青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害特征及致災(zāi)雨量研究

白愛娟 ,朱科旭 ,管 琴

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；2.青海省氣象臺，西寧 810000；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026）

引言

青海高原位于青藏高原東北部，地形梯度大，土壤質(zhì)地粗糙，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)且危害重[1]。自然條件是引起地質(zhì)災(zāi)害的根本原因，但在地質(zhì)條件脆弱區(qū)，強(qiáng)降水是地質(zhì)災(zāi)害的催化劑[2]。降水產(chǎn)生洪澇，并與地表環(huán)境作用沖毀房屋和路橋，嚴(yán)重的還引起崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等次生災(zāi)害。近年來，在氣候變暖背景下，青海降水量有增多增強(qiáng)趨勢，地質(zhì)災(zāi)害范圍擴(kuò)大，降水誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，災(zāi)情趨于嚴(yán)重[3]。以2018 年為例，青海省強(qiáng)降水導(dǎo)致洪澇94 起，其中4 起引發(fā)了嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害（青海省災(zāi)情通報），因此迫切需要關(guān)注降水對地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)及促進(jìn)作用，開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警機(jī)制研究。

相關(guān)研究指出，致災(zāi)的降水等級和閾值是衡量降水促發(fā)作用的關(guān)鍵，用于預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害的降水參數(shù)包括前期累計降水量、觸發(fā)日暴雨量、暴雨日最大小時雨強(qiáng)等[4]。Crozier 等[5]提出的有效降水量在氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中廣泛應(yīng)用。沈玲玲等[6]應(yīng)用主成分分析法，得出前期降水量對滑坡、泥石流的影響作用相當(dāng)大。馬超等[7]通過對比汶川地震和臺灣集集地震后的泥石流特征，將泥石流分為前期雨量控制型和短歷時降水控制型。宋光齊等[8]結(jié)合地形地貌等地質(zhì)條件特征，得出四川省地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)劃，并根據(jù)預(yù)報的降水量進(jìn)行氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。朱佳敏等[9]得出浙江寧波觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的前7 天雨量閾值為100mm。呂招娣等[4]得出江西廣豐觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的暴雨日雨量閾值為80mm。

近年來氣象地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)是青海亟需解決的重大問題。本文擬利用近12a 年青海地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)情記錄和對應(yīng)時次中國氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（CMA Land Data Assimilation System，以下簡稱CLDAS）的融合數(shù)據(jù)，確定青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)，并分析降水對地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用，確定預(yù)警氣象地質(zhì)災(zāi)害的降水條件和土壤水分條件。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

（1）2008～2020 年青海省45 個縣的應(yīng)急管理局、民政局、防汛辦、水利局，以及各部門聯(lián)合調(diào)查上報的災(zāi)情直報信息。直報信息中標(biāo)注了來源、直接經(jīng)濟(jì)損失和信息制作人、聯(lián)系方式，還對災(zāi)害類型、發(fā)生地點(diǎn)、起止時間、災(zāi)情影響（受傷人口、死亡人數(shù)、倒塌房屋）和天氣特征進(jìn)行了詳細(xì)描述。研究從該信息中獲取了災(zāi)害地點(diǎn)、類型、發(fā)生時間和原因。

（2）2008～2020 年CLDAS 的融合降水資料。2008～2016 年數(shù)據(jù)網(wǎng)址：http://tipex.data.cma.cn/tipex，2017～2020年數(shù)據(jù)網(wǎng)址：http://data.cma.cn/。數(shù)據(jù)分辨率為0.0625°×0.0625°，逐小時間隔。該數(shù)據(jù)改進(jìn)了國家衛(wèi)星氣象中心基于離散坐標(biāo)法物理模型（Hybrid）的短波輻射遙感反演業(yè)務(wù)算法，采用基于“概率密度函數(shù)＋最優(yōu)插值”方法獲得了格點(diǎn)融合降水。該數(shù)據(jù)與中外同類產(chǎn)品相比較，在中國區(qū)域質(zhì)量更高[10]。崔園園等[11]研究指出該資料在中雨以下級別與站點(diǎn)觀測降水量相關(guān)系數(shù)高，通過了0.05 水平的顯著性檢驗。

