新疆天山山区干旱灾害综合风险评估与区划

吴秀兰 张婧莉 余行杰 玛依拉·买买提艾力

（新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

引言

干旱灾害是指由于降水减少所造成的水资源收支或供求不平衡，而形成的水分短缺对生产、生活和生态造成危害的事件，即大气降水与陆面（土壤、植被等）相互作用的结果［1］。干旱灾害相较于其他自然灾害，其发生频次更高、持续时间更长、影响范围更广、灾害损失更重，是世界尤其是中国最严重的自然灾害之一［2-3］。据相关历史资料统计，中国自然灾害中70%为气象灾害，而干旱灾害又占气象灾害的50%左右［4］。IPCC第六次报告显示，未来随着全球平均温度进一步上升，大部分地区发生极端高温事件的频率和强度将升高，且在SSP5-8.5（最差）情景下，许多中纬度和亚热带地区，平均降水量可能会减少，且全球变暖大背景下极端天气气候事件呈增加态势［5］，因此干旱灾害对人类社会和生态环境造成的影响也必将更加深远，其已经成为人类社会可持续发展面临的重大挑战，引起了世界各国对防灾减灾的高度重视，并逐渐认识到科学的灾害风险管理是提升防灾减灾能力的有效途径。

干旱是中国农牧业生产中比较严重的一种气象灾害，草地发生干旱会阻碍牧草正常返青和生长发育，并导致草地地上生物量减少，进而影响区域畜牧业的可持续发展［6］。有研究表明［7］，当遇到春旱时，牧草返青期较常年推迟10—15 d，发生夏旱时往往导致牧草产量降低、品质变差。新疆是中国五大牧区之一，天山山脉横贯新疆，北邻准噶尔盆地南缘，南接塔里木盆地北部，属于典型的大陆性气候，草地是其主要植被覆盖类型之一，干旱造成的水资源短缺是影响天山山区生态平衡、制约草地资源可持续发展的关键因素。有学者研究发现，1961—2015年天山山区草地生长季虽然降水量有所增加，但由于气温升高加剧了蒸散作用，气候仍呈干燥趋势［6］，未来天山草地将可能面临更加严峻的干旱灾害风险，对生态文明建设、农牧民生产与生活乃至边疆稳定均会产生深远影响。因此，分析天山山区干旱灾害的风险特征，从而因地制宜地决定防旱抗旱措施十分重要。

自然灾害综合评估是灾害研究的基础，也是决策者制定防灾减灾对策的根本依据［8］。中国的干旱灾害风险研究工作在20世纪90年代以后开始迅速发展，主要可以归纳为方法型风险评估和指标型风险评估［9-10］。例如黄崇福等［11］、宫德吉和陈素华［12］将信息扩散理论、模糊数学法等引入干旱灾害风险评估研究，选取历年平均减产率和减产风险概率作为评价指标，对农作物的干旱灾害进行评估。王明田等［13］利用玉米产量、生育期资料和气象资料，构建了四川省盆地区玉米旱灾综合风险评价指标体系，形成了综合风险评估模型。张存厚等［14］基于自然灾害风险理论，构建了旱灾风险评估模型，对内蒙古草原旱灾综合风险进行了评估。综合来说，国内对干旱的评估多注重农业方面的研究，对牧区的干旱灾害风险研究较少。以往对新疆天山草地研究中，较少有针对该区域干旱灾害系统性的研究，且对干旱致灾因子偏向于单一因素分析。因此，本文针对新疆天山草地自然环境特点和干旱发生发展规律，基于自然灾害四因子理论［15-19］，拟建立切实反映该区旱灾风险评价指标与模型，以期为天山草原牧区防灾减灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

天山山系是世界上最大的独立纬向山系，也是全球干旱地区最大的山系。中国境内的天山西起中国与吉尔吉斯斯坦边界，东至哈密市以东的星星峡戈壁，全长1700 km，占山系总长度的2/3，宽度一般为250—350 km，山脊线平均海拔为4000 m。天山将新疆分为南、北两部分，也是南北疆气候的分水岭［20］。天山山区不同于南北疆平原地区，是新疆地区降水量最大的区域，且山地迎风坡（北坡）多于背风坡（南坡），天山北坡年平均降水量多在500 mm以上。森林和草原是天山山区主要植被覆被类型，该区域也是优良牧草的基因库，对发展畜牧业具有重要作用。

图1 新疆天山山区地理位置及海拔高度Fig.1 The geographical location and altitude Uygur of the Tianshan M ountains in Xinjiang Uygur Autonomous Region

