1980—2019年北疆風(fēng)災(zāi)時(shí)空變化特征及成因

吳秀蘭，馬 禹，陳睿勇

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.中廣核新能源新疆分公司， 新疆 烏魯木齊 830011)

引 言

我國(guó)大風(fēng)的時(shí)空分布特征及其天氣分型、形成機(jī)理等研究開(kāi)展已久，成果頗豐[6-8]。1980年代伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大風(fēng)導(dǎo)致的災(zāi)情及損失越來(lái)越重，風(fēng)災(zāi)的評(píng)估研究開(kāi)始起步。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在全球變暖加劇和城市化快速發(fā)展的綜合作用下，我國(guó)北方仍面臨著嚴(yán)峻的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、評(píng)估在防災(zāi)減災(zāi)中的作用日益凸顯[9]。通常，大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要采用指標(biāo)評(píng)估法(如模糊綜合評(píng)價(jià)法[10-11])，該方法主要側(cè)重于災(zāi)害指標(biāo)的選取、優(yōu)化以及權(quán)重計(jì)算，其中指標(biāo)(致災(zāi)因子)的選取、優(yōu)化多采用灰色關(guān)聯(lián)聚類(lèi)法[12-14]、層次分析法[15]、主成分分析[16]等方法，而權(quán)重的確定多采用專(zhuān)家打分[17]、熵權(quán)重[18]等方法。近年來(lái)，在RS和GIS技術(shù)支持下風(fēng)災(zāi)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型更加完善[19-21]，選擇合適的致災(zāi)因子構(gòu)建客觀定量的評(píng)估模型對(duì)于大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果至關(guān)重要。以往大風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中多是基于表征風(fēng)力條件的輸沙勢(shì)、大風(fēng)日數(shù)、平均風(fēng)速、極大風(fēng)速和風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)等致災(zāi)因子，這些因子的數(shù)據(jù)獲取主要來(lái)源于觀測(cè)站，少部分研究是基于承災(zāi)體災(zāi)情[4-5]，災(zāi)情要素可從不同側(cè)面反映大風(fēng)災(zāi)害的影響程度，這為大風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了有效的信息源，尤其是觀測(cè)站點(diǎn)稀少且風(fēng)能豐富的西北地區(qū)。然而，由于分析評(píng)估的內(nèi)容各有側(cè)重，災(zāi)情要素的選取以及風(fēng)災(zāi)等級(jí)評(píng)價(jià)體系尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文基于1980—2019年北疆38縣市大風(fēng)災(zāi)害的出現(xiàn)次數(shù)及其造成的死亡人數(shù)、倒塌房屋數(shù)、倒塌棚圈數(shù)、死亡牲畜數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積等災(zāi)情構(gòu)建災(zāi)損指數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析北疆大風(fēng)災(zāi)害的時(shí)空特征，探討風(fēng)災(zāi)的影響因素，以期為北疆農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)布局及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

新疆位于亞歐大陸腹地，地處中國(guó)西北邊陲，天山山脈橫貫全境，將全疆分為北疆和南疆兩部分，天山以北稱(chēng)為北疆。北疆北部為阿爾泰山，阿爾泰山與天山之間是半封閉的準(zhǔn)噶爾盆地(圖1)。北疆屬于溫帶大陸干旱氣候，年平均氣溫7.0 ℃，年降水量208.3 mm，年蒸發(fā)量1867 mm，東、西部地區(qū)地面大風(fēng)日數(shù)多、風(fēng)速大，山區(qū)地形起伏風(fēng)力受阻，平原地區(qū)大風(fēng)日數(shù)多于中、低山區(qū)，準(zhǔn)噶爾盆地西部的阿拉山口大風(fēng)日數(shù)最多，其次是作為南北疆氣流通道的達(dá)坂城，北疆偏西、偏北地區(qū)的裕民、廟爾溝、克拉瑪依、和布克賽爾、吉木乃、哈巴河一帶盛行大風(fēng)，這些地區(qū)大風(fēng)日數(shù)多、風(fēng)力強(qiáng)勁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。 總之，由于氣候干旱、降水少，植被稀疏，土質(zhì)疏松，加之多大風(fēng)，北疆遭受大風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)極高。

