盐源烤烟冰雹灾害精细化风险区划研究

徐学艳 ,卿清涛 ,周 刚

（1.四川省盐源县气象局，盐源 615700；2.四川省气候中心，成都 610072；3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072）

引言

盐源县位于凉山州西部，青藏高原东南缘，雅砻江下游西岸，100°42′～102°03′E，27°06′～28°16′N。年平均日照量为2561h，日照率59.8%，光热资源充足，无霜期为213d，>10℃的有效积温为3373℃。充足的日照和良好的热量条件特别适宜烟叶生长，该产地的烟叶色泽金黄，光泽鲜明，品质优良，香气浓郁，“清甜香型”风格特征突出，烟叶质量能与全国优质烟叶生产基地的云南省玉溪地区生产的烟叶媲美。烤烟是盐源地方财政及农民脱贫致富的支柱产业，然而，在烤烟的种植过程中发现，冰雹灾害是制约烤烟生长最严重的气象灾害之一，对优质烟叶的产量和质量造成严重的威胁。盐源地理位置独特，既是烤烟生长的适宜区，又是冰雹灾害的多发区[1−2]。因此，开展盐源县烤烟冰雹灾害风险区划研究刻不容缓。

近年来，许多学者开展了干旱、洪涝、雾霾、冰雹等气象灾害风险区划的相关工作[3−13]。但具体到对某种作物的农业气象灾害风险区划工作却不多见，特别是以乡镇为单元，对县级烤烟冰雹灾害风险的精细化区划研究鲜有报道。为此，本文根据烤烟冰雹气象灾害的特点，参照气象灾害风险区划方法，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力4 个方面出发，基于层次分析法，建立盐源县烤烟冰雹灾害风险等级区划模型，利用地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）技术开展盐源县各乡镇的烤烟冰雹灾害区划，确定烤烟冰雹灾害风险等级的空间分布，为有关部门防范烤烟冰雹灾害提供技术参考。

1 资料

1.1 基础数据

气象资料：1986～2015 年四川攀西地区（包括凉山州和攀枝花市，下同）各县（市）逐日地面冰雹观测资料。

作物资料：盐源县烟草公司提供的烤烟生育期资料和种植区域资料。

社会经济资料：依据2016 年盐源县统计年鉴，选用以乡（镇）为单元的行政区土地面积、年末总人口、耕地面积、第一产业总值等数据。

地理信息数据：四川省1：25 万GIS 数据中的DEM和水系数据。

由于气象灾害风险区划指标量纲不同，必须对其初始值进行标准化处理,得到相对统一的量纲，才能参与区域最终风险度的运算。

对于正向指标：

对于负向指标：

式中：Yij为第i个县第j个指标的归一化值，Xij为第i个县第j个指标的初始值，MinXij为第j个指标初始化值中的最小值，MaxXij为第j个指标初始化值中的最大值。

1.2 盐源烤烟生育期划分

根据多年的观测，得到盐源烤烟种植各生育期所对应的时间范围（表1）。盐源烤烟一般于1 月下旬～2 月上旬在大棚育苗，4 月移栽至大田，8 月收获。

表1 盐源烤烟生育期时段

2 盐源冰雹灾害对烤烟种植的影响

冰雹也叫“雹”，俗称雹子，是在对流云中形成，从积雨云中降落下来的一种固态降水物，是一种小尺度强对流天气，范围仅几公里至几十公里，维持时间有时只有几分钟，具有很强的局地性和短时性，有时还伴有局地阵性暴雨和强风，是一种危害性很大的天气现象。虽然持续时间不长，却可以使农作物瞬间遭到毁灭，甚至损坏房屋，打死打伤人畜等。统计盐源县1986～2015 年冰雹数据，得到各月冰雹日数（表2）。

由表2 可知：盐源县冰雹发生在春夏季，其中大多出现在春末和初夏；5 月频次最高，为1.67d/10a，其次是4 月和6 月，均达到0.67d/10a；年平均出现日数为0.367d。

