四川省降雨灾情时空分布及其与雨量相关特征分析
高洁 王明田,3* 郭善云 汪丽 叶帮苹
(1 四川省气象台，成都 610072；
2 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；
3 南方丘区节水农业研究四川省重点实验室，成都 610066)
降雨灾害是我国乃至全世界最主要的气象灾害之一，同时也是四川省发生频率最高、危害最重的气象灾害之一[1-3]。强降雨易引发严重的城市内涝、江河洪涝以及滑坡、泥石流等次生灾害，造成重大人员伤亡和经济财产损失[4]。受地理位置、气候条件以及地形地貌等因素的共同影响，降雨灾害具有很强的区域差异[5-6]。强降雨是诱发灾害的直接原因[7]，掌握降雨灾情时空分布及其与雨量特征的联系对于开展区域降雨灾害风险管理具有重要意义。目前，国内外开展了大量降雨灾害时空分布的研究工作。如德国慕尼黑再保险公司1978年就开始编制并多次更新世界自然危害地图，其中阐释了热带和中高纬度地区导致山洪泛滥的降雨量差异[2]。司瑞洁等[8]对亚洲1976—2005年的洪涝灾害进行分析，认为亚洲洪水灾害发生次数和影响程度不断增加与亚洲特殊的地理和经济发展状况有关。於琍等[9]对近25年中国暴雨及其引发的洪涝灾害时空变化特征进行了分析，发现暴雨灾害造成的直接经济损失和暴雨强度及频次在空间上并不一一对应。俄有浩等[10]研究1961—2012年长江中下游地区暴雨洪涝特征，表明连续性强降水引发的洪涝比一次突发暴雨引发的洪涝淹没范围更广，深度更大。王品等[11]研究1983—2008年湖南省暴雨洪涝灾害中农业灾情与暴雨致灾因子关系，表明过程降水量最能反映暴雨洪涝灾害的农业灾情。沈澄等[12]引入灾度模型对2004—2013年江苏省暴雨洪涝灾情综合特征进行分析，发现梅雨锋降雨引发的洪涝灾害最多，台风或热带系统降雨引发的洪涝灾害灾度最大。王运禄等[13]运用降水资料划分不同等级洪涝标准，总结出1951—1996年四川省洪涝灾害的若干特征。张菡等[14]通过针对农业的四川省暴雨洪涝灾害风险区划研究，发现盆地内不同区域风险等级的差异。邓国卫等[15-16]发现2000年以后四川省暴雨洪涝灾害引起的受灾人口和直接经济损失呈显著的上升趋势。
在全球变暖的背景下，暴雨、洪涝等极端气候事件造成的危害越来越大。目前就四川地区而言，对四川省内降雨灾害的研究主要基于降水资料研究洪涝灾害特点、风险区划[13-14]，或是注重于灾害损失方面[15-16]。运用GIS等先进技术，将降雨灾情与地形、雨量特征结合分析的相关研究还比较缺乏。本研究基于四川省降雨灾害发生频次，研究降雨灾情时空分布特征，并从强降雨持续性、发生频次、强度大小等方面分析降雨灾情分布与雨量特征之间的联系，对优化降雨预报指导思想，增强降雨预报服务的敏锐性具有重要意义。
1.1 研究区概况
四川省位于青藏高原与我国东部平原过渡区，地理坐标范围97°21′～108°31′E,26°03′～34°19′N，省内地形复杂，东西部地形差异显著，降雨分布有着明显的地区特点[1](图1)。以龙门山和大凉山为界，东部为四川盆地和盆缘山地，海拔多在500～3000 m，年降雨量800～1200 mm，是省内主要的暴雨区，以青衣江、龙门山、大巴山三大暴雨区闻名[1]，降水中心在盆地西缘的雅安，年降雨量超1680 mm[17]。西部为川西高原和攀西地区，海拔多在3000 m以上，其中川西高原主要为山原地貌和高山峡谷区，年降雨量600～800 mm,很少出现暴雨天气，攀西地区主要为次高山和中山峡谷区，暴雨强度和出现频率接近盆地中南部[18-20]。省内河流密布且活动断裂十分发育，主要河流有雅砻江、大渡河、岷江和嘉陵江，影响最大的龙门山断裂、鲜水河断裂和安宁河断裂呈Y字形分布，近50年发生过3次7级以上的强震[21-23]。复杂的地质地形条件加之丰富的降水，使得四川省内降雨及其次生灾害发生频繁，严重危及人民生命财产安全。
