青海高原气象地质灾害特征及致灾雨量研究

白爱娟 ,朱科旭 ,管 琴

（1.成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225；2.青海省气象台，西宁 810000；3.中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026）

引言

青海高原位于青藏高原东北部，地形梯度大，土壤质地粗糙，地质灾害多发且危害重[1]。自然条件是引起地质灾害的根本原因，但在地质条件脆弱区，强降水是地质灾害的催化剂[2]。降水产生洪涝，并与地表环境作用冲毁房屋和路桥，严重的还引起崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等次生灾害。近年来，在气候变暖背景下，青海降水量有增多增强趋势，地质灾害范围扩大，降水诱发的地质灾害频繁发生，灾情趋于严重[3]。以2018 年为例，青海省强降水导致洪涝94 起，其中4 起引发了严重地质灾害（青海省灾情通报），因此迫切需要关注降水对地质灾害的诱发及促进作用，开展地质灾害预警机制研究。

相关研究指出，致灾的降水等级和阈值是衡量降水促发作用的关键，用于预警地质灾害的降水参数包括前期累计降水量、触发日暴雨量、暴雨日最大小时雨强等[4]。Crozier 等[5]提出的有效降水量在气象地质灾害预警中广泛应用。沈玲玲等[6]应用主成分分析法，得出前期降水量对滑坡、泥石流的影响作用相当大。马超等[7]通过对比汶川地震和台湾集集地震后的泥石流特征，将泥石流分为前期雨量控制型和短历时降水控制型。宋光齐等[8]结合地形地貌等地质条件特征，得出四川省地质灾害危险区划，并根据预报的降水量进行气象地质灾害预警。朱佳敏等[9]得出浙江宁波触发地质灾害的前7 天雨量阈值为100mm。吕招娣等[4]得出江西广丰触发地质灾害的暴雨日雨量阈值为80mm。

近年来气象地质灾害的防灾减灾是青海亟需解决的重大问题。本文拟利用近12a 年青海地质灾害的灾情记录和对应时次中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System，以下简称CLDAS）的融合数据，确定青海高原气象地质灾害的易发区，并分析降水对地质灾害的诱发作用，确定预警气象地质灾害的降水条件和土壤水分条件。

1 数据和方法

1.1 数据

（1）2008～2020 年青海省45 个县的应急管理局、民政局、防汛办、水利局，以及各部门联合调查上报的灾情直报信息。直报信息中标注了来源、直接经济损失和信息制作人、联系方式，还对灾害类型、发生地点、起止时间、灾情影响（受伤人口、死亡人数、倒塌房屋）和天气特征进行了详细描述。研究从该信息中获取了灾害地点、类型、发生时间和原因。

（2）2008～2020 年CLDAS 的融合降水资料。2008～2016 年数据网址：http://tipex.data.cma.cn/tipex，2017～2020年数据网址：http://data.cma.cn/。数据分辨率为0.0625°×0.0625°，逐小时间隔。该数据改进了国家卫星气象中心基于离散坐标法物理模型（Hybrid）的短波辐射遥感反演业务算法，采用基于“概率密度函数＋最优插值”方法获得了格点融合降水。该数据与中外同类产品相比较，在中国区域质量更高[10]。崔园园等[11]研究指出该资料在中雨以下级别与站点观测降水量相关系数高，通过了0.05 水平的显著性检验。

（3）2008～2020 年CLDAS 的0～10cm、10～40cm 土壤体积含水量数据。雨水落在土壤表面后，通过渗入土地，使土壤含水量增加，改变了土壤的粘度和密度，导致气象地质灾害的发生。土壤体积含水量是土壤中水分占有的体积和土壤总体积的比值，表示土壤空隙的充水和润湿程度。CLDAS 土壤体积含水量产品是利用气温、气压、湿度等数据和初始场信息驱动CLM和Noah-MP（1～4）陆面模式集合模拟而得到的。

1.2 方法

本文用有效降水量分析降水下渗土壤后对气象地质灾害的促发作用。有效降水量是自然降水过程渗入土壤并储存在作物主要根系吸水层中的雨量值，通常是应用在农业方面，考虑到降水是气象地质灾害发生的重要因子，Zêzere 等[12]将其应用到气象地质灾害预警上，其经验公式如下：

