四川省降雨災情時空分布及其與雨量相關特征分析

高潔 王明田,3* 郭善云 汪麗 葉幫蘋

(1 四川省氣象臺，成都 610072；2 高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；3 南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室，成都 610066)

引言

降雨災害是我國乃至全世界最主要的氣象災害之一，同時也是四川省發生頻率最高、危害最重的氣象災害之一[1-3]。強降雨易引發嚴重的城市內澇、江河洪澇以及滑坡、泥石流等次生災害，造成重大人員傷亡和經濟財產損失[4]。受地理位置、氣候條件以及地形地貌等因素的共同影響，降雨災害具有很強的區域差異[5-6]。強降雨是誘發災害的直接原因[7]，掌握降雨災情時空分布及其與雨量特征的聯系對于開展區域降雨災害風險管理具有重要意義。目前，國內外開展了大量降雨災害時空分布的研究工作。如德國慕尼黑再保險公司1978年就開始編制并多次更新世界自然危害地圖，其中闡釋了熱帶和中高緯度地區導致山洪泛濫的降雨量差異[2]。司瑞潔等[8]對亞洲1976—2005年的洪澇災害進行分析，認為亞洲洪水災害發生次數和影響程度不斷增加與亞洲特殊的地理和經濟發展狀況有關。於琍等[9]對近25年中國暴雨及其引發的洪澇災害時空變化特征進行了分析，發現暴雨災害造成的直接經濟損失和暴雨強度及頻次在空間上并不一一對應。俄有浩等[10]研究1961—2012年長江中下游地區暴雨洪澇特征，表明連續性強降水引發的洪澇比一次突發暴雨引發的洪澇淹沒范圍更廣，深度更大。王品等[11]研究1983—2008年湖南省暴雨洪澇災害中農業災情與暴雨致災因子關系，表明過程降水量最能反映暴雨洪澇災害的農業災情。沈澄等[12]引入災度模型對2004—2013年江蘇省暴雨洪澇災情綜合特征進行分析，發現梅雨鋒降雨引發的洪澇災害最多，臺風或熱帶系統降雨引發的洪澇災害災度最大。王運祿等[13]運用降水資料劃分不同等級洪澇標準，總結出1951—1996年四川省洪澇災害的若干特征。張菡等[14]通過針對農業的四川省暴雨洪澇災害風險區劃研究，發現盆地內不同區域風險等級的差異。鄧國衛等[15-16]發現2000年以后四川省暴雨洪澇災害引起的受災人口和直接經濟損失呈顯著的上升趨勢。

在全球變暖的背景下，暴雨、洪澇等極端氣候事件造成的危害越來越大。目前就四川地區而言，對四川省內降雨災害的研究主要基于降水資料研究洪澇災害特點、風險區劃[13-14]，或是注重于災害損失方面[15-16]。運用GIS等先進技術，將降雨災情與地形、雨量特征結合分析的相關研究還比較缺乏。本研究基于四川省降雨災害發生頻次，研究降雨災情時空分布特征，并從強降雨持續性、發生頻次、強度大小等方面分析降雨災情分布與雨量特征之間的聯系，對優化降雨預報指導思想，增強降雨預報服務的敏銳性具有重要意義。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區概況

四川省位于青藏高原與我國東部平原過渡區，地理坐標范圍97°21′～108°31′E,26°03′～34°19′N，省內地形復雜，東西部地形差異顯著，降雨分布有著明顯的地區特點[1](圖1)。以龍門山和大涼山為界，東部為四川盆地和盆緣山地，海拔多在500～3000 m，年降雨量800～1200 mm，是省內主要的暴雨區，以青衣江、龍門山、大巴山三大暴雨區聞名[1]，降水中心在盆地西緣的雅安，年降雨量超1680 mm[17]。西部為川西高原和攀西地區，海拔多在3000 m以上，其中川西高原主要為山原地貌和高山峽谷區，年降雨量600～800 mm,很少出現暴雨天氣，攀西地區主要為次高山和中山峽谷區，暴雨強度和出現頻率接近盆地中南部[18-20]。省內河流密布且活動斷裂十分發育，主要河流有雅礱江、大渡河、岷江和嘉陵江，影響最大的龍門山斷裂、鮮水河斷裂和安寧河斷裂呈Y字形分布，近50年發生過3次7級以上的強震[21-23]。復雜的地質地形條件加之豐富的降水，使得四川省內降雨及其次生災害發生頻繁，嚴重危及人民生命財產安全。

