高潔 王明田,3* 郭善云 汪麗 葉幫蘋

(1 四川省氣象臺，成都 610072；2 高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；3 南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點實驗室，成都 610066)

引言

降雨災害是我國乃至全世界最主要的氣象災害之一，同時也是四川省發(fā)生頻率最高、危害最重的氣象災害之一[1-3]。強降雨易引發(fā)嚴重的城市內(nèi)澇、江河洪澇以及滑坡、泥石流等次生災害，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失[4]。受地理位置、氣候條件以及地形地貌等因素的共同影響，降雨災害具有很強的區(qū)域差異[5-6]。強降雨是誘發(fā)災害的直接原因[7]，掌握降雨災情時空分布及其與雨量特征的聯(lián)系對于開展區(qū)域降雨災害風險管理具有重要意義。目前，國內(nèi)外開展了大量降雨災害時空分布的研究工作。如德國慕尼黑再保險公司1978年就開始編制并多次更新世界自然危害地圖，其中闡釋了熱帶和中高緯度地區(qū)導致山洪泛濫的降雨量差異[2]。司瑞潔等[8]對亞洲1976—2005年的洪澇災害進行分析，認為亞洲洪水災害發(fā)生次數(shù)和影響程度不斷增加與亞洲特殊的地理和經(jīng)濟發(fā)展狀況有關。於琍等[9]對近25年中國暴雨及其引發(fā)的洪澇災害時空變化特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)暴雨災害造成的直接經(jīng)濟損失和暴雨強度及頻次在空間上并不一一對應。俄有浩等[10]研究1961—2012年長江中下游地區(qū)暴雨洪澇特征，表明連續(xù)性強降水引發(fā)的洪澇比一次突發(fā)暴雨引發(fā)的洪澇淹沒范圍更廣，深度更大。王品等[11]研究1983—2008年湖南省暴雨洪澇災害中農(nóng)業(yè)災情與暴雨致災因子關系，表明過程降水量最能反映暴雨洪澇災害的農(nóng)業(yè)災情。沈澄等[12]引入災度模型對2004—2013年江蘇省暴雨洪澇災情綜合特征進行分析，發(fā)現(xiàn)梅雨鋒降雨引發(fā)的洪澇災害最多，臺風或熱帶系統(tǒng)降雨引發(fā)的洪澇災害災度最大。王運祿等[13]運用降水資料劃分不同等級洪澇標準，總結出1951—1996年四川省洪澇災害的若干特征。張菡等[14]通過針對農(nóng)業(yè)的四川省暴雨洪澇災害風險區(qū)劃研究，發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)不同區(qū)域風險等級的差異。鄧國衛(wèi)等[15-16]發(fā)現(xiàn)2000年以后四川省暴雨洪澇災害引起的受災人口和直接經(jīng)濟損失呈顯著的上升趨勢。

在全球變暖的背景下，暴雨、洪澇等極端氣候事件造成的危害越來越大。目前就四川地區(qū)而言，對四川省內(nèi)降雨災害的研究主要基于降水資料研究洪澇災害特點、風險區(qū)劃[13-14]，或是注重于災害損失方面[15-16]。運用GIS等先進技術，將降雨災情與地形、雨量特征結合分析的相關研究還比較缺乏。本研究基于四川省降雨災害發(fā)生頻次，研究降雨災情時空分布特征，并從強降雨持續(xù)性、發(fā)生頻次、強度大小等方面分析降雨災情分布與雨量特征之間的聯(lián)系，對優(yōu)化降雨預報指導思想，增強降雨預報服務的敏銳性具有重要意義。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省位于青藏高原與我國東部平原過渡區(qū)，地理坐標范圍97°21′～108°31′E,26°03′～34°19′N，省內(nèi)地形復雜，東西部地形差異顯著，降雨分布有著明顯的地區(qū)特點[1](圖1)。以龍門山和大涼山為界，東部為四川盆地和盆緣山地，海拔多在500～3000 m，年降雨量800～1200 mm，是省內(nèi)主要的暴雨區(qū)，以青衣江、龍門山、大巴山三大暴雨區(qū)聞名[1]，降水中心在盆地西緣的雅安，年降雨量超1680 mm[17]。西部為川西高原和攀西地區(qū)，海拔多在3000 m以上，其中川西高原主要為山原地貌和高山峽谷區(qū)，年降雨量600～800 mm,很少出現(xiàn)暴雨天氣，攀西地區(qū)主要為次高山和中山峽谷區(qū)，暴雨強度和出現(xiàn)頻率接近盆地中南部[18-20]。省內(nèi)河流密布且活動斷裂十分發(fā)育，主要河流有雅礱江、大渡河、岷江和嘉陵江，影響最大的龍門山斷裂、鮮水河斷裂和安寧河斷裂呈Y字形分布，近50年發(fā)生過3次7級以上的強震[21-23]。復雜的地質(zhì)地形條件加之豐富的降水，使得四川省內(nèi)降雨及其次生災害發(fā)生頻繁，嚴重危及人民生命財產(chǎn)安全。

