以氣溫和降雨量為指標的冰湖潰決預警方法

劉晶晶 馬春 蘇鵬程

摘要：冰湖潰決是冰川區(qū)突發(fā)的嚴重山地災害之一。目前，全球氣候變暖，冰川普遍退縮，冰湖面積和潰決風險也隨之增大。因此，冰湖潰決預警方法的研究對冰川地區(qū)防災減災有著重要的實際意義?，F(xiàn)提供了一種綜合考慮氣溫與降雨條件影響的冰湖潰決預警方法，選擇預測日前期正積溫逐日增長速度值與預測日前期30 d累積降雨量作為氣溫和降雨的代表性指標，通過對2010年前發(fā)生的21例潰決事件統(tǒng)計，結合鄰近21個氣象臺站的日均溫和日降雨量資料分析，建立了冰湖潰決的預警警戒線和冰湖潰決預警系統(tǒng)流程。其后，選擇2013年7月5日的然則日阿錯冰湖潰決案例對建立的冰湖潰決預警系統(tǒng)進行驗證，發(fā)現(xiàn)預警效果良好。

關鍵詞：氣溫;降雨量;冰湖潰決;預警

中圖分類號：P694文獻標志碼：A

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：[FK（W3。5*2][TP劉晶晶.TIF]

Early warning method of glacial lake outburst floods based on temperature and rainfall

LIU Jingjing1，2，3，MA Chun1，3，SU Pengcheng1，3

（1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process & Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy，Chengdu 610041，China;2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China;3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：

Glacial lake outburst floods （GLOFs） are serious disasters in glacial areas.At present，due to global warming，glaciers are generally diminishing;thus increasing the glacial lake area and the outburst risk.Therefore，the research on early warning methods for GLOFs is important to disaster prevention and relief in glacial areas.This paper proposes an early warning method using the temperature and rainfall as indices.We selected the daily growth rate of prior period positive cumulative temperature and the prior thirty-day cumulative rainfall as the representative indices of temperature and rainfall.Based on the statistics of the 21 outburst events before 2010 and the data from the 21 nearby meteorological stations，we built an outburst early warning threshold and a flow chart of the GLOF early warning system.The system was verified by the GLOF event in the Ranzeaco glacial lake on 2013-07-05.

Key words：

temperature;rainfall;glacial lake outburst floods;early warning

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）《第五次評估報告》[1]指出，大氣中溫室氣體尤其是二氧化碳的濃度持續(xù)增加導致1950年后全球溫度出現(xiàn)了明顯上升。在全球變暖的背景下，大部分高山區(qū)的冰川面積和體積有明顯減小，有些小規(guī)模冰川甚至消失，低緯度和中緯度的冰川縮減尤為明顯[2]。中國現(xiàn)代冰川面積59 406 km.2，冰儲量約為5 590 km.3[3]。自小冰期盛時以來，西部高山區(qū)平均升溫1.3 ℃，冰川的萎縮量相當于現(xiàn)代冰川面積的20%， 預估2030年、2070年和2100年的升溫值分別為0.4～1.2 ℃、1.2～2.7 ℃和2.1～4.0 ℃，屆時冰川面積將分別減少12% 、28 % 和45 %[3]。

冰湖是冰川運動的產物，通常由冰川挖蝕成的洼坑和冰磧物堵塞冰川槽谷積水而形成，以冰川作用或以冰川融水為主要補給源[4-5]。冰湖受氣候影響顯著，隨著氣候變暖，冰川大規(guī)模退縮，冰湖水位上升，補給充足的大型冰湖庫容量增大，而相應的小型冰湖在數(shù)量上減少[6]。隨著冰湖面積的擴張，冰湖發(fā)生潰決的頻率和規(guī)模也隨之增大[7]。冰湖潰決是冰川區(qū)突發(fā)的嚴重山地災害，其導致的洪水和泥石流突發(fā)性強、流量大、破壞性強、波及范圍大，在沿程又會激發(fā)其他次生災害，從而造成人員傷亡與經濟損失，其災害損失比一般的暴雨激發(fā)的洪水和泥石流要嚴重得多[8-9]。根據姚曉軍等的研究[8]和筆者后期調查，發(fā)現(xiàn)1935年以來，西藏地區(qū)發(fā)生的且已有記錄的冰湖潰決事件共30起，給冰湖下游的城市鄉(xiāng)村、居民點、公路設施、水利電力等帶來了巨大的影響，甚至波及周邊國家[10-11]。

