河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

孫玉龍，景 華**，孫 擎，李 婷，魏鐵鑫，高珊珊，余焰文

河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

孫玉龍1，景 華1**，孫 擎2，李 婷1，魏鐵鑫1，高珊珊3，余焰文4

(1.河北省氣象災(zāi)害防御和環(huán)境氣象中心，石家莊 050021；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081；3.河北省氣象技術(shù)裝備中心，石家莊 050021；4.江西省撫州市氣象局，撫州 344199)

基于長(zhǎng)時(shí)間序列的河北省142個(gè)國(guó)家級(jí)氣象臺(tái)站大風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、歷史蘋果大風(fēng)災(zāi)情統(tǒng)計(jì)資料、蘋果生育期等數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)機(jī)器學(xué)習(xí)模型延長(zhǎng)極大風(fēng)速時(shí)間序列，利用對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的極大風(fēng)速和災(zāi)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定蘋果兩個(gè)主要生育期內(nèi)不同等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害氣象指標(biāo)閾值，分析了蘋果大風(fēng)災(zāi)害時(shí)空分布特征，對(duì)蘋果大風(fēng)災(zāi)害的危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露度和防災(zāi)減災(zāi)能力等指標(biāo)進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果表明：隨機(jī)森林模型模擬精度較高，可以較好地延長(zhǎng)極大風(fēng)速時(shí)間序列；蘋果花期?幼果期的大風(fēng)災(zāi)害閾值為極大風(fēng)速≥9.1m·s?1，果實(shí)膨大-成熟期為極大風(fēng)速≥7.9m·s?1，并進(jìn)一步劃分了不同等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)，驗(yàn)證結(jié)果與歷史記錄有較高的一致性；蘋果大風(fēng)災(zāi)害每年發(fā)生次數(shù)呈先降后升的趨勢(shì)，河北省西北部和滄州市東部大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次較高；蘋果大風(fēng)災(zāi)害較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域較為分散，約占全省面積的20%，主要分布在張家口市東部、承德市東南部、衡水市中部和石家莊市東部等地。

蘋果；大風(fēng)災(zāi)害；機(jī)器學(xué)習(xí)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中國(guó)是全球最大的蘋果生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2018年中國(guó)蘋果的種植面積和產(chǎn)量分別占世界的45.55%和42.24%。河北是重要的水果生產(chǎn)供應(yīng)基地之一，2018年河北省蘋果產(chǎn)地總面積與產(chǎn)量均排名全國(guó)第7位[1]。河北省受京津的輻射帶動(dòng)性較強(qiáng)，對(duì)高質(zhì)量蘋果的消費(fèi)需求也日益增加。大風(fēng)災(zāi)害是河北省主要?dú)庀鬄?zāi)害之一[2]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)包括果實(shí)栽培和設(shè)施大棚等均會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失[3?4]，因此，確定河北地區(qū)蘋果大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)，開(kāi)展大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究對(duì)保障河北地區(qū)鄉(xiāng)村振興成果，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)于蘋果氣象災(zāi)害及其風(fēng)險(xiǎn)的研究主要集中在干旱等級(jí)指標(biāo)和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[5]、花期凍害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6]、綜合干旱、冰雹、凍害等多種氣象災(zāi)害的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[7]、晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[8]等，在大風(fēng)災(zāi)害方面僅有魯天平等[4]對(duì)新疆林果產(chǎn)業(yè)的大風(fēng)和沙塵兩種災(zāi)害進(jìn)行了綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃。

