云南不同类型地质灾害的天气诱因分析

刘博文,许彦艳 ,李华宏,牛法宝,李耀孙

（云南省气象台，昆明 650034）

引言

盐津县位于云南省东北部昭通市，境内坡陡山高，沟壑纵横，卡斯特地貌特征明显，地质条件十分恶劣。随着当地经济发展和基础设施建设规模不断的扩大，大量斜坡形成高陡边坡，使得局部地质体的稳定性明显降低，地质环境不断恶化。加之盐津县属中亚热带与温带共存的季风立体气候，汛期5～10月雨量充沛，暴雨频次高、强度大，造成当地滑坡、崩塌和泥石流等各种地质灾害频发，是全国有名的地质灾害多发县之一。灾害频发严重阻碍了盐津县地方经济建设和可持续发展，因此持续深入地开展当地地质灾害风险防范技术研究工作刻不容缓[1−2]。

近年来，研究人员针对不同类型地质灾害的诱发因子和预报模型做了大量工作，取得了丰硕成果。闵颖等[3]、李华宏等[4]、胡娟等[5−6]利用云南116个国家站的相关资料总结了地质灾害与降水雨洪的关系，并结合云南省地质灾害区划成果，得出各县站诱发山洪地质灾害的临界雨量以及对应的5个山洪地质灾害气象风险等级。段旭等[7]、陶云等[8]分析研究了云南省不同地质地貌条件下滑坡泥石流与降水的关系，认为前期累计降水量与滑坡泥石流之间的关系密切，预测预报应该综合考虑各类地质地貌特征，减少空报率。杨竹云等[9]利用Z指数、主成分分析和地质灾害前期有效降水量分析等方法，对云南昭通地质灾害与降水的关系进行了研究，建立和优化昭通市降水型地质灾害气象风险预警模型，检验效果良好。此外，向小龙等[10]通过地质资料分析，结合野外详细调查，揭示盐津地区地质灾害形成的主要控制因素是地形地貌、地质构造、坡体结构和岩土体成分，主要诱发因素是新构造运动与地震、人类活动及降水，研究成果对当地防灾减灾具有重要指导作用。上述研究有效促进了云南地质灾害气象风险预警能力的整体提升，然而由于受灾情个例、降水观测资料时空分辨率所限，对于盐津县这样的地质灾害高发区域致灾成因和预警技术的精细化研究仍然十分缺乏。

2017年6月24日和2019年9月30日，云南省昭通市盐津县出现了两次大型滑坡、泥石流灾害（以下简称“6.24”滑坡灾害和“9.30” 泥石流灾害），本文拟利用NCEP再分析资料（空间分辨率1°×1°）、自动站实时观测资料及多普勒天气雷达探测等资料，对两次灾害的成因进行对比分析，探讨不同天气背景下降水性质差异对地质灾害种类的影响，以期为改进不同种类地质灾害预警模型提供科学依据。

1 地质灾害实况及成因分析

盐津县位于云南省东北部昭通市境内，地处滇东北云川交界处，属典型的山区县，山地面积占总面积的99.92%，海拔448.8米，是昭通地区海拔最低的县。由于盆地地形有利于空气辐合抬升，造成当地经常出现大雨、暴雨天气，是滇东北地区的强降水中心之一。县城周边多海拔高差较大的河谷，受地壳抬升、构造切割和河流侵蚀作用，这些河谷多呈“V”字型或“U”字型，河流两岸切割成陡崖，形成狭谷，经常发生危岩崩塌和山体滑坡灾害。根据云南省自然资源厅的统计数据，盐津县共有299个地质灾害隐患点，其中崩塌点43个、滑坡点114个、泥石流点16个。

降水是造成洪涝、滑坡和泥石流等地质灾害的主要因素[11−14]。“6.24”滑坡灾害主要发生在盐津县南部的柿子乡（图1蓝色所示位置），2017年6月24日22时许，盐津县柿子镇三河村冒水孔山突然发生大面积山体滑坡；至25日02时，该处滑坡体出现整体下移，最大落差及位移距离达20m，造成临边公路房屋倒塌26间，相邻的白水江河道被塌方体跨占约1/4，所幸未造成人员伤亡。从灾害发生当日的降水实况看，盐津境内普遍出现大雨、暴雨天气，受灾点附近的柿子站监测到24h累计雨量为92.3mm；降水从23日22时开始，持续了11h，最大小时雨强24.2mm，仅有一个时次出现短时强降水特征。

