高云建,陈宁生,胡桂胜,邓明枫
(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610041;2.中国科学院大学,北京 100049)
全球气候变暖及气候演变加剧的大背景下,厄尔尼诺-拉尼娜事件时常发生[1-2]。厄尔尼诺(El nino)现象是指发生在中、东太平洋海温异常增暖的一种气候现象,也称之为“暖事件”。拉尼娜(La nina)现象是指赤道中、东太平洋水温反常下降的一种现象,表现为中、东太平洋明显变冷,也称之为“反厄尔尼诺”或“冷事件”。当赤道中、东太平洋海表温度持续6个月以上偏高0.5℃时,称之为一次厄尔尼诺事件;当赤道中、东太平洋海表温度持续6个月以上偏低0.5℃时,称之为一次拉尼娜事件[1]。据统计,1951—2016年65 a间,共有19个厄尔尼诺年(暖事件)、14个拉尼娜年(冷事件),正常年份32个。全球在厄尔尼诺-拉尼娜等极端气候事件的影响下,自然灾害暴发频繁[3-6]。如1997,1998年是强厄尔尼诺事件年之一,1998年夏季我国长江中下游及华南部分地区连续暴雨和特大暴雨,长江发生全流域特大洪水,嫩江、松花江流域发生百年不遇特大洪水,全国受灾面积达20万km2,绝收5.27万km2,洪水造成的直接经济损失达 2 500亿元人民币[1]。再如 1982,1983年厄尔尼诺事件,印度西北部雨季干旱,作物枯萎,而东部恒河平原大面积洪涝,600人死亡,农作物和建筑物损失估计达7亿美元,200万人无家可归。孟加拉国无数人葬身洪水,2.5万人无家可归[1]。厄尔尼诺-拉尼娜事件引发了严重的灾害事件,而这其中,泥石流灾害的暴发频率和强度在厄尔尼诺-拉尼娜事件年有所加剧。
西南地区山地面积广、构造活动强烈、地形条件复杂、极端天气异常,因此是我国泥石流灾害/灾变暴发的高发区域。张京红等[7]研究了ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)循环与云南蒋家沟泥石流灾害发生的关系,结果表明:厄尔尼诺年,泥石流发生频次、径流量和输沙量偏少的概率较大;拉尼娜年,泥石流发生频次、径流量和输沙量偏多或持平的概率较大。张鹏飞等[8]研究了50 a以来厄尔尼诺-拉尼娜事件对山西省气候影响,结果显示:自1956年以来,山西省年降雨量呈明显的波动减少的趋势,其中厄尔尼诺年降雨量低于正常年份48 mm,发生干旱的可能性大;拉尼娜年降雨量低于正常年份16 mm,发生灾害的可能性小。马振宁等[9]研究了ENSO影响下陕甘宁蒙接壤区暴雨灾害风险评价,结果显示:研究区暴雨灾害和拉尼娜关系密切,且不同地区影响具有差异性。
目前,国内外学者关于厄尔尼诺-拉尼娜与泥石流时空关系研究较少,系统性、大范围、系统分区的研究较为欠缺。基于目前国内外学者的研究现状,结合全球气候变暖的大背景下,本文讨论泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件的关系特征。本文统计泥石流灾害事件共234次,其中造成人员死亡的泥石流灾害事件115次,未造成人员死亡但有经济损失的泥石流灾害事件119次。另外,本文统计自1951年以来的厄尔尼诺-拉尼娜事件,包括发生时间、持续时长、暴发强度等数据。通过分析泥石流灾害事件与厄尔尼诺-拉尼娜事件的时空关系特征,深化对泥石流灾害暴发条件的认识,为泥石流灾害的深入研究提供基础指导。
我国西南山区位于第一阶梯与第二阶梯的过渡区域,泥石流灾害频发、危害大、分布范围广。西南地区主要包括四川省、云南省、贵州省、重庆市、西藏自治区五省(自治区、直辖市)。区域地形结构复杂,主要以高原、山地为主,分布有青藏高原、横断山脉、云贵高原、四川盆地等;气候主要为热带季风气候、亚热带季风气候和高原山地气候,东部主要受东亚季风气候影响,西南部主要受西南季风影响。西南山区泥石流灾害主要分布于高山峡谷地区,且分布范围广:四川省主要分布于横断山区、川西高原、川北丘陵、安宁河、金沙江、大渡河、雅砻江流域等;云南省主要分布于滇西北、滇东北、滇西南及红河流域河谷地区等;贵州省主要分布于云贵高原入山陡坡地带、东北部大娄山和武陵山地带、黔南与黔西南交界的苗岭入缓丘地带等;重庆市主要分布于渝北山地、渝东山区等;西藏自治区主要分布于藏东南缘的雅鲁藏布江河谷、国道318沿线,以及喜马拉雅山区等。