圖1 四川省地形、地理部位及156個國家氣象站點分布

1.2 資料來源

降雨災情數(shù)據(jù)來自四川省氣象臺氣象災情信息管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)來源為各縣(市、區(qū))民政局、救災辦、氣象局和其他政府機構，數(shù)據(jù)年份為2002—2020年。斷層密度數(shù)據(jù)來自四川省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來源于地理空間云，據(jù)此提取地形坡度。降雨數(shù)據(jù)包括四川省內(nèi)156個國家氣象觀測站2002—2020年逐日降雨量資料，站點分布如圖1所示，以及2008—2020年四川省內(nèi)5727個區(qū)域氣象觀測站逐日、逐小時降雨量。

1.3 研究方法

1.3.1 統(tǒng)計方法

根據(jù)四川省2002—2020年間降雨災情數(shù)據(jù)資料，以156個縣(市)中任何一個縣(市)有災情發(fā)生記為1次，篩選統(tǒng)計19年間每個縣(市)所發(fā)生的降雨災情次數(shù)。降雨災情密度是各縣(市)降雨災情總次數(shù)與對應行政區(qū)域面積的比值。

1.3.2 雨日雨強定義

日降雨量≥0.1 mm為1個雨日，年降雨強度定義為年降雨量與年降雨日數(shù)之比；日降雨量在25.0～49.9 mm為大雨日，日降雨量50.0～99.9 mm為暴雨日，日降雨量≥100 mm為大暴雨日，日降雨量≥50 mm為暴雨及以上雨日，降雨強度為各級降雨總量與同級降雨日數(shù)之比。

1.3.3 致災頻率計算

致災頻率為四川省內(nèi)156個縣(市)2002—2020年各縣(市)總的大雨、暴雨、大暴雨災情次數(shù)與對應的大雨、暴雨、大暴雨降雨日數(shù)之比。

1.3.4 累積分布函數(shù)

對連續(xù)函數(shù)，所有小于等于a的值，其出現(xiàn)概率的和，計算公式如下：

F(ai)=P

(1)

式中,i表示雨量等級數(shù)(i=1,2,3,…，N)；ai為第i個雨量等級；F(ai)表示第i個雨量等級出現(xiàn)時，發(fā)生災害的累積頻率。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

運用SQL Sever數(shù)據(jù)庫技術和WPS Excel軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用ArcGIS 10.2軟件進行空間分析，文中圖表均在WPS Excel、ArcGIS 10.2及Grads2.0軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 降雨災情的分布特征

2.1.1 空間分布特征

以地級行政單元為基礎統(tǒng)計研究期內(nèi)降雨災情的次數(shù)、分布密度及災害中死亡人數(shù)，結果列于表1。四川省的21個市州級行政單元中，涼山州、樂山市、宜賓市、雅安市和綿陽市發(fā)生災情數(shù)量最多，占災情總數(shù)的42%。樂山市、眉山市和宜賓市的降雨災情分布密度最大，每萬km2的災情次數(shù)超過250次。

表1 2002—2020年四川省21個市州降雨災情次數(shù)、分布密度及死亡人數(shù)