图1 盐津县地质灾害隐患点分布情况及灾害个例位置示意

“9.30”泥石流灾害出现在盐津县北部的中和镇、盐井镇（图1红色所示位置）。2019年9月29日20时～30日20时，盐津县普降中到大雨，但在中和镇艾田村却出现单点大暴雨，南部的柿子乡出现单点暴雨，降水主要集中在29日21时～30日03时，艾田站累计雨量214.1mm，并且连续出现93.6mm和82.9mm的小时强降水，短时强降水特征十分突出。受其影响，30日03时，中和镇艾田村、盐井镇椒子村发生泥石流灾害，因灾死亡9人，失踪1人，受伤5人，多处道路塌方，灾害造成经济损失50万元。从云南省地质环境监测院拍摄的灾情前后对比图（图2）中，可以清楚地看到：“9.30”泥石流发生区域属于滇东北乌蒙山北部，为低中山河谷地貌，植被覆盖率较高，地质灾害隐蔽性较强；此次强降雨后，该区局部滑坡、坡面流发育，泥石流沟道下蚀作用明显，侧蚀强烈。由于受灾区域并非地质灾害隐患点，因此当地居民在出现房屋进水的情况下，还未意识到危险，没有及时撤离，最终造成9死5伤的严重灾情。

图2 “9.30”盐津县艾田村泥石流三处发灾前后影像对比（左图为受灾前，右图为受灾后，星号为受灾点）

分析实况发现柿子站在两次过程当日的降水量较为接近（92.3mm和81.2mm），但是“9.30”灾害却没有出现在盐津南部的柿子站附近区域，反而在盐津北部艾田站附近发生了泥石流。究其原因，是降水性质的差异导致两次地质灾害的种类完全不同。“6.24”滑坡灾害是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移现象，这种灾害主要表现在雨水的大量下渗导致斜坡上的土石层饱和，斜坡下部隔水层积水，从而增加滑体重量，造成岩土体整成滑落[15]。从灾害点附近的柿子气象站多日降水监测情况（图3）看，灾害前十天柿子乡几乎每天都有降雨，前期累计降水达到106mm，并且出现两次较强降水，导致山体岩土饱和；灾害当天再次出现92.3mm的大暴雨天气，雨水下渗造成坡体抗滑力下降，滑坡带来的堆积物与碎裂岩体阻塞了汇水路径，使得其含水量增高，从固体逐渐变成塑性流体，后续强降水加速流体移动，最终形成滑坡。

而“9.30”泥石流灾害更为局地且突发。泥石流是山区沟谷中由暴雨、冰雪融水等水源激发的，含有大量泥砂、石块的特殊洪流，易形成于上游比较开阔，中游狭窄陡深，下游为开阔平坦的山前平原或河谷阶地，水既是泥石流的重要组成部分，又是泥石流的激发条件和搬运介质[16−18]。从灾害点附近的艾田气象站多日降水监测情况（图3）看，灾害前十天内仅出现过一次降水，累计雨量48.9mm，灾害前五天再未发生有效降水，而灾害当天突发215mm的大暴雨，降水集中、雨强大，强降水冲击岩土体，水流的冲刷作用十分强烈，致使土体的有效应力减小，软化岸坡岩土体的同时使得岸坡稳定性降低，岩土体之间的粘聚力与内摩擦角减小，导致泥石流灾害的发生。

图3 两次灾害个例中气象站当天及前期降水情况

2 地质灾害天气诱因差异分析

2.1 大气环流形势对比分析

“6.24”滑坡灾害发生在2017年夏初时节。6月15～22日，500hPa高度场上中高纬地区多槽脊波动东移，低纬地区西太平洋副热带高压西脊点位于90°E，位置偏西且稳定少动，孟加拉湾一带有季风槽活动，槽前西南暖湿气流为滇东北地区带来持续性降雨。期间，有两次中高纬主槽加深过程，季风槽发展东扩，影响云南的西南暖湿气流的偏南风分量加大，使得云南省盐津县一带的上升运动得以加强[19]。700hPa配合有低涡切变，切变后部偏北气流引导冷平流南下，与季风槽前西南气流交汇，造成昭通北部出现大雨、暴雨天气。6月23日20时，500hPa高度场上中高纬地区再次出现“一槽一脊”型环流场，低槽位于110°E附近，槽底延伸至30°N，西太平洋副热带高压减弱南移，槽后冷空气南压至昭通北部（图4a）；700hPa高度场上，川滇交界处有切变线生成（图4b矩形框所示），切变冷锋型是造成昭通大到暴雨的主要天气系统之一[20−22]。副高外围偏南气流配合西南季风将孟湾水汽不断输送至云南东部，冷暖空气在昭通交汇，为24日的暴雨天气提供了大尺度环流背景。

