1961—2019 年新疆暴雨山洪灾害损失的时空变化特征

吕新生 ，周雅蔓 ，余行杰，于碧馨 ，王 熹

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.澳门理工学院中西文化研究所，澳门 999078）

洪涝灾害是洪水、涝灾和渍灾的总称[1]，一直是威胁人类生存和发展的最严重的极端自然灾害。暴雨山洪灾害则指由暴雨造成山洪的气象灾害。随着全球气候变暖，极端天气事件发生的频率和严重程度在急剧增多和增强[2]，许多国家和地区遭受了来自暴雨洪水灾害的影响[3-5]，分析气候变暖背景下暴雨洪水灾害发生的时空演变过程，对暴雨洪水灾害防治具有重要意义。

目前，关于暴雨洪涝灾害的研究主要分为2 个方面：一方面是在一个较大范围内基于地面气象站点信息、历史灾情数据等开展的暴雨洪涝灾害时空分布特征和风险区域等研究[6-8]，另一方面是在小范围内进行暴雨洪涝灾害致灾指标和临界雨量等方面的研究[9-12]。而在新疆区域范围内开展暴雨洪涝灾害的空间格局和年际变化的研究还不多见。新疆是发生暴雨较少的地区，而新疆暴雨或强降水造成的山洪灾害较多。因而根据暴雨洪水成灾事实和干旱、半干旱地区暴雨特点及河川与下垫面渗透力较差等情况，将日降雨量超过24 mm 的降雨确定为暴雨日[13]。虽然新疆暴雨相对南方地区来说场次少、强度弱，但是每年夏季均会出现区域性暴雨过程，且暴雨山洪危险程度较高。殷鉴虹等[14]分析了伊犁河谷春夏季极端天气的气候变化，得出该地区暴雨频次在20 世纪90 年代以后明显增加。据新疆气候中心气候影响评价报告，近10 a 新疆局地暴雨造成的灾害占气象灾害的36%，平均每年记录局地暴雨洪水灾害45次，给当地工业、农牧业生产和人民生命财产造成的损失越来越大[15]。其他学者的研究成果也表明，近50 a 新疆暴雨洪水灾害有加重趋势[16-19]。深入分析新疆暴雨山洪灾害变化，特别是暴雨山洪灾害时空变化规律，可为当地洪水灾害防御和可持续发展提供参考。2020 年5 月31 日国务院办公厅印发《关于开展第一次全国自然灾害综合风险普查的通知》，自然灾害综合风险普查工程正式启动，中国气象局党组高度重视气象灾害风险普查工作，新疆气象局8月也正式开展普查工作，做好新疆暴雨山洪灾害损失研究，可为新疆暴雨灾害风险普查工作提供科技支撑。

本文研究根据1961 年以来新疆维吾尔自治区民政厅记载的暴雨山洪灾害灾情信息，对研究数据进行归一化和可比化等处理，分析1961—2019 年新疆暴雨山洪灾害的时空特点，划分新疆各区域暴雨山洪灾害的强弱等级，为合理制定防灾减灾措施、防洪避险规划以及有效开展暴雨山洪灾害风险管理提供科学决策依据。

1 研究区概况与资料

1.1 研究区概况

新疆地处亚欧大陆中部，远离海洋，周围山脉环绕，北部的阿尔泰山、南部的昆仑山及中部横亘全境的天山将全境分为北疆和南疆，形成“三山夹两盆”的独特地形。特殊的地理位置和地形地貌特征，决定了新疆温带大陆性干旱气候，导致降水分布极不均匀。南北疆降雨差异显著，有些地方在有利的地形条件下年总降水量超过700 mm。其中天山山区雨量最大，占新疆总雨量的40.4%，北疆地区占34.4%，南疆地区约占25.3%[20]。

新疆的降雨主要出现在每年的3—10 月，期间累计的年平均降雨量为133 mm，5—7 月是新疆降雨最多的3 个月，占全年降雨量的51.5%，7 月的年平均降雨量达25 mm，为降雨最多月份。新疆的降雨量在空间上分布极不均衡，明显表现为北疆远多于南疆，山区远多于平原的特征。

依据新疆地形地貌和地（市）、州的行政区划将研究区域分为13 个区域，将乌鲁木齐市、昌吉州、塔城地区的乌苏市和沙湾县、伊犁州的奎屯市、克拉玛依市的独山子划入“北疆沿天山一带”，自治区直辖各县级市放入所在的地（市）、州的研究区域内。新疆13 个研究区域及其中的86 个县（市）行政中心和91个气象站及其地形地貌分布见图1。

