基于敏感因子的河南省小麥干熱風(fēng)風(fēng)險區(qū)劃分析

張金平， 李香顏

(1.中國氣象局·河南氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，河南鄭州 450003； 2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；3.河南省新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng) 453003)

河南省是小麥主要生產(chǎn)基地，小麥種植面積占全國的10%，總產(chǎn)量占全國的25%左右。近年來，隨著中國小麥生產(chǎn)格局的演變，小麥生產(chǎn)更加集中，河南在小麥生產(chǎn)的重要性更加突出[1]。但是在全球氣候變化的大背景下，氣候變化也導(dǎo)致我國糧食主產(chǎn)區(qū)氣候事件頻發(fā)，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生物災(zāi)害與農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害形成與發(fā)展[2]，尤其是旱、澇、風(fēng)、雹、霜凍等高影響農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生頻度和強度都有上升趨勢，對河南省小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)帶來威脅[3]。其中干熱風(fēng)災(zāi)害是發(fā)生在冬小麥灌漿期的高溫、低濕并伴有一定風(fēng)力的天氣，發(fā)生干熱風(fēng)時植株蒸騰加劇，而根系吸水能力有限，導(dǎo)致小麥灌漿不足甚至枯萎死亡，可造成小麥減產(chǎn)5%～10%，嚴(yán)重年份減產(chǎn)可達(dá)20%，是河南省危害小麥生長的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。

建國以來，國內(nèi)外氣象工作者針對干熱風(fēng)開展了大量研究，前期研究內(nèi)容主要是干熱風(fēng)的氣象指標(biāo)和防御措施等，1975年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院委托原華北農(nóng)業(yè)大學(xué)組成的北方麥區(qū)干熱風(fēng)科研協(xié)作組，后中國氣象局又委托甘肅等十幾個省參與研究，對干熱風(fēng)危害的氣象指標(biāo)、生理機制、天氣形勢、氣候特征，以及防御措施效應(yīng)等進(jìn)行了大量的研究[4-10]。進(jìn)入21世紀(jì)，眾多學(xué)者對干熱風(fēng)的研究進(jìn)一步深入，主要針對區(qū)域性干熱風(fēng)的發(fā)生規(guī)律及致災(zāi)機制和預(yù)報預(yù)警[11-13]方面進(jìn)行研究應(yīng)用。劉靜等以寧夏引黃灌區(qū)為例分析了春小麥干熱風(fēng)災(zāi)害的監(jiān)測指標(biāo)和損失評估模型[14]。鄔定榮等對華北地區(qū)近50年干熱風(fēng)發(fā)生時空分布特征進(jìn)行了研究，得出華北大部分區(qū)域干熱風(fēng)日數(shù)呈明顯遞減的趨勢[15]。張志紅等進(jìn)行了連續(xù)2個年度的干熱風(fēng)人工控制試驗數(shù)據(jù)，研究了干熱風(fēng)對冬小麥籽粒灌漿速率和千粒質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，灌漿后期的重度干熱風(fēng)影響最大，其次為灌漿中期的重度和輕度干熱風(fēng)[16-17]。楊霏云等做了華北冬麥區(qū)的風(fēng)險區(qū)劃，得出河北東南部和山東西北部為干熱風(fēng)影響高風(fēng)險區(qū)，而河南南部、山東東部、河北東部為干熱風(fēng)影響低風(fēng)險區(qū)[18]。

河南省作為冬小麥的主要生產(chǎn)基地，針對干熱風(fēng)災(zāi)害的研究也較為廣泛。陳懷亮等對河南省冬小麥干熱風(fēng)發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為河南省的干熱風(fēng)日數(shù)主要呈“南少北多”空間分布特征。并且具有準(zhǔn)6年和準(zhǔn)3年周期的時間特征[19]；成林等對河南省近47年冬小麥干熱風(fēng)災(zāi)害的變化進(jìn)行了分析，得出干熱風(fēng)三要素中14：00時風(fēng)速明顯減小，其他要素變化不明顯[20]。

本研究針對河南省常發(fā)的高溫低濕型干熱風(fēng)災(zāi)害，利用1981—2014年的干熱風(fēng)發(fā)生資料，選取冬小麥的千粒質(zhì)量和相對氣象產(chǎn)量波動等敏感因子對河南省冬小麥干熱風(fēng)發(fā)生的風(fēng)險進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省地處我國中東部中緯度地區(qū)，面積占全國總面積的1.73%，廣袤的土地使得河南省氣候兼有南北之長，屬亞熱帶向暖溫帶過渡地區(qū)，氣候溫和、四季分明、日照充足、雨量適中、全省降水量自南向北遞減，有利于多種動植物生長繁殖。河南省西南部為丘陵山地，東部為平原區(qū)，耕地面積為 726萬hm2，農(nóng)業(yè)有效灌溉面積479萬hm2，優(yōu)良的農(nóng)業(yè)資源使其成為全國重要的農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地。