“9.30”泥石流灾害发生在2019年9月下旬。此时西太平洋副热带高压开始南撤，大气环流进入冬夏季节转换的突变期，环流相对平直，冷、暖气团势力较弱，云南省大范围系统性降水明显减少，多副高外围单点性对流天气。从9月29日20时500hPa高度场（图4c）上可以看到，灾害当日中高纬地区西风带环流相对平直，仅在青藏高原和华北地区有两个浅槽，副热带高压带被台风低压“米娜”截断，孟湾到中南半岛形成一闭合高压环流，高压北侧588dagpm线压在云南中北部，没有明显的冷、暖平流输送。700hPa风场上（图4d），川西高原有一地形性低涡，昭通位于低涡东侧，而受中南半岛反气旋环流影响，孟湾水汽沿着高压北侧偏西气流向昭通地区输送，这为副高外围强对流天气的发生提供了动力抬升条件和水汽条件。

图4 2017年6月23日20时（上）和2019年9月29日20时（下）大气环流形势（a、c.500hPa位势高度，单位：dagpm；b、d；700hPa位势高度和风场，矢量表示风场，虚线框为研究区域）

对比两次灾害过程的天气环流背景可知：“6.24”滑坡灾害发生在夏季主汛期，北方多低槽和切变线引导冷空气南下，南方季风活跃，水汽通道畅通，冷暖空气长时间博弈造成持续性降水天气的产生，期间伴有区域性强降水过程；“9.30”泥石流灾害发生在大气环流突变的秋季，环流呈带状分布，冷暖空气势力较弱，天气尺度系统造成的区域降水强度不大，但由局地热力作用造成的对流性强降水才是灾害点出现大暴雨天气的主要原因。

2.2 水汽条件分析

“6.24”灾害过程从比湿场（图略）来看，6月21日20时昭通上空500hPa以上比湿迅速减小，700hPa以下在川南地区有>10g·kg–1的比湿大值区，且低层为西南风，将水汽向昭通输送，上游宜宾站700hPa比湿达到11g·kg−1，水汽条件较好；到了23日20时宜宾站700hPa比湿达到12g·kg−1，且850hPa宜宾站700hPa比湿达到16g·kg−1，水汽条件较21日有所增加。从水汽状况（图5a）来看，由于23日西太平洋副热带高压西侧偏南气流和季风槽前西南暖湿气流对云南的影响明显加强，整个云南西侧均为水汽通量大值区，水汽通道宽广，且正值雨季整层水汽条件较好。分析整层水汽通量散度发现，21日20时柿子站上空从低层到高层均为水汽通量散度负值区，700hPa上昭通东北部均为水汽辐合区，且柿子站从21日20时的−2×10−5g·hPa−1·cm−2·s−1增大到22日08时的−7×10−5g·hPa−1·cm−2·s−1，说明降雨期间水汽辐合强烈；23日20时柿子站700hPa上水汽通量散度为辐散区，低层850hPa上为强烈的辐合区，水汽通量散度达到−22.5×10−5g·hPa−1·cm−2·s−1，低层水汽辐合明显（图5a）。到了24日08时两个层次上均为辐合区，说明夜间水汽辐合上升作用加强。

“9.30” 灾害过程从比湿场（图略）来看，9月29日20时上游宜宾站700hPa比湿为9g·kg−1，850hPa上昭通北部比湿达到12g·kg−1，水汽集中在低层，由于艾田县海拔与盐津整体地形相比偏低，水汽在底层集中更容易形成有效降水。从水汽状况（图5b）来看，850hPa在川南地区有水汽通量散度负中心，中心强度达到−33×10−5g·hPa−1·cm−2·s−1，整个昭通都为水汽辐合区。由于前文分析过高层500hPa青藏高原南侧、孟加拉湾至中南半岛一带为高脊形势，孟加拉湾水汽输送受到一定阻碍，而菲律宾北侧的热带气旋外围偏东回流将西太平洋的水汽往内陆输送，从福建、江西、湖南、贵州形成了一条东西向的水汽输送带，广西和贵州的水汽也向昭通输送，并在昭通形成了一个辐合中心。

图5 2017年6月23日20时（a）和2019年9月29日20时（b）850hPa水汽状况（等值线表示水汽通量，单位：10−3g·hPa−1·cm−2·s−1；填色表示水汽通量散度，单位：10−5g·hPa−1·cm−2·s−1，虚线框为研究区域）

