四川省芦山地震区降水分布特征

四川省芦山地震区降水分布特征

0芦山地震灾害概况2013年4月20日下午00点46分，四川省芦山县发生了强烈的7.0级地震。中心位于芦山县龙门乡、宝胜乡和太平乡的交汇处（30.3n，103.0e）。影响着雅沙地区、成都、麻痹和甘孜藏族自治省（图1）。受地震影响，范围为18682公里。地震造成196人死亡，21人失踪，1万多人受伤，经济损失达到1000万元。这是继四川5.12号地震以来，继高原东部的四川龙门山断裂带之后的又一次重大地震，对四川的经济和社会发展具有重大影响。芦山地震主震区位于雅安地区东北部,山高谷深,地形复杂,并位于中国内陆降水最多的“雅安天漏”降水中心附近,其天气气候变化对于抗震抢险、灾后重建的规划和实施有着巨大的影响,因此,对于芦山地震灾区天气气候规律尤其是降水分布及其变化特征的研究和认识有重要的现实意义。本文基于芦山“4.20”地震烈度影响区范围,全面详细地分析了震区不同烈度影响地区的降水分布特征,提供了详实的多尺度降水分布和变化特征资料,对于震区利用天气气候规律规划和实施灾后重建有着重要基础指导作用。1日降水量观测图1给出了“4.20”芦山地震区VI以上烈度的影响区域,其强震影响区域包括不同烈度区内的15个县区。因此,震区降水分布和变化研究中选取了1961~2012年宝兴、汉源、芦山、名山、石棉、天全、雅安、荥经、邛崃、大邑、蒲江、康定、泸定、洪雅、丹棱15个气象站的逐日降水观测资料以及全国160个气象站的降水资料。研究方法主要包括趋势分析方法、小波分析方法、MK突变分析方法以及统计相关分析方法等。另外需说明,文中统计分析将25mm≤日降水量≤50mm的降水日记为一个大雨日,将日降水量>50mm的降水日记为一个暴雨日,累计降水日、大雨日和暴雨日均表示15个站52年的总降雨日数。2芦山地震区降水的基本态特征为了整体了解芦山地震区的降水时空分布特征,首先统计分析了芦山地震区52年(1961~2012年)年、月、旬、侯平均降水量的基本态特征,了解震区降水分布的气候特征。2.1降水区域5.5m图2为芦山地震区1961~2012年年平均降水量的空间分布图,可以看出,芦山地震区年均降水量达1265.3mm,远高于同时段全国和四川省平均年降水量(分别为846.3mm和1095.5mm),处于中国内陆降水最多的地区附近。图2显示地震区年均降水量分布很不均匀,主要呈现东高西低分布,东部降水偏多,西部降水偏少,其中最大值出现在雅安、天全一带,雅安平均年降水量为1692.1mm,天全平均降水量为1632.6mm,最小值出现在汉源的东部,石棉中部以及泸定的北部,汉源平均年降水量为734.0mm,可见芦山地震区内空间年降水量差异巨大,平均最高差异可达958.1mm,降水量差异1.3倍。2.2月内降水分布图3为1961~2012年月、旬、侯的平均降水量,图3(a)可看出,震区月平均降水量为98mm,降水主要集中在7、8月,8月份平均降水量达272.2mm,5、6、9月的平均降水量也都达到100mm以上。图3(b)的旬平均降水量图显示,旬平均降水量为32.8mm,降水主要集中在7月下旬至8月下旬,旬平均最大值出现在7月下旬(113.9mm),6月下旬至8月下旬的旬平均降水量都超过60mm。图3(c)为侯的平均降水量图,显示侯平均降水量为16.4mm,降水主要集中在7月第5侯至8月第6侯,侯降水量最大值出现在7月的第6侯(71.9mm),远远超过其他侯平均降水量。由此可见,震区降水量分布的极值时段为7月下旬和8月下旬,特别是7月下旬和8月中旬。