安徽省暴雨灾害预警等级的划分及其应用
暴雨灾害TORRENTIAL RAIN AND DISASTERS Vol.40No.2 Apr.2021
第40卷第2期
2021年4月
陶玮，郭婷，吴瑞姣，等.2021.安徽省暴雨灾害预警等级的划分及其应用[J].暴雨灾害,40(2):174-181
TAO Wei,GUO Ting,WU Ruijiao et al.2021.Classification of early warning levels for rainstorm disaster and its application in Anhui Prov-ince[J].Torrential Rain and Disasters,40(2):174-181
安徽省暴雨灾害预警等级的划分及其应用
陶玮1，郭婷2，吴瑞姣1，周昆1，邱学兴1
(1.安徽省气象台，合肥230031；2.安徽省蚌埠市气象局，蚌埠233000)
摘要：利用安徽省1961—2016年81个国家级地面气象观测站雨量、2006—2016年1162个地面自动观测站小时雨量、1961—2016年安徽省民政厅灾情和2006—2016年《安徽省气象灾害年鉴》收录的227个暴雨过程灾情数据，采取气候平均、广义极值、概率密度函数、百分位分布等方法，统计暴雨过程的持续天数
、区域、范围、平均日降水量和小时雨量对暴雨灾害的影响，划分安徽省暴雨灾害预警等级。结果表明:(1)安徽省暴雨灾害预警等级可分为Ⅳ级(轻度)、Ⅲ级(中度)、Ⅱ级(重度)、Ⅰ级(特重)四个等级；(2)从Ⅳ级到Ⅰ级，暴雨过程的持续天数指标从1—4d，范围指标根据暴雨区占区域总面积的百分比确定，从Ⅳ级的20%上升至Ⅰ级的80%；(3)根据暴雨过程的区域差异，将安徽分为沿淮淮北、大别山区及皖南山区、沿江及江淮之间三个区域，分别建立降水量与暴雨灾情的定量关系，并在每个区域设置相应的平均日降水量和小时雨量指标；(4)利用上述暴雨灾害预警等级，对1981—2018年安徽省致灾的149个暴雨过程进行回代检验，并将其用于2020年6—7月安徽省暴雨灾害预警，暴雨灾害预警发布周期为Ⅳ级(轻度)0.66~0.82a、Ⅲ级(中度)1.15~1.90a、Ⅱ级(重度)3.16~3.80a、Ⅰ级(特重)9.5~12.6a，符合安徽暴雨灾情实际，可以为气象部门启动暴雨应急响应提供参考。
关键词：暴雨灾害；预警等级；地方标准；应急响应
中图法分类号:P429文献标志码：ＡDOI：10.3969/j.issn.1004-9045.2021.02.009
Classification of early warning levels for rainstorm disaster and its
application in Anhui Province
TAO Wei1,GUO Ting2,WU Ruijiao1,ZHOU Kun1,QIU Xuexing1
（1.Anhui Meteorological Observatory,Hefei230031;2.Bengbu Meteorological Office of Anhui Province,Bengbu233000) Abstract:Based on the rainfall data at the81national surface meteorological observation stations from1961to2016and the hourly rainfall data at the1162surface automatic weather stations over Anhui Province from2006to2016,the casualty loss data from Anhui Civil Depart⁃ment from1961to2016,and the disaster condition for the227rainstorm events collected in Anhui meteorological disaster Yearbook from 2006to2016,we have conducted a statistical analysis of the effect of the duration,region,area range,and daily and hourly rainfall for the rainstorm events on disaster loss by using several methods including climate average,generalized extreme,probability density function and percentile distribution,then accordingly classified the rainstorm disaster warning grades in Anhui Province.The main results are as follow.