图1 四川省地形、地理部位及156个国家气象站点分布
1.2 资料来源
降雨灾情数据来自四川省气象台气象灾情信息管理系统，数据来源为各县(市、区)民政局、救灾办、气象局和其他政府机构，数据年份为2002—2020年。断层密度数据来自四川省地质环境监测总站,数字高程模型数据来源于地理空间云，据此提取地形坡度。降雨数据包括四川省内156个国家气象观测站2002—2020年逐日降雨量资料，站点分布如图1所示，以及2008—2020年四川省内5727个区域气象观测站逐日、逐小时降雨量。
1.3 研究方法
1.3.1 统计方法
根据四川省2002—2020年间降雨灾情数据资料，以156个县(市)中任何一个县(市)有灾情发生记为1次，筛选统计19年间每个县(市)所发生的降雨灾情次数。降雨灾情密度是各县(市)降雨灾情总次数与对应行政区域面积的比值。
1.3.2 雨日雨强定义
日降雨量≥0.1 mm为1个雨日，年降雨强度定义为年降雨量与年降雨日数之比；
日降雨量在25.0～49.9 mm为大雨日，日降雨量50.0～99.9 mm为暴雨日，日降雨量≥100 mm为大暴雨日，日降雨量≥50 mm为暴雨及以上雨日，降雨强度为各级降雨总量与同级降雨日数之比。
1.3.3 致灾频率计算
致灾频率为四川省内156个县(市)2002—2020年各县(市)总的大雨、暴雨、大暴雨灾情次数与对应的大雨、暴雨、大暴雨降雨日数之比。
1.3.4 累积分布函数
对连续函数，所有小于等于a的值，其出现概率的和，计算公式如下：
F(ai)=P
(1)
式中,i表示雨量等级数(i=1,2,3,…，N)；
ai为第i个雨量等级；
F(ai)表示第i个雨量等级出现时，发生灾害的累积频率。
1.3.5 数据处理
运用SQL Sever数据库技术和WPS Excel软件对数据进行统计分析，利用ArcGIS 10.2软件进行空间分析，文中图表均在WPS Excel、ArcGIS 10.2及Grads2.0软件中完成。
2.1 降雨灾情的分布特征
2.1.1 空间分布特征
以地级行政单元为基础统计研究期内降雨灾情的次数、分布密度及灾害中死亡人数，结果列于表1。四川省的21个市州级行政单元中，凉山州、乐山市、宜宾市、雅安市和绵阳市发生灾情数量最多，占灾情总数的42%。乐山市、眉山市和宜宾市的降雨灾情分布密度最大，每万km2的灾情次数超过250次。
表1 2002—2020年四川省21个市州降雨灾情次数、分布密度及死亡人数
由2002—2020年四川省县级行政单元出现降雨灾情总次数分布(图2a)看到，四川省降雨灾情主要分布在盆地和攀西地区，其中以盆地东北部(巴中、南江、通江、平昌、营山)，盆地西南部(天全、洪雅、乐山、夹江、峨眉、犍为)，甘孜州南部和攀西地区中部(九龙、美姑、冕宁、米易、盐边)，绵阳和德阳两市北部(北川、什邡、江油)，宜宾市南部(筠连、兴文、高县)最为显著。盆地降雨灾情多发中心区在乐山和什邡，分别出现63、60次，平均每年出现3次以上，川西高原和攀西地区的降雨灾情多发区在米易和九龙，平均每年出现3～4次。成都和广安两市、资阳市大部、凉山州东部及人烟稀少的川西高原大部地区降雨灾情次数相对较少。从灾情分布密度来看(图2b)，眉山市大部和乐山市北部及温江、什邡、名山、纳溪、南溪、江安、筠连等县(市)都是降雨灾情高密度区，每万km2的灾情数超过300次。
图2 2002—2020年四川省156个县(市)降雨灾情总次数(a)和灾情密度(b)空间分布