鑒于冰湖潰決后帶來的系列風險，冰湖潰決方面的研究受到越來越多研究者的關注[12]。冰湖潰決的誘發(fā)因素包括冰崩、雪崩、冰滑坡、冰雪強烈消融、高強度持續(xù)降水等外部誘因[13]，以及冰磧壩內核冰融化、冰磧壩管涌等內部誘因[14]。目前關于冰湖潰決方面的研究，多是利用遙感手段[15]，提取下墊面特征（包括冰湖特征、其后冰川特征，終磧堤特征等），進行冰湖潰決的風險評估[16-17]。盡管研究者們很早就認識到氣候變化的水熱組合對于冰湖潰決和泥石流活動起著控制作用[18]，例如研究者發(fā)現(xiàn)1988年光謝錯冰湖潰決就是因為前期的持續(xù)高溫和冰川融水的潛蝕作用[19]。并且前期研究中，也發(fā)現(xiàn)西藏冰湖潰決事件都發(fā)生于日均溫>0 ℃的日子，且海拔越高的冰湖發(fā)生潰決的時間越晚[20-21]。但由于缺乏長期連續(xù)的氣候資料，使得目前的研究只能單純的討論某次事件下的氣候背景，而沒法弄清氣候變化對冰湖潰決的作用機制，也沒法依據氣候條件對冰湖潰決事件進行前期預警。

冰湖潰決的影響因素包括冰川積累面積和厚度、冰湖大小及儲水量、湖堤結構與穩(wěn)定性等，這些影響因素都與氣溫、降雨有著密切關系，所以本文認為氣溫和降雨是觸發(fā)冰湖潰決的影響因素。與氣候波動事件相比，冰湖潰決的發(fā)生雖然是一種低概率事件，但基于冰湖潰決發(fā)生的自然特征規(guī)律可以確定，對于既定的某一危險冰湖，雖然不一定存在所謂某一確定的能夠觸發(fā)冰湖潰決的氣溫指標值與降雨指標值，但一定存在一個與冰湖潰決發(fā)生高度相關的以某一或某些氣溫與降雨指標為變量的冰湖潰決危險臨界線。超過該臨界線，冰湖潰決發(fā)生的概率高，低于該臨界線，潰決發(fā)生的概率低，由此可以解決冰湖潰決預測預警的技術問題。基于此，本文將5萬多組氣溫與降雨長期觀測數(shù)據及歷次冰湖潰決事件進行關聯(lián)性分析，試圖從眾多涉及氣溫與降雨的氣象指標中篩選出具有代表性的指標，確定其與冰湖潰決事件之間存在的符合規(guī)律的函數(shù)關系，為冰湖潰決的預警工作提供基礎。

1數(shù)據來源與遴選方法

1.1研究區(qū)與過去冰湖潰決事件

通過對文獻資料的整理和野外考察搜集，這里統(tǒng)計了1930后發(fā)生于我國西藏地區(qū)的冰湖潰決事件共30起，詳見表1。

1.2氣溫和降雨量數(shù)據來源

本文中涉及到的氣溫和降雨數(shù)據來自于中國氣象數(shù)據網（http：//data.cma.cn），包括中國地面氣候資料年值數(shù)據集、中國地面氣候資料日值數(shù)據集和中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據集（V3.0）（更新時間截止到2015年5月）。

