一种基于事后对照预警的地质灾害气象预警效果评价模型探讨

刘云，高薇

(江西省矿产资源保障服务中心，南昌 330025)

我国是世界上地质灾害最严重的国家之一。在我国现有的经济和技术条件下，不可能对所有的地质灾害隐患点开展专业监测预警、实施治理工程或搬迁避让，因而地质灾害气象预警不失为一种宏观层面简单、经济、有效的重要防灾减灾手段。

随着地质灾害气象预警工作的开展，需要建立预警效果的评价标准和方法，而目前该类方法和模型较少[1]。近年来参照气象预报、地震预报评价的一些方法[2-4]，探讨性的提出了命中率、漏报率、空报率、准确率等评价概念[1，5]。但上述方法均是基于有较多地质灾害发生的条件，具有一定的统计学意义，却难以适用于地质灾害偶发的、较小空间尺度或较低等级预警的效果评价。根据查阅近年有关的预警效果评价数据，亦多为大空间尺度或高等级预警的评价[1，6-7]，也有较小空间尺度预警在地质灾害样本不足的情况下，通过拉长时间尺度，以累积的数量用于效果评价[8]。按照现有评价方法，即使大至国家级[1]和省级预警[9]，仍有较大概率出现空报或准确率为零的评价结果。依托于国家级和省级地质灾害气象预警，相应区域的市、县级一般也会发布更为细化的预警信息。基于空间范围小或局部预警等级低，市、县级预警则往往大概率出现空报或准确率为零的评价结果。在地质灾害“十防九空”的大背景下，评价结果完全忽视了“九空”的积极意义和真实防灾减灾效果。这样的评价结果显然是不恰当的。

本文在前人研究的基础上，跃过现有预警效果评价中有无地质灾害发生、空间尺度和预警等级等限制，提出一种普适型的地质灾害预警效果评价模型。并以江西省2019年第26期省级地质灾害气象预警进行了试算。

1 模型概况

1.1 原理

地质灾害气象预警产品(以下简称“预警产品”)由空间范围、强度等级和时间跨度3个基本要素构成。预警过程结束后，根据已知的降雨范围、降雨强度和时间，对照(重叠)区域地质环境背景条件，及参考地质灾害发生的时间、数量、规模、灾损等，从空间、强度和时间3个维度重新构建一份事后理想的对照预警产品(以下简称“对照产品”)，并以此为标准参照，将发布的预警产品与对照产品从3个维度进行叠加和耦合程度分析，由此计算预警产品的准确率。

1.2 预警值概念

为反映预警产品的规模体量，引入预警值的概念。根据预警产品3个构成要素(空间、强度、时间)，预警区空间范围越大，强度等级越高，时间跨度越长，预警产品的规模体量则越大，反之则越小。因此，考虑预警值公式表达如下：

(1)

式(1)中，V表示预警产品的预警值；Si表示预警区中第i区块的空间面积，常以km2为单位；Qi表示预警区中第i区块的预警强度指数，可以根据预警等级指数取值或按分级等差取值；T表示预警时间长度,可用d或h为单位。

根据模型原理，评价模型有3个计算预警值：预警产品预警值(V′)、对照产品预警值(V″)，及两者重叠区预警值(Vd)。

1.3 准确率计算

(1) 综合准确率

根据模型原理，重叠区预警值(Vd)与对照产品预警值(V″)的比值(Vd/V″)直接反映了预警产品与对照产品在空间、强度、时间3个维度的综合耦合程度，是预警准确率的直接反映。但该比值(Vd/V″)有一个缺陷，即对预警产品重叠区之外区域的空间范围和强度等级，及整体时间跨度没有约束。如预警产品通过人工干预，不必要的扩大预警区域、提高预警等级或延长预警时段，甚至极端的将空白区全部赋上频率最高的预警等级(如黄色预警)等情况，对Vd/V″却没有影响，反而当实际情况发生时间和空间的偏移、灾险情在预料之外时，还有助于提升Vd/V″值。为此，引入一个控制因子Vd/V′。Vd/V′有两个作用，一是反映重叠区在预警产品中的占比，反映其自身的耦合程度，二是约束预警产品的时间、空间和预警等级，防止不必要的扩张。综合准确率公式表达如下：

(2)

(2) 单项准确率

分为空间、强度、时间3个单项准确率。

① 空间准确率。指预警产品与对照产品在空间分布形态上的耦合程度。从式(2)P综的计算中略去强度和时间要素(假定强度和时间处于均质相等状态，取值均为1)，得到空间准确率计算公式如下：

(3)

