基于GIS的福建省烤烟气象灾害综合风险区划*

陈家金，黄川容，孙朝锋，王加义，吴 立

（福建省气象服务中心，福州 350001）

基于GIS的福建省烤烟气象灾害综合风险区划*

陈家金，黄川容，孙朝锋，王加义，吴 立

（福建省气象服务中心，福州 350001）

为了探究福建复杂地形下的烤烟气象灾害风险，规避或减轻气象灾害可能造成的损失，利用福建省烟区28个县（区）的1972-2014年气象资料，2008-2013年烤烟产量、面积及其它社会经济资料，构建由致灾因子危险性、烤烟脆弱性和烟区防灾减灾能力组成的多灾种综合风险区划指标体系，采用层次分析法—熵权法量化计算各指标权重，利用加权综合法计算综合灾害风险指数，基于GIS技术开展烤烟气象灾害综合风险区划。结果表明：福建烟区气象灾害综合风险呈现由东南至西北逐级增加的趋势，轻度气象灾害综合风险区主要分布在龙岩市中东部、三明市东部和南平市东部的部分地带；中度灾害风险区主要分布在龙岩市西部，南平和三明两市介于东部和西部之间地带；重度以上风险区主要分布在南平和三明两市的西北部山区，其中1000m以上高海拔地区存在严重气象灾害风险。

烤烟；气象灾害；风险区划；分异规律

福建省是全国优质烟区之一，烟草种植已有400多年历史，目前已形成龙岩、三明、南平三大烤烟主产区，2013年全省烤烟种植面积达7.53万hm2；但是福建气象灾害种类众多，灾害发生频繁，暴雨洪涝、寒冻害、风雹、低温阴雨、干旱、高温灾害均不同程度给烤烟生产造成损失，尤其是烤烟生长后期正值福建雨季，暴雨洪涝常给烤烟造成不同程度的危害，轻则减产，重则绝收，风险很大；其次是烤烟移栽后的大田生长前期，也常遇到寒冻害威胁；此外春季的雷雨大风和冰雹等强对流天气对局部地域的烤烟也常造成毁灭性的灾害，这些气象灾害给烟农带来很大损失[1-4]。

目前国内在烤烟气象研究方面，主要集中于分析气象条件对烤烟生长发育影响[5-7]，云南、贵州、陕西、湖南、福建等烤烟主产区还开展了烤烟气候适应性分析和种植气候区划，为烤烟生产布局提供气象依据[8-12]；但各省针对主产区的烤烟气象灾害风险分析和区划研究报道甚少，仅见云南烟区冰雹灾害风险评价和福建龙岩烟区暴雨和霜冻的单灾种风险区划[13-14]；而烤烟生产过程中常遭受多种气象灾害威胁，单灾种风险评估并不足以反映该地区的综合风险，因此，开展多灾种综合气象灾害风险区划和评估显得十分必要，未来多灾种风险评估将成为灾害风险研究的重点方向[15-16]。在农业多灾种风险区划和评估方面，国内有关学者如陈怀亮等[17]运用多因子综合风险指数模型，分析了 3种主要农业气象灾害对河南小麦生产影响的综合风险，陈家金等[18-19]运用多指标综合风险指数法对福建主要特色果树多灾种气象灾害综合风险进行了区划和评估，但国内还没有形成统一的评估技术规范。

本文以福建烤烟为研究对象，从烤烟致灾因子危险性、烤烟脆弱性和种植区防灾减灾能力的角度，摸清影响烤烟产量和质量的主要致灾因子，构建烤烟气象灾害风险区划指标体系，基于多指标综合风险指数法开展烤烟气象灾害综合风险区划，以辨识福建复杂地形下的灾害风险高低精细化分布和地域分异规律，以期为优化福建烤烟布局、调整烤烟种植结构，规避或降低烤烟种植风险，为烤烟防灾减灾、提高产量和品质以及烤烟保险理赔等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

