陇东气象灾害预警信号特征分析

韩 晶,刘 翔,赵玉娟,张 峰

(甘肃省庆阳市气象局,甘肃 庆阳 745000)

中国是世界上受自然灾害危害最严重的国家之一,近年来自然灾害造成的经济损失呈明显上升趋势[1-2],在各种自然灾害中,气象灾害发生频率最高,危害也较大[3-4]。突发性强的气象灾害天气过程,如局地性大暴雨、大风、冰雹和雷暴等,因其过程尺度小、生命周期短而难以预报和防范,会对人民的生命财产和生产活动,尤其是农业生产带来很大危害[5-6]。为了防御和减轻气象灾害损失,我国气象部门开展了“气象灾害预警信号”业务,通过向政府和社会发布预警信号,提醒政府开展防灾减灾工作、公众及时进行避险自救[7]。《气象灾害预警信号发布与传播办法》中规定“预警信号是指我国各级气象主管机构所属的气象台站向社会公众发布的气象灾害预警信息,并对预警信号的标准做出了规定”[8]。随着突发性灾害天气造成的损失与日俱增,气象灾害预警信号显得格外重要,其准确、及时发布更是非常关键[9-10]。

庆阳市位于甘肃省陇东,属黄土高原沟壑区,北邻毛乌苏沙漠,西靠六盘山,东接子午岭,辖环县、华池县、庆城县、镇原县、合水县、宁县、正宁县和西峰区七县一区,地形复杂,坡地极多,土质疏松,植被稀少,辖区内各县区气候互有差异,降雨量南多北少。同时,庆阳地区又素有陇东粮仓之称,经济以农业为主,农业生产及生活受天气气候条件的影响严重[11]。种种气候特征导致庆阳市属气象灾害多发、频发区,一旦发生气象灾害将会对庆阳市农作物经济造成巨大损失。

在庆阳市,预警信号已经不仅是气象部门内部及地方政府部门应急的指令,也在气象灾害应急工作中发挥了巨大的作用[12],客观、定量地分析其发布情况和预警质量,对于发现和改进气象灾害预警工作中的不足,推动气象灾害预警向更加科学、有效的方向发展,进而对增强气象防灾减灾能力有重要的指导和参考意义[13]。就目前而言,庆阳市在预警信号发布方面的研究相对较少,使用较长时段资料进行统计分析的相关文献更是欠缺。研究在介绍庆阳市预警信号发布现状的基础上,利用2013—2018年庆阳地区预警信号资料对其发布的时空分布特征、发布频次以及准确率等情况进行统计分析,以期改进和完善庆阳市预警信息发布工作,及时向公众发布预警信息,提高预警能力和预警质量,把灾害性天气造成的损失降到最低[14-15],为当地防灾减灾工作提供指导和参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源与分类

研究选取2013—2018年庆阳市的预警信号发布资料,对地市和县级气象台重复或重叠发布的预警信号进行剔除。应用分类数理统计方法,分析其时空分布、等级分布、发布频次及准确率等特征。

根据《甘肃省气象灾害预警信号发布业务实施细则》,气象灾害预警信号主要有暴雨、暴雪、寒潮、大风、沙尘暴、高温、干旱、雷电、冰雹、霜冻、大雾、霾、道路结冰13类,依据气象灾害可能造成的危害和紧急程度划分为4级:Ⅳ级(一般)、Ⅲ级(较重)、Ⅱ级(严重)、Ⅰ级(特别严重),依次用蓝、黄、橙、红4种颜色表示[16-17]。其中暴雨、暴雪、寒潮、大风分蓝黄橙红4个等级,高温、雷电、大雾、沙尘暴、道路结冰分黄、橙、红3个等级,霜冻分蓝、黄、橙3个等级,干旱、冰雹分橙、红2个等级,霾分黄、橙2个等级。雷电和冰雹的预警信号是定性标准,其余预警信号均为定量标准。因庆阳市的地域条件和天气特点,沙尘暴、干旱预警信号不常发,霾预警信号从近两年才开始发布且庆阳市不常见,故以上3类不计入统计。

