1980—2019年北疆风灾时空变化特征及成因

吴秀兰，马 禹，陈睿勇

(1.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中广核新能源新疆分公司， 新疆 乌鲁木齐 830011)

引 言

我国大风的时空分布特征及其天气分型、形成机理等研究开展已久，成果颇丰[6-8]。1980年代伴随社会经济的快速发展，大风导致的灾情及损失越来越重，风灾的评估研究开始起步。进入21世纪以来，在全球变暖加剧和城市化快速发展的综合作用下，我国北方仍面临着严峻的风灾风险，大风灾害风险区划、评估在防灾减灾中的作用日益凸显[9]。通常，大风灾害风险评估主要采用指标评估法(如模糊综合评价法[10-11])，该方法主要侧重于灾害指标的选取、优化以及权重计算，其中指标(致灾因子)的选取、优化多采用灰色关联聚类法[12-14]、层次分析法[15]、主成分分析[16]等方法，而权重的确定多采用专家打分[17]、熵权重[18]等方法。近年来，在RS和GIS技术支持下风灾评价指标体系和评价模型更加完善[19-21]，选择合适的致灾因子构建客观定量的评估模型对于大风灾害风险区划结果至关重要。以往大风灾害的风险评估中多是基于表征风力条件的输沙势、大风日数、平均风速、极大风速和风沙活动强度指数等致灾因子，这些因子的数据获取主要来源于观测站，少部分研究是基于承灾体灾情[4-5]，灾情要素可从不同侧面反映大风灾害的影响程度，这为大风灾害的风险评估提供了有效的信息源，尤其是观测站点稀少且风能丰富的西北地区。然而，由于分析评估的内容各有侧重，灾情要素的选取以及风灾等级评价体系尚未有统一标准。因此，本文基于1980—2019年北疆38县市大风灾害的出现次数及其造成的死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、死亡牲畜数、农作物受灾面积等灾情构建灾损指数，在此基础上分析北疆大风灾害的时空特征，探讨风灾的影响因素，以期为北疆农牧业生产布局及防灾减灾提供科学参考。

1 研究区概况

新疆位于亚欧大陆腹地，地处中国西北边陲，天山山脉横贯全境，将全疆分为北疆和南疆两部分，天山以北称为北疆。北疆北部为阿尔泰山，阿尔泰山与天山之间是半封闭的准噶尔盆地(图1)。北疆属于温带大陆干旱气候，年平均气温7.0 ℃，年降水量208.3 mm，年蒸发量1867 mm，东、西部地区地面大风日数多、风速大，山区地形起伏风力受阻，平原地区大风日数多于中、低山区，准噶尔盆地西部的阿拉山口大风日数最多，其次是作为南北疆气流通道的达坂城，北疆偏西、偏北地区的裕民、庙尔沟、克拉玛依、和布克赛尔、吉木乃、哈巴河一带盛行大风，这些地区大风日数多、风力强劲、持续时间长。 总之，由于气候干旱、降水少，植被稀疏，土质疏松，加之多大风，北疆遭受大风灾害的风险等级极高。

图1 北疆地理位置及地形高程(单位：m)Fig.1 The geographic location and terrain height (Unit: m) of northern Xinjiang

2 资料与方法

2.1 资 料

根据新疆维吾尔自治区民政厅记载的风灾及灾情信息，整理得到1980—2019年北疆38县市包含出现日期、出现区域、死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、牲畜死亡数量、农作物受灾面积等记录634条。若某县市区域内出现1次风灾，则该县市风灾出现次数记为1。另外，使用了1980—2019年北疆地区44个气象站平均风速以及38县市农作物播种面积和牲畜存栏数资料。文中北疆及其市级行政边界是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1719的标准地图制作，底图无修改。

2.2 方 法

2.2.1 灾损指数的构建

为便于比较各县市或各年风灾的强弱，需要构建能够综合反映风灾次数及灾情要素的灾损指数(Z)。在灾损指数的构建中，首先通过比值法确定各要素的权重，然后将各要素标准化加权求和得到Z。

设有m种要素，每种要素由n个样本组成，可得到风灾及灾情要素评价矩阵Xn×m，则风灾灾损指数Z的计算公式如下：

表3方案侧重于对现有各类设备的数量而不是可用生产时间进行拆分和最优分配，相较于表1和表2方案，避免了生产流程的频繁切换，大大简化了对设备的管理和调度．

(1)

(2)

为了探讨风灾的空间分布和年际变化特征，利用公式(1)分别计算县市和年的灾损指数。在计算县市的灾损指数时，n取38，代表北疆38县市出现的风灾，X为各县市各种灾情要素1980—2019年的累计值；在计算年灾损指数时，n取40，代表40 a，X为各年各种灾情要素38县市累计值。

