降雨強度持續(xù)時間對淺層滑坡和泥石流的控制

通過全面的文獻檢索，匯編完成了2626個誘發(fā)淺層滑坡和泥石流的降雨事件的全球數(shù)據(jù)庫。利用降雨和滑坡信息來修正NelCaine在1980年建立的可能誘發(fā)淺層滑坡和泥石流的降雨持續(xù)時間和強度的最小值。在對數(shù)坐標下繪制降雨強度-持續(xù)時間（ID）值，已確定，當降雨持續(xù)時間從10分鐘到35天時，隨著持續(xù)時間的增加，可能誘發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)的最小平均強度是線性減小的。本次研究確定了可能觸發(fā)淺層滑坡和泥石流的最小ID。利用目標統(tǒng)計技術從降雨數(shù)據(jù)中獲得閾值曲線。為了處理不同氣候區(qū)可能導致淺層斜坡失穩(wěn)的降雨強度和持續(xù)時間的差別，用年均降水量和全年雨天平均降水量將降雨信息標準化。根據(jù)東英吉利大學（EastAngliaUniversity）氣候研究小組匯編的全球氣候數(shù)據(jù)集獲得氣候信息。最終得出的全球ID閾值明顯比Caine（1980）提出的低，也比文獻中其它的全球閾值低。新的全球ID閾值可用于基于全球降水測量的世界滑坡預警系統(tǒng)，對于缺少局部和區(qū)域閾值的地方很有益。一、引言1980年，NelCaine發(fā)表了一篇題為“淺層滑坡和泥石流的降雨強度-持續(xù)時間控制”的文章。在這篇里程碑式的文章里，Caine列出了世界范圍內(nèi)73個已經(jīng)誘發(fā)了淺層滑坡和泥石流的降雨事件的持續(xù)時間和強度。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，Caine首次提出了淺層滑坡和泥石流發(fā)生的全球降雨強度-持續(xù)時間（ID）閾值。Caine的閾值曲線表示如下：（1）其中，D為降雨持續(xù)時間，單位是h，I是降雨強度，單位是mm/h。由于Caine的開創(chuàng)性工作（1980），全世界很多地區(qū)都對已經(jīng)導致斜坡失穩(wěn)的降雨ID條件的信息進行了收集，提出了局部的、區(qū)域的和全球尺度的不同的降雨ID閾值（可參考已公布的閾值，確定和使用降雨閾值的基本原理可見Corominas，2000；Crosta和Frattini，2001；Aleotti，2004；Wieczorek和Glade，2005；Guzzetti等，2007）。使用降雨ID閾值來預報淺層滑坡和泥石流的發(fā)生，是基于連續(xù)的降雨測量，由此引發(fā)了很多爭議——并不是降水總量而是入滲并進入到地下的水量（大部分都是未知的）造成失穩(wěn)（如Caine，1980；Reichenbach等，1998）（如Keefer等，1987；Crosta，1998；D’Orsi等，1997；Aleotti，2004；Godt，2006）。本文修正了Caine（1980）的成果。通過文獻檢索收集了全世界的降雨和滑坡信息，利用穩(wěn)健統(tǒng)計技術，為淺層滑坡和泥石流的發(fā)生建立了新的全球ID閾值。將這個新閾值與已公布的全球閾值進行了比較（Caine，1980；Innes，1983；Clarizia等，1996；Crosta和Frattini，2001；Cannon和Gartner，2005）?？紤]到氣候影響，利用年均降水（MAP）和全年雨天平均降水量（rainy-daynormal，縮寫RDN，Wilson和Jayko，1997）對降雨強度進行標準化處理，然后對標準化的降雨數(shù)據(jù)分別建立閾值。為了進一步研究氣候?qū)\層滑坡和泥石流發(fā)生的影響，建立了單個氣候區(qū)的閾值。二、背景對于降雨引發(fā)的滑坡，降雨閾值會定義達到或者超過時，很可能觸發(fā)滑坡的降雨、土壤水或者水文條件（如Crozier，1996；Reichenbach等，1998；Guzzetti等，2007）。降雨閾值的定義可以基于物理意義（基于過程的概念閾值）或者經(jīng)驗（歷史的，統(tǒng)計的閾值，可參考文獻，如Corominas，2000；Aleotti，2004；Wieczorek和Glade，2005；Guzzetti等，2007）。文獻中對于滑坡的發(fā)生，已經(jīng)提出了不同類型的經(jīng)驗降雨閾值?？梢愿鶕?jù)以下幾個方面對已公布的閾值進行分類（Guzzetti等，2007）：（1）閾值定義的地理區(qū)域的范圍，（2）用來確定閾值的測雨類型（表1）。根據(jù)閾值定義的地理范圍，可以粗略劃分為全球、區(qū)域或者局部閾值。全球閾值試圖確定一個通用（“世界范圍內(nèi)”）的最小水平，當?shù)陀谶@個值的時候，滑坡不會發(fā)生，而與局部的地貌、巖性和土地利用條件以及局部或者區(qū)域的降雨類型和歷史無關。