式中：Ra是灾害当日的前期有效降水量；P1为灾害降水前一天的日降水量，Pn表示前n天的降水量。例如当降水时长尺度为3d 时，n取3；K为衰减参数，一般取[0.8，0.9]区间的常数，本文参照Zêzere 等[12]的研究结论，K取0.9。

2 青海高原气象地质灾害特征分析

2.1 气象地质灾害的时间变化

根据青海省2008～2019 年灾情数据，筛选出23 次气象地质灾害事件，绘制青海高原气象地质灾害的年际和月际变化曲线（图1）。分析3 类气象地质灾害的年际变化曲线，发现近12a 青海省气象地质灾害崩塌发生1 次，滑坡12 次，泥石流10 次，平均每年发生2 次。2010、2016、2017 年气象地质灾害次数最多，平均为4 次。分析气象地质灾害的月际变化发现，气象地质灾害仅出现于5～10 月，频次分布为双峰型，7 月最多（9 次），9 月次之（8 次），其余月份不足3 次。因此，青海高原气象地质灾害的年际和月际变化大，7月是灾害发生次数最多的时段。

图1 2008～2019 年青海高原气象地质灾害发生次数的年际（a）和月际（b）变化曲线

2.2 气象地质灾害的空间分布特征

青海高原近12a 气象地质灾害的空间分布如图2所示。气象地质灾害主要集中在东部地区，尤其是西宁市、海南州、黄南州、玉树州、黄南州5 个地区。崩塌仅在西宁市发生1 次；泥石流主要出现在海南州东部、玉树州称多县，此外海西州德令哈市也有1 次泥石流发生；滑坡主要发生在西宁市、海南州东部和黄南州北部地区，玉树州囊谦县和果洛州玛沁县各有1 次滑坡发生。

从图2 可以看出，西宁市、海南州、黄南州、玉树州是气象地质灾害的易发区，将这4 个地区近12a 气象地质灾害频次列为表1。分析可知：海南州同德和贵德发生频次最高，同德出现4 次，贵德出现3 次；其次是西宁湟中和西宁市区附近，各发生了3 次；玉树称多和黄南同仁各发生了2 次。赵家绪等[13]分析指出：青海高原气象地质灾害主要沿湟水、黄河干流及其支流沿岸呈条带状分布，与易发区中的西宁市区和湟中县一致；其次灾害易发生在呈条带状分布的低山及丘陵前缘斜坡地带，地形支离破碎的高坡深沟区，沿软弱夹层地质灾害发育，与易发区中的海南州同德、贵德县，以及黄南州同仁县吻合；以上地区气象地质灾害频发是与侵蚀剥蚀的中低山及丘陵地貌，地形坡度，植被稀少，以及沟深坡陡的地形地貌密切相关，而夏季高强度的阵性降水是诱发因素。

表1 2008～2019 年青海高原气象地质灾害易发区的灾害频次

图2 2008～2019 年青海高原气象地质灾害空间分布（a）、灾害易发区（b）

3 青海高原气象地质灾害降水和土壤水分特征分析

3.1 气象地质灾害预警条件

为了确定青海高原气象地质灾害的预警条件，以2008～2019 年23 次滑坡、泥石流和崩塌类灾害事件为例，利用ArcGIS 软件，提取了23 次事件灾害点对应的CLDAS 数据的降水量和灾害发生时土壤体积含水量，其中2 次事件部分资料缺失，后文中不予分析。通过格点降水量确定每次灾害发生前降水起始时间、结束时间和持续时间。出现>1mm 的降水日为起始时间；气象地质灾害发生时间为结束时间[14]，起始时间与结束时间之间的时长为降水持续天数。统计21次灾害发生前降水量和土壤湿度的变化特征，如图3、图4 所示。根据灾害发生的前期降水量与当天日降水量，可分为3 种类型：前期降水型、强降水型、综合型。

分析8 次前期降水型气象地质灾害的土壤湿度特征（图3）可知：两个深度的土壤体积含水量相近，除了1 次灾害外，差值均≤0.03mm3/mm3，说明雨水已渗透到土壤40cm 以下。分析前期降水型气象地质灾害的降水特征（图4）可知：有5 次灾害当天未出现降水（图4a），当天及前一天有效降水量之和<10mm(图4b)，灾害的降水持续天数>5d，持续有效降水量>18mm（图4c）。以上分析说明前期较长时间降水累积作用对气象地质灾害的促发作用明显，且灾害通常滞后于降水出现。

