邢臺市冰雹災害致災因子危險性區(qū)劃研究

孫 晶

（邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

邢臺市地勢西高東低，地形熱力與動力作用導致強對流天氣頻繁發(fā)生，其中冰雹災害帶來的雷雨、大風對社會和經(jīng)濟發(fā)展有重大影響[1]。因此，研究冰雹災害的風險評估與區(qū)劃，人工影響與干預冰雹災害的產(chǎn)生，做好冰雹災害的防御是邢臺市急需解決的問題。近年來對冰雹災害進行風險評估，其權重的研究成為重點。其他學者對冰雹成因的研究分析采用的是層次分析法來確定權重，該方法能系統(tǒng)性、層次化地確定權重，但這種方法有較明顯的主觀性。本研究中采用層次分析法結(jié)合熵權法確定權重，利用熵權法所得權重對層次分析法計算權重進行修訂，主觀與客觀相結(jié)合，具有更高的科學性?；贕IS 對邢臺市冰雹災害致災因子危險性的研究，為人影作業(yè)點的部署提供參考，擴大防御范圍，為當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構布局和調(diào)整、氣象防災減災工作決策提供參考依據(jù)[2]。

1.研究內(nèi)容

冰雹發(fā)生與是否產(chǎn)生災情取決于是否影響到人類社會，因此采用邢臺地區(qū)1983 年-2020 年冰雹災情資料，以邢臺冰雹災害為研究對象。根據(jù)邢臺市地形分布特點，下墊面對冰雹的產(chǎn)生影響較大，午后山區(qū)的熱力不穩(wěn)定條件與低空垂直切變造成的動力條件，有利于造成強對流天氣。從氣象災害風險的定義出發(fā)，選取冰雹發(fā)生頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間3 個指標，構建致災因子危險性評估模型。在GIS 軟件支持下，建立冰雹災害事件數(shù)據(jù)庫，利用層次分析法與熵權法結(jié)合的分析方法研究冰雹災害的指標權重，根據(jù)災害的形成機制，構建冰雹致災因子危險性評估模型，借助空間分析與地圖制作功能，對其進行風險評估，繪制邢臺冰雹災害致災因子危險性區(qū)劃圖。

2.研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)本研究特性選取指標，邢臺地區(qū)1983-2020 年冰雹災情資料來源于河北省災情資料庫。

2.2 數(shù)據(jù)標準化

冰雹災害評估因子包含若干個指標，由于各評價指標的單位及量綱不同，不能進行比較，因此要對各評價指標進行數(shù)據(jù)標準化處理。對于各評價指標的標準化方法采用min-max 標準化，公式如下：

其中，xi為待標準化指標值，xmax為評價指標中最大值，xmin為評價指標中最小值，公式（1）為數(shù)據(jù)正相關標準化公式。

2.3 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法[3]。層次分析法可以利用少量信息要素，通過數(shù)學思維對要解決的復雜問題提供決策方法。根據(jù)決策目的和要解決的問題，將其分為不同的考慮因素，按照不同層不同因素的決策準則進行組合，構建層次結(jié)構模型[4]。根據(jù)評價指標構造判斷矩陣，計算最大特征根和特征向量（權向量），進行一致性指標檢驗，公式如下：

其中，n 為指標個數(shù)，λ 為判斷矩陣的最大特征根。

定義一致性比率，公式：

其中，CI 為一致性指標，RI 為隨機一致性指標。

當一致性比率CR＜0.1 時，不一致程度小，因此認為判斷矩陣的一致程度較高，通過一致性檢驗。

2.4 熵權法

信息熵的定義中可知，可使用數(shù)學統(tǒng)計的方法計算熵值，判斷某一指標的離散程度。因此，可利用信息熵這個工具，計算出各個指標的權重，為多指標綜合評價提供依據(jù)。利用信息熵計算出各指標的熵權，通過熵權對評價指標中利用層次分析法得到的權重進行修正，計算其綜合權重[5]。

需要計算影響權重的指標中，有m 個待評項目，n 個評價指標，建立原始評價矩陣

計算第j 個指標下第i 個項目目標的指標值占總體項目的比重：

2.5 ArcGIS 空間分析法

利用ArcGIS 將數(shù)據(jù)進行可視化處理，分析其空間特征，并且在GIS 空間處理技術的支持下，通過對致災因子不同指標進行綜合分析，研究邢臺市冰雹災害致災因子危險性的規(guī)律分析其特征。