Caine（1980），Innes（1983），Clarizia等（1996），Crosta和Frattini（2001）以及Cannon和Gartner（2005）已經(jīng)提出了一個全球閾值。區(qū)域閾值針對幾平方公里乃至幾千平方公里的具有相似氣象、氣候、地形和土壤性質(zhì)的區(qū)域，具有應用于以定量的空間降雨預報、估計或者測量為基礎的滑坡預警系統(tǒng)的潛力。局部閾值考慮了局部的氣候模式和地質(zhì)地貌背景，適用于幾平方公里至幾百平方公里內(nèi)的單個滑坡或者滑坡群。在很多地方，區(qū)域和局部閾值的差別是不確定的。經(jīng)驗降雨閾值可以分為三大類：（1）結合了從特定降雨事件中獲得的降水測量的閾值，（2）包含了前期條件的閾值（如Terlien，1998；Crozier，1999；Glade等，2000；Chleborad，2003；Aleotti，2004）,（3）其它閾值，包括水文閾值（如Reichenbach等，1998；Jakob和Weatherly，2003）。利用從單次或多次降雨事件中獲得的降水測量建立的閾值可以進一步細分為：強度-持續(xù)時間（ID）閾值、基于全部降雨事件的閾值（E）、降雨事件-持續(xù)時間閾值（ED）和降雨事件-強度閾值（EI）（可參見Guzzetti等，2007）。本文定義了可能觸發(fā)淺層滑坡和泥石流的強度-持續(xù)時間（ID）閾值，并將其與已公布的全球ID閾值進行了比較。三、降雨和滑坡信息為了確定能夠觸發(fā)淺層滑坡和泥石流的新的全球降雨ID閾值，對已經(jīng)導致淺層斜坡失穩(wěn)的降雨事件建立了全球數(shù)據(jù)庫。通過全面的文獻檢索獲得降雨和滑坡信息，包括國際期刊、會議記錄以及描述單次或多次降雨觸發(fā)滑坡的事件和技術報告。表1為定義滑坡發(fā)生的降雨閾值而在文獻中用到的降雨和氣候變量變量描述單位首次引入D降雨持續(xù)時間h/dCaine((19800)Dc臨界降雨事件的的持續(xù)時間間hAleottii(20004)E累積降雨量；從從降雨開始始到失穩(wěn)發(fā)發(fā)生時的總總降雨量；；也稱為暴暴雨mmInnes((19833)EMAP標準化降雨量；；用MAPP(EMAP=E/MMAP)標準化的的累積降雨雨量；也稱稱為標準化化暴雨–Guidiciini和Iwassa(11977))C臨界降雨量；從從降雨強度度（t0）明顯增增加到觸發(fā)發(fā)首個滑坡坡的時間（tf）內(nèi)的總降雨量mmGovi和Soorzanna(11980))CMAP標準化臨界降雨雨量；臨界界降雨量除除以MAPP(CMAP==C/MMAP)–Govi和Soorzanna(11980))R日降雨量；滑坡坡發(fā)生那天天的總降雨雨量mmCrozierr和Eylees(11980))RMAP標準化體降雨量量；日降雨雨量除以MMAP((RMAP=R/MMAP)mmTerlienn(19998)I降雨強度；降雨雨事件的平平均降雨強強度mmh?1Caine((19800)IMAP標準化降雨強度度；降雨強強度除以MMAP((IMAP==I/MMAP)h?1Cannon(19888)IMAX最大小時降雨強強度mmh?1Onoderaa等(19744)Ip峰值降雨強度；；降雨期間間的最大降降雨強度（降降雨速率）；；可以從詳詳細的降雨雨記錄中獲獲得mmh?1Wilson等等(19922)?(h)最后暴雨期的平平均降雨強強度；“h”表示考慮慮的時期，單單位是小時時，大部分分都是從33~24hhmmh?1Govi和Soorzanna(11980))IF斜坡失穩(wěn)時的降降雨強度；；可以從詳詳細的降雨雨記錄中獲獲得mmh?1Aleottii(20004)IC臨界小時降雨強強度mmh?1Heyerdaahl等(20033)IFMAP標準化的斜坡失失穩(wěn)時的降降雨強度；；用斜坡失失穩(wěn)時的降降雨強度除除以MAAP(IIFMAP=IF/MAP)h?1Aleottii(20004)A(D)前期降雨量。在在觸發(fā)滑坡坡的降雨事事件之前的的總（累積積）降雨量量；“D”表示考慮慮的天數(shù)mmGovi和Soorzanna(11980))AMAP標準化的前期降降雨量；前前期降雨量量除以MAAP(AMAP=A/MMAP)–Aleottii(20004)MAP年均降水量；一一個雨量站站的長期年年均降水量量，可以從從降雨歷史史記錄中獲獲得；替代代局部地區(qū)區(qū)的氣候條條件mmGuidiciini和Iwaasa((19777)RDS一年中雨天天數(shù)數(shù)的平均值值（降雨頻頻率）；雨雨天的降雨雨量至少為為0.1mmm；一個個雨量站的的長期年均均雨天天數(shù)數(shù)，可從歷歷史降雨記記錄中獲得得；替代局局部地區(qū)的的氣候條件件#Wilson和和Jaykko(11997))RDN全年雨天平均降降水量；一一個雨量站站的MAPP與一年中中雨天天數(shù)數(shù)的平均值值的比值((RDN=MAPP/RDss)mm/#Wilson和和Jaykko(11997))N兩個不同地區(qū)MMAP的比比值–Barberoo等(20044)將收集到的信息以目錄形式進行組織，列出了2626次滑坡事件，涵蓋了1917年~2005年這89年的時間，其中大部分的事件（97.5%）都發(fā)生于1950年~2005年。