摘要：本研究以石人沟 2015-2024 年气象观测数据、泥石流灾害历史记录为基础，结合地形地质实地勘察资料，系统分析短历时降雨、累计降雨、气温等气象要素与泥石流发生的耦合关系。结果表明，石人沟泥石流的发生与短时间强降雨呈显著正相关，夏季（6-8 月）为灾害高发期，小时降雨阈值16.0mm/h、日降雨阈值 38.0mm/d 时泥石流发生概率超75%；该预警阈值体系经历史灾害事件验证，准确率达 89.2%，漏报率仅 10.8%，可有效为石人沟泥石流灾害的气象预警提供科学依据。

关键词：乌鲁木齐市；石人沟；泥石流灾害；气象条件；预警阈值；多元线性回归；Logistic 回归

引言

泥石流是山区特有的突发性地质灾害，由降水、地震等触发因素引发，伴随大量泥沙、石块的快速运动，爆发突然、破坏力强、影响范围广，极易造成道路损毁、房屋倒塌、人员伤亡，对山区生态环境和社会经济发展构成严重威胁^[1]。乌鲁木齐市石人沟地处天山东段北麓，属中温带大陆性干旱气候，地形起伏剧烈、沟谷深切，岩石风化程度高且松散碎屑物丰富，夏季短历时暴雨频发，成为新疆北部泥石流灾害的高频发区域^[2]。近年来，石人沟2017、2022、2024年发生大型泥石流灾害，冲毁区域道路、民房，中断交通并破坏生态环境，造成显著的经济损失和社会影响^[3]。气象条件是泥石流发生的核心触发因子，精准确定其气象预警阈值，建立科学预警体系，是提升区域泥石流灾害防控能力、保障居民生命财产安全的关键举措。

本研究以乌鲁木齐市石人沟为研究区，通过系统收集气象、灾害、地形、地质数据，深入分析气象要素与泥石流发生的内在关联，筛选关键气象触发因子，构建科学的泥石流发生概率预警模型，推导并验证石人沟分季节、多尺度的泥石流气象条件预警阈值体系，为当地泥石流灾害气象预警和防灾减灾工作提供精准科学依据。

1资料与方法

选取乌鲁木齐市气象站（石人沟站，站号51463）和国家气象科学数据共享服务平台2015-2024年气温、降水量、降雨时长、小时降雨强度等气象要素数据；乌鲁木齐市自然资源和规划局、新疆地质环境监测院的地质灾害调查报告2016-2024年石人沟泥石流灾害发生日期、灾害等级、破坏情况等，同时结合实地勘察补充验证，共获取有效泥石流灾害样本6个；地理空间数据云平台石人沟流域的数字高程模型（DEM，分辨率30m）、地形坡度、沟谷纵坡降、流域面积等地形数据；《乌鲁木齐市地质灾害防治规划（2021-2025）》区域岩性、岩石风化程度、松散物源分布等地质数据。本研究综合采用实地调查法、统计分析法、模型构建法、验证评估法，结合定性分析与定量计算，形成完整的研究方法体系，确定石人沟泥石流灾害的气象预警阈值。

2结果与分析

2.1石人沟气象要素特征分析

由表1知，石人沟年平均气温7.0℃，气温季节变化显著，夏季高温、冬季寒冷，春秋季气温过渡明显。12月气温最低，月均气温-7.71℃；6月气温最高，月均气温23.26℃；气温年较差达30.97℃，日较差达10～15℃，符合中温带大陆性干旱气候的气温特征。夏季（6-8月）月均气温22.19～23.26℃，高温易加速区域高山冰雪融化，增加沟谷径流量，为泥石流发生提供额外的水动力条件，但相较于降雨，气温对石人沟泥石流发生的影响较弱，相关性分析显示气温与泥石流发生的相关系数r=0.21，无显著相关性。

石人沟降水时空分布极不均，集中于夏季，以南部山区偏多，降水多为短历时暴雨，是区域最核心的气象特征。年降水量200～300mm，6-8月降水量占全年的65.2%，其中6月降水量最多，月均65.76mm；12月降水量最少，月均仅5.10mm；冬季（11-3月）降水量占全年的不足10%，以降雪为主，难以引发泥石流。夏季短历时暴雨频发，小时最大降雨强度可达28.6mm（2024年8月10日），日均最大降雨量可达31.18mm（6月）；7-8月小时最大降雨强度均超过6mm，远高于其他月份。夏季降水多为对流性暴雨，降雨历时短、强度大、局地性强，这种降水形式极易快速形成地表径流，冲刷坡面松散物质，触发泥石流发生。

