江西省短歷時強降水等級標準-編制說明

~~一、工作簡況1．任務(wù)來源20世紀90年代以來，在以全球氣候變暖為主要特征的氣候變化背景下，氣象災(zāi)害發(fā)生呈上升趨勢，而且經(jīng)濟越發(fā)展，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失也越大。全球地表溫度的升高可以改變海陸熱力差異,進而使大尺度環(huán)流的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,加劇區(qū)域以及全球的水循環(huán),進一步影響降水以及強降水的空間分布。地表的蒸發(fā)也會隨著地面溫度的升高而增加,而且溫度的升高還會增強大氣保持水分的能力,進而增大洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率。江西具有特殊的地形和地質(zhì)條件，短時間內(nèi)的極端降水能引發(fā)強致災(zāi)性的氣象災(zāi)害，短歷時強降水即是對這一災(zāi)害具體標定的手段。2.標準起草單位及主要起草人本標準主要起草單位：江西省氣象臺。本標準主要起草人：支樹林、張弛、陳娟、包慧濛、蔣璐君。二、編制原則和主要內(nèi)容1.編制原則按照有關(guān)氣象法律法規(guī)中的屬地化原則，江西省短歷時強降水等級標準制定應(yīng)由江西省氣象部門負責(zé)。主要依據(jù)為：（1）1999年10月31日中華人民共和國第九屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十二次會議通過的《中華人民共和國氣象法》賦予氣象部門的主要職能。（2）2001年10月19日江西省第九屆人民代表大會常務(wù)委員會第二十六次會議通過的《江西省實施〈中華人民共和國氣象法〉辦法》。根據(jù)《江西省實施〈中華人民共和國氣象法〉辦法》，依據(jù)1990年中國氣象局《重要天氣預(yù)報質(zhì)量評定辦法（試行）》（第一次修訂）、1998年中國氣象局《天氣預(yù)報業(yè)務(wù)規(guī)定》（試行）、2003年中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》（修訂）和湖南省氣象局《湖南省天氣氣候若干標準暫行規(guī)定》（試行本）及2011年《江西省氣象臺短時臨近預(yù)報崗位職責(zé)及業(yè)務(wù)規(guī)范流程》、《江西省預(yù)報員手冊》（試行本）、《江西省氣象臺短時臨近預(yù)報質(zhì)量考核辦法》（試行本）等，編制短歷時強降水等級標準的分類。（1）按照標準的一般劃分，氣象標準分為國家標準、行業(yè)標準、地方標準和企業(yè)標準。江西氣象短歷時強降水等級標準為地方標準。（2）短歷時強降水等級標準是降水等級達到一定程度而形成的，為此制定短歷時強降水等級標準時要對涉及到的降水要素及等級先作解釋說明。（3）短歷時強降水等級標準是開放式的，在框架確定后，可以根據(jù)需要及時修改和補充，并向江西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局備案。（4）短歷時強降水等級標準確立過程中，將通過對歷史氣象資料進行反算來進行論證，以確保短歷時強降水等級標準制定的合理性。2.主要內(nèi)容的論據(jù)2.1短歷時強降水的定義1小時內(nèi)降水強度較大，且其對應(yīng)地面雨量達到或超過某一閾值的天氣現(xiàn)象。2.2短歷時暴雨3小時內(nèi)降水強度較大，且其對應(yīng)地面雨量達到或超過某一閾值的天氣現(xiàn)象。2.3雨強1或3小時內(nèi)的地面雨量值，以毫米為單位。2.4短歷時強降水事件氣象觀測站上降水量超過規(guī)定閾值，則稱為一次短歷時強降水事件。2.5短歷時強降水閾值判斷是否為短歷時強降水事件的雨量門限。2.6短歷時暴雨閾值判斷是否為短歷時暴雨事件的雨量門限。2.7標準以強降水事件為研究對象，對其雨強、次數(shù)和強度作定量描述，以1和3小時內(nèi)短歷時強降水量R的大小確定短歷時強降水和短歷時暴雨的嚴重程度。2.8短歷時強降水的等級標準（1）輕度短歷時強降水20mm≤R﹤32mm。（2）較強短歷時強降水32mm≤R﹤45mm。（3）強短歷時強降水45mm≤R﹤58mm。（4）極強短歷時強降水R≥58mm。2.9短歷時暴雨的等級標準（1）輕度短歷時暴雨71mm≤R﹤92mm。（2）強短歷時暴雨R≥92mm。三、主要試驗（或驗證）的分析1．