1961—2019 年新疆暴雨山洪災害損失的時空變化特征

呂新生 ，周雅蔓 ，余行杰，于碧馨 ，王 熹

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；3.澳門理工學院中西文化研究所，澳門 999078）

洪澇災害是洪水、澇災和漬災的總稱[1]，一直是威脅人類生存和發(fā)展的最嚴重的極端自然災害。暴雨山洪災害則指由暴雨造成山洪的氣象災害。隨著全球氣候變暖，極端天氣事件發(fā)生的頻率和嚴重程度在急劇增多和增強[2]，許多國家和地區(qū)遭受了來自暴雨洪水災害的影響[3-5]，分析氣候變暖背景下暴雨洪水災害發(fā)生的時空演變過程，對暴雨洪水災害防治具有重要意義。

目前，關于暴雨洪澇災害的研究主要分為2 個方面：一方面是在一個較大范圍內基于地面氣象站點信息、歷史災情數(shù)據(jù)等開展的暴雨洪澇災害時空分布特征和風險區(qū)域等研究[6-8]，另一方面是在小范圍內進行暴雨洪澇災害致災指標和臨界雨量等方面的研究[9-12]。而在新疆區(qū)域范圍內開展暴雨洪澇災害的空間格局和年際變化的研究還不多見。新疆是發(fā)生暴雨較少的地區(qū)，而新疆暴雨或強降水造成的山洪災害較多。因而根據(jù)暴雨洪水成災事實和干旱、半干旱地區(qū)暴雨特點及河川與下墊面滲透力較差等情況，將日降雨量超過24 mm 的降雨確定為暴雨日[13]。雖然新疆暴雨相對南方地區(qū)來說場次少、強度弱，但是每年夏季均會出現(xiàn)區(qū)域性暴雨過程，且暴雨山洪危險程度較高。殷鑒虹等[14]分析了伊犁河谷春夏季極端天氣的氣候變化，得出該地區(qū)暴雨頻次在20 世紀90 年代以后明顯增加。據(jù)新疆氣候中心氣候影響評價報告，近10 a 新疆局地暴雨造成的災害占氣象災害的36%，平均每年記錄局地暴雨洪水災害45次，給當?shù)毓I(yè)、農牧業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)造成的損失越來越大[15]。其他學者的研究成果也表明，近50 a 新疆暴雨洪水災害有加重趨勢[16-19]。深入分析新疆暴雨山洪災害變化，特別是暴雨山洪災害時空變化規(guī)律，可為當?shù)睾樗疄暮Ψ烙涂沙掷m(xù)發(fā)展提供參考。2020 年5 月31 日國務院辦公廳印發(fā)《關于開展第一次全國自然災害綜合風險普查的通知》，自然災害綜合風險普查工程正式啟動，中國氣象局黨組高度重視氣象災害風險普查工作，新疆氣象局8月也正式開展普查工作，做好新疆暴雨山洪災害損失研究，可為新疆暴雨災害風險普查工作提供科技支撐。

本文研究根據(jù)1961 年以來新疆維吾爾自治區(qū)民政廳記載的暴雨山洪災害災情信息，對研究數(shù)據(jù)進行歸一化和可比化等處理，分析1961—2019 年新疆暴雨山洪災害的時空特點，劃分新疆各區(qū)域暴雨山洪災害的強弱等級，為合理制定防災減災措施、防洪避險規(guī)劃以及有效開展暴雨山洪災害風險管理提供科學決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與資料

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處亞歐大陸中部，遠離海洋，周圍山脈環(huán)繞，北部的阿爾泰山、南部的昆侖山及中部橫亙全境的天山將全境分為北疆和南疆，形成“三山夾兩盆”的獨特地形。特殊的地理位置和地形地貌特征，決定了新疆溫帶大陸性干旱氣候，導致降水分布極不均勻。南北疆降雨差異顯著，有些地方在有利的地形條件下年總降水量超過700 mm。其中天山山區(qū)雨量最大，占新疆總雨量的40.4%，北疆地區(qū)占34.4%，南疆地區(qū)約占25.3%[20]。