2.3震区降水特征图4给出了芦山地震区1961~2012年月、旬、侯的累计平均降水日数、大雨日数和暴雨日数分布图,其中累计平均表示1961~2012年15个站出现的降水日总数。图4(a)可以看出,芦山地震区的降水日数在每个时段都存在,即震区在一年的任何时段都可能发生降雨,且概率较大。从月降水日数看,月出现降水的累计平均日数为16d,在夏半年(5~10月)月份中,累计平均月降水日数基本都持续在18~20d。从旬降水日数看,旬累计平均降水日数为5d,从4月下旬至10月下旬旬累计平均降水日数基本在6d左右。侯累计平均降水日数为3d,而从5月第1侯至10月第4侯基本都在3d以上。可见,震区在5~10月发生降水比较频繁。图4(b)是震区累计平均月、旬、侯大雨日数图,可以看出,月出现大雨的累计平均日数为30d,大雨日主要集中出现在7,8月,7月份出现大雨日数为97d,8月份出现大雨日数为111d,表明7,8月份震区平均每年都可能出现2次以上的大雨日。旬累计平均大雨日数平均为10d,主要集中在7月上旬至8月下旬,最大值出现在7月下旬,大雨日数可高达40d,表明7月下旬出现大雨的概率达40/52接近80%。侯累计平均大雨日数平均为5d,主要集中出现在7月第5侯至8月第6侯,最大值出现在7月的第6侯,大雨日数都达到了31d。图4(c)是震区累计平均月、旬、侯暴雨日数图,可以看出,月累计平均暴雨日平均为14d,主要集中出现在7,8月,7月份累计平均暴雨日数为64d,8月份累计平均暴雨日数为66d;旬累计平均暴雨日数平均日数为5d,暴雨日主要集中出现在6月下旬至9月上旬,最大值出现在7月的下旬,暴雨日数达到32d。侯累计平均暴雨日均日数为2d,暴雨主要集中出现在7月份第5侯至8月份的第6侯,最大值出现在7月的第6侯,暴雨日数可达到了21d。上述表明,在夏季5~9月出现大雨和暴雨的时段主要集中在7月下旬至8月下旬。3庐山地震区降水变化的基本特征3.1年降水量的分布按大数定理和中心极限定理的统计学理论,滑动计算30年的平均气候态,得到了地震区15个气象站1961~1990年、1971~2000年、1981~2010年以及最近2年的年平均降水量(表1),可见年降水量气候态变化比较显著,震区30年气候态变化差值平均达61mm,而且经过了一个“多-少-多”的变化,气候态年平均降水量最大的前几个站依次为雅安、天全、名山、洪雅、丹棱、蒲江、荥经,年平均降水量最小是汉源站,气候态年降水量基本在700~760mm,与降水量最大的雅安站相差近1000mm,可见震区降水分布的局地性很强;从年代际的降水量分布来看,不同年代的年平均降水量变化主要在1229~1355mm,降水量减少趋势比较明显,按偏离平均值10%为异常标准,在1961~1970年的10年里有3站(石棉、荥经和丹棱)年代际平均降水量都高于气候态10%以上,为降水偏大年代;2011~2012年有3站(石棉、泸定、丹棱)降水异常偏低10%以上,为降水偏少年代,其中大邑站偏高18%左右。3.2地震年降水量特征图5是芦山地震区年降水量、累计年降水日数、累计年大雨日数、累计年暴雨日数变化曲线图,降水差异大和降水的多尺度波动的特征比较显著。图5(a)显示震区1966年降水量最大值达1875.6mm,而2006年、2007年年降水量仅为1001.0mm、1015.8mm,降水量差异近1倍,52年间地震区年降水量呈现出较弱的下降趋势和较强的波动性,降水量基本在1000~1500mm的值域内变化并显示出多尺度的波动性。累计年降水日数、累计年大雨日数、累计年暴雨日数也显示出显著的年际差异和明显的多尺度波动特征。3.3年降水量的周期特性图6(a)、(b)是芦山地震区年降水量小波系数实部及小波方差变化图,从整个时间域看,降水量存在着一个8~12a和准3a的周期振荡。