1.2 资料来源

气象数据为新疆天山山区26个国家级气象观测站1961—2020年逐日气温降水数据，来自新疆维吾尔自治区气象局信息中心；气象干旱综合指数（MCI）来自国家气候中心1961—2020年逐日MCI指数，MCI指数的计算方法见《气象干旱等级》［21］。

遥感数据为新疆天山山区植被生长季（5—10月）叶面积指数（LAI）产品，来自2003—2017年中分辨率成像光谱仪（MODIS）叶面积指数1次/（8 d）、500m×500m空间尺度数据（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。

地理信息数据为研究区25 m×25 m分辨率的DEM栅格数据，来自中国科学院资源环境数据云平台（http：//www.res-dc.cn/Default.aspx）。

新疆天山山区各县草原面积分布数据来自新疆维吾尔自治区草原总站；牲畜存栏数和人均地区生产总值来自新疆统计年鉴；干旱灾情资料来源于《中国气象灾害大典（新疆卷）》和新疆民政部门收集的灾情数据。

1.3 分析方法

1.3.1气象干旱综合指数计算和干旱等级划分

以国家气候中心最新修订的综合气象干旱指数MCI作为致灾因子危险性基础指标，计算方法如下

式（1）中，SPIW60为近60 d标准化权重降水指数；M I30为近30 d湿润度指数；SPI90为近90 d标准化降水指数；SPI150为近150 d标准化降水指数。a、b、c、d分别为SPIW60、MI30、SPI90和SPI150的权重系数，中国西部地区的取值分别为0.3、0.5、0.3和0.2；Ka为季节调节系数，在《气象干旱等级》标准中由Ka取值可以看出，MCI只针对新疆4—10月的气象干旱进行监测，其余月份计算结果为0，因此本研究只分析了植被生长季的干旱强度。MCI各分量的算法详见文献［21］。MCI干旱等级分级情况如表1所示。

表1 MCI等级划分标准Table 1 MCI grading standard

1.3.2致灾因子危险性指数构建

干旱致灾因子危险性是由干旱强度和干旱频率共同决定的，一般旱灾强度越大，频次越高，其危险性就越大。本文参考了界限强度指数［22］的概念来统计各个干旱等级的发生概率，即以每种干旱强度的下限为准，统计各强度等级小于各下限值的发生概率。根据表1气象干旱综合指数（MCI）的等级划分标准可知，当MCI≤-0.5时即表示发生了干旱，统计当-1.0＜MCI≤-0.5时轻旱发生概率、-1.5＜MCI≤-1.0时中旱发生概率、MCI≤-1.5时重旱发生概率以及MCI≤-2.0时特旱发生概率，然后将不同干旱强度等级的概率与其对应的界限值相乘再累加求和，即可得到干旱致灾因子危险性指数，具体计算公式可表达如下

式（2）中，R为致灾因子危险性指数；Pij为气象站j发生干旱等级为i的概率；pij为气象站j发生干旱等级为i的强度（i＝1，2，3，4，5）；n为气象站点数。

1.3.3自然灾害综合指数法

根据前人对自然灾害风险评估理论研究的发展，认为干旱灾害风险评估应包括致灾因子危险性（VH）、承灾体脆弱性（VV）、孕灾环境敏感性（VS）以及防灾减灾能力（VR）4个部分。基于此，本文构建了天山草地旱灾风险指数，其表达式如下

式（3）中，HDRI为综合干旱灾害风险指数为，值0—1，其值越大，表明旱灾风险等级越高，Wa、Wb、Wc、Wd分别为致灾因子危险性、承灾体脆弱性、孕灾环境敏感性、防灾减灾能力4个因子的权重值。致灾因子危险性、承灾体脆弱性、孕灾环境敏感性均为正向因子，即危险性、脆弱性和敏感性越大，干旱风险就越高，而防灾减灾能力为负向因子，当防灾减灾能力越强，干旱风险会越低。

1.3.4指标标准化处理

在构建综合风险评估模型中，首先对各指标要素进行标准化处理，将各指标无量纲化，将变量数值处理到能够比较的范围内。本文规定当指标值越大，其相应的风险度越高时称为正向指标，反之称为负向指标，其标准化处理方法如下：

1.3.5专家打分法

专家打分法是指通过匿名方式征询有关专家的意见，对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，客观地综合多数专家经验与主观判断，对多个难以采用技术方法进行定量分析的因素给出权重值的一种方法。本文在确定4个因子中各项子指标权重时采用专家打分法赋权重值（表2）。