關(guān)于大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究一般集中在大風(fēng)過(guò)程的本身或綜合災(zāi)損的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。李蘭等[9]通過(guò)分析大風(fēng)災(zāi)害頻率、影響度、致災(zāi)因子和承災(zāi)體易損度等指標(biāo)研究了湖北省大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度。夏祎萌等[10]研究了新疆的大風(fēng)災(zāi)害和危險(xiǎn)度，認(rèn)為新疆大部分地區(qū)屬于中度危險(xiǎn)地區(qū)。孫霞等[11]等通過(guò)研究大風(fēng)分布特征、致災(zāi)指數(shù)和風(fēng)災(zāi)承災(zāi)指數(shù)等，計(jì)算了河北省大風(fēng)災(zāi)度和危險(xiǎn)度。部分學(xué)者還對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[12?14]。而結(jié)合大風(fēng)災(zāi)害和承災(zāi)體的研究多集中在溫室大棚，李婷等[2?3，15?16]基于大風(fēng)災(zāi)損資料、試驗(yàn)等確定了各類溫室大棚和日光溫室的大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。張倩[17]分析了大風(fēng)日數(shù)對(duì)庫(kù)爾勒香梨生產(chǎn)的影響。李樹(shù)巖等[18]對(duì)比分析了大風(fēng)倒伏對(duì)不同品種和播期玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響。關(guān)于蘋果大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)及其風(fēng)險(xiǎn)的研究相對(duì)缺乏，同時(shí)不同研究區(qū)域、承災(zāi)體得出的大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)及其適用性也會(huì)存在較大差異。

因此，為了有效提升河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害防御的預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)能力，本研究以河北省142個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站大風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和蘋果長(zhǎng)時(shí)間序列歷史大風(fēng)災(zāi)情資料為基礎(chǔ)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法延長(zhǎng)極大風(fēng)速資料的時(shí)間序列，確定不同等級(jí)蘋果大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)閾值并進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上對(duì)蘋果大風(fēng)災(zāi)害的危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露度和防災(zāi)減災(zāi)能力進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以期為開(kāi)展蘋果產(chǎn)業(yè)布局、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)和科技支撐。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)包括河北省142個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站資料、大風(fēng)災(zāi)情資料、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、人口數(shù)量、區(qū)縣面積、蘋果歷史產(chǎn)量、種植面積以及生育期觀測(cè)資料。其中，國(guó)家氣象臺(tái)站觀測(cè)（圖1）的氣象要素包括平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速等，最大風(fēng)速的時(shí)間段為1970?2020年，大部分站點(diǎn)極大風(fēng)速的觀測(cè)起始年份在2004?2011年，數(shù)據(jù)來(lái)源于河北省氣象局；大風(fēng)災(zāi)情資料包括1983?2020年歷史大風(fēng)災(zāi)害記錄，通過(guò)走訪調(diào)查氣象、農(nóng)業(yè)、民政等相關(guān)部門收集得到全省大風(fēng)災(zāi)情信息2000余條，包括大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生區(qū)縣、開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間、天氣過(guò)程、災(zāi)害損失情況、災(zāi)害影響程度等。142個(gè)氣象站點(diǎn)及對(duì)應(yīng)區(qū)縣的面積、人口數(shù)量和GDP、蘋果種植面積及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于河北省統(tǒng)計(jì)年鑒和河北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒。由于每個(gè)縣僅有一個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站，因此，將該站所在區(qū)縣的災(zāi)情、GDP、人口數(shù)量等數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)為該站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中所用的數(shù)據(jù)。

圖1 河北省氣象站點(diǎn)分布

蘋果生育期觀測(cè)資料來(lái)源于河北省氣象局20個(gè)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站1984?2020年的觀測(cè)資料。根據(jù)歷年蘋果生育期觀測(cè)和大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間段，將蘋果主要受大風(fēng)災(zāi)害影響的生育期劃分兩個(gè)時(shí)段，即花期?幼果期和果實(shí)膨大?成熟期，在逐年物候期觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，確定河北省蘋果的花期?幼果期平均時(shí)間為4月1日?5月31日，果實(shí)膨大?成熟期平均時(shí)間為6月1日?10月31日。

