吴莉娟, 肖天贵, 顾林康, 江智全, 张 恒, 何劲夫

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.四川省凉山州气象局,四川西昌615000)

1 引言

中国是世界上自然灾害类型最多、灾害形成最复杂的区域之一,其中山地灾害类型多、分布广、影响大是其显著特点。在众多的山地地质灾害中,泥石流是最为常见的灾种之一 ,由于它形成过程复杂、爆发突然、破坏力巨大,严重危害着山区城镇、交通、通信、旅游景点、水利设施、矿山、农田和人民生命财产的安全[1-3]。泥石流、滑坡等地质气象灾害的成因虽然很复杂,但显然与地质、地貌、地势等自然条件和人类活动有密切关系[4-5]。凉山州地处四川西南部横断山脉东部的高山峡谷区,幅员面积6.01万km2,地质构造复杂,地质类型多样,是中国地质灾害最严重的区域之一[6]。境内以山地地貌为主,多为高山和中山,约占幅员面积的70%,山原次之;其余的丘陵、冲积平原、山间谷地、断陷盆地和平坝等,不到总面积的10%。地势西北高、东南低,最高海拔5958m,最低海拔305m,相差5653m。凉山州属川西南山地中亚热带季风气候区,气候类型复杂多样,6～10月为雨季,降雨量占全年的90%以上,7～8月多为大雨和暴雨。由于凉山州地貌环境特点有利于山地灾害的孕育和发生,州境内现已查明的泥石流沟有1176条,每年雨季都有泥石流爆发并造成不同程度的灾情和损失,泥石流灾害已经成为凉山自然灾害中破坏性最大的灾种之一。基于天气学原理和卫星、雷达资料研究了由局地强降水引发的凉山州“7.14”泥石流、山体滑坡地质灾害的气象成因,对凉山州的防灾减灾工作具有重大意义。

2 泥石流灾情及孕灾地质环境

2006年7月14日晚23时至15日凌晨1时左右,凉山州盐源县平川镇骡马堡村二组出现局地强降雨,引发了中型泥石流灾害[6],造成7户农户42人受灾,15人死亡,1人失踪,7人受伤的重大人员伤亡事件,并造成西木公路中断,直接经济损失超过1千万元。由于泥石流总方量高达10万m3以上,给搜救工作造成很大困难。

“7.14”泥石流发生在盐源县平川镇骡马堡村二组后山塘房沟内,这是泥石流频发地带,沟内流域为三面环山一面出口的漏斗状地形,主沟与支沟沟谷均呈“V”型谷,汇水面积12km2,主沟全长约4.9km,由南向北汇入平川河。塘房沟流域为典型的高中山峡谷地貌,最高海拔高程为3319m,最低海拔高程为1500m,相对高差1819m。形成区为高山地貌,沟床比降为120‰～300‰;流通区为狭窄陡深的峡谷地形,沟床比降为250‰～400‰;堆积区地形开阔,沟床比降为80‰～120‰,位于塘房沟口,并且沟口处住有二十余户村民及一个洗选厂。沟内古堆积体约5.4万m3,泥石流堆积体约2.1万m3。塘房沟流域处于强烈抬升区,区内地壳活动频繁、强烈,断层发育。河流下切强烈,岩石破碎,易引起崩塌、滑坡,为泥石流的形成提供物源基础。流域内出露岩性主要为灰岩、长石石英砂岩、粉砂岩、泥灰岩、泥岩、硅质条带灰岩、辉绿辉长岩,岩层岩石在地震和断层的作用下处于强烈风化剥蚀状态。被风化剥蚀的固体物质一部分残留于地形坡度较缓地带,一部分被运移到沟谷中,加之沟口选矿厂的堆积物,构成了泥石流发生的主要物源。塘房沟内年流水量约1000万m3,最大日流水量约84万m3,2006年7月14日最大洪水流量高达65万m3,流速约1.7m/s,导致了灾难性的泥石流发生。可见,在这次的泥石流活动中,暴雨既是其形成所必备的基本条件,又是激发条件,故分析这次暴雨形成的气象条件就显得非常重要。从暴雨形成的环流形势、影响系统、特征要素及物理量、云团特征等方面对这次暴雨过程加以分析,研究暴雨形成的原因。

