杨 寅，林 建，包红军

(1.国家气象中心，北京 100081；2.中国气象局-河海大学水文气象研究联合实验室，北京 100081)

0 引言

我国受崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害影响严重。根据自然资源部数据，2018年全国共发生地质灾害2 966起，造成105人死亡、7人失踪、73人受伤，直接经济损失14.7亿元。

大量研究证明气象是诱发滑坡、泥石流等浅层地质灾害的主要因素。国土资源部和中国气象局2003年起联合开展地质灾害气象预警，并从2004年逐渐在省级开展联合预警[1]。随着业务持续开展，地质和气象部门工作者借鉴国内外降水强度-时间(I-D)曲线[2]、降水驱动指标RTI[3]、阈值等相关研究成果[4-5]，结合国内实际研发了多种气象预警模型[6-10]，并分析总结了丰富的预报经验[11]，使我国地质灾害气象预警业务水平逐渐提高。

地质灾害气象预警水平提高依赖于地质灾害形成和发生机理研究深化、客观模型性能和主观经验积累与丰富，目前预警业务主要技术是“客观模型+主观订正”，而其水平的提升需要通过预警检验反馈和支撑。客观评估和定量检验地质灾害气象预警效果，首先要建立合理的检验方法。近年来，学者们先后提出预警命中数量[6]，有效预警百分比[7]，命中率、漏报率和空报率等一种或若干种的指标组合[10-12]，预兆得分(TS评分)[13]，以及涵盖预警时间、空间和强度的预警效果评估方法[14-15]等多种预警检验方法。目前地质灾害气象预警主流检验方法主要分为两类，第一类为单指标法，以准确率等单个指标综合评估气象预警效果，结果简单直观，但未考虑空报和(或)漏报影响。第二类为多指标法，考虑命中、空报和漏报，但指标数量多，检验结果使用困难，也无法合理定量地描述不同等级气象预警的效果。

研究分析2018年全国地质灾害时空分布特征，提出一种地质灾害气象预警综合评估方法，并选取典型灾害个例论证评估方法的合理性，最后比较分析了地质灾害影响重点省份区域的气象预警效果。

1 2018年地质灾害时空特征分析

根据自然资源部数据，2018年全国共发生滑坡、泥石流等地质灾害2 966起。表1是西南、西北等地区的地质灾害数量分布，由表1可见，西南地区数量最高，达1 044次，西北地区灾害仅次于西南，为868次，以上两地区灾害数量之和占全国总数64.5%,“西多东少”空间分布特征明显。以县为基本单元分析各省(自治区、直辖市)地质灾害情况，云南、四川、甘肃、贵州、湖北五省灾情最为严重。分析地质灾害时间分布特征，绝大多数灾害发生在6～8月，以云南等五个省份为例，6～8月期间地质灾害发生百分率均超过80%。

图1 2018年全国各地区地质灾害数量分布Fig.1 The distribution of geo-hazards between different regions of China in 2018

2 地质灾害气象预警综合评估方法

2.1 业务检验方法

气象部门评估地质灾害气象预警的业务检验方法是依据2017年8月中国气象局发布的《地质灾害气象风险预警服务业务技术指南》，指南规定以县行政区或地质灾害点为检验对象，确定三种检验指标，分别是命中率(TSR)、漏报率(PO)和空报率(FAR)，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：NA，NB，NC，nd——分别为Ⅳ级及以上地质灾害气象预警命中、空报、漏报，以及无预警且没有出现灾害的县或地质灾害点数量。

业务检验方法考虑了命中、空报和漏报，实用性较强，但实践中发现该方法存在缺陷：首先，方法不区分预警等级，对Ⅳ级至Ⅰ级预警同等对待，既无法描述不同等级预警效果,还易导致业务人员倾向于发布最低等级预警，不利于预警业务开展和防灾减灾工作实施。其次，检验指标为三个，数量较多，结果不直观。如以县为检验基本单元，A省TSR、PO和FAR分别为85%、15%、80%，B省为88%、20%、90%，B省TSR高，但A省PO和FAR更优，无法明确评判两省预警效果好坏。