福建烤烟种植区28个县（区）1972-2014年气温、降水、风速资料来源于福建省气象局和国家气象信息中心；28个县（区）2008-2013年烤烟单产量数据及2013年烤烟种植面积、地膜覆盖面积、机电排灌面积、农民人均纯收入数据来源于《福建省农村统计年鉴》；DEM、行政边界等数据来源于“数字福建”提供的资料。

1.2 风险区划方法

1.2.1 灾害风险指数法

区域自然灾害风险形成过程中，危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力是缺一不可的，是四者综合作用的结果[20-21]。本文将暴露性归入脆弱性之中，通过分析影响福建烤烟的主要农业气象灾害，从致灾因子危险性、承灾体脆弱性以及种植区防灾减灾能力三方面构建灾害风险指数，即

1.2.2 指标权重确定方法

本文综合应用层次分析法、熵权系数法确定风险区划指标权重[20]。

层次分析法是一种对指标进行定性定量分析的方法[18-19,22]。主要步骤：（1）构建风险区划指标体系；（2）邀请不同领域的专家，按照1~9比例标度法进行打分，对所选指标进行重要性比较；（3）构建判断矩阵；（4）层次单排序及一致性检验；（5）层次总排序及组合一致性检验；（6）确定各指标的权重(ωi)。

熵权系数法是一种基于分析各评价指标特征值之间变异程度的客观赋权方法[22-24]。主要步骤：（1）构建区划指标特征值矩阵；（2）对特征值进行标准化处理, 使其值处于 0～1，以消除量纲的影响；（3）计算区划指标特征值比重；（4）计算区划指标的熵权(ai)。

将上述 2种方法确定的主观权重和客观权重相融合得出主客观综合权重值, 作为风险评估指标权重值(σi)。

式中，i为评价指标，m为评价指标个数，ai为第i个指标熵权，ωi为第i个指标层次分析权重。

1.2.3 风险指数计算方法

采用“加权综合评价法”计算风险指数[20-21]。该方法是依据评价指标对评价总目标影响的重要程度，预先分配一个响应的权重系数，然后与相应的被评价对象各指标的特征量化值相乘后再相加。计算式为

式中，λj为某评估单元的风险指数值，i为评价指标个数，j为评估单元数，m为评价指标个数，σi为第i项指标的综合权重系数，Pij为每个指标i在评估单元j出现的特征值比重。

2 结果与分析

2.1 烤烟气象灾害风险区划指标确定

2.1.1 致灾因子危险性

福建烤烟以春烟为主，主要分布在龙岩、三明和南平 3个地市。结合福建烤烟物候期及其生产发育全过程的致灾因子危险性分析和辨识，其主要气象灾害是暴雨洪涝、寒冻害、低温阴雨和风雹，而干旱、台风和高温对烤烟的影响相对较小。因此，采用现蕾-成熟期（5-7月）日降水量、大田生长前期（1月中旬-3月）极端最低气温（Td）、大田生长中前期风雹主要发生时段（3-5月）日极大风速、大田生长前期（1月中旬-3月）日平均气温≤12℃且日雨量≥2mm的持续日数、移栽-旺长期阴雨寡照（1月中旬-4月下旬）日雨量≥2mm且日照时数≤3h的持续日数5个指标，分别作为现蕾-成熟期暴雨涝害（C1）、大田前期寒冻害（C2）、大田生长中前期风雹（C3）、大田前期低温阴雨（C4）、移栽-旺长期阴雨寡照（C5）的致灾危险性表征指标（图1）。

通过查阅文献资料及走访烟草专家，结合历史上烤烟不同程度气象灾害的气象数据分析，对5个烤烟致灾因子指标分别进行量化等级划分，划分出轻度、中度、重度和严重4个等级，结果见表1。C1-C5致灾因子指标对应的 4个等级分别以D1-D4、D5-D8、D9-D12、D13-D16、D17-D20表示（见图 1），分别统计5个致灾因子不同灾害等级的历年平均发生频次，作为危险性风险指标权重和指数计算的特征值，平均发生频率越高，致灾危险性越大。