3 “7.14”泥石流灾害的气象成因分析

2006年7月14日,受台风碧利斯登陆的影响,中国中东部大部地区出现了降水,其中四川中部和南部部分地方还出现了强降水天气过程。表1给出了凉山州17个县市14日20时到15日08时的12小时累计降雨量,可见,虽然受碧利斯台风影响,但此次降水过程在凉山州内各县的雨量并不大,站点雨量最大为西昌12.3mm,盐源县累计雨量为9.8mm。平川镇未设置雨量观测点,故只能使用离平川镇最近的盐源金河乡雨量哨的降雨量为48mm做参考。另外,根据雷达回波观测数据,显示了平川镇14日21时到15日0时30分出现了强回波中心,最高已达55dBz,这表明平川镇这期间出现了局地的持续性强降雨过程。所以,可以认为,盐源县此次出现的局地的强降雨过程,引发了平川镇的泥石流灾害。

在泥石流灾害的形成中,强降水既是形成泥石流所必备的基本条件,又是激发条件,故暴雨形成的环流背景及其影响系统和产生的气象条件的分析对于暴雨预报就很有意义。考虑“7.14”泥石流过程是一次相当典型的由局地强降水天气激发而引起的泥石流灾害,因此进一步从强降水形成尤其是中尺度不稳定条件和云图及回波特征的角度分析这次暴雨形成的气象成因。

3.1 环流形势及影响系统分析

暴雨总是在一定的环流形势下产生,所以首先利用NCEP2.5°×2.5°资料分析影响凉山州盐源泥石流产生的欧亚大型环流形势,然后利用NCEP1°×1°资料诊断分析涡度、散度、垂直速度、相对湿度、假相当位温等物理量的特征。

图1 2006年7月14日高空图及风场图(图中小方框为平川镇区域)

图1(a,b)是2006年7月14日08时300hPa、500hPa高空图。整个欧亚大陆以深厚的两槽一脊系统为主,随着台风碧利斯西进到台湾,将副热带高压往北挤压,使副高呈东西带状,华中地区形成了很强的反气旋环流。此时,副热带流型多呈纬向型,易造成东-西向的暴雨带。到7月14日20时图1(c,d),两槽一脊大型环流仍然维持,副高有所加强,584线西伸到青藏高原中部一带。图1(e～h)是 7月14日 08时300hPa、500hPa、700hPa和850hPa的风场图,高层(300～500hPa)在青海、甘肃一带有明显的偏北气流,引导冷空气南下,四川东部及南部受东风气流控制,而副高南侧的东风带往往是热带降水系统活跃的地区。同时,低层(700～850hPa)四川为一致的偏南气流,为后期暴雨的形成提供了有利的水汽条件。到20时图1(i～l),高层的东北冷空气已经侵入四川,控制川南的东风气流增强,同时低层转为西南气流,高层冷空气与低层暖湿空气汇合,形成了凉山州地区的强降水。

3.2 特征要素及物理量诊断

暴雨的形成必须基于丰富的水汽输送。相对湿度表征了空气中的水汽含量,只有充足的水汽,才能够形成强降水。图2是2006年7月14日08时和20时,700hPa和850hPa相对湿度图。由图2可见,08时低层,盆地西部和南部水汽含量已经达到90%以上,空气湿度非常大,到20时仍然维持到90%以上,这与一直持续的偏南气流为盆地提供源源不断的水汽输送相吻合。图3是2006年7月14日08时、20时的相对湿度剖面图,很明显,从08～20时,在凉山州地区700hPa以下湿度较大,特别是850hPa以下高达90%以上,并且该地区基本处于相对湿度中心位置。而700hPa以上相对湿度递减,到400hPa以上基本小于50%。这种上干下湿的结构,气层明显表现为对流性不稳定,有利于产生局地强降水。

图2 2006年7月14日相对湿度图(图中小方框为平川镇区域)

散度表示气流的辐合辐散,涡度表示气流的旋转运动,散度和涡度的共同分析则可以反映不同气层的辐合辐散和气旋式与反气旋式旋转以及气流的上升下沉状况,负的散度和正的涡度表示气层辐合上升,而正的散度和负的涡度则表示气层辐散下沉。图4是2006年7月14日08时、20时300hPa,500hPa,700hPa,850hPa散度和涡度分布图。由08时散度图4(a～d)可见,凉山州地区高低层正负散度分布较凌乱,300hPa、700hPa为正,500hPa、850hPa为负。到20时图4(e～h)凉山州地区高层转为一致的正散度,500hPa尤为明显,而低层则为一致的负散度区域。再看涡度平流分布,与散度对应较好,08时的涡度图图4(i～l),300hPa为负涡度区,500hPa负值区域较小,且等值线值也较小,低层为正涡度平流。到20时图4(n～p)高层的负涡度平流更为明显,低层仍然是正涡度平流控制。可见,凉山地区正处于低层辐合,高层辐散的形势,很容易造成强烈的抬升运动,从而形成局地强降水天气。