1.2 研究方法

1.2.1 建立延長(zhǎng)極大風(fēng)速時(shí)間序列最優(yōu)模型

由于最大風(fēng)速的定義為一天內(nèi)任取10min的平均風(fēng)速最大值作為一天中的最大風(fēng)速，極大風(fēng)速定義為瞬時(shí)風(fēng)速的最大值[19]，因此，大風(fēng)成災(zāi)的主要指標(biāo)選取極大風(fēng)速更符合實(shí)際受災(zāi)情況。河北省各氣象臺(tái)站極大風(fēng)速開(kāi)始觀測(cè)的年份不完全一致，且大部分站點(diǎn)觀測(cè)的起始年份在2004?2011年，數(shù)據(jù)量相對(duì)較少。因此，延長(zhǎng)極大風(fēng)速的時(shí)間序列數(shù)據(jù)對(duì)歷史大風(fēng)災(zāi)情評(píng)估和驗(yàn)證非常必要，也方便后期進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算和處理。

選取四種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)模型分別模擬極大風(fēng)速時(shí)間序列[20?25]，即多元線性回歸（LR）、隨機(jī)森林（RF）、決策樹(shù)（DT）和K近鄰（KNN），對(duì)比四種方法后選取最優(yōu)模型作為延長(zhǎng)極大風(fēng)速時(shí)間序列的模型。輸入數(shù)據(jù)為河北省142個(gè)氣象站點(diǎn)的日最大風(fēng)速，使用隨機(jī)采樣方法，75%的數(shù)據(jù)用來(lái)訓(xùn)練，25%的數(shù)據(jù)用來(lái)預(yù)測(cè)驗(yàn)證。模型模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)使用相關(guān)系數(shù)（R）和均方根誤差（RMSE）。

1.2.2 確定蘋果大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)閾值及驗(yàn)證

從河北省大風(fēng)歷史災(zāi)情記錄中挑選出與蘋果相關(guān)的大風(fēng)災(zāi)害相關(guān)信息共計(jì) 421 條，根據(jù)蘋果主要受災(zāi)生育期劃分為兩部分，其中花期?幼果期37條，果實(shí)膨大?成熟期359條。通過(guò)率也即累積頻率，是指小于等于或大于等于某要素值出現(xiàn)的概率。結(jié)合蘋果大風(fēng)災(zāi)情的實(shí)際情況和對(duì)應(yīng)區(qū)縣氣象臺(tái)站觀測(cè)的當(dāng)日極大風(fēng)速日值數(shù)據(jù)，以80%的通過(guò)率[26?28]確定蘋果大風(fēng)災(zāi)害的極大風(fēng)速閾值指標(biāo)，然后根據(jù)樣本的50%、80%、90%百分位數(shù)劃分輕度、中度、重度和特重等級(jí)蘋果大風(fēng)災(zāi)害。

在構(gòu)建指標(biāo)前，預(yù)留出2018?2020年25個(gè)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)樣本用于蘋果大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)的驗(yàn)證，其中3個(gè)為花期?幼果期的樣本，22個(gè)為果實(shí)膨大?成熟期的樣本。根據(jù)驗(yàn)證樣本中記錄的時(shí)間、區(qū)縣、對(duì)應(yīng)氣象站點(diǎn)的極大風(fēng)速、直接經(jīng)濟(jì)損失等，依據(jù)構(gòu)建的蘋果大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)計(jì)算得到蘋果大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)，對(duì)比驗(yàn)證其與蘋果歷史災(zāi)情記錄的一致性。將驗(yàn)證結(jié)果分為三類：符合、基本符合和不符合，其中基本符合為指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與歷史記錄等級(jí)相差一級(jí)[29]。對(duì)應(yīng)蘋果大風(fēng)災(zāi)害的四個(gè)等級(jí)，根據(jù)直接經(jīng)濟(jì)損失的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將災(zāi)損程度劃分為四類，即輕度（損失≤200萬(wàn)元）、中度（損失≤1000萬(wàn)元）、重度（損失>1000萬(wàn)元）和特重等級(jí)（損失>2000萬(wàn)元）。

1.2.3 計(jì)算蘋果大風(fēng)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)

根據(jù)河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)，蘋果全生育期大風(fēng)危險(xiǎn)性指數(shù)由兩部分構(gòu)成，即