表1 烤烟致灾因子危险性表征指标及其分级标准Table 1 Characteristic index and its grading standard of hazard of disaster-causing factors for tobacco

2.1.2 承灾体脆弱性

脆弱性涵盖承灾体的暴露性和应对灾害打击的敏感性。暴露性以2013年评估单元（县）烤烟种植面积占全省总面积的比例（C6）来表征；烤烟面对气象灾害的敏感性以 2008-2013年评估单元（县）烤烟的歉年平均减产率（C7）、歉年减产率变异系数（C8）和减产率（≤-5%）发生概率（C9）的3个单产量减产率相关指标来表征（图1）。分别计算4个指标值，作为脆弱性风险指标权重和指数计算的特征值，种植面积越大，其所承受的灾害风险越大；歉年出现越多，产量平均损失越大，一定程度综合反映烤烟自身对灾害的敏感性越强，脆弱性越大。

2.1.3 防灾减灾能力

烟区防灾减灾能力反映的是人类社会为减少气象灾害对烤烟的威胁而采取的防灾减灾措施力度大小。为了减轻气象灾害对烤烟生长发育及产量的影响，目前，农业生产者主要是从加大防灾资金投入，采取地膜覆盖、排灌等措施来防灾减灾。因此，采用2013年地膜覆盖面积占农作物播种面积比（C10）、机电排灌面积占农作物播种面积比（C11）及农民人均纯收入（C12）作为区域烤烟防灾减灾能力大小的表征指标（图1）。分别计算3个指标值，作为防灾减灾能力指标权重和指数计算的特征值，指标值越大，说明烟区预防或减轻烤烟涝害、寒冻害等主要气象灾害风险的能力越强。

图1 福建省烤烟气象灾害风险区划指标体系Fig.1 Index system of risk division for meteorological disasters of tobacco in Fujian province

表2 烤烟气象灾害风险指标综合权重值Table 2 Comprehensive weighted value of risk index for meteorological disasters of tobacco

2.2 烤烟气象灾害风险区划指标权重确定

按照上述指标权重计算方法，得出福建省烤烟气象灾害风险区划指标体系中各指标综合权重的计算结果（表2）。由表2可见，不同指标对烤烟气象灾害风险所起的作用大小，致灾因子危险性对综合风险起着决定性作用，而烟区防灾减灾能力仅起着略微减轻风险的作用；在致灾因子当中，对烤烟危害风险构成影响由大到小的因子分别是现蕾-成熟期暴雨涝害、大田前期寒冻害、大田前期低温阴雨、大田生长中前期风雹和移栽-旺长期阴雨寡照，且主要是重度以上的危害带来的致灾风险。

2.3 风险指数计算及等级划分

以福建烤烟种植区28个县（区）为评估单元，采用上述的气象、产量等资料，首先计算D1-D20、C6-C12指标的实际值，然后对这些指标分别进行归一化处理，消除指标间的量纲差异，得出评价指标在各评估单元的特征值比重，根据式（3）计算得出图 1所示的上一级风险指标的评估指数[18]；依此类推，再以计算得出的风险指数值作为特征矩阵值，按照烤烟气象灾害风险评估指标体系由下往上逐级计算出上一级的各指标风险评估指数（λj）。限于篇幅，表 3仅列出部分代表站点的风险指标归一化评估指数的计算结果。

为了风险制图的需要，须根据一定方法或标准把风险指标值所组成的数据集划分不同的子集，借以凸显指标间的个体差异。本文采用自然断点法对风险指标进行分级，该法是一种不等值分级方法，即通过分析区域内所有数据值与平均值之差来寻找特征点，并结合各地历年灾害风险调查情况，将各风险指标归一化指数划分出4个风险等级，限于篇幅，表4仅列出一级和二级风险指标的等级划分标准。

表3 代表站点烤烟气象灾害归一化综合风险评估指数Table 3 Normalized comprehensive risk index of representative stations for meteorological disasters of tobacco

