1957—2019 年山西省暴雨时空分布特征与暴雨灾害风险评估

李乐乐，钞锦龙，赵德一，李浩杰，吴林栋，李佳骏

（1.太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030619；2.古交市气象局，山西 太原 030200；3.山西省气象信息中心，山西 太原 030600）

中国是暴雨洪涝灾害发生频次最高的国家之一，对人民的生命安全和社会经济发展造成严重影响［1-2］。我国暴雨洪涝灾害的主要特征是受东亚季风影响，暴雨活动频繁，具有明显的年代际变化、年际变化、季节变化和季节内震荡［3］。年均暴雨量的分布具有明显的地域性，年均暴雨日数的地域分布与年均暴雨量的分布相一致，但不同的季节年均暴雨日数及其地域分布有明显差异［4-7］。研究发现，降水量和降水频次是洪涝灾害发生的主要影响因素［8-9］。我国的暴雨事件主要集中在5—9月，由东南沿海向西北内陆不断减少［10-11］。在暴雨洪涝灾情分布上具有明显的地区差异性，西北地区在暴雨洪涝灾害受灾率、经济损失和伤亡人数等方面要远高于东南沿海地区［12］。如何有效降低暴雨洪涝灾害损失已成为各个国家和地区以及学者们共同关注的话题。在已有研究中，决策分析法（AHP）和地理信息系统（GIS）等方法模型被广泛应用到自然灾害风险预测和评估中［13］。裴惠娟等［14］利用AHP 方法结合自然灾害风险评估理论，对甘肃省暴雨洪水时空分布及风险评估进行研究，绘制出甘肃省暴雨洪水灾害综合风险区划图。杨幸等［15］则利用GIS对汉中市的气象灾害进行风险评估，得出暴雨洪涝灾害高风险区多位于山区，而平原地区风险较低。暴雨洪涝灾害风险评估应综合考虑致灾因子、承灾体和防灾能力等因素［16］。更多还原孙鹏［17］、刘慧等［18］基于自然灾害评估理论对区域暴雨洪涝灾害风险实现综合评价，并绘制出暴雨风险等级图，同时分析暴雨洪涝灾害风险空间特征，提高了风险评估的实用性和科学性。结合遥感影像进行洪水灾害风险评估研究，有利于防洪减灾工程的规划［19］。对区域暴雨灾害进行科学风险评估将更有效地指导区域灾害防范以及工农业生产活动。

近年来，随着全球气候变暖，山西省暴雨灾害发生的强度和频率逐渐增加，严重影响了该省的社会经济发展［20］。已有相关研究主要是针对山西省及部分地区短时期暴雨时空变化规律及影响因素方面的研究［21-23］，对未来防灾减灾的指导性意义不大。而针对山西省的暴雨灾害风险评估方面少有研究。通过对历史数据的研究有利于更好地了解暴雨近期的变化，针对这一现状，本研究结合1957—2019年近63 a的历史降水数据，对山西省暴雨灾害时空分布进行深入分析，并且在此基础上基于自然灾害评估理论、GIS等方法，对山西省进行暴雨灾害的灾害风险评估，从而为区域暴雨防洪减灾、加强灾害风险管理以及所涉及灾害重建等工作提供科学依据。

1 研究区概况

山西省（34°34＇～40°44＇N，110°14＇～114°33＇E）地处黄土高原东部，总面积15.67×104km2；属于温带季风气候，年平均降水量大约在400～650 mm 之间，降水时间分配不均，约70%年降水量集中于6—9月［24］。境内地貌复杂多样，山区面积约占80%，地质灾害多发。山西省辖11 个地级市，117 个县级行政单位。2019年全省常住人口3729.22×104人，国民生产总值达到17026.7×108元，人均GDP 为45724 元［25］。2019 年全省遭受各类自然灾害所造成的直接经济损失120.8×108元，同上年增长9.6%，农作物受灾面积142.2×104hm2，增加68.8%，其中因暴雨洪涝灾害造成的农作物受灾面积达到71.5×103hm2［25-26］。

2 数据与方法

2.1 数据来源

图1 研究区27个气象站点分布Fig.1 Distribution of the 27 meteorological stations in the study area