收集到的每個事件的相關信息包括：（1）受降雨和滑坡影響的地區(qū)的位置，（2）導致淺層斜坡失穩(wěn)的降雨條件，（3）所引發(fā)的滑坡的類型和數(shù)量，（4）主要的巖性以及（5）一般的氣候信息。并不是所有滑坡事件都有上述的所有信息。有629次（24.0%）滑坡事件具有準確的地理信息（位置，農(nóng)村或城鎮(zhèn)）。在余下的1997次滑坡事件中，有697次（26.5%）位置的準確程度達到中等（即行政區(qū)、省或者知道受影響的谷地），有1223次（46.6%）的地理精度較低（例如，只有區(qū)域、主要谷地或者知道大體的地方）。有33次（1.3%）事件，只知道發(fā)生在哪個州或者國家，這些事件的地理精度非常低。有44次事件（1.7%），地理位置不明確。數(shù)據(jù)庫中的降雨信息包括：（1）已經(jīng)誘發(fā)了淺層滑坡和泥石流的降雨事件的強度和持續(xù)時間，（2）該降雨事件的累積降水量，（3）前期降水的測量。在所有降雨事件中，都有對降雨強度、降雨持續(xù)時間和總降水的測量或者估計，但是只有251次事件才有前期降水的信息，只占全部事件的9.6%。數(shù)據(jù)庫中的降雨信息存在不確定性。旨在建立觸發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)的局部或者區(qū)域降雨閾值的報告提供了準確的降雨強度和持續(xù)時間。描述引發(fā)淺層滑坡和泥石流的單次或多次降雨的報告列出了降雨強度和持續(xù)時間，但是經(jīng)常沒有詳細注明信息來源。在某些報告中，降雨強度和持續(xù)時間是平均值或者估計值。有幾份報告展示了描繪降雨事件歷史的圖表以及斜坡失穩(wěn)出現(xiàn)的準確時間或者大體時間或者時期。從這些報告中，可以獲得累積降雨量、降雨強度和降雨持續(xù)時間的圖表。由于缺乏描述前期降雨條件的標準，目錄中有不一致的地方（Guzzetti等，2007）。在所檢索的報告中，實際上沒有什么信息能用來評價所收集的降雨數(shù)據(jù)的質(zhì)量（精度、準確性、可靠性）。在數(shù)據(jù)庫中，沒有關于用于收集降雨數(shù)據(jù)的單個雨量站或者雨量站網(wǎng)的信息。數(shù)據(jù)庫中的滑坡信息包括：（1）失穩(wěn)的類型和深度，（2）斜坡失穩(wěn)的數(shù)量，（3）滑坡發(fā)生的時間、日期或者時期?；骂愋陀型馏w滑動（70，2.7%），泥石流（1109，42.2%），土體滑動-泥石流（61，2.3%）和未進行分類的淺層滑坡（1,386，52.8%）。許多報告都未能指明滑坡類型和它們之間的差別，例如，淺層滑坡和泥石流常常不可能區(qū)分開。為了與檢索文獻保持一致，淺層滑坡和泥石流之間的區(qū)別還是在數(shù)據(jù)庫中有所保留，因為并不是所有的泥石流都發(fā)源于淺層滑坡，并不是所有的淺層滑坡（如土體滑動）都演化為泥石流。只有為數(shù)不多的報告提供了所引發(fā)的失穩(wěn)的準確數(shù)量。更常見的是，根據(jù)報告中給出的信息做出定性估計（如幾個，幾十個，數(shù)百個）。在數(shù)據(jù)庫中，有2,185次事件（83.2%）導致了單個滑坡，441次事件（16.8%）觸發(fā)了兩次或更多次的失穩(wěn)（多個滑坡）。已知133次滑坡事件（5.1%）失穩(wěn)的準確或近似時間（如±12h），691次事件（26.3%）發(fā)生的日期。剩下的事件中（1802,68.2%），沒有關于斜坡失穩(wěn)發(fā)生的日期或時間的直接信息，只能利用作者給出的降雨測量或者已公布的圖表?；滦畔⒁簿哂胁淮_定性，所觸發(fā)滑坡的數(shù)量的不確定性最大，斜坡失穩(wěn)時間的不確定性也很明顯。后者有很多原因，包括：確定滑坡發(fā)生的準確時間有難度（滑坡可能發(fā)生在晚上或者偏僻的地方，因此沒有目擊證據(jù)）再加上淺層滑坡和泥石流可能是以脈沖的形式發(fā)生的，或者是其它滑坡的再活化或者再運動。報告也具有不確定性，包括單個或多個斜坡失穩(wěn)可能在已發(fā)生后的幾天才被報道出來，調(diào)查人推斷出的發(fā)生時間也可能有誤。數(shù)據(jù)庫中的巖性信息包括對主要巖石類型的一般描述（如沉積巖、火山巖、侵入巖或者變質(zhì)巖）。數(shù)據(jù)庫中有2,575（98.0%）次降雨事件具有可用的氣候信息。根據(jù)受降雨和滑坡事件影響的地區(qū)的地理位置，每個事件都被指定了K?ppen氣候分類系統(tǒng)中的一類（K?ppen，1931；Trewartha，1968）。