地质条件和地形条件是四川省降雨灾害形成的重要因素，由于地质条件和断层分布关系密切，以断层密度和坡度分别代表影响下垫面的地质条件和地形条件。图3a为四川省内断层密度和156个县级行政单元降雨灾情密度分布，图3a表明盆地西部、南部降雨灾情高密度区(灾情密度≥300次·10-4km-2)主要分布在龙门山、龙泉山、华蓥山断裂带上，攀西地区主要受安宁河断裂带的影响，断裂带上相对破碎的岩石在强降雨的作用下容易失稳诱发泥石流、塌方等灾害形成。研究期内2008年、2013年和2017年盆地西部沿山地区发生3次7级及以上的强震，使得原本脆弱的地质环境地质灾害隐患点进一步增加，由强降雨引发的地质灾害的复杂性、不可预见性、突发性和隐蔽性愈发明显。而从地形上看(图3b)，盆地边缘和攀西地区都是山区分布，这样的地形一方面容易触发对流形成强降雨，另一方面水石混合物在重力作用下容易流出沟谷形成灾害。
图3 2002—2020年四川省156个县(市)降雨灾情密度与断层密度(a)和坡度(b)空间分布
对361起有人员死亡的灾害事件分析发现，凉山州、达州市、巴中市和宜宾市降雨灾害死亡人数最多，占到全省降雨灾害死亡总人数的46%(表1)。其中最严重的是2004年9月3日达州市发生的特大暴雨灾情，造成人员死亡达70人[24]。有原因记录的267起死亡案例中，盆地区由于山洪、滑坡、泥石流、塌方造成人员死亡的事件比例分别占到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区以山洪和泥石流比例最高，分别占到42%和35%。局地降雨强度大、突发性强、夜间灾害多、地表地质脆弱，以及居民缺乏应灾常识，与河道(泥石流沟)等比邻而居是造成灾害中人员死亡的主要原因[25](表2)。
表2 2002—2020年四川省降雨灾害人员死亡典型案例
2.1.2 时间分布特征
2.1.2.1 年际分布
图4为2002—2020年四川省降雨灾情数量年际变化序列。研究期内，2007年和2020年降雨灾情数量最多，分别为292起和342起，2006年降雨灾情最少，这与当年夏季四川省发生百年一遇的极端干旱事件相对应[26]。总体而言，2002—2006年降雨灾情较少，2017—2020年显著增加，这可能与近年来极端天气的发生日渐频繁相关，以及研究期内3次强震对四川地区地质结构的严重影响，使得四川地区降雨灾情数量呈现明显增加的趋势。
图4 2002—2020年四川省降雨灾情数量年际变化
分别统计2002—2020年盆地、攀西地区、川西高原3个区域灾情数量与对应区域年降雨强度、大雨强度、暴雨及以上强度和年降雨日、大雨日、暴雨及以上雨日的关系(表3)，结果表明盆地区灾情数量与暴雨及以上雨日、暴雨及以上强度和年降雨强度的相关性最为显著，相关系数分别0.83、0.74和0.72，通过0.001的显著性检验。川西高原灾情数量与大雨雨日、暴雨及以上雨日和年降雨强度相关性最为显著，而攀西地区以上对应关系都不显著,这可能是由于这些区地域广阔，且地形较为复杂，国家气象站雨量与灾害发生地实际雨量差距比较大。
表3 2002—2020年四川省各区域降雨灾情数量与不同等级雨日、雨强相关系数
统计2002—2020年四川省156个县级行政单元大雨、暴雨和大暴雨致灾频率分布情况(图5)，结果显示：盆地区大雨致灾频率较低，多数盆中、盆北区域不超过5%，盆西南多数区域不超过10%；
盆地区暴雨致灾频率较高，但空间差异大，成都、资阳、遂宁、广安、南充和达州一线的大部地方不超过20%，盆西北的德阳、绵阳、广元、巴中和盆西南的雅安、眉山、乐山、内江、自贡、宜宾和泸州大部地方在20%～40%，盆周山区部分区域40%～50%，盆地南部的古蔺和筠连两县暴雨致灾频率在50%以上；
盆地多数区域大暴雨致灾频率在50%以上，特别是内江、乐山和泸州三市大部及平武、三台、盐亭、什邡、宝兴、彭山、仁寿、南溪、高县、通江等县(市)，大暴雨致灾频率达80%以上。川西高原大部和攀西地区大部大雨致灾频率总体不高，但受地形、地貌、地质和人口密度等因素影响，空间差异大，局地性灾害中，九寨沟、红原、白玉、茂县、汶川等县大雨致灾频率达20%～30%；
