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雪崩到底有多可怕?如何应对积雪雪崩?

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发表于 2018-11-2 08:17:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源:科学大院
  玄奘法师的《大唐西域记》卷一中道:“山谷积雪,春夏含冻,由此路着,不得赭衣持瓠大叫。微有违犯,灾祸立见”,这是玄奘途径天山地区结木扎特河谷的一段见闻。祸从何来? 古人以为惊扰沉睡的天神以致天神盛怒而降祸于此,实际上,就是让高寒山区的人们谈而色变、号称“白色妖魔”的雪崩作祟。
  雪崩有多可怕?
  雪崩是一种常发生于积雪覆盖山区的自然现象,它是山坡大量积雪为重力驱动倾泻而下形成的,具有很强的突发性和破坏性。大部分人或许从未涉足于雪山之中,即使进入雪山也很少会直面雪崩,因此很难感受它的气息。当然,从典籍和影视作品中,我们依然可以感受它那令人窒息的强大威力。
  相关资料记载,1970年秘鲁的大雪崩在不到3分钟时间里飞奔了14.5公里路程,速度达到每秒平均近90米。要知道,十二级台风的风速也不过每秒32.5米。可以想象,当雪崩奔腾而下时,将产生犹如原子弹爆炸一样的强大冲击波,山崩地裂、万物消匿。秒速为40~50米的雪崩能使受冲击物体表面每平方米承受大约40~50吨的力量,足以使沿途树木、房屋等瞬间变成碎片。图1显示的就是积雪正以时速80公里的速度狂泻而下。


图1 雪崩狂泄而下 图/英国《每日邮报》
  新疆的阿勒泰山、天山和昆仑山地区的交通和公共设施均受到雪崩的严重威胁。每年冬季和春季,贯通新疆南北的G217和贯通新疆东西的G218这两条经济命脉时常因雪崩导致交通中断。地处喀喇昆仑山的中巴公路,由于雪崩灾害导致每年只有5月到11月才能保持正常通行。此外,与新疆诸山脉相连通的帕米尔高原西侧地区也饱受雪崩带来的切肤之痛。
  据报道,2012年4月7日,巴基斯坦发生严重雪崩,导致135人被埋。2015年3月初,阿富汗地区连续发生大规模雪崩,造成至少300人死亡,联合国宣布为雪崩罹难者哀悼三日。2017年2月6日,阿富汗再次遭遇严重的雪崩灾害,由区域强降雪诱发的雪崩导致该国交通网络瘫痪,使受到雪崩袭击的人们无法得到及时救援,最终造成超过200人死亡,其中在努尔斯坦省的一个村子被雪崩掩埋导致最少50人死亡。2017年2月18日,哈萨克斯坦南部发生的雪崩又造成23人遇难。
  新疆地区是“丝绸之路经济带”的核心区域之一,巴基斯坦、阿富汗以及哈萨克斯坦等中亚国家也均为“丝绸之路经济带”倡议中的重要枢纽,由此可见,雪崩灾害严重阻碍了新疆经济可持续发展,并对“丝绸之路经济带”的建设和可持续发展产生明显负面影响。


图2 雪崩阻断G218并阻挡行驶车辆和人群

图3 G217工程车辆清理雪崩发生后沉积于道路的积雪
  导致新疆雪崩的两大主因
  在科技部科技基础资源调查专项课题“中国典型积雪区积雪特性地面调查”以及中国科学院科技服务网络计划项目“中巴经济走廊自然灾害风险评估与减灾对策”的支持下,中国科学院新疆生态与地理研究所李兰海研究员团队完成了中天山环线的积雪特性及分布调查和对中巴经济走廊的雪崩灾害评估。
  结果发现,我国天山西部地区的雪崩多发生在坡度28°~45°的积雪山区,其中48%的雪崩发生在坡度36°~40°的地区。导致雪崩的外界因素有很多,降雪、地震、大风、温度剧增,甚至是汽车鸣笛、动物踩踏、滚石等都有可能导致灾害发生。研究认为,诱发雪崩的两大主因是强降雪天气和气温剧升过程,49%的雪崩由强降雪诱发形成,27%的雪崩由春季温度剧升引起的,剩下24%的雪崩由地震、大风等其他因素诱发而成。当72小时内降雪量超过20.4mm(新雪积累厚度超过大约32cm)该区域就有可能诱发大规模雪崩。温度升高引起的雪崩主要发生在2月下旬到3月下旬,雪崩发生日的日平均温度为0.5℃左右,同时发生日的前三天内温度通常持续增加。
  从11月到翌年2月低,温度逐渐下降,雪深逐渐增加,这导致积雪自身的压实,积雪本身力学强度也呈现递增态势。进入3月份后气温回升,表面积雪开始融化成水并下渗,自由水会导致积雪原有致密结构解体,从而降低积雪本身的力学强度。也就是说,积雪也具有生命周期,经历稚嫩的少年、强壮的中年、松散的老年,中年期积雪最稳定,在少年和老年期容易受外界因素干扰。天山西部地区的强降雪主要集中在12月到翌年1月,温度剧升主要发生在3月份。这两个时间段积雪的力学强度相对较弱,使得大规模雪崩发生的频率呈现高-低-高的双峰状。第一个峰值出现在12月下旬,第二个波峰出现3月上旬。波谷则出现在2月初,该时间段雪崩发生的次数最小。这也就意味着在12月下旬和3月上旬需要重点防范雪崩的发生。


