基于GIS的承德市終霜凍災(zāi)害等級(jí)劃分與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

彭九慧， 王 多， 童 俊， 楊慶紅

(1.承德市氣象局，河北 承德 067000； 2.河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000)

引 言

霜凍是我國(guó)發(fā)生范圍較廣的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害,其發(fā)生頻次多、影響范圍大，對(duì)農(nóng)業(yè)、林果業(yè)危害嚴(yán)重，常造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，進(jìn)行霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，制定綜合管理對(duì)策，對(duì)霜凍災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理和制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，是防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑[1-3]。近年來(lái)，各地的科技工作者，針對(duì)霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃作了大量工作，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。如李軍玲等[4]選取冬小麥晚霜凍有害積寒和頻度、冬小麥種植面積、灌耕比和單位提灌面積機(jī)井?dāng)?shù)等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo),建立了冬小麥晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。陳凱奇等[5]研究了遼寧省初霜凍日期的變化特征及其對(duì)玉米種植的影響，并對(duì)霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。 嚴(yán)應(yīng)存等[6]采用圖表法和指數(shù)乘積法，研究了青海省霜凍災(zāi)害變化特征及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。還有很多學(xué)者[7-10]研究了霜凍出現(xiàn)時(shí)間、霜凍強(qiáng)度與作物受災(zāi)程度的關(guān)系。氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(作物霜凍害等級(jí)，2008)規(guī)定, 霜凍害是由于日最低氣溫下降，致使植株莖、葉溫度下降到0 ℃或0 ℃以下，使正在生長(zhǎng)發(fā)育的作物受到凍傷，從而導(dǎo)致減產(chǎn)、品質(zhì)下降或絕收的現(xiàn)象[11]。以往的研究多以地面0 cm的最低溫度或日最低氣溫作為霜凍災(zāi)害等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 把霜凍特別是終霜凍出現(xiàn)的時(shí)間作為霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子的較少。通過(guò)分析承德市1965-2018年54年的終霜凍災(zāi)情發(fā)現(xiàn),即使最低氣溫或地面0 cm的溫度較高(在0 ℃左右),如果終霜出現(xiàn)的時(shí)間夠晚, 也會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)出現(xiàn)時(shí)間晚的終霜甚至比溫度低造成的損失更大。

如2005年5月6-8日,平泉市遭受嚴(yán)重的終霜凍災(zāi)害, 受災(zāi)人口9.5萬(wàn)人，作物凍死、凍傷面積6500公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失2000多萬(wàn)元，當(dāng)日平泉市氣溫0 ℃以上, 地面0 cm最低氣溫在-1 ℃以上，終霜日期比多年平均日期晚10天。

承德市地處山區(qū)，幾乎每年春天都有因終霜凍造成的經(jīng)濟(jì)損失。精細(xì)化的終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃將是調(diào)整農(nóng)業(yè)種植計(jì)劃和品種選擇的重要依據(jù)。本研究通過(guò)構(gòu)建以時(shí)間系數(shù)和強(qiáng)度系數(shù)加權(quán)組合的綜合霜凍指數(shù)評(píng)價(jià)終霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的方法，增強(qiáng)霜凍災(zāi)害等級(jí)劃分的科學(xué)性。在此基礎(chǔ)上，以致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體的脆弱性為評(píng)價(jià)因子，基于GIS空間分析技術(shù)，制作精細(xì)化的終霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖[12],以期為農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)提供決策支撐。

1 資料來(lái)源

選取1965-2018年承德市近54年9個(gè)縣區(qū)春季逐日地面0 cm最低溫度觀測(cè)資料，承德市民政局提供的205個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的54年各區(qū)縣89個(gè)終霜凍災(zāi)情損失資料，基準(zhǔn)年為2014年精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的全市玉米播種面積和蘋果、梨種植面積資料，1∶50000比例尺的承德市數(shù)字高程資料。在進(jìn)行ArcGIS空間分析時(shí)，為了方便對(duì)每個(gè)圖層賦予不同權(quán)重進(jìn)行計(jì)算疊加，將每個(gè)數(shù)據(jù)序列按公式(1)進(jìn)行歸一化處理，所有的數(shù)據(jù)值均在0～1，柵格單元大小均設(shè)置為1 km×1 km。

