文明章，吳 濱，張容焱，鮑瑞娟，鄭榮玉

（1.福建省氣候中心，福州 350001；2.三明市氣象局，三明 350700）

福建是我國(guó)氣象災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一，其中頻繁發(fā)生的暴雨引發(fā)的山洪災(zāi)害給社會(huì)和公眾帶來(lái)巨大損失.山洪是指山區(qū)小流域河谷地帶發(fā)生的暴漲洪水，一般多為暴雨所致，有發(fā)生突然、洪峰勢(shì)猛、流速快等特點(diǎn)，極具沖刷破壞力［1－3］；山洪及其誘發(fā)的次生災(zāi)害，常造成人員傷亡、房屋毀壞、田地淹沒(méi)、道路橋梁沖垮等災(zāi)害，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命安全造成嚴(yán)重危害.近年來(lái)隨著全球氣候變暖，福建山洪暴發(fā)愈加頻繁、災(zāi)害越發(fā)嚴(yán)重.

山洪風(fēng)險(xiǎn)研究大致可分為兩個(gè)階段.起初學(xué)者多從暴雨頻數(shù)和地理資料入手，分析暴雨洪澇對(duì)承災(zāi)體的災(zāi)害影響［2－8］；隨著對(duì)暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)研究的深入，致災(zāi)臨界雨量逐步成為山洪災(zāi)害預(yù)警公認(rèn)的依據(jù)指標(biāo)［1，10］，學(xué)者開(kāi)始對(duì)小流域山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)和洪水成災(zāi)條件進(jìn)行研究，根據(jù)地形地貌和短歷時(shí)暴雨特點(diǎn)分析山洪發(fā)生的機(jī)理，利用水動(dòng)力模型計(jì)算山洪致災(zāi)降水閾值，如文明章等對(duì)無(wú)水文資料的山洪溝流域的致災(zāi)臨界雨量計(jì)算方法作了較好的研究［1］，張亞萍等基于天氣雷達(dá)觀測(cè)資料和地面雨量對(duì)山洪的降水條件進(jìn)行了精細(xì)化研究［11］；樊建勇等根據(jù)多年的山洪災(zāi)害和氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)不同歷時(shí)山洪致災(zāi)臨界雨量進(jìn)行了研究［12］.

福建北部為山區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“閩北”），約2.56×104km2，地形以山谷丘陵為主，境內(nèi)峰嶺峙立，丘陵連綿，河谷、盆地穿插期間，汛期暴雨頻次高、強(qiáng)度大，特殊的地形地貌導(dǎo)致暴雨極易引發(fā)山洪.本文根據(jù)山洪發(fā)生時(shí)的降水資料、洪水淹沒(méi)記錄和地理信息資料，利用二維水動(dòng)力模型計(jì)算閩北山洪致災(zāi)臨界降水量；同時(shí)利用閩北氣象站降水資料分析計(jì)算不同重現(xiàn)期的短歷時(shí)最大降水.根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)閩北山區(qū)山洪致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)引發(fā)山洪的強(qiáng)降水天氣背景進(jìn)行分析，以期為政府在山洪防御規(guī)劃的工作提供理論參考.

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

降水資料來(lái)自閩北19個(gè)氣象站1981—2010年降水自記紙觀測(cè)記錄資料和2010—2014年閩北雨量觀測(cè)站資料；精細(xì)化地理信息資料來(lái)自福建省地理信息中心；閩北山洪易發(fā)區(qū)來(lái)自地方部門山洪災(zāi)害區(qū)劃資料，根據(jù)山洪易發(fā)區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，利用ArcGIS提取26個(gè)山洪溝邊界，將26 個(gè)山洪溝分別命名流域編號(hào)為0～25；近5年山洪災(zāi)情資料來(lái)自氣象部門實(shí)地考察和部門收集.26個(gè)山洪溝及雨量觀測(cè)站分布如圖1所示.

1.2 山洪致災(zāi)臨界雨量計(jì)算

1.2.1 流域面雨量計(jì)算

根據(jù)山洪溝流域內(nèi)氣象站及自動(dòng)雨量站地理位置，利用ArcGIS制作流域的泰森多邊形；采用山洪發(fā)生時(shí)雨量站逐時(shí)降水資料，根據(jù)泰森多邊形法計(jì)算山洪發(fā)生時(shí)流域的逐時(shí)面雨量，計(jì)算方法如下［1］：

圖1 閩北山洪溝和雨量觀測(cè)站分布Fig.1 Distribution of mountain torrents and rainfall observation station in Northern Fujian

式（1）中AR為流域面雨量，Ri為雨量站點(diǎn)i的逐時(shí)降水資料，Ai為雨量站點(diǎn)i 代表的泰森多邊形面積，A為流域總面積，n為泰森多邊形個(gè)數(shù).