圖1 北疆地理位置及地形高程(單位：m)Fig.1 The geographic location and terrain height (Unit: m) of northern Xinjiang

2 資料與方法

2.1 資 料

根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)民政廳記載的風(fēng)災(zāi)及災(zāi)情信息，整理得到1980—2019年北疆38縣市包含出現(xiàn)日期、出現(xiàn)區(qū)域、死亡人數(shù)、倒塌房屋數(shù)、倒塌棚圈數(shù)、牲畜死亡數(shù)量、農(nóng)作物受災(zāi)面積等記錄634條。若某縣市區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)1次風(fēng)災(zāi)，則該縣市風(fēng)災(zāi)出現(xiàn)次數(shù)記為1。另外，使用了1980—2019年北疆地區(qū)44個(gè)氣象站平均風(fēng)速以及38縣市農(nóng)作物播種面積和牲畜存欄數(shù)資料。文中北疆及其市級(jí)行政邊界是基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2019)1719的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

2.2 方 法

2.2.1 災(zāi)損指數(shù)的構(gòu)建

為便于比較各縣市或各年風(fēng)災(zāi)的強(qiáng)弱，需要構(gòu)建能夠綜合反映風(fēng)災(zāi)次數(shù)及災(zāi)情要素的災(zāi)損指數(shù)(Z)。在災(zāi)損指數(shù)的構(gòu)建中，首先通過(guò)比值法確定各要素的權(quán)重，然后將各要素標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)求和得到Z。

設(shè)有m種要素，每種要素由n個(gè)樣本組成，可得到風(fēng)災(zāi)及災(zāi)情要素評(píng)價(jià)矩陣Xn×m，則風(fēng)災(zāi)災(zāi)損指數(shù)Z的計(jì)算公式如下：

表3方案?jìng)?cè)重于對(duì)現(xiàn)有各類(lèi)設(shè)備的數(shù)量而不是可用生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行拆分和最優(yōu)分配，相較于表1和表2方案，避免了生產(chǎn)流程的頻繁切換，大大簡(jiǎn)化了對(duì)設(shè)備的管理和調(diào)度．

(1)

(2)

為了探討風(fēng)災(zāi)的空間分布和年際變化特征，利用公式(1)分別計(jì)算縣市和年的災(zāi)損指數(shù)。在計(jì)算縣市的災(zāi)損指數(shù)時(shí)，n取38，代表北疆38縣市出現(xiàn)的風(fēng)災(zāi)，X為各縣市各種災(zāi)情要素1980—2019年的累計(jì)值；在計(jì)算年災(zāi)損指數(shù)時(shí)，n取40，代表40 a，X為各年各種災(zāi)情要素38縣市累計(jì)值。

利用北疆各縣市各種災(zāi)情要素1980—2019年累計(jì)值，以及各年各災(zāi)情要素38縣市累計(jì)值，依據(jù)公式(2)計(jì)算得到縣市和年對(duì)應(yīng)的風(fēng)災(zāi)及災(zāi)情要素的權(quán)重(表1)。

表1 北疆地區(qū)38縣市1980—2019年6種大風(fēng)災(zāi)情要素的權(quán)重、平均值、最大值Tab.1 The weight, average and maximum values of six kinds of wind disaster situation elements in thirty-eight counties or cities of northern Xinjiang during 1980-2019

2.2.2 災(zāi)損指數(shù)的危害性等級(jí)閾值

利用概率密度分布函數(shù)直方圖和假設(shè)檢驗(yàn)[22]構(gòu)建縣市和年災(zāi)損指數(shù)Z的概率密度函數(shù)，在此基礎(chǔ)上確定縣市和年災(zāi)損指數(shù)Z的等級(jí)閾值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各縣市和各年風(fēng)災(zāi)的危害性等級(jí)劃分。

根據(jù)1980—2019年新疆北部縣市和年的災(zāi)損指數(shù)樣本序列，采用概率密度分布圖解法，取分組數(shù)10，得到縣市和年災(zāi)損指數(shù)直方圖(圖2)，發(fā)現(xiàn)北疆縣市和年的災(zāi)損指數(shù)近似服從伽瑪分布，災(zāi)損指數(shù)平均值μ=1，方差σ2分別為0.4144、1.1113，由μ=αβ、σ2=αβ2關(guān)系式，得到縣市(年)伽瑪分布