式中，W'表示蘋果全生育期大風(fēng)危險(xiǎn)性指數(shù)，W1、W2分別表示花期?幼果期及果實(shí)膨大?成熟期的危險(xiǎn)性指數(shù)，f1、f2分別表示兩個(gè)生育期的權(quán)重系數(shù)，由每個(gè)生育期災(zāi)情記錄的條數(shù)占總災(zāi)情記錄條數(shù)的比重確定，分別為0.095和0.905。

每個(gè)生育期的蘋果大風(fēng)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)評(píng)估模型為

其中，W表示某一站點(diǎn)大風(fēng)災(zāi)害危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，i表示某一站點(diǎn)不同等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害，輕度、中度、重度和特重大風(fēng)災(zāi)害分別為1、2、3和4，pi表示某一站點(diǎn)第i種等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的歸一化數(shù)值，wi表示i種等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害權(quán)重系數(shù)。通過(guò)層次分析法[30?32]確定輕度、中度、重度和特重大風(fēng)災(zāi)害權(quán)重系數(shù)分別為0.08、0.11、0.27和0.54。為了保證結(jié)果的科學(xué)性和可靠性，需要對(duì)層次分析法得到的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最大特征根λmax=4.21，隨機(jī)一致性比率CR=0.08＜0.1，說(shuō)明權(quán)重系數(shù)結(jié)果可信。

1.2.4 計(jì)算蘋果大風(fēng)災(zāi)害脆弱性指數(shù)

蘋果大風(fēng)災(zāi)害脆弱性是指蘋果面對(duì)大風(fēng)的危險(xiǎn)性時(shí)可能遭受的傷害或損失程度。蘋果大風(fēng)災(zāi)害脆弱性指數(shù)V以河北省區(qū)縣的蘋果相對(duì)單產(chǎn)水平表示，即

式中，Y0、Y分別表示全省蘋果平均單產(chǎn)和區(qū)縣蘋果單產(chǎn)。

1.2.5 計(jì)算蘋果大風(fēng)災(zāi)害暴露度指數(shù)

暴露度指數(shù)以單位種植面積表示，即

式中，S'和S分別表示區(qū)縣行政面積和蘋果種植面積。

1.2.6 計(jì)算蘋果大風(fēng)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)

防災(zāi)減災(zāi)能力體現(xiàn)在每個(gè)地區(qū)抵御災(zāi)害的能力，主要包括物資、人力的投入、防災(zāi)水平和災(zāi)后的管理和調(diào)控等，使用河北省各區(qū)縣人均GDP（元）作為蘋果大風(fēng)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)，即

1.2.7 計(jì)算蘋果大風(fēng)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)受致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性、暴露度以及防災(zāi)減災(zāi)能力等因子[33?37]的影響，為了消除不同指數(shù)量級(jí)之間的差異，首先將4個(gè)指數(shù)歸一化處理，然后構(gòu)建蘋果大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型為，即

式中，RI表示蘋果大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，W、V、E、H分別表示蘋果大風(fēng)災(zāi)害危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露度和防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

基于GIS技術(shù)，利用反距離權(quán)重插值法、柵格運(yùn)算、百分位數(shù)、自然間斷點(diǎn)分級(jí)等方法，開(kāi)展河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性、暴露度、防災(zāi)減災(zāi)能力和綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域4個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果關(guān)鍵生育期大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)劃分

2.1.1 極大風(fēng)速時(shí)間序列延長(zhǎng)

圖2為使用4種算法模型驗(yàn)證極大風(fēng)速延長(zhǎng)模型有效性的散點(diǎn)圖。從圖可以看出，所有模型的R均在0.9以上，其中RF和DT兩種模型模擬結(jié)果檢驗(yàn)樣本總體分布在1:1線兩側(cè)，R最高，均大于0.93，RMSE最低，為1.15m·s?1；而LR模型模擬效果較差，RMSE最高，達(dá)到3.33m·s?1；KNN的R最低，為0.9025，RMSE高于RF和DT，低于LR，為1.48m·s?1。綜合來(lái)看，隨機(jī)森林RF模型的模擬效果最好，可以用來(lái)延長(zhǎng)河北省歷史極大風(fēng)速的時(shí)間序列。