1.2 数据处理方法

数据处理采用常规数理统计方法,并用Excel、Surfer等软件进行统计分析和画图处理。

2 气象灾害预警信号分布特征

2.1 类别分布

2013—2018年庆阳市各类预警信号分布见图1。分析图1可知,近6年主要发布的预警信号有暴雨、暴雪、寒潮、大风、高温、雷电、冰雹、霜冻、大雾、道路结冰10类。其中雷电预警信号发布次数最多,达237次,占24.7%;其次是大雾预警信号203次,占21.2%;暴雨预警信号123次,占12.8%;道路结冰预警信号120次,占12.5%;大风预警信号78次,占8.1%;冰雹预警信号72次,占7.5%;高温预警信号50次,占5.2%;寒潮预警信号38次,占4.0%;霜冻预警信号32次,占3.3%;最少是暴雪预警信号,仅6次,占0.6%。可见,暴雨、雷电、大雾和道路结冰是庆阳市发布的预警信号中较多的几类。

图1 2013—2018年庆阳市各类预警信号分布Fig.1 Distribution map of various warning signals from 2013 to 2018 in Qingyang City

2.2 年际分布

2013—2018年庆阳市预警信号整体分布情况见图2。由图2可知6年间累计发布预警信号959次,年均发布160次,每年均在百次以上,2014年及以前,年发布次数均低于平均值,2014年以后,年发布次数均高于平均值。其中2015年发布的预警信号最多,为195次,其次是2016年170次,2017年169次,2018年166次,2014年134次,2013年最少,为125次,与最多的2015年相差70次。这是因为随着对气象灾害的认识和监测预警技术的提高,预警信号的发布越来越精细化。

图2 2013—2018年庆阳市预警信号发布次数趋势Fig.2 Trend chart of early warning signal releasing frequencies from 2013 to 2018 in Qingyang City

2013—2018年庆阳市气象灾害预警信号年分布特征见图3。由图3可知各类预警信号发布次数有增有减,但大部分预警信号还是呈现出随着年份增加的趋势,尤其是暴雨、高温、冰雹6年间发布次数相差较大。不同类型预警信号发布数量的差异,与相应天气发生的特点以及各类预警信号的预警标准密切相关。其中雷电预警信号发布次数是其他预警信号的1～39倍,而且整体呈现出明显的上升趋势,这是因为近年来自动站网布设加密,监测面更广更密,再加上预报员预警发布技巧日趋熟练,使小尺度的雷电过程得到了更精准的识别和研判;寒潮、大风、霜冻等预警信号增加率不明显,是由于这几类灾害性天气与当地气候特征和区域地形地貌有直接关系,而气候、地形地貌相对稳定少变。

图3 2013—2018年庆阳市预警信号年分布Fig.3 Annual distribution map of warning signals from 2013 to 2018 in Qingyang City

2.3 季节分布

2013—2018年庆阳市预警信号季节分布特征见图4。由图4可知,暴雨预警信号发布在春夏秋季,夏季发布次数最多,占89.4%;暴雪预警信号发布在春秋冬季,主要在冬季,占66.7%;寒潮预警信

图4 2013—2018年庆阳市各类预警信号季节分布Fig.4 Seasonal distribution map of various warning signals from 2013 to 2018 in Qingyang City

号发布在春秋冬季,冬季最多,占39.5%,各季节分布相对均匀;大风预警信号一年四季均有发布,春季居多,占56.4%;高温预警信号仅发布在夏季;雷电、冰雹预警信号均发布在春夏秋季,夏季最多,分别占79.7%、84.7%;霜冻预警信号仅出现在春季;大雾预警信号一年四季均有发布,秋季最多,占46.8%,夏春季次之,冬季最少;道路结冰预警信号发布在春秋冬季,冬季最多,达85%。这与相应灾害性天气发生的季节性密切相关。

2.4 等级分布

2013—2018年庆阳市预警信号发布等级分布特征见图5。由图5可知不同预警信号发布等级不尽相同。寒潮、大风预警信号全部为蓝色,雷电预警信号全部为黄色,冰雹预警信号全部为橙色,暴雪、霜冻预警信号集中在蓝色,暴雨、大雾、道路结冰预

图5 2013—2018年庆阳市气象灾害预警信号等级分布Fig.5 Degree distribution map of warning signals of meteoro-logical disasters from 2013 to 2018 in Qingyang City

警信号集中在黄色,高温预警信号集中在橙色。暴雨预警信号涉及4种等级,其中蓝色、黄色在暴雨预警信号总数中占72%;高温、大雾、道路结冰预警信号涉及黄、橙2种等级,其中高温橙色在高温预警信号总数中占62%,大雾黄色在大雾预警信号总数中占97%,道路结冰黄色在道路结冰预警信号总数中占93%;暴雪、霜冻预警信号涉及蓝、黄2种等级,其中暴雪蓝色在暴雪预警信号总数中占83%,霜冻蓝色在霜冻预警信号总数中占88%。

