河北省近30年大風(fēng)時空分布及成災(zāi)特征分析*

俞海洋，李 婷，陳笑娟，趙 亮，魏 軍

(河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊，050021)

河北省近30年大風(fēng)時空分布及成災(zāi)特征分析*

俞海洋，李 婷，陳笑娟，趙 亮，魏 軍

(河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊，050021)

采用1984-2013年河北省142個氣象觀測站的大風(fēng)數(shù)據(jù)與災(zāi)情普查資料，分析河北大風(fēng)的時空分布及成災(zāi)特征。結(jié)果表明：河北省大風(fēng)的空間分布呈兩高三低，大風(fēng)日數(shù)、最大風(fēng)速高值區(qū)集中在張家口、承德西北部及滄州、唐山東南部地區(qū)，中部與東北部地區(qū)相對較低，但受承災(zāi)體的影響，大風(fēng)災(zāi)情主要集中在中東部平原地區(qū)和農(nóng)業(yè)種植集中區(qū)。而且隨著河北農(nóng)副產(chǎn)品種植面積的增加，單位面積價值較高的設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為大風(fēng)災(zāi)害影響的重點對象，大風(fēng)災(zāi)害次數(shù)、直接經(jīng)濟損失呈增加趨勢。

大風(fēng)災(zāi)害；時空特征；最大風(fēng)速；大風(fēng)日數(shù)

目前，我國大風(fēng)日數(shù)的減少趨勢已成共識[1-2]。王小玲等[3]研究得到1975-2005年中國5級以上的日數(shù)和每個季節(jié)的風(fēng)日數(shù)均呈線性減少，尤其是在北方地區(qū)。閆訪等[4]分析1972-2010年石家莊春季三個等級大風(fēng)日數(shù)的年際變化，也得到顯著減少的結(jié)論。但是，大風(fēng)災(zāi)害仍然是河北省主要氣象災(zāi)害之一，平均每年省內(nèi)發(fā)生大風(fēng)災(zāi)害100余縣次[5]。根據(jù)河北氣象災(zāi)害災(zāi)情統(tǒng)計，風(fēng)災(zāi)對農(nóng)作物的影響占所有氣象災(zāi)害的比例已越來越大。近10年風(fēng)災(zāi)造成的經(jīng)濟損失平均值達33 718.82萬元，比1994-2003年的10年平均值增加了71.81%，其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失已有大幅增加，全年損失甚至達到上億元。

但是，目前的風(fēng)災(zāi)研究主要集中在大風(fēng)日數(shù)、最大風(fēng)速等致災(zāi)因子方面[6-7]。閆訪等[8]認(rèn)為石家莊地區(qū)風(fēng)災(zāi)的發(fā)生和風(fēng)的氣候特征存在一定的相關(guān)性，春季大風(fēng)日數(shù)增加，風(fēng)災(zāi)發(fā)生頻次也隨之增多，且與瞬時極大風(fēng)速有較好的對應(yīng)關(guān)系。李超等[9]發(fā)現(xiàn)近30年江蘇沿海地區(qū)6級以上最大風(fēng)速表現(xiàn)出減小的趨勢，且夏季多雷雨大風(fēng)，秋季多臺風(fēng)。而對于河北省全省大風(fēng)災(zāi)情的時空特征還缺少研究，因此，需要結(jié)合全省大風(fēng)歷史氣象數(shù)據(jù)和災(zāi)情數(shù)據(jù)，從致災(zāi)、成災(zāi)兩個角度，對河北省大風(fēng)災(zāi)害行系統(tǒng)總結(jié)，分析大風(fēng)災(zāi)情上升的原因，以期為全省大風(fēng)災(zāi)害防御工作提供政策建議。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文大風(fēng)數(shù)據(jù)來自河北省142個地面氣象觀測站，時間跨度為1984-2013年。大風(fēng)采用天氣預(yù)報業(yè)務(wù)規(guī)范的定義：10 min平均風(fēng)速大于等于6級(10.8 m/s)[10]，1d中有一次或者多次大風(fēng)出現(xiàn)，則均記作1個大風(fēng)日。

大風(fēng)災(zāi)情數(shù)據(jù)來自《中國氣象災(zāi)害大典(河北卷)》[11]、河北省各縣氣象局和河北省民政局。在多渠道的災(zāi)情數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)河北省氣象數(shù)據(jù)，對災(zāi)情信息進行核對、刪除重復(fù)等數(shù)據(jù)控制，若有數(shù)據(jù)矛盾，則以民政部門為準(zhǔn)。

1.2 研究方法

應(yīng)用EXCEL 2010對大風(fēng)觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并繪制月、年際變化圖。