1.2.2 山洪致災(zāi)臨界雨量計(jì)算

山洪溝出現(xiàn)某風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)洪水時(shí)對(duì)應(yīng)的累計(jì)降水量，即為該等級(jí)的山洪致災(zāi)臨界雨量，通常用短歷時(shí)降水量表示［1，10］.對(duì)已發(fā)生的山洪災(zāi)情進(jìn)行實(shí)地考察，測(cè)量不同受災(zāi)點(diǎn)洪水淹沒(méi)深度、調(diào)查洪水發(fā)生時(shí)間及災(zāi)情損失，以人口集中、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的洪澇易發(fā)區(qū)作為山洪預(yù)警點(diǎn).根據(jù)預(yù)警點(diǎn)地面淹沒(méi)水深，設(shè)定山洪致災(zāi)臨界水位：高等級(jí)1.2m（成年人逃生困難），中等級(jí)致災(zāi)臨界水位0.6m（老人和兒童逃生困難、農(nóng)村糧囤浸水），低等級(jí)致災(zāi)臨界水位＞0.1m（地面開(kāi)始積水）.2013—2014年，福建省氣象部門在全省開(kāi)展暴雨洪澇災(zāi)害精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)普查工作.普查成果表明，引發(fā)山洪的降水條件有兩種情況：其一，歷史罕見(jiàn)的短歷時(shí)極端強(qiáng)降水引發(fā)山洪；其二，在前期持續(xù)性低強(qiáng)度降水的基礎(chǔ)上，短歷時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)山洪.福建山區(qū)引發(fā)致災(zāi)性山洪的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間一般為4～6h.為便于分析山洪臨界雨量的重現(xiàn)期，本文統(tǒng)一采用6h作為山洪致災(zāi)臨界雨量的累計(jì)時(shí)間，3個(gè)等級(jí)的致災(zāi)臨界水位對(duì)應(yīng)的6h面雨量即為不同等級(jí)的山洪致災(zāi)臨界雨量.

根據(jù)文明章等人的研究方法，采用二維水動(dòng)力模型“Floodarea”對(duì)已發(fā)生的山洪進(jìn)行再現(xiàn)淹沒(méi)模擬，并根據(jù)洪水災(zāi)情考察資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行校正，得出不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的山洪致災(zāi)臨界雨量［1］.

1.3 不同重現(xiàn)期6h最大降水量計(jì)算方法

根據(jù)19個(gè)基本氣象站降水自記紙的觀測(cè)記錄資料計(jì)算1980—2011年逐年6h 最大降水量；利用1981—2011年歷年6h最大降水量數(shù)據(jù)，采用皮爾遜Ⅲ型方法，計(jì)算閩北山區(qū)19個(gè)基本氣象站不同重現(xiàn)期6h最大降水量.

皮爾遜－Ⅲ型分布：

式（2）中，α，β，a0經(jīng)適當(dāng)換算，可以用3個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，cs，cv來(lái)表示：

2 結(jié)果與分析

2.1 短歷時(shí)最大降水量空間分布特點(diǎn)

閩北19個(gè)氣象站不同重現(xiàn)期6h最大降水量計(jì)算結(jié)果如表1所示，圖2為閩北不同重現(xiàn)期6h最大降水量空間分布圖.

由圖2可以看出，閩北不同重現(xiàn)期6h最大降水量的高值區(qū)分布于西部、東部以及中南部部分地區(qū)，中部大部分地區(qū)為低值區(qū).6h最大降水量：2年一遇，高值區(qū)降水量超過(guò)80mm，局部超過(guò)100mm；5年一遇，高值區(qū)降水量超過(guò)110mm，局部超過(guò)130mm；10年一遇，高值區(qū)降水量超過(guò)130mm，局部超過(guò)150 mm；20 年一遇，高值區(qū)降水量超過(guò)140 mm，局部超過(guò)160 mm；30 年一遇，高值區(qū)降水量超過(guò)140mm，局部超過(guò)170mm；50年一遇，高值區(qū)降水量超過(guò)150mm，局部超過(guò)180mm（圖2）.