利用北疆各县市各种灾情要素1980—2019年累计值，以及各年各灾情要素38县市累计值，依据公式(2)计算得到县市和年对应的风灾及灾情要素的权重(表1)。

表1 北疆地区38县市1980—2019年6种大风灾情要素的权重、平均值、最大值Tab.1 The weight, average and maximum values of six kinds of wind disaster situation elements in thirty-eight counties or cities of northern Xinjiang during 1980-2019

2.2.2 灾损指数的危害性等级阈值

利用概率密度分布函数直方图和假设检验[22]构建县市和年灾损指数Z的概率密度函数，在此基础上确定县市和年灾损指数Z的等级阈值，进而实现各县市和各年风灾的危害性等级划分。

根据1980—2019年新疆北部县市和年的灾损指数样本序列，采用概率密度分布图解法，取分组数10，得到县市和年灾损指数直方图(图2)，发现北疆县市和年的灾损指数近似服从伽玛分布，灾损指数平均值μ=1，方差σ2分别为0.4144、1.1113，由μ=αβ、σ2=αβ2关系式，得到县市(年)伽玛分布

的参数α=2.4131(0.8998)，β=0.4144(1.1113)。

根据文献[22]的检验方法，计算得到县市(年)的统计量V=1.88(4.53)，取α=0.01，χ2分布表对应的临界值λ=18.48，故而V<λ，认为北疆县市(年)大风灾损指数服从伽玛分布，其概率密度分布函数可用伽玛分布函数表达：

(3)

由伽玛分布函数的概率可确定县市(年)灾损指数的分位点阈值xp值，进而得到北疆风灾危害性等级划分标准(表2)。

图2 1980—2019年新疆北部县市(a)和年(b)大风灾损指数的概率密度分布Fig.2 Probability density distribution of prefectural and municipal (a), annual (b) disaster damage index of strong wind in northern Xinjiang during 1980-2019

表2 1980—2019年新疆北部县市(年)风灾危害性等级划分标准Tab.2 The classification standards of perniciousness grades for prefectural and municipal (annual) wind disaster in northern Xinjiang during 1980-2019

3 结果与分析

3.1 北疆风灾灾情空间分布

大风主要给北疆农牧区造成较大损失，农牧区主要分布在塔城、阿勒泰地区、伊犁河谷、沙漠边缘绿洲区及天山北坡一带和山区草原地带，故而受灾区主要集中于上述区域(图3)。从风灾出现频次来看，累计出现次数最多的是博州、阿勒泰地区福海县和乌鲁木齐市，为24～35次[图3(a)]；从累计死亡

人数和年均倒塌房屋来看，最严重的地区是阿勒泰、塔城和伊犁州[图3(b)和图3(c)]；从倒塌棚圈和死亡牲畜数量来看，受灾严重的县市主要分布于塔城、阿勒泰地区和昌吉州东部，这些区域承载着北疆大部分畜牧生产活动[图3(d)和图3(e)]；从农作物受灾面积看，重灾区主要分布在北疆沿天山一带，为2853.6～5715.6 hm2[图3(f)]，这一地带称为“天山北坡经济带”，是北疆农业主产区。

图3 北疆风灾次数及灾情空间分布 (a)累计出现次数，(b)累计死亡人数，(c)年均倒塌房屋，(d)年均倒塌棚圈， (e)年均死亡牲畜，(f)年均农作物受灾面积Fig.3 The spatial distribution of wind disaster times and disaster situations in northern Xinjiang (a) cumulative times, (b) cumulative death tolls, (c) annual average collapsed houses, (d) annual average collapsed sheds, (e) annual average dead livestock, (f) annual average disaster-affected areas of crop

3.2 北疆风灾灾损指数与平均风速的空间分布

北疆风灾灾损指数的空间分布与灾情基本一致，大风灾损较重区域主要集中在农牧区及风口区，Z>1.067的区域主要分布在阿勒泰、塔城、博州以及石河子以东的天山北坡，其中1.737以上的高值区主要位于阿勒泰北部、博州西部、昌吉州东部及乌鲁木齐市等地区[图4(a)]。根据表2划分标准，得到北疆风灾危害性等级空间分布[图4(b)]，发现北疆风灾危害性特重等级主要分布在奇台、托里、乌鲁木齐、阿勒泰，严重等级主要分布在阿勒泰北部和东部的青河、福海、布尔津等县以及塔城的额敏县、伊犁州的巩留县、石河子市等地，而较重等级分布区主要在塔城北部的裕民、克拉玛依、乌苏和阿勒泰的富蕴、吉木乃以及伊犁州的察布查尔县、博州、昌吉州的吉木萨尔等地。可见，总体上较重以上等级主要分布在北疆各地的农区和牧区，这些地区尤其是牧区常分布在较偏远的山区，交通不便，防灾减灾能力较弱，而经济较发达的县市灾害脆弱性更高，受灾的风险等级也更高。根据自然断点法将北疆风速也划分成4个等级[图4(c)]，平均风速大值区位于阿勒泰的吉木乃、博州的阿拉山口和达坂城以及昌吉州的奇台，这些地区的大风灾损指数较高，而风速较小的伊犁河谷、昌吉州西部的灾损指数较小。可见，北疆大风灾损指数的空间分布与平均风速基本一致，灾损指数能够较为客观地反映大风灾害的空间分布特征。

