劉云,高薇
(江西省礦產(chǎn)資源保障服務(wù)中心,南昌 330025)
我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。在我國(guó)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下,不可能對(duì)所有的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)開展專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警、實(shí)施治理工程或搬遷避讓,因而地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警不失為一種宏觀層面簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效的重要防災(zāi)減災(zāi)手段。
隨著地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作的開展,需要建立預(yù)警效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法,而目前該類方法和模型較少[1]。近年來參照氣象預(yù)報(bào)、地震預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)的一些方法[2-4],探討性的提出了命中率、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率、準(zhǔn)確率等評(píng)價(jià)概念[1,5]。但上述方法均是基于有較多地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的條件,具有一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,卻難以適用于地質(zhì)災(zāi)害偶發(fā)的、較小空間尺度或較低等級(jí)預(yù)警的效果評(píng)價(jià)。根據(jù)查閱近年有關(guān)的預(yù)警效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù),亦多為大空間尺度或高等級(jí)預(yù)警的評(píng)價(jià)[1,6-7],也有較小空間尺度預(yù)警在地質(zhì)災(zāi)害樣本不足的情況下,通過拉長(zhǎng)時(shí)間尺度,以累積的數(shù)量用于效果評(píng)價(jià)[8]。按照現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法,即使大至國(guó)家級(jí)[1]和省級(jí)預(yù)警[9],仍有較大概率出現(xiàn)空?qǐng)?bào)或準(zhǔn)確率為零的評(píng)價(jià)結(jié)果。依托于國(guó)家級(jí)和省級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警,相應(yīng)區(qū)域的市、縣級(jí)一般也會(huì)發(fā)布更為細(xì)化的預(yù)警信息。基于空間范圍小或局部預(yù)警等級(jí)低,市、縣級(jí)預(yù)警則往往大概率出現(xiàn)空?qǐng)?bào)或準(zhǔn)確率為零的評(píng)價(jià)結(jié)果。在地質(zhì)災(zāi)害“十防九空”的大背景下,評(píng)價(jià)結(jié)果完全忽視了“九空”的積極意義和真實(shí)防災(zāi)減災(zāi)效果。這樣的評(píng)價(jià)結(jié)果顯然是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>
本文在前人研究的基礎(chǔ)上,躍過現(xiàn)有預(yù)警效果評(píng)價(jià)中有無地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、空間尺度和預(yù)警等級(jí)等限制,提出一種普適型的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警效果評(píng)價(jià)模型。并以江西省2019年第26期省級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警進(jìn)行了試算。