式(3)中，P空表示预警产品的空间准确率;S′表示预警产品预警区的总面积;S″表示对照产品预警区的总面积；Sd表示重叠区的面积。

② 强度准确率。参照空间准确率计算方法，从式(2)P综中略去空间和时间要素，得到强度准确率计算公式如下：

(4)

式中，P强表示预警产品的强度准确率;Q′表示预警产品各个预警区块的强度值之和;Q″表示对照产品各个预警区块的强度值之和;Qd表示重叠区各个预警区块的强度值之和。其中，预警区块以重叠分割后形成的小区块计算。

③ 时间准确率。参照空间准确率计算方法，从式(2)P综中略去空间和强度要素，得到时间准确率计算公式如下：

(5)

式中，P时表示预警产品的时间准确率；T′表示预警产品预警时间长度;T″表示对照预警产品预警时间长度;Td表示两个产品重叠的时间长度。

(3)特定时间周期准确率

根据P综值和V′值，可以计算较长周期(如年和月)内多期次预警的整体准确率，计算方法如下：

(6)

2 试例

以江西省2019年发布第26期省级地质灾害气象预警为例进行试算。

2.1 预警产品概况

2019年8月24日，江西省气象台向江西省自然资源厅传送了预报雨量信息(概要)：受2019年第11号台风”白鹿”影响, 8月25～26日江西省南部部分有暴雨，局部大暴雨；累计雨量60～120 mm，局部可达180 mm左右。

上述预报区前期降雨量很少，基本可以忽略前期降雨影响。根据预报雨量，初步认为预警等级为黄色(表1、表2[10])，并绘制了预警图件。经会商，考虑到预警时间为36 h，与24 h过程降雨接近，且江西省南部前期(2019年6月)发生过大面积突发、群发性地质灾害，灾损极为严重，并有人员伤亡，因此将预警产品的预警等级由黄色人工干预为橙色(图1)。

表1 降雨强度等级划分表

表2 地质灾害气象风险预警等级划分表

图1 第26期预警产品

2.2 对照产品概况

台风”白鹿”过后，对降雨空间、强度和时间进行分析，发现降雨空间整体向西南偏移，因为偏移部分强降雨区落入广东省范围，降雨时间比预报时间亦偏短。

因未有灾害发生，因此将实况降雨时间段列为对照产品的预警时间(24h)；将实况雨量按24h过程划分，叠加区域地质灾害易发分区(表1、表2[10])，形成初始对照产品(图2)。因未有灾害发生，不再对产品进行人工干预(人工干预考虑见表3)，初始对照产品即为最终对照产品(图2)。因偏移出省部分不予反映，因此预警产品与对照产品的重叠区(图3)与对照产品高度相似，仅局部有微小差异。

图3 重叠区预警信息

表3 预警等级划分人工干预参考

2.3 有关评价参数取值和要素计算

空间(S)的数值通过图面测量得知(表4)；时间(T)则通过前、后两个产品标注预警时间段获取(表4)；强度(Q)的取值则参考《江西省地质灾害防治规划(2009～2020年)》的指数均分法划分预警等级，取值如下：蓝色预警0.25，黄色预警0.50，橙色预警0.75，红色预警1.0，并提取叠加后分割出的小区块数量(表4)。

根据3类预警值(V)的计算结果(见表4)，采用式(1)可以计算出预警产品的综合准确率；根据3类产品的累计空间面积、累计强度值、预警时长计算结果(见表4)，分别采用式(3、4、5)，计算得出空间、强度和时间的单项准确率。

表4 预警值有关要素计算

2.4 评价结果及分析

根据计算，江西省2019年第26期省级预警产品的综合准确率P综为23.5%，空间、强度、时间的单项准确率分别为P空45.4%、P强47.1%、P时66.7%。

(1) 台风”白鹿”从江西省南部掠过，按其空间范围、强度和延续时间，只能算是一次普通的强降雨过程。相比预报(预警)，空间上雨带整体向西南偏移了约40 km，降雨落区减少约1/3(出省)；降雨强度相比预报略小；预警时间较实况降雨时间略长，但完全涵盖降雨时段。整体来看，该次预警产品的各指标准确率和效果尚可。

(2) 该次预警按雨量预报初定预警等级为黄色，后人工干预为橙色。若去除人工干预，保留黄色预警级别，则会降低预警产品的预警值(V′)，反而会提升预警产品的综合准确率(P综)。

(3) 该次预警等级为较高的橙色预警，但预警区无一例地质灾害上报，经分析主要原因如下：对照产品的橙色预警区范围很小，且橙色和黄色预警区主要分布在武夷山、九连山、大庾岭等地广人稀的山区，整体上发生灾害的概率较低，或者存在灾损有限或无灾损而未能上报的情况。