表1 閩北氣象站不同重現(xiàn)期6h最大降水量Tab.1 6hours maximum precipitation in different return period of meteorological station in Northern Fujian

圖2 閩北地區(qū)不同重現(xiàn)期6h最大降水量空間分布Fig.2 Spatial distribution of 6hours maximum precipitation of different return period in Northern Fujian

2.2 山洪致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期分布特點(diǎn)

2.2.1 山洪致災(zāi)臨界雨量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)1.2節(jié)方法計(jì)算各山洪溝的不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的山洪致災(zāi)6h臨界雨量，結(jié)果如表2所示.

表2 閩北各山洪溝不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的山洪致災(zāi)6h臨界雨量Tab.2 Different critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

2.2.2 結(jié)果分析

分析閩北不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)山洪致災(zāi)臨界雨量的空間分布特征；同時(shí)根據(jù)閩北不同重現(xiàn)期6h最大降水量的空間分布特征，分析各山洪溝不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)山洪致災(zāi)臨界雨量的重現(xiàn)期分布特點(diǎn).

（1）低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期分布

東部、西部共4個(gè)（6，12，15，17號(hào)）山洪溝臨界雨量為70～130mm，相當(dāng)于5年重現(xiàn)期的6h最大降水量；東部、西部、中部共7個(gè)山洪溝（0，7，8，10，13，19，21號(hào)）臨界雨量為60～106mm，相當(dāng)于2年重現(xiàn)期的6h最大降水量；其余山洪溝臨界雨量均小于2年重現(xiàn)期的6h最大降水量（圖3）.

圖3 閩北山洪低致災(zāi)等級(jí)6h臨界雨量重現(xiàn)期空間分布Fig.3 Spatial distribution of different return period of low critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

（2）中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期分布

4個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于5年以上重現(xiàn)期的6h最大降水量；6個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于5年重現(xiàn)期的6h最大降水量；4個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于重現(xiàn)期為2～5年的6h最大降水量；3個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于2年重現(xiàn)期的6h最大降水量；8個(gè)山洪溝臨界雨量為相當(dāng)于2年以內(nèi)重現(xiàn)期的6h最大降水量（表3、圖4）.

表3 閩北山洪中致災(zāi)等級(jí)6h臨界雨量重現(xiàn)期分布Tab.3 Distribution of different return period of moderate critical rainfall of mountain flood disaster during 6 hours in Northern Fujian

圖4 閩北山洪中致災(zāi)等級(jí)6h臨界雨量重現(xiàn)期空間分布Fig.4 Spatial distribution of different return period of medium critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

（3）高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期分布

2號(hào)和7號(hào)2個(gè)山洪溝所在區(qū)域6h最大降水量相對(duì)偏小，且山洪溝下游河道堤壩較高，導(dǎo)致這兩個(gè)山洪溝高風(fēng)險(xiǎn)臨界雨量相當(dāng)于50年以上重現(xiàn)期的6h最大降水量；6個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于50年重現(xiàn)期的6h最大降水量；3個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于10年重現(xiàn)期的6h最大降水量；11個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于5年重現(xiàn)期的6h最大降水量；4個(gè)山洪溝臨界雨量相當(dāng)于5年以內(nèi)重現(xiàn)期的6h最大降水量（表4、圖5）.

表4 閩北山洪高致災(zāi)等級(jí)6h臨界雨量重現(xiàn)期分布Tab.4 Distribution of different return period of high critical rainfall of mountain flood disaster during 6 hours in Northern Fujian

圖5 閩北山洪高致災(zāi)等級(jí)6h臨界雨量重現(xiàn)期空間分布Fig.5 Spatial distribution of different return period of high critical rainfall of mountain flood disaster during 6hours in Northern Fujian

2.3 強(qiáng)降水成因及山洪風(fēng)險(xiǎn)分析

閩北強(qiáng)降水的天氣背景主要有兩類：一是西風(fēng)帶系統(tǒng)引起的鋒面暴雨，主要發(fā)生在5～6月的雨季，閩北的中西部地區(qū)70%～90%的暴雨是上述原因造成的，且其中60%左右的降水為小于6h的短歷時(shí)強(qiáng)降水；二是臺(tái)風(fēng)等低壓系統(tǒng)引起的暴雨［13］，主要出現(xiàn)在夏季的7～9月，閩北的東部地區(qū)45%左右的暴雨由其引起，另有45%的暴雨為鋒面暴雨.閩北強(qiáng)降水的地形致因：閩北的西部為山勢(shì)高峻的武夷山脈北段，中東部為山體高大寬厚、起伏連綿鷲峰山脈，東部為狹窄的丘陵臺(tái)地.這種地形特征造成了閩北兩個(gè)高強(qiáng)度暴雨的頻發(fā)區(qū)，分別位于兩大山脈的東麓，即西部的光澤縣、武夷山市和東部的柘榮縣、福鼎市、寧德市.