表4 风险指标等级划分Table 4 Grading level of the risk index

2.4 福建省烤烟气象灾害风险区划

2.4.1 风险区划模型

通过对风险区划指标体系中各指标构成因子进行加权计算，得出福建省烤烟气象灾害致灾危险性、烤烟脆弱性、烟区防灾减灾能力和综合风险的指数区划模型（表5）。

2.4.2 风险指数地理推算模型

致灾因子危险性评估指数基于评估单元（县）气象测站单点观测值计算而得，属点状数据，未能精细反映评估单元（县）内其它点的风险情况。因此，通过建立指数的地理推算模型，利用 GIS技术进行地理插值推算，将点状数据演变为面状格网数据，实现风险评估指数的空间连续分布。应用多元回归统计各个致灾因子风险指数与地理因子的关系，其中有 3个致灾因子与地理因子的回归复相关系数较高且通过稳定性检验（表6），其余2个致灾因子与地理因子关系不大，只能采用基本单元值计算，以面上数据代表评估单元内的任一点数据。

表5 烤烟气象灾害风险指数区划模型Table 5 Division models of risk index for meteorological disasters of tobacco

表6 致灾因子危险性评估指数的地理推算模型Table 6 Geographic prediction model for assessment index of hazard of disaster-causing factors

2.4.3 风险区划结果

利用福建省烤烟种植区历年气象、产量等资料，采用上述风险指标权重和风险指数计算方法，得出烟区评估单元各风险指标的风险指数，再根据灾害风险指标分级标准，结合GIS技术制作出风险区划图，按照风险指数区划模型，将各图层逐级叠加，得到福建烤烟气象灾害风险区划结果如图2。由图2可见，福建烤烟致灾危险性（Ih）、脆弱性（Iv）、种植区防灾减灾能力（Ic）及综合风险（I）的4个不同等级的风险区分布。

（1）轻度风险区。该区主要分布在龙岩市中东部、三明市东部地区和南平市东部的部分地带。主要是该区域烤烟的现蕾至成熟期涝害、大田前期寒冻害和大田前期的低温阴雨的致灾危险性轻，大部地区的烤烟脆弱性属于中等至偏低，烟区防灾减灾能力中等至较高，因此，气象灾害对烤烟种植的综合风险属轻度，是福建烤烟综合气象灾害风险最低的区域。

（2）中度风险区。该区主要分布在龙岩市西部，南平和三明两市介于东部和西部之间地带。该区域烤烟现蕾至成熟期有中等涝害危险性，大田前期有轻度至中度的寒冻害危险性，移栽至旺长期有轻度至中度阴雨寡照的危险性，同时存在较高的大田前期的低温阴雨危险性和大田中前期风雹危险性，综合来看，区域气象灾害致灾危险性属中等，同时区域内的烤烟脆弱性有高有低，烟区防灾减灾能力也属中等，因此，气象灾害对烤烟种植的综合风险属中度，是福建烤烟气象灾害风险次低的区域。

（3）重度以上风险区。该区主要分布在南平和三明两市的西北部山区。该区域现蕾至成熟期涝害、大田前期寒冻害、大田前期低温阴雨以及大田中前期的风雹灾害的致灾危险性均较高，同时也是烤烟脆弱性最高的区域，虽然该区域防灾减灾能力较高，但致灾因子危险性大小对综合风险高低起着决定性作用，烤烟脆弱性也一定程度影响着气象灾害的风险高低，烟区防灾减灾能力大小只是对轻灾风险起着减轻的作用，因此，该区域的高致灾危险性以及高脆弱性决定了有重度以上的气象灾害风险，尤其在1000m以上的高海拔地区有严重的气象灾害风险，不适宜种植烤烟。

图2 福建省烤烟气象灾害风险区划Fig.2 Risk division of meteorological disasters for tobacco in Fujian province

