西南山區(qū)泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件時(shí)空耦合關(guān)系分析

高云建，陳寧生，胡桂勝，鄧明楓

（1.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 研究背景

全球氣候變暖及氣候演變加劇的大背景下，厄爾尼諾-拉尼娜事件時(shí)常發(fā)生［1-2］。厄爾尼諾（El nino）現(xiàn)象是指發(fā)生在中、東太平洋海溫異常增暖的一種氣候現(xiàn)象，也稱之為“暖事件”。拉尼娜（La nina）現(xiàn)象是指赤道中、東太平洋水溫反常下降的一種現(xiàn)象，表現(xiàn)為中、東太平洋明顯變冷，也稱之為“反厄爾尼諾”或“冷事件”。當(dāng)赤道中、東太平洋海表溫度持續(xù)6個(gè)月以上偏高0.5℃時(shí)，稱之為一次厄爾尼諾事件；當(dāng)赤道中、東太平洋海表溫度持續(xù)6個(gè)月以上偏低0.5℃時(shí)，稱之為一次拉尼娜事件［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1951—2016年65 a間，共有19個(gè)厄爾尼諾年（暖事件）、14個(gè)拉尼娜年（冷事件），正常年份32個(gè)。全球在厄爾尼諾-拉尼娜等極端氣候事件的影響下，自然災(zāi)害暴發(fā)頻繁［3-6］。如1997，1998年是強(qiáng)厄爾尼諾事件年之一，1998年夏季我國(guó)長(zhǎng)江中下游及華南部分地區(qū)連續(xù)暴雨和特大暴雨，長(zhǎng)江發(fā)生全流域特大洪水，嫩江、松花江流域發(fā)生百年不遇特大洪水，全國(guó)受災(zāi)面積達(dá)20萬(wàn)km2，絕收5.27萬(wàn)km2，洪水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 2 500億元人民幣［1］。再如 1982，1983年厄爾尼諾事件，印度西北部雨季干旱，作物枯萎，而東部恒河平原大面積洪澇，600人死亡，農(nóng)作物和建筑物損失估計(jì)達(dá)7億美元，200萬(wàn)人無(wú)家可歸。孟加拉國(guó)無(wú)數(shù)人葬身洪水，2.5萬(wàn)人無(wú)家可歸［1］。厄爾尼諾-拉尼娜事件引發(fā)了嚴(yán)重的災(zāi)害事件，而這其中，泥石流災(zāi)害的暴發(fā)頻率和強(qiáng)度在厄爾尼諾-拉尼娜事件年有所加劇。

西南地區(qū)山地面積廣、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、地形條件復(fù)雜、極端天氣異常，因此是我國(guó)泥石流災(zāi)害／災(zāi)變暴發(fā)的高發(fā)區(qū)域。張京紅等［7］研究了ENSO（厄爾尼諾-南方濤動(dòng)）循環(huán)與云南蔣家溝泥石流災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系，結(jié)果表明：厄爾尼諾年，泥石流發(fā)生頻次、徑流量和輸沙量偏少的概率較大；拉尼娜年，泥石流發(fā)生頻次、徑流量和輸沙量偏多或持平的概率較大。張鵬飛等［8］研究了50 a以來(lái)厄爾尼諾-拉尼娜事件對(duì)山西省氣候影響，結(jié)果顯示：自1956年以來(lái)，山西省年降雨量呈明顯的波動(dòng)減少的趨勢(shì)，其中厄爾尼諾年降雨量低于正常年份48 mm，發(fā)生干旱的可能性大；拉尼娜年降雨量低于正常年份16 mm，發(fā)生災(zāi)害的可能性小。馬振寧等［9］研究了ENSO影響下陜甘寧蒙接壤區(qū)暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：研究區(qū)暴雨災(zāi)害和拉尼娜關(guān)系密切，且不同地區(qū)影響具有差異性。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于厄爾尼諾-拉尼娜與泥石流時(shí)空關(guān)系研究較少，系統(tǒng)性、大范圍、系統(tǒng)分區(qū)的研究較為欠缺?；谀壳皣?guó)內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，結(jié)合全球氣候變暖的大背景下，本文討論泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件的關(guān)系特征。本文統(tǒng)計(jì)泥石流災(zāi)害事件共234次，其中造成人員死亡的泥石流災(zāi)害事件115次，未造成人員死亡但有經(jīng)濟(jì)損失的泥石流災(zāi)害事件119次。另外，本文統(tǒng)計(jì)自1951年以來(lái)的厄爾尼諾-拉尼娜事件，包括發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、暴發(fā)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。通過(guò)分析泥石流災(zāi)害事件與厄爾尼諾-拉尼娜事件的時(shí)空關(guān)系特征，深化對(duì)泥石流災(zāi)害暴發(fā)條件的認(rèn)識(shí)，為泥石流災(zāi)害的深入研究提供基礎(chǔ)指導(dǎo)。