2.3 天气动力条件分析

“6.24”灾害过程中，通过分析主要时次沿104.17°E的垂直速度-纬度剖面（图6a）发现：两个强降水时间段内从低层到500hPa均为强烈的上升气流；6月22日02时，在700hPa有上升速度大值区，最大上升中心区达到−18×10−4hPa·s−1，此时对应的小时降雨也最大，22日01～03时降雨22.8mm；到了23日20时，上升速度大值区更接近于地面，最大上升中心区达到−14×10−4hPa·s−1；24日02时也维持了很强的上升速度，实况主要强降雨就发生在23日22时～24日05时。“9.30”灾害过程中，通过分析主要时次沿104.15°E的垂直速度-纬度剖面（图6b）发现：：艾田站从低层到500hPa均为上升气流，略有倾斜说明对流系统发展旺盛；9月29日20时，最大上升中心区在昭通北部地区；由于强对流系统发展快，降雨强度大，到了30日02时已经开始减弱，垂直速度也减弱。

图6 2017年6月24日02时沿104.17°E（a）和2019年9月29日20时沿104.15°E（b）垂直速度-纬度剖面（虚线框为灾害点区域）

2.4 降水热力条件分析

由于昭通没有探空观测，经过多年实践经验可参考上游临近的四川宜宾站探空。“6.24”灾害过程中，6月21日08时，宜宾站探空图CAPE值为580.7J/kg；到了21日20时，800～625hPa均为湿区，高层为干区，符合“上干下湿”的配置，CAPE值增大到806.1J/kg，有较强不稳定能量的蓄积，高低层垂直风切变达6m/s，K指数为37℃，表明气层有较强的条件不稳定性；到23日20时，宜宾站探空图中湿层深厚，由于前几天的持续降水，从地面至500hPa左右均为湿层，水汽充沛，高低层垂直风切变达8m/s，K指数为40℃，抬升指数−1.74℃，仍维持条件不稳定层结，地面弱冷锋的锲入触发不稳定能量的释放，引发短时强降水天气。

“9.30”灾害过程中，9月29日08时，宜宾站探空图中地面至700hPa均为湿层，600～500hPa有很强的干侵入，CAPE值为351.6J/kg，不稳定层结条件建立；29日20时，地面2km至600hPa均为湿层，500～300hPa为干区，符合“上干下湿”的配置，CAPE值增大到1361.6J/kg，高低层垂直风切变达6m/s，K指数为37℃，抬升指数−3.79℃，具备极强的强对流发生能量及不稳定条件。由于云南属于低纬高原，海拔较高，大气层结稳定度不适宜用850与500hPa的温差表示，因此用700与500hPa的温差代替[23]，统计表明T700−T500≥15 ℃的区域与地面雷暴对应较好。29日20时，T700−T500≥15 ℃的区域覆盖整个滇中以北及以东地区，上游宜宾站T700−T500也达到了16℃，印证了整层大气热力层结不稳定。同时，850hPa在昭通北部形成气旋式切变，地面有弱辐合线，动力抬升机制具备，850hPa暖中心与地面暖中心对应，热力条件较好，两个低涡呈后倾结构，高层干冷空气侵入明显，低层西南暖湿气流增加，上冷下暖的不稳定层结加强，最终触发强对流天气的发生。

综上所述，在物理量场上，两次过程的相同点是均符合“上干下湿”、“上冷下暖”的配置，水汽充沛，有较强不稳定能量的蓄积，各对流指数均体现出对流性降水特征；不同点是“9.30”过程中对流层高层的偏北气流较大，表明高层冷平流较强，对流层高层干冷空气下侵是不稳定能量释放产生强降水的主要触发因素之一[24]，各项指数均大于“6.24”过程，不稳定能量较大且温湿条件更好，对流性特征更显著，强降雨区附近有强烈水汽辐合且主要存在于850hPa以下低层大气中，更容易形成有效降水，因此降水强度也更大。

3 降水过程多普勒天气雷达分析

目前云南省共部署了9部C波段多普勒天气雷达[25]，其中昭通市昭阳区部署1部，但受高山地形阻挡，需抬高仰角才能有效识别出雷达监测产品，而根据本地经验，一般选取2.4°和3.4°仰角进行反射率因子和径向速度产品分析。根据上文分析，引发“6.24”滑坡灾害的降水主要从23日22时开始，持续了11h，累计雨量92.3mm，最大小时雨强24.2mm，雨强分布较为均匀，仅在23时～次日00时出现短时强降水特征。从雷达回波（图略）上看，此次灾害过程的降水期间以层云降水回波和层积混合云降水回波为主，在最强降水时段内（23日23时～24日00时），有两个独立单体在柿子站东北方向3km处生成，初始回波强度为35dBZ，之后发生合并，最大回波中心强度达47dBZ，且持续2个体扫时间。随后积云回波减弱为大片的层状云回波，降雨强度随之减弱，但阵雨天气一直持续到24日09时。