在20世纪80年代之前和20世纪90年代初至21世纪初还存在着一个8~10a的周期振荡。在20世纪80年代中期至20世纪90年代中期,还存在着一个4~6a的短周期振荡,该振荡周期十分显著。从小波方差图可以看出,年降水量序列变化的主要周期为8a、5a、3a。图6(c)、(d)是芦山地震区年降水日数小波系数实部及小波方差变化图,在全部时间域上存在一个准3a和6~8a的周期,一直稳定存在,自20世纪70年代起存在一个准20a的周期,经过了“+-+-”的振荡,在1961~1975年和1995~2011年这两段时间存在一个准8a的周期。可见,地震区的降水日数和降水量两者关系紧密,在年际尺度上都具有明显8~12a和3a的周期振荡。3.4年降水量的变化图7(a)是地震区年降水量的M-K突变检验曲线,地震区年降水量在1965年、1972年和2000年左右存在突变,在图7(b)地震区累计年降水日数的M-K突变检验曲线中,2000年以前没有明显的突变点,2005年左右存在突变点。4烈度影响区域图1中圆圈表示地震烈度等级由大到小依次为6、7、8级和9级,根据地震烈度数值大小将芦山地震区划分为3个不同的烈度影响区域,烈度8~9级影响区(I类影响区),烈度7级影响区(II类影响区),烈度6级影响区(III类影响区)。I类影响区包括芦山县区域,II类影响区包括荥经、雅安、名山、天全区域,III类影响区包括其他10个站区。4.1化影响区降水特征图8为I类影响区月、旬、侯的平均降水量、累计大雨日和累计暴雨日分布图。从月平均降水图可以看出,I类影响区月平均降水量为105.9mm,降水主要集中在7、8月,7月份平均降水量为279.8mm,8月份平均降水量为297.3mm。从旬平均降水图可以看出,旬平均降水量为35.3mm,而降水主要集中在7月下旬至8月下旬,平均最大降水量出现在7月下旬,达127.3mm。从侯平均降水图看出,侯的平均降水量为17.6mm,降水主要集中在7月份的第6侯至8月份第6侯,侯平均降水量最大值出现在7月的第6侯,最大值为84.9mm。可见I类影响区的年降水量特征与整体震区的分布特征是一致的。从累计月大雨日数图可以看出,累计月大雨日数平均值为36d,大雨日主要集中在7、8月,7、8月累计大雨日数分别为109d,143d,表明震区I类影响区在7、8月大雨日占全年大雨日总数的25%~33%。从累计旬大雨日数图可以看出,累计旬大雨日平均为12d,大雨日主要集中在7月下旬至8月中旬,最大值在8月上旬,大雨日数达到53d,占全年总大雨日数的12.3%。从累计侯大雨日图看出,累计侯大雨日平均为6d,大雨主要集中在7月第6侯至8月第4侯,侯最大平均雨日在7月的第6侯,8月的第2侯和第4侯,累计大雨日数平均达到了29d,大雨率达到近11.2%。可以看出,7月下旬至8月中旬时段是I类影响区大雨率最为集中的时段。从累计月暴雨日数图可以看出,累计月暴雨日平均为15d,暴雨主要集中出现在7、8月,7、8月累计暴雨日数平均为74d、71d。累计旬暴雨日图显示旬平均日数为5d,暴雨主要出现在7月下旬至8月下旬,7月下旬累计最大暴雨日数平均达到41d,说明7月下旬震区I类影响区出现暴雨的概率达80%。累计侯暴雨日数图显示平均侯暴雨日数为2d,集中出现在7月第5侯至8月第6侯,7月第6侯累计暴雨日数可达29d,这说明在地震区I类影响区7月第6侯出现暴雨的概率达56%。图9是I类影响区年降水量变化曲线、小波系数实部以及小波方差图。