甘 璐，邢 楠，雷 蕾

(北京市氣象臺，北京 100089)

引 言

地質(zhì)災害成災條件包括自然條件和人類活動條件，受地質(zhì)、氣候、植被、地形地貌等共同影響[1]。特大城市基礎設施密集、人口密度和價值密度高，一旦發(fā)生地質(zhì)災害，造成的經(jīng)濟損失和政治影響更是不可估量。氣象要素的異常變化會對土壤水分的分布及地質(zhì)軟硬狀態(tài)有影響[2]。研究表明，自然界中廣泛存在溫度和水分交替循環(huán)，這種熱濕循環(huán)是一種累積發(fā)展過程，往往比持續(xù)浸泡更劇烈，如高溫季節(jié)被烘烤炙熱的巖體突遇降雨、夏季高溫時節(jié)晝夜交替的巨大溫差等，都會引起巖土體熱濕循環(huán)效應[3-5]。強日照、大溫差的氣候條件使得物理風化作用強烈，“烘干-吸水”的干濕循環(huán)交替可以造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，使得巖石孔隙率增大、強度降低、劣化度增加[6-8]。土壤含水量作為與地質(zhì)災害關(guān)系密切的氣象因子是陸面生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的重要組成部分[9]，對土壤含水量進行的模擬研究，為開展地質(zhì)條件的監(jiān)測預報提供了基礎[10-12]。對地質(zhì)災害的氣象成因進行分析，對認識地質(zhì)災害的發(fā)生、發(fā)展，開展地質(zhì)災害的監(jiān)測、預報和預警工作具有重要意義[13-14]。

北京是地質(zhì)災害較嚴重的城市之一，具有災種多、活動頻繁和群發(fā)性強的特征[15]。北京崩塌災害占地質(zhì)災害總數(shù)的80%，其中接近90%的崩塌災害出現(xiàn)在降雨量相對集中的汛期[16]。2010年以來，因強降雨誘發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流等災害更加嚴重，如2012年北京“7·21”特大暴雨導致房山區(qū)多處出現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流；2016年8月5日房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)崩塌災害事件塌方量近萬立方米，掩埋房屋共計7間，損壞房屋10間；2017年門頭溝區(qū)“6·18”突發(fā)山洪泥石流導致12人失聯(lián)等[17]。由于地質(zhì)條件復雜，人類活動加劇等原因，近年來北京地區(qū)的突發(fā)性地質(zhì)災害隱患點、受威脅人口的數(shù)量以及地質(zhì)災害發(fā)生次數(shù)仍在不斷增加[18]。本文通過分析2018年8月11日北京市房山區(qū)崩塌事件的氣象成因，為進一步開展地質(zhì)災害風險預警工作積累經(jīng)驗。

1 資料及崩塌事件概況

1.1 資 料

使用的資料包括北京市規(guī)劃國土委提供的地質(zhì)災害隱患點信息和北京市氣象信息中心提供的氣象資料。研究站點選取代表北京地區(qū)天氣氣候特征的南郊觀象臺，以及距離崩塌地最近的國家級氣象站霞云嶺站。霞云嶺氣象站距離崩塌地約10 km，海拔高度為407.7 m，與事發(fā)地海拔高度相當，可以很好地反映事發(fā)地的天氣氣候特征。北京市汛期為每年的6月1日至9月15日，主汛期為7月20日至8月10日[19]。

1.2 崩塌事件概況

地質(zhì)災害風險普查數(shù)據(jù)分析顯示，北京地區(qū)的地質(zhì)災害風險隱患點約4696個，主要分布在西部、北部地區(qū)[圖1(a)]。隱患點類型包括崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡等，其中崩塌災害所占百分比最高，約51.3%。此次崩塌事件事發(fā)地附近為地質(zhì)災害隱患點密集區(qū)，周邊分布的巖石類型主要是碳酸鹽巖類的白云巖和石灰?guī)r，抗風化能力相對較弱。根據(jù)防汛抗旱指揮部發(fā)布的汛情通報(1)2018年第45期汛情通報,北京市人民政府防汛抗旱指揮部辦公室。，“8·11”崩塌事件發(fā)生在房山區(qū)北部的大安山鄉(xiāng)軍紅路K19+300處，塌方量約3×104m3，路面和路基受損長度達80 m。崩塌處海拔高度約500 m，山體坡度在80°～90°[圖1(b)]。崩塌使得道路雙向阻塞，由于提前發(fā)現(xiàn)險情隱患，及時采取封閉措施，未造成人員傷亡和車輛損失。