2.2 综合评估方法

2016年8月中国气象局发布《暴雨诱发地质灾害气象风险预警业务规范》，规定气象行业的预警等级划分标准，按照25%～50%、50%～75%、75%～95%、95%以上的灾害概率分为Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级和Ⅰ级预警。国家级业务中，目前只对外发布Ⅲ级及以上等级的地质灾害气象预警，同时气象行业收集的灾情数据主要以县为基本单元，尚未精确至灾害点具体经纬度位置。

研究借鉴地震预测检验常用的R值评分方法[16]，结合预警等级越高、灾害发生概率越大的划分标准，考虑预警发布和灾情数据实际情况，提出一种地质灾害气象预警综合评估方法(简称综合评估方法)：

(4)

式中：NA，NB，NC，ND——分别为Ⅲ级及以上预警命中、空报、漏报，以及无预警且没有出现灾害的县行政区数量，县行政区内出现一起或多起地质灾害时，认定数量为一次；

a，b，c——为变量NA，NB，NC和ND的权重系数。

综合评估方法的物理意义为考虑地质灾害气象预警等级(即灾害发生概率)的准确率与虚报率之差。方法根据不同等级气象预警的灾害概率确定各变量的权重系数：对于NC，由于灾害实际发生，概率为100%，以此为基准设定权重系数b为1；对于NA和NB的系数a，实际业务中，当灾害概率位于预警等级的概率区间内即发布预警，因此以各预警等级的概率区间下限值确定Ⅲ级、Ⅱ级和Ⅰ级预警的权重系数，值分别为0.5、0.75和1；ND项所包含的县均无预警发布，故本文取其概率区间上限值，对应权重系数c为0.5。

综合评估方法的取值区间为[-1,1]，检验指标R不仅受命中、空报、漏报影响，还与预警等级有关。预警命中县数量越多、空报县越少，评估得分越高；命中县的预警等级越高，评估得分越高，而空报县的预警等级越高，评估得分越低。

2.3 典型地质灾害个例预警效果检验

以一次典型地质灾害个例分析综合评估方法优点和合理性。2018年7月1日夜间至2日，受高空槽和低层切变线影响，甘肃南部、四川盆地西部和北部等地出现暴雨，部分地区大暴雨或特大暴雨，中国气象局与自然资源部7月1日20时联合发布橙色等级地质灾害气象预警。受降水诱发，7月2日甘肃和四川省分别有13和11个县出现地质灾害(图2)。

图2 2018年7月2日20时24h降水量(填色)、地质灾害发生县(黑色三角形)和气象预警情况Fig.2 The 24 hour precipitation observation, location of county with geological hazards and meteorological early warning at 12:00(UTC) 2 July, 2018

表1是气象预警在甘肃和四川省命中、空报和漏报情况，以及业务检验和综合评估方法结果对比。

预警在甘肃命中、空报和漏报的县数量分别为10个、7个和3个，其中命中与空报均为Ⅲ级预警，无预警且没有地质灾害的县66个，综合评估方法得分如下：

(5)

预警在四川省的命中县数量为10个，其中Ⅲ级8个、Ⅱ级2个；漏报2个县；空报21个县，其中Ⅲ级19个、Ⅱ级2个，无预警且没有地质灾害的县数量147个，综合评估方法检验结果为：

(6)

表1 典型地质灾害个例预警情况及业务检验方法和综合评估方法结果对比

甘肃与四川相比TSR略高、FAR更低，但四川PO低，三种检验指标结果互有高低，根据业务检验方法结果无法直接判断两省预警效果优劣。综合评估方法以单指标R给出四川优于甘肃的检验结果，比业务检验方法更简单直观。再分析综合评估方法合理性，预警在甘肃与四川的命中县数量均为10个，甘肃均为Ⅲ级预警，而四川有2个县为Ⅱ级，考虑到较高等级预警代表灾害发生概率更大，对地质灾害防御工作的指示作用更强，同时四川省灾害漏报县数量更低，预警效果在四川更好的评估结果是合理的。此外，如果将四川省命中县的预警等级由Ⅲ级升级为Ⅰ级，评分提高为0.66；将空报县的Ⅲ级预警均上调为Ⅱ级，评分下降为0.56；说明综合评估方法要求根据实际情况发布相应等级气象预警，鼓励对命中县发布高等级预警，并惩罚在空报县发布高等级预警。