圖2 不同方法延長(zhǎng)極大風(fēng)速時(shí)間序列模擬結(jié)果

注：LR為多元線性回歸算法，RF為隨機(jī)森林算法，DT為決策樹(shù)算法，KNN為K近鄰算法。

Note: LR is Multi-linear regression method, RF is Random Forest method, DT is Decision tree method and KNN is K-Nearest Neighbor method.

2.1.2 大風(fēng)災(zāi)害時(shí)間序列閾值和災(zāi)害等級(jí)

根據(jù)歷史蘋果不同生育期的大風(fēng)災(zāi)情和相對(duì)應(yīng)時(shí)間的氣象臺(tái)站極大風(fēng)速時(shí)間序列，將極大風(fēng)速序列從小到大依次排序（圖3）。極大風(fēng)速優(yōu)先使用觀測(cè)數(shù)據(jù)，如無(wú)觀測(cè)數(shù)據(jù)將使用隨機(jī)森林RF模型的模擬極大風(fēng)速數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，極大風(fēng)速樣本序列呈三次方程上升趨勢(shì)，樣本序列在極大風(fēng)速為10m·s?1以前上升速率較慢，之后呈快速上升的趨勢(shì)。以80%的通過(guò)率確定蘋果大風(fēng)災(zāi)害極大風(fēng)速閾值指標(biāo)，花期?幼果期為9.1m·s?1（樣本量n=37），果實(shí)膨大?成熟期為7.9m·s?1（樣本量n=359）。根據(jù)歷史蘋果大風(fēng)災(zāi)害樣本的50%、80%、90%百分位數(shù)劃分輕度、中度、重度和特重等級(jí)蘋果大風(fēng)災(zāi)害，結(jié)果見(jiàn)表1。

2.1.3 蘋果大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)驗(yàn)證

使用預(yù)留的25個(gè)獨(dú)立樣本對(duì)蘋果大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，將驗(yàn)證結(jié)果分為符合、基本符合和不符合三類，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。由表可見(jiàn)，符合的樣本有12個(gè)，基本符合為9個(gè)樣本，不符合為4個(gè)樣本。符合樣本占所有樣本的48%，符合和基本符合的樣本占所有樣本的84%，不符合占所有樣本的16%?？紤]到歷史災(zāi)情等級(jí)判定存在一定的主觀性，大風(fēng)一般還伴隨強(qiáng)降水、冰雹、洪澇等災(zāi)害，因此，可以認(rèn)為指標(biāo)對(duì)歷史災(zāi)情判識(shí)具有較好的有效性，表明所得指標(biāo)能較好地反映蘋果大風(fēng)災(zāi)害的真實(shí)情況。

圖3 蘋果花期?幼果期(a)和果實(shí)膨大?成熟期(b)極大風(fēng)速樣本序列

表1 蘋果主要發(fā)育期大風(fēng)災(zāi)害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(V為極大風(fēng)速，m·s?1)

2.2 蘋果關(guān)鍵生育期大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次

2.2.1 時(shí)間變化

根據(jù)蘋果不同生育期大風(fēng)災(zāi)害閾值，統(tǒng)計(jì)河北省蘋果花期?幼果期和果實(shí)膨大?成熟期大風(fēng)災(zāi)害平均每站每年發(fā)生次數(shù)。由圖4可見(jiàn)，蘋果花期?幼果期和果實(shí)膨大?成熟期大風(fēng)災(zāi)害的發(fā)生頻次均呈先降低后增加的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在2010年左右?；ㄆ?幼果期平均每站大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多為1973年的48.3次，最少為1998年的24.7次，平均為34.4次。果實(shí)膨大?成熟期大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多為1972年的79.9次，最少為2010年的23.1次，平均為42.9次。