3.冰雹災害致災因子危險性模型建立

通過對冰雹災情的統(tǒng)計分析，確定冰雹災害風險評價指標，選取冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間作為致災因子危險性的評價指標。

4.冰雹災害風險評估綜合權重確定

研究冰雹災害的指標權重時發(fā)現(xiàn)，層次分析法的結(jié)構分明，直觀性強，但存在主觀性，熵權法則可以通過熵權對各指標權重進行修正。本次研究利用層次分析法與熵權法結(jié)合的分析方法確定權重。

4.1 層次分析法

利用層次分析法確定評級指標的權重。通過層次分析法對各評價指標進行影響分級，構建判斷矩陣，計算權重。通過選取的評價指標相互的重要性，建立評價指標判斷，則評價指標構造判斷矩陣A:

對矩陣A 列向量歸一化，求行和并歸一化，得到特征向量（權向量）α：

對矩陣A 進行一致性檢驗，計算A 的最大特征根λ=3.0540

計算得出CR=0.0465＜0.1，通過一致性檢驗。因此特征向量ω為層次分析法確定權重。

4.2 熵權法

利用熵權法計算權重，對各指標計算信息熵需要計算影響權重的指標中，19 個待評縣市區(qū)，3 個評價指標。在按照評價縣市區(qū)計算信息熵時，采用ArcGIS 的統(tǒng)計功能，匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)用于權重分析。數(shù)據(jù)整理后，建立原始評價矩陣R（m×n）：

通過公式（5）（6）（7）計算，得出冰雹災害頻次、直徑、持續(xù)時間指標的權重ω分別為0.4382，0.2676，0.2942。

層次分析法存在主觀性，熵權法具有較強客觀性，兩者修正綜合權重。根據(jù)熵權法計算的權重修正層次分析法所得權重，即為綜合權重。通過公式（8），其中α為層次分析法確定權重，計算綜合權重β。

表1 冰雹災害致災因子各指標綜合權重

5.冰雹災害風險評估

整理冰雹災情數(shù)據(jù)，逐一排查，將災情記錄的發(fā)生地區(qū)進行分區(qū)域統(tǒng)計，篩選災情中記錄完整且可比較的評估因子，選取冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間作為評估因子并利用公式（1）處理數(shù)據(jù)標準化，消除不同量級差異，對標準化后的指標進行空間插值，得到冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間標準化插值圖，分別如圖1、2、3 所示。

圖1 冰雹頻次標準化插值圖

圖2 冰雹直徑標準化插值圖

圖3 冰雹持續(xù)時間標準化插值圖

根據(jù)冰雹的發(fā)生頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間三個指標，分別賦予權重，通過GIS 的空間分析及自然斷點法分級，得到致災因子危險性區(qū)劃圖（圖4）。通過圖中等級劃分情況可以看出，高危險性和次高危險性分布地區(qū)較為集中，與冰雹的路徑大致相符。高危險區(qū)位于隆堯、巨鹿、威縣、南宮，低風險區(qū)位于邢臺市轄區(qū)、沙河、寧晉部分地區(qū)。對于高風險區(qū)與次高風險區(qū)進行防雹作業(yè)點的布局進行合理規(guī)劃，政府單位加強對這些地區(qū)的冰雹監(jiān)控與防御工作。

圖4 邢臺市冰雹致災因子危險性區(qū)劃圖

6.結(jié)論

初步對邢臺冰雹災害風險區(qū)劃進行了研究，由于災情數(shù)據(jù)整理要人工逐條篩選分類，過程耗費大量的時間，此次研究中未考慮防雹作業(yè)點的冰雹過程數(shù)據(jù)及冰雹過程的雷達數(shù)據(jù)等方面。通過冰雹災情的整理發(fā)現(xiàn)冰雹發(fā)生頻次、直徑、持續(xù)時間的分布特點與冰雹路徑密切相關。根據(jù)此特點，今后對冰雹災害風險區(qū)劃進行深入研究，學習防雹作業(yè)點和雷達數(shù)據(jù)評估指標的分析處理方法，并根據(jù)冰雹過程路徑探索動態(tài)區(qū)劃的方法。根據(jù)致災因子危險性區(qū)劃圖，高危險區(qū)與次高危險區(qū)自西向東貫穿邢臺市，且相對集中，為邢臺鋪設防雹作業(yè)點的選點和政府冰雹災害防御工作提供技術支撐。