大部分事件發(fā)生的地區(qū)的氣候特征包括：（1）山地氣候（H，678次事件），（2）涼爽的地中海氣候（Csb，363次事件），（3）溫暖的地中海氣候（Cfb，322次事件），以及（4）溫和的西海岸海洋氣候（Cfb，322次事件）。所有事件（其位置是已知的或者能夠從東英吉利大學氣候研究小組（CRU）匯編的全球氣候數(shù)據(jù)集里的柵格數(shù)據(jù)中合理地推斷出）的MAP和雨天的平均值（RDs，一個雨天表示降雨在0.1mm或以上）從氣候變化非政府會議（IPCC）的數(shù)據(jù)分布中心獲得（）獲得。CRU數(shù)據(jù)集由一批地面氣候變量組成，這些變量是經(jīng)過對大量氣象站（包括了全世界19,800個雨量站）插值得到的。這個數(shù)據(jù)集包括了除南極洲以外所有大陸板塊的氣候數(shù)據(jù)，網(wǎng)格精度是0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度），覆蓋了從1961年~1990年這30年的數(shù)據(jù)（New等，1999）。局部事件利用最近的網(wǎng)格單元值。區(qū)域事件利用受影響地區(qū)MAP和RDs的加權平均值。這樣可能會在數(shù)據(jù)庫中引入偏差。CRU數(shù)據(jù)集的空間精度不能捕捉所有局部地區(qū)的氣候影響，例如山地引起的降雨影響或者地形影響。根據(jù)這些可用的氣候信息，目錄中列出的降雨事件發(fā)生地區(qū)的雨天在57天~236天之間，MAP在265~3045mm之間，RDN的范圍是3.0~19.8。表2列出了本次工作中考慮的15個氣候區(qū)的滑坡和氣候信息。四、降雨強度-持續(xù)時間數(shù)據(jù)由于本次研究旨在修正Caine（1980）的成果，因此我們將重點放在斜坡失穩(wěn)對已經(jīng)引發(fā)淺層滑坡和泥石流的降雨強度-持續(xù)時間（ID）的依賴性。首先，我們將所有可用的ID數(shù)據(jù)繪制成點圖（橫坐標為降雨持續(xù)時間，縱坐標為降雨強度）。通過對點圖的目視分析，可以看出，已引發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)的降雨事件的持續(xù)時間在7分鐘到大約5周這個范圍內(nèi)，平均降雨強度從0.12mm/h~713mm/h。已引發(fā)多個滑坡的降雨事件有著更長的持續(xù)時間，說明了降雨持續(xù)時間對于大量并普遍發(fā)生的滑坡的重要性。同時還可以看出，很多D≥24h的降雨事件的最大降雨強度要比從短期或超短期持續(xù)時間的事件（D<10h）中測得的最大強度高。針對這些中等~長持續(xù)時間事件的高強度不禁產(chǎn)生疑惑，可能有幾種解釋，包括記錄誤差，記錄的引發(fā)滑坡的降雨持續(xù)時間比真實的持續(xù)時間要長，或者是滑坡并不是由降水引發(fā)的（如由人類活動影響的）。由于某些雨量站在測量非常大的降雨強度時存在一定的技術難度，因此短期和超短期持續(xù)時間的降雨事件的最大強度也會被低估。表2本次研究中涉及到的15個氣候區(qū)的氣候信息以及用MAP和RDN標準化的效果（用降雨強度數(shù)據(jù)對數(shù)的標準差來σ衡量）氣候事件數(shù)量平均MAP平均RDs平均RDNσ,log(II)σ,log(II/MAPP)σ,log(II/RDNN)熱帶熱帶雨林Af101,314.77195.36.80.5160.4660.504季風Am583,045.66153.619.80.4150.4150.415濕潤-干燥的熱熱帶稀樹大大草原Aw561,877.99198.09.40.5170.5610.547干旱區(qū)半干旱西伯利亞大草原原Bsk198427.084.35.10.3690.3690.369中緯度地區(qū)的沙沙漠Bwk11272.072.73.80.2820.2860.282濕潤的亞熱帶東海岸Cfa2441,396.44144.39.80.6570.7250.727溫和的西海岸海海洋氣候Cfb3221,149.55148.97.80.6210.5550.579溫暖氣候Cwa2082,165.22171.112.70.5100.4870.511溫暖的地中海氣氣候Csa349584.080.57.70.4220.4630.399濕潤的地中海氣氣候Csb363604.488.27.40.4130.4560.389濕潤的大陸性氣氣候溫和的夏季Dfb19851.8146.25.80.2030.2170.210炎熱的夏季Dwa521,444.33117.212.30.2710.2710.271副極帶氣候（SSubarrtic）Dfc4734.8201.23.60.6100.5230.548凍土帶凍土帶ET3515.4169.73.00.0750.0750.075高地山地H6781,415.44154.79.10.5110.5090.506盡管數(shù)據(jù)分布很分散，但是從ID降雨數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)一個明顯的趨勢。