图4 2006年7月14日08、20时的散度和涡度图(图中小方框为平川镇区域)

垂直运动不仅直接与云雨等天气现象相联系,而且其分布和变化对天气系统的发展也有重要影响。图5是2006年7月14日08时、20时垂直速度剖面图,由图可知,08时,24°N ～35°N 、95°E～104°E这一区域从1000hPa～400hPa并没有明显的整层抬升,还处于发展阶段;但到20时,该区域明显发展成为整层抬升状态。凉山州地区位于26°N～30°N 、100°E～104°E,正好处于上升运动最强区域,整层抬升产生“抽吸”作用,有利于形成强降水。

K指数(气团指数)是考虑了气层水汽条件的一种不稳定指数,能同时反映干空气稳定度、湿度状况的综合指标。一般而言,K值愈高,潜能愈大,大气愈不稳定,普遍认为K值达到40以上[7]则容易出现强降水天气。在MICAPS系统(气象信息综合分析处理系统)7月14日08时和20时的K指数图上,凉山州南部地区K指数数值范围为40～45,表明该地区对流所需要的能量比较充足。

图5 2006年7月14日垂直速度剖面图

θse(假相当位温)是温度、气压、水汽含量的函数,是表示温压湿综合的物理量。一般而言,在同一气压条件下,θse越大表示空气越暖湿。从14日08时、20时700hPa、500hPa、300hPa 3层的假相当位温分布图(图6)看,假相当位温在各层均明显偏大,而且比较稳定,特别是20时700hPa,在凉山州地区明显有一个高值中心。表明凉山州区域空气暖湿,容易发生区域性和局地性的强降水。

引起凉山州盐源县“7.14”局地强降水过程的各种物理量的特征指标如表2所示,可以看到统计的盐源平川镇上空各种物理量在08时、20时的数值特征都体现出对强降水产生的有利条件。从气象条件分析看,7月14日凉山州地区的水汽条件、涡度散度产生的上升运动条件以及大气的不稳定能量条件等都显示出该区域将有降水或强降水产生。

表2 2006年7月14日08时、20时平川镇上空物理量诊断统计特征

3.3 卫星云图特征

图7是2006年7月14日11时开始的凉山地区上空连续的风云2号红外卫星云图。7月14日14时卫星云图显示,高原东南部和贵州一带有零散对流云系发展;到19时,对流发展非常旺盛,在凉山州西北部出现了强对流云团,此强对流云团后期向西南移动到盐源县,造成了盐源县局地强降雨;22～23时对流云系覆盖凉山州大部地区,在凉山州西南部形成连续降雨;之后对流云系西移到盐源西部,盐源县降雨过程结束。整个过程中凉山州大部地区都产生了降水,在盐源县附近,对流云团的发生和发展非常清晰,与平川镇的暴雨时间吻合,局地对流性降水特征明显,但是通过卫星云图还是比较难以确定暴雨形成的具体地点和强度,进一步分析雷达回波图像性质及比较周围的降水量特点,就可以初步确定其局地区域和降水强度,从而预警泥石流的发生。

图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 风云 2 号红外云图(图中黑点为平川镇附近地区)

图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 多普勒雷达观测图像(第一张图黑框处为泥石流大致发生位置,雷达仰角统一采用1.5°,图中小方框为平川镇区域)

3.4 多普勒雷达回波图像特征分析

多普勒雷达回波图像资料取自西昌雷达站(东经102.41°,北纬27.88°)的观测资料。西昌雷达由于山脉阻挡,方位45.18°～150.15°区间范围内成为了回波盲区,但盐源显然在盲区之外,所以回波图像资料是可用的。从7月14日20时28分至15日00时13分的连续雷达回波图(图8)可见,20：28灾害发生附近有回波初生,西北面有系统云系南压,初生回波强度为20～25dBz。20：48回波强度20～38dBz,形成降水。21：30强度 20～40dBz,降水面积有所扩大。21：50强度20～40dBz。22：03强度 20～50dBz。22：16强度20～50dBz。22：23强度20～50dBz,形成小面积50dBz区域,此时降水强度预计为最强时段。22：49强度20～50dBz,强回波区域有所南压。23：10回波南压,灾害发生区域降水强度明显减弱,强度20～30dBz。23：30回波强度20～30dBz。23：50北部南压回波覆盖灾害发生区域,主降水区南压离开灾害发生区域,区域内回波强度20～30dBz。00：13回波强度20～30dBz,灾害发生区域主降水过程结束。前述描述可见,雷达回波的强度明显表现出与降水发生相对应的对流回波产生、加强、减弱的过程特征,图9则表示了盐源平川回波初生、成熟和减弱的情况。通常而言,回波生命史较短,短的半小时即消亡,盐源平川回波生命史也仅2.5小时左右,从21：02～23：26为回波初生、成熟、到减弱移出平川时的回波演变情况,21：00盐源东部平川镇的降雨云团明显增强,中心强度达到50dBz,表明云团中心有局地强降雨出现,21：24平川镇出现了55dBz强回波中心,表明云团降雨强度进一步加大,使平川镇具备了出现泥石流灾害的强降雨条件。从21：00～22：43盐源县平川镇的降雨云团一直维持,强度非常强,使平川镇出现了连续强降雨,最强降水出现在22：38左右,回波强度达59dBz,回波高度12km,此时可见多块块状回波在平川附近复合发展(包括官地、金河等地),23：26盐源平川已转为小阵雨。回波在空间的结构特征(图10)也能较好地表现出降水时段的变化,21：03为回波初生阶段,回波强度为40dBz,强回波高度7km,回波顶部发散;22：41为回波成熟阶段,强弱回波高度梯度较大,回波强度达59dBz,强回波高度达8km,回波顶高大于12km,为强降水集中产生时段。23：26回波开始减弱移出平川。