1.2 資料來源

干熱風(fēng)災(zāi)害主要影響小麥的灌漿進(jìn)程，尤其對正處于灌漿中后期的小麥千粒質(zhì)量影響最大，對小麥抽穗前和蠟熟后影響較小[13]。根據(jù)河南省小麥發(fā)育期進(jìn)程和氣候特點，本研究選取1981—2014年近34年5月5—31日小麥灌漿期間全省121個觀測站的逐日最高溫度、14：00時濕度和風(fēng)速，根據(jù)干熱風(fēng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用統(tǒng)計分析方法篩選出河南省干熱風(fēng)發(fā)生的日數(shù)及區(qū)域。數(shù)據(jù)來源于河南省氣候中心。

干熱風(fēng)災(zāi)害氣象指標(biāo)采用中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(QX/T 82—2007)規(guī)定的相應(yīng)等級[21](表1)。

表1 黃淮海冬麥區(qū)高溫低濕型干熱風(fēng)等級指標(biāo)(揚花灌漿期)

河南省1981—2014年歷年的小麥單產(chǎn)、18地市2010—2014年小麥播種面積和耕地面積，數(shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計年鑒》；千粒質(zhì)量數(shù)據(jù)來自河南省18個農(nóng)業(yè)氣象基本觀測站1981—2010年的觀測數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)來自河南省1 ∶25萬基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。

1.3 指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 干熱風(fēng)風(fēng)險評估指標(biāo)體系 根據(jù)聯(lián)合國人道主義事務(wù)部(1991)[22]的定義，自然災(zāi)害的風(fēng)險度RD由風(fēng)險源的危險度Hh和承災(zāi)體的易損性Vb的乘積表示。

RD=Hh×Vb。

(1)

自然災(zāi)害風(fēng)險源的危險度是氣象災(zāi)害的發(fā)生程度，由風(fēng)險發(fā)生強度和其概率表征。本研究利用干熱風(fēng)的發(fā)生強度和概率2個指標(biāo)建立干熱風(fēng)的危險性指標(biāo)。

承災(zāi)體的易損性Vb由暴露在自然災(zāi)害中的承災(zāi)體的量E和承災(zāi)體的脆弱性Vfragility組成。

Vb=E×Vfragility。

(2)

由于小麥?zhǔn)歉蔁犸L(fēng)的主要影響作物，本研究采用河南省各地市2010—2014年小麥播種面積占全市耕地面積的比例作為暴露性指標(biāo)；干熱風(fēng)主要影響小麥的灌漿速度進(jìn)而影響最終的產(chǎn)量，因此，本研究選用河南省18地市小麥的千粒質(zhì)量和相對氣象產(chǎn)量的綜合因子作為承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)。

本研究主要探討災(zāi)害區(qū)劃的自然屬性，因此暫不考慮防災(zāi)減災(zāi)能力。

根據(jù)以上所選指標(biāo)，建立干熱風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估體系(圖1)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理及方法 數(shù)據(jù)處理及分析采用了Microsoft Excel，SPSS 23.0、VB 6.0來實現(xiàn)，風(fēng)險區(qū)劃制圖采用ArcGIS 10軟件。

1.3.2.1 數(shù)據(jù)歸一化處理 為了消除各個不同量綱對評價指標(biāo)的影響，使數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一數(shù)量級，利用歸一化方法，對所有的評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化處理，其表達(dá)式為：

(3)

式中：x′為歸一化處理后的數(shù)據(jù)，x為原始數(shù)據(jù)，xmax和xmin分別為數(shù)據(jù)系列中的最大值和最小值。

1.3.2.2 層次分析法(AHP) 層次分析法(the analytic hierarchy pricess，簡稱AHP)[23]是美國運籌學(xué)家Saaty教授于20世紀(jì)70年代初期提出的一種靈活簡便而又實用的多準(zhǔn)則決策方法。利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，利用此方法確定的指標(biāo)權(quán)重見表2。

表2 層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重

1.3.2.3 空間插值法 空間插值法是GIS空間分析功能中一種十分重要的方法，它是從已計算出的數(shù)據(jù)找到一個函數(shù)關(guān)系式，使該關(guān)系式最好地逼近這些已知的空間數(shù)據(jù)，并根據(jù)函數(shù)關(guān)系式推求出區(qū)域范圍內(nèi)其他未知點的數(shù)據(jù)[24]。本研究采用IDW(反距離權(quán)重空間插值法)方法，利用計算出的河南省18個地市數(shù)據(jù)作為指標(biāo)，結(jié)合GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)，對河南省全區(qū)的干熱風(fēng)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險進(jìn)行區(qū)劃分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)險源的危險性區(qū)劃

風(fēng)險源的危險性一般是由致災(zāi)因子發(fā)生的強度及其概率表征的，本研究將選取干熱風(fēng)發(fā)生日數(shù)和概率2個指標(biāo)，對干熱風(fēng)的危險性分布進(jìn)行分析和評估，其表達(dá)式為：

(4)

式中：I為干熱風(fēng)危險性風(fēng)險指數(shù)，Gi為第i種干熱風(fēng)發(fā)生強度，Pi為第i種干熱風(fēng)發(fā)生概率，n為強度種類數(shù)。

