基于信息擴(kuò)散理論的重慶地區(qū)暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

吉 莉，李 強(qiáng)，馬 君，汪志輝，張 爽，冉 靜

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000;2.重慶市北碚區(qū)氣象局，重慶400700)

0 引言

全球氣候變化及大規(guī)模的人類活動(dòng)顯著地影響了全球的水汽循環(huán)和區(qū)域降水特征[1]，降水是影響自然環(huán)境基礎(chǔ)的因子和影響氣候變化的重要指標(biāo)，地區(qū)降水多少對(duì)地區(qū)氣候有非常大的影響[2]。降水過少地區(qū)容易出現(xiàn)旱情，降水過多會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，因此研究地區(qū)降水風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律對(duì)減少地區(qū)旱澇引起的災(zāi)害損失和開發(fā)利用水資源具有重要意義。

重慶屬于氣候脆弱區(qū)，災(zāi)害發(fā)生頻繁，而高溫和暴雨是夏季主要的氣象災(zāi)害，出現(xiàn)頻率高，造成損失大。例如:2004年，重慶共發(fā)生不同程度的暴雨洪澇100次，全年因暴雨洪澇引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害造成農(nóng)作物受災(zāi)面積56萬(wàn)公頃，成災(zāi)面積28.7萬(wàn)公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失39.5億元[3]。在重慶，關(guān)于暴雨事件的變化研究主要是集中在暴雨成因方面[4－8]，而對(duì)于重慶暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)方面未見報(bào)道。

采用重慶34個(gè)區(qū)縣30年的氣象要素資料(暴雨雨量、暴雨日數(shù))，通過信息擴(kuò)散理論[9－14]，揭示重慶暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)特征，找出暴雨風(fēng)險(xiǎn)分布變化規(guī)律，為預(yù)報(bào)和服務(wù)提供參考，以提高防災(zāi)減災(zāi)能力。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

采用重慶地區(qū)1981～2010年逐日的降水量、暴雨日數(shù)等氣象觀測(cè)資料。

1.2 研究方法

信息擴(kuò)散理論是為彌補(bǔ)信息不足而對(duì)樣本進(jìn)行集值化的模糊數(shù)學(xué)處理法。信息擴(kuò)散方法將一個(gè)分明值樣本點(diǎn)變成一個(gè)模糊集[15－17]。

設(shè)某研究指標(biāo)論域?yàn)?U={u1，u2，…，un}，按照此式，一個(gè)單值觀測(cè)樣本yj可以將其攜帶的信息擴(kuò)散給U中的所有點(diǎn):

式中h為擴(kuò)散系數(shù)，可根據(jù)樣本集合中樣本的最大值b、最小值a和樣本個(gè)數(shù)m確定:

令:

把ζyj(ui)稱為樣本yj的歸一化信息分布，將單值樣本y變成一個(gè)以ζyj(ui)為隸屬函數(shù)的模糊子集y*。對(duì)ζyj(ui)進(jìn)行處理，可以得到一種效果好的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。令:

其物理意義:由{y1，y2，…，ym}，經(jīng)信息擴(kuò)散推斷出，如果自然現(xiàn)象觀測(cè)值只能取u1，u2，…，un中的一個(gè)，那么，在將yj均看作是樣本代表時(shí)，觀測(cè)值為ui的樣本個(gè)數(shù)為q(ui)個(gè)。顯然，q(ui)通常不是一個(gè)正整數(shù)，但一定是一個(gè)不小于零的數(shù)。再令:

事實(shí)上，Q就是各ui點(diǎn)上樣本數(shù)的總和，P(ui)就是樣本落在ui處的頻率值，可以為概率的估計(jì)值。對(duì)于自然現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)指數(shù)X={x1，x2，…，xn}，通常將X取為統(tǒng)計(jì)數(shù)論域，xi取為論域U中的某一個(gè)元素ui，顯然，超越ui的概率值應(yīng)為式(6)，P(u≥ui)就是要求的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值。

在分析重慶地區(qū)暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)特征時(shí)，根據(jù)重慶地形將其分為渝東南、渝東北、渝西、渝中4個(gè)區(qū)域，各區(qū)域包含的測(cè)站詳見表1。渝東南選取黔江為代表測(cè)站，渝東北選取萬(wàn)州，渝西選取沙坪壩，渝中選取涪陵。

表1 重慶市區(qū)域劃分表

圖1 重慶地區(qū)暴雨日數(shù)距平年際序列及變化趨勢(shì)圖

2 重慶地區(qū)暴雨時(shí)空變化特征

2.1 重慶地區(qū)暴雨日數(shù)時(shí)間變化特征

對(duì)1981～2010年重慶地區(qū)暴雨日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制年平均暴雨日數(shù)逐年變化圖(圖1)，并求解重慶地區(qū)4個(gè)代表站暴雨日數(shù)一元回歸方程(表2)。由圖1可知，重慶1981～2010年暴雨日數(shù)年際變化呈下降趨勢(shì)(通過了α=0.02的顯著性檢驗(yàn))，年平均下降率為0.20/10a。4個(gè)代表站的變化趨勢(shì)如表2所示。除涪陵站呈上升趨勢(shì)(未通過顯著性檢驗(yàn))外，其余3個(gè)代表站的變化趨勢(shì)與全市的變化趨勢(shì)基本一致，但未通過顯著性檢驗(yàn)。

表2 各級(jí)暴雨日數(shù)線性擬合方程及相關(guān)系數(shù)

2.2 重慶地區(qū)暴雨基本空間分布特征

從圖2看，重慶地區(qū)多年平均暴雨日數(shù)多在2～5d，總體呈現(xiàn)南多北少的分布特征。高值區(qū)主要分布在渝東北的開縣—城口一帶、渝東南角的酉陽(yáng)及渝西片區(qū)的北碚3處，其中開縣為最大值，年平均暴雨日數(shù)為5.1d，最少的是渝西綦江及渝東南地區(qū)的武隆—豐都—石柱一帶。