河北省4?10月蘋果大風(fēng)災(zāi)害的月發(fā)生頻次結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖可見(jiàn)，1970?2020年4?10月河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害平均每站每月發(fā)生10.2次，蘋果生育期內(nèi)不同等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次的時(shí)間分布規(guī)律基本一致，每月均以輕度和中度災(zāi)害為主，平均每年分別出現(xiàn)為5.5次和4.3次，重度和特重大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生0.3和0.1次。蘋果生育期內(nèi)，大風(fēng)災(zāi)害以春季4?5月發(fā)生最多，4月大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次最高，平均每站16.9次，4?5月蘋果花期?幼果期大風(fēng)災(zāi)害平均每站發(fā)生16.0次；夏季8月大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次降到最低，平均每站發(fā)生5.3次；秋季10月又逐步增加，6?10月蘋果果實(shí)膨大?成熟期所有等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次平均每站發(fā)生7.9次。

表2 利用河北省2018?2020年各縣蘋果直接經(jīng)濟(jì)損失驗(yàn)證大風(fēng)災(zāi)害分級(jí)指標(biāo)

注：F為開(kāi)花期，F(xiàn)S為幼果期，F(xiàn)D為果實(shí)膨大期，M為成熟期；Sl為輕度，Mo為中度，Se為重度，ESe為特重；Ma為符合，BMa為基本符合，NMa為不符合。

Note: F is flowering stage, FS is fruit set stage, FD is fruit development stage, Sl is slight, Mo is moderate, Se is severe, ESe is extra-severe, M is maturity stage, Ma is match, Bma is basically match, NMa is no match.

圖4 1970?2020年河北省蘋果花期?幼果期(a)和果實(shí)膨大?成熟期(b)大風(fēng)災(zāi)害平均發(fā)生次數(shù)年際變化

圖5 1970?2020年河北省蘋果生育期內(nèi)大風(fēng)災(zāi)害平均發(fā)生次數(shù)的月份分布

2.2.2 空間變化

河北省蘋果開(kāi)花?幼果期不同等級(jí)的大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次如圖6所示。由圖可見(jiàn)，河北省蘋果開(kāi)花?幼果期平均每站輕度、中度、重度和特重大風(fēng)災(zāi)害的年發(fā)生次數(shù)分別為23.9、8.1、0.9和0.6次。輕度大風(fēng)災(zāi)害在張家口東部和南部、秦皇島和唐山市大部分地區(qū)、滄州市東部發(fā)生次數(shù)較多，氣象臺(tái)站最高年平均發(fā)生35.9次，最少7.9次。中度、重度和特重大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次的空間分布規(guī)律基本一致，大風(fēng)災(zāi)害高發(fā)區(qū)均位于河北省西北部地區(qū)和東部沿海地區(qū)，中度大風(fēng)災(zāi)害在承德市發(fā)生的頻次也較高，河北省西北部地區(qū)的中度、重度和特重大風(fēng)災(zāi)害年發(fā)生頻次最多分別可達(dá)32.4、5.9和6.9次。

河北省蘋果果實(shí)膨大?成熟期平均每站發(fā)生輕度、中度、重度和特重大風(fēng)災(zāi)害的次數(shù)分別為27.7、12.6、0.9和0.3次·a?1。圖7表明，不同程度大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次的空間分布規(guī)律基本一致，輕度、中度、重度和特重大風(fēng)高發(fā)區(qū)均位于河北省西北部，滄州的沿海地區(qū)也有部分較高頻次的大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生（中度、重度和特重）。張家口市大部分地區(qū)、承德市西部地區(qū)、唐山市、滄州市和秦皇島市的沿海地區(qū)輕度大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次>30次·a?1，中部地區(qū)發(fā)生輕度大風(fēng)災(zāi)害的次數(shù)較少。河北省大部分地區(qū)中度大風(fēng)災(zāi)害的頻次在20次·a?1以下，重度和特重大風(fēng)災(zāi)害的頻次少于2次·a?1。

