] ：图1是丽江市华坪县历史上最大洪涝灾害过程的中尺度雨团影响变化过程。由图可见，2015年9月15日晚22时(图1(a)) 25.0 mm/h以上的中尺度雨团影响田坪，田坪中心雨量达69.1 mm/h；23时(图1(b)) 25.0 mm/h以上的中尺度雨团继续影响田坪，田坪中心雨量达72.9 mm/h；16日01时(图1(c)) 25.0 mm/h以上的中尺度雨团继续影响田坪，田坪中心雨量达51.0 mm/h；16日02时(图1(d)) 50.0 mm/h以上特强雨团再次影响田坪，田坪中心雨量高达83.6 mm/h。受4次超强雨团影响，24小时过程雨量达285.7 mm，出现历史上超大洪灾，直接经济损失高达30,083.1万元。此次过程完全由伴有强对流(对应有大片正负闪电)的4次超级中尺度雨团影响而造成，雨团总降水量276.6 mm，占总过程雨量的96.8%。如果第1次雨团影响时便发布暴雨预警，至少可提前1小时。所以，根据中尺度雨团影响初期强降水出现来预警，可达到较好的暴雨预警效果。

特例2：图2是丽江市华坪县雾坪水库因连续性长时间较强降水引发洪涝、泥石流、山体滑坡灾害过程的逐小时雨量图。由图可见，2013年7月19日，受较强冷空气影响，华坪县雾坪水库出现未伴有对流(雷暴)的连续性降水过程，7月19日20时开始到20日20时连续24小时出现0.3 mm/h以上的较强降水，其中还伴有9次10.0 mm/h以上中尺度雨团，24小时过程雨量达166.0 mm，造成了严重洪涝、泥石流、山体滑坡灾害，成为丽江近9年最大的特大暴雨之一，仅次于上述田坪大暴雨。但此次大暴雨与田坪大暴雨明显不同之处是，田坪大暴雨是以伴有对流性超级雨团所致，而本次是非对流性的连续性长时间降水所致(无正负闪电)。同样地，只要抓住过程前逐小时连续降水的特征，也可提前发布暴雨预警。本文通过大量历史个例的分析可得出，两个区(县)以上站点在无对流情况下R6 ≥ 34.2 mm可作为丽江市连续降水造成暴雨灾害的预警标准。

Figure 2. Hourly rainfall of continuous precipitation (20 h~20 h) at Wuping Reservoir, Huaping County, on 2013-7-19

图2. 2013-7-19日华坪县雾坪水库连续性降水(20 h~20 h)的逐小时雨量

3. 结果与讨论

3.1. 丽江市暴雨灾害的时空分布特征

使用1981~2021年近41年丽江市洪涝灾情数据资料，统计出暴雨灾害的时间分布特征，见图3。由图3可见，丽江市暴雨造成的洪涝灾害以7月最多，共63次；其次为8月，共62次；再次为6月，共39次；10月及5月最少分别为5次和3次。引发的地质灾害(滑坡、泥石流等)则以7月最多为13次；8月次之为10次；再次为9月和6月，分别为6次和5次；5月和10月最少为各为1次。总体而言，洪涝灾害多于地质灾害，暴雨造成洪涝灾平均每年约5.1次，地质灾害平均每年约0.9次。

Figure 3. Temporal distribution of the frequency of heavy rainfall disasters in Lijiang City (1981~2021)

图3. 丽江市暴雨灾害频次数的时间分布图(1981~2021年)