圖1 四川省地形、地理部位及156個國家氣象站點分布

1.2 資料來源

降雨災情數據來自四川省氣象臺氣象災情信息管理系統，數據來源為各縣(市、區)民政局、救災辦、氣象局和其他政府機構，數據年份為2002—2020年。斷層密度數據來自四川省地質環境監測總站,數字高程模型數據來源于地理空間云，據此提取地形坡度。降雨數據包括四川省內156個國家氣象觀測站2002—2020年逐日降雨量資料，站點分布如圖1所示，以及2008—2020年四川省內5727個區域氣象觀測站逐日、逐小時降雨量。

1.3 研究方法

1.3.1 統計方法

根據四川省2002—2020年間降雨災情數據資料，以156個縣(市)中任何一個縣(市)有災情發生記為1次，篩選統計19年間每個縣(市)所發生的降雨災情次數。降雨災情密度是各縣(市)降雨災情總次數與對應行政區域面積的比值。

1.3.2 雨日雨強定義

日降雨量≥0.1 mm為1個雨日，年降雨強度定義為年降雨量與年降雨日數之比；日降雨量在25.0～49.9 mm為大雨日，日降雨量50.0～99.9 mm為暴雨日，日降雨量≥100 mm為大暴雨日，日降雨量≥50 mm為暴雨及以上雨日，降雨強度為各級降雨總量與同級降雨日數之比。

1.3.3 致災頻率計算

致災頻率為四川省內156個縣(市)2002—2020年各縣(市)總的大雨、暴雨、大暴雨災情次數與對應的大雨、暴雨、大暴雨降雨日數之比。

1.3.4 累積分布函數

對連續函數，所有小于等于a的值，其出現概率的和，計算公式如下：

F(ai)=P

(1)

式中,i表示雨量等級數(i=1,2,3,…，N)；ai為第i個雨量等級；F(ai)表示第i個雨量等級出現時，發生災害的累積頻率。

1.3.5 數據處理

運用SQL Sever數據庫技術和WPS Excel軟件對數據進行統計分析，利用ArcGIS 10.2軟件進行空間分析，文中圖表均在WPS Excel、ArcGIS 10.2及Grads2.0軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 降雨災情的分布特征

2.1.1 空間分布特征

以地級行政單元為基礎統計研究期內降雨災情的次數、分布密度及災害中死亡人數，結果列于表1。四川省的21個市州級行政單元中，涼山州、樂山市、宜賓市、雅安市和綿陽市發生災情數量最多，占災情總數的42%。樂山市、眉山市和宜賓市的降雨災情分布密度最大，每萬km2的災情次數超過250次。

表1 2002—2020年四川省21個市州降雨災情次數、分布密度及死亡人數

由2002—2020年四川省縣級行政單元出現降雨災情總次數分布(圖2a)看到，四川省降雨災情主要分布在盆地和攀西地區，其中以盆地東北部(巴中、南江、通江、平昌、營山)，盆地西南部(天全、洪雅、樂山、夾江、峨眉、犍為)，甘孜州南部和攀西地區中部(九龍、美姑、冕寧、米易、鹽邊)，綿陽和德陽兩市北部(北川、什邡、江油)，宜賓市南部(筠連、興文、高縣)最為顯著。盆地降雨災情多發中心區在樂山和什邡，分別出現63、60次，平均每年出現3次以上，川西高原和攀西地區的降雨災情多發區在米易和九龍，平均每年出現3～4次。成都和廣安兩市、資陽市大部、涼山州東部及人煙稀少的川西高原大部地區降雨災情次數相對較少。從災情分布密度來看(圖2b)，眉山市大部和樂山市北部及溫江、什邡、名山、納溪、南溪、江安、筠連等縣(市)都是降雨災情高密度區，每萬km2的災情數超過300次。