西藏的氣象臺站密度較內陸低，全區(qū)共有71個縣，但目前只設立了39個氣象觀測站點，且氣象臺站建立時間晚，缺測數(shù)據序列長。本方法所需要日均溫與日降雨量觀測數(shù)據，本應當選擇冰湖所在區(qū)域的氣象臺站提供的數(shù)據。但在實際工作中，冰湖位于高寒高海拔區(qū)域，這些區(qū)域由于硬件條件限制，均無配套的自身區(qū)域氣象臺站，無法提供冰湖所在地的長期日均溫觀測數(shù)據與日降雨量數(shù)據。

本次分析中氣象數(shù)據網數(shù)據提供至2015年5月，所以無名湖的冰湖潰決事件未納入此次分析。并且由于局部氣象臺站數(shù)據序列不全和冰湖潰決發(fā)生時間記錄不清的原因，塔阿錯、窮比嚇瑪錯、魯惹錯、桑旺錯、章藏布、次仁瑪錯、[JP2]給曲冰湖的潰決事件也未納入本次分析。如下，僅對其余22例冰湖潰決事件進行分析。經過39個站點的對比和分析，選擇鄰近臺站（d<200 km）作為冰湖潰決氣溫和降雨數(shù)據來源，具體冰湖選擇的氣象站點見表2。

1.3氣溫和降雨量數(shù)據修正

由于冰湖與氣象臺站之間存在距離和海拔的差異，所以來自于氣象臺站的數(shù)據不能直接體現(xiàn)冰湖當?shù)氐臍夂驐l件。在進行分析之前，需對各氣象臺站的數(shù)據進行修正。

1.3.1個別缺測數(shù)據處理

個別測站會出現(xiàn)個別日數(shù)據缺測的情況，這里采用趨勢預測法對其進行補差。若個別測站長時間缺測，則選用其他測站數(shù)據修正替代或者直接棄用該站點數(shù)據。例如阿亞錯冰湖事件的分析中，發(fā)現(xiàn)1970年定日氣象站數(shù)據整年缺測，則只能棄用定日測站數(shù)據，僅采用聶拉木和日喀則測站數(shù)據。

1.3.2數(shù)據距離修正

氣象臺站通常都距冰湖一定距離，所以來自于氣象臺站的氣溫和降雨量數(shù)據都需進行距離修正。這里主要選擇距離反比權重法（IDW）對數(shù)據進行距離修正。距離反比權重法（IDW）是一種中間插值方法，利用插值點和樣點間的距離為權重，進行加權平均[22]，公式如下：

1.3.3數(shù)據海拔修正

冰湖海拔高度大多都高于所在區(qū)域氣象站的海拔，在以氣溫作為指標時，必須考慮海拔高度的差異對氣溫的影響[23]。由于目前降雨量的海拔修正，無明確的認可方法，故僅對氣溫數(shù)據進行海拔修正，這里引入青藏高原地區(qū)的氣溫垂直遞減率，對數(shù)據進行修正。依據青藏高原及其周邊地區(qū)的氣溫垂直遞減率等值線分布圖[24]，對中國地面氣候資料的溫度進行修正，溫度修正公式如下：

式中：TH為修正后冰湖所在海拔的溫度值;T0表示氣象站實際測得溫度值（℃）;

1.3.4五日滑動平均

對氣溫數(shù)據進行了前期處理后，為了消除不穩(wěn)定的波動，顯示出溫度變化的平穩(wěn)性，充分利用熱量資源，減小氣溫突變誤差，進一步采用五日滑動平均，遴選出第1日均溫≥0 ℃的日期。