对照表1 和表2，冰雹灾害对盐源烤烟的主要影响时段在揭膜上厢、团棵期，而在成熟期（7～8 月）出现冰雹的几率很小。

表2 1986～2015 年盐源各月平均冰雹日数（单位：d/10a）

3 盐源烤烟冰雹风险区划

3.1 风险区划方法

根据灾害系统理论[14−15]，气象灾害风险性可以表达为：

式中：气象灾害危险性是自然属性，包括孕灾环境和致灾因子；承载体潜在易损性是社会属性。本文根据烤烟生育期冰雹气象灾害的特点以及气象灾害风险区划的定义，参照近年来风险区划的方法，从冰雹孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体易损性和防灾减灾能力4 个方面构建冰雹灾害风险评价指标体系，进而建立烤烟冰雹风险区划模型。

气象灾害风险区划模型采用指数模型[11]，考虑规范化后的数值区间，本文构建的冰雹风险区划模型如下：

式中：F为冰雹灾害风险指数；E、H、S、R分别表示风险评价模型中的孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力；we、wh、ws、wr是各评价因子的权重，由层次分析法确定。

3.2 烤烟冰雹风险区划因子选择

3.2.1 烤烟冰雹致灾危险性因子

气象灾害的致灾因子是指造成灾害的临界值，危险性指标主要考虑灾害强度以及出现的频率[15]。根据冰雹天气的特点，在作物生长期内一旦出现冰雹基本都会造成危害。盐源烤烟在大棚育苗，且1～3 月盐源很少出现冰雹，因此本文主要考虑烤烟大田期的冰雹灾害影响，从冰雹灾害对烟叶产量和质量的危害程度出发，本文选择活棵期-团棵期和旺长期-成熟采摘期两个时段进行危险性评价，分别对应4～6 月和7～8 月。危险性因子公式如下：

式中：H表示烤烟冰雹致灾危险性因子，Hf表示烤烟活棵期-团棵期冰雹频次，Hw表示烤烟旺长期-采摘期冰雹频次，Wf、Ww分别表示对应的Hf、Hw指标权重。

冰雹局地性极强，与地形关系密切，而地面气象观测站点相对稀疏。为提高烤烟冰雹灾害的精细化程度，本文以与盐源同属相同气候区的攀西地区20个地面气象观测站1986～2015 年地面冰雹观测资料为基础，计算各气象站4～6 月、7～8 月冰雹频次，建立烤烟活棵期-团棵期（4～6 月）、旺长期-采摘期（7～8 月）冰雹频次与地理位置（经度和纬度）和地形(海拔高度、坡度和坡向) 的多元线性回归方程[16]，具体结果如表3 所示。表3 中，Hf、Hw分别是攀西地区某地烤烟活棵期-团棵期冰雹频次、旺长期-采摘期冰雹频次，Ea、Eb、Ec、Ed、Ee分别表示经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向。根据表3，两个生育期时段回归方程的复相关系数分别为0.8483 和0.7692，显著性水平分别达到0.01 和0.05，说明上述两个生育期冰雹频次与经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向线性相关显著，方程可信。

表3 攀西地区烤烟关键生育期冰雹频次与地理位置和地形的关系

以盐源90m × 90m 的DEM 资料为基础，通过GIS平台获取每个网格点的坡度、坡向，然后依据表3 的多元回归方程，计算盐源烤烟活棵期-团棵期冰雹频次和旺长期-采摘期各格点的冰雹频次。

3.2.2 烤烟冰雹孕灾环境敏感性因子

已有研究[17−18]表明，冰雹灾害是局地性很强的天气现象，地形高程和下垫面热力条件是冰雹灾害产生、发展的主要影响因素。凉山州地理位置特殊，地形地貌类型丰富，总体地势由西北向西南倾斜，地形抬升作用明显。通过分析凉山多年各气象站冰雹日数与海拔高度的关系发现：海拔500～1000m，冰雹日数随海拔高度增加而增加；超过2500m，冰雹日数随海拔高度增加而下降。以此为依据，选择海拔高度和下垫面土地覆盖类型两个指标开展盐源烤烟冰雹灾害的孕灾环境敏感性分析。敏感性因子公式如下：

式中：E为烤烟冰雹孕灾环境敏感性因子，Ec和El分别表示海拔高度和下垫面土地覆盖类型，Wc、Wl分别表示对应的Ec、El指标权重。地形和下垫面2 个指标的赋值见表4[11]。