應(yīng)用ArcGIS利用反距離權(quán)重法對6級以上的大風(fēng)平均日數(shù)進行插值。原理是通過計算附近各點值的加權(quán)平均來決定待估計點的數(shù)值，權(quán)重與距離成反比，在空間上輸入點離目標(biāo)越遠，權(quán)重越小，因此該方法的插值誤差對空間位置有著較強的依賴關(guān)系[12]，計算公式為：

(1)

式中：Z為待估計的數(shù)值，Zi為第i(i=1,2，…，n)個氣象站點的數(shù)據(jù)，n為氣象數(shù)值插值的站點數(shù)，di為插值到第i個氣象站點的距離，r為距離的冪數(shù)[13]。

利用專業(yè)氣象插值軟件Anusplin[14]對最大風(fēng)速進行空間插值，采用薄盤光滑樣條函數(shù)法。該方法適合不規(guī)則分布數(shù)據(jù)的多變量平滑內(nèi)插，通過光滑參數(shù)使數(shù)據(jù)逼真度與擬合曲面光滑度得到優(yōu)化平衡，確保得到的結(jié)果平滑連續(xù)[15]，理論統(tǒng)計模型為：

Zi=f(xi)+bTyi+ei,(i=1,2,…,N)。

(2)

式中：Zi為位于空間i點的因變量；xi為d維樣條獨立變量，f為要估算的關(guān)于xi未知平滑函數(shù)；yi為p維獨立協(xié)變量，b為yi的p維系數(shù)；ei為自變量的隨機誤差；N代表數(shù)據(jù)數(shù)量。f與b可通過最小二乘法來計算：

(3)

式中：r為最小二乘多項式，需求解偏差平方和最小時的b；Jm(f)為函數(shù)f(xi)的粗糙度測度函數(shù)，定義為函數(shù)f的m階偏導(dǎo)；ρ為正的光滑參數(shù)，保證數(shù)據(jù)逼真度和粗糙度的平衡狀態(tài)，通過廣義交叉驗證GCV和最大似然法GML的最小化得到。

2 大風(fēng)及大風(fēng)災(zāi)害的時間分布特征

河北省大風(fēng)日數(shù)月變化見圖1a，全年中，春季(3-5月)平均大風(fēng)日數(shù)最多，冬季(12月-次年2月)次之，秋季(9-11月)名列第三，夏季(6-8月)最少。但是風(fēng)災(zāi)多發(fā)生在大風(fēng)日數(shù)相對較少的夏季(見圖1b)，主要集中在6-8月，其中7月次數(shù)最多，年平均達到13縣次。10月至次年2月為全年風(fēng)災(zāi)發(fā)生次數(shù)最少的月份，每月年平均不足1縣次。

圖1 河北省6級以上大風(fēng)日數(shù)與大風(fēng)災(zāi)情次數(shù)月變化

為什么風(fēng)災(zāi)最多的月份，與大風(fēng)次數(shù)最多的月份不一致？分析原因，河北省全年大風(fēng)以偏北大風(fēng)為主，春季的3-4月份發(fā)生次數(shù)最多，雷雨大風(fēng)僅占全年大風(fēng)次數(shù)的21.39%(見圖2a)，但主要發(fā)生在夏季，其中，6月份發(fā)生次數(shù)最多，達2 337次，持續(xù)時間短，風(fēng)速大，具有較強的破壞性。引發(fā)河北省大風(fēng)災(zāi)害的主要是雷雨大風(fēng)，占到災(zāi)情案例總數(shù)的90%以上，見圖2b。因此，夏季是河北風(fēng)災(zāi)多發(fā)季節(jié)。

圖2 河北省大風(fēng)與大風(fēng)災(zāi)害類別

河北省大風(fēng)日數(shù)逐年減小。1984-2013年，河北省大風(fēng)日數(shù)明顯減少，平均減少42 d/(10年)，2011年減少到了最低，僅62 d，比1984年減少了143 d(圖3a)。雖然大風(fēng)日數(shù)呈下降趨勢，但在風(fēng)災(zāi)多發(fā)的夏季，大風(fēng)日數(shù)的減少趨勢較為平緩，每10年僅減少9 d。然而，河北省大風(fēng)災(zāi)害次數(shù)總體呈增長趨勢，1984-1993、1994-2003和2004-2013年的10年大風(fēng)災(zāi)害次數(shù)平均值分別為45.3、36.5和70.1次，本世紀(jì)以來較上世紀(jì)后10年年平均次數(shù)增長了近一倍(圖3b)。