圖2 2002—2020年四川省156個縣(市)降雨災情總次數(a)和災情密度(b)空間分布

地質條件和地形條件是四川省降雨災害形成的重要因素，由于地質條件和斷層分布關系密切，以斷層密度和坡度分別代表影響下墊面的地質條件和地形條件。圖3a為四川省內斷層密度和156個縣級行政單元降雨災情密度分布，圖3a表明盆地西部、南部降雨災情高密度區(災情密度≥300次·10-4km-2)主要分布在龍門山、龍泉山、華鎣山斷裂帶上，攀西地區主要受安寧河斷裂帶的影響，斷裂帶上相對破碎的巖石在強降雨的作用下容易失穩誘發泥石流、塌方等災害形成。研究期內2008年、2013年和2017年盆地西部沿山地區發生3次7級及以上的強震，使得原本脆弱的地質環境地質災害隱患點進一步增加，由強降雨引發的地質災害的復雜性、不可預見性、突發性和隱蔽性愈發明顯。而從地形上看(圖3b)，盆地邊緣和攀西地區都是山區分布，這樣的地形一方面容易觸發對流形成強降雨，另一方面水石混合物在重力作用下容易流出溝谷形成災害。

圖3 2002—2020年四川省156個縣(市)降雨災情密度與斷層密度(a)和坡度(b)空間分布

對361起有人員死亡的災害事件分析發現，涼山州、達州市、巴中市和宜賓市降雨災害死亡人數最多，占到全省降雨災害死亡總人數的46%(表1)。其中最嚴重的是2004年9月3日達州市發生的特大暴雨災情，造成人員死亡達70人[24]。有原因記錄的267起死亡案例中，盆地區由于山洪、滑坡、泥石流、塌方造成人員死亡的事件比例分別占到35%、27%、8%、24%，其中又有32%的死亡事件是由于房屋倒塌，而川西高原和攀西地區以山洪和泥石流比例最高，分別占到42%和35%。局地降雨強度大、突發性強、夜間災害多、地表地質脆弱，以及居民缺乏應災常識，與河道(泥石流溝)等比鄰而居是造成災害中人員死亡的主要原因[25](表2)。

表2 2002—2020年四川省降雨災害人員死亡典型案例

2.1.2 時間分布特征

2.1.2.1 年際分布

圖4為2002—2020年四川省降雨災情數量年際變化序列。研究期內，2007年和2020年降雨災情數量最多，分別為292起和342起，2006年降雨災情最少，這與當年夏季四川省發生百年一遇的極端干旱事件相對應[26]?？傮w而言，2002—2006年降雨災情較少，2017—2020年顯著增加，這可能與近年來極端天氣的發生日漸頻繁相關，以及研究期內3次強震對四川地區地質結構的嚴重影響，使得四川地區降雨災情數量呈現明顯增加的趨勢。

圖4 2002—2020年四川省降雨災情數量年際變化

分別統計2002—2020年盆地、攀西地區、川西高原3個區域災情數量與對應區域年降雨強度、大雨強度、暴雨及以上強度和年降雨日、大雨日、暴雨及以上雨日的關系(表3)，結果表明盆地區災情數量與暴雨及以上雨日、暴雨及以上強度和年降雨強度的相關性最為顯著，相關系數分別0.83、0.74和0.72，通過0.001的顯著性檢驗。川西高原災情數量與大雨雨日、暴雨及以上雨日和年降雨強度相關性最為顯著，而攀西地區以上對應關系都不顯著,這可能是由于這些區地域廣闊，且地形較為復雜，國家氣象站雨量與災害發生地實際雨量差距比較大。

表3 2002—2020年四川省各區域降雨災情數量與不同等級雨日、雨強相關系數

統計2002—2020年四川省156個縣級行政單元大雨、暴雨和大暴雨致災頻率分布情況(圖5)，結果顯示：盆地區大雨致災頻率較低，多數盆中、盆北區域不超過5%，盆西南多數區域不超過10%；盆地區暴雨致災頻率較高，但空間差異大，成都、資陽、遂寧、廣安、南充和達州一線的大部地方不超過20%，盆西北的德陽、綿陽、廣元、巴中和盆西南的雅安、眉山、樂山、內江、自貢、宜賓和瀘州大部地方在20%～40%，盆周山區部分區域40%～50%，盆地南部的古藺和筠連兩縣暴雨致災頻率在50%以上；盆地多數區域大暴雨致災頻率在50%以上，特別是內江、樂山和瀘州三市大部及平武、三臺、鹽亭、什邡、寶興、彭山、仁壽、南溪、高縣、通江等縣(市)，大暴雨致災頻率達80%以上。川西高原大部和攀西地區大部大雨致災頻率總體不高，但受地形、地貌、地質和人口密度等因素影響，空間差異大，局地性災害中，九寨溝、紅原、白玉、茂縣、汶川等縣大雨致災頻率達20%～30%；川西高原大部暴雨出現次數不多，但暴雨致災頻率很高，紅原、稻城、雅江和瀘定等縣暴雨致災頻率都在50%以上；攀西地區大部暴雨致災頻率在20%～40%，但涼山州東北部暴雨致災頻率可超過50%，與相鄰的盆周山區一致；川西高原大暴雨天氣極少；攀西地區大暴雨致災頻率空間差異很大，冕寧、喜德、德昌、普格、米易、鹽源、會理、會東一線和涼山州東部的雷波縣大暴雨致災頻率達50%～100%。

