四川涼山平川鎮“7.14”泥石流災害的氣象成因

吳莉娟, 肖天貴, 顧林康, 江智全, 張 恒, 何勁夫

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.四川省涼山州氣象局,四川西昌615000)

1 引言

中國是世界上自然災害類型最多、災害形成最復雜的區域之一,其中山地災害類型多、分布廣、影響大是其顯著特點。在眾多的山地地質災害中,泥石流是最為常見的災種之一 ,由于它形成過程復雜、爆發突然、破壞力巨大,嚴重危害著山區城鎮、交通、通信、旅游景點、水利設施、礦山、農田和人民生命財產的安全[1-3]。泥石流、滑坡等地質氣象災害的成因雖然很復雜,但顯然與地質、地貌、地勢等自然條件和人類活動有密切關系[4-5]。涼山州地處四川西南部橫斷山脈東部的高山峽谷區,幅員面積6.01萬km2,地質構造復雜,地質類型多樣,是中國地質災害最嚴重的區域之一[6]。境內以山地地貌為主,多為高山和中山,約占幅員面積的70%,山原次之;其余的丘陵、沖積平原、山間谷地、斷陷盆地和平壩等,不到總面積的10%。地勢西北高、東南低,最高海拔5958m,最低海拔305m,相差5653m。涼山州屬川西南山地中亞熱帶季風氣候區,氣候類型復雜多樣,6～10月為雨季,降雨量占全年的90%以上,7～8月多為大雨和暴雨。由于涼山州地貌環境特點有利于山地災害的孕育和發生,州境內現已查明的泥石流溝有1176條,每年雨季都有泥石流爆發并造成不同程度的災情和損失,泥石流災害已經成為涼山自然災害中破壞性最大的災種之一。基于天氣學原理和衛星、雷達資料研究了由局地強降水引發的涼山州“7.14”泥石流、山體滑坡地質災害的氣象成因,對涼山州的防災減災工作具有重大意義。

2 泥石流災情及孕災地質環境

2006年7月14日晚23時至15日凌晨1時左右,涼山州鹽源縣平川鎮騾馬堡村二組出現局地強降雨,引發了中型泥石流災害[6],造成7戶農戶42人受災,15人死亡,1人失蹤,7人受傷的重大人員傷亡事件,并造成西木公路中斷,直接經濟損失超過1千萬元。由于泥石流總方量高達10萬m3以上,給搜救工作造成很大困難。

“7.14”泥石流發生在鹽源縣平川鎮騾馬堡村二組后山塘房溝內,這是泥石流頻發地帶,溝內流域為三面環山一面出口的漏斗狀地形,主溝與支溝溝谷均呈“V”型谷,匯水面積12km2,主溝全長約4.9km,由南向北匯入平川河。塘房溝流域為典型的高中山峽谷地貌,最高海拔高程為3319m,最低海拔高程為1500m,相對高差1819m。形成區為高山地貌,溝床比降為120‰～300‰;流通區為狹窄陡深的峽谷地形,溝床比降為250‰～400‰;堆積區地形開闊,溝床比降為80‰～120‰,位于塘房溝口,并且溝口處住有二十余戶村民及一個洗選廠。溝內古堆積體約5.4萬m3,泥石流堆積體約2.1萬m3。塘房溝流域處于強烈抬升區,區內地殼活動頻繁、強烈,斷層發育。河流下切強烈,巖石破碎,易引起崩塌、滑坡,為泥石流的形成提供物源基礎。流域內出露巖性主要為灰巖、長石石英砂巖、粉砂巖、泥灰巖、泥巖、硅質條帶灰巖、輝綠輝長巖,巖層巖石在地震和斷層的作用下處于強烈風化剝蝕狀態。被風化剝蝕的固體物質一部分殘留于地形坡度較緩地帶,一部分被運移到溝谷中,加之溝口選礦廠的堆積物,構成了泥石流發生的主要物源。塘房溝內年流水量約1000萬m3,最大日流水量約84萬m3,2006年7月14日最大洪水流量高達65萬m3,流速約1.7m/s,導致了災難性的泥石流發生。可見,在這次的泥石流活動中,暴雨既是其形成所必備的基本條件,又是激發條件,故分析這次暴雨形成的氣象條件就顯得非常重要。從暴雨形成的環流形勢、影響系統、特征要素及物理量、云團特征等方面對這次暴雨過程加以分析,研究暴雨形成的原因。