(1)The early warning of rainstorm disaster in Anhui can be divided into four ,IV(mild),III(moderate),II(severe)and I(extra heavy).(2)From levels IV to I,the duration of rainstorm events ranges from1to4days,and their range is determined by the percentage of rainstorm area in total area of a region,increasing from20%in level IV to80%in levelⅠ.(3)According to the regional difference of rain⁃storm events,Anhui can be divided into the three ,the northern Anhui along Huaihe River(I),the Dabie Mountains and southern Anhui mountain regions(II)and the region between
Yangtze River and Huaihe River(Ⅲ).Then the quantitative relationship between the pre⁃cipitation and the rainstorm disaster situation is established,and the corresponding daily and hourly rainfall indices are set up in each re⁃gion.(4)Based on the above-mentioned early warning levels for rainstorm disaster,the149rainstorm events causing disasters in Anhui from 1981to2018is constructed and tested,which is used in the early warning of rainstorm disaster from June to July in2020.The results indi⁃cate that the release period of rainstorm disaster warning is around0.66-0.82years for level IV(mild),15-1.90years for level III(moderate), 3.16-3.80years for level II(severe),and9.5-12.6years for level I(extra heavy),which is consistent with the actual rainstorm disaster in An⁃hui and can provide a reference for the meteorological department to start the emergency response of rainstorm.
Key words:rainstorm disaster;warning levels;local standard;emergency response
收稿日期：2020-07-21；定稿日期：2020-12-02
资助项目：中国气象局预报员专项(CMAYBY2020-055)；安徽省气象台自立科研项目(AHMO202006)
第一作者：陶玮，主要从事数值模式产品释用研究。E-mail:*******************
通信作者：周昆，主要从事短时及中短期天气预报技术研究。E-mail:*****************
第2期陶玮，等：安徽省暴雨灾害预警等级的划分及其应用
引言
暴雨尤其是持续时间长、强度大、范围广的暴雨，常常引发洪涝、城市内涝以及山洪、泥石流、滑坡等严重地质灾害，造成重大经济损失和人员伤亡。我国降水量时空分布不均，不同区域地质条件、抗灾能力差异较大，因此，暴雨灾害的预警和预防需要综合考虑暴雨和各地气候特点及灾情。目前，中国气象局制定有《暴雨灾害等级》(GB/T33680-2017)标准和《暴雨预警信号及防御指南》(见气发〔2004〕206号文附件，以下简称《暴雨预警指南》)。其中，《暴雨灾害等级》标准是根据暴雨结束后的灾情调查得到的损失数据确定的，实际气象服务工作中难以在暴雨前预估灾害，也难以提前预警和预防暴雨灾害。《暴雨预警指南》是基于全国暴雨样本的统计结果，而我国降水空间分布差异大