由2002—2020年四川省縣級行政單元出現(xiàn)降雨災情總次數(shù)分布(圖2a)看到，四川省降雨災情主要分布在盆地和攀西地區(qū)，其中以盆地東北部(巴中、南江、通江、平昌、營山)，盆地西南部(天全、洪雅、樂山、夾江、峨眉、犍為)，甘孜州南部和攀西地區(qū)中部(九龍、美姑、冕寧、米易、鹽邊)，綿陽和德陽兩市北部(北川、什邡、江油)，宜賓市南部(筠連、興文、高縣)最為顯著。盆地降雨災情多發(fā)中心區(qū)在樂山和什邡，分別出現(xiàn)63、60次，平均每年出現(xiàn)3次以上，川西高原和攀西地區(qū)的降雨災情多發(fā)區(qū)在米易和九龍，平均每年出現(xiàn)3～4次。成都和廣安兩市、資陽市大部、涼山州東部及人煙稀少的川西高原大部地區(qū)降雨災情次數(shù)相對較少。從災情分布密度來看(圖2b)，眉山市大部和樂山市北部及溫江、什邡、名山、納溪、南溪、江安、筠連等縣(市)都是降雨災情高密度區(qū)，每萬km2的災情數(shù)超過300次。

圖2 2002—2020年四川省156個縣(市)降雨災情總次數(shù)(a)和災情密度(b)空間分布

地質(zhì)條件和地形條件是四川省降雨災害形成的重要因素，由于地質(zhì)條件和斷層分布關系密切，以斷層密度和坡度分別代表影響下墊面的地質(zhì)條件和地形條件。圖3a為四川省內(nèi)斷層密度和156個縣級行政單元降雨災情密度分布，圖3a表明盆地西部、南部降雨災情高密度區(qū)(災情密度≥300次·10-4km-2)主要分布在龍門山、龍泉山、華鎣山斷裂帶上，攀西地區(qū)主要受安寧河斷裂帶的影響，斷裂帶上相對破碎的巖石在強降雨的作用下容易失穩(wěn)誘發(fā)泥石流、塌方等災害形成。研究期內(nèi)2008年、2013年和2017年盆地西部沿山地區(qū)發(fā)生3次7級及以上的強震，使得原本脆弱的地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)災害隱患點進一步增加，由強降雨引發(fā)的地質(zhì)災害的復雜性、不可預見性、突發(fā)性和隱蔽性愈發(fā)明顯。而從地形上看(圖3b)，盆地邊緣和攀西地區(qū)都是山區(qū)分布，這樣的地形一方面容易觸發(fā)對流形成強降雨，另一方面水石混合物在重力作用下容易流出溝谷形成災害。

圖3 2002—2020年四川省156個縣(市)降雨災情密度與斷層密度(a)和坡度(b)空間分布

對361起有人員死亡的災害事件分析發(fā)現(xiàn)，涼山州、達州市、巴中市和宜賓市降雨災害死亡人數(shù)最多，占到全省降雨災害死亡總人數(shù)的46%(表1)。其中最嚴重的是2004年9月3日達州市發(fā)生的特大暴雨災情，造成人員死亡達70人[24]。有原因記錄的267起死亡案例中，盆地區(qū)由于山洪、滑坡、泥石流、塌方造成人員死亡的事件比例分別占到35%、27%、8%、24%，其中又有32%的死亡事件是由于房屋倒塌，而川西高原和攀西地區(qū)以山洪和泥石流比例最高，分別占到42%和35%。局地降雨強度大、突發(fā)性強、夜間災害多、地表地質(zhì)脆弱，以及居民缺乏應災常識，與河道(泥石流溝)等比鄰而居是造成災害中人員死亡的主要原因[25](表2)。

表2 2002—2020年四川省降雨災害人員死亡典型案例

2.1.2 時間分布特征

2.1.2.1 年際分布

圖4為2002—2020年四川省降雨災情數(shù)量年際變化序列。研究期內(nèi)，2007年和2020年降雨災情數(shù)量最多，分別為292起和342起，2006年降雨災情最少，這與當年夏季四川省發(fā)生百年一遇的極端干旱事件相對應[26]。總體而言，2002—2006年降雨災情較少，2017—2020年顯著增加，這可能與近年來極端天氣的發(fā)生日漸頻繁相關，以及研究期內(nèi)3次強震對四川地區(qū)地質(zhì)結構的嚴重影響，使得四川地區(qū)降雨災情數(shù)量呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。