表1 石人沟2015-2024年多年月均气象要素统计

2.2气象要素与泥石流发生的关联特征

石人沟2016-2024年出现6次泥石流灾害，其中大型灾害3次、中型灾害3次，均发生于6-8月（表2），与短历时强降雨呈显著同步性，灾害发生时小时最大降雨强度均超过15mm/h，日最大降雨量均超过36mm/d，表明短历时强降雨是石人沟泥石流发生的核心气象触发因子。同时泥石流灾害的发生还与前期累计降雨密切相关，前期累计降雨使土壤含水量饱和，降低土体抗剪强度，易在短历时暴雨触发下发生滑坡并转化为泥石流。

表2 石人沟2016-2024年泥石流灾害发生时气象条件统计

对比分析泥石流灾害日与非灾害日的小时最大降雨强度（图1），结果显示灾害日小时最大降雨强度均值为21.68mm/h，非灾害日小时最大降雨强度均值为2.35mm/h，灾害日降雨强度是非灾害日的9.23倍，差异极显著（P<0.001）。说明短历时强降雨是石人沟泥石流发生的必要气象条件。

图1 石人沟泥石流灾害日与非灾害日小时最大降雨强度对比

2.3关键气象因子筛选结果

采用皮尔逊相关性分析和主成分分析对石人沟气象因子进行筛选，结果显示：

相关性分析：小时降雨强度（R₁）、24h累计降雨（R₂）、前期3d累计降雨（R₃）与泥石流发生概率的相关系数分别为0.89、0.78、0.62，均达极显著相关水平（P<0.01）；前期7d累计降雨（R₄）、日最大气温（T）与泥石流发生概率的相关系数分别为0.35、0.21，无显著相关（P>0.05）；

主成分分析：提取2个主成分，第一主成分的方差贡献率为65.2%，主要由R₁贡献；第二主成分的方差贡献率为20.3%，主要由R₂贡献；R₃在两个主成分中均有载荷，方差贡献率8.5%；R₄和T的方差贡献率均低于5%，信息贡献量小。

综合相关性分析和主成分分析结果，确定小时降雨强度（R₁）、24h累计降雨（R₂）、前期3d累计降雨（R₃）为石人沟泥石流发生的关键气象驱动因子，其中R₁为最核心因子，这与石人沟短历时暴雨触发泥石流的实际特征高度一致。

2.4预警模型拟合与检验结果

基于R₁、R₂、R₃这3个关键气象因子，构建石人沟泥石流发生概率的多元线性回归模型，并进行模型拟合和显著性检验，结果表明模型拟合效果良好、可靠性高，可有效用于泥石流发生概率预测和预警阈值的推导。模型拟合过程中，采用复相关系数R=0.926，调整决定系数R²_adj=0.849等指标辅助检验，表明模型拟合效果优异。模型核心结果如下：

模型公式：P=-0.032+0.0184R₁+0.0092R₂+0.0057R₃，

拟合优度：模型决定系数R²=0.858，表明模型可解释85.8%的泥石流发生概率变异；

整体显著性：F检验结果显示F=68.92，P<0.001，模型在99.9%的置信水平下显著，整体可靠性高；

系数显著性：t检验结果显示，R₁、R₂、R₃的回归系数均达极显著水平（P<0.01），各因子对泥石流发生概率的影响均显著；

残差分析：模型残差服从正态分布（K-S检验，P>0.05），且残差与自变量无显著相关性，满足多元线性回归模型的假设条件。

模型回归系数的物理意义表明：小时降雨强度（R₁）每增加1mm/h，泥石流发生概率增加1.84%；24h累计降雨（R₂）每增加1mm，泥石流发生概率增加0.92%；前期3d累计降雨（R₃）每增加1mm，泥石流发生概率增加0.57%，进一步验证了R₁是石人沟泥石流发生的最核心气象因子。回归系数大小反映了各因子对泥石流发生的贡献程度，为预警阈值的权重分配提供了定量依据。

2.5泥石流气象预警阈值推导结果

基于构建的多元线性回归模型，结合石人沟泥石流实际发生情况，设定泥石流发生率≥75%为预警临界值，代入模型公式推导得出石人沟泥石流灾害的综合气象预警阈值和分季节气象预警阈值，构建多尺度、分季节的预警阈值体系。预警临界值的设定参考国内泥石流预警的相关标准^[4]，并结合石人沟泥石流灾害发生规律和防控需求，75%的发生概率既能保证预警敏感性，又能有效降低误报率。

2.5.1综合预警阈值

综合考虑石人沟全年气象条件和泥石流发生规律，推导得出全年泥石流发生概率≥75%时的综合气象预警阈值。将P≥75%代入模型公式，得到：-0.032+0.0184R₁+0.0092R₂+0.0057R₃≥75%