(闵爱荣等，2016)，年最大和年平均暴雨日数分布呈南多北少、东多西少的特征；同时受地形影响明显，表现为多中心，沿海地区多于内陆区域，山区迎风坡多于背风坡，其中大别山区西南侧是年暴雨日数大值区之一(林建和杨贵名，2014；刘雨佳等，2017)，因此全国使用同样的暴雨预警标准并不合理。即使一个省，降水分布不均也较明显。如安徽，夏季暴雨雨量、日数、强度的年平均值分布同样表现为南多北少的气候差异(杨明等，2015)。安徽省以平原(占31.3%)、丘陵和山地(占60.7%)为主，湖沼洼地仅占8%，复杂地形的组合效应是形成大暴雨的原因之一(赵玉春等，2012；赵瑜等，2015；朱红芳等，2019)。因此，安徽省暴雨灾害预警等级应根据不同区域和地形类型制定。
此外，《暴雨预警指南》没有考虑降水与灾情的关系。近年来，暴雨造成的直接经济损失呈增加趋势，损失较大的地区主要集中在我国南方(於莉等，2018)。不同地形条件下，暴雨造成的灾害也不相同。短时强降水在山地易诱发滑坡和泥石流等灾害(王秀荣等，2007)，而持续性暴雨在平原易引起城市内涝、河流洪涝、农田渍涝等灾害(丁一汇，2019)。另外，暴雨灾害也受城乡经济发展不平衡的影响。随着经济快速发展，暴雨造成的城镇经济损失更大。针对不同致灾影响的暴雨，建立健全不同等级的气象灾害应急响应机制，不仅能加深公众对暴雨灾害严重程度的认识，还能提高政府和公众对暴雨灾害的防御与应对能力，减少人员伤亡和财产损失。
综合考虑各地降水分布、地质条件、经济水平等差异，制定适合当地气候特点和业务服务需求的暴雨灾害预警等级具有重要意义。已有人对辽宁、福建、四川等省暴雨灾害作了灾害指标、风险、评估等方面的研究，但选取的暴雨样本多基于24h降水量(韩秀君等，2014；陈香，2007；张顺谦等，2019)，未考虑短时强降水的危害(童金等，2017)。淮河流域气象中心确定的预警指标也仅限于山洪气象灾害(叶金印等，2016)。为此，本文针对安徽省北有淮河、南有长江，西为大别山、东为平原，南有皖南山区的特殊地理位置，参考国家标准《暴雨灾害等级》和《暴雨预警指南》，基于1h、
24h降水量分析安徽省暴雨特征，通过百分位法建立暴雨和灾情的统计关系，划分安徽省暴雨灾害预警等级，以期为气象部门启动暴雨应急响应提供技术参考。
1资料与方法
本文使用的资料包括:(1)安徽省1961—2016年81个国家级地面气象观测站逐日降水量和2006—2016年1162个地面自动观测站逐小时雨量资料，均源自国家气象信息中心的全国综合气象信息共享平台CIMISS，并由该平台进行了质控。前者用于统计暴雨过程的日数、范围和降水量，后者用于分析短时强降水。(2)227个暴雨过程的灾情数据，此数据来源于1961—2016年安徽省民政厅和2006—2016年《安徽省气象灾害年鉴》，并由省民政厅对其进行了审核。
为了明确暴雨灾害预警等级的划分依据，对相关概念定义如下:(1)暴雨日为前一日20时至当日20时有一个或以上国家站降水超过50mm。(2)暴雨过程，指发生在安徽省范围内的一次暴雨日在1d及以上且暴雨区不少于3个国家站的降水过程。(3)暴雨过程持续天数，指一次暴雨过程中连续出现暴雨的日数，一次暴雨过程的开始日为暴雨出现的第一天，结束日为连续出现暴雨的最后一天。如2006年7月2日20时—3日20时安徽有1个国家地面观测站出现暴雨，3日20时—4日20时有12站出现暴雨，4日20时—5日20时有21个站暴雨，那么，2006年7月3—5日连续暴雨应统计为一次暴雨过程，持续时间为3d，暴雨过程的开始日和结束日分别为7月3日和5日。(4)暴雨区，为暴雨过程中出现暴雨的国家观测站总数，重复出现暴雨的站点只记一次。(5)暴雨过程累积降水量，指暴雨过程持续期间暴雨区中各站累积降水量的平均值。
首先，本文采取气候平均法分析安徽省年暴雨日数分布特征，使用频率统计方法分析区域性暴雨持续天数及其与灾情的关系。然后，在使用气候平均、广义极值方法分析的基础上，使用概率密度函数(PDF)计算平均日降水量和小时雨量，将安徽省分为沿淮淮北、大别山区及皖南山区、沿江及江淮之间三个区
域。结合百分位法研究暴雨区平均日降水量、小时雨量与灾情等级的对应关系。其中，灾情等级参照《暴
175
第40卷
暴雨灾害
雨灾害等级》和《地质灾害防治条例》进行划分，具体
分级见表1。最后，根据以上建立的暴雨与灾情的统
计关系划分暴雨灾害预警等级，共四级，即Ⅳ级(轻
度)、Ⅲ级(中度)、Ⅱ级(重度)、Ⅰ级(特重)。
表1安徽省暴雨灾害等级划分
Table1Indices for grade classification of rainstorm
disaster events in Anhui Province.
