楊昱天津市氣象服務(wù)中心

淺談城市防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)技術(shù)

楊昱
天津市氣象服務(wù)中心

摘要：綜合利用現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)和城市氣象防災(zāi)減災(zāi)社區(qū)建設(shè)工作基礎(chǔ)，初步建立城市內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)體系，提升以社區(qū)為基本單元的氣象災(zāi)害風(fēng)險管理和預(yù)警信息發(fā)布能力，推動城市氣象防災(zāi)減災(zāi)制度化，提高城市氣象防災(zāi)減災(zāi)水平，提高全社會參與氣象防災(zāi)減災(zāi)的力度，為全面推進城市氣象防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：防災(zāi)減災(zāi)；內(nèi)澇；預(yù)警信息

引言

2O世紀(jì)9O年代以來，在以全球變暖為主要特征的氣候變化背景下，全球災(zāi)害明顯增多，并以關(guān)聯(lián)性強、破壞性大、范圍廣、形式多樣化的特點，危及人類生命和健康，威脅人類正常生活，破壞公益設(shè)施和公私財產(chǎn)，破壞資源與生態(tài)環(huán)境，威脅到社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。防御氣象災(zāi)害、保障經(jīng)濟安全，是中國氣象事業(yè)發(fā)展乃至國家經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的重要課題[2]。高溫、暴雨、雷電、冰雹和霧（霾）等氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生，特別是強降水具有突發(fā)性、分布不均勻性，由于早期規(guī)劃失誤和防災(zāi)減災(zāi)基礎(chǔ)工程不配套，城市災(zāi)害愈來愈多，經(jīng)濟損失和生態(tài)環(huán)境破壞愈來愈嚴(yán)重。因此通過研究城市防災(zāi)減災(zāi)綜合能力水平，提高城市抵御災(zāi)害能力，減輕災(zāi)害給城市帶來的損失，是一個亟需解決的課題。天津作為沿海城市，城市內(nèi)澇現(xiàn)象尤為突出，目前城市街道社區(qū)氣象災(zāi)害防御工作仍相對薄弱，組織體系亟需健全，預(yù)警信息發(fā)布手段和渠道亟需擴展，社區(qū)對氣象災(zāi)害防御和氣象預(yù)報預(yù)警及服務(wù)的需求日趨增多，因此，開展城市氣象防災(zāi)減災(zāi)社區(qū)建設(shè)工作十分必要。

一、建設(shè)內(nèi)容及規(guī)模

（一）建設(shè)“八有”城市氣象防災(zāi)減災(zāi)社區(qū)

在社區(qū)開展“有工作場所、有人員配備、有風(fēng)險評估、有應(yīng)急處置、有預(yù)警手段、有宣傳培訓(xùn)、有防災(zāi)減災(zāi)志愿者隊伍、有長效發(fā)展機制”的“八有”氣象防災(zāi)減災(zāi)社區(qū)建設(shè)。

（二）強化城市氣象防災(zāi)減災(zāi)的科技支撐

1.提高城市氣象災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警服務(wù)能力

編制城市內(nèi)澇風(fēng)險普查技術(shù)指南，會同城建、交通、水利、民政等部門重點針對城市交通和易積澇區(qū)域，聯(lián)合開展精細(xì)到具體災(zāi)害隱患點的暴雨洪澇氣象災(zāi)害風(fēng)險普查。

2.提高城市精細(xì)化預(yù)報預(yù)警服務(wù)能力

（1）雨量實時檢測報警

根據(jù)城市氣象災(zāi)害風(fēng)險普查結(jié)果，按照不同的風(fēng)險區(qū)域和級別計算不同區(qū)域、不同隱患點的面雨量信息。針對不同城市內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)域的每個內(nèi)澇風(fēng)險隱患點設(shè)置面雨量報警閾值，通過自動監(jiān)測雨量信息即可提供內(nèi)澇隱患的報警。

（2）雷達(dá)定量降水估算報警

以當(dāng)前業(yè)務(wù)應(yīng)用的SWAN定量降水估測產(chǎn)品為基礎(chǔ),針對不同范圍內(nèi)不同類型降水的定量降水估測結(jié)果進行系統(tǒng)性的檢驗，了解估測誤差規(guī)律，對估測結(jié)果進行系統(tǒng)訂正。同時在訂正的基礎(chǔ)上將雷達(dá)的降水估測結(jié)果用于內(nèi)澇風(fēng)險監(jiān)測工作中，提供基于雷達(dá)定量降水估測的格點化的產(chǎn)品結(jié)果入庫，提高監(jiān)測預(yù)警效率，滿足城市內(nèi)澇風(fēng)險監(jiān)控的需求。