2 研究區(qū)概況

我國(guó)西南山區(qū)位于第一階梯與第二階梯的過(guò)渡區(qū)域，泥石流災(zāi)害頻發(fā)、危害大、分布范圍廣。西南地區(qū)主要包括四川省、云南省、貴州省、重慶市、西藏自治區(qū)五?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）。區(qū)域地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要以高原、山地為主，分布有青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、四川盆地等；氣候主要為熱帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候和高原山地氣候，東部主要受東亞季風(fēng)氣候影響，西南部主要受西南季風(fēng)影響。西南山區(qū)泥石流災(zāi)害主要分布于高山峽谷地區(qū)，且分布范圍廣：四川省主要分布于橫斷山區(qū)、川西高原、川北丘陵、安寧河、金沙江、大渡河、雅礱江流域等；云南省主要分布于滇西北、滇東北、滇西南及紅河流域河谷地區(qū)等；貴州省主要分布于云貴高原入山陡坡地帶、東北部大婁山和武陵山地帶、黔南與黔西南交界的苗嶺入緩丘地帶等；重慶市主要分布于渝北山地、渝東山區(qū)等；西藏自治區(qū)主要分布于藏東南緣的雅魯藏布江河谷、國(guó)道318沿線，以及喜馬拉雅山區(qū)等。

西南山區(qū)泥石流災(zāi)害暴發(fā)的影響因素較多，如構(gòu)造活動(dòng)、斷層、地震、地形、地層巖性、干旱、降雨、人類活動(dòng)等。西南地區(qū)位于印度洋板塊和喜馬拉雅板塊的擠壓帶，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，斷層分布廣泛。從地形上看，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)西南山區(qū)泥石流溝的平均溝床比降可分為：＜50‰的小溝床比降，該類溝床不易發(fā)生泥石流；50‰～100‰的中小溝床比降，此類溝床發(fā)生泥石流可能性較小；100‰～300‰的較大溝床比降，此類溝床發(fā)生泥石流可能性較大；300‰～500‰的大溝床比降，此類溝床發(fā)生泥石流可能性大；＞500‰的極大溝床比降，此類溝床不易發(fā)生泥石流［10］。西南地區(qū)是地震高度活躍的地帶，分布有多條地震帶，如龍門山地震帶、安寧河谷地震帶、小江地震帶、喜馬拉雅地震帶、康定—甘孜地震帶等。據(jù)盧陽(yáng)［11］關(guān)于地震和干旱與泥石流關(guān)系的研究，地震往往會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)既改變溝谷流域的地形地貌，又為泥石流形成提供豐富的松散固體物質(zhì)，還可以為泥石流提供間接水源；干旱主要使土體開裂，增加土體孔隙，破壞土體原有的力學(xué)性質(zhì)，降低土體的抗剪強(qiáng)度，在后期降雨作用下，土體很容易失穩(wěn)啟動(dòng)。西南山區(qū)泥石流形成的物源、水源、地形條件均滿足，因此成為我國(guó)泥石流暴發(fā)的高發(fā)區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)收集與分析方法

3.1 數(shù)據(jù)收集

研究西南山區(qū)泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件的關(guān)系特征，需要泥石流災(zāi)害和厄爾尼諾-拉尼娜事件2方面的數(shù)據(jù)。首先，泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)主要收集泥石流災(zāi)害點(diǎn)的位置、降雨、氣溫、災(zāi)害損失情況等。其中降雨、氣溫主要統(tǒng)計(jì)各泥石流災(zāi)害點(diǎn)厄爾尼諾-拉尼娜年當(dāng)年的年降雨量、年平均氣溫，以及該點(diǎn)多年平均降雨量、多年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。泥石流災(zāi)害事件統(tǒng)計(jì)共234次，統(tǒng)計(jì)分為有人員死亡（115次）和有財(cái)產(chǎn)損失（119次）2類，如圖1所示。泥石流災(zāi)害點(diǎn)的選取盡可能均衡化，即各省、各地區(qū)均勻統(tǒng)計(jì)，同時(shí)盡量滿足泥石流災(zāi)害事件的數(shù)量。其次，厄爾尼諾-拉尼娜事件數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，主要收集1951年以來(lái)的厄爾尼諾-拉尼娜事件，其中厄爾尼諾事件61次、拉尼娜事件71次、冷／暖或暖／冷事件轉(zhuǎn)換事件15次，如表1所示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)主要包括厄爾尼諾-拉尼娜年的數(shù)量、強(qiáng)度、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等。