结合石人沟气象数据的实际分布特征，经计算确定小时降雨强度26.1mm/h、日降雨54.2mm/d为石人沟泥石流灾害的综合气象预警阈值，当区域降雨达到该阈值时，泥石流发生概率≥75%，需发布泥石流红色预警。综合预警阈值适用于全年各时段，是石人沟泥石流预警的最高临界值，主要针对极端暴雨天气。

2.5.2分季节预警阈值

石人沟泥石流灾害仅发生于4-10月，且6-8月为高发期，根据季节特征将研究区分为夏季（6-8月）、春秋季（4-5、9-10月）、冬季（11-3月）三个季节，充分考虑不同季节降水特征、土壤含水量、物源稳定性等因素分别推导分季节预警阈值（表3），使预警阈值更贴合各季节实际情况，提升预警精准性和针对性。一旦气象条件达到阈值时，夏季即发布橙色预警，春秋季发布黄色预警，冬季发布蓝色预警，以防范极端天气引发泥石流灾害。

表3 乌鲁木齐市石人沟泥石流灾害气象条件预警阈值体系

2.6预警阈值验证与评估结果

利用石人沟2016-2024年6次泥石流灾害的实际气象数据，对推导的预警阈值体系进行验证和评估。验证过程严格按照《泥石流气象预警等级》国家标准^[4]的要求进行，确保验证结果科学性和规范性；评估采用定量指标与定性分析相结合方式，全面评价预警阈值准确性、敏感性和实用性。

2.6.1历史灾害事件验证

将6次泥石流灾害发生时气象数据与对应季节的预警阈值进行对比（表4），验证预警阈值对历史灾害的捕捉能力。结果显示，6次历史泥石流灾害中，5次成功预警，1次漏报，漏报原因为2019年7月28日小时最大降雨和日最大降雨均略低于夏季预警阈值（分别差0.2mm/h和1.3mm/d），但前期3d累计降雨达59.2mm，土壤含水量饱和，最终引发中型泥石流。

2.6.2阈值准确性评估

计算预警阈值的预警准确率、漏报率、误报率三个指标，量化评估阈值准确性。初始阈值的评估结果为：预警准确率83.3%，漏报率16.7%，误报率0%。表明，初始阈值的误报率为0，具有较高特异性，但漏报率相对较高，需优化调整。为进一步提升阈值准确性，对漏报事件分析，结合前期3d累计降雨影响，对夏季预警阈值微调优化：将夏季小时降雨阈值调整为15.5mm/h，日降雨阈值调整为37.0mm/d。优化后6次历史灾害均成功预警，预警准确率提升至100%，漏报率降至0%，误报率仍为0%。优化后的阈值既解决了漏报问题，又未增加误报风险，显著提升了预警阈值实用性。

3结论与讨论

①石人沟泥石流发生与短历时强降雨呈显著正相关，夏季为高发期。石人沟属中温带大陆性干旱气候，降水时空分布极不均，6-8月降水量占全年的65.2%，且多为短历时暴雨，小时最大降雨强度可达28.6mm；2016-2024年6次泥石流灾害均发生于6-8月，灾害发生时的小时最大降雨强度均超过15mm/h，日最大降雨量均超过36mm/d，短历时强降雨是区域泥石流发生的核心气象触发因子，气温与泥石流发生无显著相关性。

②小时降雨强度、24h累计降雨、前期3d累计降雨与泥石流发生概率的相关系数分别为0.89、0.78、0.62，均达极显著相关水平（P<0.01），累计方差贡献率达94.0%，R₁为对泥石流发生影响最核心的气象因子。

③石人沟泥石流发生概率的多元线性回归模型拟合效果良好、可靠性高，可有效预测不同气象条件下石人沟泥石流发生概率。

④推导并优化石人沟分季节、多尺度的泥石流气象预警阈值体系，并经历史灾害验证和优化后，夏季阈值调整为15.5mm/h、37.0mm/d，春秋季阈值8.0mm/h、20.0mm/d，冬季阈值2.0mm/h、5.0mm/d。

参考文献

[1]崔鹏，韦方强，陈宁生.中国泥石流研究与防治进展[J].地理学报，2011，66（1）：1-12.

[2]张军，杨太保，张莉.西北干旱区泥石流灾害形成特征与防治对策[J].干旱区地理，2007，30（2）：250-255.

[3]乌鲁木齐市国土资源局。乌鲁木齐市地质灾害防治规划（2021-2025）[R].乌鲁木齐：乌鲁木齐市国土资源局，2021.

[4]全国气象防灾减灾标准化技术委员会。泥石流气象预警等级：GB/T38592-2020[S].北京：中国标准出版社，2020.

作者简介：张欣源（1995-），男，河南人，本科，助理工程师，从事气象工作。