综合评价方法在考虑预警命中、空报和漏报的同时，区分评估了不同等级气象预警的效果，检验结果直观，对地质灾害气象预警业务科学开展有促进作用。

3 地质灾害重点区域预警效果评估

根据2018年全国地质灾害特征，研究以县为基本单元，选取6～8月地质灾害影响最严重区域，即云南、四川、甘肃、贵州、湖北五个省份进行预警效果检验。表2给出预警在各省命中、空报和漏报的县数量，以及业务检验和综合评估方法结果。分析业务检验方法，各省TSR均在97%以上，变化幅度仅为2%；除个别省份外，PO与FAR分别超过55%和80%，而且两个指标的变化幅度较小，均在10%以内，整体来看检验结果的区分度不明显。对比分析各省结果，贵州预警命中灾害的比例最大、漏报灾害的比例最少，TSR和PO最优，虽然贵州FAR与该指标最优的湖北有9%差距，但贵州PO比湖北有领先17%的更大优势，因此贵州预警效果最好；在其余四个省中，湖北TSR和FAR均最优，PO与表现最好的四川接近(相差2%)，因此湖北预警效果是次优的；剩余的云南、四川和甘肃三省TSR、PO和FAR指标各有高低，难以根据业务检验方法结果判断各省预警效果好坏。

相比而言，综合评估方法以单个指标评估各省，直观地给出了贵州最优，湖北其次，云南最差的预警效果排名，此外R值范围在0.16～0.50，变化幅度达34%，比业务检验方法TSR、PO和FAR指标变化幅度大，区分度更明显。图3是业务检验和综合评估方法的定量结果对比，综合评估方法检验得分整体上与漏报率和空报率负相关，这是符合业务经验的。由以上分析可以发现，综合评估方法指标唯一，结果直观，区分度明显，并且符合业务经验。对于地质灾害影响严重的云南等五省份，综合评估方法给出了预警效果从高到低为贵州、湖北、四川、甘肃、云南。

表2 2018年6～8月云南等五省地质灾害气象预警情况及业务检验方法和综合评估方法检验结果对比

图3 2018年6～8月云南等五省地质灾害气象预警的业务检验和综合评估方法检验结果对比Fig.3 Comparison of results between operational and comprehensive evaluation method for meteorological early warning to geological hazards in Yunnan and other four provinces from June to August, 2018

4 结论与讨论

(1)2018年我国地质灾害呈现出西多东少的空间分布特征，以西南地区受灾害影响最为严重，西北地区次之，两地区灾害数量之和占全国总数64.5%；时间分布特征方面，绝大多数地质灾害都发生在6～8月。

(2)研究提出一种地质灾害气象预警综合评估方法，该方法检验指标唯一，根据不同等级气象预警的灾害发生概率确定变量权重系数，物理意义为考虑地质灾害气象预警等级(即灾害发生概率)的准确率与空报率差值。2018年西部地区典型地质灾害个例检验结果表明，综合评估方法具有考虑命中、空报和漏报的同时，区分评估不同等级气象预警效果的能力，检验结果区分度高，与漏报率和空报率指标负相关，符合业务经验。此外，该评估方法具有要求根据实际情况发布相应等级气象预警的特点，鼓励对预警命中县发布高等级预警，惩罚空报县发布高等级预警。

(3)采用综合评估方法，以县行政区为基本单元对2018年6～8月地质灾害影响严重五个省份的气象预警进行对比，预警效果由高到低排名为贵州、湖北、四川、甘肃、云南。

由于目前气象部门收集的灾情信息只能精确到天，综合评估方法未考虑预警时间精度检验，如果未来灾害发生时间更精确，可以将时间项引入检验方法中。