地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警產(chǎn)品(以下簡(jiǎn)稱“預(yù)警產(chǎn)品”)由空間范圍、強(qiáng)度等級(jí)和時(shí)間跨度3個(gè)基本要素構(gòu)成。預(yù)警過程結(jié)束后,根據(jù)已知的降雨范圍、降雨強(qiáng)度和時(shí)間,對(duì)照(重疊)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景條件,及參考地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、數(shù)量、規(guī)模、災(zāi)損等,從空間、強(qiáng)度和時(shí)間3個(gè)維度重新構(gòu)建一份事后理想的對(duì)照預(yù)警產(chǎn)品(以下簡(jiǎn)稱“對(duì)照產(chǎn)品”),并以此為標(biāo)準(zhǔn)參照,將發(fā)布的預(yù)警產(chǎn)品與對(duì)照產(chǎn)品從3個(gè)維度進(jìn)行疊加和耦合程度分析,由此計(jì)算預(yù)警產(chǎn)品的準(zhǔn)確率。
為反映預(yù)警產(chǎn)品的規(guī)模體量,引入預(yù)警值的概念。根據(jù)預(yù)警產(chǎn)品3個(gè)構(gòu)成要素(空間、強(qiáng)度、時(shí)間),預(yù)警區(qū)空間范圍越大,強(qiáng)度等級(jí)越高,時(shí)間跨度越長(zhǎng),預(yù)警產(chǎn)品的規(guī)模體量則越大,反之則越小。因此,考慮預(yù)警值公式表達(dá)如下:
(1)
式(1)中,V表示預(yù)警產(chǎn)品的預(yù)警值;Si表示預(yù)警區(qū)中第i區(qū)塊的空間面積,常以km2為單位;Qi表示預(yù)警區(qū)中第i區(qū)塊的預(yù)警強(qiáng)度指數(shù),可以根據(jù)預(yù)警等級(jí)指數(shù)取值或按分級(jí)等差取值;T表示預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)度,可用d或h為單位。
根據(jù)模型原理,評(píng)價(jià)模型有3個(gè)計(jì)算預(yù)警值:預(yù)警產(chǎn)品預(yù)警值(V′)、對(duì)照產(chǎn)品預(yù)警值(V″),及兩者重疊區(qū)預(yù)警值(Vd)。
(1) 綜合準(zhǔn)確率
根據(jù)模型原理,重疊區(qū)預(yù)警值(Vd)與對(duì)照產(chǎn)品預(yù)警值(V″)的比值(Vd/V″)直接反映了預(yù)警產(chǎn)品與對(duì)照產(chǎn)品在空間、強(qiáng)度、時(shí)間3個(gè)維度的綜合耦合程度,是預(yù)警準(zhǔn)確率的直接反映。但該比值(Vd/V″)有一個(gè)缺陷,即對(duì)預(yù)警產(chǎn)品重疊區(qū)之外區(qū)域的空間范圍和強(qiáng)度等級(jí),及整體時(shí)間跨度沒有約束。如預(yù)警產(chǎn)品通過人工干預(yù),不必要的擴(kuò)大預(yù)警區(qū)域、提高預(yù)警等級(jí)或延長(zhǎng)預(yù)警時(shí)段,甚至極端的將空白區(qū)全部賦上頻率最高的預(yù)警等級(jí)(如黃色預(yù)警)等情況,對(duì)Vd/V″卻沒有影響,反而當(dāng)實(shí)際情況發(fā)生時(shí)間和空間的偏移、災(zāi)險(xiǎn)情在預(yù)料之外時(shí),還有助于提升Vd/V″值。為此,引入一個(gè)控制因子Vd/V′。Vd/V′有兩個(gè)作用,一是反映重疊區(qū)在預(yù)警產(chǎn)品中的占比,反映其自身的耦合程度,二是約束預(yù)警產(chǎn)品的時(shí)間、空間和預(yù)警等級(jí),防止不必要的擴(kuò)張。綜合準(zhǔn)確率公式表達(dá)如下:
(2)
(2) 單項(xiàng)準(zhǔn)確率
分為空間、強(qiáng)度、時(shí)間3個(gè)單項(xiàng)準(zhǔn)確率。
① 空間準(zhǔn)確率。指預(yù)警產(chǎn)品與對(duì)照產(chǎn)品在空間分布形態(tài)上的耦合程度。從式(2)P綜的計(jì)算中略去強(qiáng)度和時(shí)間要素(假定強(qiáng)度和時(shí)間處于均質(zhì)相等狀態(tài),取值均為1),得到空間準(zhǔn)確率計(jì)算公式如下:
(3)
式(3)中,P空表示預(yù)警產(chǎn)品的空間準(zhǔn)確率;S′表示預(yù)警產(chǎn)品預(yù)警區(qū)的總面積;S″表示對(duì)照產(chǎn)品預(yù)警區(qū)的總面積;Sd表示重疊區(qū)的面積。
② 強(qiáng)度準(zhǔn)確率。參照空間準(zhǔn)確率計(jì)算方法,從式(2)P綜中略去空間和時(shí)間要素,得到強(qiáng)度準(zhǔn)確率計(jì)算公式如下:
(4)
式中,P強(qiáng)表示預(yù)警產(chǎn)品的強(qiáng)度準(zhǔn)確率;Q′表示預(yù)警產(chǎn)品各個(gè)預(yù)警區(qū)塊的強(qiáng)度值之和;Q″表示對(duì)照產(chǎn)品各個(gè)預(yù)警區(qū)塊的強(qiáng)度值之和;Qd表示重疊區(qū)各個(gè)預(yù)警區(qū)塊的強(qiáng)度值之和。其中,預(yù)警區(qū)塊以重疊分割后形成的小區(qū)塊計(jì)算。
③ 時(shí)間準(zhǔn)確率。參照空間準(zhǔn)確率計(jì)算方法,從式(2)P綜中略去空間和強(qiáng)度要素,得到時(shí)間準(zhǔn)確率計(jì)算公式如下:
(5)
式中,P時(shí)表示預(yù)警產(chǎn)品的時(shí)間準(zhǔn)確率;T′表示預(yù)警產(chǎn)品預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)度;T″表示對(duì)照預(yù)警產(chǎn)品預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)度;Td表示兩個(gè)產(chǎn)品重疊的時(shí)間長(zhǎng)度。
(3)特定時(shí)間周期準(zhǔn)確率
根據(jù)P綜值和V′值,可以計(jì)算較長(zhǎng)周期(如年和月)內(nèi)多期次預(yù)警的整體準(zhǔn)確率,計(jì)算方法如下:
(6)
以江西省2019年發(fā)布第26期省級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警為例進(jìn)行試算。
2019年8月24日,江西省氣象臺(tái)向江西省自然資源廳傳送了預(yù)報(bào)雨量信息(概要):受2019年第11號(hào)臺(tái)風(fēng)”白鹿”影響, 8月25~26日江西省南部部分有暴雨,局部大暴雨;累計(jì)雨量60~120 mm,局部可達(dá)180 mm左右。
上述預(yù)報(bào)區(qū)前期降雨量很少,基本可以忽略前期降雨影響。根據(jù)預(yù)報(bào)雨量,初步認(rèn)為預(yù)警等級(jí)為黃色(表1、表2[10]),并繪制了預(yù)警圖件。經(jīng)會(huì)商,考慮到預(yù)警時(shí)間為36 h,與24 h過程降雨接近,且江西省南部前期(2019年6月)發(fā)生過大面積突發(fā)、群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,災(zāi)損極為嚴(yán)重,并有人員傷亡,因此將預(yù)警產(chǎn)品的預(yù)警等級(jí)由黃色人工干預(yù)為橙色(圖1)。
表1 降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分表
表2 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)劃分表
圖1 第26期預(yù)警產(chǎn)品
臺(tái)風(fēng)”白鹿”過后,對(duì)降雨空間、強(qiáng)度和時(shí)間進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)降雨空間整體向西南偏移,因?yàn)槠撇糠謴?qiáng)降雨區(qū)落入廣東省范圍,降雨時(shí)間比預(yù)報(bào)時(shí)間亦偏短。
因未有災(zāi)害發(fā)生,因此將實(shí)況降雨時(shí)間段列為對(duì)照產(chǎn)品的預(yù)警時(shí)間(24h);將實(shí)況雨量按24h過程劃分,疊加區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)(表1、表2[10]),形成初始對(duì)照產(chǎn)品(圖2)。因未有災(zāi)害發(fā)生,不再對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行人工干預(yù)(人工干預(yù)考慮見表3),初始對(duì)照產(chǎn)品即為最終對(duì)照產(chǎn)品(圖2)。因偏移出省部分不予反映,因此預(yù)警產(chǎn)品與對(duì)照產(chǎn)品的重疊區(qū)(圖3)與對(duì)照產(chǎn)品高度相似,僅局部有微小差異。
圖3 重疊區(qū)預(yù)警信息
表3 預(yù)警等級(jí)劃分人工干預(yù)參考
空間(S)的數(shù)值通過圖面測(cè)量得知(表4);時(shí)間(T)則通過前、后兩個(gè)產(chǎn)品標(biāo)注預(yù)警時(shí)間段獲取(表4);強(qiáng)度(Q)的取值則參考《江西省地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃(2009~2020年)》的指數(shù)均分法劃分預(yù)警等級(jí),取值如下:藍(lán)色預(yù)警0.25,黃色預(yù)警0.50,橙色預(yù)警0.75,紅色預(yù)警1.0,并提取疊加后分割出的小區(qū)塊數(shù)量(表4)。
根據(jù)3類預(yù)警值(V)的計(jì)算結(jié)果(見表4),采用式(1)可以計(jì)算出預(yù)警產(chǎn)品的綜合準(zhǔn)確率;根據(jù)3類產(chǎn)品的累計(jì)空間面積、累計(jì)強(qiáng)度值、預(yù)警時(shí)長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果(見表4),分別采用式(3、4、5),計(jì)算得出空間、強(qiáng)度和時(shí)間的單項(xiàng)準(zhǔn)確率。