1.3.6加权综合评价法

加权综合评价法是从整体出发，在计算过程中根据相应因子对评价目标的影响程度，分配各因子权重系数，并将权重系数和量化后的各因子对应起来，而后进行相乘和相加的一种简便又精确的综合评价方法，其表达式为

式（4）中，Pvj为评价因子综合指数；Rvij为对于因子j的指标i（Rvij≥0）；Fci为指标i的权重（0≤Fci≤1），可以通过特征向量法获得；n为评价指标的个数。本文在利用专家打分法对4个风险因子进行赋权的基础上（表2），采用综合加权构建了旱灾综合风险指数。

表2 干旱灾害风险指标体系Table 2 Drought disaster risk index system

2 结果分析

2.1 干旱灾害风险评估指标体系的构建

依据自然灾害风险理论，即灾害风险是由致灾因子危险性、承灾体脆弱性、孕灾环境敏感性和防灾减灾能力4个因子共同决定的，而危险性、脆弱性、敏感性和防灾减灾能力又是由多种不同的指标与权重共同决定的，本文在了解天山山区实地情况的基础上，查阅了一定量的自然灾害风险分析相关文献，并根据数据获取的难易程度选取了4个因子相应的9个指标：旱灾致灾因子危险性主要用气象干旱综合指数MCI来划分干旱等级，并计算其不同等级干旱的频率和强度；承灾体的脆弱性指标选取了地均牲畜存栏数和草原面积比重；孕灾环境的敏感性指标选取坡度、叶面积指数；防灾减灾能力指标选取了人均GDP。在指标确定基础上利用计算方法简便、直观性强的专家打分法确定了各项指标权重（表2）。

2.2 致灾因子危险性

根据式（1）和式（2）计算出研究区内26个气象站点的致灾因子危险性指数，利用ArcGIS的空间分析功能，采用克里金插值法和自然断点法，对各气象站点进行空间插值与分级，最终得出新疆天山草地干旱致灾因子危险性区划（图2）。基于MCI综合气象干旱指数所得的天山山区干旱致灾因子危险性指数表明，伊犁河谷大部和博州地区属于旱灾高危险区，危险性指数大于0.25；乌苏至鄯善一线的天山北坡和巴州北部属次高危险区，危险性指数为0.23—0.25；阿合奇、乌什及巴里坤县属于中危险区，危险性指数为0.20—0.23；喀什和克州平原地区属次低危险区，危险性指数为0.17—0.20；哈密市和伊吾县为低危险区，危险性指数小于0.17。新疆天山山区干旱致灾因子危险性大致呈现出中部高、两端低的分布趋势。

图2 新疆天山草地干旱致灾因子危险性区划Fig.2 Risk zoning of drought hazard factors in grasslands of Tianshan M ountains，Xinjiang Uygur Autonomous Region

2.3 承灾体脆弱性

天山山区是新疆最重要的畜牧生产基地，因此当干旱灾害发生时，牲畜是最直接、最容易遭受损害的对象，而由于天山山区各县资源和人口分布不均匀，其牲畜存栏数也有一定差异，因此将天山山区各县地均牲畜存栏数作为干旱灾害的一个主要承灾体。经分析可知，位于伊犁河谷的新源县、巩留县、伊宁县等地均牲畜存栏数最大，高于100头/km2，因此当发生干旱时这些县可能更容易遭受牲畜损失，而东疆各县地均牲畜存栏数相对较低，低于10头/km2，故而旱灾发生时其牲畜遭受损失的可能性较低。天山山区发生干旱的另一个重要承灾体就是草原，该区草原总面积约1.7×105km2，是新疆最优良也是最重要的牧场。草原面积占比在各县有所差异，伊犁河谷和巴州北部各县，以及南疆西部的阿合奇县、乌什县草原面积占比高于60%，其旱灾易损性就相对较高，而天山北坡乌苏至昌吉州一线、吐鲁番市各地草原面积占比相对较低，低于10%，故这些区域的旱灾易损性就相对较高。

在对天山山区各县的地均牲畜存栏数和草原面积占比两个指标进行空间分析的基础上，将二者进行栅格化后进一步作了归一化处理，给两个因子赋予权重后在ArcGIS中采用综合加权法，利用栅格计算功能对二者进行空间叠置运算，最终得到天山山区干旱灾害承灾体脆弱性区划（图3）。由图3可知，天山山区干旱承灾体高脆弱区主要包含伊犁河谷的霍城、伊宁、巩留、新源等县，其脆弱性指数大于0.53，次高脆弱区主要有温泉、尼勒克、特克斯、拜城等县，脆弱性指数为0.30—0.53，昭苏县、温宿县、博乐市、乌苏市、乌鲁木齐县、木垒县等属于中等脆弱区，其脆弱性指数为0.18—0.30，次低脆弱区主要有昌吉州和巴州各县以及克州的阿合奇和阿图什等地，脆弱性指数为0.08—0.18，而克州的阿克陶县和乌恰县、吐鲁番和哈密各地均属于低脆弱区，脆弱性指数小于0.08。