3 结论与讨论

（1）福建烟区气象灾害综合风险呈现由东南至西北逐级增加的趋势。轻度风险区主要分布在龙岩市中东部、三明市东部和南平市东部的部分地带；中度风险区主要分布在龙岩市西部，南平和三明两市介于东部和西部之间地带；重度以上气象灾害综合风险区主要分布在南平和三明两市的西北部山区，其中1000m以上高海拔地区有严重气象灾害风险。风险区划结果与烤烟实际种植区以及陈朝阳等[12]的区域气候适宜性区划结果较为吻合，证明了风险区划结果的可靠性。

（2）烤烟致灾因子指标构建中，考虑了对烤烟产量和质量有明显影响的主要致灾因子，但侧重点是放在对烤烟生长发育和产量影响的致灾因素，部分影响烤烟品质的风险指标如大田后期的多雨寡照等仍未纳入风险指标体系中，还需进一步完善。

（3）界定致灾因子影响时段，是综合考虑福建所有烟区不同类型品种的危险性发生时段，但由于不同区域地理气候和种植烤烟品种的差异，不同地域不同品种的烤烟生长发育期并不一致，灾害影响时段也存在一定差异，采用统一的致灾因子影响时段会导致在计算不同评估单元灾害发生风险概率时有一定出入，因此，可进一步针对烟区某一品种烤烟进行灾害风险区划和评估，尽可能减小因致灾因子影响时段的差异而导致的风险估计偏差。

（4）由于不同地域各风险指标对烤烟综合风险贡献或作用不尽相同，全省烟区采用统一的风险指标权重分配存在不合理的地方，因此，今后可分区域对风险指标权重进行界定，使权重分配更趋科学、合理。

（5）在分析致灾因子危险性分布时，考虑了经纬度、海拔高度、离海距离的孕灾环境因素影响，较好地解决了评估单元（县）内任一点致灾因子危险性的评判问题，但福建多为山区，地形复杂，不同坡度、坡向因素也影响烤烟产量和质量的风险构成，因此，为更加精确地反映格点的烤烟气象灾害风险，需在孕灾环境中结合考虑坡度、坡向因素。

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Comprehensive Risk Division of Meteorological Disasters for Tobacco Based on GIS in Fujian Province

CHEN Jia-jin, HUANG Chuan-rong, SUN Chao-feng, WANG Jia-yi ,WU Li
(Fujian Meteorological Service Center, Fuzhou 350001, China)

In order to explore the meteorological disaster risk of tobacco under complex terrain in Fujian province, and to avoid or reduce loss, the risk system of impacts of multi-disasters on tobacco, including hazard of disaster-causing factors, vulnerability of tobacco and disaster prevention and mitigation capabilities of tobacco regions, was established in this paper, based on the meteorological data from 1972 to 2008 in 28 tobacco planting areas, planting area and yield of tobacco from 2008 to 2013, and other socio-economic data.Then the indicator weight was determined, the comprehensive risk was calculated, and risk division was given, by methods such as analytic hierarchy process, entropy-weight coefficient method, weighting method, and GIS.The results showed that the comprehensive risk of meteorological disasters in the regions of tobacco in Fujian increased step by step from southeast to northwest.The regions of mild comprehensive meteorological disaster risk were mainly distributed in the mid-east of Longyan city, east of Sanming city and some areas of eastern Nanping city.The moderate risk regions were mainly distributed in west of Longyan and the region between east and west of Nanping and Sanming.The severe and more severe risk regions were mainly distributed in the northwest mountainous areas of Nanping and Sanming, among then, the areas where the attitude higher than 1000 meters had more severe risk of meteorological disasters.

Tobacco; Meteorological disasters; Risk division; Differentiation regularity

2016-03-24

福建省科技厅重点项目（2014Y0004）；福建省自然科学基金项目（2012J01160）

陈家金（1964-），正研级高工，主要从事农业气象研究。E-mail：cjj8284@163.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.06.011

陈家金,黄川容,孙朝锋,等.基于GIS的福建省烤烟气象灾害综合风险区划[J].中国农业气象,2016,37(6):711-719