图1 新疆研究区（a）与地形地貌（b）概况区划分布

1.2 数据资料

根据新疆维吾尔自治区民政厅记载的暴雨山洪灾害灾情信息，对数据进行逐条整理和核实，得到1961—2019 年新疆暴雨山洪灾害数据，基于气象部门暴雨天气过程记录，剔除明显有误与不合理的数据，满足数据的代表性、完整性和准确性。该数据信息在空间上涵盖新疆86 个县（市），时间序列上也基本满足对近几十年来气候变化背景下气象灾害发生和演变特点的分析，包括暴雨山洪灾害信息的出现时间（年月日）、出现区域（县/市）、死亡人数（人）、倒塌房屋数（间）、倒塌棚圈数（座）、牲畜死亡数量（头）、农作物受灾面积（hm2）等灾情记录，共计3 221 条。若某次某县（市）区域内出现1 次暴雨山洪灾害，则该县（市）暴雨山洪灾害出现次数记为1。

1.3 灾损指数的构建

暴雨山洪灾害的灾情资料包含5 个要素，分别为死亡人数（人）、倒塌房屋（间）、倒塌棚圈（座）、死亡牲畜（头）、受灾面积（hm2），各县（各年）暴雨山洪灾害的强弱无法直接使用5 个要素进行比较。为了能客观地给出各县（各年）的暴雨山洪灾害强弱，运用5 个灾情要素信息构建综合灾损指数（Zi）。在Zi的构建中通过比值法确定每个灾情要素的权重，基于灾情要素权重采用无量纲化线性求和的方法得到Zi。

设有m 个灾情要素，每个灾情要素由n 个样本组成，这样可得到暴雨山洪灾害的灾情要素评价矩阵Xn×m。则暴雨山洪灾害灾损指数Zi的计算公式[21]：

式中，i=1，2，…，n；，a1，a2，…，a5分别代表 5 个灾情要素的权重分别代表 5 个灾情要素的平均值。第j 个灾情要素的权重aj的计算公式定义如下：

式中，Xia为第j 个灾情要素的最大值，代表第j 个灾情要素无量纲化的累计值代表m 个灾情要素无量纲化的总和。

对于以县市为代表的空间区划，n 代表县（市）数，n=86，X 为某县（市）每个灾情要素 1961—2019年累计值。对于以年为代表的年际变化，n 代表年数，n=59 a，X 为某年某个灾情要素的累计值。

利用1961—2019 年新疆各县（市）某个灾情要素的59 a 累计值，某年某个灾情要素的86 个县（市）累计值，分别依据比值方法计算得到空间和年的5 个灾情要素对应的权重、平均值、最大值（表1）。基于这些参数可以计算得到用于表达空间情况的86 个灾损指数Zs，表达年的59 个年灾损指数Zy。

表1 灾情要素的权重、平均值和最大值

1.4 灾损指数的危害性等级阈值的确定

根据1961—2019 年新疆86 县（市）暴雨山洪灾害的死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、牲畜死亡数量、农作物受灾面积5 个灾情要素，采用比值权重法和无量纲化线性求和方法构建暴雨山洪灾害灾损指数Z。利用概率分布密度的直方图法和假设检验[22]确定县、年灾损指数Z 的概率密度函数，根据概率密度确定县、年灾损指数Z 不同等级的阈值，进而实现各县、各年暴雨山洪灾害的危害性等级划分。

根据县、年灾损指数样本序列，采用概率分布密度的图解法，取分组数10 得到县、年灾损指数直方图（图2），直方图显示灾损指数近似服从伽玛分布。县灾损指数的平均值μ=1，方差σ2=0.528 1，年灾损指数的平均值 μ=1，方差 σ2=1.568 8。由 μ=α0β0，σ2=α0β02关系式计算得到县伽玛分布的参数α=1.893 6，β=0.528 1，年伽玛分布的参数 α=0.637 4，β=1.568 8。

图2 县（a）与年（b）暴雨山洪灾害灾损指数概率密度分布

根据文献[22]的检验方法计算得到县、年的统计量V=4.01，取α=0.01，查χ2分布表得到临界值λ=18.48。因V＜λ，认为县、年的灾损指数Z 服从伽玛分布，县、年的概率密度函数均可用伽玛分布函数表达，具体表达式为：

由伽玛分布函数的概率可确定县、年的灾损指数分位点zp值，根据分布函数的概率及对应的灾损指数阈值，将年灾损等级（综合危害性）划分为：“特重”“严重”“较重”“一般”4 个等级，表 2 给出了县、年暴雨山洪灾害危害性等级划分标准。