气象数据主要来自中国气象数据网（http://data.cma.cn），基于研究工作的可行性原则和数据的客观性原则并结合实际，在山西省相对均匀地选取了27个气象站点，分别为右玉、大同、河曲、天镇、朔州、五台山、灵丘、五寨、兴县、原平、平定、离石、太原、太谷、榆社、隰县、吉县、介休、临汾、安泽、长治、襄垣、运城、侯马、垣曲、阳城、永济。所获得的数据经过严格检验，质量良好，数据准确无误。社会经济数据来自中国民政部和《山西省统计年鉴》［25］。使用ArcGIS 10.2、Matlab 以及Origin 2018 软件进行数据分析与图表绘制。

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析小波分析在大气科学以及水文水资源科学等研究中被广泛应用。小波分析可以探测不同时间尺度内的瞬时成分和频率成分，研究多个时间尺度的变化成分［27］。Morlet小波因在时间与频率的局部化之间具有较好的平衡，所以本文通过Matlab使用Morlet小波函数对山西省暴雨进行时间序列分析［28-29］。计算公式如下：

式中：φ(t)为小波函数；i为虚数；t为时间；c为无量纲频率。

2.2.2 决策分析法（AHP）本文使用AHP分析法来确定暴雨灾害风险评估多个指标权重，首先，需要构建判断矩阵，主要通过专家评价对各指标要素进行两两比较并给出评分（1～9），为确保不会出现由于专家意见不同，导致各要素重要性矛盾的现象，还需对上述矩阵进行一致性检验，通过一致性检验后最终确定目标权重大小［30］。具体计算公式如下：

式中：λmax为最大特征值；(Aw)i为矩阵A与权重矩阵w相乘后产生的权重值；wi为权重矩阵w的权重值；CI为最大特征根值；n为矩阵维数；RI为随机一致性指标，由一致性检验RI 表得出RI=0.52；CR 为一致性比率，当CR＜0.1 时，认为所得的层次排序权重是正确的、合理的，否则需要重新调整判断矩阵，直到一致性检验合格为止。计算结果详见表1～5。

表1 准则层指标权重判断矩阵及一致性检验Tab.1 Weight judgment matrix of criterion layer indices and consistency test

表2 致灾因子指标层权重判断矩阵及一致性检验Tab.2 Weight judgment matrix of disaster factors indices layer and consistency test

表3 孕灾环境指标层权重判断矩阵及一致性检验Tab.3 Weight judgment matrix of gestational disaster environment indices layer and consistency test

表4 承灾体指标层权重判断矩阵及一致性检验Tab.4 Weight judgment matrix of disaster bearing body indices layer and consistency test

表5 防灾减灾能力指标层权重判断矩阵及一致性检验Tab.5 Weight judgment matrix of disaster prevention and mitigation capacity indices layer and consistency test

2.2.3 暴雨灾害风险评估指标体系的构建暴雨灾害的形成是多种因素共同作用的结果。本文运用AHP探究山西省空间暴雨灾害风险评估的问题，结合自然灾害系统理论，主要集中于4 个方面（准则层）和10 个具体指标层作为评估标准［31-32］，利用层次分析法确定各项指标权重（表6）。本文利用克里金插值法绘制山西省暴雨日数及灾害风险指数评估等级划分图，采用自然断点法进行色彩分级。

表6 暴雨灾害风险评估指标体系Tab.6 Risk assessment index system of rainstorm disaster

2.2.4 自然灾害风险评估模型所谓自然灾害风险评估是从灾害的各个方面，尤其是致灾因子、灾情程度两方面［33］，定量化预估、分析不同强度灾害发生的可能性及所造成的后果。本文根据自然灾害系统论及风险评估理论，选取相关指标，建立了暴雨灾害风险评估模型。公式如下：