在對數(shù)圖上，隨著降雨持續(xù)時間的增加，很可能觸發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)的最小平均強度是降低的。觀測證實了Caine（1980）的發(fā)現(xiàn)，并支持了針對淺層滑坡和泥石流發(fā)生而定義的單一最小降雨ID。對比已引發(fā)泥石流的降雨事件和已引發(fā)淺層滑坡的降雨事件，可以看出二者在持續(xù)時間和強度的最小值上不存在明顯的差異。根據(jù)這些觀測，下文將所有淺層斜坡失穩(wěn)（包括泥石流）歸到單一滑坡中。這與Caine（1980）的觀點是一致的。從點圖上還可以發(fā)現(xiàn)在特定持續(xù)時間（如D=1，2，3，6，12，24，48和72h）下，所報導事件的類聚情況。預先確定的報導期的降雨測量的可用性決定了目錄中將引入一個偏差。為了將特定持續(xù)時間處的聚類影響降低到最小，并估計對數(shù)區(qū)間內(nèi)的值，利用移動平均數(shù)濾波技術（Guzzetti等，2007）。在沿著持續(xù)時間軸（x軸）的每個對數(shù)區(qū)間上，移動窗口，選擇寬為5個對數(shù)區(qū)間（即中間區(qū)間的左右兩邊各有兩個區(qū)間）為中心。選擇5個區(qū)間移動窗口內(nèi)的所有數(shù)據(jù)點，計算沿著強度軸的百分點（第2百分點到第95百分點）。計算出的降雨強度百分點對應于沿著持續(xù)時間軸的移動窗口的中心點。然后，再將移動窗口沿著x軸移動到下一個對數(shù)區(qū)間，重復上面的計算步驟。最后連接百分點相同的點，就繪制出了概率曲線。與原始數(shù)據(jù)相比，這些概率曲線針對有可能觸發(fā)淺層滑坡的最小降雨ID條件提出了不同的解釋；短期降雨事件（D<48h）的閾值較高，長期降雨事件的閾值較低（D>48h）。我們認為48h突變點是經(jīng)驗結果，部分是由于采用濾波技術降低了聚類影響而產(chǎn)生的結果。對于范圍在幾分鐘到48h的降雨持續(xù)時間，隨著降雨持續(xù)時間的增加，觸發(fā)斜坡失穩(wěn)所需的最小強度（如第二百分點）有輕微降低的趨勢。在降雨持續(xù)時間大約為48小時的時候，這種線性趨勢突然變化。對于這一持續(xù)時間，前期降雨和土壤水分條件對于滑坡的起動很重要（Crozier，1999；Glade等，2000；Chleborad，2003；Aleotti，2004），特別是引發(fā)不透水并且富含粘土的斜坡失穩(wěn)。在較長的降雨時間內(nèi)，有可能導致淺層斜坡失穩(wěn)的平均降雨強度比短期降雨觸發(fā)滑坡所需的強度低，并且基本維持在一個固定值上（I~0.2mm/h），與降雨持續(xù)時間無關。對于較長的持續(xù)時間，土壤的蒸散作用也很重要。由于蒸散作用，較低的平均降雨強度使有效降雨等于或者接近0。這就說明，經(jīng)過長期的低降雨強度之后，發(fā)生的斜坡失穩(wěn)是各種過程共同作用的結果，而此處提及的簡單ID模型并沒不考慮到這些作用（如深層地下水補給，漸進式的斷裂等）。對降雨ID數(shù)據(jù)進行進一步的分析，發(fā)現(xiàn)所報導的不同氣候條件下淺層斜坡失穩(wěn)類型的比例存在差異。在溫暖的、濕潤的亞熱帶氣候（Cwa）下，當總降雨較大時，即在持續(xù)時間長并且強度又大的降雨事件下，泥石流的發(fā)生頻率要比淺層滑坡大。這反映了氣象或者地貌條件的重大影響，或者也可能是數(shù)據(jù)庫中的報告誤差導致的。不考慮降雨持續(xù)時間，在山地氣候（H）和涼爽的地中海氣候（Csb）下，能夠觸發(fā)淺層滑坡和泥石流的最小降雨強度要小于溫和的西海岸海洋氣候（Cfb）和溫暖濕潤的亞熱帶氣候（Cwa）下斜坡失穩(wěn)所需的最小強度。這種差異可能是由于數(shù)據(jù)庫中的偏差造成的或者是不同氣候條件的物理差異（如氣象學的）造成的。地形地貌的發(fā)育受到氣候的影響，氣候影響著能夠?qū)е禄碌臍庀髼l件，這是公認的事實。為了處理所觀測到的這些氣候差異，對降雨測量進行標準化處理以替代區(qū)域氣候條件。進行兩次標準化處理。第一次標準化用降雨強度除以MAP。第二次用降雨強度除以RDN（MAP和一年中雨天平均值的比值）（Wilson和Jayko，1997）。MAP和RDs數(shù)據(jù)是從東英吉利大學氣候研究小組匯編的全球氣候數(shù)據(jù)庫中獲得的。對用MAP標準化的降雨數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的總體趨勢沒有明顯變化。用MAP標準化并沒有顯著減小有可能引發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)的（標準化的）平均降雨強度的范圍。