3 “7.14”泥石流災害的氣象成因分析

2006年7月14日,受臺風碧利斯登陸的影響,中國中東部大部地區出現了降水,其中四川中部和南部部分地方還出現了強降水天氣過程。表1給出了涼山州17個縣市14日20時到15日08時的12小時累計降雨量,可見,雖然受碧利斯臺風影響,但此次降水過程在涼山州內各縣的雨量并不大,站點雨量最大為西昌12.3mm,鹽源縣累計雨量為9.8mm。平川鎮未設置雨量觀測點,故只能使用離平川鎮最近的鹽源金河鄉雨量哨的降雨量為48mm做參考。另外,根據雷達回波觀測數據,顯示了平川鎮14日21時到15日0時30分出現了強回波中心,最高已達55dBz,這表明平川鎮這期間出現了局地的持續性強降雨過程。所以,可以認為,鹽源縣此次出現的局地的強降雨過程,引發了平川鎮的泥石流災害。

在泥石流災害的形成中,強降水既是形成泥石流所必備的基本條件,又是激發條件,故暴雨形成的環流背景及其影響系統和產生的氣象條件的分析對于暴雨預報就很有意義。考慮“7.14”泥石流過程是一次相當典型的由局地強降水天氣激發而引起的泥石流災害,因此進一步從強降水形成尤其是中尺度不穩定條件和云圖及回波特征的角度分析這次暴雨形成的氣象成因。

3.1 環流形勢及影響系統分析

暴雨總是在一定的環流形勢下產生,所以首先利用NCEP2.5°×2.5°資料分析影響涼山州鹽源泥石流產生的歐亞大型環流形勢,然后利用NCEP1°×1°資料診斷分析渦度、散度、垂直速度、相對濕度、假相當位溫等物理量的特征。

圖1 2006年7月14日高空圖及風場圖(圖中小方框為平川鎮區域)

圖1(a,b)是2006年7月14日08時300hPa、500hPa高空圖。整個歐亞大陸以深厚的兩槽一脊系統為主,隨著臺風碧利斯西進到臺灣,將副熱帶高壓往北擠壓,使副高呈東西帶狀,華中地區形成了很強的反氣旋環流。此時,副熱帶流型多呈緯向型,易造成東-西向的暴雨帶。到7月14日20時圖1(c,d),兩槽一脊大型環流仍然維持,副高有所加強,584線西伸到青藏高原中部一帶。圖1(e～h)是 7月14日 08時300hPa、500hPa、700hPa和850hPa的風場圖,高層(300～500hPa)在青海、甘肅一帶有明顯的偏北氣流,引導冷空氣南下,四川東部及南部受東風氣流控制,而副高南側的東風帶往往是熱帶降水系統活躍的地區。同時,低層(700～850hPa)四川為一致的偏南氣流,為后期暴雨的形成提供了有利的水汽條件。到20時圖1(i～l),高層的東北冷空氣已經侵入四川,控制川南的東風氣流增強,同時低層轉為西南氣流,高層冷空氣與低層暖濕空氣匯合,形成了涼山州地區的強降水。