（3）2008～2020 年CLDAS 的0～10cm、10～40cm 土壤體積含水量數(shù)據(jù)。雨水落在土壤表面后，通過滲入土地，使土壤含水量增加，改變了土壤的粘度和密度，導(dǎo)致氣象地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。土壤體積含水量是土壤中水分占有的體積和土壤總體積的比值，表示土壤空隙的充水和潤濕程度。CLDAS 土壤體積含水量產(chǎn)品是利用氣溫、氣壓、濕度等數(shù)據(jù)和初始場信息驅(qū)動CLM和Noah-MP（1～4）陸面模式集合模擬而得到的。

1.2 方法

本文用有效降水量分析降水下滲土壤后對氣象地質(zhì)災(zāi)害的促發(fā)作用。有效降水量是自然降水過程滲入土壤并儲存在作物主要根系吸水層中的雨量值，通常是應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面，考慮到降水是氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因子，Zêzere 等[12]將其應(yīng)用到氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警上，其經(jīng)驗公式如下：

式中：Ra是災(zāi)害當(dāng)日的前期有效降水量；P1為災(zāi)害降水前一天的日降水量，Pn表示前n天的降水量。例如當(dāng)降水時長尺度為3d 時，n取3；K為衰減參數(shù)，一般取[0.8，0.9]區(qū)間的常數(shù)，本文參照Zêzere 等[12]的研究結(jié)論，K取0.9。

2 青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害特征分析

2.1 氣象地質(zhì)災(zāi)害的時間變化

根據(jù)青海省2008～2019 年災(zāi)情數(shù)據(jù)，篩選出23 次氣象地質(zhì)災(zāi)害事件，繪制青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害的年際和月際變化曲線（圖1）。分析3 類氣象地質(zhì)災(zāi)害的年際變化曲線，發(fā)現(xiàn)近12a 青海省氣象地質(zhì)災(zāi)害崩塌發(fā)生1 次，滑坡12 次，泥石流10 次，平均每年發(fā)生2 次。2010、2016、2017 年氣象地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)最多，平均為4 次。分析氣象地質(zhì)災(zāi)害的月際變化發(fā)現(xiàn)，氣象地質(zhì)災(zāi)害僅出現(xiàn)于5～10 月，頻次分布為雙峰型，7 月最多（9 次），9 月次之（8 次），其余月份不足3 次。因此，青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害的年際和月際變化大，7月是災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多的時段。

圖1 2008～2019 年青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的年際（a）和月際（b）變化曲線

2.2 氣象地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征

青海高原近12a 氣象地質(zhì)災(zāi)害的空間分布如圖2所示。氣象地質(zhì)災(zāi)害主要集中在東部地區(qū)，尤其是西寧市、海南州、黃南州、玉樹州、黃南州5 個地區(qū)。崩塌僅在西寧市發(fā)生1 次；泥石流主要出現(xiàn)在海南州東部、玉樹州稱多縣，此外海西州德令哈市也有1 次泥石流發(fā)生；滑坡主要發(fā)生在西寧市、海南州東部和黃南州北部地區(qū)，玉樹州囊謙縣和果洛州瑪沁縣各有1 次滑坡發(fā)生。

從圖2 可以看出，西寧市、海南州、黃南州、玉樹州是氣象地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)，將這4 個地區(qū)近12a 氣象地質(zhì)災(zāi)害頻次列為表1。分析可知：海南州同德和貴德發(fā)生頻次最高，同德出現(xiàn)4 次，貴德出現(xiàn)3 次；其次是西寧湟中和西寧市區(qū)附近，各發(fā)生了3 次；玉樹稱多和黃南同仁各發(fā)生了2 次。趙家緒等[13]分析指出：青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害主要沿湟水、黃河干流及其支流沿岸呈條帶狀分布，與易發(fā)區(qū)中的西寧市區(qū)和湟中縣一致；其次災(zāi)害易發(fā)生在呈條帶狀分布的低山及丘陵前緣斜坡地帶，地形支離破碎的高坡深溝區(qū)，沿軟弱夾層地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，與易發(fā)區(qū)中的海南州同德、貴德縣，以及黃南州同仁縣吻合；以上地區(qū)氣象地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)是與侵蝕剝蝕的中低山及丘陵地貌，地形坡度，植被稀少，以及溝深坡陡的地形地貌密切相關(guān)，而夏季高強(qiáng)度的陣性降水是誘發(fā)因素。