新疆的降雨主要出現(xiàn)在每年的3—10 月，期間累計的年平均降雨量為133 mm，5—7 月是新疆降雨最多的3 個月，占全年降雨量的51.5%，7 月的年平均降雨量達25 mm，為降雨最多月份。新疆的降雨量在空間上分布極不均衡，明顯表現(xiàn)為北疆遠多于南疆，山區(qū)遠多于平原的特征。

依據(jù)新疆地形地貌和地（市）、州的行政區(qū)劃將研究區(qū)域分為13 個區(qū)域，將烏魯木齊市、昌吉州、塔城地區(qū)的烏蘇市和沙灣縣、伊犁州的奎屯市、克拉瑪依市的獨山子劃入“北疆沿天山一帶”，自治區(qū)直轄各縣級市放入所在的地（市）、州的研究區(qū)域內。新疆13 個研究區(qū)域及其中的86 個縣（市）行政中心和91個氣象站及其地形地貌分布見圖1。

圖1 新疆研究區(qū)（a）與地形地貌（b）概況區(qū)劃分布

1.2 數(shù)據(jù)資料

根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)民政廳記載的暴雨山洪災害災情信息，對數(shù)據(jù)進行逐條整理和核實，得到1961—2019 年新疆暴雨山洪災害數(shù)據(jù)，基于氣象部門暴雨天氣過程記錄，剔除明顯有誤與不合理的數(shù)據(jù)，滿足數(shù)據(jù)的代表性、完整性和準確性。該數(shù)據(jù)信息在空間上涵蓋新疆86 個縣（市），時間序列上也基本滿足對近幾十年來氣候變化背景下氣象災害發(fā)生和演變特點的分析，包括暴雨山洪災害信息的出現(xiàn)時間（年月日）、出現(xiàn)區(qū)域（縣/市）、死亡人數(shù)（人）、倒塌房屋數(shù)（間）、倒塌棚圈數(shù)（座）、牲畜死亡數(shù)量（頭）、農作物受災面積（hm2）等災情記錄，共計3 221 條。若某次某縣（市）區(qū)域內出現(xiàn)1 次暴雨山洪災害，則該縣（市）暴雨山洪災害出現(xiàn)次數(shù)記為1。

1.3 災損指數(shù)的構建

暴雨山洪災害的災情資料包含5 個要素，分別為死亡人數(shù)（人）、倒塌房屋（間）、倒塌棚圈（座）、死亡牲畜（頭）、受災面積（hm2），各縣（各年）暴雨山洪災害的強弱無法直接使用5 個要素進行比較。為了能客觀地給出各縣（各年）的暴雨山洪災害強弱，運用5 個災情要素信息構建綜合災損指數(shù)（Zi）。在Zi的構建中通過比值法確定每個災情要素的權重，基于災情要素權重采用無量綱化線性求和的方法得到Zi。

設有m 個災情要素，每個災情要素由n 個樣本組成，這樣可得到暴雨山洪災害的災情要素評價矩陣Xn×m。則暴雨山洪災害災損指數(shù)Zi的計算公式[21]：

式中，i=1，2，…，n；，a1，a2，…，a5分別代表 5 個災情要素的權重分別代表 5 個災情要素的平均值。第j 個災情要素的權重aj的計算公式定義如下：

式中，Xia為第j 個災情要素的最大值，代表第j 個災情要素無量綱化的累計值代表m 個災情要素無量綱化的總和。

對于以縣市為代表的空間區(qū)劃，n 代表縣（市）數(shù)，n=86，X 為某縣（市）每個災情要素 1961—2019年累計值。對于以年為代表的年際變化，n 代表年數(shù)，n=59 a，X 為某年某個災情要素的累計值。

利用1961—2019 年新疆各縣（市）某個災情要素的59 a 累計值，某年某個災情要素的86 個縣（市）累計值，分別依據(jù)比值方法計算得到空間和年的5 個災情要素對應的權重、平均值、最大值（表1）?；谶@些參數(shù)可以計算得到用于表達空間情況的86 個災損指數(shù)Zs，表達年的59 個年災損指數(shù)Zy。