圖1 西南地區(qū)泥石流災(zāi)害事件分布Fig．1 Distribution of debris flow events in Southwest China

表1 西南山區(qū)泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件發(fā)生時(shí)間、頻次關(guān)系Table 1 Relation between debris flow disaster and occurrence time and frequency of El Nino and La Nina events in Southwest China

3.2 分析方法

本文主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行西南山區(qū)泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件的關(guān)系研究，具體采用Origin，SPSS等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。此外，借助GIS技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行空間分析，研究?jī)烧叩目臻g關(guān)系特征。

4 泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件的關(guān)系分析

本文收集西南山區(qū)234次泥石流災(zāi)害事件數(shù)據(jù)，同時(shí)收集自1951年以來(lái)的厄爾尼諾-拉尼娜事件。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件的時(shí)空耦合關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1951—2016年65 a間，共有19次厄爾尼諾年（暖事件）、14次拉尼娜年（冷事件），正常年份32個(gè)。統(tǒng)計(jì)泥石流災(zāi)害次數(shù)234次，其中61次泥石流災(zāi)害事件發(fā)生于厄爾尼諾年（暖事件），占總數(shù)的26%；71次泥石流災(zāi)害事件發(fā)生于拉尼娜年（冷事件），占總數(shù)的30%；15次泥石流災(zāi)害事件發(fā)生于冷／暖或暖／冷事件轉(zhuǎn)換年，占總數(shù)的6%。

4.1 泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件時(shí)間關(guān)系分析

全球氣候變化漸趨活躍，另外伴隨人類活動(dòng)的加劇，極端災(zāi)害事件不斷增加，在時(shí)間上表現(xiàn)得尤為突出。統(tǒng)計(jì)自1951年以來(lái)的234次泥石流災(zāi)害事件，以5 a為時(shí)間間隔，分析厄爾尼諾-拉尼娜年泥石流災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間關(guān)系。結(jié)果顯示：從20世紀(jì)50年代開始至今，西南山區(qū)泥石流災(zāi)害暴發(fā)頻率在厄爾尼諾-拉尼娜年有明顯的增加趨勢(shì)；自20世紀(jì)80年代開始，西南山區(qū)泥石流災(zāi)害在厄爾尼諾-拉尼娜年的發(fā)生頻次不斷上升；總體上看，泥石流災(zāi)害在拉尼娜年發(fā)生頻次要高于厄爾尼諾年，如表2和圖2所示。

表2 西南山區(qū)泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件時(shí)間關(guān)系Table 2 Temporal frequency of debris flow disaster in El Nino and La Nina events in Southwest China

圖2 西南山區(qū)泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件時(shí)間關(guān)系Fig．2 Temporal frequency of debris flow disaster in El Nino and La Nina events in Southwest China

4.2 泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件空間關(guān)系分析

泥石流的暴發(fā)，除了受極端天氣、極端氣候等所控制的水源因素影響以外，還受其他因素如地形、物源等的影響。反之亦然，當(dāng)泥石流暴發(fā)的地形、物源條件都得到滿足，水源條件的盈虧則成為泥石流最終暴發(fā)的關(guān)鍵因素?；贕IS技術(shù)進(jìn)行空間分析，分析在厄爾尼諾-拉尼娜年及冷、暖事件轉(zhuǎn)換年，泥石流災(zāi)害在空間范圍上的分布特征，如圖3、表3所示。結(jié)果表明：①在厄爾尼諾-拉尼娜事件年，泥石流災(zāi)害暴發(fā)比較頻繁的區(qū)域有藏東南山區(qū)、橫斷山區(qū)、滇東北、貴州西部及西南部、滇西北、大渡河及雅礱江流域等；②在大渡河及雅礱江流域、滇東北、貴州西部及西南部等區(qū)域，厄爾尼諾年爆發(fā)泥石流災(zāi)害要多于拉尼娜年；③在橫斷山區(qū)、涼山州安寧河流域、滇西北、重慶山區(qū)、藏東南山區(qū)、喜馬拉雅山區(qū)等區(qū)域，拉尼娜年泥石流災(zāi)害爆發(fā)多于厄爾尼諾年。

圖3 厄爾尼諾-拉尼娜年西南地區(qū)泥石流災(zāi)害分布密度Fig．3 Density distribution of debris flow in Southwest China in El Nino and La Nina years

表3 西南山區(qū)泥石流災(zāi)害與厄爾尼諾-拉尼娜事件空間關(guān)系Table 3 Spatial distribution of debris flow in El Nino and La Nina events in Southwest China

4.3 厄爾尼諾-拉尼娜年西南地區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)降雨的時(shí)空分布特征