图3 新疆天山山区干旱承灾体脆弱性区划Fig.3 Vulnerability zoning of the hazard-bearing bodies of drought in Tianshan M ountains，Xinjiang Uygur Autonomous Region

2.4 孕灾环境敏感性

干旱灾害孕灾环境的敏感性是指受到干旱灾害威胁区域的外部环境对灾害带来的影响或损害的敏感程度。一般来讲，孕灾环境的敏感性越高，受干旱灾害的损失就越大，即干旱灾害风险也就越高，反之干旱风险越低。对于天山草地而言，地表植被的生长状况对干旱灾害的敏感程度有所差异，植被生长状况越好，其对干旱的敏感性越低，即本文选取的表征植被生长状况的LAI为负向指标，其值越大，敏感性越低。另外，不同坡度将导致单位面积上不同降雨量，从而对干旱的敏感性有所差异，一般坡度越大，对干旱的敏感性相对越高。本文从MODIS数据获取了5—10月平均叶面积指数（LAI）、从DEM数据提取坡度作为研究区孕灾环境敏感性指标，借助ArcGIS的栅格计算功能，将以上要素数据栅格化后进行空间图层叠置分析，最终得出天山山区干旱灾害孕灾环境敏感性区划（图4）。

从图4可以看出，由叶面积指数LAI和坡度数据构建的新疆天山山区孕灾环境敏感性指数区划表明，孕灾环境的高敏感区和次高敏感区主要位于精河至吐鲁番一线的天山北坡、阿克苏西部和克州山区以及巴州北部等地，其敏感性指数为0.46—0.89；次低敏感区和低敏感区主要分布在伊犁河谷、巴音布鲁克草原、哈密山区及喀什和克州平原区，敏感性指数为0.19—0.24；其余地区属中等敏感区。

图4 新疆天山山区孕灾环境敏感性区划Fig.4 Sensitivity zoning of the disaster-pregnant environment in Tianshan M ountains，Xinjiang Uygur Autonomous Region

2.5 防灾减灾能力

防灾减灾能力是评估灾害风险的重要参考因素，是指某一地区对干旱的抵御能力和灾后恢复能力。一个地区的防灾减灾能力与其经济发展水平密切相关，故而将人均GDP作为表征防灾减灾能力的指标，认为人均GDP越高的地方，其防灾减灾能力越强，反之，防灾减灾能力越弱。将各县人均GDP归一化处理，利用自然断点法将其分为5类，图5为天山山区防灾减灾能力区划。由图5可知，天山山区防灾减灾能力最高的区域是吉木萨尔县和伊吾县，防灾减灾能力指数高于0.44；博乐至巴里坤的北疆沿天山一带和克州阿克陶县、乌恰县属中等到次高防灾减灾能力区，防灾减灾能力指数为0.06—0.44；伊犁河谷、阿克苏和喀什地区各县均属于低防灾减灾能力区，其防灾减灾能力指数低于0.04。

图5 新疆天山山区防灾减灾能力区划Fig.5 Zoning of disaster prevention and reduction capability in Tianshan Mountains，Xinjiang Uygur Autonomous Region

2.6 干旱灾害综合风险

根据自然灾害风险四因子理论，在综合考虑了4个因子所包含的多项指标基础上，利用本文构造的干旱综合风险指数区划出天山山区干旱灾害风等级（图6）。由图6可知，新疆天山山区干旱风险整体呈现出中部高、两端低的趋势，即中部的天山南北两侧风险高于南疆西部和东疆地区。风险等级最高的区域位于伊犁河谷的新源县和伊宁县，风险指数为0.34—0.45；霍城、尼勒克、巩留、伊吾、疏附等县为次高风险等级区，风险指数为0.26—0.34；博州、特克斯县、乌苏市、乌鲁木齐县、昌吉州东部、阿克苏东部地区和乌什县等地为中等风险区；阿克苏地区西部、巴州北部及昌吉州西部各县为次低风险区，风险指数为0.16—0.21；南疆西部的喀什克州山区、吐鲁番、巴里坤县和哈密市等地为低风险区，干旱风险指数小于0.16。

图6 新疆天山山区干旱灾害综合风险区划Fig.6 Com prehensive risk zoning of drought disasters in Tianshan M ountains，Xinjiang Uygur Autonomous Region