灾情数据类别死亡人数直接经济损失/亿元
等级
小型
<3
<0.5
中型
3～<10
0.5～<5
大型
10～<30
5～<15
特大型
≥30
天气预警级别
≥15
2暴雨灾害预警等级的划分
如前所述，全国性标准未能体现暴雨灾害的区域性差异，且现有暴雨预警规范和灾害等级标准仅只关注暴雨或灾情，未将二者结合起来，难以根据暴雨预报提前制定防灾减灾措施。因此，下文从暴雨过程持续天数、区域、范围、日降水量、小时雨量5个方面来确定安徽省暴雨灾害预警等级。此外，统计安徽省
1981—2010年降水气候资料显示，5—9月暴雨日数占比为85.9%，其他月份暴雨极少(于波等，2013)。因此，本文选取5—9月作为暴雨灾害预警等级划分时段。2.1持续天数
安徽省81个国家级地面气象观测站平均年暴雨日为4d(于波等，2013)，年暴雨日数从南向北递减。其高值区位于大别山区和皖南山区，低值区位于沿淮淮北地区。同时，安徽省暴雨量与年暴雨日数的分布非常一致，随纬度增加而减小(少)，随海拔高度增加而有所增加
(谢五三和田红，2011；黄勇等，2012)。叶殿秀等(2019)的统计研究表明，1961—2016年我国年均单次区域性暴雨过程持续日数呈增长趋势，区域性暴雨过程的持续日数平均为2.1d，其中南方型平均2.2d；持续日数在1～2d 的过程数占总过程数的73.3%，持续日数为3～5d的过程数占总数的21.7%。而安徽地区持续时间在2d以内的暴雨过程占81%，3d的占14.5%，4d或以上的占4.5%。中国气象局规定的暴雨蓝、黄、橙预警对应的暴雨过程持续天数分别为1、2、3d，但红预警仍只考虑暴雨过程持续3d的情况，而3d及以上的暴雨过程在安徽的比例接近20%，难以体现其极端性，最高级别的预警应规定暴雨过程持续天数至少4d，况且一旦到4d左右，灾情往往较重，如1996年6月29日—7月2日安徽黄山、2008年7月29日—8月2日滁州的持续暴雨均导致重大灾情(表2)。因此，对应暴雨灾害预警等级的暴雨持续天数(D)分别为：Ⅳ级(轻度)，D≥1d；Ⅲ级(中度)，D≥2d；Ⅱ级(重度)，D≥3d；Ⅰ级(特重)，D≥4d。
表21996年6月29日—7月2日和2008年7月29日—8月2日安徽暴雨过程的特征与灾情
Table2Characteristics and disaster situation of two rainstorm events occurred in Anhui during June29to July2in1996and July29to August2in2008.
时段1996年6月29日—7月2日
2008年7月29日—8月2日
最大单站
日降水量/mm
196
252
总降水量/
mm
492
456
持续
天数/d
4
5
受灾
人数/104
256.20
278.24
直接经济
损失/亿元
57.75
27.45
因灾死亡
人数
66
11
2.2暴雨区域
参考安徽省地方标准《安徽气象地理分区》和本省暴雨日数的空间分布，将安徽省划分为沿淮淮北
(Ⅰ)、大别山区及皖南山区(Ⅱ)、沿江及江淮之间(Ⅲ)三个区域(图1)，三个区域所包含的国家站分别为27个、24个和30个。
在气候统计的基础上，选出1961—2016年安徽省每年持续时间最长、过程累计降水量最大的暴雨过程各3个作为初始样本，在初始样本中选出满足以下两个条件的暴雨过程：(1)暴雨过程至少有1个国家地面观测站日降雨量超过80mm；(2)至少有1个站日降雨量居有气象记录以来前20位。由此统计得到93次暴雨过程，记为93个暴雨极值样本，共164个暴雨日。将日降水量划分为15个区间，其中第一个区间为1～10mm，最后一个区间为＞140mm，其他区间以10mm为间隔，其24h
降水量落在每个区间的概率
34.5°N
34.0
33.5
33.0
32.5
32.0
31.5
31.0
30.5
30.0
29.5
115.0116.0117.0118.0119.0120.0°E 图1安徽沿淮淮北(Ⅰ)、大别山区及皖南山区(Ⅱ)、
沿江及江淮之间(Ⅲ)三个区域的划分
Fig.1Division of the three areas that are the northern Anhui along Huaihe River(I),the Dabie Mountain and southern Anhui mountain regions(II) and the region between Yangtze River and Huaihe River(Ⅲ)in Anhui.
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第2期陶玮，等：安徽省暴雨灾害预警等级的划分及其应用(PDF )分布见图2。
PDF ()k =
N k
åk =1
15
N
k
(1)
降水量/mm
P D F /%沿淮淮北
沿江及江滩之间
大别山区及皖南山区
706050403020100
1~1010~2020~3030~4040~5050~6060~7070~8080~9090~100100~110110~120120~130130~140＞140
图21961—2016年沿淮淮北、大别山区及皖南山区、沿江
及江淮之间三个区域极值暴雨过程日降水量
概率(PDF ，单位:%)分布
Fig.2Daily rainfall probability density function (PDF,unit:%)of extreme rainstorm events in the northern Anhui along Huaihe River,the Dabie Mountain and southern Anhui mountain regions and the region between
Yangtze River and Huaihe River of Anhui from 1961to 2016.