川西高原大部暴雨出现次数不多，但暴雨致灾频率很高，红原、稻城、雅江和泸定等县暴雨致灾频率都在50%以上；
攀西地区大部暴雨致灾频率在20%～40%，但凉山州东北部暴雨致灾频率可超过50%，与相邻的盆周山区一致；
川西高原大暴雨天气极少；
攀西地区大暴雨致灾频率空间差异很大，冕宁、喜德、德昌、普格、米易、盐源、会理、会东一线和凉山州东部的雷波县大暴雨致灾频率达50%～100%。
图5 2002—2020年四川省156个县(市)大雨(a)、暴雨(b)、大暴雨(c)致灾频率空间分布
盆地区2002—2020年灾情次数与大雨、暴雨、大暴雨致灾频率年际变化曲线表明(图6)，盆地区大暴雨致灾频率在40%～80%之间，平均致灾频率60%左右，变化趋势较为平稳；
暴雨致灾频率在15%～35%之间，呈增长趋势；
而大雨致灾频率在10%以下，同样呈增长趋势。盆地区大暴雨、暴雨致灾频率与灾情次数有较好的对应关系，2005年、2007年、2010年、2012年和2017年盆地降雨灾情较多，大暴雨、暴雨致灾频率相应较高；
2006年暴雨灾情次数较少，大暴雨、暴雨致灾频率显著偏少。
图6 2002—2020年盆地区灾情数量与大雨、暴雨、大暴雨致灾频率年际变化
2.1.2.2 月分布
四川省降雨灾情月分布如图7所示。降雨灾害主要发生在6—9月，占灾情总量的95%，其中7月最多，达1500次，占灾情总量的40%。7月也是降雨灾害地域覆盖最广的月份，有154个县级行政单元在该月发生过降雨灾害，覆盖率接近99%，其次为8月，覆盖率为91%。
图7 2002—2020年四川省降雨灾情数量月分布
灾情数量最多的6—9月，降雨灾情主要发生在盆地和攀西地区，川西高原相对较少，且以7月灾情发生最频繁(图8)。6—9月降雨灾情的分布有从盆地东北部南部向西部发展，最后到东北部的趋势。6月盆地东北部、南部及攀西地区发生灾情次数较多，7月降雨灾情次数最多，主要分布在盆地西南部、西北部地区，8月盆地西南部仍然是灾情主要发生区，而9月盆地南部相对较少，东北部相对较多。降雨灾情的各月分布变化形势与研究期内各月暴雨及以上日数和暴雨及以上强度分布有很好的对应关系(图略)。
图8 2002—2020年四川省6—9月灾情数量地域分布
2.2 降雨灾情与雨量特征的联系
强降雨是诱发灾害形成的主要因素，为了更具体地分析四川省降雨灾情与雨量特征的联系，对2008—2020年区域气象观测站较完善以来的降雨灾情进行分析，利用邻近法分别统计盆地、攀西地区、川西高原3个区域灾害发生地强降雨(大雨及以上)持续天数、最大小时雨量、日最大降雨量。
2.2.1 最大小时降雨量
如图9所示，盆地区降雨灾害发生当日最大小时雨量分布较宽，概率分布基本对称，峰值出现在40～50 mm，占全部样本的20.4%，最大小时雨量大于100 mm的概率占2.4%，而小于10 mm发生灾害的概率是极低的，仅占总量的1.1%。对盆地各个区域灾害发生地最大小时雨量分析发现(图10)：最大小时雨量在10 mm以下的灾害主要发生在盆地南部和东北部，盆地西南部和西北部在其余各个等级范围内的占比都较大，尤其是小时雨量超过60 mm的灾害，盆地南部次之，盆地东北部以60 mm以下灾害数量居多，灾害数量占全盆地比例随小时雨量增多呈减少趋势，盆地中部各等级占比最少。攀西地区降雨灾害发生当日最大小时雨量分布范围较窄，主要集中在30～40 mm，出现概率占全部样本总量的25.9%，小于10 mm概率占到7.7%，而大于70 mm概率仅占1.9%。川西高原小于10 mm占比最大为38.3%，呈递减分布，大于50 mm概率占2.3%。
图9 2008—2020年盆地、攀西地区和川西高原各等级最大小时雨量降雨灾情概率分布
图10 2008—2020年盆地不同区域各等级最大小时雨量灾情数量占比