2 資料處理方法

氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是利用氣溫的高低對(duì)作物霜凍的強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)。分析承德市多年歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，終霜出現(xiàn)的時(shí)間晚比氣溫強(qiáng)度對(duì)作物造成的損失更大。因此在對(duì)終霜凍災(zāi)害等級(jí)劃分時(shí)，增加了時(shí)間判別系數(shù)，由強(qiáng)度、時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)災(zāi)情賦予不同的權(quán)重，形成綜合霜凍指數(shù)來(lái)對(duì)終霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。

2.1 終霜凍災(zāi)害的時(shí)間系數(shù)處理

以每年春季地面0 cm最低溫度最后一次達(dá)到0 ℃或以下出現(xiàn)的日期作為終霜日進(jìn)行分析。將近54年逐年的終霜出現(xiàn)日期進(jìn)行排序，以終霜出現(xiàn)的最早日期為1，從小到大排序，根據(jù)當(dāng)年出現(xiàn)的日期對(duì)應(yīng)的序號(hào)位置，得到當(dāng)年終霜災(zāi)害對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)值。對(duì)逐年的時(shí)間系數(shù)值按公式(1)進(jìn)行歸一化處理，得到為0～1的每年的終霜凍災(zāi)害時(shí)間系數(shù)(出現(xiàn)時(shí)間越晚，數(shù)值越大)：

(1)

其中，xi′與xi分別表示數(shù)據(jù)的量化值和原始值，xmax表示指標(biāo)i在所有數(shù)據(jù)中的最大值。

2.2 終霜凍災(zāi)害的強(qiáng)度系數(shù)處理

將54年終霜日地面0 cm最低溫度進(jìn)行排序，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)值為負(fù)值，所有的數(shù)值均加上最小值的絕對(duì)值，將所有數(shù)據(jù)變?yōu)檎?，再?duì)所有的數(shù)據(jù)取倒數(shù)后歸一化處理，從而得到介于0～1的每年的終霜凍災(zāi)害強(qiáng)度系數(shù)。地面0 cm最低溫度越低，數(shù)值越大。為了防止負(fù)值轉(zhuǎn)正值計(jì)算中出現(xiàn)數(shù)字0，最小值直接賦值0.01。

2.3 綜合霜凍指數(shù)的制定與分級(jí)

加權(quán)評(píng)價(jià)法是一種多因子評(píng)價(jià)法，基本原理是根據(jù)各因子相對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象的重要程度確定其權(quán)重，加權(quán)綜合后用一個(gè)總的量化指數(shù)來(lái)表達(dá)評(píng)價(jià)對(duì)象優(yōu)劣的評(píng)價(jià)方法[13-14]。在本研究中，終霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)采用終霜凍時(shí)間系數(shù)和強(qiáng)度系數(shù)加權(quán)組合的綜合霜凍指數(shù)來(lái)表征。

分析54年災(zāi)情數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，承德市終霜凍出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)霜災(zāi)損失影響較大，終霜日出現(xiàn)得越晚，造成的損失越大。因此參照災(zāi)情的實(shí)際情況，采用專家打分法,將時(shí)間系數(shù)的權(quán)重設(shè)定為0.7，強(qiáng)度系數(shù)的權(quán)重設(shè)定為0.3。

I=0.7X1+0.3X2

(2)

I為綜合霜凍指數(shù)，X1為時(shí)間系數(shù)，X2為強(qiáng)度系數(shù)。

計(jì)算近 54年各縣區(qū)綜合霜凍指數(shù)的期望值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用期望值加標(biāo)準(zhǔn)差的正負(fù)0.5倍將霜凍災(zāi)害分為3級(jí)，利用標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法將霜凍危險(xiǎn)級(jí)別分為重霜凍、中霜凍和輕霜凍(表1)。

表1 承德市終霜凍災(zāi)害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(I為綜合霜凍指數(shù))

計(jì)算綜合霜凍指數(shù)與89個(gè)災(zāi)情個(gè)例農(nóng)作物受災(zāi)面積的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)為0.67, 通過(guò)了ɑ=0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)(圖1)。因此，采用綜合霜凍指數(shù)評(píng)價(jià)法，能根據(jù)災(zāi)情科學(xué)地劃分霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)。