3.2 特征要素及物理量診斷

暴雨的形成必須基于豐富的水汽輸送。相對濕度表征了空氣中的水汽含量,只有充足的水汽,才能夠形成強降水。圖2是2006年7月14日08時和20時,700hPa和850hPa相對濕度圖。由圖2可見,08時低層,盆地西部和南部水汽含量已經達到90%以上,空氣濕度非常大,到20時仍然維持到90%以上,這與一直持續的偏南氣流為盆地提供源源不斷的水汽輸送相吻合。圖3是2006年7月14日08時、20時的相對濕度剖面圖,很明顯,從08～20時,在涼山州地區700hPa以下濕度較大,特別是850hPa以下高達90%以上,并且該地區基本處于相對濕度中心位置。而700hPa以上相對濕度遞減,到400hPa以上基本小于50%。這種上干下濕的結構,氣層明顯表現為對流性不穩定,有利于產生局地強降水。

圖2 2006年7月14日相對濕度圖(圖中小方框為平川鎮區域)

散度表示氣流的輻合輻散,渦度表示氣流的旋轉運動,散度和渦度的共同分析則可以反映不同氣層的輻合輻散和氣旋式與反氣旋式旋轉以及氣流的上升下沉狀況,負的散度和正的渦度表示氣層輻合上升,而正的散度和負的渦度則表示氣層輻散下沉。圖4是2006年7月14日08時、20時300hPa,500hPa,700hPa,850hPa散度和渦度分布圖。由08時散度圖4(a～d)可見,涼山州地區高低層正負散度分布較凌亂,300hPa、700hPa為正,500hPa、850hPa為負。到20時圖4(e～h)涼山州地區高層轉為一致的正散度,500hPa尤為明顯,而低層則為一致的負散度區域。再看渦度平流分布,與散度對應較好,08時的渦度圖圖4(i～l),300hPa為負渦度區,500hPa負值區域較小,且等值線值也較小,低層為正渦度平流。到20時圖4(n～p)高層的負渦度平流更為明顯,低層仍然是正渦度平流控制。可見,涼山地區正處于低層輻合,高層輻散的形勢,很容易造成強烈的抬升運動,從而形成局地強降水天氣。

圖4 2006年7月14日08、20時的散度和渦度圖(圖中小方框為平川鎮區域)

垂直運動不僅直接與云雨等天氣現象相聯系,而且其分布和變化對天氣系統的發展也有重要影響。圖5是2006年7月14日08時、20時垂直速度剖面圖,由圖可知,08時,24°N ～35°N 、95°E～104°E這一區域從1000hPa～400hPa并沒有明顯的整層抬升,還處于發展階段;但到20時,該區域明顯發展成為整層抬升狀態。涼山州地區位于26°N～30°N 、100°E～104°E,正好處于上升運動最強區域,整層抬升產生“抽吸”作用,有利于形成強降水。

K指數(氣團指數)是考慮了氣層水汽條件的一種不穩定指數,能同時反映干空氣穩定度、濕度狀況的綜合指標。一般而言,K值愈高,潛能愈大,大氣愈不穩定,普遍認為K值達到40以上[7]則容易出現強降水天氣。在MICAPS系統(氣象信息綜合分析處理系統)7月14日08時和20時的K指數圖上,涼山州南部地區K指數數值范圍為40～45,表明該地區對流所需要的能量比較充足。

圖5 2006年7月14日垂直速度剖面圖

θse(假相當位溫)是溫度、氣壓、水汽含量的函數,是表示溫壓濕綜合的物理量。一般而言,在同一氣壓條件下,θse越大表示空氣越暖濕。從14日08時、20時700hPa、500hPa、300hPa 3層的假相當位溫分布圖(圖6)看,假相當位溫在各層均明顯偏大,而且比較穩定,特別是20時700hPa,在涼山州地區明顯有一個高值中心。表明涼山州區域空氣暖濕,容易發生區域性和局地性的強降水。

引起涼山州鹽源縣“7.14”局地強降水過程的各種物理量的特征指標如表2所示,可以看到統計的鹽源平川鎮上空各種物理量在08時、20時的數值特征都體現出對強降水產生的有利條件。從氣象條件分析看,7月14日涼山州地區的水汽條件、渦度散度產生的上升運動條件以及大氣的不穩定能量條件等都顯示出該區域將有降水或強降水產生。