圖4 2002—2020年四川省降雨災情數(shù)量年際變化

分別統(tǒng)計2002—2020年盆地、攀西地區(qū)、川西高原3個區(qū)域災情數(shù)量與對應區(qū)域年降雨強度、大雨強度、暴雨及以上強度和年降雨日、大雨日、暴雨及以上雨日的關系(表3)，結果表明盆地區(qū)災情數(shù)量與暴雨及以上雨日、暴雨及以上強度和年降雨強度的相關性最為顯著，相關系數(shù)分別0.83、0.74和0.72，通過0.001的顯著性檢驗。川西高原災情數(shù)量與大雨雨日、暴雨及以上雨日和年降雨強度相關性最為顯著，而攀西地區(qū)以上對應關系都不顯著,這可能是由于這些區(qū)地域廣闊，且地形較為復雜，國家氣象站雨量與災害發(fā)生地實際雨量差距比較大。

表3 2002—2020年四川省各區(qū)域降雨災情數(shù)量與不同等級雨日、雨強相關系數(shù)

統(tǒng)計2002—2020年四川省156個縣級行政單元大雨、暴雨和大暴雨致災頻率分布情況(圖5)，結果顯示：盆地區(qū)大雨致災頻率較低，多數(shù)盆中、盆北區(qū)域不超過5%，盆西南多數(shù)區(qū)域不超過10%；盆地區(qū)暴雨致災頻率較高，但空間差異大，成都、資陽、遂寧、廣安、南充和達州一線的大部地方不超過20%，盆西北的德陽、綿陽、廣元、巴中和盆西南的雅安、眉山、樂山、內(nèi)江、自貢、宜賓和瀘州大部地方在20%～40%，盆周山區(qū)部分區(qū)域40%～50%，盆地南部的古藺和筠連兩縣暴雨致災頻率在50%以上；盆地多數(shù)區(qū)域大暴雨致災頻率在50%以上，特別是內(nèi)江、樂山和瀘州三市大部及平武、三臺、鹽亭、什邡、寶興、彭山、仁壽、南溪、高縣、通江等縣(市)，大暴雨致災頻率達80%以上。川西高原大部和攀西地區(qū)大部大雨致災頻率總體不高，但受地形、地貌、地質(zhì)和人口密度等因素影響，空間差異大，局地性災害中，九寨溝、紅原、白玉、茂縣、汶川等縣大雨致災頻率達20%～30%；川西高原大部暴雨出現(xiàn)次數(shù)不多，但暴雨致災頻率很高，紅原、稻城、雅江和瀘定等縣暴雨致災頻率都在50%以上；攀西地區(qū)大部暴雨致災頻率在20%～40%，但涼山州東北部暴雨致災頻率可超過50%，與相鄰的盆周山區(qū)一致；川西高原大暴雨天氣極少；攀西地區(qū)大暴雨致災頻率空間差異很大，冕寧、喜德、德昌、普格、米易、鹽源、會理、會東一線和涼山州東部的雷波縣大暴雨致災頻率達50%～100%。

圖5 2002—2020年四川省156個縣(市)大雨(a)、暴雨(b)、大暴雨(c)致災頻率空間分布

盆地區(qū)2002—2020年災情次數(shù)與大雨、暴雨、大暴雨致災頻率年際變化曲線表明(圖6)，盆地區(qū)大暴雨致災頻率在40%～80%之間，平均致災頻率60%左右，變化趨勢較為平穩(wěn)；暴雨致災頻率在15%～35%之間，呈增長趨勢；而大雨致災頻率在10%以下，同樣呈增長趨勢。盆地區(qū)大暴雨、暴雨致災頻率與災情次數(shù)有較好的對應關系，2005年、2007年、2010年、2012年和2017年盆地降雨災情較多，大暴雨、暴雨致災頻率相應較高；2006年暴雨災情次數(shù)較少，大暴雨、暴雨致災頻率顯著偏少。

