基于灰色關(guān)聯(lián)度的氣象因子與雪災(zāi)災(zāi)情相關(guān)性分析

楊征　胡卓瑋　王志恒

摘要對錫林郭勒盟地區(qū)1960～2000年典型的雪災(zāi)年和非雪災(zāi)年的災(zāi)情資料進(jìn)行分析，通過對每次的牧區(qū)雪災(zāi)災(zāi)害賦值得到了災(zāi)情指數(shù)，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法定量分析了牧區(qū)積雪深度、積雪時間、氣溫3個氣象因子與雪災(zāi)災(zāi)情的相關(guān)性。結(jié)果表明，研究區(qū)氣象因子與雪災(zāi)災(zāi)情的關(guān)聯(lián)程度從高到低依次為積雪深度、積雪時間和氣溫。

關(guān)鍵詞雪災(zāi)；灰色關(guān)聯(lián)度；氣象因子；錫林郭勒盟

中圖分類號S427文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）07-099-05

The Correlation Analysis between Meteorological Factors and Snow Disaster Based on Gray Correlation Method

YANG Zheng1， HU Zhuo-wei2， 3， 4， WANG Zhi-heng2， 3， 4

（1. Information Center of Ministry of Land and Resources of Peoples Republic of China， Beijing 100812； 2.College of Resources Environment and Tourism， Capital Normal University， Beijing 100048； 3. Beijing Municipal Key Laboratory of Resources Environment and GIS， Beijing 100048； 4. Laboratory of 3D Information Acquisition and Application， MOST， Beijing 100048）

AbstractThe data of typical snow disaster year and non snow disaster year in Xilin Gol League during 1960-2000 was analyzed. The disaster index was obtained. Grey correlation method was adopted to quantitively analyze relationship between snow depth， time， temperature and snow disaster. The results showed that the order of correlation between meteorological factors and snow disaster is as following： snow depth>time>temperature.

Key wordsSnow disaster； Gray correlation； Meteorological factor； Xilin Gol League

雪災(zāi)是我國冬春季節(jié)最主要的自然災(zāi)害[1-2]，在我國西部牧區(qū)經(jīng)常發(fā)生，尤其是內(nèi)蒙古、新疆、青海和西藏等地的牧區(qū)幾乎每年都會發(fā)生，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，給我國的畜牧業(yè)造成重大危害[3-5]。深入分析和研究雪災(zāi)災(zāi)害，實時得到牧區(qū)雪災(zāi)臨災(zāi)和發(fā)災(zāi)時的災(zāi)害范圍和災(zāi)害強(qiáng)度，做好充分的防災(zāi)減災(zāi)和救災(zāi)的準(zhǔn)備，最大程度地減輕雪災(zāi)的損失，對牧區(qū)的發(fā)展和牧民生活的保障具有十分重要的現(xiàn)實意義。

為此，筆者在分析內(nèi)蒙古錫林郭勒盟多年雪災(zāi)氣象資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法定量分析了研究區(qū)內(nèi)典型氣象因素（積雪深度、積雪時間和氣溫）與雪災(zāi)災(zāi)情的相關(guān)性，旨在為建立錫林郭勒盟地區(qū)雪災(zāi)危險性評價指標(biāo)體系提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

錫林郭勒盟地處115°13′～117°06′ E，43°02′～44°52′ N，位于我國的正北方，內(nèi)蒙古自治區(qū)的中部，駐地錫林浩特市。該區(qū)既是國家重要的畜產(chǎn)品基地，又是西部大開發(fā)的前沿，是距京、津、唐等地最近的草原牧區(qū)，屬北部溫帶大陸性氣候，其行政區(qū)劃見圖1。研究區(qū)主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是風(fēng)大、干旱、寒冷。年平均氣溫0～3 ℃，結(jié)冰期長達(dá)5個月，寒冷期長達(dá)7個月，1月氣溫最低，平均氣溫-20 ℃，是華北地區(qū)最冷的地區(qū)之一。

圖1錫林郭勒盟位置及行政區(qū)劃

1.2數(shù)據(jù)來源

該研究所用的氣象數(shù)據(jù)為內(nèi)蒙古各氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，共18個氣象站點(diǎn)，包含錫林郭勒盟15個站點(diǎn)以及距離錫林郭勒盟較近的3個站點(diǎn)，研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布見圖2。

圖2研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布

1.3灰色關(guān)聯(lián)分析基本原理

灰色關(guān)聯(lián)分析方法是用灰色關(guān)聯(lián)度的順序來表達(dá)各個序列之間主次關(guān)系的方法。它的基本思想是：以因素的數(shù)據(jù)序列為依據(jù)，對比分析各個序列之間的幾何關(guān)系，若序列曲線的幾何形狀越接近，則它們之間的灰色關(guān)聯(lián)度越大，反之越小。