使用2013~2021年近9年丽江市灾情数据及自动雨量站降水数据，应用公式(1)可计算出暴雨灾害指数K及其趋势分区图(丽江市暴雨灾害的空间分布特征图)，见图4所示。由图可见，丽江市东部及西南部分地区是暴雨灾害普发区和多发区，华坪县西北部以田坪为中心，是丽江市暴雨灾害的易发区和频发区(重灾区)，而中部以西则为少发区。对多发区、易发区和和频发区防御对策上一是积极维修和改造现有的各种水利工程和防防洪工程，大力兴修中、小型水库和排水沟工程，提高抗洪(涝)防洪(涝)能力，二是千方百计搞好陡坡耕地退耕还林、缓坡耕地“坡改梯”和荒山荒坡绿化造林，努力提高植被覆盖率和水土保持水平，大幅度减少地表径流，从而有效减少和减轻洪涝灾害 ‎[18] 。

Figure 4. Spatial distribution of heavy rainfall disasters in Lijiang City (2013~2021)

图4. 丽江市暴雨灾害的空间分布图(2013~2021年)

3.2. 丽江市暴雨灾害的降水成因分类

使用2013~2021年近9年丽江市灾情数据和自动雨量站降水数据及闪电定位数据分析可知：

1) 丽江市暴雨灾害事件数的40.7% ( $24/59$ )是由24小时降水量在100.0 mm以上的大暴雨或特大暴雨造成，而24小时降水量在50.0 mm~99.9 mm暴雨造成的灾害事件数占32.7% ( $16/49$ )，说明大暴雨、特大暴雨及暴雨是丽江市暴雨预警的重中之重；另外有9个灾害个例(占18.4%)过程降水量仅达到大雨(25.0 mm~49.9 mm)标准，表明由于特殊的地形地貌大雨也可能造成洪涝灾害(主要是玉龙县、永胜县及宁蒗县为主)，因而在暴雨预警也要引起重视。

2) 闪电是强对流活动中的重要天气现象，往往伴随着对流云团的发生、发展与消亡 ‎[19] 。闪电活动与强降水具有很好的对应关系、闪电频数和地闪的位置分布与观测的风暴降水结构相关、负闪比例越大降水越强、负地闪密集区位于雷达强回波核前方一定强度的区域处、地闪频数峰值提前于降水峰值等现象 ‎[20] ‎[21] ‎[22] 。据统计，在暴雨过程中伴有闪电(雷暴)的灾害事件占69.5% ( $41/59$ )，未伴有闪电(雷暴)的占30.5% ( $18/59$ )，表明丽江市暴雨灾害以对流性降水为主，连续性降水引发的占三成左右。

3) 暴雨灾害事件中夜间暴雨(80.0%以上的降水集中在夜间)占61.0% ( $36/59$ )，白天为主的暴雨(80.0%以上的降水集中在白天)仅占8.5% ( $5/59$ )，包括白天和夜间的占30.5% ( $18/59$ )。表明暴雨灾害大多发生在夜间，预防难度大，暴雨预警最好在白天提前发布。

4) 对雨团的定义是研究暴雨中尺度特征的基础，吴家富等 ‎[23] 在研究闽西北前汛期雨团时根据雨强定义雨团，即将雨团定义为单站1 h降水量 ≥ 10.0 mm。本文定义任一自动雨量站1小时雨量 ≥ 10.0 mm的降水为一次中尺度雨团影响过程。定义自动雨量站连续6 h以上 ≥ 0.1 mm/h为一次连续性降水过程。以此标准分析得到：丽江市暴雨灾害事件中95.1% ( $39/41$ )的对流性暴雨及88.9% ( $16/18$ )的连续性暴雨伴有10.0 mm/h以上中尺度雨团影响；87.8% ( $36/41$ )的对流性暴雨及27.8% ( $5/18$ )连续性暴雨伴有20.0 mm/h以上强中尺度雨团影响；68.3% ( $28/41$ )的对流性暴雨及22.2% ( $4/18$ )连续性暴雨伴有30.0 mm/h以上超强中尺度雨团影响。对24小时降水过程的总贡献对流性暴雨雨团累计雨量占一半以上的达80.5% ( $33/41$ )，连续性暴雨的占比也达38.9% ( $7/18$ )，表明中尺度雨团影响是丽江暴雨灾害的一个重要气象成因，而且强或超强中尺度雨团影响是丽江市对流性暴雨灾害的显著特征，因此，只要抓住过程前的强或超强中尺度雨团，就可作提前预警。另据统计：对流性暴雨6 h以上 ≥ 0.1 mm/h连续降水时间平均为10.1小时，而无对流参与的暴雨6 h以上 ≥ 0.1 mm/h连续降水时间平均达18.6小时，因此，只要抓住首次连续性累计降水量，也就可以对连续性降水造成暴雨灾害提前预警。