2.3 蘋果關(guān)鍵生育期大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性綜合了開(kāi)花?幼果期和果實(shí)膨大?成熟期兩個(gè)生育期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)建而成，同時(shí)還對(duì)承災(zāi)體脆弱性、暴露度和防災(zāi)減災(zāi)能力分別進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（圖8）。從圖8可以看出，河北省西北部地區(qū)的蘋果大風(fēng)危險(xiǎn)性最高，包括張家口市大部分地區(qū)，承德市西部地區(qū)，此外滄州市東部沿海地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)也較高；蘋果大風(fēng)災(zāi)害的脆弱性較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域位于河北省東部和南部地區(qū)，主要集中在唐山和秦皇島市大部分地區(qū)、衡水市東南部、保定市東南部、石家莊市東部、邢臺(tái)和邯鄲中部地區(qū)；蘋果大風(fēng)災(zāi)害暴露度在張家口市東南部地區(qū)、秦皇島和衡水市大部分地區(qū)較高，處于較高和高風(fēng)險(xiǎn)；蘋果大風(fēng)防災(zāi)減災(zāi)能力較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要位于承德市中西部地區(qū)，張家口和保定西部地區(qū)，衡水東部地區(qū)和邢臺(tái)大部分地區(qū)，廊坊和唐山市由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，大部分處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

圖6 河北省蘋果開(kāi)花?幼果期輕度(a)、中度(b)、重度(c)和特重(d)大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次(次·a?1)

圖7 河北省蘋果果實(shí)膨大?成熟期輕度(a)、中度(b)、重度(c)和特重(d)大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生頻次(次·a?1)

綜合危險(xiǎn)性、暴露度、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力對(duì)河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。由圖9可見(jiàn)，總體上看，河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害的中低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)占全省大部分區(qū)域，低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要為承德市中北部、唐山市南部、滄州市中西部和北部、衡水市北部、邢臺(tái)市東部、石家莊市和保定市靠近太行山地區(qū)；較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域較為分散，約占全省的20%，主要分布在張家口市東部、衡水市東部、石家莊市東部、承德市東南部、秦皇島市等地。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）隨機(jī)森林模型可以較好地模擬極大風(fēng)速，比多元線性回歸、決策樹(shù)和K近鄰等模型更適用于河北省歷史極大風(fēng)速長(zhǎng)時(shí)間序列的延長(zhǎng)。

（2）確定了河北省蘋果兩個(gè)主要生育期大風(fēng)災(zāi)害的極大風(fēng)速閾值指標(biāo)，花期?幼果期為9.1m·s?1，果實(shí)膨大?成熟期為7.9m·s?1。

圖9 河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

（3）1970年以來(lái)河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生的平均站次總體呈先降后升的趨勢(shì)，2010年左右為拐點(diǎn)；春季4、5月發(fā)生蘋果大風(fēng)災(zāi)害站次最多，8、9月最少；在蘋果兩個(gè)主要生育期中度、重度和特重等級(jí)大風(fēng)災(zāi)害空間分布規(guī)律基本一致，高發(fā)區(qū)均位于西北部的張家口市，并總體呈從西北部向東南部遞減趨勢(shì)，輕度大風(fēng)災(zāi)害在河北省北部、東部沿海和南部地區(qū)發(fā)生頻次較高。

（4）河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域較為分散，約占全省的20%，主要分布在張家口市東部、承德市東南部、衡水市中部和石家莊市東部等地。