I类影响区年均降水量为1265.8mm,年降水量变化显著,在1970s和1980s降水量出现了剧烈波动,变化幅度大,最大差值(1978年为1715.4mm,1974年为916mm)达799.4mm,而1990s及以后年降水量变化幅度相对较小,年降水量的波动范围为1016.8mm(1998年)~1482.9mm(2012年),最大变化幅度为466.1mm。从小波变化图(图9b,c)可以看出,I类影响区年降水量变化存在显著的8~12a周期振荡,在1980s之前,主要存在8~14a周期振荡,在1980s主要存在4~8a周期振荡,在1990s后存在较弱的8~12a的周期振荡。4.2iii类影响区降水特征图10为II类影响区月、旬、侯的平均降水量、累计大雨日和暴雨日分布图。从月平均降水图可以看出,月平均降水量为124.3mm,降水主要集中在7、8月,8月降水为363.8mm。从旬平均降水图可以看出,旬平均降水量为41.4mm,降水主要集中在7月下旬至8月下旬,旬平均降水量最大值出现在7月下旬为146mm。从侯平均降水图看出,侯平均降水量为20.7mm,降水主要集中在7月第5侯至8月第6侯,侯平均降水量最大值出现在7月第6侯为92.3mm。由上述分析可见,II类影响区降水量分布在全年各月旬侯,但集中出现在7月下旬至8月下旬。从累计月大雨日数图可以看出,累计月大雨平均日数为39d,大雨主要出现在7、8月,累计大雨日数分别为123d和143d,相比较I类影响区7月的大雨日数增加了14d。从旬大雨日数图可以看出,累计旬大雨平均日数为13d,大雨集中出现在7月上旬至8月下旬,累计大雨日最大值出现在7月下旬、8月上旬和8月中旬,超过50d。从侯累计大雨日数看,累计侯大雨平均日数为7d,大雨主要集中在7月第6侯至8月第6侯,累计大雨日数最大值在8月第2侯、第4侯,累计大雨日数超过了30d。上述结果与I类影响区的累计大雨日数的特征比较类似。从累计月暴雨日数图可以看出,累计月暴雨日数平均为22d,暴雨主要出现在7、8月,其累计暴雨日数分别为96d和108d,分别比I类影响区增加了22d和37d。从累计旬暴雨日数图可以看出,累计旬暴雨的平均日数为7d,暴雨主要出现在7月下旬至8月下旬,累计旬暴雨日最大值出现在7月下旬,暴雨日数达49d;而从累计侯暴雨日数图看出,累计侯暴雨的平均日数为4d,暴雨主要集中出现在7月第5侯至8月份第4侯,累计侯暴雨日数最大值出现在7月第6侯,暴雨日数达33d。由此可见,II类影响区与I类影响区降水分布的主要区别是7、8月暴雨日的增加。图11是II类影响区年降水量变化曲线、小波系数实部以及小波方差图。II类影响区多年平均降水量为1485.9mm,年降水量呈现出比较明显的减小趋势和显著的波动特征,但1990年前后变化幅度有显著差异,1960~1980年年降水量变化幅度大并呈现出明显的多尺度特征,降水量最大变化幅度(1966年为1978.8mm,1974年为1135.2mm)达843.6mm,而1990s及以后年降水量变化幅度相对较小,尤其在2000年前后年降水量在1300~1550mm波动,可见降水量变化幅度在不同年代显著不同。从小波变化图(图11b,c)可以看出,II类影响区年降水量存在显著的24~28a、10~14a、4~6a和准3a的周期振荡。在20世纪80年代中期至20世纪90年代初还存在着一个4~6a的周期振荡,其中准12a周期振荡最为显著。4.3月、月、侯降水特征图12为III类影响区月、旬、侯的平均降水量、累计大雨日和暴雨日分布图。从月平均降水量图可以看出,月平均降水量为86.7mm,降水主要集中在7、8月,月降水可达232.9mm。