（3）城區(qū)1公里精細(xì)化格點預(yù)報

時效6小時、3小時間隔、每天05、08、11、14、17、20、23時滾動更新的常規(guī)氣象要素預(yù)報，內(nèi)容包括天氣現(xiàn)象、風(fēng)向、風(fēng)速、最高溫度、最低溫度、相對濕度、降水概率、等十要素，形成城區(qū)網(wǎng)格點的精細(xì)化預(yù)報產(chǎn)品入庫。

（4）城區(qū)氣象災(zāi)害分區(qū)預(yù)警服務(wù)

制作市區(qū)暴雨、雷電、冰雹、暴雪、風(fēng)暴潮等氣象災(zāi)害預(yù)警信號產(chǎn)品，通過郵件、傳真、手機短信等方式實現(xiàn)對決策用戶和公眾的實時發(fā)布。

3.提高城市智能化氣象服務(wù)水平

建立集地理信息、災(zāi)害信息等信息于一體，具有氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險評估、信息服務(wù)功能的智能化城市氣象服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

4.提高城市氣象預(yù)警信息發(fā)布能力

建立街道——社區(qū)——小區(qū)樓棟三級氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收與傳播組織管理構(gòu)架，完善信息發(fā)布傳播“綠色通道”機制，完成重大突發(fā)性氣象災(zāi)害預(yù)警信息全媒體的全網(wǎng)發(fā)布。

5.強化部門合作和應(yīng)急聯(lián)動

加強與民政、水利、水文、國土、應(yīng)急、衛(wèi)生、城市運行保障等部門的聯(lián)動，制定城市重大氣象災(zāi)害預(yù)警聯(lián)動標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案與其它應(yīng)急預(yù)案的對接，提高氣象防災(zāi)減災(zāi)工作效率。

6.推動城市氣象防災(zāi)減災(zāi)社會化發(fā)展

建立城市社區(qū)氣象災(zāi)害應(yīng)急準(zhǔn)備認(rèn)證制度，探索明確政府、企業(yè)、社會、公眾氣象防災(zāi)減災(zāi)責(zé)任義務(wù)的有效方式，推動建立社會自發(fā)、自下而上的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)機制。

7.推動城市氣象防災(zāi)減災(zāi)法制化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

制定《氣象災(zāi)害防御條例》和《氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案》的有關(guān)內(nèi)容，同時根據(jù)本地特點和需求，繼續(xù)推動城區(qū)氣象災(zāi)害防御立法工作。

8.完善城市氣象防災(zāi)減災(zāi)政府主導(dǎo)的長效發(fā)展機制

完善政府統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、綜合協(xié)調(diào)，相關(guān)部門各負(fù)其責(zé)、有效聯(lián)動的氣象防災(zāi)減災(zāi)組織體系，相關(guān)部門分管領(lǐng)導(dǎo)為成員的氣象災(zāi)害應(yīng)急指揮部或氣象災(zāi)害防御領(lǐng)導(dǎo)小組。

9.開展社區(qū)氣象科普宣傳

編寫通俗易懂、方便實用的氣象防災(zāi)社區(qū)學(xué)習(xí)培訓(xùn)教材，借助防災(zāi)減災(zāi)日、科技日在發(fā)放氣象災(zāi)害防御知識掛圖，提高避險自救互救技能。

二、技術(shù)特點

建立健全街道/社區(qū)氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收與傳播的網(wǎng)格組織管理制度。

（一）安裝水位尺

為方便氣象信息員、志愿者和公眾將采集的積水?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，我們采用目前在水利上通用的E字型水位米尺，安裝在內(nèi)澇隱患點。

（二）城市內(nèi)澇風(fēng)險管理

1.繪制內(nèi)澇隱患點分布圖

加強與水務(wù)局排水管理處合作，獲取最新市內(nèi)內(nèi)澇積水點分布圖以及歷次內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，繪制市區(qū)內(nèi)澇隱患點分布圖。

2.科學(xué)確定內(nèi)澇致災(zāi)臨界（面）雨量

每一區(qū)域積澇的致災(zāi)臨界降水條件都不同，當(dāng)排水條件發(fā)生變化時，應(yīng)根據(jù)最新的城市內(nèi)澇普查資料確定致災(zāi)臨界降水條件。

（三）內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警服務(wù)體系建設(shè)

1.建立應(yīng)用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、雷達(dá)估測、預(yù)測降水產(chǎn)品的城市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)