T..*1=（T-4+T-3+…+T1）/5，…，T..*i=（Ti-4+Ti-3+…+Ti）/5[JY]（3）

式中：T1是通過五日滑動平均法求算出的穩(wěn)定通過界限溫度0 ℃的起始日;i是起始日到潰決日的天數(shù)。

1.4氣溫和降雨量代表性指標

1.4.1氣溫的代表性指標—正積溫逐日增長速度值（TV）

在前期研究中，發(fā)現(xiàn)冰湖發(fā)生潰決的當日，其日均溫都≥0 ℃，即冰湖潰決都發(fā)生在消融日，這與冰湖潰決的觸發(fā)機制有關[20]。所以，認為日均溫≥0 ℃的時期，對于冰湖潰決的發(fā)生是有效時期。考慮到積溫的總量和升溫的過程，對于冰湖潰決觸發(fā)都有積極的作用。因此提出了采用正積溫逐日增長速度值TV作為氣溫核心預警指標，其計算方法如下。

（1）獲取日均溫數(shù)據序列{Tn}，以{Tn}為基礎，篩選確定第1個日均溫≥0 ℃的日期D1，統(tǒng)計序列{Tn}中自日期D1至預測日的天數(shù)i。

（2）依式TDC=∑[DD（]n[]i=1[DD）]Ti計算預測日前期正積溫累計值TDC，式中，Ti為日均溫值（℃）;i為D1至預測日的天數(shù)（d）。

（3）采用冪函數(shù)曲線TDC=Ai.β擬合，得到正積溫累積過程曲線方程（即正積溫逐日增長的過程線方程），并求得過程曲線方程導數(shù)T′DC=（Ai.β）′=Aβiβ-1，其中常數(shù)部分Aβ即為預測日前期正積溫逐日增長速度值TV，即Aβ=TV。

1.4.2降雨量的代表性指標—前期30 d累積降雨量（RDC）

對于前期降雨量指標的選取，分別對時間窗口為10 d、20 d、30 d、40 d、50 d、60 d、70 d、80 d與90 d的前期降雨量指標進行關聯(lián)性分析，確定前期30 d累積降雨量與冰湖潰決事件間具有更良好的影響關系，由此最終選取其作為降雨核心預警指標，其計算方法如下。

（1）獲取日降雨數(shù)據序列{Rn}、日均溫數(shù)據序列{Tn};以{Tn}為基礎，篩選確定第1個日均溫≥0 ℃的日期d，日期d是前期30 d累積降雨量計算起始日，則以日期d前第30 d為前期30 d降雨量計算起始日d-30，統(tǒng)計自d-30至預測日的前期30日降雨量天數(shù)n。

（2）以{Rn}為基礎，依式RDC=∑[DD（]30[]n=1[DD）]Rn計算自日期d-30起至預測日的前期30 d累積降雨量RDC。式中，Rn為日降雨量值（mm）。

2以氣溫和降雨量為指標的冰湖潰決預警方法

2.1[JP2]基于氣溫和降雨量的預警警戒線的建

通過對2010年前發(fā)生的21例潰決事件（然則日阿錯冰湖潰決事件作為驗證事件），涉及17個冰湖約5萬組日均溫數(shù)據和降水量數(shù)據進行分析，統(tǒng)計21例潰決事件的前期正積溫逐日增長速度值（TV）和前期30 d累積降雨量（RDC），見表4。

基于上述的統(tǒng)計結果，對比潰決事件和無潰決事件的前期正積溫逐日增長速度值（TV）和前期30 d累積降雨量（RDC），描點繪制圖1，設定預警警戒線。圖1表明我國境內記錄的17個冰湖的21例潰決事件中，有16例潰決事件位于警戒線TV=-0.0193RDC+3.0018之上。這說明使用本發(fā)明提供的預警方法可以實現(xiàn)對危險冰磧湖發(fā)生的76.2%的潰決事件預警，其預警效率很高。但由于冰磧湖是復雜多因素耦合的現(xiàn)象，所以在氣候波動劇烈的情況下，本方法仍存在約20%左右的漏報率。