3.3. 丽江市暴雨灾害的预警临界值及应用检验

Table 1. Day-by-day test of the application effect of the indicators of this paper on rainstorm warning in Lijiang City in 2022

表1. 丽江市2022年本文指标暴雨预警应用效果逐日检验情况

注：① TS为预警正确次数与预警总次数的比值；② 预警时间提前量为平均值。

根据上述丽江市暴雨灾害的降水成因分类，可以得出：只要出现首个中尺度强或超强对流雨团及首次连续性累计降水，就可对暴雨灾害提前预警。据暴雨灾害的历史个例统计，当丽江市境内的任一自动雨量站出现以29.4 mm/h以上雨强，或2个区(县)以上的任意一个站点出现R6 ≥ 34.2 mm降水时，即可作出暴雨蓝色预警(达到蓝色预警标准后再次出现超强雨团可考虑发布暴雨黄色预警)，历史拟合率为96.1%，暴雨灾害预警的时间提前量平均为7.1 h。使用该预警指标对2022年主汛期逐日检验情况见表1，暴雨预警准确率达78.3%，提前量达5.7 h，取得较好的效果。需特别说明的是，本方法漏报率较少(单点性暴雨漏报2次)，因而能最大限度提高预警的服务水平。在实际预警中还要参考天气实况背景、数值预报、卫星云图、雷达回波等资料的综合分析诊断，因而实际效果会更好，特别是省气象台发布了强降水天气预报的情况下，使用本预警指标效果将更好。

4. 小结

使用云南省丽江市暴雨灾情资料和自动雨量站及闪电定位资料，通过构建暴雨灾害指数和深入分析，得出如下结论：

1) 丽江市暴雨灾害主要发生在5~10月，暴雨造成的洪涝灾害以7月最多，8月、6月次之，10月、5月为最少。暴雨造成洪涝灾平均每年约5.1次，暴雨造成地质灾害平均每年约0.9次。

2) 丽江市东部及西南部分地区是暴雨灾害普发区和多发区，华坪县西北部以田坪为中心，是丽江市暴雨灾害的易发区和频发区(重灾区)，而中部以西则为少发区。

3) 丽江市暴雨灾害事件数的40.7%是由24小时降水量在100.0 mm以上的大暴雨或特大暴雨造成，而24小时降水量在50.0 mm~99.9 mm暴雨造成的灾害事件数占32.7%，说明大暴雨、特大暴雨及暴雨是丽江市暴雨预警的重中之重；另外有9个灾害个例(占18.4%)过程降水量仅达到大雨(25.0 mm~49.9 mm)标准，表明由于特殊的地形地貌大雨也可能造成洪涝灾害，因而在暴雨预警也要引起重视。

4) 伴有对流的中尺度雨团和伴有中尺度雨团的连续性降水是造成丽江市暴雨灾害的两个主要直接原因。当境内出现29.4 mm/h以上对流性雨强，或2个区(县)以上的任意站点出现R6 ≥ 32.6 mm降水的非对流性时应发布暴雨的相关预警。此指标经检验预警效果较好，可应用于日常业务。

基金项目

云南省气象局基层台站气象科技创新与能力提升计划项目(STIAP202250)、云南省丽江市科技计划项目(2022LJSHFZ003)和丽江市气象局科技创新项目(LJQXKJCX-2022-01)共同资助。

参考文献

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。