標準化的效果，用強度數(shù)據(jù)（在對數(shù)坐標下）的標準差（σ）來衡量，不同氣候下的效果是不同的（表2）。用MAP標準化：（1）對于溫和的西海岸海洋氣候（Cfb）下的降雨事件特別明顯，對于溫暖濕潤的亞熱帶氣候（Cwa）是有效的；（2）對于濕潤的亞熱帶東海岸氣候（Cfa）、溫暖的地中海氣候（Csa）和涼爽的地中海氣候（Csb），σ較大；（3）與山地氣候的地區(qū)發(fā)生的滑坡事件無關。對于余下的氣候，滑坡事件的數(shù)量不足以評價標準化的效果。第二次標準化利用了全年雨天平均降水量（RDN），它是通過一年中雨天的平均天數(shù)（RDs）來調(diào)整MAP的一個氣候指數(shù)，能夠比MAP更好地捕捉降水和氣候之間的關系（Wilson和Jayko，1997）。對標準化ID數(shù)據(jù)的分析證實，降雨數(shù)據(jù)的總體趨勢，與用RDN標準化一樣，是對原始數(shù)據(jù)的尺度改變。對RDN標準化效果（表2）進行的評價表明，標準化：（1）在溫和的西海岸海洋氣候（Cfb）、溫暖的地中海氣候（Csa）和涼爽的地中海氣候（Csb）下，比較明顯；（2）對于濕潤的亞熱帶東海岸氣候，σ增加；（3）與寒冷的半干旱氣候（Bsk）、溫暖濕潤的亞熱帶氣候（Cwa）和山地氣候（H）下已發(fā)生的事件大部分是無關的。在余下的氣候下，被報道事件的數(shù)量不足以評價用RDN標準化的有效性。兩類標準化的降雨ID數(shù)據(jù)的概率曲線證實了很可能引發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)的最小降雨ID條件可能存在的兩種趨勢：短期降雨事件的較高，長期降雨事件的較低。對于兩類標準化，突變點都發(fā)生在D=48h。由此可以看出，不論是MAP還是RDN都不能充分捕捉可能導致淺層斜坡失穩(wěn)的前期降雨和土壤水分條件的信息。五、對降雨閾值的客觀認識對文獻的一些最新回顧顯示，對于大多數(shù)已公布的滑坡發(fā)生的經(jīng)驗降雨閾值，用來確定閾值的數(shù)學標準或統(tǒng)計標準都不明確。總體而言，繪制出的降雨閾值可以作為已經(jīng)導致斜坡失穩(wěn)（表示在用線性或者對數(shù)坐標圖上）的降雨條件的（表面上的）下邊界。當有關未引起斜坡失穩(wěn)的降雨條件信息可用的時候，繪出的閾值可以成為區(qū)分引發(fā)和未引發(fā)滑坡的降雨條件的最佳目視判斷標志。還有一種方法是，采用描述降雨閾值的方程（如冪定律、雙曲線等等），方程中的參數(shù)要進行調(diào)整，以獲得想要的與經(jīng)驗數(shù)據(jù)擬合的可視化曲線。這個不同的方法是先檢查經(jīng)驗數(shù)據(jù)，再挑選沿著已選閾值曲線的特定降雨條件，然后將方程與挑選點進行擬合。將方程與經(jīng)驗數(shù)據(jù)（或者是簡化了的數(shù)據(jù)集）擬合時，要移動獲得的曲線使之在視覺上與經(jīng)驗數(shù)據(jù)的下邊界吻合。利用以上描述的方法可以得到視覺上可接受的結果，但是缺乏客觀性，不容易或者不能清楚的進行復制使用。因此，不同的調(diào)查者對于同一組經(jīng)驗數(shù)據(jù)可能會得出不同的結果，妨礙了不同調(diào)查者對不同地區(qū)閾值的定量比較或者對同一地區(qū)閾值的定量比較。為了突破這個限制，最近提出用一種客觀的方法來確定一個有可能發(fā)生滑坡的閾值模型，并允許以一種合理的客觀的方式對其進行識別校正（Guzzetti等，2007）。在本次研究中，我們使用了這種方法來確定淺層滑坡和泥石流發(fā)生的全球ID閾值。這種方法包括兩個步驟。首先，以來表示閾值曲線，描述閾值。這與Caine（1980）選擇的閾值曲線的形式是相同的，見式（1）。其次，用概率方法來尋找表示最小閾值的冪定律曲線的范圍（突點）α和形狀（斜率）β。這可以通過定義一個數(shù)據(jù)點（以給定降雨強度I和降雨持續(xù)時間D）出現(xiàn)的伯努利概率來實現(xiàn)。（2）（3）其中，,δ和η共同表示越過模型邊界的數(shù)據(jù)點的容差或者概率分布測度，Θ是Heaviside階梯函數(shù)（Abramowitz和Stegun，1972）。設計該模型就是為了估計閾值曲線（寬松定義經(jīng)驗數(shù)據(jù)云的邊界）的范圍。在對模型推論做出一些解釋之后，將ID閾值的容差值設置為δ=0.1和η=0.5，選擇用式（4）作為α和?的先驗概率分布：（4a）（4b）在式4a和4b中，方括號中的數(shù)字分別表示均勻分布的中心值（式4a中是0.001，式4b中是0.1）和中心值附近的均勻分布的概率分布測度（式4a中是10，式4b中是2）。α和β的估計值通過給定模型中α和β的后驗概率分布的貝葉斯推斷和經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得。