圖6 2002—2020年盆地區(qū)災情數(shù)量與大雨、暴雨、大暴雨致災頻率年際變化

2.1.2.2 月分布

四川省降雨災情月分布如圖7所示。降雨災害主要發(fā)生在6—9月，占災情總量的95%，其中7月最多，達1500次，占災情總量的40%。7月也是降雨災害地域覆蓋最廣的月份，有154個縣級行政單元在該月發(fā)生過降雨災害，覆蓋率接近99%，其次為8月，覆蓋率為91%。

圖7 2002—2020年四川省降雨災情數(shù)量月分布

災情數(shù)量最多的6—9月，降雨災情主要發(fā)生在盆地和攀西地區(qū)，川西高原相對較少，且以7月災情發(fā)生最頻繁(圖8)。6—9月降雨災情的分布有從盆地東北部南部向西部發(fā)展，最后到東北部的趨勢。6月盆地東北部、南部及攀西地區(qū)發(fā)生災情次數(shù)較多，7月降雨災情次數(shù)最多，主要分布在盆地西南部、西北部地區(qū)，8月盆地西南部仍然是災情主要發(fā)生區(qū)，而9月盆地南部相對較少，東北部相對較多。降雨災情的各月分布變化形勢與研究期內(nèi)各月暴雨及以上日數(shù)和暴雨及以上強度分布有很好的對應關系(圖略)。

圖8 2002—2020年四川省6—9月災情數(shù)量地域分布

2.2 降雨災情與雨量特征的聯(lián)系

強降雨是誘發(fā)災害形成的主要因素，為了更具體地分析四川省降雨災情與雨量特征的聯(lián)系，對2008—2020年區(qū)域氣象觀測站較完善以來的降雨災情進行分析，利用鄰近法分別統(tǒng)計盆地、攀西地區(qū)、川西高原3個區(qū)域災害發(fā)生地強降雨(大雨及以上)持續(xù)天數(shù)、最大小時雨量、日最大降雨量。

2.2.1 最大小時降雨量

如圖9所示，盆地區(qū)降雨災害發(fā)生當日最大小時雨量分布較寬，概率分布基本對稱，峰值出現(xiàn)在40～50 mm，占全部樣本的20.4%，最大小時雨量大于100 mm的概率占2.4%，而小于10 mm發(fā)生災害的概率是極低的，僅占總量的1.1%。對盆地各個區(qū)域災害發(fā)生地最大小時雨量分析發(fā)現(xiàn)(圖10)：最大小時雨量在10 mm以下的災害主要發(fā)生在盆地南部和東北部，盆地西南部和西北部在其余各個等級范圍內(nèi)的占比都較大，尤其是小時雨量超過60 mm的災害，盆地南部次之，盆地東北部以60 mm以下災害數(shù)量居多，災害數(shù)量占全盆地比例隨小時雨量增多呈減少趨勢，盆地中部各等級占比最少。攀西地區(qū)降雨災害發(fā)生當日最大小時雨量分布范圍較窄，主要集中在30～40 mm，出現(xiàn)概率占全部樣本總量的25.9%，小于10 mm概率占到7.7%，而大于70 mm概率僅占1.9%。川西高原小于10 mm占比最大為38.3%，呈遞減分布，大于50 mm概率占2.3%。