式(1)中，N k 为降水量落在第k 个区间的站次数。极值样本中三个区域24h 降水量的PDF 显示(图2)，
>50、>100、>140mm ·(24h)-1的PDF 与6月平均暴雨日数分布一致，南部山区明显大于沿淮淮北，且随着降
水量增大，PDF 减小。大别山区及皖南山区的暴雨
PDF 最大，沿淮淮北的数值明显小于山区，沿江及江淮之间的PDF 介于前两者之间，且当日降水量为50～80mm ·(24h)-1时，沿江及江淮之间的PDF 接近山区，当日降水量>80mm ·(24h)-1时，沿江及江淮之
间PDF 向沿淮淮北的靠近。另外，三个区域代表站的>50mm ·(12h)-1、>30mm ·(1h)-1的PDF 也显示出类似的空间分布(图略)。
综上所述，安徽省内沿淮淮北、大别山区及皖南山区、沿江及江淮之间三个区域的暴雨表现为不同的暴雨日数和降水量PDF 特征，且地形分别以平原、山地、丘陵为主，暴雨致灾影响不同，所以要对这三个区域分别划分暴雨灾害预警等级。2.3暴雨过程的范围
利用本文第2.2节选出的1961—2016年暴雨极值样本，统计各暴雨过程中暴雨区的大小(除去重复站的暴雨站数之和)，其结果见图3。从中看到，安徽省出现暴雨的站数普遍超过5个(全省共有81个站，5站约占全省总站数的6%)，大多数暴雨过程影响区域的站点数在10～40之间，涉及第2.2节划分的三个区域中的两个，平均每个区域出现5～20个暴雨站。当相邻5站出现暴雨时，则暴雨面积在每个分区中所占面积超过20%，当相邻22站出现暴雨时，占比可达90%，甚至覆盖整个分区。此外，线性回归分析显示，近56a 来安徽暴雨过程影响范围呈扩大趋势，平均每年增加0.409个站，此趋势通过0.05显著性水平检验。
Y =0.41x -781.86R 2=0.10
80706050403020100
年份
站数19
61
19
64
19
66
19
69
19
71
19
74
19
77
19
79
1982198519871990199219941996199820002003200520092010201220142016
图31961—2016年安徽省极值暴雨过程影响区内国家级气象观测站点数的时间序列
Fig.3Time series of the number of national weather stations within the area affected by the extreme rainstorm events in Anhui from 1961to 2016.
参照中国气象局《暴雨预警指南》中暴雨过程的范围(四个等级均要求暴雨过程的范围约占全国面积的6%及以上)，并结合安徽实际情况，从IV 级到I 级，划分等级的暴雨面积逐级增大，确定暴雨过程范围如下：占全省面积比例分别为Ⅳ级(轻度)≥20%，Ⅲ级(中度)≥40%，Ⅱ级(重度)≥60%，Ⅰ级(特重)≥80%。对
应的国家级地面气象观测站数见表3。2.4暴雨区平均日降水量
在全球气候变暖背景下，我国极端强降水的平均值和极值均呈增加趋势，极端强降水事件也逐渐增多(高涛和谢立安，2014)。安徽省24h 降水极大值分布不均，全省普遍为180～240mm ；其高值区主要分布在
177
第40卷
暴雨灾害大别山区，最大值在岳西，达544mm ；沿淮为一低值区，最低值在怀远，为186mm (于波等，2013)。安徽省极端强降水主要发生在梅雨期和台风引发的强降水过程中(谢五三等，2017)。
暴雨致灾性不仅与降水量有关，还受地域防洪抗灾能力影响。如，山区暴雨会诱发滑坡、泥石流等灾害，而江河流域排涝能力较强，对其灾害相对容易防控。为了定量统计暴雨日降水量与灾情的对应关系，
将1961—2016年安徽省民政厅提供的灾情和2006—2016《安徽省气象灾害年鉴》中收录的227个暴雨过程的灾情数据，按照表1的规定将所有暴雨灾害过程划分为四种类型，即小型(light)、中型(Mediumn)、大型(Heavy)和特大型(Extreme)，分别对应本文规定的Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级由轻到重的暴雨灾害预警等级，每级样本数分别为89、68、44、16。其中，特大型灾害的极端性较突出，约5～10