表2 县、年暴雨山洪灾害等级划分标准

2 结果分析

2.1 暴雨山洪灾害的空间分布

由暴雨山洪灾害5 个灾情要素及灾损指数的空间分布特征（图3）来看，研究区域72%的站点受暴雨山洪灾害影响平均死亡人数在0.01～0.39 人，伊犁州霍城县、巩留县，克州的阿克陶县，阿克苏地区的阿克苏市、拜城县和喀什地区叶城县受暴雨山洪灾害影响平均死亡人数超过0.79 人，其中喀什地区叶城县高达1.56 人（图3a）；结合平均房屋受损情况来看，60%以上的站点平均房屋受损不超过96间，19.8%的站点平均房屋受损97～191 间，伊犁州伊宁市、察布查尔县、新源县、特克斯县、巩留县、昭苏县、尼勒克县、霍城县，吐鲁番地区吐鲁番市、鄯善县，喀什地区喀什市、伽师县、疏附县平均房屋受损201.42～259.53 间，而喀什地区莎车县、叶城县和伊犁州伊宁县平均房屋受损最严重，分别为297.97、299.92、381.83 间（图 3b）；平均倒塌棚圈超过 87 座的站点主要集中在喀什地区喀什市、叶城县、莎车县、伽师县和和田地区洛浦县，其中洛浦县高达349.37 座（图3c）；79.1%的研究站点平均死亡牲畜在1～449 头，伊犁州伊宁县、霍城县、巩留县、尼勒克县和阿克苏地区乌什县平均死亡牲畜超过900头，其中伊犁州伊宁县高达1 800 头（图3d）；从平均作物受灾面积来看（图3e），89.5%的研究站点平均受灾面积在29～1 341 hm2，塔城地区乌苏市，阿克苏地区阿克苏市、新和县、拜城县、温宿县、沙雅县、库车县、乌什县、阿瓦提县平均作物受灾面积超过1 341 hm2，其中阿克苏市高达5 279.44 hm2；结合受灾指数（图3f），62.8%的研究站点受灾指数不超过1，伊犁州伊宁县、尼勒克县、霍城县、巩留县，喀什地区喀什市、莎车县、叶城县，阿克苏地区阿克苏市、乌什县的受灾指数超过2.0，其中伊犁州伊宁县高达3.18。

图3 暴雨山洪灾害5 个灾情要素及灾损指数的空间分布特征

由暴雨山洪灾害危害性等级的空间分布（图4）可知，伊犁州、阿克苏地区和喀什地区为灾损等级特重的区域，其中伊犁州是新疆灾损最重的区域，伊宁县、巩留县、霍城县和尼勒克县尤为显著；其次是阿克苏地区，阿克苏市、乌什县、拜城县为阿克苏地区范围内灾害等级最重的区域，而喀什地区喀什市、莎车县和叶城县是喀什地区灾损最重的县（市）。克州阿克陶县和和田地区洛浦县灾损等级为严重的区域。上述区域的山前谷地和山前平原的各县（市）为特重，平原区域的县（市）为严重。灾损等级较重的区域为：博州温泉县，阿勒泰地区阿勒泰市、富蕴县，塔城地区乌苏市，乌鲁木齐市，昌吉州阜康市，克州阿合奇县、乌恰县，和田地区于田县、皮山县以及哈密市伊州区。

图4 暴雨山洪灾害危害性等级的空间分布特征

暴雨山洪灾害的致灾因子降雨要素空间分布极不均匀，区域性差异显著。根据新疆1961—2019 年91 个气象站的降水资料分析可知，每年3—10 月全疆平均的降雨量在7.07～511.26 mm，大雨以上日数在 0.05～13.39 d，暴雨以上日数在 0.00～4.56 d。南北疆降水差异显著，其中伊犁州、北疆沿天山一带、天山山区的降雨量和大雨、暴雨日数分布最多；博州、塔额盆地、克州山区等区域的降雨量和大雨、暴雨日数较多；南疆大部分区域降雨量和大雨、暴雨日数较少，而吐鲁番市是新疆降雨最少的区域，基本无大雨暴雨日数出现。结合暴雨山洪灾害的危险性等级的空间分布特征，伊犁州和克州山区的暴雨日数分布情况与其危险性等级的空间分布有较好的一致性，但阿克苏地区、喀什地区等地的部分县市与之相反，暴雨日数分布较少而其危险性等级却较高。综上所述，伊犁州是新疆暴雨多发的区域，其致灾危险性程度很高，社会经济发展一般，属于新疆暴雨灾害损失特重的区域；南疆阿克苏地区、喀什地区的降雨量和大雨、暴雨日数出现较少，但这些区域的地表植被稀疏、下垫面透水性差，强降水易导致地面径流增加，同时社会经济发展相对滞后、当地居民的文化教育水平相对落后，对暴雨灾害的防御能力和意识相对薄弱，这些区域同时又是新疆的农业和人口密集区域，从而导致这两个区域也是新疆暴雨灾害损失特重的区域。