2 大氣環(huán)流背景及氣象條件累積效應

2.1 大氣環(huán)流背景

受La Nina事件、印度洋偏冷海溫、高原積雪偏少等因素的共同影響，2018年亞洲夏季風總體偏強，使得西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)偏強、偏西且異常偏北。副高從7月開始明顯西伸北抬，7月10日08:00(北京時，下同)已位于30°N附近[圖2(a)]，7月15日08:00進一步北抬至35°N，北京處在副高西部邊緣[圖2(b)]。副高穩(wěn)定維持使得其外圍暖濕氣流和南下的冷空氣在華北地區(qū)交匯，北京地區(qū)從7月15日夜間開始出現(xiàn)歷時58 h的強降雨，其中密云區(qū)出現(xiàn)特大暴雨(351.3 mm)，房山區(qū)為大暴雨(224.0 mm)。隨后，副高進一步西伸北抬。7月27日開始北京轉(zhuǎn)為受副高內(nèi)部下沉氣流控制，出現(xiàn)持續(xù)性高溫悶熱天氣，至7月30日08:00副高脊點最北達到內(nèi)蒙古北部[圖2(c)]。7月27日至8月5日北京地區(qū)均處在588 dagpm線以內(nèi)，持續(xù)時間達10 d，華北局部地區(qū)在副高592 dagpm線控制下，實屬罕見。8月10日20:00，500 hPa位勢高度場中高緯地區(qū)為“兩脊一槽”型[圖2(d)]，華北地區(qū)受脊控制，河套附近為一深厚的西風槽。受西風槽東移影響，房山地區(qū)8月11日凌晨出現(xiàn)強降雨。綜上所述，副高異常偏強、偏西且偏北的天氣背景下，北京地區(qū)持續(xù)性強降雨和持續(xù)性高溫悶熱天氣交替出現(xiàn)。

2.2 前期降水及氣溫累積效應

圖3 為2018年6月1日至8月10日北京地區(qū)累計降雨量空間分布及逐日降水量變化?？梢钥闯?，北京地區(qū)累計降雨量出現(xiàn)了兩個明顯的極值中心：一個位于密云東北部，累計降雨量極值出現(xiàn)在密云西白蓮峪，為820.7 mm；另一個位于房山西部，累計降雨量極值出現(xiàn)在房山霞云嶺氣象站。崩塌地和霞云嶺氣象站均處在房山西部的降雨極值中心。霞云嶺氣象站同時期降雨強度要比南郊觀象臺更大，綜合體現(xiàn)了地形對降雨的增幅作用。入汛以來南郊觀象臺累計降雨量為386.5 mm，比常年同期偏多26.6%；霞云嶺氣象站全年累計降水量為641.7 mm，其中，汛期以來累計降雨量為576.6 mm，比常年同期偏多61.7%。房山霞云嶺氣象站分別在7月16日、7月22日和8月6日出現(xiàn)了日降雨量超過100.0 mm的強降雨過程，特別是7月13—27日出現(xiàn)了持續(xù)性強降雨。倪樹斌等[17]研究指出，北京地區(qū)年降水量為570.0～590.0 mm時，降水對崩塌災害有最強影響，650～670 mm時達到第2個峰值，尤其是較長時間的連續(xù)降雨。雨水不斷滲入巖石裂隙，沖刷、溶解和軟化了裂隙充填物, 降低了巖體間的抗拉強度，使得崩塌地巖體始終處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，加上長期的風化作用，在重力作用下巖體垮塌崩落的可能性進一步增加。因此，降水偏多對“8·11”崩塌事件的發(fā)生具有極強的影響。

圖1 北京地區(qū)崩塌點、氣象站點以及地質(zhì)災害隱患點空間分布(a)及“8·11”崩塌事件現(xiàn)場(b)Fig.1 The spatial distribution of collapse spots, meteorological stations and hidden trouble spots of geological hazards over Beijing (a) and the accident scene of the “8·11” collapse event (b)

圖2 “8·11”崩塌事件前期500 hPa位勢高度場(單位：dagpm)(a)7月10日08:00，(b)7月15日08:00，(c)7月30日08:00，(d)8月10日20:00Fig.2 The 500 hPa geopotential height fields before “8·11” collapse event (Unit: dagpm)(a) 08:00 BST on July 10, (b) 08:00 BST on July 15, (c) 08:00 BST on July 30, (d) 20:00 BST on August 10

圖3 2018年6月1日至8月10日北京地區(qū)累計降雨量空間分布(a，單位：mm)及南郊觀象臺和霞云嶺氣象站逐日降水量變化(b)Fig.3 The spatial distribution of accumulated precipitation from 1 June to 10 August 2018 over Beijing area (a, Unit: mm) and variation of daily precipitation at the southern suburb observatory station of Beijing and Xiayunling meteorological station (b)