（1）將雷達(dá)估算降水技術(shù)用于內(nèi)澇模型

研制項目針對暴雨監(jiān)測開發(fā)的雷達(dá)定量估測降水系統(tǒng)（QPEGS）與城市面雨量計算的接口，雷達(dá)資料采用天津多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料，降水資料為天津地面觀測自動站降水量資料。采用雷達(dá)默認(rèn)Z-I關(guān)系（Z=300I1.4）將回波強度值轉(zhuǎn)換成降水強度，再通過累積分別得到6分鐘和1小時尺度的雷達(dá)估算降水量資料。用4種校準(zhǔn)方法得出降水估算產(chǎn)品，包括VAR（變分方法），OPT（最優(yōu)插值），KLM（卡爾曼濾波），KOP（卡爾曼濾波和最優(yōu)插值綜合產(chǎn)品）。降水估算產(chǎn)品是480×480格點的等1km間距降水?dāng)?shù)據(jù)，雷達(dá)站的中心坐標(biāo)為，經(jīng)度39.044o,緯度117.725o。通過下面兩種插值方法，將雷達(dá)估算降水資料插值到計算網(wǎng)格上，獲得更加精確的面雨量信息。

建立模型與SWAN雷達(dá)估算降水產(chǎn)品QPE、QPF的接口。

（2）對應(yīng)用QPEGS的不同估算降水產(chǎn)品計算的城市面雨量的合理性進行評估。

（3）研發(fā)雷達(dá)估算降水產(chǎn)品與數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的接口，即利用雷達(dá)估算降水產(chǎn)品，相對應(yīng)時刻的數(shù)值預(yù)報降水產(chǎn)品進行訂正，實現(xiàn)業(yè)務(wù)化自動運行。

將雷達(dá)估算降水與數(shù)值預(yù)報降水產(chǎn)品計算的面雨量帶入城市暴雨內(nèi)澇模型，通過模擬得出計算域內(nèi)的最大水深、過程水深等變量，用于WEBGIS的城市暴雨內(nèi)澇顯示平臺。

2.建立基于WEBGIS的城市暴雨內(nèi)澇顯示平臺

將WEBGIS技術(shù)用于平臺設(shè)計，將地理數(shù)據(jù)擴展為分布式的、超媒體特性的、相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了多源降水實況與預(yù)測、城市暴雨積水模擬與預(yù)測、災(zāi)情評估為一體的綜合顯示功能。主要內(nèi)容包括:

（1）編制老系統(tǒng)與新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序；

（2）研發(fā)社區(qū)內(nèi)澇精細(xì)化預(yù)報評估技術(shù)

利用DEM數(shù)據(jù)與模型網(wǎng)格的平均高程計算高程差，如（1-4）式。

利用高程差和模型網(wǎng)格的平均水深，細(xì)化社區(qū)積水深度。

例如，對于任意一個模型網(wǎng)格，假設(shè)在這個網(wǎng)格中有n個DEM柵格，設(shè)每個柵格的水深為hi，模型網(wǎng)格的水深為h，每個概化的網(wǎng)格的高程為DEMi，模型網(wǎng)格的平均高程為-------DEM，則：

（3）編制基于WEBGIS的城市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)警平臺顯示程序，功能包括：

顯示降水實況信息；

顯示降水預(yù)測預(yù)警信息；

顯示最大積水深度、積水隨時間變化和內(nèi)澇風(fēng)險等級信息；

3.城市氣象指數(shù)、生活指數(shù)和健康指數(shù)及等級劃分

制作20種城市氣象指數(shù)、生活指數(shù)、健康指數(shù)預(yù)報業(yè)務(wù)產(chǎn)品，確定等級劃分標(biāo)準(zhǔn)、氣象條件、強度、防護措施、提示或服務(wù)用語等。

（四）城市精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)

1.實時雨量監(jiān)測計算面雨量

（1）基于站點的逐10分鐘的當(dāng)前小時累積面雨量計算

首先按照城市氣象災(zāi)害風(fēng)險普查結(jié)果，針對不同的風(fēng)險區(qū)域選取對應(yīng)范圍內(nèi)所包含的自動站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。對風(fēng)險區(qū)內(nèi)澇點相關(guān)的自動站雨量進行累積，計算得到該風(fēng)險區(qū)當(dāng)前時次的1小時累積雨量。采用算術(shù)平均法或者權(quán)重分配法計算風(fēng)險區(qū)內(nèi)所有的雨量值作為該區(qū)的面雨量情況。

（2）基于站點的整點的24小時累積面雨量計算：

提取自動站的整點的小時雨量，統(tǒng)計之前24小時內(nèi)的累積雨量，通過算術(shù)平均法,計算得到各區(qū)范圍內(nèi)對應(yīng)的站點的24小時累積雨量的平均值作為面雨量。