a 一遇，其样本较少。对于每级暴雨灾害，分析其对应的暴雨区平均日降水量的百分位分布特征(图4)。根据图4的统计结果，沿淮淮北和沿江及江淮之间的Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级预警的降水阈值分别由轻度、中度、重度、特重灾害对应的25、50、50、75百分位决定，山区由于地质条件脆弱且发生山洪、泥石流的隐患大，故适当降低阈值，由轻度、中度、重度、特重对应的10(Ⅳ级)、50(Ⅲ级)、50(Ⅱ级)、50(Ⅰ级)百分位决定。暴雨区平均日降水量的等级划分见表4。
(a)(b)
(c)
轻度中度重度特重轻度中度重度特重
轻度
中度重度
特重
最大值75%中位数25%最小值
降水量/m m 1801501209060
1801501209060
1801501209060
图4沿淮淮北(a)、沿江及江淮之间(b)、大别山区及皖南山区(c)各灾情等级暴雨区不同百分位平均日降水量(单位:mm)分布
Fig.4Distribution of the different percentiles of mean daily precipitation (unit:mm)in the rainstorm areas of different disaster grades in (a)the northern Anhui along Huaihe River,(b)the Dabie Mountain and southern Anhui mountain regions and (c)the region between Yangtze River and Huaihe River of Anhui.
表4安徽三个区域不同等级暴雨过程的
平均日降水量指标(单位:mm)
Table 4Thresholds (unit:mm)of mean daily precipitation for the different
grades of rainstorm events in three areas of Anhui Province.
区域沿淮淮北大别山区及皖南山区沿江及江淮之间
等级
Ⅳ级
(轻度)≥65≥55≥70
Ⅲ级(中度)≥85≥80≥90
Ⅱ级(重度)≥100≥130≥110
Ⅰ级(特重)≥125≥150≥135
图5给出1961—2016年安徽省93次极值暴雨过程累计降水量的年变化，其大都在100mm 以上，且有缓慢增长趋势（通过0.05显著性水平检验），其增长趋势明显。通过灾情统计发现，持续时间长、范围广、强度大的暴雨严重影响人民生命财产安全和经济社会发展，当暴雨过程累计雨量超过300mm 或暴雨区日平均降水量超过120mm 时，其造成的灾情较重。如，1991年
7月5—8日暴雨区日平均降水量达到138.9mm ，过程
总雨量374.8mm ，暴雨过程影响范围约占到全省面积的33%，导致88人死亡和27.6亿元经济损失；再
如，1996年6月29日—7月2日暴雨区日平均降水量达到157.2mm ，过程总雨量492mm ，暴雨过程涉及范围占全省面积的31%，造成66人死亡、57.75亿元经济损失。根据表3、表4中的指标，可以确定这两次过程的降水量和范围均达到了I 级暴雨灾害预警标准。2.5小时雨量
安徽省30a 气候资料统计显示(于波等，2013)，各地1h 降水极大值同样呈现出多个大值中心，极大值中心主要分布在大别山区，最大值在霍山，达109mm ；其低值区主要在马鞍山和芜湖，分别为56、67mm 。可见，暴雨强度越大，越易致灾。如2013年6月30日黄山大暴雨，1h 最大雨量达83.4mm (歙县洽舍)，造成山洪暴发、塌方等灾害，多地江河水位迅速上升，因灾死亡5人、失踪1人、紧急转移1.09万人，直接经济损失2.7亿元。
表3安徽省三个区域不同等级暴雨过程的站数指标
Table 3Station number thresholds of the different grades for rainstorm
events in three areas of Anhui Province.
区域
沿淮淮北
大别山区及皖南山区沿江及江淮之间
等级
Ⅳ级(轻度)
≥5站≥5站≥6站
Ⅲ级(中度)
≥10站≥10站≥12站
Ⅱ级(重度)
≥15站≥15站≥18站
Ⅰ级(特重)
≥20站≥20站≥24站
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