表4 孕灾环境敏感性地形和下垫面指标赋值

3.2.3 烤烟冰雹承载体易损性因子

烤烟冰雹承载体易损性指烤烟接受一定强度的冰雹灾害打击后受到损失的容易程度，它取决于烤烟的物理特性和冰雹灾害的类型，反映了烤烟抵御冰雹打击的能力。本文参照张菡等[11]研究给出的四川烤烟生产区冰雹灾害风险评估，选取烤烟播种面积率、地均农业GDP 和地均农业人口作为冰雹灾害风险评估的易损性指标因子，具体公式如下：

式中：S为烤烟冰雹承载体易损性因子，Ss、Sg 和Sp分别表示烤烟播种面积率、地均农业GDP 和地均农业人口，Wm、Wg和Wp分别表示对应的Ss、Sg和Sp指标权重。

3.2.4 盐源烤烟冰雹灾害防灾减灾因子

盐源烤烟冰雹防灾减灾能力是指受烟区对冰雹灾害的抵御和恢复程度，包括盐源县的应急管理能力、减灾投入资源准备等。防灾减灾能力越高，可能遭受的潜在损失越小，气象灾害风险越小。本文选取人均GDP 和单位面积人工防雹作业点个数作为盐源烤烟冰雹灾害防灾减灾因子，具体公式如下：

式中：R为烤烟冰雹灾害防灾减灾因子，Rg和Rn分别表示人均GDP 和单位面积人工防雹作业点个数，Wd和Wn分别表示对应的Rg和Rn指标权重。

综上所述，盐源县烤烟冰雹风险区划指标体系如图1 所示。

图1 盐源县烤烟冰雹风险区划指标体系

3.3 指标因子权重确定方法

本文采用层次分析法（AHP）作为确定指标因子权重的方法[9]，权重确定结果如表5 所示。

表5 烤烟冰雹灾害风险区划指标权值

3.4 区划分级方法

本区划分级方法采用GIS 软件中的自然断点分级法[9]，自然断点分级法指用统计公式来确定属性值的自然聚类，目的是为减少同一级中差异、增加不同级间差异。其公式为：

式中：SSDi−j是第i−j指标的方差，A是一个数组（k为数组长度），meani−j为每个等级中的平均值。

4 盐源县烤烟冰雹灾害风险区划结果

4.1 冰雹灾害危险性区划结果

根据3.2.1，得到盐源县烤烟冰雹致灾危险区划（图2）。由图可见，盐源县烤烟冰雹致灾低危险区主要集中在东、南和东北边缘地区，中部和西南也有零散分布，主要包括东面金河乡和右所乡，东南德石乡、树河镇和马鹿乡等乡镇的绝大部分地区，北面梅子坪乡和官地镇等乡镇的东部边缘地区。中等危险区主要集中在盐源县中部和西北，主要包括白乌镇和棉桠乡大部分地区，大河乡的西部，西北前所乡和泸沽湖镇的大部分地区。高危险区主要集中在中东部和北部，主要包括北面梅子坪乡和官地镇的东部，白乌镇的北部，洼里乡和沃底乡西部边缘山区，白乌镇的东北部，大河、平川、右所、卫城等乡镇相邻的山地，西北部盖租、前所和泸沽湖等乡镇的高山区。

图2 盐源县烤烟冰雹致灾危险区划

4.2 盐源县烤烟冰雹灾害敏感性区划结果

根据公式（6），计算盐源县各乡镇烤烟冰雹灾害孕灾环境敏感因子值，得到盐源县烤烟冰雹灾害敏感性区划（图3）。由图可见：盐源县烤烟冰雹灾害孕灾环境大部分地区为低敏感区；中等敏感区集中在中部，包括干海乡、下海乡和双河乡；高敏感区面积小且分散，主要位于从北到南东部各乡镇的的东部边缘区；盐源县其余广大地区都是冰雹灾害的低敏感区。