致灾因子危险指数（S1）公式：

式中：Z1为年均降雨量标准化值；Z2为年均暴雨日数标准化值；Z3为日最大降雨量标准化值；P1、P2、P3为对应指标权重值。

孕灾环境敏感指数（S2）公式：

式中：Z4为海拔高程标准化值；Z5为地形坡度标准化值；Z6为河网密度标准化值；P4、P5、P6为对应指标权重值。

承灾体脆弱指数（S3）公式：

式中：Z7为人口密度标准化值；Z8为地均GDP 标准化值；Z9为耕地面积比标准化值；P7、P8、P9为对应指标权重值。

防灾减灾能力指数（S4）公式：

式中：Z10为人均GDP标准化值；P10为对应权重值。

暴雨灾害综合风险指数（S综合）公式：

式中：S1为致灾因子危险指数；S2为孕灾环境敏感指数；S3为承灾体脆弱指数；S4为防灾减灾能力指数；O1、O2、O3、O4为对应指标权重。

3 结果与分析

3.1 暴雨时间分布特征

3.1.1 暴雨年际变化根据山西省27 个气象站点1957—2019年的逐日降水数据，绘制出山西省历年的累积暴雨日数、年平均暴雨量年际变化趋势（图2）。从图2 可以看出，1957—2019 年山西省年累积暴雨日数同年平均暴雨量的变化趋势大致吻合，暴雨日数多的年份平均暴雨量也相对较大。在暴雨日数多的年份，更容易引发暴雨灾害且损失严重，如1958、1964 年和1971 年等。平均暴雨量的波动幅度总体上较为平稳，随时间推移略有下降，但暴雨发生的频率增加，历年的平均暴雨量约为67 mm。累积暴雨日数变化幅度较大，其变化存在一定的规律性，2006 年以后，累积暴雨日数呈增加趋势且间隔时间缩短，其中2013 年累积暴雨日数高达17 d，是63 a来暴雨日数最多的年份。

图2 山西省累积暴雨日数、年平均暴雨量年际变化Fig.2 Interannual variation of cumulative rainstorm days and annual average rainstorm amount in Shanxi Province

3.1.2 暴雨年内变化山西省的暴雨主要集中在4—10 月，7 月为峰值，累积暴雨日数达到520 d（图3）。4—10 月暴雨日数占比分别为0.52%、3.39%、6.60%、45.18%、33.45%、9.30%、1.56%。7—8 月暴雨日数最多，占比达到78.63%。说明夏季是山西省暴雨的高发期，降水集中，也反映出山西省降水时间分配不均匀与降水极端事件频发共生的事实［34］。

图3 山西省暴雨日数的年内分布Fig.3 Annual distribution of rainstorm days in Shanxi Province

3.1.3 暴雨周期分析山西省1957—2019年暴雨日数年际变化过程中具有多个周期变化特征，分别为5 a、9 a、14～15 a、27～28 a 4 个时间尺度的周期变化（图4、图5）。其中，27～28 a时间尺度上表现出暴雨日数多-少交替的准3 次周期震荡变化；14～15 a 时间尺度上存在暴雨日数多-少交替准6 次周期震荡变化，以上2 个时间尺度呈现的周期变化均有稳定性和全域性；而5 a和9 a时间尺度在20世纪80年代之前周期震荡并不显著，之后较为稳定。27～28 a及14～15 a 的周期一直持续，而9 a 周期的振荡信号微弱。

图4 1957—2019年山西省暴雨日数小波变换Fig.4 Wavelet transform of rainstorm days in Shanxi Province during 1957—2019

图5 小波方差Fig.5 Wavelet variance

3.2 暴雨空间分布特征

山西省暴雨日数空间分布整体上呈现由东南向西北方向递减趋势（图6），暴雨日数最多的地区是晋南地区的垣曲县、阳城县，累积暴雨日数分别达到83 d、64 d，其次是海拔较高的五台山地区，累积暴雨日数为77 d。而晋北地区如大同市、天镇县、右玉县等暴雨日数较少，累积暴雨日数在20～30 d左右。中部地区累积暴雨日数介于两者之间。暴雨事件多发生于恒山以南地区，平均暴雨日数基本超过40 d，多于北部地区。

