西南山区泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件时空耦合关系分析

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）

1 研究背景

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。

2 研究区概况

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。

3 数据收集与分析方法

3.1 数据收集

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

3.2 分析方法

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。

4 泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件的关系分析

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%。

4.1 泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件时间关系分析

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

4.2 泥石流灾害与厄尔尼诺-拉尼娜事件空间关系分析

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

4.3 厄尔尼诺-拉尼娜年西南地区泥石流灾害点降雨的时空分布特征

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

5 结 论

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。