利用公式(4)計算出河南全省干熱風(fēng)危險性指數(shù)，將計算得出的危險性數(shù)值歸一化處理后，利用ArcGIS 10進(jìn)行區(qū)劃制圖，得到河南省干熱風(fēng)危險性風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果(圖2)。

根據(jù)圖2分析可知，河南省干熱風(fēng)危險性分布呈現(xiàn)自西向東升高的規(guī)律，豫北的安陽市、鶴壁市和中部的許昌市、開封市干熱風(fēng)發(fā)生的危險指數(shù)最高，豫西和西南部為干熱風(fēng)的低風(fēng)險區(qū)域。

2.2 承災(zāi)體的易損性區(qū)劃

分析圖3可知，河南省冬小麥的種植面積占當(dāng)?shù)馗孛娣e的比例自東向西遞減，豫北和豫東地區(qū)小麥種植比例偏高，屬于小麥主產(chǎn)區(qū)；西南部多丘陵山地，冬小麥的種植比例偏小，為暴露性指數(shù)低值區(qū)。

2.2.2 承災(zāi)體的脆弱性 高溫低濕型干熱風(fēng)發(fā)生在小麥灌漿期，高溫高濕并伴有一定的風(fēng)力，會使蒸騰加劇，根系吸水不及，導(dǎo)致小麥灌漿不足；因此干熱風(fēng)主要影響小麥的灌漿速度和時間，而灌漿時間的減少會降低小麥粒質(zhì)量；產(chǎn)量也可間接反映小麥?zhǔn)欠褚资芨蔁犸L(fēng)的影響，隨著生產(chǎn)力水平的提高，河南省各地小麥的單產(chǎn)呈逐年增加趨勢，本研究采用直線滑動平均模擬法[25]將趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量分離，利用相對氣象產(chǎn)量的波動情況來反映小麥?zhǔn)転?zāi)的脆弱性。

(5)

式中：D為所選因子的均方差，反映因子的波動情況；xi所選因子第i年的數(shù)值，μ為xi的算術(shù)平均值，N為樣本的個數(shù)；D值越大反映受災(zāi)體越脆弱。

綜合考慮將千粒質(zhì)量的波動和相對氣象產(chǎn)量的波動分別賦予權(quán)重0.5，來表征承災(zāi)體的脆弱性，根據(jù)干熱風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系C2=0.5×D5+0.5×D6，歸一化處理后得出干熱風(fēng)承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)C2，利用ArcGIS 10進(jìn)行區(qū)劃制圖(圖4)。

由圖4分析可知，河南省干熱風(fēng)脆弱性分布呈現(xiàn)南高北低的趨勢，以三門峽為中心的豫西地區(qū)和以駐馬店地區(qū)為中心的豫南地區(qū)脆弱性指數(shù)偏高，易受干熱風(fēng)的影響，豫北地區(qū)則處于低值區(qū)，抗干熱風(fēng)影響能力較強。

2.3 干熱風(fēng)評估綜合風(fēng)險區(qū)劃

根據(jù)層次分析法(AHP)方法確定的各指標(biāo)權(quán)重，得到公式

A=0.65×B1+0.20×C1+0.15C2。

(6)

將干熱風(fēng)危險性、承災(zāi)體的暴露性和脆弱性因子指數(shù)，代入公式(6)得出干熱風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，將風(fēng)險等級分為高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、低風(fēng)險區(qū)3個等級，通過ArcGIS 10進(jìn)行區(qū)劃制圖，得出干熱風(fēng)災(zāi)害的綜合風(fēng)險區(qū)劃(圖5)。

由圖5分析可知，河南省干熱風(fēng)綜合風(fēng)險分布規(guī)律為東部高于西部，北部高于南部，駐馬店市為干熱風(fēng)的高風(fēng)險區(qū)，次高區(qū)為豫北和豫東等地，西部各地的干熱風(fēng)風(fēng)險等級最低，屬低風(fēng)險地帶。

3 結(jié)論與討論

利用干熱風(fēng)發(fā)生強度和頻率對河南省干熱風(fēng)風(fēng)險性進(jìn)行區(qū)劃分析，分布規(guī)律呈現(xiàn)自西向東升高的規(guī)律，豫北的安陽市、鶴壁市和中部的許昌市、開封市干熱風(fēng)發(fā)生的危險指數(shù)最高，豫西和西南部為干熱風(fēng)的低風(fēng)險區(qū)域。在不考慮抗災(zāi)能力的情況下，構(gòu)建干熱風(fēng)的危險性和承災(zāi)體的易損性的干熱風(fēng)風(fēng)險評估模型，河南省干熱風(fēng)綜合風(fēng)險分布規(guī)律為東部高于西部，北部高于南部，駐馬店市為干熱風(fēng)的高風(fēng)險區(qū)，次高區(qū)為豫北和豫東等地，西部各地的干熱風(fēng)風(fēng)險等級最低，屬低風(fēng)險地帶。抗災(zāi)能力和土地利用信息在研究分析中未考慮，在后期研究中會加入這2個因子的影響分析。