圖3 河北省大風(fēng)日數(shù)與大風(fēng)災(zāi)害次數(shù)年際變化

3 大風(fēng)及大風(fēng)災(zāi)害的空間分布特征

河北省大風(fēng)日數(shù)與最大風(fēng)速均呈現(xiàn)兩高三低的空間分布(圖4)。高值區(qū)一是冀北高原(俗稱壩上)地區(qū)，年大風(fēng)日數(shù)60～80 d/年，最大風(fēng)速為25～28 m/s，因為張家口地區(qū)的海拔較高，且來自蒙古的冷氣流在南下過程中途徑壩上，因而其大風(fēng)日數(shù)相對較多；二是渤海沿海及海島年大風(fēng)日數(shù)27～40 d/年，最大風(fēng)速28～35 m/s。低值區(qū)一是燕山的低丘山區(qū)年均大風(fēng)日數(shù)2～6 d/年，最大風(fēng)速在20 m/s以下；二是中部地區(qū)，包括石家莊東部、保定東北部和衡水滄州西部，年均大風(fēng)日數(shù)不足7 d以下，最大風(fēng)速在15 m/s以下；三是邯鄲的西部山區(qū)，年平均大風(fēng)日數(shù)不足10 d/年，最大風(fēng)速在20 m/s以下。

圖4 河北省6級以上大風(fēng)平均日數(shù)與最大風(fēng)速分布

圖5 河北省大風(fēng)災(zāi)情災(zāi)次比分布

圖6 河北省最大風(fēng)速與雷雨大風(fēng)次數(shù)年際變化

河北省的大風(fēng)災(zāi)情大多發(fā)生于東部衡水、滄州北部、唐山北部等中東部地區(qū)，災(zāi)次比的最大值出現(xiàn)在唐山，為0.028(圖5)。保定地區(qū)受災(zāi)次數(shù)最多，年平均為10縣次，其次是衡水和唐山年平均6～8縣次，而前述大風(fēng)高值區(qū)的張家口、承德、秦皇島地區(qū)年平均不足2縣次。致災(zāi)因子與災(zāi)情在空間上的不吻合，與承災(zāi)體有很大的關(guān)系，由于河北省農(nóng)業(yè)種植集中區(qū)分布在平原地區(qū)，故風(fēng)災(zāi)災(zāi)情次數(shù)發(fā)生較高的地區(qū)是河北中東部地區(qū)，而不是大風(fēng)高值區(qū)。

4 變化趨勢分析

4.1 大風(fēng)的變化

目前，我國大風(fēng)日數(shù)表現(xiàn)出減少趨勢，有研究指出春季大風(fēng)日數(shù)的減少更為突出[4,16]。國內(nèi)外氣象學(xué)家認(rèn)為，大風(fēng)日數(shù)減少是由于氣候變暖導(dǎo)致亞洲大陸與太平洋之間，海平面的氣壓差與近地面的溫度差距明顯變小[17-18]，東亞大槽在向東北方向偏移的過程中有所減弱，因而季風(fēng)強度減弱[1,19]。

河北省四個季節(jié)的最大風(fēng)速也呈下降趨勢，但相對大風(fēng)日數(shù)，其下降速率較小。大風(fēng)災(zāi)害多發(fā)的夏季，其最大風(fēng)速每10年僅下降0.8 m/s，見圖6a。近30年雷雨大風(fēng)發(fā)生次數(shù)呈下降趨勢，在1990年發(fā)生次數(shù)最多，達499次，2010年最低，僅為101次，每10年減少89.7次，2010年后穩(wěn)定在130次左右(圖6b)。但是，雷雨大風(fēng)的最大風(fēng)速平均每10年僅下降1.7 m/s。因此，即使大風(fēng)日數(shù)明顯減少，但在風(fēng)災(zāi)多發(fā)的夏季，大風(fēng)強度并無劇烈變化，風(fēng)災(zāi)次數(shù)及損失仍可呈增加趨勢。

4.2 大風(fēng)災(zāi)情的變化

根據(jù)大風(fēng)災(zāi)害歷史資料分析，河北省2000年之前風(fēng)災(zāi)產(chǎn)生的影響多為民房倒塌、人員傷亡、作物絕收。百人以上傷亡，千間以上民房被毀的記錄屢有發(fā)生。至2000年后，隨著民房建筑質(zhì)量的提高，因風(fēng)災(zāi)倒塌房屋，及死亡人數(shù)明顯降低(圖7a)。但是，風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致的農(nóng)作物受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收面積均有增加趨勢，2000年后明顯大于2000年前(圖7b)。農(nóng)作物受災(zāi)面積最大發(fā)生在2002年，當(dāng)年在邢臺隆堯縣、保定唐縣、廊坊固安縣等地都發(fā)生了嚴(yán)重的風(fēng)災(zāi)。根據(jù)河北氣象災(zāi)害災(zāi)情統(tǒng)計，風(fēng)災(zāi)對農(nóng)作物的影響占所有氣象災(zāi)害的比例已越來越大，風(fēng)災(zāi)造成的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失已有大幅增加，全年損失甚至達到上億元。

圖7 風(fēng)災(zāi)死亡人口、倒塌房屋與農(nóng)作物受災(zāi)面積、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失年際變化