圖9 2008—2020年盆地、攀西地區(qū)和川西高原各等級最大小時雨量降雨災情概率分布

圖10 2008—2020年盆地不同區(qū)域各等級最大小時雨量災情數(shù)量占比

2.2.2 最大日降雨量

盆地區(qū)降雨災害當日最大雨量概率分布(圖11)表明，盆地內(nèi)96%的降雨災害事件當日最大雨量都在50 mm以上，其中日雨量在100～150 mm的災情數(shù)量占比最大，占全部樣本的37%。對盆地各個區(qū)域災害發(fā)生當日最大雨量分析發(fā)現(xiàn)(圖12)：最大日降雨量小于50 mm的災害主要分布在盆地南部，盆地南部暴雨災害數(shù)量所占比例隨雨量增加呈減少趨勢；最大日降雨量超過300 mm的災害主要發(fā)生在盆地西北部，盆地西北部暴雨災害數(shù)量占比隨雨量增加而增加，盆地中部、東北部和西南部在各等級最大日降雨量災害數(shù)量占比較均勻，其中最大日降雨量在50～100 mm的災害以盆地南部和西南部居多。攀西地區(qū)災害當日最大雨量分布范圍較盆地窄，50～100 mm占比最大為50.6%,25～50 mm占19.4%；川西高原25～50 mm占比最大為51.1%，且有21.3%的災害事件是在當日最大雨量25 mm以下時發(fā)生。

圖11 2008—2020年盆地、攀西地區(qū)和川西高原各等級最大日降雨量降雨災情概率分布

圖12 2008—2020年盆地不同區(qū)域各等級最大日降雨量災情數(shù)量占比

2.2.3 強降雨持續(xù)時間

四川省不同區(qū)域降雨災害強降雨持續(xù)天數(shù)分布(圖13)表明，強降雨持續(xù)天數(shù)以1～3天居多，其中盆地西南部和南部強降雨持續(xù)天數(shù)大多為1天，占比分別為56%和71%;盆地西北部、東北部和中部強降雨持續(xù)天數(shù)以1～2天為主;川西高原和攀西地區(qū)74%的災害事件強降雨持續(xù)1天。

圖13 2008—2020年四川省不同區(qū)域災害強降雨不同持續(xù)天數(shù)的災害頻次

3 結論與討論

3.1 結論

(1)四川省近年來降雨災情數(shù)量增長趨勢明顯，主要分布在盆地和攀西地區(qū)。受復雜地質(zhì)地形條件影響，盆地西部、南部是四川省降雨災情數(shù)量最多、分布密度最大的地區(qū)，而涼山州和盆地東北部降雨災害中死亡人數(shù)最多。降雨災害集中在6—9月，災情分布有從盆地東北部、南部向西部發(fā)展，最后到東北部的趨勢。

(2)盆地區(qū)在有大暴雨出現(xiàn)時災害發(fā)生可能性最為顯著，致災頻率50%以上，暴雨出現(xiàn)時致災頻率為20%～40%；攀西地區(qū)大部分災害發(fā)生在有暴雨出現(xiàn)時，致災頻率達20%～30%；川西高原暴雨天氣過程較少，大部分災害發(fā)生在大雨出現(xiàn)時，致災頻率為10%～30%。

(3)最大小時雨量在10 mm以下的災害主要發(fā)生在盆地南部和東北部，盆地西部在其余各個等級范圍內(nèi)占比都較大，盆地南部次之，中部最少，盆地東北部以60 mm以下災害數(shù)量居多；攀西地區(qū)災害發(fā)生當日最大小時雨量主要集中在10～40 mm，川西高原20 mm以下占比最大。最大日降雨量小于50 mm的災害主要分布在盆地南部，超過300 mm的災害主要發(fā)生在盆地西北部，50～100 mm的災害以盆地南部和西南部居多；攀西地區(qū)災害當日最大雨量50～100 mm的占比最大，川西高原為25～50 mm。

3.2 討論

在作降雨災情的統(tǒng)計分析中，主要運用各市州上傳于災情直報系統(tǒng)的災情資料，必然存在資料收集不全面等問題，但是作為災情收集的主要渠道，所選用資料具有一定的代表性和說服力。其次，在分析災情發(fā)生最大小時雨量、最大日降水量分布特征時，由于2008年以后四川省區(qū)域自動站建站才比較完善，因此只用到2008—2020年區(qū)域自動站逐日、逐小時降水資料。最后，由于川西高原地形的特殊性，四川省地方標準中川西高原的暴雨標準與盆地和全國不一致，實際業(yè)務中川西高原是以24 h降雨量25.0～49.9 mm為暴雨[27]，而本文統(tǒng)一使用全國24 h暴雨量標準。

本文分析了四川省降雨災情與降雨期間雨量特征的聯(lián)系，未分析災情與前期降雨特征的關系，可能對結論的準確性產(chǎn)生一定影響，今后需要更加深入的討論。