數(shù)據(jù)來源采用2005～2014年共10年的逐小時降水資料，包括2005～2008年的國家氣象站資料和2009～2014年間國家氣象站與新建自動氣象站資料。由于氣象現(xiàn)代化的進步，氣象觀測手段日新月異，從上世紀至21世紀10年代，江西省原有的國家氣象站和自動氣象站設(shè)備有了明顯的更新?lián)Q代，大大提高了降水觀測記錄的完整性和準確性，但與此同時也帶來一些問題：由于觀測方式和觀測儀器的改變，幾十年的觀測記錄有十分明顯的系統(tǒng)性誤差，因此對比并評估了前后資料的一致性，選取了近十年的觀測資料作為此次標準訂立的資料基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進行了分析，并最終形成相關(guān)標準。2．數(shù)據(jù)質(zhì)量控制對2005～2014年的國家氣象站逐小時降水資料進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)即使觀測手段較往年已經(jīng)有了較大提高，但仍存在一系列觀測誤差，因此首先應(yīng)該對降水資料進行篩選和判定，選取通過質(zhì)量控制的降水資料進行分析，然后才能得出較為準確的段歷時強降水標準。2.1質(zhì)量控制對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制過程中，需要不斷地對被數(shù)據(jù)檢驗的進程修改質(zhì)量控制（以下簡稱QC）碼，其定義如下： 數(shù)據(jù)正確： QC碼=0 數(shù)據(jù)可疑： QC碼=1 數(shù)據(jù)錯誤： QC碼=2 無觀測數(shù)據(jù)： QC碼=8 數(shù)據(jù)未做質(zhì)量控制： QC碼=92.2氣候極限值檢查如數(shù)據(jù)超過了氣候?qū)W界限值的范圍，則判定站點該時次數(shù)據(jù)錯誤，QC碼=22.3時間一致性檢查逐一分析資料中連續(xù)6個及以上時次大于0的降水量，如數(shù)據(jù)無變化，則判定為錯。2.4空間一致性檢查（1）對可能存在錯誤的連續(xù)性強降水資料進行QC篩查：從當前時次開始前推，連續(xù)4個時次降水量均在10mm以上時，進行累計降水統(tǒng)計。然后，將其與鄰近站表中排在前面的5個鄰近站4～5個連續(xù)時次累計降水進行比較，均滿足：被檢站累計降水量>2.5×鄰近站累計降水量條件時，則認為數(shù)據(jù)可疑，即QC=1。（2）當被檢站雨量>5mm且QC碼=9時，將其與鄰近國家級站的雨量進行比較：當被檢驗站與任何一個鄰近的國家站數(shù)據(jù)存在如下關(guān)系時，則停止比較，而認為被檢驗站數(shù)據(jù)及其比較的國家站數(shù)據(jù)均正確，即QC碼=0。0.8×鄰近站降水量<=被檢站降水量<=1.2×鄰近站降水量（3）當被檢站的QC碼=9時，則繼續(xù)與鄰近站數(shù)據(jù)比較：在鄰近站表中按前后順序一次性選擇N個鄰近站，將它們當前時次及上個時次的降水量值形成數(shù)據(jù)序列。定義該序列的最大值為VALUE_Max，最小值為VALUE_Min，其中N=16或N=NMax（NMax>0)，NMax指鄰近站不足16個時。該站所有鄰近站的數(shù)量)當被檢驗站小時降水量R與VALUE_Max、VALUE_Min比較，若符合下列判斷原則，則數(shù)據(jù)正確，QC碼=0，；若不符合下列原則且N>=3，則數(shù)據(jù)可疑，QC碼=1。a1×VALUE_Max>=R>=a2×VALUE_Min(a1>1,a2<1)在該過程中，把降水量劃分成0～0.1mm、0.1～5mm、5～10mm、10～50mm、>50mm這5個強度區(qū)間進行檢查，對于不同的降水量段，a1及a2的取值也不同。3．短歷時強降水量級判定及結(jié)果分析3.12005～2014年間雨量數(shù)據(jù)的可靠性由于空間檢驗的三個步驟都需要用到附近的鄰近站，而江西省的自動站數(shù)據(jù)在2009年之后才有較完整的儲存，因此先對國家氣象站逐小時降水進行氣候極限值和時間一致性的檢驗。根據(jù)任芝花（2010）對2006年1月～2009年9月降水數(shù)據(jù)研究，小時雨量的錯誤數(shù)據(jù)有約44%出現(xiàn)在0～0.1mm的區(qū)域上，因此有必要對江西省內(nèi)0～0.1mm的降水頻次進行統(tǒng)計，以評估江西的小時雨量錯誤數(shù)據(jù)的分布狀況如何，結(jié)果如圖1所示?？梢钥吹?