“9.30”泥石流灾害过程最强降水时间集中在29日21时～30日01时，4小时累计雨量203.4mm。从雷达反射率因子（图7a）上看，29日22:50开始，艾田站上空出现中心回波强度达40dBZ的雷暴单体，此后该对流单体稳定少动，且强度持续增强，23:50回波强度达到50dBZ，30日00:10回波强度开始减弱，至00:30转为层状云降水，期间有10个体扫（约60min）回波强度超过了40dBZ，5个体扫（约30min）回波强度超过45dBZ，“列车效应”下的降水效率十分可观。从径向速度（图7b）上看，29日23:30～23:57柿子站上空有明显的逆风区存在，且具有气旋性风场特征，说明此处动力辐合抬升强劲，有利于垂直上升运动的长时间维持，加强系统的垂直环流结构，增长强降水持续时间。对应分析反射率因子垂直剖面（图7c），≥40dBZ的积云降水回波伸展高度接近11km，说明对流系统发展旺盛，云体较厚，而在接近30min的强回波时段内，反射率因子≥45dBZ的强中心一直维持低质心状态（7km附近），降水效率高。

图7 “9.30”艾田站对流系统最强时段（a）雷达反射率因子、（b）径向速度和（c）反射率因子垂直剖面（红圈和黄圈为受灾点）

对比两次过程的雷达回波特征不难发现，由于降水发生的环流背景不同，造成直接引发降水的中小尺度影响系统也有根本性差异。“6.24”滑坡灾害受切变线和锋面影响，雷达回波以大范围层状云回波或强度较弱的层积混合云回波特征为主，降水效率低，雨强分布较为均匀，对流性暴雨特征不明显；“9.30”泥石流灾害则主要受强雷暴单体影响，回波强度大、质心低，具有气旋性辐合特征，雷暴单体维持时间长，降水效率高，对流性强降水特征十分突出。

4 结论与讨论

本文利用NCEP再分析资料、自动站实时观测资料及多普勒天气雷达探测等资料，对“6.24”滑坡灾害和“9.30”泥石流灾害的成因进行对比分析，探讨了不同天气背景下降水性质差异对地质灾害种类的影响，主要结论如下：

（1）“6.24”滑坡灾害是由于前期累计降水过大导致岩土体饱和，水的下渗造成坡体岩土层含水量增高，后续强降水加速流体移动，形成滑坡。“9.30”泥石流灾害是由于突发的强降水冲击岩土体，水流的冲刷作用十分强烈，斜坡面上汇水下渗，水流在软化岸坡岩土体的同时使得岸坡稳定性降低，岩土体之间的粘聚力与内摩擦角减小，导致泥石流灾害的发生。

（2）“6.24”滑坡灾害发生在夏季主汛期，北方多低槽和切变线引导冷空气南下，南方季风活跃，冷暖空气长时间博弈造成持续性降水天气的产生，期间伴有区域性强降水过程。“9.30”泥石流灾害发生在大气环流突变的秋季，环流呈带状分布，冷暖空气势力较弱，天气尺度系统造成的区域降水强度不大，但由局地热力作用造成的对流性强降水才是灾害点出现大暴雨天气的主要原因。

（3）物理量场上，两次过程共同点是均符合“上干下湿”、“上冷下暖”的配置，水汽充沛有较强不稳定能量的蓄积，各对流指数均体现为对流性降水特征；不同点是“9.30”过程中对流层高层的偏北气流较大，表明高层冷平流较强，各项指数均大于“6.24”过程，不稳定能量较大及温湿条件更好，对流性特征更显著，强降雨区附近有强烈水汽辐合且主要存在于850hPa以下低层大气中，更容易形成有效降水，因此降水强度也更大。

（4）雷达回波特征方面，“6.24”滑坡灾害受切变线和锋面影响，雷达回波以大范围层状云回波或强度较弱的层积混合云回波特征为主，降水效率低，雨强分布较为均匀，对流性暴雨特征不明显；“9.30”泥石流灾害则主要受强雷暴单体影响，回波强度大、质心低，具有气旋性辐合特征，雷暴单体维持时间长，降水效率高，对流性强降水特征十分突出。

通过两次灾害降水诱因的对比分析，可对不同种类地质灾害预警模型中降水因子的权重系数提供科学依据。对于泥石流灾害，多为短时强降水激发，从而短临预报尤为重要。而对于滑坡灾害，更多的要关注降水的累积作用，所以地质灾害预警模型建模时需侧重于前期累计降水的监测及预报。