造成庆阳市预警信号各级别发布数量差异的原因主要有:低级别灾害明显多于高级别灾害,且各类预警等级不一致;七县一区的地势地貌不尽相同,同类别灾害性天气的预警标准在川道和塬区所造成的影响也不尽相同,从影响程度分析,川道地区低级别灾害性天气预警可能会高于塬区高级别灾害性天气预警[18];在实际预警信号发布中,当预测未来有可能升级预警信号级别时,考虑危害程度,直接按可能产生的最高级别预警标准发布。

2.5 空间分布

对庆阳市10类常用的预警信号(暴雨、暴雪、寒潮、大风、高温、雷电、冰雹、霜冻、大雾、道路结冰)进行统计分析,运用Surfer绘图软件绘制得到相应空间分布图(见图6～图13)。

2013—2018年庆阳市预警信号发布数量的空间分布见图6。由图6可知,预警信号发布数量总体呈东多西少的态势,发布数量较多的为华池县、庆城县、合水县、宁县,最多的为正宁县784次,最少的为镇原县636次。以下重点分析发布总数排在前五(雷电、大雾、暴雨、道路结冰、大风)以及致灾较强(冰雹、霜冻)的预警信号空间分布特征。

图6 庆阳市预警信号发布总次数空间分布Fig.6 Spatial distribution of total degree of warning signals in Qingyang City

从图7～图13可以看出,庆阳市2013—2018年不同预警发布次数的分布态势有所不同,且差异较大。

图7 庆阳市雷电预警次数空间分布Fig.7 Spatial distribution of lightning of warning signals in Qingyang City

图8 庆阳市大雾预警次数空间分布Fig.8 Spatial distribution of fog of warning signals in Qingyang City

图9 庆阳市暴雨预警次数空间分布Fig.9 Spatial distribution of rainstorm of warning signals in Qingyang City

图10 庆阳市道路结冰预警次数空间分布Fig.10 Spatial distribution of road icing of warning signals in Qingyang City

图11 庆阳市大风预警次数空间分布Fig.11 Spatial distribution of gale of warning signals in Qingyang City

图12 庆阳市冰雹预警次数空间分布Fig.12 Spatial distribution of hail of warning signals in Qingyang City

图13 庆阳市霜冻预警次数空间分布Fig.13 Spatial distribution of frost of warning signals in Qingyang City

由图7可知,雷电预警信号的发布呈东多西少的态势,其中合水县最多,达204次,镇原县最少,为170次,庆阳市雷电预警信号发布中心主要集中在东南部,其他县区雷电预警分布相对零散。雷电为庆阳市汛期较为常见的天气过程,故预警信号发布次数始终是预警信号中最多的。

由图8可知,大雾预警信号的发布呈东多西少的态势,其中正宁县为大雾易发区,发布次数最多,6年间发布了180次,环县最少,仅为71次,分布具有明显的地域差别。大雾预警发布区域与实况大雾发生基本一致,服务效果较好。大雾预警信号现状为提前预警时间短,极大多数表现为实况预警,很少出现预报预警,因而其预警技术仍需加强。

由图9可知,暴雨预警信号的发布呈东北多西南少的态势,其中华池县最多,发布次数为82次,西峰区最少,为56次。庆阳市暴雨的地理分布呈现自东北向西南减少的特点,东北部受林区影响,降水较为频繁,特别是区域性的暴雨频次较高。虽然西南部暴雨频次相对较少,但暴雨的致灾性严重,如果延误了发布时机,就会降低发布的效果[19]。

由图10可知,道路结冰预警信号的发布区域性不明显,整体分布较为均匀,其中西峰区最多,为117次,华池县最少,为109次。道路结冰在庆阳市有明显的季节性,只发生在冬半年温度较低的情况下,但却是至关重要的预警信号之一,在冬季有降雪的情况下会造成大片路面结冰,对交通影响较大。

由图11可知,大风预警信号的发布呈现中西北部多南部少的态势,其中西峰区、庆城县预警信号发布次数最多,为78次,合水县、宁县、正宁县最少,为75次,整体而言,发布次数较为接近。这是因为寒潮影响范围较广,庆阳各县区的差别不明显。