圖5 2002—2020年四川省156個縣(市)大雨(a)、暴雨(b)、大暴雨(c)致災頻率空間分布

盆地區2002—2020年災情次數與大雨、暴雨、大暴雨致災頻率年際變化曲線表明(圖6)，盆地區大暴雨致災頻率在40%～80%之間，平均致災頻率60%左右，變化趨勢較為平穩；暴雨致災頻率在15%～35%之間，呈增長趨勢；而大雨致災頻率在10%以下，同樣呈增長趨勢。盆地區大暴雨、暴雨致災頻率與災情次數有較好的對應關系，2005年、2007年、2010年、2012年和2017年盆地降雨災情較多，大暴雨、暴雨致災頻率相應較高；2006年暴雨災情次數較少，大暴雨、暴雨致災頻率顯著偏少。

圖6 2002—2020年盆地區災情數量與大雨、暴雨、大暴雨致災頻率年際變化

2.1.2.2 月分布

四川省降雨災情月分布如圖7所示。降雨災害主要發生在6—9月，占災情總量的95%，其中7月最多，達1500次，占災情總量的40%。7月也是降雨災害地域覆蓋最廣的月份，有154個縣級行政單元在該月發生過降雨災害，覆蓋率接近99%，其次為8月，覆蓋率為91%。

圖7 2002—2020年四川省降雨災情數量月分布

災情數量最多的6—9月，降雨災情主要發生在盆地和攀西地區，川西高原相對較少，且以7月災情發生最頻繁(圖8)。6—9月降雨災情的分布有從盆地東北部南部向西部發展，最后到東北部的趨勢。6月盆地東北部、南部及攀西地區發生災情次數較多，7月降雨災情次數最多，主要分布在盆地西南部、西北部地區，8月盆地西南部仍然是災情主要發生區，而9月盆地南部相對較少，東北部相對較多。降雨災情的各月分布變化形勢與研究期內各月暴雨及以上日數和暴雨及以上強度分布有很好的對應關系(圖略)。

圖8 2002—2020年四川省6—9月災情數量地域分布

2.2 降雨災情與雨量特征的聯系

強降雨是誘發災害形成的主要因素，為了更具體地分析四川省降雨災情與雨量特征的聯系，對2008—2020年區域氣象觀測站較完善以來的降雨災情進行分析，利用鄰近法分別統計盆地、攀西地區、川西高原3個區域災害發生地強降雨(大雨及以上)持續天數、最大小時雨量、日最大降雨量。

2.2.1 最大小時降雨量

如圖9所示，盆地區降雨災害發生當日最大小時雨量分布較寬，概率分布基本對稱，峰值出現在40～50 mm，占全部樣本的20.4%，最大小時雨量大于100 mm的概率占2.4%，而小于10 mm發生災害的概率是極低的，僅占總量的1.1%。對盆地各個區域災害發生地最大小時雨量分析發現(圖10)：最大小時雨量在10 mm以下的災害主要發生在盆地南部和東北部，盆地西南部和西北部在其余各個等級范圍內的占比都較大，尤其是小時雨量超過60 mm的災害，盆地南部次之，盆地東北部以60 mm以下災害數量居多，災害數量占全盆地比例隨小時雨量增多呈減少趨勢，盆地中部各等級占比最少。攀西地區降雨災害發生當日最大小時雨量分布范圍較窄，主要集中在30～40 mm，出現概率占全部樣本總量的25.9%，小于10 mm概率占到7.7%，而大于70 mm概率僅占1.9%。川西高原小于10 mm占比最大為38.3%，呈遞減分布，大于50 mm概率占2.3%。