2.雷達(dá)定量降水估算網(wǎng)格產(chǎn)品

范圍為市內(nèi)，提取基于SWAN的逐小時雷達(dá)定量降水估算QPE的網(wǎng)格結(jié)果，網(wǎng)格精度保證為1公里。1小時QPE產(chǎn)品每6分鐘更新一次，每20分鐘打包傳送一次，所有產(chǎn)品都提供到數(shù)據(jù)庫，供科研所使用。

3.制作城區(qū)1公里精細(xì)化格點預(yù)報產(chǎn)品

（1）讀取人工訂正后的鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化站點預(yù)報產(chǎn)品

每天05：00、08：00、11:00、14:00、17:00、20:00、23：00讀取市區(qū)短臨精細(xì)化業(yè)務(wù)平臺中基于wrf的人工訂正后的0-3和3-6小時格點預(yù)報產(chǎn)品，包括天氣現(xiàn)象，3小時最高氣溫和最低氣溫，災(zāi)害天氣等十要素。

（2）建立預(yù)報區(qū)域網(wǎng)格

確定網(wǎng)格范圍：找出一矩形區(qū)域（5m*5n），確保這一矩形區(qū)域能覆蓋城區(qū)范圍；在矩形區(qū)域內(nèi)劃分為（m+1）×（n+1）個網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率為1km×1km；確定各個網(wǎng)格的經(jīng)度、緯度；將格點進行編號：從1一直到（m+1）×（n+1）。

（3）將粗格點預(yù)報插值為1公里的精細(xì)化格點數(shù)據(jù)

天氣現(xiàn)象：無法利用插值解決，選取與該格點距離最近的站點的天氣現(xiàn)象作為該格點的天氣現(xiàn)象；

（4）逐3小時定量降水格點數(shù)據(jù)插值

逐3小時定量降水格點數(shù)據(jù)插值為逐小時，插值方法采用線性非線性結(jié)合的方法，格點數(shù)據(jù)入庫，制作城區(qū)災(zāi)害落區(qū)精細(xì)化預(yù)警產(chǎn)品。

（五）城市氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布

1.城市氣象防災(zāi)減災(zāi)社區(qū)氣象服務(wù)產(chǎn)品制作平臺

開發(fā)建設(shè)精細(xì)化社區(qū)氣象預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品制作平臺，首先提供開發(fā)該制作平臺的各部分模塊名稱、框架結(jié)構(gòu)圖和相應(yīng)的電子文檔、各模塊所提供的數(shù)據(jù)源信息及接口數(shù)據(jù)源信息所存儲的位置即提供服務(wù)器的IP地址、用戶名和密碼。

2.開發(fā)城市氣象預(yù)警信息顯示平臺

該平臺主要用于社區(qū)氣象信息服務(wù)站使用，其中包括社區(qū)概況、地理位置特點及人員信息等。

本系統(tǒng)軟件相互獨立，子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換全部通過信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫完成。邏輯上劃分為三個層次，由上至下依次為應(yīng)用層，服務(wù)層，數(shù)據(jù)層。

通過一鍵式發(fā)布?xì)庀箢A(yù)警信息的技術(shù)能很好的與該顯示平臺對接，所發(fā)布的預(yù)警信息能夠及時的顯示在該平臺上面大大節(jié)省人工干預(yù)的工作，做到預(yù)警信息及時、有效準(zhǔn)確更好的解決最后一公里問題。

總體數(shù)據(jù)流程

預(yù)警信息發(fā)布的總體流程為：接收預(yù)警信息→處理預(yù)警信息→信息存儲→發(fā)布預(yù)警信息→運行監(jiān)控→信息反饋。

3、結(jié)束語

當(dāng)今社會，城市化進程加快，城市的增加速度和城市人口、經(jīng)濟聚集的速度都是前所未有的。也正因為如此，城市必然成為防災(zāi)減災(zāi)的重點區(qū)域。城市防災(zāi)減災(zāi)體系的建立必須與城市建設(shè)同步協(xié)調(diào)發(fā)展，必須在城市規(guī)劃中增加防災(zāi)減災(zāi)內(nèi)容，在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重視防災(zāi)減災(zāi)要求，才能科學(xué)合理的規(guī)劃城市。同時還要整合現(xiàn)有社會防災(zāi)減災(zāi)資源，提高綜合防災(zāi)減災(zāi)協(xié)調(diào)能力和救援效率，推廣防災(zāi)減災(zāi)安全知識，建立重特大災(zāi)害事故的防控機制，是政府和相關(guān)部門義不容辭的責(zé)任，是構(gòu)筑和諧社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本保證。

參考文獻：

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作者簡介：楊昱（1963-），男，天津人，本科，工程師，研究方向：計算機應(yīng)用。