圖4為2018年6月1日至8月10日南郊觀象臺和霞云嶺氣象站逐日最高氣溫變化?？梢钥闯?，北京地區(qū)日最高氣溫超過35 ℃的高溫日為20 d，比常年同期的7.6 d明顯偏多；悶熱日數(shù)[20]達17 d，為歷史同期最多。霞云嶺氣象站屬于高山站，變化趨勢與南郊觀象臺趨于一致。特別是7月27日開始華北地區(qū)轉(zhuǎn)為受副高內(nèi)部下沉氣流控制，使得北京地區(qū)7月30日至8月5日出現(xiàn)持續(xù)高溫悶熱天氣。持續(xù)性高溫天氣的“烘焙”作用，導致土壤墑情極度惡化，熱脹冷縮作用使得巖石開裂，山區(qū)土質(zhì)更為疏松，部分危巖破碎程度增加。8月8—9日，崩塌地附近出現(xiàn)了暴雨，降雨不斷滲透到疏松的巖石底部，使得巖層更加不穩(wěn)定，地質(zhì)災害發(fā)生的風險進一步提高。“8·11”事件前期持續(xù)性強降雨之后緊接著出現(xiàn)持續(xù)性高溫天氣，二者的累積效應為崩塌事件的發(fā)生孕育了非常有利的氣象條件。

圖4 2018年6月1日至8月10日南郊觀象臺和霞云嶺氣象站逐日最高氣溫變化Fig.4 Variation of daily maximum temperature at the southern suburb observatory station of Beijing and Xiayunling meteorological station from 1 June to 10 August 2018

3 “8·11”事件氣象監(jiān)測

3.1 中尺度天氣監(jiān)測

圖5為2018年8月11日03:00—05:30雷達反射率因子演變?？梢钥闯觯?1日03:00降雨回波在華北南部地區(qū)。隨著高空槽靠近，系統(tǒng)前部不斷激發(fā)出局地對流單體，影響房山南部地區(qū)。降雨開始時，對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為松散，此后降雨回波不斷合并，并沿著與太行山脈平行的東北方向移動。降雨回波在04:00—05:00達最強，中心強度接近60 dBZ。從反射率因子的整層結(jié)構(gòu)(圖略)來看，強回波位于5 km以下，低質(zhì)心的回波降雨效率較高，主要表現(xiàn)為短時強降水。由于整層不穩(wěn)定能量條件較好，加上低層東南氣流與北京西南部山區(qū)地形的相互作用，房山區(qū)出現(xiàn)強降水。04:00和05:00房山地區(qū)多個自動氣象站出現(xiàn)1 h降雨量超過20 mm的短時強降水，其中最大小時雨強出現(xiàn)在房山黃山店，為24.5 mm·h-1。此次降雨過程，對流云團在高空西南氣流的引導下不斷東移北上，從11日03:00左右開始影響房山地區(qū)，06:00以后移出，影響時間約3 h。

3.2 大氣溫度和濕度監(jiān)測

圖6為“8·11”崩塌事件前期氣溫和相對濕度小時變化?？梢钥闯?，8月10日14:00開始南郊觀象臺和霞云嶺氣象站氣溫開始下降。南郊觀象臺8月10日白天最高氣溫為34.2 ℃，夜間最低氣溫為24.8 ℃。霞云嶺氣象站氣溫從33.4 ℃快速下降，至22:00已經(jīng)下降至24.0 ℃以下，并且至崩塌事件發(fā)生前氣溫基本維持在24.0 ℃左右。盡管兩站白天最高氣溫和夜間最低氣溫相差不大，但霞云嶺氣象站氣溫變化速率要明顯大于南郊觀象臺。8月10日白天南郊觀象臺和霞云嶺氣象站的最小相對濕度基本接近，18:00以后兩站相對濕度均出現(xiàn)明顯上升，至22:00霞云嶺氣象站相對濕度已達90%以上，至崩塌事件發(fā)生前事發(fā)地均維持高濕狀態(tài)。因此，霞云嶺氣象站溫度和相對濕度的變化速率都較快。研究表明[7-8]，干濕循環(huán)作用是巖石內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生、擴展以及巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)不斷發(fā)生變化的重要原因?！?·11”事件發(fā)生當天氣溫和相對濕度氣象條件的劇烈變化，成為加劇山體巖石不穩(wěn)定的重要因素。

圖5 2018年8月11日03:00—05:30雷達反射率因子演變(紅色圓圈處為事發(fā)地)Fig.5 The evolutions of radar reflectivity from 03:00 BST to 05:30 BST on 11 August 2018(the red circle for the accident place)

圖6 “8·11”崩塌事件前期南郊觀象臺和霞云嶺氣象站氣溫(a)和相對濕度(b)小時變化Fig.6 The hourly variations of air temperature (a) and relative humidity (b) at the southern suburb observatory station of Beijing and Xiayunling meteorological station before“8.11” collapse event