图6 山西省暴雨日数空间分布Fig.6 Spatial distribution of rainstorm days in Shanxi Province

如图7 所示，所有地区的年平均暴雨量之间差异并不大，全省年平均暴雨量为67.48 mm。年平均暴雨量最大的地区为垣曲77.53 mm，最小的地区为大同58.27 mm。不同地区之间的暴雨日数差异明显，垣曲最大累积暴雨日数为83 d，而天镇只有15 d，从侧面反映出山西省降水空间分布不均匀。总体来说，降水量大的地区极端降水事件发生的频率也高，尤其是垣曲、五台山、阳城，年平均暴雨量都在65 mm以上，累积暴雨日数超过60 d，这几个地区遭受暴雨灾害的概率较大。

图7 27个气象站点累积暴雨日数和年平均暴雨量Fig.7 Cumulative rainstorm days and annual average rainstorm amount at the 27 meteorological stations

3.3 山西省暴雨灾害风险评估

3.3.1 致灾因子的危险性评估山西省暴雨灾害致灾因子危险等级（图8a）划分为低危险区、次低危险区、中危险区、次高危险区、高危险区。图中山西省南部的致灾因子危险指数整体高于北方地区。高危险区包括垣曲、阳城、安泽和海拔较高的五台山地区；低危险区包括右玉、大同、天镇、灵丘；次低危险区主要包括河曲、五寨、朔州、太谷、永济；中危险区包括太原、离石、介休、兴县、平定、原平、隰县、长治；次高危险区包括吉县、临汾、运城、侯马、榆社、襄垣。

图8 山西省暴雨灾害风险等级划分Fig.8 Risk classification of rainstorm disaster risk in Shanxi Province

3.3.2 孕灾环境的敏感性评估山西省暴雨灾害孕灾环境敏感等级（图8b）分为低敏感区、次低敏感区、中敏感区、次高敏感区、高敏感区。高敏感区主要分布在太原、太谷、榆社、平定、襄垣、运城；次高敏感区主要分布在兴县、长治、侯马；中敏感区主要分布在大同、河曲、五寨、离石、安泽、吉县、垣曲、永济；次低敏感区主要分布在右玉、原平、灵丘、天镇、介休、隰县、临汾、阳城；低敏感区主要分布在五台山和朔州。

3.3.3 承灾体的脆弱性评估山西省暴雨承灾体脆弱等级（图8c）分为：低脆弱区、次低脆弱区、中脆弱区、次高脆弱区、高脆弱区。高脆弱区和次高脆弱区主要分布在：大同、长治、天镇；中脆弱区主要分布在侯马、运城、永济、临汾、垣曲、阳城、襄垣、右玉；次低脆弱区主要分布介休、太原、太谷、榆社、安泽、平定、河曲、朔州、五台山、灵丘；低脆弱区主要分布在：五寨、原平、兴县、离石、隰县、吉县。研究区域70%以上都属于低脆弱区或次低脆弱区，高脆弱区发生在耕地比重大且人口密度大的大同，次高脆弱区为长治和天镇。

3.3.4 防灾减灾能力评估防灾减灾能力是指灾害风险区在灾害来临前的预防灾害能力和发生灾害后修复损失的能力。城市发展得越成熟，防灾减灾能力越强。山西省防灾减灾能力等级（图8d）分为：低减灾能力区、次低减灾能力区、中减灾能力区、次高减灾能力区、高减灾能力区。高减灾能力区包括太原、襄垣、安泽、河曲；次高减灾能力区包括长治、阳城、介休、右玉、朔州；中减灾能力区包括侯马；次低减灾能力区包括大同、兴县、原平、离石、平定、太谷、临汾、永济、运城；低减灾能力区包括天镇、灵丘、五台山、五寨、榆社、隰县、吉县、垣曲。整体分布特征呈现自中部向东北、西南方向递减的趋势，市区普遍高于县区。