风险指数最高的为伊犁河谷的伊宁县、新源县等地，虽然这些区域植被长势状态较好，即其孕灾环境敏感性较低，但该区域干旱致灾因子危险性为整个研究区最高，且由于其草原面积占比和地均牲畜量均较大，其承灾体脆弱性也为最高，故综合结果体现出这些地区为高风险区。而南疆西部山区和东疆多地其危险性等级均为次低和低危险区，脆弱性也为低脆弱区和次低脆弱区，而且由于这些区域人均GDP较高，故而其防灾减灾能力也处于中高等级。总体而言，这些区域综合干旱风险指数较低。

3 结论与讨论

（1）新疆天山山区致灾因子危险性分布整体呈中间高、两端低的特征。伊犁河谷大部和博州地区属于旱灾高危险区，乌苏至鄯善一线的天山北坡和巴州北部属次高危险区，阿合奇、乌什及巴里坤县属于中危险区，喀什和克州平原地区属次低危险区，哈密市和伊吾县为低危险区。

（2）新疆天山山区承灾体脆弱性分布表现为由中部向东西两端递减的空间特征。高脆弱区主要包含伊犁河谷的霍城、伊宁、巩留、新源等县，次高脆弱区主要包括温泉、尼勒克、特克斯、拜城等县，昭苏县、温宿县、博乐市、乌苏市、乌鲁木齐县、木垒县等属于中等脆弱区，次低脆弱区有昌吉州和巴州各县以及克州的阿合奇和阿图什等地，克州山区、吐鲁番和哈密各地均属于低脆弱区。

（3）新疆天山山区孕灾环境敏感性分布具有明显的地带性分布规律。高敏感区和次高敏感区主要位于天山北坡的精河至吐鲁番一线、阿克苏地区西部、克州山区以及巴州北部等地，而伊犁河谷、巴音布鲁克草原、哈密山区及喀什和克州平原区属于次低敏感区和低敏感区。

（4）新疆天山山区防灾减灾能力分布整体呈现出中东部高于西部的特征。防灾减灾能力最高的区域是吉木萨尔县和伊吾县，博乐至巴里坤一带的北疆沿天山地区和克州阿克陶县、乌恰县属中等到次高防灾减灾能力区，伊犁河谷大部、阿克苏和喀什地区各县均属于低防灾减灾能力区。

（5）新疆天山山区干旱风险分布整体呈中部高、两端低的趋势，即中部的天山南北两侧干旱风险高于南疆西部和东疆地区。风险等级最高的区域是位于伊犁河谷的新源县和伊宁县，霍城、尼勒克、巩留、伊吾、疏附等县为次高风险等级区，博州、特克斯县、乌苏市、乌鲁木齐县、昌吉州东部、阿克苏东部地区和乌什县等地为中等风险区，阿克苏地区西部、巴州北部及昌吉州西部各县为次低风险区，南疆西部的喀什克州山区、吐鲁番、巴里坤县和哈密市等地为低风险区。

（6）干旱相对其他自然灾害更加复杂，目前关于旱灾的综合风险评估尚未形成较为统一的指标体系。MCI指数考虑了降水长期亏缺和近期亏缺综合效应的累加结果，将MCI指数作为关键致灾因子，应用在旱灾综合风险评估中可以得到较好的效果。孕灾环境与地表植被的生长状况密切相关，不同的草地植被生长状况对干旱灾害的敏感程度有所差异，一般植被生长状况越好，其对干旱的敏感性越低，本文选取的表征植被生长状况的叶面积指数LAI以及地形因子作为孕灾环境敏感性指标可以较好地反映出草原植被对干旱的响应。承灾体易损性选取了地均牲畜存栏数和草原面积占比两个因子，运用多元数据的空间叠置计算承灾体脆弱性，可以更加真实地反映承灾体易损性水平。天山草原地区的资料相对有限，故选取人均GDP作为防灾减灾能力的关键因子来表征某地的灾害防御水平。

（7）由于影响干旱灾害的因子较多，尤其是新疆天山山区地形环境复杂，很多数据难以获取甚至无数据，例如在孕灾环境敏感性指标选取时，如能考虑河网分布、高山积雪以及土壤类型等要素，将有助于研究结果精确性的提高。在防灾减灾能力指标选取中，本研究只考虑了地区人均GDP，对专业技术人员数量、抗旱工程措施及应急处置能力等由于无法获取量化指标未作考虑，在将来的研究工作中将进一步加强这些数据的获取和运用，使风险区划结果更加客观，从而更具参考价值。