表4 預(yù)警值有關(guān)要素計(jì)算
根據(jù)計(jì)算,江西省2019年第26期省級(jí)預(yù)警產(chǎn)品的綜合準(zhǔn)確率P綜為23.5%,空間、強(qiáng)度、時(shí)間的單項(xiàng)準(zhǔn)確率分別為P空45.4%、P強(qiáng)47.1%、P時(shí)66.7%。
(1) 臺(tái)風(fēng)”白鹿”從江西省南部掠過,按其空間范圍、強(qiáng)度和延續(xù)時(shí)間,只能算是一次普通的強(qiáng)降雨過程。相比預(yù)報(bào)(預(yù)警),空間上雨帶整體向西南偏移了約40 km,降雨落區(qū)減少約1/3(出省);降雨強(qiáng)度相比預(yù)報(bào)略??;預(yù)警時(shí)間較實(shí)況降雨時(shí)間略長(zhǎng),但完全涵蓋降雨時(shí)段。整體來看,該次預(yù)警產(chǎn)品的各指標(biāo)準(zhǔn)確率和效果尚可。
(2) 該次預(yù)警按雨量預(yù)報(bào)初定預(yù)警等級(jí)為黃色,后人工干預(yù)為橙色。若去除人工干預(yù),保留黃色預(yù)警級(jí)別,則會(huì)降低預(yù)警產(chǎn)品的預(yù)警值(V′),反而會(huì)提升預(yù)警產(chǎn)品的綜合準(zhǔn)確率(P綜)。
(3) 該次預(yù)警等級(jí)為較高的橙色預(yù)警,但預(yù)警區(qū)無一例地質(zhì)災(zāi)害上報(bào),經(jīng)分析主要原因如下:對(duì)照產(chǎn)品的橙色預(yù)警區(qū)范圍很小,且橙色和黃色預(yù)警區(qū)主要分布在武夷山、九連山、大庾嶺等地廣人稀的山區(qū),整體上發(fā)生災(zāi)害的概率較低,或者存在災(zāi)損有限或無災(zāi)損而未能上報(bào)的情況。
(4) 由于不用計(jì)算對(duì)照產(chǎn)品偏移出省區(qū)域的空間和強(qiáng)度,在一定程度上減少了對(duì)照產(chǎn)品的預(yù)警值(V″),從而提高了P綜、P空和P強(qiáng)三者的準(zhǔn)確率。倘若按偏移部分仍留在省內(nèi)計(jì)算,預(yù)計(jì)P空約為30%、P強(qiáng)約為35%、P綜則約為15%。
(5) 總之,雨帶偏移是拉低該次預(yù)警準(zhǔn)確率的關(guān)鍵,但偏移出省,則又在一定程度上提高了預(yù)警產(chǎn)品的準(zhǔn)確率。
(1) 不受預(yù)警空間尺度和預(yù)警等級(jí)限制。本模型以對(duì)照產(chǎn)品為理想和標(biāo)準(zhǔn)參照,與預(yù)警產(chǎn)品進(jìn)行耦合程度分析,與預(yù)警的空間尺度無關(guān),理論上適用于各種地域級(jí)別的預(yù)警準(zhǔn)確率計(jì)算。尤其是較小空間尺度和較低等級(jí)的預(yù)警,在地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量少或不發(fā)生的情況下,仍可進(jìn)行預(yù)警效果評(píng)價(jià),具有積極的評(píng)價(jià)效果。只有兩個(gè)預(yù)警產(chǎn)品在空間或時(shí)間或強(qiáng)度(即對(duì)照產(chǎn)品達(dá)不到預(yù)警等級(jí))完全錯(cuò)離的情況下,才會(huì)出現(xiàn)空?qǐng)?bào)和準(zhǔn)確率為0的評(píng)價(jià)結(jié)果。
(2) 相對(duì)客觀。預(yù)警產(chǎn)品與對(duì)照產(chǎn)品的制作基于相同的技術(shù)方法、精度和參數(shù),人工干預(yù)的考慮亦趨同趨近,原則上評(píng)價(jià)結(jié)果的系統(tǒng)性誤差較?。荒P途C合考慮了空間、強(qiáng)度、時(shí)間3個(gè)要素的前后對(duì)比。評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)客觀。
(3) 拓展性。本模型可以計(jì)算單次預(yù)警的綜合準(zhǔn)確率,也可以簡(jiǎn)化計(jì)算其單項(xiàng)因子(空間、強(qiáng)度和時(shí)間)的準(zhǔn)確率,還可以計(jì)算特定時(shí)間周期多期次預(yù)警的綜合準(zhǔn)確率和單項(xiàng)準(zhǔn)確率,具有較強(qiáng)的拓展性。
(1) 人工干預(yù)。本模型主要的不足在于制作對(duì)照產(chǎn)品時(shí)有一定的人工干預(yù)空間??赡軙?huì)為了追求預(yù)警的高準(zhǔn)確率,刻意將對(duì)照產(chǎn)品干預(yù)成“像預(yù)警產(chǎn)品的樣子”,以達(dá)到準(zhǔn)確率的提升。因此,應(yīng)明確人工干預(yù)的條件、方式和結(jié)果,防止不正常的干預(yù)情況發(fā)生。