3.3.5 暴雨灾害风险综合评估结合山西省暴雨灾害综合风险等级划分（图9）可以看出，空间分布上总体呈由南向北逐渐递减的趋势，其中高风险区为运城盆地东北部，低风险区位于山西省东北、西北地区。从暴雨灾害综合风险等级来看，山西省中部和南部属于暴雨灾害高风险地区。据统计，山西省1971—1980 年10 a 间晋南黄河流域发生暴雨196次，汾河流域发生暴雨177 次，漳山河流域发生148次，而北部的永定河和大清河流域仅发生了84 次，山西省暴雨特征呈现南多北少、山地多于盆地的特征［34］。垣曲县属于暴雨灾害的高发地区，1961—2000 年40 a 间暴雨灾害次数达到了39 次［35］。评估结果显示，垣曲县致灾因子危险等级、孕灾环境敏感等级、承灾体脆弱等级、防灾减灾能力等级分别属于高危险区、中敏感区、中脆弱区、低减灾能力区，按照权重综合叠加后均属于暴雨灾害风险指数等级的高风险区。

图9 山西省暴雨灾害综合风险等级划分Fig.9 Comprehensive risk classification of rainstorm disaster in Shanxi Province

4 讨论

山西省暴雨活动频繁，暴雨主要集中在夏季，具有明显的年际变化和年内变化特征，这与我国暴雨活动的主要特征相吻合［3］。根据年累积暴雨日数和年平均暴雨量变化规律，可以预测在未来几年是暴雨活动频繁的阶段，发生暴雨灾害概率较高。山西省暴雨发生的次数呈现增加趋势且周期缩短，但无论是9 a和14～15 a还是27～28 a的震荡周期，目前仍处于暴雨高发时期，这与全球气候变化背景下，极端恶劣天气发生频率增加的变化相一致［36］。山西省暴雨空间分布整体呈现由东南向西北递减趋势，主要受天气系统和地形地貌因素影响，其中天气系统的影响机制还有待深入探究。在暴雨灾害风险评估中，主要影响因子是降雨量、暴雨日数等，山西省山脉、盆地众多，南部地势低平，又位于迎风坡，降水丰富且集中，而北部地区，由于受高大山脉的阻挡作用，水汽削弱难以抵达，降水较少［8］。山西省暴雨灾害综合风险指数等级空间分布特征，主要由山西省的气候和地形特征所决定，区域内山地面积占比大，水土流失严重，暴雨来临时极易引起山洪爆发［15］。

5 结论

通过对1957—2019 年山西省暴雨的时空分布特征及灾害风险评估分析，得出以下结论：

（1）从时间上看，山西省暴雨季节变化明显，主要集中在夏季，6—8 月暴雨量占全年暴雨比重为85.23%，7 月最多（45.18%）。山西省年均暴雨量各年份差距不大，但年累积暴雨日数年际差距较大，年平均暴雨量和年累积暴雨日数两者变化趋势大致拟合。

（2）从空间上来看，以恒山为界，界线以南强降水发生的概率和暴雨量高于北部区域。受地理位置和地形影响，垣曲、五台山、阳城的平均暴雨量均在65 mm以上，累积暴雨日数均在60 d以上，为暴雨事件的高发区，这3个地区更易受暴雨灾害威胁。

（3）根据小波分析发现，山西省暴雨日数年际变化存在5 a、9 a、14～15 a、27～28 a 4 个时间尺度的震荡周期。

（4）山西省暴雨灾害综合风险等级呈现从南向北递减的趋势，中部和南部属于暴雨灾害发生的高风险区。五台山、垣曲、阳城、安泽为致灾因子危险等级的高危险区；太原、太谷、榆社、平定、襄垣、运城为孕灾环境敏感等级的高敏感区；大同属于承灾体脆弱等级的高脆弱区；河曲、太原、安泽、襄垣属于防灾减灾能力等级的高减灾能力区；在暴雨灾害综合风险等级评估中，垣曲属于暴雨灾害高风险地区，而天镇、灵丘、右玉、朔州为低风险区。

以上结论，不仅呈现山西暴雨事件时空分布特征及重现规律，同时对暴雨灾害风险进行科学评估与区划，与实际情况基本相符。在本研究基础上，应进一步探讨建立健全暴雨灾害监测、预警及应急机制。结合山西省暴雨发生的时空规律，相关部门应当注重和提高暴雨灾害预报的准确性，结合地区自然与人文地理环境，合理规划防灾减灾，以及灾后重建恢复工作。