由图12可知,冰雹预警信号的发布呈现西北多于东南的态势,其中华池县最多,为49次,西峰区最少,为23次,分布具有明显的地域差异。冰雹过程在庆阳发生的相对频次较少,故预警信号发布次数也不太多,但冰雹过程致灾性较强,预警信号的发布十分重要。雷电、冰雹均属于强对流天气过程,此类天气虽然影响范围比较小、时间短,但突发性强、强度大,常导致灾害发生[20],当看到对流系统将要进入本地区时,气象预报人员必须提前发布强对流预警信号予以警示。

由图13可知,霜冻预警信号的发布呈现北多南少的态势,其中环县、华池县、庆城县最多,为32次,西峰区最少,为16次。霜冻灾害直接体现在农业上,对于农业而言,有效的预警时间通常为一周,所以霜冻预警更重要的是预警时间的提前量,应尽早通过各种渠道传送到最有可能受灾的地域群体中。

3 气象灾害预警信号质量检验

采用2013—2018年预警信号评价资料进行分析,根据《气象灾害预警信号质量检验办法(试行)》进行预警信号的质量检验,其内容包括准确性和时效性[21-24]。

(1) 准确性检验指标为TS评分,其计算公式为

其中:NAk为预报正确次数;NBk为空报次数;NCk为漏报次数;k=1～4,代表预警信号级别,分别为蓝色、黄色、橙色、红色。

(2) 时效性检验指标为预警信号时间提前量,其计算公式为

C=B-A,

其中:A为预警信号的发布时间;B为与预警信号对应的灾害性天气实况出现时间。

通过对庆阳市2013—2018年预警信号服务质量进行统计分析发现(见表1):预警信号TS评分和提前时间均呈增加趋势,各类气象灾害预警信号准确率总体水平达到了85.1%,提前时间达到了172.5 min。从预警信号的发布准确率看,庆阳市对预警信号的把握和发布较为准确,其中高温预警、寒潮预警、霜冻预警由于天气特点及预报的难易程度等原因,发布时间上的提前量较为明显,而暴雨、雷电、冰雹预警发布多属于过程预警和实况预警,时间提前量较低。

表1 2013—2018年庆阳市预警信号质量检验统计

4 结论

通过分析庆阳市2013—2018年常发灾害性预警信号发布资料,得出以下结论:

(1) 庆阳市主要发布的预警信号有暴雨、暴雪、寒潮、大风、高温、雷电、冰雹、霜冻、大雾、道路结冰10类。其中雷电预警信号发布次数最多,其次分别是大雾、暴雨、道路结冰、大风、冰雹、高温、寒潮、霜冻预警信号,最少是暴雪预警信号。

(2) 预警信号年发布次数以2014年为分界点,之前均低于平均值,之后均高于平均值,其中2015年发布次数最多,2013年最少。

(3) 多数预警信号发布次数整体呈现出随着年份增加的趋势,尤其是暴雨、高温、冰雹6年间发布次数相差较大,雷电预警信号发布次数明显高于其他类别预警信号,呈明显上升趋势,而寒潮、大风、霜冻等预警信号增加率不明显。

(4) 暴雨、雷电、冰雹预警信号夏季发布次数最多;暴雪、寒潮、道路结冰预警信号冬季发布最多;大风预警信号春季发布居多;大雾预警信号秋季发布最多;高温预警信号仅发布在夏季;霜冻预警信号仅出现在春季。

(5) 发布的预警信号级别中,寒潮、大风全部为蓝色,雷电全部为黄色,冰雹全部为橙色,暴雪、霜冻集中在蓝色,暴雨、大雾、道路结冰集中在黄色,高温集中在橙色。

(6) 预警信号发布总数空间上总体呈东多西少的态势,发布数量较多的为华池县、庆城县、合水县、宁县。预警信号发布次数中,雷电、大雾均是东多西少;暴雨东北多西南少;道路结冰区域性不明显;大风中西北部多南部少;冰雹西北多于东南;霜冻北多南少。

(7) 预警信号TS评分和提前时间均呈增加趋势,各类气象灾害预警信号准确率总体水平达到了85.1%,提前时间达到了172.5 min。

(8) 由于预警信号统计样本较少,准确性和时效性规律特征不是非常明显,随着样本数量的增加可以作进一步的统计分析。实际工作中还应该逐步提高预报和分析判断能力,结合气象灾害分布特征掌握好预警信号发布的时机,做好预警信号发布工作。