图4 G218在2011-2016年雪崩发生相对频率分布图
  雪崩的类型
  雪崩的释放过程通常经历三个阶段:首先,在一定的积雪条件下,外界因素导致部分雪层剪切断裂、错位,让脆弱的积雪出现了小伤痕;然后,这种小伤痕会“感染”周边的雪层,伤痕逐渐扩大,使得周围雪层也发生错位;最后,山坡上的积雪犹如多米诺骨牌一样不断塌裂,在平静的山坡上形成一块伤疤,伤疤最终脱落,雪崩也倾泻而下。
  雪崩类型根据积雪的物理特性和雪层的断裂位置而定。根据积雪的含水量,可将雪崩分为干雪崩和湿雪崩。
  当积雪含水率小于1%时,一般认为发生的是干雪崩。干雪崩发生时,由于积雪黏性较低,大量积雪颗粒在运动中互相碰撞,从而悬浮在空气当中形成白色烟雾。因此,许多干雪崩发生时,伴随着白色的滚滚浓烟。高速的烟雾会压缩周围的空气,形成冲击力强大气浪,对树木、房屋、公路基础设施造成严重破坏。当气浪的杀伤过后,真正的雪崩才尾随而来,狂雪携带大量的枯木、碎石扑天盖地而来。雪崩过后,恢复平静,但放眼望去满目狼藉。这类雪崩产生的沉积雪为粉末状,密度在0.15~0.30g/cm3,雪晶体粒径为0.5~3mm。


图5 气浪吹弯的树木

图6 雪崩发生后的残骸
  随着温度升高,积雪融化,融雪水会入渗到雪层中,使得雪层含水量增加。入渗的融雪水往往又容易再结冻成冰晶,改变积雪内部颗粒形状。当含水率超过1%时,一般认为发生的是湿雪崩。湿雪崩主要发生在温度升高阶段,高温诱发积雪表面局部产生坍塌,坍塌的积雪沿着斜坡滑落,速度不断加快,沿途携卷积雪逐渐形成雪球。因此,在雪崩发生前,往往在山坡上会出现大量的滚雪球。最终,积聚的大量滚雪球打破雪面的平静下滑,从而引起雪崩。在下滑过程中,雪球的体积不断增加,还会携带地表融化的泥土,以至于形成的块状雪崩沉积雪呈现多层构造,表层为土黄褐色,而内部为白色。湿雪崩的块状沉积雪是雪与冰晶、泥土的混合体,平均直径为20~30cm,白色内层的直径为5~10cm,密度为0.45~0.60g/cm3。湿雪崩由于含水率较高、密度较大、沿途夹带泥土岩石等,破坏性高于干雪崩。过往车辆一旦遭遇,会产生致命后果。


图7 2017年G218国道同一地点冬季发生的干雪崩和春季发生的湿雪崩
  根据雪崩的雪层断裂位置,还可将雪崩分为全层雪崩和表层雪崩。
  全层雪崩的滑动面为地面,这种雪崩发生前底部积雪受到剪切破坏,一般由表层积雪融水下渗、降雨、地热融化底部积雪等诱发形成。表层雪崩则指雪崩发生时积雪面之间出现相对滑动。山区的厚厚积雪其实不是铁板一块,而是由好多层性质不同的雪层构成。由于积雪自身的发育和压实作用,往往在积雪中部会形成容易在外力作用下“受伤”的脆弱层。当在风、降雪等诱动下,脆弱层首先断裂,导致上层积雪坍塌产生连锁反应引起雪崩。在一个积雪周期内,由于气温和地温的作用,积雪由干雪状态演变成湿雪状态,积雪内部结构也发生连续变化,导致首先发生的往往是全层干雪崩;随着时间的推移,依次出现表层干雪崩、表层湿雪崩和全层湿雪崩。
  如何应对积雪雪崩
  区域雪崩威胁着我们的交通要道,大肆破坏基础设施。尤其目前人类活动也逐渐向山区扩展,防治雪崩灾害迫在眉睫。目前,我们结合卫星遥感技术和人工勘测,确定区域的雪崩频发点和雪崩灾害严重地区,为公路、铁路和其他基础设施的选线和建设提供参考从而规避雪崩严重地区。对于无法规避的雪崩受灾点,我们通过建设防雪崩栏、导雪槽等工程设施尽量减少雪崩带来的破坏和影响。


图8 雪崩预警系统示意图
  在实际情况中,有些山区公路许多路段会暴露在雪崩频发点之下,因此对雪崩发生的提前预警不失为减少雪崩伤害的一种有效的方法。目前,基于雪崩发生物理机理的预警系统也正在走向应用,在未来可让人们提早预防雪崩的发生。中国科学院正在积极构建一套基于卫星遥感监测、地面积雪观测和雪崩预警模型模拟的立体化雪崩预警和监测系统,为我国新疆地区和中亚地区的雪崩灾害防治提供有效和可靠的技术力量。
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