的參數(shù)α=2.4131(0.8998)，β=0.4144(1.1113)。

根據(jù)文獻(xiàn)[22]的檢驗(yàn)方法，計(jì)算得到縣市(年)的統(tǒng)計(jì)量V=1.88(4.53)，取α=0.01，χ2分布表對(duì)應(yīng)的臨界值λ=18.48，故而V<λ，認(rèn)為北疆縣市(年)大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)服從伽瑪分布，其概率密度分布函數(shù)可用伽瑪分布函數(shù)表達(dá)：

(3)

由伽瑪分布函數(shù)的概率可確定縣市(年)災(zāi)損指數(shù)的分位點(diǎn)閾值xp值，進(jìn)而得到北疆風(fēng)災(zāi)危害性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

圖2 1980—2019年新疆北部縣市(a)和年(b)大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)的概率密度分布Fig.2 Probability density distribution of prefectural and municipal (a), annual (b) disaster damage index of strong wind in northern Xinjiang during 1980-2019

表2 1980—2019年新疆北部縣市(年)風(fēng)災(zāi)危害性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The classification standards of perniciousness grades for prefectural and municipal (annual) wind disaster in northern Xinjiang during 1980-2019

3 結(jié)果與分析

3.1 北疆風(fēng)災(zāi)災(zāi)情空間分布

大風(fēng)主要給北疆農(nóng)牧區(qū)造成較大損失，農(nóng)牧區(qū)主要分布在塔城、阿勒泰地區(qū)、伊犁河谷、沙漠邊緣綠洲區(qū)及天山北坡一帶和山區(qū)草原地帶，故而受災(zāi)區(qū)主要集中于上述區(qū)域(圖3)。從風(fēng)災(zāi)出現(xiàn)頻次來(lái)看，累計(jì)出現(xiàn)次數(shù)最多的是博州、阿勒泰地區(qū)福?？h和烏魯木齊市，為24～35次[圖3(a)]；從累計(jì)死亡

人數(shù)和年均倒塌房屋來(lái)看，最嚴(yán)重的地區(qū)是阿勒泰、塔城和伊犁州[圖3(b)和圖3(c)]；從倒塌棚圈和死亡牲畜數(shù)量來(lái)看，受災(zāi)嚴(yán)重的縣市主要分布于塔城、阿勒泰地區(qū)和昌吉州東部，這些區(qū)域承載著北疆大部分畜牧生產(chǎn)活動(dòng)[圖3(d)和圖3(e)]；從農(nóng)作物受災(zāi)面積看，重災(zāi)區(qū)主要分布在北疆沿天山一帶，為2853.6～5715.6 hm2[圖3(f)]，這一地帶稱(chēng)為“天山北坡經(jīng)濟(jì)帶”，是北疆農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)。

圖3 北疆風(fēng)災(zāi)次數(shù)及災(zāi)情空間分布 (a)累計(jì)出現(xiàn)次數(shù)，(b)累計(jì)死亡人數(shù)，(c)年均倒塌房屋，(d)年均倒塌棚圈， (e)年均死亡牲畜，(f)年均農(nóng)作物受災(zāi)面積Fig.3 The spatial distribution of wind disaster times and disaster situations in northern Xinjiang (a) cumulative times, (b) cumulative death tolls, (c) annual average collapsed houses, (d) annual average collapsed sheds, (e) annual average dead livestock, (f) annual average disaster-affected areas of crop