从旬平均降水图可以看出,旬平均降水量为29.1mm,降水主要集中在7月下旬至8月下旬,旬平均降水最大值出现在7月下旬为99.8mm。从侯平均降水图可见,侯平均降水量为14.6mm,降水主要集中在7月第5侯至8月第6侯,侯平均降水最大值出现在7月第6侯为62.4mm。可见,III类影响区月、旬、侯的平均降水量及最大降水量要小于I、II类影响区。从月累计大雨日数图分布可以看出,累计月大雨的平均日数为25d,大雨主要出现在7、8月,相应的累计大雨日数为85d和96d。图中类似显示,旬累计大雨平均日数为8d,大雨主要出现在7月上旬至8月下旬,旬累计大雨日数最大值出现在7月下旬达35d;累计侯大雨平均日数为4d,大雨主要出现在7月第6侯至8月第4侯,侯累计大雨日数最大值出现在7月第6侯达21d。从累计月、旬、侯暴雨日数图可以看出,累计月暴雨平均日数为11d,暴雨主要出现在7、8月,其7、8月累计暴雨日数分别为50d和48d;旬累计暴雨日数平均日数为4d,暴雨主要出现在7月中旬至8月下旬,旬累计暴雨日最大值出现在7月的下旬达25d;累计侯暴雨平均日数为2d,暴雨主要出现在7月第5侯至8月第4侯,侯累计暴雨日最大值出现在7月第6侯,暴雨日数可达12d。可见,累计大雨日数在月、旬、侯尺度上,I、II、III类影响区具有类似的特征。图13是III类影响区年降水量变化曲线、小波系数实部以及小波方差图。III类影响区多年平均降水量为1009.8mm,年降水量呈明显波动变化特征,这种变化趋势与I、II类的年降水量有所不同。从小波变化图(图13b,c)可以看出,不同年代存在10~16a、4~6a和3a左右的周期振荡,其中,从小波方差图看,年降水量变化的准14a和准3a尺度的周期振荡都十分显著。综上所述,可以看出,三类影响区的降水分布特征有相似特征,也有相异特征。而III类影响区,无论是从平均降水量,还是从累计大雨日数及暴雨日数来说,其数值都要小于I类影响区和II类影响区。另一方面,I、II类影响区地震烈度为7~9级,属于震中关键区,降水量大、降水日数多的特征对其地震灾害的抢险和灾后重建等都有比较大的影响,因此,需要对I、II类影响区的降水分布特征进行进一步的研究,这对芦山地震区灾后重建有直接的现实指导意义。5体现了长期灾后重建的区域降水分布及变化规律定义主震区为烈度影响7~9级的地区,则主震区关键区域包括芦山、雅安、名山、天全、荥经区域,这些区域的降水分布及其变化规律的研究对灾后重建实施具有重要基础指导意义,因此,在前述已讨论芦山区域(I类影响区)降水分布特征的基础上,进一步从地灾防灾减灾需求的角度细致讨论雅安、名山、天全、荥经的降水分布的特征,这也正是我们与已有的“雅安天漏”降水中心区域的降水分布特征的研究的差异。5.1月降水量特征图14是雅安、名山、天全、荥经的月、旬、侯平均降水分布图。图14(a)可以看出,雅安月平均降水量为141mm,降水主要集中在7,8月,8月份降水可达到449.3mm;旬平均降水量为47mm,最大值出现在8月的中旬,最大值为166.5mm;侯平均降水量为23.5mm,最大值出现在7月的第6侯,最大值为107.1mm。图14(b)可以看出,名山月平均降水量为120.8mm,降水主要集中在7,8月,7,8月份降水分别可达到343.9mm和349.8mm;旬平均降水量为40.3mm,最大值出现在7月的下旬,最大值为170.6mm;侯平均降水量为20.1mm,最大值出现在7月的第6侯,最大值为102.3mm。图14(c)可以看出,天全月平均降水量为136.1mm,降水主要集中在7,8月,8月份降水可达到352.8mm;旬平均降水量为45.3mm,最大值出现在7月的下旬,最大值为132.3mm;侯平均降水量为22.7mm,最大值出现在7月的第6侯,最大值为82.9mm。