圖1 綜合霜凍指數(shù)與農(nóng)作物受災(zāi)面積相關(guān)分析圖

3 終霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

3.1 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性往往是由致災(zāi)因子的強(qiáng)度和頻次兩方面的因素決定的[15-16]，而綜合霜凍指數(shù)反映了終霜出現(xiàn)的時(shí)間、強(qiáng)度的綜合特征，某地的綜合霜凍指數(shù)大，說(shuō)明霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子較活躍，災(zāi)害發(fā)生的概率大。根據(jù)綜合霜凍指數(shù)，分別計(jì)算各縣區(qū)的終霜重霜凍、中霜凍、輕霜凍的出現(xiàn)頻次，根據(jù)災(zāi)損率確定輕、中、重3級(jí)霜凍害的危險(xiǎn)性權(quán)重比為0.3∶0.7∶1.0[17],歸一化處理后, 確定輕、中、重3級(jí)霜凍害的危險(xiǎn)性權(quán)重分別為0.15、0.35和0.50。根據(jù)公式(3)，計(jì)算各地的終霜災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)H，得到承德市終霜災(zāi)害的危險(xiǎn)性分布(圖2)。

(3)

式中,H為終霜災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)，Pi為終霜重霜凍、中霜凍、輕霜凍的出現(xiàn)頻次，Ii為輕、中、重3級(jí)霜凍害的危險(xiǎn)性權(quán)重。

采用自然斷點(diǎn)分級(jí)(圖2)后可以看出，承德市終霜災(zāi)害的高危險(xiǎn)區(qū)與次髙危險(xiǎn)區(qū)主要分布在圍場(chǎng)縣、灤平縣 、隆化縣和豐寧縣中南部, 終霜凍的中危險(xiǎn)區(qū)主要分布在豐寧縣北部、市區(qū)、平泉市、承德縣和興隆縣北部，終霜凍的低危險(xiǎn)區(qū)分布在承德市南部的寬城縣和興隆縣大部。

圖2 承德市終霜災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)分布圖

3.2 孕災(zāi)環(huán)境評(píng)價(jià)

孕災(zāi)環(huán)境主要指致災(zāi)因子、承災(zāi)體所處的自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境。分析承德市霜災(zāi)發(fā)生頻次與海拔高度關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著海拔高度的升高，霜災(zāi)發(fā)生的次數(shù)增多。因此，確定孕災(zāi)環(huán)境敏感性主要考慮海拔高度與霜災(zāi)頻次2個(gè)評(píng)價(jià)因子(權(quán)重見(jiàn)表2)。將數(shù)字高程數(shù)據(jù)投影后柵格化、歸一化處理后，與歸一化的霜災(zāi)頻次加權(quán)求和，計(jì)算孕災(zāi)環(huán)境敏感性指數(shù)。對(duì)敏感性指數(shù)分級(jí)，得到終霜凍孕災(zāi)環(huán)境敏感性分布(圖3)。

圖3 承德市終霜災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性分布圖

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，承德市終霜凍災(zāi)害高敏感區(qū)主要分布在海拔高度比較高的圍場(chǎng)縣和受災(zāi)頻次較高的灤平縣及隆化縣的東北部地區(qū)。

3.3 承災(zāi)體的易損性

承災(zāi)體的物理暴露性(亦稱為易損性)是指暴露在致險(xiǎn)要素影響范圍內(nèi)的承險(xiǎn)體數(shù)目或價(jià)值量。承德市54年的終霜凍災(zāi)情資料分析顯示，承德市霜凍受災(zāi)的對(duì)象主要是農(nóng)作物與經(jīng)濟(jì)林果，因此確定承災(zāi)體易損性主要考慮耕地面積、經(jīng)濟(jì)林面積。全市耕地種植面積排在第一位的是玉米，占總種植面積的70%左右。承德市大部區(qū)縣玉米在4月中下旬播種，9月中下旬收獲，終霜災(zāi)害有2/3出現(xiàn)在5月上旬，正值玉米的苗期，因此受終霜害影響最大的也是玉米。經(jīng)濟(jì)林中正值花期的蘋果和梨受終霜凍影響最大[18],因此選擇玉米種植面積、蘋果種植面積、梨種植面積作為終霜災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法[19-22]，得到各指標(biāo)的權(quán)重(表2)。將數(shù)據(jù)歸一化處理后,在ArcGIS中進(jìn)行空間插值，通過(guò)柵格計(jì)算，加權(quán)求和[23]計(jì)算，得到承德市終霜災(zāi)害承災(zāi)體綜合易損性分布圖(圖4)(分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3)。