3.2 北疆風(fēng)災(zāi)災(zāi)損指數(shù)與平均風(fēng)速的空間分布

北疆風(fēng)災(zāi)災(zāi)損指數(shù)的空間分布與災(zāi)情基本一致，大風(fēng)災(zāi)損較重區(qū)域主要集中在農(nóng)牧區(qū)及風(fēng)口區(qū)，Z>1.067的區(qū)域主要分布在阿勒泰、塔城、博州以及石河子以東的天山北坡，其中1.737以上的高值區(qū)主要位于阿勒泰北部、博州西部、昌吉州東部及烏魯木齊市等地區(qū)[圖4(a)]。根據(jù)表2劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到北疆風(fēng)災(zāi)危害性等級(jí)空間分布[圖4(b)]，發(fā)現(xiàn)北疆風(fēng)災(zāi)危害性特重等級(jí)主要分布在奇臺(tái)、托里、烏魯木齊、阿勒泰，嚴(yán)重等級(jí)主要分布在阿勒泰北部和東部的青河、福海、布爾津等縣以及塔城的額敏縣、伊犁州的鞏留縣、石河子市等地，而較重等級(jí)分布區(qū)主要在塔城北部的裕民、克拉瑪依、烏蘇和阿勒泰的富蘊(yùn)、吉木乃以及伊犁州的察布查爾縣、博州、昌吉州的吉木薩爾等地。可見(jiàn)，總體上較重以上等級(jí)主要分布在北疆各地的農(nóng)區(qū)和牧區(qū)，這些地區(qū)尤其是牧區(qū)常分布在較偏遠(yuǎn)的山區(qū)，交通不便，防災(zāi)減災(zāi)能力較弱，而經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的縣市災(zāi)害脆弱性更高，受災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也更高。根據(jù)自然斷點(diǎn)法將北疆風(fēng)速也劃分成4個(gè)等級(jí)[圖4(c)]，平均風(fēng)速大值區(qū)位于阿勒泰的吉木乃、博州的阿拉山口和達(dá)坂城以及昌吉州的奇臺(tái)，這些地區(qū)的大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)較高，而風(fēng)速較小的伊犁河谷、昌吉州西部的災(zāi)損指數(shù)較小?？梢?jiàn)，北疆大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)的空間分布與平均風(fēng)速基本一致，災(zāi)損指數(shù)能夠較為客觀地反映大風(fēng)災(zāi)害的空間分布特征。

圖4 北疆大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)(a)及其危害性等級(jí)(b)和平均風(fēng)速(c，單位：m·s-1)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of disaster damage index (a) of strong wind and its perniciousness grade (b) and average wind speed (c, Unit: m·s-1) in northern Xinjiang

3.3 北疆風(fēng)災(zāi)的時(shí)間變化

3.3.1 風(fēng)災(zāi)月變化特征

北疆風(fēng)災(zāi)一年四季都有發(fā)生，風(fēng)災(zāi)次數(shù)及災(zāi)情高值主要出現(xiàn)在春季3—5月，4月為高發(fā)期，該月死亡牲畜、倒塌棚圈、倒塌房屋數(shù)量的比例占全年60%以上[圖5(a)]，這與該地區(qū)平均風(fēng)速的月分布特征[圖5(b)]有關(guān)，即平均風(fēng)速春季最大，春季地面升溫快，空氣不穩(wěn)定，冷空氣入侵容易形成大風(fēng)，此時(shí)正值作物生長(zhǎng)最關(guān)鍵的幼苗期，一場(chǎng)大風(fēng)勢(shì)必對(duì)作物造成嚴(yán)重?fù)p傷；夏季冷空氣勢(shì)力減弱，大風(fēng)比春季少；冬季有逆溫層存在，入侵的冷空氣多從盆地逆溫層頂部經(jīng)過(guò)，地面風(fēng)速較小，但準(zhǔn)噶爾盆地有冷空氣堆積時(shí)氣壓相對(duì)較高，而額爾齊斯河河谷西部和塔城盆地氣壓相對(duì)較低，加大了東西間的氣壓差，故而時(shí)常有偏東大風(fēng)。因此，春季北疆風(fēng)災(zāi)較重區(qū)域主要集中在北部塔城和阿勒泰、準(zhǔn)噶爾盆地周邊的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)以及沿天山一帶的農(nóng)作物種植區(qū)。