表1 災情要素的權重、平均值和最大值

1.4 災損指數(shù)的危害性等級閾值的確定

根據(jù)1961—2019 年新疆86 縣（市）暴雨山洪災害的死亡人數(shù)、倒塌房屋數(shù)、倒塌棚圈數(shù)、牲畜死亡數(shù)量、農作物受災面積5 個災情要素，采用比值權重法和無量綱化線性求和方法構建暴雨山洪災害災損指數(shù)Z。利用概率分布密度的直方圖法和假設檢驗[22]確定縣、年災損指數(shù)Z 的概率密度函數(shù)，根據(jù)概率密度確定縣、年災損指數(shù)Z 不同等級的閾值，進而實現(xiàn)各縣、各年暴雨山洪災害的危害性等級劃分。

根據(jù)縣、年災損指數(shù)樣本序列，采用概率分布密度的圖解法，取分組數(shù)10 得到縣、年災損指數(shù)直方圖（圖2），直方圖顯示災損指數(shù)近似服從伽瑪分布。縣災損指數(shù)的平均值μ=1，方差σ2=0.528 1，年災損指數(shù)的平均值 μ=1，方差 σ2=1.568 8。由 μ=α0β0，σ2=α0β02關系式計算得到縣伽瑪分布的參數(shù)α=1.893 6，β=0.528 1，年伽瑪分布的參數(shù) α=0.637 4，β=1.568 8。

圖2 縣（a）與年（b）暴雨山洪災害災損指數(shù)概率密度分布

根據(jù)文獻[22]的檢驗方法計算得到縣、年的統(tǒng)計量V=4.01，取α=0.01，查χ2分布表得到臨界值λ=18.48。因V＜λ，認為縣、年的災損指數(shù)Z 服從伽瑪分布，縣、年的概率密度函數(shù)均可用伽瑪分布函數(shù)表達，具體表達式為：

由伽瑪分布函數(shù)的概率可確定縣、年的災損指數(shù)分位點zp值，根據(jù)分布函數(shù)的概率及對應的災損指數(shù)閾值，將年災損等級（綜合危害性）劃分為：“特重”“嚴重”“較重”“一般”4 個等級，表 2 給出了縣、年暴雨山洪災害危害性等級劃分標準。

表2 縣、年暴雨山洪災害等級劃分標準

2 結果分析

2.1 暴雨山洪災害的空間分布

由暴雨山洪災害5 個災情要素及災損指數(shù)的空間分布特征（圖3）來看，研究區(qū)域72%的站點受暴雨山洪災害影響平均死亡人數(shù)在0.01～0.39 人，伊犁州霍城縣、鞏留縣，克州的阿克陶縣，阿克蘇地區(qū)的阿克蘇市、拜城縣和喀什地區(qū)葉城縣受暴雨山洪災害影響平均死亡人數(shù)超過0.79 人，其中喀什地區(qū)葉城縣高達1.56 人（圖3a）；結合平均房屋受損情況來看，60%以上的站點平均房屋受損不超過96間，19.8%的站點平均房屋受損97～191 間，伊犁州伊寧市、察布查爾縣、新源縣、特克斯縣、鞏留縣、昭蘇縣、尼勒克縣、霍城縣，吐魯番地區(qū)吐魯番市、鄯善縣，喀什地區(qū)喀什市、伽師縣、疏附縣平均房屋受損201.42～259.53 間，而喀什地區(qū)莎車縣、葉城縣和伊犁州伊寧縣平均房屋受損最嚴重，分別為297.97、299.92、381.83 間（圖 3b）；平均倒塌棚圈超過 87 座的站點主要集中在喀什地區(qū)喀什市、葉城縣、莎車縣、伽師縣和和田地區(qū)洛浦縣，其中洛浦縣高達349.37 座（圖3c）；79.1%的研究站點平均死亡牲畜在1～449 頭，伊犁州伊寧縣、霍城縣、鞏留縣、尼勒克縣和阿克蘇地區(qū)烏什縣平均死亡牲畜超過900頭，其中伊犁州伊寧縣高達1 800 頭（圖3d）；從平均作物受災面積來看（圖3e），89.5%的研究站點平均受災面積在29～1 341 hm2，塔城地區(qū)烏蘇市，阿克蘇地區(qū)阿克蘇市、新和縣、拜城縣、溫宿縣、沙雅縣、庫車縣、烏什縣、阿瓦提縣平均作物受災面積超過1 341 hm2，其中阿克蘇市高達5 279.44 hm2；結合受災指數(shù)（圖3f），62.8%的研究站點受災指數(shù)不超過1，伊犁州伊寧縣、尼勒克縣、霍城縣、鞏留縣，喀什地區(qū)喀什市、莎車縣、葉城縣，阿克蘇地區(qū)阿克蘇市、烏什縣的受災指數(shù)超過2.0，其中伊犁州伊寧縣高達3.18。

