海南島橡膠風害的重現(xiàn)期預測

劉少軍，胡德強，張京紅，李偉光，蔡大鑫，張國峰

（海南省氣象科學研究所/海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203）

海南島橡膠風害的重現(xiàn)期預測

劉少軍，胡德強，張京紅，李偉光，蔡大鑫，張國峰

（海南省氣象科學研究所/海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?570203）

研究大風極值分布的重現(xiàn)期是客觀預估橡膠風害強度的有效方法。根據海南島橡膠種植區(qū)1981—2010年逐日最大風速數據，采用極值Ⅰ型算法，模擬了海南島5、10、20、30、50年一遇最大風速值分布，通過風力與橡膠風害等級表，推斷了不同重現(xiàn)期內海南橡膠風害損失分布。結果表明，在5、10、20、30、50年一遇的重現(xiàn)期風速條件下，海南島橡膠風害損失分別在5%～16%、10%～24%、16%～33%、16%～33%、24%～45%之間，而且分布范圍在空間上存在明顯差異。

橡膠樹；風害；重現(xiàn)期；海南

海南島是我國主要的橡膠產區(qū)，也是臺風頻發(fā)區(qū)域。臺風是影響海南橡膠樹存活以及產膠量的主要自然因素之一［1］。在全球氣候變化大背景下，登陸海南島的臺風個數有減少趨勢，但總體上臺風登陸的平均強度卻有增強趨勢［2］，這必將嚴重影響到海南島的橡膠生產。因此，研究橡膠風害的重現(xiàn)期特征對指導橡膠生產具有重要意義。重現(xiàn)期是一個用來描述事件發(fā)生可能性的指標，指在相對長時間范圍內超過一定強度閾值范圍的事件發(fā)生的一個穩(wěn)定周期，是用來表征災害類事件發(fā)生的重要參數［3］。橡膠種植和生產過程，需要了解不同區(qū)域可能遇到的風速極值，即不同重現(xiàn)期的最大風速值。極值分布函數是災害風險管理的有利工具，極值分布函數模型主要分為經典極值理論模型和廣義帕累托分布模型［3-4］。對于分布函數形式未知的情況，常采用皮爾遜Ⅲ型分布（Pearson Ⅲ）、韋布爾分布（Weibull）、指數分布（Exponetial）、對數正態(tài)分布（Logarithmic normal）、耿貝爾分布（Gumbel）等模擬和擬合極端指數的分布規(guī)律。前人研究表明，風速極值的計算采用耿貝爾分布比較合理。孟慶珍等［5］認為耿貝爾法對最大風速進行概率計算效果較好；司奉泰等［6］對菏澤市35種氣候值，采用皮爾遜Ⅲ型、對數正態(tài)、耿貝爾、韋伯分布函數進行模擬，得到不同分布的適用范圍，并認為風速極值應優(yōu)先考慮使用耿貝爾分布；黃浩輝等［7］利用矩法、極大似然法和耿貝爾法對年極值風速進行了概率計算對比分析，發(fā)現(xiàn)多數情況下采用耿貝爾法時擬合效果更好。很多學者采用耿貝爾法推算大風極值，也取得了很好的結果［8-11］。海南橡膠風害率與風速密切相關，不同風速出現(xiàn)的概率必將導致橡膠產生一定的災害，因而確定不同強度風速的出現(xiàn)概率是進行橡膠風害預測的基礎。本研究嘗試利用海南島大風不同重現(xiàn)期預測值，根據統(tǒng)計得到的風力與橡膠風害對應關系，預測不同重現(xiàn)期下橡膠風害率的分布，以期為橡膠生產和防災減災提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1981—2010 年氣候標準年的海南島地面氣象逐日極大風速數據來源于海南省氣象局。海南島縣界行政區(qū)數據來源于國家基礎地理信息網站提供的1∶4 000 000基礎地理信息數據。海南島橡膠遙感分布數據來源于海南島TM遙感數據，提取天然橡膠空間分布圖，具體方法參考文獻［12-13］。