灰色關(guān)聯(lián)分析在一定程度上體現(xiàn)了指標(biāo)的動態(tài)變化特征。由于灰色關(guān)聯(lián)分析是按事物的發(fā)展趨勢所作的分析，所以對樣本量的多少并沒有過多要求，也不需要典型的分布規(guī)律，而且計算量較小，其結(jié)果與定性分析結(jié)果較吻合，因此，灰色關(guān)聯(lián)分析是一種比較實用和可靠的分析方法[6-7]。

設(shè)參考序列為：

X0（tk）={X0（t1），X0（t2），…，X0（tn）}，k=1，2，3，…，n（1）

式中，n為評估指標(biāo)的個數(shù)。

比較序列為：

Xj（tk）={Xj（t1），Xj（t2），…，Xj（tn）}，j=1，2，3，…，m（2）

式中，j為評估指標(biāo)的個數(shù)。

設(shè)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為ξ0，j（tk），則：

ξ0 j（tk）=Δmin+ξΔmaxΔ0 j（tk）+ξΔmax（3）

式中，Δmin為X0和Xj各指標(biāo)的最小絕對差值；Δmax為X0和Xj各指標(biāo)的最大絕對差值；Δ0 j（tk）為指標(biāo)tk時X0和Xj的絕對差值。即：

Δ0 j（tk）=|X0（tk）-Xj（tk）|，k=1，2，…，n；j=1，2，…，m（4）

式（3）中ξ為分辨率系數(shù)，是一個預(yù)先給定的常數(shù)，取ξ≤0.5?；疑P(guān)聯(lián)度，即評估模型為：

γ0 j=1nnj=1ξ0 j（tk）（5）

2結(jié)果與分析

2.1錫林郭勒盟雪災(zāi)歷史案例統(tǒng)計在建立雪災(zāi)災(zāi)情資料庫的基礎(chǔ)上，確定研究區(qū)雪災(zāi)災(zāi)情指數(shù)。

2.1.1雪災(zāi)災(zāi)情資料庫建立。

根據(jù)《中國氣象災(zāi)害大典·內(nèi)蒙古卷》、《內(nèi)蒙古自然災(zāi)害通志》等資料，記載了1960～2000年的歷次雪災(zāi)的發(fā)災(zāi)時間、發(fā)災(zāi)范圍、受災(zāi)人口和損失牲畜等災(zāi)情描述信息以及部分年份的部分地區(qū)或內(nèi)蒙古自治區(qū)全區(qū)的損失情況，包括經(jīng)濟(jì)損失的估算，但不是每次雪災(zāi)都有關(guān)于研究區(qū)損失大小的明確統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此，需將每一次關(guān)于研究區(qū)的災(zāi)情描述資料進(jìn)行整理，建立研究區(qū)雪災(zāi)災(zāi)情資料庫。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

2.1.2雪災(zāi)災(zāi)情指數(shù)確定。

在統(tǒng)計資料中，有些年份記載有明確的雪災(zāi)發(fā)生時間、地點(diǎn)和具體損失等情況描述，而有些年份的災(zāi)害案例的具體損失情況未給出，只有一些關(guān)于災(zāi)害損失的描述，所以在進(jìn)行歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，需為每一次災(zāi)害的災(zāi)情賦予一個定量的值，但由于歷史災(zāi)情的相關(guān)資料很少有直接為雪災(zāi)災(zāi)情大小給予定量的描述，所以該研究中定量值按照受災(zāi)牲畜的情況以及相關(guān)描述來進(jìn)行賦值。

災(zāi)情指數(shù)取值范圍在0～10，其中0代表災(zāi)情資料記載中的相應(yīng)年份沒有雪災(zāi)或有輕度的雪災(zāi)危險；10代表雪災(zāi)災(zāi)情非常嚴(yán)重；其他值則介于兩者之間，值越大代表災(zāi)情越嚴(yán)重。需要說明的是，該研究中的賦值方法帶有一定的主觀性，但由于缺少定量的災(zāi)情描述，選用該方法進(jìn)行研究，也可在一定程度上反映災(zāi)害損失的相對程度。

通過對1960～2000年典型的雪災(zāi)年或非雪災(zāi)年錫林郭勒盟地區(qū)的災(zāi)情進(jìn)行賦值，得到的災(zāi)情指數(shù)變化序列（圖3）。