图3 2008～2019 年青海高原前期降水型、强降水型、综合型气象地质灾害的灾害发生时土壤体积含水量（虚线内表示2 层土壤体积含水量差值≤0.3mm3/mm3，两条实线为0.27mm3/mm3 等值线）

分析7 次强降水型气象地质灾害的土壤湿度特征（图3）可知：除了1 次灾害外，0～10cm 比10～40cm的土壤体积含水量大，最大的土壤含水量差值达到0.08mm3/mm3，最小的差值为0.01mm3/mm3。土壤湿度差大说明深层土壤未饱和，降水量主要作用于地表，尚未完全向下渗透到土壤深层，表层土壤与雨水作用促进灾害发生。分析强降水型气象地质灾害的降水特征（图4）可知：灾害当天均有降水，有4 次灾害当天的有效降水量>10mm（图4a），且当天与前一天有效降水量之和均>10mm（图4b），但降水持续天数均在4d 以内，且持续有效降水量、当天及前一天有效降水量之和相近（图4c）。以上分析说明当天和前一天降水是导致气象地质灾害发生的主要原因。

分析6 次综合型气象地质灾害的土壤湿度特征（图3）可知：不同过程土壤湿度特征不一致，有些灾害中0～10cm 和10～40cm 深度的土壤体积含水量相近，有些灾害中0～10cm 土壤体积含水量大于10～40cm 的。分析综合型气象地质灾害的降水特征（图4）可知：当天有1 次灾害无降水出现，有3 次灾害有效降水量>10mm（图4a），当天及前一天有效降水量之和>10mm（图4b），且降水持续天数>5d，持续有效降水量>18mm（图4c）。以上分析说明灾害既受到当天及前一天降水的促发作用，同时也受到长期降水作用。

图4 2008～2019 年青海高原3 类气象地质灾害发生时当天有效降水量（a）、当天及前一天有效降水量之和（b）以及持续有效降水量（c）的演变特征（b 中虚线表示强降水型雨量阈值，c 中虚线表示前期降水型雨量阈值）

根据以上分析，确定青海高原气象地质灾害发生时的土壤湿度主要表现为2 种类型：一是0～10cm、10～40cm 的土壤体积含水量接近，差值≤0.03mm3/mm3，说明灾害发生时土壤水分已达到饱和，且降水已渗透到40cm 以下；二是0～10cm 土壤体积含水量多于10～40cm 的，且0～10cm 土壤体积含水量>0.27 mm3/mm3，说明降水尚未完全渗透到土壤深层，仅表层土壤近乎饱和。再结合上述3 类气象地质灾害降水对灾害的促发作用，可确定青海高原气象地质灾害的预警条件：①雨量阈值条件：当天及前一天有效降水量之和达到10mm，或持续有效降水量达到18mm 以上；②土壤水分条件：0～10cm 和10～40cm的土壤体积含水量差值≤0.03mm3/mm3，或其中一个深度的土壤体积含水量≥0.27mm3/mm3。

3.2 气象地质灾害预警条件的检验

针对3.1 节的青海气象地质灾害预警条件，应用2020 年灾害数据进行检验。2020 年青海气象地质灾害共发生了5 次，每次灾害的降水量和土壤湿度特征见表2。5 次灾害事件中，两层土壤体积含水量差值≤0.03 mm3/mm3，或0～10cm 的土壤体积含水量>0.27mm3/mm3，满足前面确定的土壤水分条件。5 次灾害事件有2 次为前期降水型，2 次为强降水型，1 次为综合型。2 次前期降水型灾害事件中，降水持续天数分别为11d 和10d，持续有效降水量分别为23.7mm 和22.3mm，超过雨量阈值条件的18mm。2 次强降水型灾害事件中降水持续天数分别为2 天和4 天，当天降水与前一天有效降水之和分别为17.9mm和22.2mm，超过雨量阈值条件10mm。1 次综合型灾害中，当天降水与前一天有效降水之和为11.6mm，也超过了雨量阈值条件10mm。同时该次过程中降水持续天数超过5d，持续有效降水量超过18mm。以上5 次灾害过程中均达到了气象地质灾害预警条件，说明该阈值条件合理，预警效果较理想。

表2 青海高原2020 年气象地质灾害事件降水量和土壤湿度特征

考虑到玉树称多气象地质灾害多发，以2020 年6月称多县为例，研究预警条件对青海气象地质灾害的预警效果。以灾害发生的6 月19 日19 时为参考，分别绘制出6 月逐日19 时的土壤体积含水量（图5a）、6 月逐日的持续有效降水量、当日与前一天有效降水之和的时间序列（图5b）。