表1 2008～2019 年青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的災(zāi)害頻次

圖2 2008～2019 年青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害空間分布（a）、災(zāi)害易發(fā)區(qū)（b）

3 青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害降水和土壤水分特征分析

3.1 氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警條件

為了確定青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警條件，以2008～2019 年23 次滑坡、泥石流和崩塌類災(zāi)害事件為例，利用ArcGIS 軟件，提取了23 次事件災(zāi)害點(diǎn)對應(yīng)的CLDAS 數(shù)據(jù)的降水量和災(zāi)害發(fā)生時土壤體積含水量，其中2 次事件部分資料缺失，后文中不予分析。通過格點(diǎn)降水量確定每次災(zāi)害發(fā)生前降水起始時間、結(jié)束時間和持續(xù)時間。出現(xiàn)>1mm 的降水日為起始時間；氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時間為結(jié)束時間[14]，起始時間與結(jié)束時間之間的時長為降水持續(xù)天數(shù)。統(tǒng)計21次災(zāi)害發(fā)生前降水量和土壤濕度的變化特征，如圖3、圖4 所示。根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的前期降水量與當(dāng)天日降水量，可分為3 種類型：前期降水型、強(qiáng)降水型、綜合型。

分析8 次前期降水型氣象地質(zhì)災(zāi)害的土壤濕度特征（圖3）可知：兩個深度的土壤體積含水量相近，除了1 次災(zāi)害外，差值均≤0.03mm3/mm3，說明雨水已滲透到土壤40cm 以下。分析前期降水型氣象地質(zhì)災(zāi)害的降水特征（圖4）可知：有5 次災(zāi)害當(dāng)天未出現(xiàn)降水（圖4a），當(dāng)天及前一天有效降水量之和<10mm(圖4b)，災(zāi)害的降水持續(xù)天數(shù)>5d，持續(xù)有效降水量>18mm（圖4c）。以上分析說明前期較長時間降水累積作用對氣象地質(zhì)災(zāi)害的促發(fā)作用明顯，且災(zāi)害通常滯后于降水出現(xiàn)。

圖3 2008～2019 年青海高原前期降水型、強(qiáng)降水型、綜合型氣象地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)害發(fā)生時土壤體積含水量（虛線內(nèi)表示2 層土壤體積含水量差值≤0.3mm3/mm3，兩條實線為0.27mm3/mm3 等值線）

分析7 次強(qiáng)降水型氣象地質(zhì)災(zāi)害的土壤濕度特征（圖3）可知：除了1 次災(zāi)害外，0～10cm 比10～40cm的土壤體積含水量大，最大的土壤含水量差值達(dá)到0.08mm3/mm3，最小的差值為0.01mm3/mm3。土壤濕度差大說明深層土壤未飽和，降水量主要作用于地表，尚未完全向下滲透到土壤深層，表層土壤與雨水作用促進(jìn)災(zāi)害發(fā)生。分析強(qiáng)降水型氣象地質(zhì)災(zāi)害的降水特征（圖4）可知：災(zāi)害當(dāng)天均有降水，有4 次災(zāi)害當(dāng)天的有效降水量>10mm（圖4a），且當(dāng)天與前一天有效降水量之和均>10mm（圖4b），但降水持續(xù)天數(shù)均在4d 以內(nèi)，且持續(xù)有效降水量、當(dāng)天及前一天有效降水量之和相近（圖4c）。以上分析說明當(dāng)天和前一天降水是導(dǎo)致氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因。

分析6 次綜合型氣象地質(zhì)災(zāi)害的土壤濕度特征（圖3）可知：不同過程土壤濕度特征不一致，有些災(zāi)害中0～10cm 和10～40cm 深度的土壤體積含水量相近，有些災(zāi)害中0～10cm 土壤體積含水量大于10～40cm 的。分析綜合型氣象地質(zhì)災(zāi)害的降水特征（圖4）可知：當(dāng)天有1 次災(zāi)害無降水出現(xiàn)，有3 次災(zāi)害有效降水量>10mm（圖4a），當(dāng)天及前一天有效降水量之和>10mm（圖4b），且降水持續(xù)天數(shù)>5d，持續(xù)有效降水量>18mm（圖4c）。以上分析說明災(zāi)害既受到當(dāng)天及前一天降水的促發(fā)作用，同時也受到長期降水作用。