图3 盐源县烤烟冰雹灾害孕灾环境敏感性区划

4.3 盐源县烤烟冰雹灾害易损性区划结果

根据公式（7），采用3.2 节方法绘制盐源县烤烟冰雹灾害易损性区划（图4）。由图可见：盐源县烤烟冰雹灾害承载体以低和中等易损区为主，高易损区面积很少；从东北到西南，在官地镇、大河乡、下海乡、博大乡和巫木乡西北面为低易损区，东南基本是中等易损区；发生冰雹灾害时高易损区可能会导致烤烟减产严重，而官地镇、大河乡等地损失相对较轻。

图4 盐源县烤烟冰雹灾害承载体易损性分布

4.4 盐源县烤烟冰雹灾害防灾减灾能力区划结果

使用公式（8），采用前述方法得到盐源县烤烟冰雹灾害防灾减灾能力区划（图5）。由图可见：盐源烤烟生产大部分乡镇抵御冰雹灾害的能力为中、低等级，抗灾能力高的乡镇极少，只有泸沽湖镇局部区域、以及梅雨镇、博大乡和黄草镇接壤区域；西部和北部为低抗灾能力区，东部和南部为中等抗灾区。防灾减灾能力较高的区域，经济相对发达，或者是人工防雹点的保护区域，发生同等灾害时，抵御灾害的能力较强，造成的损失相对较轻。

图5 盐源县烤烟冰雹灾害抗灾能力区划分布

4.5 盐源县烤烟冰雹灾害风险区划结果

利用公式（4），在 GIS 平台计算格点风险值，得到盐源县烤烟冰雹灾害风险区划（图6）。由图可见：在盐源县农业用地区域，烤烟冰雹灾害风险等级以中、高等级为主，低风险区域面积最少；低风险区主要集中在东南、西北两个角落，以及东边各乡镇的东部边缘地区；中等风险区主要集中在中部，西部和西南是中低风险混杂区域；高风险区主要集中在东北和中东部的连片区、南部以及北面的局部地区。

图6 盐源县烤烟冰雹灾害风险区划

低风险区包括东南的德石、树河、马鹿和甘塘等4 个乡镇的大部分农业用地，西北的泸沽湖和前所两个乡镇大部分地区，东面金河乡大部分农业用地，梅子坪、官地和平川3 乡镇的东部边缘地区。

中等风险区包括棉桠、白乌两个乡镇的大部分农业用地区域，大河乡的西部，博大乡和长柏乡的大部分区域。西到西南的桃子乡、盐塘乡和巫木乡为中、低风险相间区域。

高风险区主要集中在东北和中东的连片区、南部以及北面的局部地区。东北、中东高风险区包括官地和卫城2 镇的绝大部分区域，白乌镇的东北，大河乡的东部，平川镇北、西、南3 面的边界地区，以及树河、卫城和右所3 乡镇接壤区域。南部高风险区主要有盐井和梅雨2 镇的农业用地以及黄草镇的东南部。北面高风险区包括白乌镇西北、棉桠乡北部和大草乡东北连片地区以及盖租乡北部等地区。

5 结论与讨论

本文根据烤烟冰雹气象灾害的特点，参照气象灾害风险区划方法，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力4 个方面出发，建立盐源县烤烟冰雹灾害风险等级区划模型，利用GIS技术开展盐源县各乡镇的烤烟冰雹灾害区划，得到如下主要结论：

（1）盐源县烤烟冰雹风险等级区域差别较大，烤烟冰雹灾害风险等级以中、高等级为主，低风险区域面积较少。部分烤烟种植区同时又是冰雹灾害的高风险区，需要加强针对冰雹灾害的预报及防御措施 。在盐源县烤烟防雹的重点时段，要高度重视冰雹的短临预报预警工作，同时积极有效的进行人工防雹，保证烤烟不受到或减小冰雹的危害。

（2）冰雹灾害是烤烟生产中非常严重的自然灾害，对烤烟的品质和产量影响很大。且冰雹灾害的局地性较强，气象台站冰雹频次难以反映全县（市）实际冰雹灾害。采用多元线性回归方程的方法求得冰雹频次，综合考虑致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力等多种因素，实现了致灾因子评价的定量化、精细化转变，比以往仅仅利用地面气象站的冰雹频次统计结果直接在GIS 平台进行插值有较大的改善，分析结果可信度更高，是开展县级气象灾害风险区划的有益尝试，对今后类似的研究具有一定的指导意义。