如图5a 所示，自6 月19 日起，灾害点附近0～10cm的土壤湿度受12 日以后降水影响，土壤体积含水量逐渐增加，16 日跃增到0.27mm3/mm3以上，17 日、18日下降，19 日达到0.27mm3/mm3；10～40mm 土壤湿度受降水过程影响缓慢，在17 日后才增加到0.25mm3/mm3以上，18、19 日下降，19 日达到0.24mm3/mm3，满足土壤水分条件。分析灾害发生前有效降水量变化特征（图5b）可知：6 月11 日开始，持续有效降水量呈逐日增加趋势，从0mm 增加到19 日的22.3mm，其中18 日、19 日以及随后的20～23 日连续超过18mm；20～23 日，发生了空报。究其原因，虽然持续有效降水量超过了20mm，土壤湿度条件满足，但是灾害后地面物源条件缺失，所以很难再次发生灾害。分析该时间段当天及前一日有效降水量之和的变化（图5b）可知：在20～22日、26～27 日，该值超过了10mm，但降水未能导致灾害发生，这也是灾害后地面物源条件缺失的结果。因此雨量阈值和土壤水分条件准确地预警了气象地质灾害初次发生的时间，灾害发生前未出现虚假预警。

图5 玉树州称多县2020 年6 月逐日19 时0～10cm、10～40cm 的土壤体积含水量（a，单位：mm3/mm3）和逐日持续有效降水量、当日与前一天有效降水量之和（b，单位：mm）变化曲线（横虚线为预警条件，纵虚线为灾害发生日期）

综上所述，通过对历史气象地质灾害的分析以及最新个例的检验，说明结合有效降水量和土壤湿度能够有效地预警气象地质灾害的发生。虽然该方法未出现漏报的情况，但是会有一定的虚假预警，尤其是出现在灾害发生后的空报。我国其它地区诱发地质灾害的雨量阈值都直接应用降水量，未考虑前期降水量的蒸发消散作用，比如浙江宁波[8]、江西广丰[9]、西南地区[15−16]。本文采用的有效降水量克服了这种弊端。比较不同地区雨量阈值的大小，发现其它地区的雨量阈值显著高于青海高原的阈值，这也是青海土质松散、降水量小但雨强大，以及局地性强[17]的必然结果。同时也发现青海高原地质灾害发生当天不一定有降水出现，即有些灾害发生在降水结束以后，明显滞后于降水天气，这与四川汶川和台湾集集等地的震后地质灾害不一致[6]，局地性明显。

4 结论与讨论

本文针对青海省2008～2019 年气象地质灾害事件进行分析，确定了气象地质灾害预警条件，得到以下结论：

（1）青海高原气象地质灾害发生次数年际波动大，易发生在7 月。灾害易发区包括中海拔的西宁市、海南州、黄南州，此外在高海拔的玉树州灾害危险性也高。

（2）根据前期降水量与当天日降水量之间不同的权重关系，可将青海高原气象地质灾害分为3 种类型：前期降水型、强降水型、综合型。结合土壤湿度特征，可得青海高原气象地质灾害的预警条件：①雨量阈值条件：当天降雨量和前一天有效雨量之和达到10mm，或持续有效降水量达到18mm 以上；②土壤水分条件：0～10cm 和10～40cm 的土壤体积含水量差值≤0.03mm3/mm3，或其中一个深度的土壤体积含水量≥0.27mm3/mm3。

青海高原重大气象地质灾害前期的降水量对灾害具有显著的诱发作用，由于青海不同地区地形坡度和地质条件存在显著差异，因此诱发气象地质灾害的降水量也会各不相同，在此选用相同阈值进行灾害预警会有一定程度的虚假预警和漏警。再者，青海不同地区土壤质地条件相差较大，达到水分饱和的土壤体积含水量不同，本文以0.27mm3/mm3作为全区一致的土壤水分条件也会导致预警的不精确。崩塌、泥石流和滑坡等重大地质灾害多是在土壤达到饱和时发生，选用土壤相对湿度或土壤饱和度等与土壤水分条件有关的产品，可以更好地反映土壤水分饱和性。以后将更多的数据和个例纳入研究，会得到更精细的降水量和土壤湿度的预警条件，进一步促进气象地质灾害的精细化预警。