利用WinBUGS軟件包（）采用“onestrick”來求解已知結果（滑坡發(fā)生，Guzzetti，2007）的伯努利概率。利用相同的步驟來推斷標準化的ID閾值和基于有可能引發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)的降雨ID條件的概率估計的閾值。六、全球降雨ID閾值（一）新的全球閾值使用可用的降雨和滑坡信息，利用上文描述的方法確定一個基于貝葉斯定理統(tǒng)計推斷的閾值，建立有可能引發(fā)淺層滑坡和泥石流的新的全球最小ID降雨閾值。從以下幾個方面推斷全球閾值：（1）非標準化和標準化（利用MAP和RDN）的降雨ID數(shù)據(jù)，（2）原始降雨數(shù)據(jù)和降雨ID條件的概率估計，（3）整個降雨數(shù)據(jù)集和從氣候上再細分的子集。從原始ID降雨數(shù)據(jù)中推斷跨越降雨持續(xù)時間全部范圍（即從5分鐘到大約40天）的單一閾值。從降雨條件的概率估計中推斷短期降雨（D<48h）和長期降雨（D≥48h）的復合閾值曲線。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中列出的降雨事件的數(shù)量和持續(xù)時間的范圍來確定每種氣候下的子集。利用整個降雨ID數(shù)據(jù)集確定的單一閾值整體上比從概率估計中推斷出的閾值要陡。閾值的斜率隨著標準化而變化。利用MAP和RDN標準化后的數(shù)據(jù)確定的下半段的閾值要稍緩一些。減小的斜率衡量了MAP和RDN考慮淺層滑坡和泥石流起動中的氣候和氣象差異的能力。從ID降雨條件的概率估計中推斷出的短期降雨事件的閾值的下降趨勢更明顯。為了測試作為已經(jīng)引發(fā)淺層滑坡和泥石流的ID條件下限的閾值的性能，沿著持續(xù)時間軸的每個對數(shù)區(qū)間，計算引發(fā)滑坡的降雨事件的數(shù)量和位于閾值下方（即假陰性）的降雨事件的數(shù)量。結果表明，只有少數(shù)幾個已知的已經(jīng)引發(fā)淺層滑坡的降雨事件位于最小ID閾值和標準化ID閾值的下方。總體來看，從原始降雨ID數(shù)據(jù)中推斷出的單一閾值的性能（即擬合數(shù)據(jù)的能力）比從降雨ID條件的概率估計中推斷出的復合閾值曲線要好一點。利用MAP和RDN進行的標準化只能從邊緣上提高閾值的性能，并且只針對選擇的持續(xù)時間（如非常短的降雨期）。（二）與現(xiàn)有全球閾值的比較將可能觸發(fā)滑坡的新閾值與文獻中出現(xiàn)的其它全球ID閾值（包括Caine（1980）；Innes（1983）；Clarizia等（1996）；Crosta和Frattini（2001），以及Cannon和Gartner（2005））進行比較。從整個ID數(shù)據(jù)集中推斷出的單一全球閾值比其它全球閾值要低，大多數(shù)降雨持續(xù)時間下都是這樣。對于淺層滑坡和泥石流而言，單一ID閾值的斜率與Caine（1980）建立的閾值曲線的斜率是相似的（β分別為?0.44和?0.39），但是預示了在明顯低的平均降雨強度、任意給定的降雨持續(xù)時間、更短期的降雨以及任意給定的降雨強度下，淺層斜坡失穩(wěn)的可能性。比較大的差別是，Caine（1980）用的是簡化了的降雨和滑坡信息集（73vs2,626個事件），并且實際上Caine的閾值是為災難性的斜坡失穩(wěn)建立的，即這個閾值不一定表示下（最?。┻吔纾≧eichenbach等，1998；Guzzetti等，2007）。單一ID閾值比Innes（1983）提出的泥石流發(fā)生的閾值要小。對于極短的降雨事件，這兩個閾值之間的差別比較大，隨著降雨持續(xù)時間的增加，差別也有輕微的減小。新的單一閾值整體上比Crosta和Frattini（2001）就淺層滑坡提出的雙曲線閾值低。對于非常短期的降雨持續(xù)時間（D<6h），差別特別明顯，當D=24h時，差別是最小的。在這一持續(xù)時間下，Crosta和Frattini（2001）定義的滑坡起動必要的最小平均降雨強度是新的單一ID閾值確定的最小平均降雨強度的1.5倍。對于少于大約200h的降雨持續(xù)時間，土體傾倒的單一閾值要比Clarizia等（1996）提出的閾值曲線低，而對于較長期的降雨，后者預示了比新閾值更低強度的降雨事件下可能發(fā)生淺層斜坡失穩(wěn)。最后，對與野火相關的泥石流而言，在5分鐘到3h的范圍內(nèi)，新的單一ID閾值整體上低于Cannon和Gartner（2005）提出的閾值，。從ID降雨條件的概率估計推斷的復合閾值曲線與已公布的全球閾值之間的比較更為復雜。對于所有的降雨持續(xù)時間，復合閾值要比Caine（1980）與Cannon和Gartner（2005）提出的閾值曲線低甚至于低很多。對于不超過10h的降雨持續(xù)時間，復合曲線也比Innes（1980）和Clarizia等人（1996）提出的閾值曲線低。