3.3 土壤條件監(jiān)測

圖7為2018年8月10—11日不同深度土壤相對濕度和“8·11”崩塌事件前期天氣情況?？梢钥闯?，8月10日白天0～10 cm 和40～50 cm土壤相對濕度在70%左右，20～30 cm接近飽和狀態(tài)；8月11日凌晨降水開始后，0～10 cm相對濕度迅速增大至飽和，而其他層幾乎維持不變。土壤相對濕度在垂直方向呈現(xiàn)非均勻特征，這種不一致變化特征與崩塌前期復雜多變的氣象條件密切相關(guān)?！?·11”崩塌事件前期的天氣情況可分為3個階段：第1階段為氣象條件的累積效應，入汛(尤其是7月中旬)以來降雨異常偏多，先后出現(xiàn)了持續(xù)性強降水和持續(xù)性高溫天氣；第2階段為降雨與高溫交替作用，8月7—8日崩塌地附近大安山站出現(xiàn)77.8 mm的降雨，雨后再次出現(xiàn)高溫；第3階段為晝夜熱濕循環(huán)交替及短時強降水作用，8月10日入夜后氣溫快速下降，相對濕度迅速增加，11日凌晨崩塌地出現(xiàn)了短時強降雨。0～10 cm土壤對降雨和高溫天氣的變化最為敏感，土壤相對濕度可以在短時間內(nèi)大幅度變化。一次降雨過程可以使20～30 cm層土壤接近飽和，40 cm以下深度的土壤含水量主要受持續(xù)性不利氣象條件的影響，即單次暴雨過程對40 cm以下土壤含水量幾乎無影響[21]。短時高溫天氣導致土壤水分的流失首先從表層開始，使得20～30 cm處土壤在崩塌前期基本維持飽和狀態(tài)。綜上所述，土壤濕度垂直不均勻性導致地表層斜坡巖土體的穩(wěn)定性也隨之改變，當山體巖石的平衡受到破壞后地質(zhì)災害的風險明顯增加。后期氣象條件發(fā)生劇烈變化，特別是再次突遇降雨時，巖土體的臨界狀態(tài)更容易受到破壞。

圖7 2018年8月10—11日霞云嶺氣象站不同深度土壤相對濕度(a)和“8·11”崩塌事件前期天氣情況(b)Fig.7 Soil relative humidity at different depths at Xiayunling meteorological station from 10 to 11 August 2018 (a) and the weather conditions before “8·11” collapse event (b)

4 結(jié)論和討論

(1)“8·11”崩塌事件發(fā)生的氣象背景是副高異常偏強、偏西且偏北，導致北京地區(qū)入汛以來交替出現(xiàn)持續(xù)性強降雨和高溫天氣。南郊觀象臺累計降雨量比常年同期偏多26.6%，高溫悶熱日數(shù)為歷史同期最多。崩塌地霞云嶺氣象站汛期以來累計降雨量為576.6 mm，比常年同期偏多61.7%。持續(xù)性強降雨引發(fā)的長期滲透和持續(xù)性高溫天氣的“烘焙”累積效應，為崩塌事件的發(fā)生孕育了非常有利的氣象條件。

(2)氣象條件對土壤相對濕度影響存在垂直結(jié)構(gòu)上的不一致性，深度越淺，影響越大。40 cm深度以下深度土壤含水量受持續(xù)性不利氣象條件影響較大；0～10 cm淺層土壤對降雨和高溫天氣的變化最為敏感，且波動較大。大氣干濕循環(huán)的交替作用和劇烈變化使得不同深度土壤含水量出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，有利于巖石內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生、擴展。

(3)崩塌事件發(fā)生當天事發(fā)地氣溫和相對濕度晝夜變化速率比平原地區(qū)更為明顯。氣象條件的劇烈變化導致土壤性質(zhì)發(fā)生變化，斜坡巖土體的穩(wěn)定性也隨之改變。短時強降水的出現(xiàn)使得雨水進一步滲透到巖石內(nèi)部，打破了山區(qū)巖石的平衡，導致崩塌事件發(fā)生。當氣象條件的累積效應造成的地質(zhì)災害風險較高時，后期需要關(guān)注短期降雨的發(fā)生。

北京地區(qū)近年來地質(zhì)災害事件不斷增加，一方面是由于全球氣候變化背景下強降雨、極端高溫等異常天氣事件增多，山區(qū)巖石性質(zhì)形態(tài)也在逐步發(fā)生變化；另一方面則是由于城市化進程的加快，人口的不斷增加使得人類活動的范圍逐步擴展到山區(qū)。今后，還需要更為深入地開展變溫、變濕等熱濕循環(huán)效應對地質(zhì)災害的影響研究，加強地質(zhì)災害隱患點普查和提高風險預警技術(shù)，進一步提高地質(zhì)氣象災害風險預警能力。