2.2冰湖潰決預警系統(tǒng)流程

依據前述分析的過程和建立的冰湖潰決預警線，建立了冰湖潰決預警系統(tǒng)的流程圖（圖2）。本方法所需要的日均溫與日降雨量觀測數(shù)據，應當選擇冰湖所在區(qū)域的氣象臺站提供的長期數(shù)據。但在實際工作中，冰湖位于高寒高海拔區(qū)域（例如我國青藏高原的冰湖海拔均超過3 800 m）這些區(qū)域由于硬件條件限制，幾乎均無配套的自身區(qū)域氣象臺站，無法提供冰湖所在地點的長期日均溫觀測數(shù)據與日降雨量數(shù)據。因此，依照氣象學常規(guī)方法，本方法中所需要日均溫與日降雨量觀測數(shù)據通常從鄰近氣象臺站獲取。鄰近氣象臺站的選取原則與方法適用相關的氣象學原則與常規(guī)方法，獲得的氣象數(shù)據經常規(guī)氣象學數(shù)據修正方法修正后（通常是海拔高差修正、水平距離修正等）適用于本發(fā)明方法。[JP2]通常情況下，選擇兩個及以上鄰近氣象臺站作為數(shù)據來源。為保證預警結果的有效性和后期的數(shù)據篩選的可能性，控制中心調用的氣象臺站長期溫度與降雨觀測數(shù)據應當具備足夠的規(guī)模，即需要獲取足夠時間長度的日均溫數(shù)據和日降雨量數(shù)據形成日均溫數(shù)據序列和日降雨量數(shù)據序列。需至少包括120個觀測日的日均溫數(shù)據與120個觀測日的日降雨量數(shù)據，才能保證后期分析處理的可靠性，且數(shù)據序列越長，其可靠度越高。

依據圖2所示流程，可以對任一冰湖的潰決可能進行預警。如下，選擇了2013年發(fā)生的然則日阿錯冰湖潰決事件，參照冰湖潰決預警系統(tǒng)流程，進行事件驗證分析。

3然則日阿錯案例驗證

冰湖然則日阿錯（30°28′07″N， 93°31′55″E）位于西藏自治區(qū)嘉黎縣忠玉鄉(xiāng)，于2013年7月5日發(fā)生潰決，此次潰決造成忠玉鄉(xiāng)238戶1 160人不同程度的受災，其中49戶房屋被徹底沖毀，部分人員和牲畜失蹤，農田遭到破壞，通往嘉黎縣唯一的1座水泥橋被沖毀，損失估計達2.7億元[25]。

根據然則日阿錯冰湖的地理位置，選擇的數(shù)據主要來自于嘉黎、林芝、比如氣象站，參照冰湖

潰決預警系統(tǒng)流程對數(shù)據進行修正后納入分析，其中涉及到自2013年1月1日至7月5日的186個氣象觀測日，經正積溫分析首先確定折麥錯冰湖自5月16日起存在潰決風險，將風險范圍縮小至51 d，其后計算求得2013年5月16日至2013年7月5日期間的正積溫逐日增長速度值（TV）和前期30 d累積降雨量（RDC），見表5。

將表5中所列的正積溫逐日增長速度值（TV）和前期30 d累積降雨量（RDC），與前期設定的潰決警戒線TV=-0.0193RDC+3.0018對比繪制圖3。從圖3中，可以看到在初篩后納入分析的51 d中，通過預警線的設置，將風險日集中到了11個報警日。最終結果顯示冰湖在11個報警日之一（2013年7月5日）發(fā)生了潰決。

4結論

本文提供了一種綜合考慮氣溫與降雨條件影響的冰湖潰決預警方法，選擇預測日前期正積溫逐日增長速度值與預測日前期30 d累積降雨量作為氣溫和降雨的代表性指標，通過對2010年前發(fā)生的21例潰決事件統(tǒng)計，結合鄰近21個氣象臺站的日均溫和日降雨量資料分析，建立冰湖潰決的預警警戒線TV=-0.0193 RDC+3.0018和冰湖潰決預警系統(tǒng)流程。其后，選擇2013年7月5日的然則日阿錯冰湖潰決案例對建立的冰湖潰決預警系統(tǒng)進行驗證，在186個預測日中劃定出11個風險日，其中1日發(fā)生潰決，其預警效果良好。

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