對于長期降雨（D≥48h），復合閾值整體上比Innes（1983）提出的閾值低，比Clarizia等人（1996）提出的也低，但后者是在持續(xù)時間不超過100h的情況下。對于非常長的降雨期，與Clarizia等人（1996）的閾值相比，復合閾值下的淺層滑坡和泥石流的發(fā)生需要更高的平均強度。與Crosta和Frattini（2001）提出的閾值曲線相比，當降雨持續(xù)時間小于6h時，復合閾值要低，當降雨持續(xù)時間在6h~48h之間時，復合閾值要高，當降雨持續(xù)時間超過48h時，又低了。這是閾值曲線不同形狀造成的；Crosta和Frattini（2001）的是雙曲線，復合閾值是冪定律?？傊瑢τ诖蟛糠值慕涤瓿掷m(xù)時間，新的單一閾值和復合閾值要比其它已公布的全球閾值低或者明顯低。差別要歸因于本次研究使用的是降雨事件的大型數(shù)據(jù)庫。通過文獻檢索收集到的大量ID降雨數(shù)據(jù)比以前用的數(shù)據(jù)集更具典型性和代表性，但是不可避免的使數(shù)據(jù)又增加了噪音（即離群值）。用無偏方法采用貝葉斯定理推斷技術處理離群值，這樣就顧及到了離群值無偏的新閾值。（三）氣候的細分閾值為了進一步調(diào)查不同氣候環(huán)境下淺層滑坡和泥石流的降雨ID持續(xù)時間控制，我們用氣候子集來分離降雨ID數(shù)據(jù)，推斷六種不同氣候（濕潤的亞熱帶氣候和高原氣候兩大類，見表2）下可能發(fā)生淺層斜坡失穩(wěn)的最小ID閾值。對于列出的降雨事件（降雨持續(xù)時間至少在2個數(shù)量級），根據(jù)降雨事件的數(shù)量（至少200起）和降雨持續(xù)時間的范圍來選擇氣候。推斷每種氣候下的單一ID閾值和復合ID閾值。簡單起見，只對從原始ID降雨數(shù)據(jù)中獲得的單一閾值進行討論。推斷出的最小閾值顯示出了相似的趨勢，即隨著降雨持續(xù)時間的增加而下降。冪定律閾值曲線的斜率在β=?0.66（Cfb）和β=?0.41（Csb）之間變化，衡量了不同氣候下，降雨強度和降雨持續(xù)時間對于淺層斜坡失穩(wěn)的相對重要性。與稍緩的閾值曲線（Csa，Csb）相比，降雨持續(xù)時間對較陡的閾值曲線（如Cfb，H）更重要。在中緯度氣候區(qū)，對于滑坡的觸發(fā)，降雨強度比降雨持續(xù)時間更重要，然而在高山區(qū)（H）和溫和的西海岸海洋氣候區(qū)（Cfb），對于淺層斜坡失穩(wěn)的發(fā)生，持續(xù)時間比強度更重要。對于相同的短期降雨（D<24h），在山地氣候（H）或者溫和的西海岸海洋氣候（Cfb）下，引發(fā)滑坡所需的降雨強度要比涼爽的地中海氣候（Csb）或者溫暖的地中海氣候（Csa）區(qū)高。對于非常長的降雨期（D>80h），山地氣候下引發(fā)滑坡發(fā)生所需的平均降雨強度要低于地中海氣候區(qū)所需的強度。觀測到的這種差別應當歸因于典型的氣象條件（導致了不同氣候區(qū)可能觸發(fā)淺層滑坡和泥石流的特有的降雨類型）和局部的地形特征（包括土壤類型、性質(zhì)、植被覆蓋的范圍和斜坡形態(tài)）。由于氣候、氣象、形態(tài)（包括滑坡）、土壤類型和植被之間復雜的相互作用和反饋效應，因此要分離出氣候在引發(fā)淺層斜坡失穩(wěn)中的作用是很困難的。不同氣候下的冪定律閾值曲線在形狀和標度上的差別表明，對于淺層滑坡和泥石流的發(fā)生，在定義單一最小全球閾值時存在固有的不確定性。使用全球閾值時應當考慮這一點。七、新的全球ID閾值的使用全球各大洲每年都會發(fā)生滑坡，造成極大的破壞和生命財產(chǎn)損失（Brabb和Harrod，1989；Guzzetti，2000）。滑坡起動的經(jīng)驗降雨閾值有助于減輕滑坡風險（Guzzetti，1998；Aleotti，2004；Wieczorek和Glade，2005）。在局部或區(qū)域降雨閾值已經(jīng)確定的地方，假若有降雨測量或者定量的降水預報可用，則可以用閾值來預測該地區(qū)斜坡失穩(wěn)的發(fā)生?；诰植拷?jīng)驗降雨閾值和系統(tǒng)化的降雨測量或者預報的滑坡預警系統(tǒng)，正在或者已經(jīng)在運作，如中國香港地區(qū)（Premchitt等，1994），舊金山海灣地區(qū)（Keefer等，1987），巴西里約熱內(nèi)盧（D’Orsi等，1997），日本長崎（Iwamoto，1990），牙買加（Ahmad，2003），意大利皮德蒙特高原地區(qū)（Aleotti，2004）以及美國西雅圖地區(qū)（Chleborad，2003；Godt等，2006）。在最近一次對滑坡可能發(fā)生的降雨閾值的文獻回顧中，Guzzetti等（2007）就降雨導致的滑坡預報，列出了124個降雨閾值，包括52個ID閾值和19個標準化的ID閾值。所列出的大部分閾值都是區(qū)域閾值（62個）或者局部閾值（53個），只有少數(shù)曾經(jīng)用于或還在用于運行的滑坡預警系統(tǒng)中。單個滑坡預警系統(tǒng)覆蓋的面積在幾十