西南山区泥石流灾害暴发的影响因素较多,如构造活动、断层、地震、地形、地层岩性、干旱、降雨、人类活动等。西南地区位于印度洋板块和喜马拉雅板块的挤压带,构造活动强烈,断层分布广泛。从地形上看,据统计,我国西南山区泥石流沟的平均沟床比降可分为:<50‰的小沟床比降,该类沟床不易发生泥石流;50‰~100‰的中小沟床比降,此类沟床发生泥石流可能性较小;100‰~300‰的较大沟床比降,此类沟床发生泥石流可能性较大;300‰~500‰的大沟床比降,此类沟床发生泥石流可能性大;>500‰的极大沟床比降,此类沟床不易发生泥石流[10]。西南地区是地震高度活跃的地带,分布有多条地震带,如龙门山地震带、安宁河谷地震带、小江地震带、喜马拉雅地震带、康定—甘孜地震带等。据卢阳[11]关于地震和干旱与泥石流关系的研究,地震往往会在极短的时间内既改变沟谷流域的地形地貌,又为泥石流形成提供丰富的松散固体物质,还可以为泥石流提供间接水源;干旱主要使土体开裂,增加土体孔隙,破坏土体原有的力学性质,降低土体的抗剪强度,在后期降雨作用下,土体很容易失稳启动。西南山区泥石流形成的物源、水源、地形条件均满足,因此成为我国泥石流暴发的高发区域。
研究西南山区泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件的关系特征,需要泥石流灾害和厄尔尼诺-拉尼娜事件2方面的数据。首先,泥石流灾害数据主要收集泥石流灾害点的位置、降雨、气温、灾害损失情况等。其中降雨、气温主要统计各泥石流灾害点厄尔尼诺-拉尼娜年当年的年降雨量、年平均气温,以及该点多年平均降雨量、多年平均气温数据。泥石流灾害事件统计共234次,统计分为有人员死亡(115次)和有财产损失(119次)2类,如图1所示。泥石流灾害点的选取尽可能均衡化,即各省、各地区均匀统计,同时尽量满足泥石流灾害事件的数量。其次,厄尔尼诺-拉尼娜事件数据的统计,主要收集1951年以来的厄尔尼诺-拉尼娜事件,其中厄尔尼诺事件61次、拉尼娜事件71次、冷/暖或暖/冷事件转换事件15次,如表1所示。数据统计主要包括厄尔尼诺-拉尼娜年的数量、强度、发生时间、持续时间等。
图1 西南地区泥石流灾害事件分布Fig.1 Distribution of debris flow events in Southwest China
表1 西南山区泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件发生时间、频次关系Table 1 Relation between debris flow disaster and occurrence time and frequency of El Nino and La Nina events in Southwest China
本文主要通过统计方法进行西南山区泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件的关系研究,具体采用Origin,SPSS等软件进行统计分析。此外,借助GIS技术,对数据资料进行空间分析,研究两者的空间关系特征。
本文收集西南山区234次泥石流灾害事件数据,同时收集自1951年以来的厄尔尼诺-拉尼娜事件。通过数据统计,分析泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件的时空耦合关系。据统计,1951—2016年65 a间,共有19次厄尔尼诺年(暖事件)、14次拉尼娜年(冷事件),正常年份32个。统计泥石流灾害次数234次,其中61次泥石流灾害事件发生于厄尔尼诺年(暖事件),占总数的26%;71次泥石流灾害事件发生于拉尼娜年(冷事件),占总数的30%;15次泥石流灾害事件发生于冷/暖或暖/冷事件转换年,占总数的6%。
全球气候变化渐趋活跃,另外伴随人类活动的加剧,极端灾害事件不断增加,在时间上表现得尤为突出。统计自1951年以来的234次泥石流灾害事件,以5 a为时间间隔,分析厄尔尼诺-拉尼娜年泥石流灾害发生的时间关系。结果显示:从20世纪50年代开始至今,西南山区泥石流灾害暴发频率在厄尔尼诺-拉尼娜年有明显的增加趋势;自20世纪80年代开始,西南山区泥石流灾害在厄尔尼诺-拉尼娜年的发生频次不断上升;总体上看,泥石流灾害在拉尼娜年发生频次要高于厄尔尼诺年,如表2和图2所示。
表2 西南山区泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件时间关系Table 2 Temporal frequency of debris flow disaster in El Nino and La Nina events in Southwest China
图2 西南山区泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件时间关系Fig.2 Temporal frequency of debris flow disaster in El Nino and La Nina events in Southwest China