1.2 研究方法

預測海南島橡膠風害損失重現(xiàn)期的步驟：首先根據海南島逐日最大風速數據集，采用極值Ⅰ型算法，參數的估算采用耿貝爾法，模擬出不同重現(xiàn)期的最大風速極值分布；然后基于海南島橡膠遙感分布圖和風力大小與橡膠風害對應關系，預測不同重現(xiàn)期內橡膠風害損失，具體流程見圖1。

1.2.1 風速極值的計算 計算海南島不同重現(xiàn)期的最大風速極值采用極值Ⅰ型分布函數［14］：

圖1 海南橡膠風害損失預估流程

式中，p（x）為概率分布函數，參數X為最大風速，a為分布的尺度參數，u為分布的位置，其中a、u參數的估算采用耿貝爾法［7，15］，XL為L年一遇的最大風速。

1.2.2 風力與橡膠風害等級 橡膠風害率隨風力增加而增大。一般情況下，當風力小于8級時，橡膠樹斷倒較少；風力8～9級時，曲線平緩上升；風力達到10級后，曲線急劇上升，斷倒率達13%；風力達12級時，斷倒率達35%；風力達到15級時，斷倒率達69%；風力達16級時，斷倒率達84%；風力達17級時，斷倒率達100%。大風對橡膠樹的損壞程度不僅與大風本身強度有關，還與地形下墊面和橡膠栽培技術等多種因素有關。當風的水平力和橡膠樹本身重量產生的垂直重力作用于橡膠樹時，會造成橡膠樹嚴重受損［16］。橡膠樹風倒現(xiàn)象主要表現(xiàn)為連根拔起、樹干折斷、根部折斷等3種方式，同時遭受風力脅迫的橡膠樹產量會下降，死皮會增加［17］。根據海南島橡膠風害的災情調查統(tǒng)計結果情況和海南橡膠氣象服務實用技術手冊，確定橡膠風害與風力評價指標（表1）。

2 結果與分析

本研究根據風力與橡膠風害等級表和不同重現(xiàn)期的最大風速極值，分別得到了5、10、20、30、50年一遇情況下海南島橡膠風害損失程度。

從圖2（封三）可以看出，海南島橡膠風害5年一遇最大風速極值情況下，橡膠災害損失范圍在5%～16%之間，其中風害率5%～10%主要分布在海南島北部，風害率10%～16%主要分布在海南島中部和南部。

表1 風力與橡膠風害等級［18］

從圖3（封三）可以看出，海南島橡膠風害10年一遇最大風速極值情況下，橡膠災害損失范圍在10%～24%之間，其中風害率10%～16%主要分布在海南島中部，其他區(qū)域風害率為16%～24%。

從圖4（封三）可以看出，海南島橡膠風害20年一遇最大風速極值情況下，橡膠災害損失范圍在16%～33%之間，其中風害率16%～24%主要分布在海南島中部、南部，風害率24%～33%主要分布在海南島的北部和東部。

從圖5（封三）可以看出，海南島橡膠風害30年一遇最大風速極值情況下，橡膠災害損失的范圍在16%～33%之間，其中風害率16%～24%主要分布在海南島中部，風害率24%～33%主要分布在海南島的四周沿海區(qū)域。

從圖6（封三）可以看出，海南島橡膠風害50年一遇最大風速極值情況下，橡膠災害損失范圍在24%～45%之間，其中風害率24%～33%主要分布在海南島中部、南部，風害率33%～45%主要分布在海南島的北部和東部。

綜上分析可知，隨著最大風速極值的增加，海南島橡膠風害損失程度也隨之增加，在空間上也存在一定差異。如20年一遇橡膠風害損失和30年一遇橡膠風害損失雖均在16%～33%之間。但從空間上分布而言，預測的30年一遇橡膠風害損失在24%～33%的空間范圍明顯大于20年一遇橡膠風害損失的空間分布范圍。