風(fēng)災(zāi)災(zāi)情的加劇與近年來河北省農(nóng)產(chǎn)品種植面積的增加密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，2010年全省農(nóng)業(yè)增加值為2 563億元，蔬菜面積達124.3萬hm2，分別比2005年上漲了22.5%和2.6%。2014年河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積為40.0萬hm2，產(chǎn)量達2 677.4萬t，成為全國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)及產(chǎn)品供應(yīng)大省。設(shè)施農(nóng)業(yè)正逐漸成為大風(fēng)災(zāi)害影響的主要對象。2010年3月20日大風(fēng)導(dǎo)致武邑縣各類棚膜和蔬菜受損，直接經(jīng)濟損失420萬元。2012年3月23日，8級大風(fēng)導(dǎo)致衡水留仲村的10個鋼架大棚塌落，540個小拱棚的膜被撕破，韭菜基本絕收。未來河北省風(fēng)災(zāi)損失仍可能繼續(xù)增加，因此風(fēng)災(zāi)風(fēng)險防范應(yīng)成為河北省防災(zāi)減災(zāi)的工作重點。

5 結(jié)論與討論

本文根據(jù)河北省1984-2013年142個地面氣象觀測站數(shù)據(jù)，對河北省大風(fēng)災(zāi)害時空分布特征進行分析，得到以下結(jié)論。

(1)河北省大風(fēng)災(zāi)害季節(jié)性強，春季大風(fēng)日數(shù)相對較多。但造成災(zāi)害的主要是雷雨大風(fēng)，多發(fā)生在夏季7-8月。河北省大風(fēng)日數(shù)、最大風(fēng)速逐年減小，但在風(fēng)災(zāi)多發(fā)的夏季，最大風(fēng)速與大風(fēng)強度無大幅下降，風(fēng)在發(fā)生次數(shù)總體呈增加趨勢。

(2)河北省大風(fēng)的空間分布呈兩高三低，大風(fēng)日數(shù)、最大風(fēng)速高值區(qū)集中在張家口、承德西北部及滄州、唐山東南部地區(qū)，中部與東北部地區(qū)相對較低，但受承災(zāi)體的影響，大風(fēng)災(zāi)情主要集中在中東部平原地區(qū)，平原地區(qū)和農(nóng)業(yè)種植集中區(qū)風(fēng)災(zāi)發(fā)生較多。

(3)隨著河北省農(nóng)產(chǎn)品種植面積的增加，大風(fēng)災(zāi)害次數(shù)、直接經(jīng)濟損失仍然呈增加趨勢，設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為大風(fēng)災(zāi)害影響的重點對象，風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致的死亡人口與倒塌房屋呈下降趨勢。

通過對河北省大風(fēng)災(zāi)情的時空特征及其影響對象的分析，從承災(zāi)體角度出發(fā)提出防御思路(如開展風(fēng)險預(yù)警、完善防御標(biāo)準(zhǔn)、制定防御措施等)是開展大風(fēng)防御工作的最有效途徑，也將是下一步的研究重點。

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The Spatio-temporal Distribution and Disaster Characteristics Analysis of the Gale in Hebei Province for Nearly 30 Years

YU Haiyang, LI Ting, CHEN Xiaojuan, ZHAO Liang and WEI Jun

(HebeiMeteorologicalDisasterPreventionCenter,Shijiazhuang050021,China)

Galedatafrom1984to2013of142meteorologicalstationsanddisastersurveyinformationinHebeiProvinceareusedinthispaper.Thespatio-temporaldistributionanddisastercharacteristicsofthegaleareanalyzed.TheresultsshowthatthespatialdistributionofgaleappearedtwohighpeaksandthreevalleysinHebeiProvince.ThehighvalueofgaledaysandmaximumwindspeedappearinZhangjiakou,northwestofChengde,CangzhouandsoutheastofTangshan.Thevalueincentralandnortheasternregionsisrelativelylower.Butduetotheimpactofhazard-bearingbodies,galedisastersconcentratedinthemiddle-eastofHebei,mainlyoccurredintheplainandagriculturalplantingareas.Withtheincreaseofplantingareaofagriculturalandsidelineproducts,thefacilityagriculturewithhigherperunitareavaluehasbecomethefocusofgaledisaster.Thefrequencyanddirecteconomiclossesbothincreased.

galedisaster;temporalandspatialcharacteristics;maximumwindspeed;galedays

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.011.]

2016-10-12

2016-12-14

河北省氣象事業(yè)發(fā)展“十二五規(guī)劃”；河北省農(nóng)村氣象災(zāi)害防御與農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)工程(2016023889)

俞海洋(1983- )，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事氣象災(zāi)害防御技術(shù)研究. E-mail:8yhy8@sohu.com

X43；S424；P42

A

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