圖3 暴雨山洪災害5 個災情要素及災損指數(shù)的空間分布特征

由暴雨山洪災害危害性等級的空間分布（圖4）可知，伊犁州、阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)為災損等級特重的區(qū)域，其中伊犁州是新疆災損最重的區(qū)域，伊寧縣、鞏留縣、霍城縣和尼勒克縣尤為顯著；其次是阿克蘇地區(qū)，阿克蘇市、烏什縣、拜城縣為阿克蘇地區(qū)范圍內災害等級最重的區(qū)域，而喀什地區(qū)喀什市、莎車縣和葉城縣是喀什地區(qū)災損最重的縣（市）?？酥莅⒖颂湛h和和田地區(qū)洛浦縣災損等級為嚴重的區(qū)域。上述區(qū)域的山前谷地和山前平原的各縣（市）為特重，平原區(qū)域的縣（市）為嚴重。災損等級較重的區(qū)域為：博州溫泉縣，阿勒泰地區(qū)阿勒泰市、富蘊縣，塔城地區(qū)烏蘇市，烏魯木齊市，昌吉州阜康市，克州阿合奇縣、烏恰縣，和田地區(qū)于田縣、皮山縣以及哈密市伊州區(qū)。

圖4 暴雨山洪災害危害性等級的空間分布特征

暴雨山洪災害的致災因子降雨要素空間分布極不均勻，區(qū)域性差異顯著。根據(jù)新疆1961—2019 年91 個氣象站的降水資料分析可知，每年3—10 月全疆平均的降雨量在7.07～511.26 mm，大雨以上日數(shù)在 0.05～13.39 d，暴雨以上日數(shù)在 0.00～4.56 d。南北疆降水差異顯著，其中伊犁州、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)的降雨量和大雨、暴雨日數(shù)分布最多；博州、塔額盆地、克州山區(qū)等區(qū)域的降雨量和大雨、暴雨日數(shù)較多；南疆大部分區(qū)域降雨量和大雨、暴雨日數(shù)較少，而吐魯番市是新疆降雨最少的區(qū)域，基本無大雨暴雨日數(shù)出現(xiàn)。結合暴雨山洪災害的危險性等級的空間分布特征，伊犁州和克州山區(qū)的暴雨日數(shù)分布情況與其危險性等級的空間分布有較好的一致性，但阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)等地的部分縣市與之相反，暴雨日數(shù)分布較少而其危險性等級卻較高。綜上所述，伊犁州是新疆暴雨多發(fā)的區(qū)域，其致災危險性程度很高，社會經(jīng)濟發(fā)展一般，屬于新疆暴雨災害損失特重的區(qū)域；南疆阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)的降雨量和大雨、暴雨日數(shù)出現(xiàn)較少，但這些區(qū)域的地表植被稀疏、下墊面透水性差，強降水易導致地面徑流增加，同時社會經(jīng)濟發(fā)展相對滯后、當?shù)鼐用竦奈幕逃较鄬β浜螅瑢Ρ┯隇暮Φ姆烙芰鸵庾R相對薄弱，這些區(qū)域同時又是新疆的農業(yè)和人口密集區(qū)域，從而導致這兩個區(qū)域也是新疆暴雨災害損失特重的區(qū)域。

2.2 暴雨山洪災害的年變化

通過對新疆86 個縣（市）5 個災情要素的逐月年變化分析來看（圖5a、5b），新疆暴雨山洪災害的發(fā)生和損失具有很強的季節(jié)性。暴雨山洪災害5 個災情要素從每年春季3 月開始出現(xiàn)，夏季6—8 月的災害危害性最大，9 月入秋季后，危害性則急劇減少；暴雨山洪災害出現(xiàn)次數(shù)和死亡人數(shù)在7 月最多（分別為30.39%和34.34%），倒塌房屋數(shù)在8 月最多（27.73%），倒塌棚圈和死亡牲畜在4 月最多（分別為30.01%和29.21%），受災面積在6 月最大（29.09%），這與新疆降水時間分布特征基本一致（圖5c）。新疆降水主要發(fā)生在4—9 月，集中在5—8 月，暴雨以上日數(shù)平均為0.06 d（圖5d），大雨以上日數(shù)在5—8 月超過0.33 d（圖5e）、夏季的強降水量占全年的54.4%?？梢姡┯晟胶闉暮Τ霈F(xiàn)次數(shù)和死亡人數(shù)與降水量、大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)的相關性最大。