3.3.2 風(fēng)災(zāi)年際變化及其影響因素

1980—2019年，北疆地區(qū)風(fēng)災(zāi)的年災(zāi)損指數(shù)呈明顯增大趨勢(shì)(通過(guò)α=0.1的顯著性檢驗(yàn))，災(zāi)損指數(shù)每10 a增加0.24，1998年最高為4.8[圖6(a)]；在氣候變暖背景下，20世紀(jì)末以來(lái)年災(zāi)損指數(shù)的波動(dòng)性加劇(年際變率加大)，危害性達(dá)特重等級(jí)的年份明顯增多，表明進(jìn)入21世紀(jì)北疆風(fēng)災(zāi)呈增加、增強(qiáng)趨勢(shì)。

為了探究風(fēng)災(zāi)災(zāi)損指數(shù)增大的原因，對(duì)1980—2019年北疆地區(qū)平均風(fēng)速、農(nóng)作物播種面積和牲畜存欄數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?？梢钥闯?，近40 a北疆地區(qū)平均風(fēng)速整體表現(xiàn)顯著減小趨勢(shì)(通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，但階段性變化特征明顯，2010年代以前呈持續(xù)減小的年代際變化特征，而后持續(xù)波動(dòng)增大[圖6(b)]，與災(zāi)損指數(shù)的年變化趨勢(shì)不一致，說(shuō)明風(fēng)速不是影響災(zāi)損指數(shù)變化的決定因素；農(nóng)作物播種面積和牲畜存欄數(shù)的變化趨勢(shì)與災(zāi)損指數(shù)相吻合，均呈顯著增加趨勢(shì)，尤其2000年以后急劇增加[圖6(c)和圖6(d)]。由此可見(jiàn)，農(nóng)作物播種面積和牲畜存欄數(shù)等承災(zāi)體的持續(xù)增長(zhǎng)是造成北疆大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)增大的重要因素。

圖5 北疆各月風(fēng)災(zāi)次數(shù)及災(zāi)情占全年的百分比(a)和平均風(fēng)速的月變化(b)Fig.5 The percentage of monthly wind disaster times and disaster situations to the whole year (a) and monthly change of average wind speed (b) in northern Xinjiang

圖6 1980—2019年北疆大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)(a)和平均風(fēng)速(b)、 農(nóng)作物播種面積(c)、牲畜存欄數(shù)(d)的年際變化Fig.6 The annual variation of disaster damage index of strong wind (a) and average wind speed (b), sown area of crops (c), livestock numbers (d) in northern Xinjiang during 1980-2019

4 結(jié) 論

(1)基于風(fēng)災(zāi)次數(shù)及其導(dǎo)致的死亡人數(shù)、倒塌房屋數(shù)、倒塌棚圈數(shù)、牲畜死亡數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積等災(zāi)情要素，構(gòu)建的大風(fēng)災(zāi)損指數(shù)能夠較客觀地反映北疆大風(fēng)災(zāi)害的空間分布特征，較重以上等級(jí)主要分布在北疆北部、伊犁河谷以及沿天山一帶的農(nóng)牧業(yè)區(qū)、風(fēng)口區(qū)和經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的縣市，這與北疆風(fēng)速的空間分布基本吻合。

(2)北疆風(fēng)災(zāi)主要發(fā)生在春季3—5月，4月為高發(fā)、重發(fā)期，這與北疆風(fēng)速的季節(jié)分布有關(guān)。春季北疆風(fēng)災(zāi)較重的區(qū)域主要集中在北部塔城和阿勒泰、伊犁河谷的山區(qū)以及準(zhǔn)噶爾盆地邊緣的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)、沿天山一帶的農(nóng)業(yè)區(qū)。

(3)近40 a來(lái)，北疆風(fēng)災(zāi)損失呈明顯上升趨勢(shì)，災(zāi)損指數(shù)每10 a增加0.24，且在氣候變暖背景下20世紀(jì)末以后風(fēng)災(zāi)波動(dòng)性加劇、危害性增強(qiáng)。與此同時(shí)，平均風(fēng)速呈減小趨勢(shì)，農(nóng)作物播種面積、牲畜存欄數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，表明北疆地區(qū)風(fēng)災(zāi)增大主要與農(nóng)作物播種面積、牲畜存欄數(shù)等承災(zāi)體增加密切相關(guān)，而與風(fēng)速無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。