(2) 控制因子(Vd/V′、Sd/S′、Qd/Q′、Td/T′)的引入顯然在一定程度上降低了各項(xiàng)準(zhǔn)確率的計(jì)算數(shù)值。為復(fù)原準(zhǔn)確率的數(shù)值,可以嘗試將兩個(gè)比值的乘積加開1/2次方予以還原。但當(dāng)控制因子大于主計(jì)算因子(Vd/V″、Sd/S″、Qd/Q″、Td/T″)時(shí),1/2次開方會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng),使結(jié)果大于主計(jì)算因子。極端情況是預(yù)警產(chǎn)品的預(yù)警區(qū)全部位于對(duì)照產(chǎn)品的預(yù)警區(qū)內(nèi)時(shí)(完全重疊),而預(yù)警產(chǎn)品(或重疊區(qū))預(yù)警值又較小,評(píng)價(jià)結(jié)果的補(bǔ)償效應(yīng)會(huì)非常明顯,這也是一個(gè)不愿意看到的情況。
(3) 預(yù)警值計(jì)算的空間、強(qiáng)度、時(shí)間取值,可根據(jù)區(qū)域具體情況賦予相應(yīng)的權(quán)重值,本次探討未進(jìn)行權(quán)重取值分化。
(4) 本模型較現(xiàn)有其它評(píng)價(jià)方法會(huì)增加一定的計(jì)算工作量。且在難以獲得歷史(或過往)降雨數(shù)據(jù)的情況下,無法進(jìn)行預(yù)警產(chǎn)品的準(zhǔn)確率評(píng)價(jià),而現(xiàn)有其它評(píng)價(jià)方法則無此約束。
(5) 不同的評(píng)價(jià)模型,會(huì)得到不同的、甚至截然不同的評(píng)價(jià)結(jié)果,本模型亦不概外。如綜合準(zhǔn)確率(P綜)也可以采用單項(xiàng)準(zhǔn)確率乘積(P空×P強(qiáng)×P時(shí))算法。
預(yù)警工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)性工作,應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)的積累與分析。每一次預(yù)警產(chǎn)品準(zhǔn)確率計(jì)算,不管數(shù)值高低,都應(yīng)進(jìn)行總結(jié)和分析,尤其是有異常數(shù)據(jù)情況。如某一區(qū)塊高頻出現(xiàn)人工干預(yù)或高等級(jí)預(yù)警卻無災(zāi)險(xiǎn)情的情況,可以考慮對(duì)該區(qū)域的現(xiàn)狀地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行重新認(rèn)識(shí);如積累災(zāi)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)間與降雨時(shí)間的對(duì)比數(shù)據(jù),分析災(zāi)險(xiǎn)情是否具有雨后延滯性,延滯多久,與降雨強(qiáng)度的關(guān)系等。數(shù)據(jù)的積累與分析,將為后期預(yù)警工作提供寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn),有利于提升預(yù)警產(chǎn)品的準(zhǔn)確率。
(1) 提出了以對(duì)照產(chǎn)品為理想和標(biāo)準(zhǔn)參照,對(duì)預(yù)警產(chǎn)品從空間、強(qiáng)度、時(shí)間3個(gè)維度進(jìn)行耦合程度分析的準(zhǔn)確率計(jì)算模型,并提出了量化預(yù)警產(chǎn)品規(guī)模體量的預(yù)警值概念。本模型不受空間尺度和預(yù)警等級(jí)限制,也不受有無地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的條件限制;同時(shí),本模型還具備較強(qiáng)的拓展性,可以推演出空間、強(qiáng)度、時(shí)間單項(xiàng)要素的準(zhǔn)確率評(píng)價(jià),及較長(zhǎng)時(shí)間周期多期次預(yù)警產(chǎn)品的準(zhǔn)確率評(píng)價(jià)。本模型算法簡(jiǎn)單。
(2) 以江西省2019年第26期省級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警為試算,得出該期預(yù)警的綜合準(zhǔn)確率為23.5%,空間準(zhǔn)確率為45.4%,強(qiáng)度準(zhǔn)確率為47.1%,時(shí)間準(zhǔn)確率為66.7%。
(3) 預(yù)警產(chǎn)品和對(duì)照產(chǎn)品的制作,應(yīng)明確人工干預(yù)的條件、方式和結(jié)果,防止不正常干預(yù)情況的發(fā)生;不同的評(píng)價(jià)模型,會(huì)得到不同的、甚至截然不同的評(píng)價(jià)結(jié)果,本模型亦不概外。預(yù)警工作應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)的積累與分析,尤其是異常數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析。