2.2.2 最大日降雨量
盆地区降雨灾害当日最大雨量概率分布(图11)表明，盆地内96%的降雨灾害事件当日最大雨量都在50 mm以上，其中日雨量在100～150 mm的灾情数量占比最大，占全部样本的37%。对盆地各个区域灾害发生当日最大雨量分析发现(图12)：最大日降雨量小于50 mm的灾害主要分布在盆地南部，盆地南部暴雨灾害数量所占比例随雨量增加呈减少趋势；
最大日降雨量超过300 mm的灾害主要发生在盆地西北部，盆地西北部暴雨灾害数量占比随雨量增加而增加，盆地中部、东北部和西南部在各等级最大日降雨量灾害数量占比较均匀，其中最大日降雨量在50～100 mm的灾害以盆地南部和西南部居多。攀西地区灾害当日最大雨量分布范围较盆地窄，50～100 mm占比最大为50.6%,25～50 mm占19.4%；
川西高原25～50 mm占比最大为51.1%，且有21.3%的灾害事件是在当日最大雨量25 mm以下时发生。
图11 2008—2020年盆地、攀西地区和川西高原各等级最大日降雨量降雨灾情概率分布
图12 2008—2020年盆地不同区域各等级最大日降雨量灾情数量占比
2.2.3 强降雨持续时间
四川省不同区域降雨灾害强降雨持续天数分布(图13)表明，强降雨持续天数以1～3天居多，其中盆地西南部和南部强降雨持续天数大多为1天，占比分别为56%和71%;盆地西北部、东北部和中部强降雨持续天数以1～2天为主;川西高原和攀西地区74%的灾害事件强降雨持续1天。
图13 2008—2020年四川省不同区域灾害强降雨不同持续天数的灾害频次
3.1 结论
(1)四川省近年来降雨灾情数量增长趋势明显，主要分布在盆地和攀西地区。受复杂地质地形条件影响，盆地西部、南部是四川省降雨灾情数量最多、分布密度最大的地区，而凉山州和盆地东北部降雨灾害中死亡人数最多。降雨灾害集中在6—9月，灾情分布有从盆地东北部、南部向西部发展，最后到东北部的趋势。
(2)盆地区在有大暴雨出现时灾害发生可能性最为显著，致灾频率50%以上，暴雨出现时致灾频率为20%～40%；
攀西地区大部分灾害发生在有暴雨出现时，致灾频率达20%～30%；
川西高原暴雨天气过程较少，大部分灾害发生在大雨出现时，致灾频率为10%～30%。
(3)最大小时雨量在10 mm以下的灾害主要发生在盆地南部和东北部，盆地西部在其余各个等级范围内占比都较大，盆地南部次之，中部最少，盆地东北部以60 mm以下灾害数量居多；
攀西地区灾害发生当日最大小时雨量主要集中在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的灾害主要分布在盆地南部，超过300 mm的灾害主要发生在盆地西北部，50～100 mm的灾害以盆地南部和西南部居多；
攀西地区灾害当日最大雨量50～100 mm的占比最大，川西高原为25～50 mm。
3.2 讨论
在作降雨灾情的统计分析中，主要运用各市州上传于灾情直报系统的灾情资料，必然存在资料收集不全面等问题，但是作为灾情收集的主要渠道，所选用资料具有一定的代表性和说服力。其次，在分析灾情发生最大小时雨量、最大日降水量分布特征时，由于2008年以后四川省区域自动站建站才比较完善，因此只用到2008—2020年区域自动站逐日、逐小时降水资料。最后，由于川西高原地形的特殊性，四川省地方标准中川西高原的暴雨标准与盆地和全国不一致，实际业务中川西高原是以24 h降雨量25.0～49.9 mm为暴雨[27]，而本文统一使用全国24 h暴雨量标准。
本文分析了四川省降雨灾情与降雨期间雨量特征的联系，未分析灾情与前期降雨特征的关系，可能对结论的准确性产生一定影响，今后需要更加深入的讨论。
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