由于閩北地形復(fù)雜，海拔高度落差大，加之閩北山脈的東部是暴雨高發(fā)區(qū)及降水量的極值區(qū)，導(dǎo)致這些地區(qū)山洪災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性大、發(fā)生頻率高，從上面的分析可知，西部、中部、東部和東南部共有11個(gè)山洪溝高致災(zāi)等級(jí)山洪暴發(fā)周期為5年，另外西部和中南部有2個(gè)山洪溝高致災(zāi)等級(jí)山洪暴發(fā)周期小于2年.

3 結(jié)論與討論

（1）閩北各重現(xiàn)期6h最大降水量空間分布特點(diǎn)，高值區(qū)位于西部、東部和中南部部分地區(qū)，中部大部分地區(qū)為低值區(qū)；閩北5、10、20、50年重現(xiàn)期6h降水極值高值分別超過(guò)110、130、140、150mm.閩北西部地區(qū)短歷時(shí)強(qiáng)降水主要由鋒面暴雨引起，閩北東部地區(qū)短歷時(shí)強(qiáng)降水主要由鋒面暴雨和臺(tái)風(fēng)暴雨引起.

（2）閩北山洪溝低等級(jí)致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期均小于5年，其中超過(guò)半數(shù)重現(xiàn)期為1年；中等級(jí)致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期：西部多數(shù)為2年以內(nèi)，中部多數(shù)為5年以內(nèi)，東部多數(shù)山為5年.閩北山區(qū)的西北部、中北部和東北部地區(qū)，發(fā)生極端強(qiáng)降水的概率較低，這些區(qū)域的大多數(shù)山洪溝高等級(jí)致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期≥50年；其余地區(qū)山洪溝高等級(jí)致災(zāi)臨界雨量重現(xiàn)期均≤10年.

（3）短歷時(shí)強(qiáng)降水是山洪的主要致因，前期長(zhǎng)時(shí)間低強(qiáng)度降水是引發(fā)山洪的潛在誘因.本文在考慮地表滲流、地面截流的基礎(chǔ)上計(jì)算地表產(chǎn)流，進(jìn)行山洪再現(xiàn)淹沒(méi)模擬，提高了計(jì)算山洪致災(zāi)臨界雨量的準(zhǔn)確性.

（4）文中山洪致災(zāi)臨界雨量只能應(yīng)用于汛期的山洪預(yù)報(bào)預(yù)警，同時(shí)需根據(jù)山洪災(zāi)情的反饋信息對(duì)臨界雨量進(jìn)行修正和完善.

［1］文明章，林 昕，游立軍.山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)雨量評(píng)估方法研究［J］.氣象，2013，39（10）：1325－1330.

［2］劉志雨，楊大文，胡建偉.基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的中小河流山洪預(yù)警方法及其應(yīng)用［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，46（3）：317－321.

［3］謝立華，趙寒冰.洪澇災(zāi)害與地形的相關(guān)性研究—以肇慶市為例［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，22（6）：240－245.

［4］王 博，崔春光，彭 濤，等.暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.暴雨災(zāi)害，2007，26（3）：281－285.

［5］蔡大鑫，張京紅，田光輝，等.海南省暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及區(qū)劃研究［J］.氣象研究與應(yīng)用，2010，31（2）：52－54.

［6］唐余學(xué)，廖向花，李 晶，等.基于GIS的重慶市山洪災(zāi)害區(qū)劃［J］.氣象科技，2011，39（4）：423－428.

［7］蘇軍鋒，肖志強(qiáng)，魏邦憲，等.基于GIS的甘肅省隴南市暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃［J］.干旱氣象，2012，30（4）：650－654.

［8］樊高峰，何 月，顧駿強(qiáng).基于GIS的浙江省暴雨災(zāi)害及其危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28（32）：293－299.

［9］姜藍(lán)齊，馬艷敏，張麗娟，等.基于GIS的黑龍江省洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，22（5）：238－246.

［10］江錦紅，邵利萍.基于降雨觀測(cè)資料的山洪預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)［J］.水利學(xué)報(bào)，2010，41（4）：458－463.

［11］張亞萍，沃偉峰，劉 德，等.基于精細(xì)化降水分布的山洪氣象條件分析［J］.氣象，2013，39（1）：101－111.

［12］樊建勇，單九生，管 珉，等.江西省小流域山洪災(zāi)害臨界雨量計(jì)算分析［J］.氣象，2012，38（9）：1110－1114.

［13］鹿世瑾，王 巖.福建氣候［M］.北京：氣象出版社，2012.