江西省短歷時強降水等級標(biāo)準(zhǔn)-編制說明

~~一、工作簡況1．任務(wù)來源20世紀(jì)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(jì)越發(fā)展，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)定的手段。2.標(biāo)準(zhǔn)起草單位及主要起草人本標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位：江西省氣象臺。本標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)制定應(yīng)由江西省氣象部門負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的分類。（1）按照標(biāo)準(zhǔn)的一般劃分，氣象標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。江西氣象短歷時強降水等級標(biāo)準(zhǔn)為地方標(biāo)準(zhǔn)。（2）短歷時強降水等級標(biāo)準(zhǔn)是降水等級達(dá)到一定程度而形成的，為此制定短歷時強降水等級標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)確立過程中，將通過對歷史氣象資料進(jìn)行反算來進(jìn)行論證，以確保短歷時強降水等級標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)重程度。2.8短歷時強降水的等級標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)（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．?dāng)?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(jìn)步，氣象觀測手段日新月異，從上世紀(jì)至21世紀(jì)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)訂立的資料基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析，并最終形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2．?dāng)?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(jìn)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(jìn)行篩選和判定，選取通過質(zhì)量控制的降水資料進(jìn)行分析，然后才能得出較為準(zhǔn)確的段歷時強降水標(biāo)準(zhǔn)。2.1質(zhì)量控制對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制過程中，需要不斷地對被數(shù)據(jù)檢驗的進(jìn)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(jìn)行QC篩查：從當(dāng)前時次開始前推，連續(xù)4個時次降水量均在10mm以上時，進(jìn)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(jìn)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(rèn)為數(shù)據(jù)可疑，即QC=1。（2）當(dāng)被檢站雨量>5mm且QC碼=9時，將其與鄰近國家級站的雨量進(jìn)行比較：當(dāng)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(rèn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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?dāng)?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(jìn)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(jìn)程的推進(jìn)和整個事業(yè)的發(fā)展?；诖私y(tǒng)計結(jié)果，認(rèn)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(biāo)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?dāng)?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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)資料對其進(jìn)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(jìn)行比對，對國家氣象站的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)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。可以看出各個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(zhǔn)確性進(jìn)行甄別，因而仍具有一定的局限性。四、短歷時強降水等級標(biāo)準(zhǔn)1．標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，對江西省短歷時強降水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)：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(dāng)小時雨強超過20mm這一標(biāo)準(zhǔn)時，氣象部門就會提請相關(guān)區(qū)域進(jìn)行關(guān)注，并就可能的極值雨強對公眾進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，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(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)98%分位點的雨量值約為12mm·h-1。分析認(rèn)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(dá)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(jìn)行改進(jìn)?？紤]到微量降水?dāng)?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?？梢钥吹?，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?dāng)?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(biāo)準(zhǔn)、與固定閾值論述法中20mm·h-1作為短歷時強降水的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行降水量級分