圖4 承德市終霜災(zāi)害承災(zāi)體易損性分布圖

從圖4中可以看出,承德市終霜凍災(zāi)害高易損區(qū)與次高易損區(qū)主要分布在玉米種植面積比較大的平泉市、豐寧縣中南部、灤平縣北部與蘋果、梨種植面積較大的承德縣、寬城縣北部。

3.4 制作承德市終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力4個(gè)方面決定。霜凍災(zāi)害主要對(duì)大田和露天作物造成影響，受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、成本諸多因素影響，即使預(yù)測(cè)到霜凍災(zāi)害，也無(wú)法采取經(jīng)濟(jì)有效的措施防御[24]，因此在作終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃時(shí)，選擇致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性3個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子[25-26]。終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)函數(shù)表示為：終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(R)=f(危險(xiǎn)性、易損性、敏感性)。本文采用層次分析法通過(guò)構(gòu)造3階判斷矩陣,確定終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重并通過(guò)一致性檢驗(yàn)(表2)。

表2 承德市終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)各評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

承德市每個(gè)格點(diǎn)的終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)=0.6522×歸一化危險(xiǎn)性指數(shù)+0.107×歸一化易損性指數(shù)+0.265×歸一化敏感性指數(shù)。柵格計(jì)算后，利用自然斷點(diǎn)方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分(分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3)，得到承德市終霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃(圖5)。

表3 終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子歸一化指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

從圖5中可以看出,承德市終霜災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于平泉市、圍場(chǎng)縣、豐寧縣大部、灤平縣大部和隆化縣北部；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于隆化縣大部、承德縣東部、興隆縣北部、灤平縣中部和豐寧縣部分地區(qū)；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于市區(qū)、營(yíng)子區(qū)、寬城縣、承德縣中西部和興隆縣中南部地區(qū)。

圖5 承德市終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1)本文在傳統(tǒng)劃分霜凍等級(jí)方法的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)歷史災(zāi)情、基于終霜出現(xiàn)時(shí)間和地面0 cm最低溫度，確定終霜出現(xiàn)時(shí)間系數(shù)與強(qiáng)度系數(shù)，構(gòu)建綜合霜凍指數(shù)，劃分山區(qū)終霜災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合霜凍指數(shù)與農(nóng)作物受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為0.67。

(2)從致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體的脆弱性、孕災(zāi)環(huán)境的敏感性出發(fā)，建立了承德市終霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。分析終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖發(fā)現(xiàn)，終霜災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于海拔較高或受災(zāi)頻次較大的地區(qū)，承德市中北部區(qū)縣的終霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大于承德市南部地區(qū)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 討 論

(1)在實(shí)際工作中,可以根據(jù)每年終霜出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)于最早日期的天數(shù)和預(yù)報(bào)(或?qū)崨r)的最低地溫值，計(jì)算出綜合霜凍指數(shù)，確定終霜災(zāi)害等級(jí)，再根據(jù)終霜災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，確定受災(zāi)重點(diǎn)區(qū)域，為霜災(zāi)評(píng)估和政府防災(zāi)決策提供依據(jù)。

(2)由于霜凍觀測(cè)的空間分辨率較低，對(duì)于地形復(fù)雜、地域?qū)拸V的山區(qū) ，隨著氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)的逐步建立及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)增多，可以將模型進(jìn)一步細(xì)化。另外，受終霜災(zāi)情資料的限制及每年種植結(jié)構(gòu)變化的影響，區(qū)劃模型考慮的因子、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的選擇，還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)并動(dòng)態(tài)更新。

(3)對(duì)于終霜災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或終霜頻次較高的地區(qū)，在生長(zhǎng)期不變的情況下，可以選擇比較耐寒的玉米品種，以減少農(nóng)業(yè)損失。