泥石流的暴發(fā)需滿足水源條件，其中降雨是重要的水源補(bǔ)給方式。統(tǒng)計(jì)自1951年以來(lái)，泥石流災(zāi)害發(fā)生的厄爾尼諾年、拉尼娜年、冷／暖或暖／冷事件轉(zhuǎn)換年的年降雨、氣溫?cái)?shù)據(jù)。另外，統(tǒng)計(jì)各泥石流災(zāi)害點(diǎn)多年平均降雨量和多年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。以1981—2010年近30 a間的多年平均降雨為基準(zhǔn)，根據(jù)泥石流發(fā)生的不同區(qū)域，統(tǒng)計(jì)其多年平均降雨量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比厄爾尼諾-拉尼娜年及冷／暖或暖／冷事件轉(zhuǎn)換年與正常年份的降雨和氣溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果顯示：①在厄爾尼諾年，西南山區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)降雨量略大于多年平均降水量，且降雨波動(dòng)較大；②在拉尼娜年，西南山區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)降雨量明顯大于多年平均降水量，甚至某些地區(qū)降雨量出現(xiàn)大幅度增加；③在冷／暖或暖／冷事件轉(zhuǎn)換年，西南山區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)降雨量總體大于多年平均降水量；④在厄爾尼諾-拉尼娜事件的影響下，西南地區(qū)降雨量普遍增加，且異常降雨趨勢(shì)明顯。在厄爾尼諾-拉尼娜年，降雨的增加意味著西南山區(qū)泥石流災(zāi)害／災(zāi)變發(fā)生的可能性增大，如圖4所示。其中，圖4（a）中50號(hào)泥石流溝厄爾尼諾當(dāng)年降雨數(shù)據(jù)缺失；圖4（b）中27號(hào)、29號(hào)泥石流溝降雨數(shù)據(jù)與28號(hào)相同，因?yàn)橥瑫r(shí)間、同地點(diǎn)3處泥石流發(fā)生，因此僅統(tǒng)計(jì)了28號(hào)，45號(hào)泥石流溝降雨數(shù)據(jù)缺失。

圖4 不同事件年西南山區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)降雨量Fig．4 Rainfall at debris flow locations in southwest China in El Nino La Nina years and cold／warm or warm／cold event transition years

5 結(jié) 論

隨著全球氣候變暖，極端天氣變化異常，特別是在厄爾尼諾-拉尼娜事件的影響下，西南山區(qū)暴發(fā)了大量的自然災(zāi)害／災(zāi)變事件。其中泥石流災(zāi)害近年來(lái)的暴發(fā)頻率有所增加，并且受極端降雨、干旱等天氣的影響，暴發(fā)特征極為異常。本文統(tǒng)計(jì)西南山區(qū)234次泥石流災(zāi)害事件，其中造成人員死亡的泥石流災(zāi)害115次，造成財(cái)產(chǎn)損失的泥石流災(zāi)害119次。收集自1951年以來(lái)65 a間的厄爾尼諾-拉尼娜事件，其中厄爾尼諾事件19次、拉尼娜事件14次、正常年份32個(gè)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)借助GIS空間分析技術(shù)，研究西南山區(qū)泥石流災(zāi)害事件與厄爾尼諾-拉尼娜事件的時(shí)空耦合關(guān)系。結(jié)果顯示：

（1）在時(shí)間關(guān)系上，厄爾尼諾-拉尼娜年西南山區(qū)泥石流災(zāi)害暴發(fā)頻率有明顯的增加趨勢(shì)，特別是20世紀(jì)80年代開始，泥石流活動(dòng)異常頻繁。另外，泥石流災(zāi)害在拉尼娜年發(fā)生頻次要高于厄爾尼諾年。

（2）在空間關(guān)系上，厄爾尼諾-拉尼娜事件年，泥石流災(zāi)害暴發(fā)比較頻繁的區(qū)域主要分布于藏東南山區(qū)、橫斷山區(qū)、滇東北、貴州西部及西南部、滇西北、大渡河及雅礱江流域等地區(qū)，且各地區(qū)厄爾尼諾年和拉尼娜年泥石流暴發(fā)頻率不同。

（3）在厄爾尼諾-拉尼娜年，西南山區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)的降雨量總體上大于多年平均降雨量，并且降雨暴發(fā)相對(duì)異常。西南山區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)在時(shí)間和空間關(guān)系上和厄爾尼諾-拉尼娜事件耦合關(guān)系明顯，同時(shí)降雨量也明顯對(duì)于多年平均降雨量。因此，在厄爾尼諾-拉尼娜事件的影響下，西南山區(qū)泥石流災(zāi)害事件有明顯的響應(yīng)趨勢(shì)，兩者關(guān)系密切。