，全省國家氣象站這10年間、0.1mm降水出現(xiàn)的頻次逐年變化，其中2005和2006年有異常高值分布，不符合存在比其他年份高出數(shù)倍頻次的氣候?qū)W分布與變化特征；2007年以后的8年中，最大的頻次差值大約為1.5萬次，即變化較為平穩(wěn)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的可能原因是觀測方式的改變和觀測儀器的更新，其根本原因是氣象現(xiàn)代化建設(shè)進程的推進和整個事業(yè)的發(fā)展。基于此統(tǒng)計結(jié)果，認為0～0.1mm量級的降水對短歷時強降水分布的閾值制定工作意義不大，因此，可舍去該區(qū)域、而僅統(tǒng)計0.1mm·h-1以上雨量的分布。圖10.1mm·h-1的逐小時降水頻次的逐年統(tǒng)計分布圖2為2005～2014年間≥30mm·h-1降水頻次的年際分布，可以看到，該小時雨量的頻次分布于約100～250個間，可見經(jīng)過質(zhì)量控制后，上述所有年份的30mm·h-1以上降水頻次的分布是合理的。圖2≥30mm·h-1的逐小時降水頻次的逐年統(tǒng)計分布從近些年的實況資料上可以看到許多類似于下圖3的狀況。圖3a為2015年9月17日8:00～18日8:00江西全省的雨量分布，紅圈中標注的部分為兩個區(qū)域自動氣象站--吉安市永豐縣潭頭和回龍村，其站號分別為J8014和J8367。其中，J8014站在24h內(nèi)出現(xiàn)了10次0.1mm·h-1的降水，J8367站也出現(xiàn)1個時次0.1mm的降水（圖3b），且都通過了質(zhì)量控制。而通常情況下，連續(xù)出現(xiàn)0.1mm降水往往是由于設(shè)備故障錯報導(dǎo)致的降水數(shù)據(jù)，這種情況下，往往很難通過單一降水資料的質(zhì)量控制進行排查處理。(b)(a)(b)(a)圖32015年9月17日08:00～18:00雨量分布及2個區(qū)域氣象站的逐小時雨量變化綜上所述，江西省從2005～2014年的小時降水穩(wěn)定性較差，尤其是2005和2006年中，0.1mm·h-1降水的值遠遠大于其余年份，故存在較明顯的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。不僅如此，近些年的降水也經(jīng)常出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)，且這種量級小的降水無回波與之對應(yīng)，因此無法有效利用雷達資料對其進行質(zhì)量控制。3.22009～2014年數(shù)據(jù)可靠性分析2009年后江西建成了較完整的自動站網(wǎng)絡(luò)，因此用2009～2014年的自動站資料與原有的國家氣象站進行比對，對國家氣象站的數(shù)據(jù)準確性進行空間檢驗后，得到質(zhì)量控制后的國家氣象站0.1mm的降水頻次分布，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯龈鱾€年份的降水頻次較為接近，沒有系統(tǒng)性的誤差。圖4質(zhì)控后2009～2014年0.1mm·h-1的逐小時降水頻次的逐年統(tǒng)計分布盡管如此，空間誤差檢驗只是用單一資料對降水的準確性進行甄別，因而仍具有一定的局限性。四、短歷時強降水等級標準1．標準劃分方法江西省短歷時強降水閾值的確定，采用固定閾值法和百分位算法。（1）固定閾值法參考國內(nèi)外各行業(yè)的閾值標準，對江西省短歷時強降水標準進行閾值設(shè)定。氣象行業(yè)上，國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準：就24小時而言，累計雨量≥50mm為暴雨，≥100mm為大暴雨；就12小時而言，累計雨量≥30mm為暴雨，≥70mm為大暴雨；對6小時而言，累計雨量介于25至60之間即為暴雨；而對1小時而已，通常把雨量≥20mm·h-1定義為短歷時強降水。在預(yù)報業(yè)務(wù)中，預(yù)報員會以小時雨強20～30mm、30～50mm、50～80mm及80mm以上分類予以關(guān)注；但在公眾預(yù)報服務(wù)中，當小時雨強超過20mm這一標準時，氣象部門就會提請相關(guān)區(qū)域進行關(guān)注，并就可能的極值雨強對公眾進行提醒。