(4) 由于不用计算对照产品偏移出省区域的空间和强度，在一定程度上减少了对照产品的预警值(V″)，从而提高了P综、P空和P强三者的准确率。倘若按偏移部分仍留在省内计算，预计P空约为30%、P强约为35%、P综则约为15%。

(5) 总之，雨带偏移是拉低该次预警准确率的关键，但偏移出省，则又在一定程度上提高了预警产品的准确率。

3 有关探讨

3.1 模型优点

(1) 不受预警空间尺度和预警等级限制。本模型以对照产品为理想和标准参照，与预警产品进行耦合程度分析，与预警的空间尺度无关，理论上适用于各种地域级别的预警准确率计算。尤其是较小空间尺度和较低等级的预警，在地质灾害数量少或不发生的情况下，仍可进行预警效果评价，具有积极的评价效果。只有两个预警产品在空间或时间或强度(即对照产品达不到预警等级)完全错离的情况下，才会出现空报和准确率为0的评价结果。

(2) 相对客观。预警产品与对照产品的制作基于相同的技术方法、精度和参数，人工干预的考虑亦趋同趋近，原则上评价结果的系统性误差较小；模型综合考虑了空间、强度、时间3个要素的前后对比。评价结果相对客观。

(3) 拓展性。本模型可以计算单次预警的综合准确率，也可以简化计算其单项因子(空间、强度和时间)的准确率，还可以计算特定时间周期多期次预警的综合准确率和单项准确率，具有较强的拓展性。

3.2 问题与讨论

(1) 人工干预。本模型主要的不足在于制作对照产品时有一定的人工干预空间。可能会为了追求预警的高准确率，刻意将对照产品干预成“像预警产品的样子”，以达到准确率的提升。因此，应明确人工干预的条件、方式和结果，防止不正常的干预情况发生。

(2) 控制因子(Vd/V′、Sd/S′、Qd/Q′、Td/T′)的引入显然在一定程度上降低了各项准确率的计算数值。为复原准确率的数值，可以尝试将两个比值的乘积加开1/2次方予以还原。但当控制因子大于主计算因子(Vd/V″、Sd/S″、Qd/Q″、Td/T″)时，1/2次开方会对结果产生补偿效应，使结果大于主计算因子。极端情况是预警产品的预警区全部位于对照产品的预警区内时(完全重叠)，而预警产品(或重叠区)预警值又较小，评价结果的补偿效应会非常明显，这也是一个不愿意看到的情况。

(3) 预警值计算的空间、强度、时间取值，可根据区域具体情况赋予相应的权重值，本次探讨未进行权重取值分化。

(4) 本模型较现有其它评价方法会增加一定的计算工作量。且在难以获得历史(或过往)降雨数据的情况下，无法进行预警产品的准确率评价，而现有其它评价方法则无此约束。

(5) 不同的评价模型，会得到不同的、甚至截然不同的评价结果，本模型亦不概外。如综合准确率(P综)也可以采用单项准确率乘积(P空×P强×P时)算法。

3.3 有关建议

预警工作是一项长期的经验性工作，应注重数据的积累与分析。每一次预警产品准确率计算，不管数值高低，都应进行总结和分析，尤其是有异常数据情况。如某一区块高频出现人工干预或高等级预警却无灾险情的情况，可以考虑对该区域的现状地质环境条件进行重新认识；如积累灾险情发生时间与降雨时间的对比数据，分析灾险情是否具有雨后延滞性，延滞多久，与降雨强度的关系等。数据的积累与分析，将为后期预警工作提供宝贵的借鉴经验，有利于提升预警产品的准确率。

4 结论

(1) 提出了以对照产品为理想和标准参照，对预警产品从空间、强度、时间3个维度进行耦合程度分析的准确率计算模型，并提出了量化预警产品规模体量的预警值概念。本模型不受空间尺度和预警等级限制，也不受有无地质灾害发生的条件限制；同时，本模型还具备较强的拓展性，可以推演出空间、强度、时间单项要素的准确率评价，及较长时间周期多期次预警产品的准确率评价。本模型算法简单。

(2) 以江西省2019年第26期省级地质灾害气象预警为试算，得出该期预警的综合准确率为23.5%，空间准确率为45.4%，强度准确率为47.1%，时间准确率为66.7%。

(3) 预警产品和对照产品的制作，应明确人工干预的条件、方式和结果，防止不正常干预情况的发生；不同的评价模型，会得到不同的、甚至截然不同的评价结果，本模型亦不概外。预警工作应注重数据的积累与分析，尤其是异常数据的总结和分析。