表2 2006年7月14日08時、20時平川鎮上空物理量診斷統計特征

3.3 衛星云圖特征

圖7是2006年7月14日11時開始的涼山地區上空連續的風云2號紅外衛星云圖。7月14日14時衛星云圖顯示,高原東南部和貴州一帶有零散對流云系發展;到19時,對流發展非常旺盛,在涼山州西北部出現了強對流云團,此強對流云團后期向西南移動到鹽源縣,造成了鹽源縣局地強降雨;22～23時對流云系覆蓋涼山州大部地區,在涼山州西南部形成連續降雨;之后對流云系西移到鹽源西部,鹽源縣降雨過程結束。整個過程中涼山州大部地區都產生了降水,在鹽源縣附近,對流云團的發生和發展非常清晰,與平川鎮的暴雨時間吻合,局地對流性降水特征明顯,但是通過衛星云圖還是比較難以確定暴雨形成的具體地點和強度,進一步分析雷達回波圖像性質及比較周圍的降水量特點,就可以初步確定其局地區域和降水強度,從而預警泥石流的發生。

圖7 2006 年 7 月 14 日 11：00、14：00、18：00、19：00、20：00、21：00、22：00、22：30、23：00 風云 2 號紅外云圖(圖中黑點為平川鎮附近地區)

圖8 2006 年 7 月 14 日 20：28、20：48、21：30、21：50、22：03、22：16、22：23、22：49、23：10、23：30、23：50、00：13 多普勒雷達觀測圖像(第一張圖黑框處為泥石流大致發生位置,雷達仰角統一采用1.5°,圖中小方框為平川鎮區域)

3.4 多普勒雷達回波圖像特征分析

多普勒雷達回波圖像資料取自西昌雷達站(東經102.41°,北緯27.88°)的觀測資料。西昌雷達由于山脈阻擋,方位45.18°～150.15°區間范圍內成為了回波盲區,但鹽源顯然在盲區之外,所以回波圖像資料是可用的。從7月14日20時28分至15日00時13分的連續雷達回波圖(圖8)可見,20：28災害發生附近有回波初生,西北面有系統云系南壓,初生回波強度為20～25dBz。20：48回波強度20～38dBz,形成降水。21：30強度 20～40dBz,降水面積有所擴大。21：50強度20～40dBz。22：03強度 20～50dBz。22：16強度20～50dBz。22：23強度20～50dBz,形成小面積50dBz區域,此時降水強度預計為最強時段。22：49強度20～50dBz,強回波區域有所南壓。23：10回波南壓,災害發生區域降水強度明顯減弱,強度20～30dBz。23：30回波強度20～30dBz。23：50北部南壓回波覆蓋災害發生區域,主降水區南壓離開災害發生區域,區域內回波強度20～30dBz。00：13回波強度20～30dBz,災害發生區域主降水過程結束。前述描述可見,雷達回波的強度明顯表現出與降水發生相對應的對流回波產生、加強、減弱的過程特征,圖9則表示了鹽源平川回波初生、成熟和減弱的情況。通常而言,回波生命史較短,短的半小時即消亡,鹽源平川回波生命史也僅2.5小時左右,從21：02～23：26為回波初生、成熟、到減弱移出平川時的回波演變情況,21：00鹽源東部平川鎮的降雨云團明顯增強,中心強度達到50dBz,表明云團中心有局地強降雨出現,21：24平川鎮出現了55dBz強回波中心,表明云團降雨強度進一步加大,使平川鎮具備了出現泥石流災害的強降雨條件。從21：00～22：43鹽源縣平川鎮的降雨云團一直維持,強度非常強,使平川鎮出現了連續強降雨,最強降水出現在22：38左右,回波強度達59dBz,回波高度12km,此時可見多塊塊狀回波在平川附近復合發展(包括官地、金河等地),23：26鹽源平川已轉為小陣雨。回波在空間的結構特征(圖10)也能較好地表現出降水時段的變化,21：03為回波初生階段,回波強度為40dBz,強回波高度7km,回波頂部發散;22：41為回波成熟階段,強弱回波高度梯度較大,回波強度達59dBz,強回波高度達8km,回波頂高大于12km,為強降水集中產生時段。23：26回波開始減弱移出平川。