2.2 暴雨山洪灾害的年变化

通过对新疆86 个县（市）5 个灾情要素的逐月年变化分析来看（图5a、5b），新疆暴雨山洪灾害的发生和损失具有很强的季节性。暴雨山洪灾害5 个灾情要素从每年春季3 月开始出现，夏季6—8 月的灾害危害性最大，9 月入秋季后，危害性则急剧减少；暴雨山洪灾害出现次数和死亡人数在7 月最多（分别为30.39%和34.34%），倒塌房屋数在8 月最多（27.73%），倒塌棚圈和死亡牲畜在4 月最多（分别为30.01%和29.21%），受灾面积在6 月最大（29.09%），这与新疆降水时间分布特征基本一致（图5c）。新疆降水主要发生在4—9 月，集中在5—8 月，暴雨以上日数平均为0.06 d（图5d），大雨以上日数在5—8 月超过0.33 d（图5e）、夏季的强降水量占全年的54.4%。可见，暴雨山洪灾害出现次数和死亡人数与降水量、大雨日数、暴雨日数的相关性最大。

图5 暴雨山洪灾害（a、b）、降水量（c）、暴雨以上（d）和大雨以上（e）出现日数的年变化

2.3 暴雨山洪灾害的年际变化

由灾损指数的年际变化（图 6a）可知，3 级、4 级灾害均出现在1985 年之后，而1985 年之前灾害等级绝大多是为1 级，2 级仅出现2 a。年灾损指数（ZY）在年代际变化上分为两个阶段，在20 世纪80年代中期有一个明显的突变，年灾损指数随时间呈线性增长趋势。年灾损指数与时间的线性回归方程为 ZY=0.028t+0.174（R=0.198 6，P=4.0×10-4），明显通过信度检验，表明新疆暴雨山洪灾害的年际变化在近59 a 来呈上升趋势，而且在气候变暖背景下，暴雨山洪灾害呈现波动性加剧，具体表现为年际变率加大，危害程度达特重以上的年份明显增多。

从图6 同样发现3—10 月降水量、大雨以上和暴雨以上日数的年代际变化与年灾损指数的年代际变化曲线形态相似。另外，年灾损指数在1984 年出现突变，突变后年灾损指数明显增大，突变后的平均值是突变前的6 倍；3—10 月降水量、大雨以上和暴雨以上日数均在1986 年出现突变，突变后的平均值分别是突变前的3.0、1.2、1.5 倍。这进一步说明3—10 月降水量、大雨以上和暴雨以上日数是造成新疆暴雨山洪损失最重要的影响因子。除暴雨山洪损失与降水密切相关外，其与区域内的人口密度、经济体量以及承灾体的暴露度和脆弱性等因子也有一定的联系。

图6 灾损指数（a）、3—10 月降水量（b）、暴雨以上（c）和大雨以上（d）出现日数的年际变化

3 结论

分析了1961—2019 年新疆暴雨山洪灾害的时空特点，划分与区划暴雨山洪灾害的强弱等级，通过分析灾损指数时空分布特征并与3—10 月降水量、大雨以上日数、暴雨以上日数对比分析，得到以下结论：

（1）新疆暴雨山洪灾害主要出现在伊犁州、阿克苏地区和喀什地区，其中伊犁州伊宁县、巩留县、霍城县和尼勒克县最重。上述区域5 个灾情要素均高于新疆区域平均值，灾损指数均超过2.0，其山前谷地和山前平原的各县（市）为特重，平原区域的县（市）为严重。伊犁州暴雨山洪致灾危险性程度很高，与其暴雨日数分布有很好的一致性，但阿克苏地区、喀什地区等地的部分县市与之相反。

（2）新疆暴雨山洪灾害的发生和损失具有很强的季节性，5 个灾情要素的灾害危害性从3 月开始出现，9 月急剧减少，夏季最大，且与新疆降水时间分布特征基本一致。暴雨山洪灾害出现次数和死亡人数与降水的相关性最大。

（3）近59 a 来，新疆暴雨山洪灾害的年际变化呈上升趋势，而且在气候变暖背景下暴雨山洪灾害波动性加剧，表现为年际变率加大，危害程度达特重以上的年份明显增多。山洪灾害在年代际变化上分为两个阶段，在20 世纪80 年代中期有一个明显的突变，年灾损指数随时间呈线性增长趋势，山洪损失与降水密切相关。