圖5 暴雨山洪災害（a、b）、降水量（c）、暴雨以上（d）和大雨以上（e）出現(xiàn)日數(shù)的年變化

2.3 暴雨山洪災害的年際變化

由災損指數(shù)的年際變化（圖 6a）可知，3 級、4 級災害均出現(xiàn)在1985 年之后，而1985 年之前災害等級絕大多是為1 級，2 級僅出現(xiàn)2 a。年災損指數(shù)（ZY）在年代際變化上分為兩個階段，在20 世紀80年代中期有一個明顯的突變，年災損指數(shù)隨時間呈線性增長趨勢。年災損指數(shù)與時間的線性回歸方程為 ZY=0.028t+0.174（R=0.198 6，P=4.0×10-4），明顯通過信度檢驗，表明新疆暴雨山洪災害的年際變化在近59 a 來呈上升趨勢，而且在氣候變暖背景下，暴雨山洪災害呈現(xiàn)波動性加劇，具體表現(xiàn)為年際變率加大，危害程度達特重以上的年份明顯增多。

從圖6 同樣發(fā)現(xiàn)3—10 月降水量、大雨以上和暴雨以上日數(shù)的年代際變化與年災損指數(shù)的年代際變化曲線形態(tài)相似。另外，年災損指數(shù)在1984 年出現(xiàn)突變，突變后年災損指數(shù)明顯增大，突變后的平均值是突變前的6 倍；3—10 月降水量、大雨以上和暴雨以上日數(shù)均在1986 年出現(xiàn)突變，突變后的平均值分別是突變前的3.0、1.2、1.5 倍。這進一步說明3—10 月降水量、大雨以上和暴雨以上日數(shù)是造成新疆暴雨山洪損失最重要的影響因子。除暴雨山洪損失與降水密切相關外，其與區(qū)域內的人口密度、經(jīng)濟體量以及承災體的暴露度和脆弱性等因子也有一定的聯(lián)系。

圖6 災損指數(shù)（a）、3—10 月降水量（b）、暴雨以上（c）和大雨以上（d）出現(xiàn)日數(shù)的年際變化

3 結論

分析了1961—2019 年新疆暴雨山洪災害的時空特點，劃分與區(qū)劃暴雨山洪災害的強弱等級，通過分析災損指數(shù)時空分布特征并與3—10 月降水量、大雨以上日數(shù)、暴雨以上日數(shù)對比分析，得到以下結論：

（1）新疆暴雨山洪災害主要出現(xiàn)在伊犁州、阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)，其中伊犁州伊寧縣、鞏留縣、霍城縣和尼勒克縣最重。上述區(qū)域5 個災情要素均高于新疆區(qū)域平均值，災損指數(shù)均超過2.0，其山前谷地和山前平原的各縣（市）為特重，平原區(qū)域的縣（市）為嚴重。伊犁州暴雨山洪致災危險性程度很高，與其暴雨日數(shù)分布有很好的一致性，但阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)等地的部分縣市與之相反。

（2）新疆暴雨山洪災害的發(fā)生和損失具有很強的季節(jié)性，5 個災情要素的災害危害性從3 月開始出現(xiàn)，9 月急劇減少，夏季最大，且與新疆降水時間分布特征基本一致。暴雨山洪災害出現(xiàn)次數(shù)和死亡人數(shù)與降水的相關性最大。

（3）近59 a 來，新疆暴雨山洪災害的年際變化呈上升趨勢，而且在氣候變暖背景下暴雨山洪災害波動性加劇，表現(xiàn)為年際變率加大，危害程度達特重以上的年份明顯增多。山洪災害在年代際變化上分為兩個階段，在20 世紀80 年代中期有一個明顯的突變，年災損指數(shù)隨時間呈線性增長趨勢，山洪損失與降水密切相關。