然而我國幅員遼闊、地域廣袤、氣候復(fù)雜，例如：我國海南省屬于熱帶季風(fēng)氣候，上海市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四川成都屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，內(nèi)蒙古又屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。短歷時強降水國家標準的制定兼顧了各地的氣候，缺乏一定的針對性。日本氣象局發(fā)布公眾的指南中，把20mm·h-1的降水定義為短歷時強降水，認為其會引起地表徑流；地質(zhì)災(zāi)害研究者在研究降水對土壤的侵蝕試驗時發(fā)現(xiàn)，20mm·h-1以上降水會引起地表徑流，但對水土流失影響不大；當小時降水大于50mm時，很容易引起土壤侵蝕，水土流失。借鑒上述做法，分別以20mm·h-1和30mm·h-1作為江西省短歷時強降水的閾值，對全省91個國家氣象站的6年降水頻次進行統(tǒng)計，所得結(jié)果如圖5所示。(a)(b)(a)(b)圖52009～2014年大于20mm·h-1（a）和30mm·h-1（b）的年均降水頻次從圖5a可以看出，江西省小時雨強大于20mm·h-1的降水最大頻次為8次，分布于鷹潭南部、上饒南部、撫州東部和井岡山等地，這些地方地勢較高，因此表明山地地形與較強的降水具有較好的正相關(guān)關(guān)系。最小值位于九江北部和上饒東北部等地。這些特征與全省降水分布的氣候態(tài)特征相近，表明全國標準的20mm·h-1作為短歷時強降水的閾值同樣適用于江西省。由圖5b可以看到，30mm·h-1的降水年均頻次分布大致在0.6～3.3次之間。從形勢分布上看，大值區(qū)分別位于井岡山地區(qū)、撫州東部、上饒西部、景德鎮(zhèn)和贛州石城縣附近。在分布態(tài)上與20mm·h-1具有相似性，因此也具有較好的代表性，但其發(fā)生頻次較少，因此，作為江西省的短歷時強降水標準來說，30mm·h-1還是顯得略偏高，而從分布態(tài)和發(fā)生的頻次上看，20mm·h-1的降水作為江西省的短歷時強降水標準是最合適的。（2）相對閾值法依據(jù)世界氣象組織的推薦指標，將超過98％分位點的短歷時強降水事件定義為極端氣象事件。具體算法為：取1961～2009年各站1小時降水量≥0.1mm的逐小時降水量資料按照升序排列，將第98個百分位值定義為該站短歷時強降水閾值。參照該做法，對江西省大于0.1mm·h-1的降水進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)98%分位點的雨量值約為12mm·h-1。分析認為，對江西省的短歷時強降水天氣而言，該閾值明顯過低。江西位于副熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，盛夏時期，對流性降水往往都能達到10mm·h-1以上，而且12mm·h-1的降水在江西并不具有致災(zāi)性，因此需對該做法進行改進。考慮到微量降水數(shù)據(jù)的真實性和觀測儀器誤差所帶來的影響，結(jié)合業(yè)務(wù)實踐經(jīng)驗，排除了1mm·h-1以下的降水資料，仍采用相對閾值法和升序排列，取98%分位點的小時雨量統(tǒng)計，得到結(jié)果如圖6所示。可以看到，對≥1mm·h-1的小時雨量而言，98%分位點量級的雨量分布大都在19～21mm·h-1之間，平均約為20mm·h-1。在空間分布上，僅九江、宜春、上饒等地的部分地區(qū)和贛州市南部低于該閾值，吉安市西部的局部地區(qū)高于該閾值，總體而言，它們的分布范圍較小，因此20mm·h-1作為短歷時強降水的閾值能具有很好的空間代表性。與固定閾值法對比后發(fā)現(xiàn)，排除1mm·h-1以下的降水數(shù)據(jù)后，采用98%分位值雨量（約20mm·h-1）作為短歷時強降水閾值標準、與固定閾值論述法中20mm·h-1作為短歷時強降水的標準非常吻合，因此可將20mm·h-1作為最終的江西省短歷時強降水閾值標準，其具有很好的地方適應(yīng)性。圖62009～2014年間江西全省國家氣象站≥1mm·h-1的小時雨量98%分位點的降水量級分布2.輕度短歷時強降水的閾值有上述分析可知，無論用固定閾值法或相對閾值法，20mm·h-1的閾值標準都與江西省的降水的分布特征吻合，因此將其作為江西省短歷時強降水起始閾值的地方標準，并將其定義為輕度短歷時強降水的閾值。其不會形成滯澇災(zāi)害，但地面低洼處可能會有積水，會對出行等造成不利影響。3.強和極強短歷時強降水的閾值以上述結(jié)論為基礎(chǔ)，繼續(xù)進行降水量級分