3.2 討論

本研究分析了河北省大風(fēng)災(zāi)害時(shí)空分布規(guī)律，與李婷等[2，11]的研究結(jié)果較為一致。得到的大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)與黃川容等[15?16]的致災(zāi)風(fēng)力閾值較為接近，但大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)存在一定差異，可能主要由于研究的受災(zāi)對(duì)象不同導(dǎo)致。對(duì)河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害的綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明蘋果大風(fēng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和防范區(qū)主要位于河北省衡水市和秦皇島市等地，這主要由于衡水市的暴露度、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力存在較高風(fēng)險(xiǎn)，而秦皇島市的暴露度和脆弱性風(fēng)險(xiǎn)較高。本研究得到的評(píng)估大風(fēng)災(zāi)害指標(biāo)是基于歷史大風(fēng)災(zāi)情數(shù)據(jù)得出的，但由于大風(fēng)災(zāi)害的局地性非常強(qiáng)，與地形和環(huán)境等因子較為相關(guān)，也存在即使發(fā)生大風(fēng)災(zāi)害氣象站點(diǎn)不一定能夠觀測(cè)到的情況；同時(shí)大風(fēng)災(zāi)害往往伴隨著暴雨、冰雹等，部分災(zāi)情記錄較為簡(jiǎn)單，會(huì)對(duì)災(zāi)害指標(biāo)的準(zhǔn)確性造成一定影響。由于數(shù)據(jù)的限制，本研究風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的蘋果產(chǎn)量、種植面積、GDP等數(shù)據(jù)年份較短，且存在一定的不確定性，災(zāi)損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可能存在一定的主觀性[29,38]，可能會(huì)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域結(jié)果造成一定影響。此外，蘋果生長(zhǎng)期時(shí)間跨度大，不同生育期大風(fēng)致災(zāi)指標(biāo)也不完全相同，今后隨著蘋果災(zāi)情記錄分類、生育期、產(chǎn)量、種植面積、災(zāi)情記錄等資料的進(jìn)一步細(xì)致和完善，精細(xì)地記錄蘋果大風(fēng)災(zāi)損或進(jìn)行控制試驗(yàn)，河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)確性將得到進(jìn)一步提高，有助于河北省蘋果種植布局的優(yōu)化和氣象災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力的提升。

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Wind Disaster Risk Assessment of Apple in Hebei Province

SUN Yu-long1, JING Hua1, SUN Qing2, LI Ting1, WEI Tie-xin1, GAO Shan-shan3, YU Yan-wen4

(1. Hebei Meteorological Disaster Prevention And Environmental Meteorology Center, Shijiazhuang 050021, China; 2. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081; 3. Hebei Provincial Meteorological Technical Equipment Center, Shijiazhuang 050021; 4. Fuzhou Meteorological Service, Jiangxi Province, Fuzhou 344199)

Long-term wind observation data from 142 meteorological stations, historical apple wind disaster data, apple growth stages data, etc. were used in this study. Firstly, the optimal machine learning model has been built to extend long-term extreme wind speed. Then the thresholds of different levels of wind disasters in different apple growth stages were determined. The spatial-temporal distribution characteristics and a comprehensive risk assessment of apple wind disasters were carried out. The results showed that the random forest model had the highest accuracy and showed good performance in extending the extreme wind speed time series which is suitable for Hebei province. The thresholds of apple wind disasters were extreme wind speed≥9.1m·s?1in flowering to fruit set, and extreme wind speed≥7.9m·s?1in fruit development to mature. Furthermore, 4 levels of wind disasters in different apple growth stages were determined and the validation were in good agreement with the historical records. The overall trends of apple wind disasters were first decreasing and then increasing. In the northwest Hebei province and eastern Cangzhou, the frequencies of wind disasters were higher than in other regions. The high and the severe comprehensive risk areas of apple wind disaster were scattered which accounted for nearly 20% of Hebei and mainly in eastern Zhangjiakou, southeast Hengshui, middle Hengshui, and eastern Shijiazhuang.

Apple；Wind disasters；Machine learning；Risk assessment

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.04.005

孫玉龍,景華,孫擎,等.河北省蘋果大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2023,44(4):305-316

2022-04-01

環(huán)渤海區(qū)域科技協(xié)同創(chuàng)新基金項(xiàng)目（QYXM201803）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFD2300204）；中國(guó)氣象局創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)（CXFZ2023J057）

景華，高級(jí)工程師，主要從事氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究，E-mail：996189732@qq.com

孫玉龍，E-mail：fengxuelone@163.com