圖2 重慶地區(qū)暴雨日數(shù)空間分布圖

圖3 重慶地區(qū)平均暴雨雨量空間分布圖

圖3為重慶地區(qū)近30a平均暴雨雨量的空間分布圖。平均暴雨雨量的分布基本特征為長(zhǎng)江以北高于長(zhǎng)江以南的地區(qū)。地處渝西南的萬(wàn)盛—南川為重慶地區(qū)平均暴雨雨量的最小區(qū)域，降水量不足70mm。對(duì)比圖2，發(fā)現(xiàn)重慶地區(qū)平均暴雨日數(shù)的空間分布與平均暴雨雨量的空間分布基本相似。由此說明，重慶暴雨發(fā)生頻次的多寡與暴雨雨量存在一定的聯(lián)系。

3 基于信息擴(kuò)散理論的重慶地區(qū)暴雨風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)信息擴(kuò)散理論，選取1981～2010年30年的暴雨日數(shù)作為樣本，從0～10d每間隔1d選取一個(gè)控制點(diǎn)，共10個(gè)控制點(diǎn)。圖4為重慶地區(qū)4個(gè)代表站暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線，從圖中可知4個(gè)代表站的暴雨日數(shù)均為單峰型，在2～4d的值域上占的比例最大。其中沙坪壩平均每年發(fā)生3d的風(fēng)險(xiǎn)性水平最高，其次為涪陵、萬(wàn)州、黔江。

3.2 暴雨量級(jí)風(fēng)險(xiǎn)空間分布

圖4 重慶地區(qū)代表站暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線

按照上述方法，分別對(duì)重慶區(qū)域的34個(gè)站點(diǎn)30a的暴雨雨量進(jìn)行分析，計(jì)算出重慶的暴雨雨量風(fēng)險(xiǎn)值，根據(jù)重慶的暴雨特點(diǎn)，將重慶地區(qū)的暴雨雨量分為4個(gè)級(jí)別，制成風(fēng)險(xiǎn)分布圖(圖5)。圖5(a)為重慶地區(qū)出現(xiàn)暴雨雨量在50mm≤R＜100mm時(shí)的概率分布圖，同理，圖5(b)為重慶地區(qū)出現(xiàn)暴雨雨量在100mm≤R＜150mm時(shí)的概率分布圖。以此類推，概率值越高說明發(fā)生這種災(zāi)害的可能性越大。如圖5(a)所示，暴雨量級(jí)在50mm≤R＜100mm時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)主要分布在長(zhǎng)江以南的綦江—南川—豐都一帶，其次渝東北角的城口—巫溪—巫山一帶，風(fēng)險(xiǎn)最小是渝西片區(qū)的渝北—北碚—沙坪壩一帶、渝東北的梁平—開縣—云陽(yáng)一帶。圖5(b)中可見，第二等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)概率值與第一等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)概率恰好相反，第一等級(jí)的低值區(qū)為這二等級(jí)的高值區(qū)，說明這些區(qū)域出現(xiàn)大暴雨的比例更大，而長(zhǎng)江以南的綦江—南川—豐都一帶則為低值區(qū)，說明這片區(qū)域出現(xiàn)大暴雨的比例要小一些。在第三等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)概率分布圖(圖5c)中，高值區(qū)為渝西片區(qū)的渝北—北碚，渝東南的彭水、渝東北的萬(wàn)州—梁平一帶，與暴雨平均雨量(圖3)的分布基本一致;在第四等級(jí)的高風(fēng)險(xiǎn)概率分布圖(圖5d)中，隨著暴雨量級(jí)的增加，災(zāi)害出現(xiàn)的概率也隨之減小，除渝西片區(qū)的璧山—沙坪壩、渝東北的梁平—開縣、渝東南的黔江等地為小概率區(qū)域外，重慶地區(qū)大部分都處于零風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

圖5 重慶地區(qū)暴雨量級(jí)分級(jí)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖

4 結(jié)論

(1)重慶地區(qū)1981～2010年暴雨日數(shù)呈明顯的下降趨勢(shì)。重慶地區(qū)多年平均暴雨日數(shù)多在2～5d，總體呈現(xiàn)南多北少的分布特征，平均暴雨雨量的分布基本特征為長(zhǎng)江以北高于長(zhǎng)江以南的地區(qū)。重慶暴雨發(fā)生頻次的多寡很大程度上影響著暴雨雨量的大小。

(2)重慶地區(qū)4個(gè)代表站的暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線均為單峰型，在2～4d的值域上占的比例最大。其中沙坪壩平均每年發(fā)生3d的風(fēng)險(xiǎn)性水平最高，其次為涪陵、萬(wàn)州、黔江。

(3)從暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)空間分布來(lái)看，隨著暴雨量級(jí)的增加，災(zāi)害出現(xiàn)的概率也隨之減小。第二等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域與第一等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域恰好相反;第三等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)概率分布圖與暴雨平均雨量的分布圖基本一致，高值區(qū)在渝西片區(qū)的渝北—北碚，渝東南的彭水、渝東北的萬(wàn)州—梁平一帶;第四等級(jí)的高風(fēng)險(xiǎn)概率分布中，除渝西片區(qū)的璧山—沙坪壩、渝東北的梁平—開縣、渝東南的黔江等地為小概率區(qū)域外，重慶地區(qū)大部分都處于零風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

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致謝:感謝重慶市氣象局業(yè)務(wù)技術(shù)攻關(guān)資助項(xiàng)目(ywgg-201217)對(duì)本文的資助