圖3研究區(qū)1960～2000年災(zāi)情指數(shù)分布

2.2氣象因子與雪災(zāi)災(zāi)情的灰色關(guān)聯(lián)分析

牧區(qū)雪災(zāi)是指由于積雪過厚、維持時間長，掩埋牧草，使牲畜無法采食，大量牲畜掉膘死亡的災(zāi)害[8-10]。選取積雪深度、積雪持續(xù)時間、氣溫3個影響雪災(zāi)發(fā)生的重要?dú)庀笠蛩兀瑧?yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法分析雪災(zāi)災(zāi)情與上述3類氣象因素的相關(guān)性，為研究區(qū)雪災(zāi)危險性參評因子的確定提供依據(jù)。

2.2.1積雪深度與雪災(zāi)災(zāi)情損失關(guān)聯(lián)分析。

積雪深度的大小是影響雪災(zāi)災(zāi)害最主要的因素，根據(jù)對雪災(zāi)成災(zāi)機(jī)制的分析，雪災(zāi)是因為積雪過深掩埋牧草從而使牲畜無法采食而形成的，因此，先對積雪深度與雪災(zāi)災(zāi)情進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

通過對研究區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)1960～2000年典型的雪災(zāi)年或非雪災(zāi)年的最大積雪深度的提取，得到每個站點(diǎn)的積雪深度見圖4。在不同年份各個站點(diǎn)的積雪深度雖然有所不同，但在不同年份之間的大小變化趨勢卻很相近，而積雪深度最大的幾個時間段分別出現(xiàn)在1977年、20世紀(jì)80年代中期、1993～1994年以及2000年。多數(shù)年份各站點(diǎn)的最大積雪深度值都在10～20 cm，站點(diǎn)的地理位置越偏北，積雪深度的值越高，如在錫林郭勒盟的最北部靠近阿爾山站點(diǎn)，最大積雪深度值要比其他站點(diǎn)高。

為方便研究，需確定一個積雪深度的序列與災(zāi)情序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，還需對各個站點(diǎn)的最大積雪深度的值進(jìn)行處理，通過對每一年各站點(diǎn)積雪深度值求平均，得到各年份的積雪深度的平均值，其時間序列見圖5。由于在各個年份中積雪深度的變化序列的趨勢相近，所以不同年份的積雪深度的平均值可反映該年份研究區(qū)整體的積雪深度的情況。研究區(qū)平均積雪深度的最大值出現(xiàn)在1977年，達(dá)到17.50 cm，最小值出現(xiàn)在1969年，為4.76 cm。

先對積雪深度和災(zāi)情指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對積雪深度序列與賦值后的災(zāi)情序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。由表1可知，在災(zāi)情統(tǒng)計中1977年是最為嚴(yán)重的雪災(zāi)年，在20世紀(jì)80年代后期和90年代初以及2000年前后也出現(xiàn)了積雪深度的幾個高值區(qū)，而資料記載的以上時段也有相應(yīng)的災(zāi)害發(fā)生，在進(jìn)行分析后的關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.659 7。

圖4研究區(qū)1960～2000年各氣象站點(diǎn)雪深分布

圖5研究區(qū)1960～2000年平均積雪深度分布

43卷7期

楊 征等基于灰色關(guān)聯(lián)度的氣象因子與雪災(zāi)災(zāi)情相關(guān)性分析

表1積雪深度與災(zāi)情灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

2.2.2積雪持續(xù)時間與災(zāi)情損失關(guān)聯(lián)分析。

積雪持續(xù)時間是影響雪災(zāi)災(zāi)害的重要?dú)庀笠蛩刂?，在雪?zāi)成災(zāi)機(jī)制分析中積雪掩埋牧草導(dǎo)致牲畜無法采食，而積雪持續(xù)時間越長，雪災(zāi)的危險性越大。對研究區(qū)各站點(diǎn)1960～2000年典型的雪災(zāi)年或非雪災(zāi)年（共31年）的10月至次年3月的積雪天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計方法是：根據(jù)各站點(diǎn)的10月至次年3月的每一天的積雪深度的記錄資料，如果有記錄且積雪深度大于0，說明該站點(diǎn)在該天為積雪天。由圖6可見，在同一年份，不同站點(diǎn)之間的積雪時間的差別很大，少者不到50 d，多者可達(dá)150 d以上；而同一站點(diǎn)不同年份之間的變化不大，所以變化波動較小。

圖6研究區(qū)各氣象站點(diǎn)積雪時間分布

通過對各年份各站點(diǎn)積雪時間的值求平均，得到各年份的積雪時間的平均值。由圖7可知，積雪時間有幾個高值時間段，分別是20世紀(jì)80年代初、80年代末以及1994～1995年，積雪持續(xù)時間最小值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代末。