泥石流的暴发,除了受极端天气、极端气候等所控制的水源因素影响以外,还受其他因素如地形、物源等的影响。反之亦然,当泥石流暴发的地形、物源条件都得到满足,水源条件的盈亏则成为泥石流最终暴发的关键因素。基于GIS技术进行空间分析,分析在厄尔尼诺-拉尼娜年及冷、暖事件转换年,泥石流灾害在空间范围上的分布特征,如图3、表3所示。结果表明:①在厄尔尼诺-拉尼娜事件年,泥石流灾害暴发比较频繁的区域有藏东南山区、横断山区、滇东北、贵州西部及西南部、滇西北、大渡河及雅砻江流域等;②在大渡河及雅砻江流域、滇东北、贵州西部及西南部等区域,厄尔尼诺年爆发泥石流灾害要多于拉尼娜年;③在横断山区、凉山州安宁河流域、滇西北、重庆山区、藏东南山区、喜马拉雅山区等区域,拉尼娜年泥石流灾害爆发多于厄尔尼诺年。
图3 厄尔尼诺-拉尼娜年西南地区泥石流灾害分布密度Fig.3 Density distribution of debris flow in Southwest China in El Nino and La Nina years
表3 西南山区泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件空间关系Table 3 Spatial distribution of debris flow in El Nino and La Nina events in Southwest China
泥石流的暴发需满足水源条件,其中降雨是重要的水源补给方式。统计自1951年以来,泥石流灾害发生的厄尔尼诺年、拉尼娜年、冷/暖或暖/冷事件转换年的年降雨、气温数据。另外,统计各泥石流灾害点多年平均降雨量和多年平均气温数据。以1981—2010年近30 a间的多年平均降雨为基准,根据泥石流发生的不同区域,统计其多年平均降雨量。根据统计分析,对比厄尔尼诺-拉尼娜年及冷/暖或暖/冷事件转换年与正常年份的降雨和气温数据,结果显示:①在厄尔尼诺年,西南山区泥石流灾害点降雨量略大于多年平均降水量,且降雨波动较大;②在拉尼娜年,西南山区泥石流灾害点降雨量明显大于多年平均降水量,甚至某些地区降雨量出现大幅度增加;③在冷/暖或暖/冷事件转换年,西南山区泥石流灾害点降雨量总体大于多年平均降水量;④在厄尔尼诺-拉尼娜事件的影响下,西南地区降雨量普遍增加,且异常降雨趋势明显。在厄尔尼诺-拉尼娜年,降雨的增加意味着西南山区泥石流灾害/灾变发生的可能性增大,如图4所示。其中,图4(a)中50号泥石流沟厄尔尼诺当年降雨数据缺失;图4(b)中27号、29号泥石流沟降雨数据与28号相同,因为同时间、同地点3处泥石流发生,因此仅统计了28号,45号泥石流沟降雨数据缺失。
图4 不同事件年西南山区泥石流灾害点降雨量Fig.4 Rainfall at debris flow locations in southwest China in El Nino La Nina years and cold/warm or warm/cold event transition years
随着全球气候变暖,极端天气变化异常,特别是在厄尔尼诺-拉尼娜事件的影响下,西南山区暴发了大量的自然灾害/灾变事件。其中泥石流灾害近年来的暴发频率有所增加,并且受极端降雨、干旱等天气的影响,暴发特征极为异常。本文统计西南山区234次泥石流灾害事件,其中造成人员死亡的泥石流灾害115次,造成财产损失的泥石流灾害119次。收集自1951年以来65 a间的厄尔尼诺-拉尼娜事件,其中厄尔尼诺事件19次、拉尼娜事件14次、正常年份32个。通过统计分析,同时借助GIS空间分析技术,研究西南山区泥石流灾害事件与厄尔尼诺-拉尼娜事件的时空耦合关系。结果显示:
(1)在时间关系上,厄尔尼诺-拉尼娜年西南山区泥石流灾害暴发频率有明显的增加趋势,特别是20世纪80年代开始,泥石流活动异常频繁。另外,泥石流灾害在拉尼娜年发生频次要高于厄尔尼诺年。
(2)在空间关系上,厄尔尼诺-拉尼娜事件年,泥石流灾害暴发比较频繁的区域主要分布于藏东南山区、横断山区、滇东北、贵州西部及西南部、滇西北、大渡河及雅砻江流域等地区,且各地区厄尔尼诺年和拉尼娜年泥石流暴发频率不同。
(3)在厄尔尼诺-拉尼娜年,西南山区泥石流灾害点的降雨量总体上大于多年平均降雨量,并且降雨暴发相对异常。西南山区泥石流灾害点在时间和空间关系上和厄尔尼诺-拉尼娜事件耦合关系明显,同时降雨量也明显对于多年平均降雨量。因此,在厄尔尼诺-拉尼娜事件的影响下,西南山区泥石流灾害事件有明显的响应趋势,两者关系密切。