图4 北疆大风灾损指数(a)及其危害性等级(b)和平均风速(c，单位：m·s-1)的空间分布Fig.4 Spatial distribution of disaster damage index (a) of strong wind and its perniciousness grade (b) and average wind speed (c, Unit: m·s-1) in northern Xinjiang

3.3 北疆风灾的时间变化

3.3.1 风灾月变化特征

北疆风灾一年四季都有发生，风灾次数及灾情高值主要出现在春季3—5月，4月为高发期，该月死亡牲畜、倒塌棚圈、倒塌房屋数量的比例占全年60%以上[图5(a)]，这与该地区平均风速的月分布特征[图5(b)]有关，即平均风速春季最大，春季地面升温快，空气不稳定，冷空气入侵容易形成大风，此时正值作物生长最关键的幼苗期，一场大风势必对作物造成严重损伤；夏季冷空气势力减弱，大风比春季少；冬季有逆温层存在，入侵的冷空气多从盆地逆温层顶部经过，地面风速较小，但准噶尔盆地有冷空气堆积时气压相对较高，而额尔齐斯河河谷西部和塔城盆地气压相对较低，加大了东西间的气压差，故而时常有偏东大风。因此，春季北疆风灾较重区域主要集中在北部塔城和阿勒泰、准噶尔盆地周边的绿洲农业区以及沿天山一带的农作物种植区。

3.3.2 风灾年际变化及其影响因素

1980—2019年，北疆地区风灾的年灾损指数呈明显增大趋势(通过α=0.1的显著性检验)，灾损指数每10 a增加0.24，1998年最高为4.8[图6(a)]；在气候变暖背景下，20世纪末以来年灾损指数的波动性加剧(年际变率加大)，危害性达特重等级的年份明显增多，表明进入21世纪北疆风灾呈增加、增强趋势。

为了探究风灾灾损指数增大的原因，对1980—2019年北疆地区平均风速、农作物播种面积和牲畜存栏数进行统计分析。可以看出，近40 a北疆地区平均风速整体表现显著减小趋势(通过α=0.05的显著性检验)，但阶段性变化特征明显，2010年代以前呈持续减小的年代际变化特征，而后持续波动增大[图6(b)]，与灾损指数的年变化趋势不一致，说明风速不是影响灾损指数变化的决定因素；农作物播种面积和牲畜存栏数的变化趋势与灾损指数相吻合，均呈显著增加趋势，尤其2000年以后急剧增加[图6(c)和图6(d)]。由此可见，农作物播种面积和牲畜存栏数等承灾体的持续增长是造成北疆大风灾损指数增大的重要因素。

图5 北疆各月风灾次数及灾情占全年的百分比(a)和平均风速的月变化(b)Fig.5 The percentage of monthly wind disaster times and disaster situations to the whole year (a) and monthly change of average wind speed (b) in northern Xinjiang

图6 1980—2019年北疆大风灾损指数(a)和平均风速(b)、 农作物播种面积(c)、牲畜存栏数(d)的年际变化Fig.6 The annual variation of disaster damage index of strong wind (a) and average wind speed (b), sown area of crops (c), livestock numbers (d) in northern Xinjiang during 1980-2019

4 结 论

(1)基于风灾次数及其导致的死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、牲畜死亡数、农作物受灾面积等灾情要素，构建的大风灾损指数能够较客观地反映北疆大风灾害的空间分布特征，较重以上等级主要分布在北疆北部、伊犁河谷以及沿天山一带的农牧业区、风口区和经济较发达的县市，这与北疆风速的空间分布基本吻合。

(2)北疆风灾主要发生在春季3—5月，4月为高发、重发期，这与北疆风速的季节分布有关。春季北疆风灾较重的区域主要集中在北部塔城和阿勒泰、伊犁河谷的山区以及准噶尔盆地边缘的绿洲农业区、沿天山一带的农业区。

(3)近40 a来，北疆风灾损失呈明显上升趋势，灾损指数每10 a增加0.24，且在气候变暖背景下20世纪末以后风灾波动性加剧、危害性增强。与此同时，平均风速呈减小趋势，农作物播种面积、牲畜存栏数呈显著增加趋势，表明北疆地区风灾增大主要与农作物播种面积、牲畜存栏数等承灾体增加密切相关，而与风速无明显相关关系。