图9 盐源平川雷达回波的演变情况(21：02回波初生,22：38回波成熟,23：26回波减弱移出平川)

图10 盐源平川雷达回波的空间结构(21：03回波初生,22：41回波成熟)

根据回波演化的分析,可以预测在官地一带有强降水发生,进一步根据收集到的官地雨量(44mm)和金河雨量(48mm)的情况,对比分析在两地降水量和影响平川的回波强度,可简单预测平川的降水量大约在40～50mm之间,且降水时段较为集中,主要降水集中在1小时内。如果再考虑前期平川降水较为丰富,地表植被破坏严重,以及洗选厂阻挡水道、降水较为集中等等因素,可以进一步预测盐源平川附近泥石流频发地带可能有泥石流、滑坡的地质灾害发生。

“7.14”强降水及泥石流灾害的事后分析表明,由雷达回波演变趋势可以分析出回波生消与降水集中、降水结束有较好的相关关系,降水结束后回波迅速减弱消亡;而泥石流的发生时段为14日23时～15日01时,表明泥石流滞后集中性强降水产生约1～2小时的特征。故此,在平川地区,当前期有一定降水积累,而雷达回波又达到50dBz时,可以作为强降水激发泥石流灾点的预报预警指标。显然,这种降水较为集中的回波特征也可以成为泥石流多发地区预警预测的重要信号之一。

当天气图上具备了局地强降水产生的环流形势和水汽以及不稳定条件信号后,雷达回波的分析就可以作为强降水甚至泥石流等地质灾害预报预警的重要工具和方法手段。一般而言,当雷达观测到50dBz强回波时,就表明强对流天气已经出现;当雷达观测到对流云团稳定少动时,将出现持续强降水,极有可能引发山洪、泥石流、滑坡等地质灾害天气的发生。

4 结论与讨论

(1)盐源县平川镇“7.14”泥石流灾害的发生与骡马堡村二组后山塘房沟内局地的孕灾环境关系密切,其沟内具有泥石流发生的充足物源条件。但暴雨既是泥石流形成所必备的基本条件,又是激发条件,故分析暴雨形成的气象条件就显得非常重要。

(2)“7.14”个例分析提出了针对台风登陆引起的凉山地区局地强降水天气预报的三个特征。第一,500hPa上显出东西带状或者块状的副高形势,并风场图上可以看到冷空气南下以及西南暖湿气流对水汽的持续输送的特征。第二,凉山地区有较高的不稳定能量,处于上升运动区,高层辐散,低层辐合,且相对湿度在90%以上。第三,当雷达回波观测到大于50dBz强回波时,表明强对流天气已经出现,当对流云团稳定少动时将出现强降水,可能引发山洪、泥石流、滑坡等地质灾害。

对“7.14”平川泥石流灾害的气象成因的分析,提供了一种泥石流灾害预报预警的思路,其中短临预报预警的关键在于云图信号和雷达回波信号的应用。目前,通过中国气象局卫星广域网灾害天气短时临近预报预警系统(SWAN系统)可以获得相关的雷达信息拼图资料。根据SWAN系统提供的雷达回波信息,通过加密强降水观测资料的分析,建立起雷达回波Z值与局地强降水之间的关系,并进一步建立起泥石流灾害发生灾点的预报预警模型。

感谢：凉山州科技局2011年度州级重点科研开发项目(2011J009)对本文的资助。

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