圖4 2008～2019 年青海高原3 類氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時當(dāng)天有效降水量（a）、當(dāng)天及前一天有效降水量之和（b）以及持續(xù)有效降水量（c）的演變特征（b 中虛線表示強(qiáng)降水型雨量閾值，c 中虛線表示前期降水型雨量閾值）

根據(jù)以上分析，確定青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時的土壤濕度主要表現(xiàn)為2 種類型：一是0～10cm、10～40cm 的土壤體積含水量接近，差值≤0.03mm3/mm3，說明災(zāi)害發(fā)生時土壤水分已達(dá)到飽和，且降水已滲透到40cm 以下；二是0～10cm 土壤體積含水量多于10～40cm 的，且0～10cm 土壤體積含水量>0.27 mm3/mm3，說明降水尚未完全滲透到土壤深層，僅表層土壤近乎飽和。再結(jié)合上述3 類氣象地質(zhì)災(zāi)害降水對災(zāi)害的促發(fā)作用，可確定青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警條件：①雨量閾值條件：當(dāng)天及前一天有效降水量之和達(dá)到10mm，或持續(xù)有效降水量達(dá)到18mm 以上；②土壤水分條件：0～10cm 和10～40cm的土壤體積含水量差值≤0.03mm3/mm3，或其中一個深度的土壤體積含水量≥0.27mm3/mm3。

3.2 氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警條件的檢驗

針對3.1 節(jié)的青海氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警條件，應(yīng)用2020 年災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。2020 年青海氣象地質(zhì)災(zāi)害共發(fā)生了5 次，每次災(zāi)害的降水量和土壤濕度特征見表2。5 次災(zāi)害事件中，兩層土壤體積含水量差值≤0.03 mm3/mm3，或0～10cm 的土壤體積含水量>0.27mm3/mm3，滿足前面確定的土壤水分條件。5 次災(zāi)害事件有2 次為前期降水型，2 次為強(qiáng)降水型，1 次為綜合型。2 次前期降水型災(zāi)害事件中，降水持續(xù)天數(shù)分別為11d 和10d，持續(xù)有效降水量分別為23.7mm 和22.3mm，超過雨量閾值條件的18mm。2 次強(qiáng)降水型災(zāi)害事件中降水持續(xù)天數(shù)分別為2 天和4 天，當(dāng)天降水與前一天有效降水之和分別為17.9mm和22.2mm，超過雨量閾值條件10mm。1 次綜合型災(zāi)害中，當(dāng)天降水與前一天有效降水之和為11.6mm，也超過了雨量閾值條件10mm。同時該次過程中降水持續(xù)天數(shù)超過5d，持續(xù)有效降水量超過18mm。以上5 次災(zāi)害過程中均達(dá)到了氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警條件，說明該閾值條件合理，預(yù)警效果較理想。

表2 青海高原2020 年氣象地質(zhì)災(zāi)害事件降水量和土壤濕度特征

考慮到玉樹稱多氣象地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，以2020 年6月稱多縣為例，研究預(yù)警條件對青海氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警效果。以災(zāi)害發(fā)生的6 月19 日19 時為參考，分別繪制出6 月逐日19 時的土壤體積含水量（圖5a）、6 月逐日的持續(xù)有效降水量、當(dāng)日與前一天有效降水之和的時間序列（圖5b）。

如圖5a 所示，自6 月19 日起，災(zāi)害點(diǎn)附近0～10cm的土壤濕度受12 日以后降水影響，土壤體積含水量逐漸增加，16 日躍增到0.27mm3/mm3以上，17 日、18日下降，19 日達(dá)到0.27mm3/mm3；10～40mm 土壤濕度受降水過程影響緩慢，在17 日后才增加到0.25mm3/mm3以上，18、19 日下降，19 日達(dá)到0.24mm3/mm3，滿足土壤水分條件。分析災(zāi)害發(fā)生前有效降水量變化特征（圖5b）可知：6 月11 日開始，持續(xù)有效降水量呈逐日增加趨勢，從0mm 增加到19 日的22.3mm，其中18 日、19 日以及隨后的20～23 日連續(xù)超過18mm；20～23 日，發(fā)生了空報。究其原因，雖然持續(xù)有效降水量超過了20mm，土壤濕度條件滿足，但是災(zāi)害后地面物源條件缺失，所以很難再次發(fā)生災(zāi)害。分析該時間段當(dāng)天及前一日有效降水量之和的變化（圖5b）可知：在20～22日、26～27 日，該值超過了10mm，但降水未能導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生，這也是災(zāi)害后地面物源條件缺失的結(jié)果。因此雨量閾值和土壤水分條件準(zhǔn)確地預(yù)警了氣象地質(zhì)災(zāi)害初次發(fā)生的時間，災(zāi)害發(fā)生前未出現(xiàn)虛假預(yù)警。