圖9 鹽源平川雷達回波的演變情況(21：02回波初生,22：38回波成熟,23：26回波減弱移出平川)

圖10 鹽源平川雷達回波的空間結構(21：03回波初生,22：41回波成熟)

根據回波演化的分析,可以預測在官地一帶有強降水發生,進一步根據收集到的官地雨量(44mm)和金河雨量(48mm)的情況,對比分析在兩地降水量和影響平川的回波強度,可簡單預測平川的降水量大約在40～50mm之間,且降水時段較為集中,主要降水集中在1小時內。如果再考慮前期平川降水較為豐富,地表植被破壞嚴重,以及洗選廠阻擋水道、降水較為集中等等因素,可以進一步預測鹽源平川附近泥石流頻發地帶可能有泥石流、滑坡的地質災害發生。

“7.14”強降水及泥石流災害的事后分析表明,由雷達回波演變趨勢可以分析出回波生消與降水集中、降水結束有較好的相關關系,降水結束后回波迅速減弱消亡;而泥石流的發生時段為14日23時～15日01時,表明泥石流滯后集中性強降水產生約1～2小時的特征。故此,在平川地區,當前期有一定降水積累,而雷達回波又達到50dBz時,可以作為強降水激發泥石流災點的預報預警指標。顯然,這種降水較為集中的回波特征也可以成為泥石流多發地區預警預測的重要信號之一。

當天氣圖上具備了局地強降水產生的環流形勢和水汽以及不穩定條件信號后,雷達回波的分析就可以作為強降水甚至泥石流等地質災害預報預警的重要工具和方法手段。一般而言,當雷達觀測到50dBz強回波時,就表明強對流天氣已經出現;當雷達觀測到對流云團穩定少動時,將出現持續強降水,極有可能引發山洪、泥石流、滑坡等地質災害天氣的發生。

4 結論與討論

(1)鹽源縣平川鎮“7.14”泥石流災害的發生與騾馬堡村二組后山塘房溝內局地的孕災環境關系密切,其溝內具有泥石流發生的充足物源條件。但暴雨既是泥石流形成所必備的基本條件,又是激發條件,故分析暴雨形成的氣象條件就顯得非常重要。

(2)“7.14”個例分析提出了針對臺風登陸引起的涼山地區局地強降水天氣預報的三個特征。第一,500hPa上顯出東西帶狀或者塊狀的副高形勢,并風場圖上可以看到冷空氣南下以及西南暖濕氣流對水汽的持續輸送的特征。第二,涼山地區有較高的不穩定能量,處于上升運動區,高層輻散,低層輻合,且相對濕度在90%以上。第三,當雷達回波觀測到大于50dBz強回波時,表明強對流天氣已經出現,當對流云團穩定少動時將出現強降水,可能引發山洪、泥石流、滑坡等地質災害。

對“7.14”平川泥石流災害的氣象成因的分析,提供了一種泥石流災害預報預警的思路,其中短臨預報預警的關鍵在于云圖信號和雷達回波信號的應用。目前,通過中國氣象局衛星廣域網災害天氣短時臨近預報預警系統(SWAN系統)可以獲得相關的雷達信息拼圖資料。根據SWAN系統提供的雷達回波信息,通過加密強降水觀測資料的分析,建立起雷達回波Z值與局地強降水之間的關系,并進一步建立起泥石流災害發生災點的預報預警模型。

感謝：涼山州科技局2011年度州級重點科研開發項目(2011J009)對本文的資助。

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