圖9 2008—2020年盆地、攀西地區和川西高原各等級最大小時雨量降雨災情概率分布

圖10 2008—2020年盆地不同區域各等級最大小時雨量災情數量占比

2.2.2 最大日降雨量

盆地區降雨災害當日最大雨量概率分布(圖11)表明，盆地內96%的降雨災害事件當日最大雨量都在50 mm以上，其中日雨量在100～150 mm的災情數量占比最大，占全部樣本的37%。對盆地各個區域災害發生當日最大雨量分析發現(圖12)：最大日降雨量小于50 mm的災害主要分布在盆地南部，盆地南部暴雨災害數量所占比例隨雨量增加呈減少趨勢；最大日降雨量超過300 mm的災害主要發生在盆地西北部，盆地西北部暴雨災害數量占比隨雨量增加而增加，盆地中部、東北部和西南部在各等級最大日降雨量災害數量占比較均勻，其中最大日降雨量在50～100 mm的災害以盆地南部和西南部居多。攀西地區災害當日最大雨量分布范圍較盆地窄，50～100 mm占比最大為50.6%,25～50 mm占19.4%；川西高原25～50 mm占比最大為51.1%，且有21.3%的災害事件是在當日最大雨量25 mm以下時發生。

圖11 2008—2020年盆地、攀西地區和川西高原各等級最大日降雨量降雨災情概率分布

圖12 2008—2020年盆地不同區域各等級最大日降雨量災情數量占比

2.2.3 強降雨持續時間

四川省不同區域降雨災害強降雨持續天數分布(圖13)表明，強降雨持續天數以1～3天居多，其中盆地西南部和南部強降雨持續天數大多為1天，占比分別為56%和71%;盆地西北部、東北部和中部強降雨持續天數以1～2天為主;川西高原和攀西地區74%的災害事件強降雨持續1天。

圖13 2008—2020年四川省不同區域災害強降雨不同持續天數的災害頻次

3 結論與討論

3.1 結論

(1)四川省近年來降雨災情數量增長趨勢明顯，主要分布在盆地和攀西地區。受復雜地質地形條件影響，盆地西部、南部是四川省降雨災情數量最多、分布密度最大的地區，而涼山州和盆地東北部降雨災害中死亡人數最多。降雨災害集中在6—9月，災情分布有從盆地東北部、南部向西部發展，最后到東北部的趨勢。

(2)盆地區在有大暴雨出現時災害發生可能性最為顯著，致災頻率50%以上，暴雨出現時致災頻率為20%～40%；攀西地區大部分災害發生在有暴雨出現時，致災頻率達20%～30%；川西高原暴雨天氣過程較少，大部分災害發生在大雨出現時，致災頻率為10%～30%。

(3)最大小時雨量在10 mm以下的災害主要發生在盆地南部和東北部，盆地西部在其余各個等級范圍內占比都較大，盆地南部次之，中部最少，盆地東北部以60 mm以下災害數量居多；攀西地區災害發生當日最大小時雨量主要集中在10～40 mm，川西高原20 mm以下占比最大。最大日降雨量小于50 mm的災害主要分布在盆地南部，超過300 mm的災害主要發生在盆地西北部，50～100 mm的災害以盆地南部和西南部居多；攀西地區災害當日最大雨量50～100 mm的占比最大，川西高原為25～50 mm。

3.2 討論

在作降雨災情的統計分析中，主要運用各市州上傳于災情直報系統的災情資料，必然存在資料收集不全面等問題，但是作為災情收集的主要渠道，所選用資料具有一定的代表性和說服力。其次，在分析災情發生最大小時雨量、最大日降水量分布特征時，由于2008年以后四川省區域自動站建站才比較完善，因此只用到2008—2020年區域自動站逐日、逐小時降水資料。最后，由于川西高原地形的特殊性，四川省地方標準中川西高原的暴雨標準與盆地和全國不一致，實際業務中川西高原是以24 h降雨量25.0～49.9 mm為暴雨[27]，而本文統一使用全國24 h暴雨量標準。

本文分析了四川省降雨災情與降雨期間雨量特征的聯系，未分析災情與前期降雨特征的關系，可能對結論的準確性產生一定影響，今后需要更加深入的討論。