圖5 玉樹州稱多縣2020 年6 月逐日19 時0～10cm、10～40cm 的土壤體積含水量（a，單位：mm3/mm3）和逐日持續(xù)有效降水量、當(dāng)日與前一天有效降水量之和（b，單位：mm）變化曲線（橫虛線為預(yù)警條件，縱虛線為災(zāi)害發(fā)生日期）

綜上所述，通過對歷史氣象地質(zhì)災(zāi)害的分析以及最新個例的檢驗，說明結(jié)合有效降水量和土壤濕度能夠有效地預(yù)警氣象地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。雖然該方法未出現(xiàn)漏報的情況，但是會有一定的虛假預(yù)警，尤其是出現(xiàn)在災(zāi)害發(fā)生后的空報。我國其它地區(qū)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的雨量閾值都直接應(yīng)用降水量，未考慮前期降水量的蒸發(fā)消散作用，比如浙江寧波[8]、江西廣豐[9]、西南地區(qū)[15?16]。本文采用的有效降水量克服了這種弊端。比較不同地區(qū)雨量閾值的大小，發(fā)現(xiàn)其它地區(qū)的雨量閾值顯著高于青海高原的閾值，這也是青海土質(zhì)松散、降水量小但雨強(qiáng)大，以及局地性強(qiáng)[17]的必然結(jié)果。同時也發(fā)現(xiàn)青海高原地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天不一定有降水出現(xiàn)，即有些災(zāi)害發(fā)生在降水結(jié)束以后，明顯滯后于降水天氣，這與四川汶川和臺灣集集等地的震后地質(zhì)災(zāi)害不一致[6]，局地性明顯。

4 結(jié)論與討論

本文針對青海省2008～2019 年氣象地質(zhì)災(zāi)害事件進(jìn)行分析，確定了氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警條件，得到以下結(jié)論：

（1）青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)年際波動大，易發(fā)生在7 月。災(zāi)害易發(fā)區(qū)包括中海拔的西寧市、海南州、黃南州，此外在高海拔的玉樹州災(zāi)害危險性也高。

（2）根據(jù)前期降水量與當(dāng)天日降水量之間不同的權(quán)重關(guān)系，可將青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害分為3 種類型：前期降水型、強(qiáng)降水型、綜合型。結(jié)合土壤濕度特征，可得青海高原氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警條件：①雨量閾值條件：當(dāng)天降雨量和前一天有效雨量之和達(dá)到10mm，或持續(xù)有效降水量達(dá)到18mm 以上；②土壤水分條件：0～10cm 和10～40cm 的土壤體積含水量差值≤0.03mm3/mm3，或其中一個深度的土壤體積含水量≥0.27mm3/mm3。

青海高原重大氣象地質(zhì)災(zāi)害前期的降水量對災(zāi)害具有顯著的誘發(fā)作用，由于青海不同地區(qū)地形坡度和地質(zhì)條件存在顯著差異，因此誘發(fā)氣象地質(zhì)災(zāi)害的降水量也會各不相同，在此選用相同閾值進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警會有一定程度的虛假預(yù)警和漏警。再者，青海不同地區(qū)土壤質(zhì)地條件相差較大，達(dá)到水分飽和的土壤體積含水量不同，本文以0.27mm3/mm3作為全區(qū)一致的土壤水分條件也會導(dǎo)致預(yù)警的不精確。崩塌、泥石流和滑坡等重大地質(zhì)災(zāi)害多是在土壤達(dá)到飽和時發(fā)生，選用土壤相對濕度或土壤飽和度等與土壤水分條件有關(guān)的產(chǎn)品，可以更好地反映土壤水分飽和性。以后將更多的數(shù)據(jù)和個例納入研究，會得到更精細(xì)的降水量和土壤濕度的預(yù)警條件，進(jìn)一步促進(jìn)氣象地質(zhì)災(zāi)害的精細(xì)化預(yù)警。