图14(d)可以看出,荥经月平均降水量为99.1mm,降水主要集中在7,8月,8月份降水可达到303.4mm;旬平均降水量为33mm,最大值出现在7月的下旬,最大值为116.5mm;侯的平均降水量为16.5mm,最大值出现在7月的第6侯,最大值为76.9mm。可见,地震关键区干湿季节分明,各站7月和8月的总降水量的气候值占全年的40%以上,是全年降水最为集中的时段,7月是降水量增加最快的阶段,各站均在7月下旬迎来侯降水的峰值,5~9月份的降水量均达到全年降水量的73%以上。雅安站的降水由于“喇叭口”地形的作用,西南和东南暖湿气流在这一地区辐合抬升,雅安站汛期比其他站点的降水量平均高出120mm以上,全年降水量占的比重最大是8月的月降水量,其他3站的降水量在全年的分布状况较为一致,其中荥经站降水量为4站最小,汛期总降水量的气候值只有978mm,而其他3站均达到1100mm以上。5.2降水量的季节性变化地震区属于龙门山地震带,是板块地震发生相对频繁的地区,处于成都平原向青藏高原过渡地带,地形复杂,强降水条件下引发地质灾害的几率较高[11,12,13,14,15,16,17],因此着重研究大雨和暴雨级别的降水的气候概况。表2是地震关键区4站大雨和暴雨每月多年累计日数,与降水量的分布特征类似,地震关键区大雨-暴雨日数集中在7月和8月,最多的雅安站大-暴雨日数在8月份达到296d,在7月份达到251d,各站在这两个月的累计暴雨日数占全年的比例超过60%以上,其中荥经站的比例达到68%,相对其他3站更为集中。由于大雨日数和暴雨日数都集中在汛期5~9月份,为了更好地研究降水演变的更加细致的规律特点,进一步讨论降水量在汛期旬、侯不同时间尺度上的演变。图15是地震关键区4站1961~2012年汛期各旬累计大-暴雨日数,雅安站和名山站整体都呈双峰型,7月下旬为116d,8月上旬有所下降之后又上升至112d,天全站和荥经站总体都呈单峰型,在7月下旬至8月中旬都保持在一个水平上。由于整个地震区位于盆地向青藏高原的过渡地带,地势西高东低,雅安城区和名山县处于四川盆地的西部边缘地带,雅安城区与荥经存在马耳山(海拔2629.4m)之隔,天全和荥经位于城区西北方,处于邛崃山系周围,境内属于盆周山区,地势落差大,特殊的地形和位置可能是造成东西分布的站点大-暴雨日数在汛期存在上述差异的重要原因之一。图16是关键区域雅安、名山、天全、荥经4站按侯统计的大-暴雨日数分布图,雅安和天全最早于3月第3侯出现大雨,雅安和名山最晚在11月第6侯仍有暴雨出现。雅安和名山大雨日数出现最多的侯都在7月第6侯,而天全和荥经则多出现在8月第2侯;地震影响区4站暴雨日数出现最大的时段都落在7月第6侯,雅安最大为39mm,荥经站最小为26mm,这说明7月下旬至8月初是地震关键区降水集中且降水量最大的时段。5.3年降水量的周期特性图17雅安、名山、天全和荥经年均降水量随时间演变及其小波分析图。图17(a)显示,雅安降水量在20世纪70年代存在准8a周期振荡,之后周期振荡逐渐减小,在20世纪80年代初至90年代初还存在着一个4~6a的周期振荡,2000年后又形成了一个“+-+”的7~8a周期振荡;小波方差图显示出年降水量主要周期为8a、5a和3a,其中8a尺度的短周期最为显著。图17(b)显示,名山年均降水量存在明显地准28a周期的振荡,在20世纪90年代之前,还存在着一个14a的周期振荡;在20世纪70年代和80年代,还存在着一个3~5a的短周期振荡,该振荡周期十分显著。从小波方差图可以看出,年降水量主要周期为2