3 結論與討論

風速是決定橡膠林風害損失嚴重程度的主要因子，當風速增加時，橡膠樹受損程度會呈現(xiàn)線性增加趨勢［19］。本研究利用最大風速極值出現(xiàn)的概率預估橡膠風害損失的概率，間接通過不同重現(xiàn)期的最大風速極值可能對橡膠造成的損失來預測橡膠風害的空間分布。采用耿貝爾分布函數分別計算5、10、20、30、50年一遇的最大風速極值，并根據風力與橡膠風害對應關系，得到不同重現(xiàn)期的橡膠風害損失分布。從不同重現(xiàn)期的橡膠風害損失圖可以看出，隨著重現(xiàn)期的增加，橡膠災害損失的分布范圍逐漸從5%～16%上升到24%～45%，而且在空間上的分布也出現(xiàn)了明顯差異。由此可以根據橡膠災害損失的分布規(guī)律，合理選擇橡膠種植區(qū)域，避免盲目種植帶來的風災風險。

雖然從數學意義上講，最大風速極值作為氣候隨機變量是不穩(wěn)定的，但其隨時間變化過程在概率分布上卻是相對穩(wěn)定的，因此，最大風速極值的分布可以用分布函數來模擬［20］。耿貝爾分布是極值漸進分布的一種理論模式，由給定的極值求取再現(xiàn)期或由給定的再現(xiàn)期求取再現(xiàn)期極值，需要擬合出概率密度函數。本研究僅利用1981—2010年的最大風速直接采用耿貝爾分布函數估算不同重現(xiàn)期最大風速極值，但對該最大風速極值與更長時間序列的最大風速模擬的重現(xiàn)期最大風速極值是否存在差異，有待進一步檢驗。

研究表明，當風速大于10級以上，橡膠樹的災損與風速大小正相關，而且橡膠樹的風害率明顯增加［21］。實際情況下，橡膠風害損失不僅與風速大小有關，而且與地形、橡膠品種、防風措施等密切相關。因此本研究僅考慮橡膠樹風害率與最大風速的關系，通過不同重現(xiàn)期最大風速極值對橡膠風害損失進行預測，僅依靠風速的大小來確定災情，難免存在一定誤差。

［1］ 江愛良. 青藏高原對我國熱帶氣候及橡膠樹種植的影響［J］. 熱帶地理，2003，23（3）：199-203.

［2］ 吳慧，林熙，吳勝安. 等. 1949-2005 年海南登陸熱帶氣旋的若干氣候變化特征［J］. 氣象研究與應用，2010，31（3）：9-15.

［3］ 李穎，方偉華. 熱帶氣旋降水重現(xiàn)期估算研究［J］. 自然災害學報，2014，23（6）：58-68.

［4］ Levine D. Modeling tail behavior with extreme value theory［J］. Risk Management，2009（17）：14-18.

［5］ 孟慶珍，唐謨智. 成都地面氣溫與風速年極大值的漸近分布及參數估計［J］. 成都氣象學院學報，1997，12（4）：284-291.

［6］ 司奉泰，劉了凡. 菏澤市氣候極值的統(tǒng)計分布和再現(xiàn)期研究［J］. 氣象科技，2013，41（6）：1091-1094.

［7］ 黃浩輝，宋麗莉，植石群等. 廣東省風速極值I型分布參數估計方法的比較［J］. 氣象，2007，33（3）：101-106.

［8］ 史軍，徐家良，談建國，等. 上海地區(qū)不同重現(xiàn)期的風速估算研究［J］. 地理科學，2015，35（9）：1191-1197.

［9］ 龐文寶，白光弼，滕躍，等. P-Ⅲ型和極值Ⅰ型分布曲線在最大風速計算中的應用［J］. 氣象科技，2009，37（2）：221-223.

［10］ 王紀軍，竹磊磊，胡彩虹，等. 隴?！V線沿線河南段年最大風速和年最大積雪深度重現(xiàn)期研究［J］. 氣象與環(huán)境科學，2016，39（3）：9-14.

［11］ 鹿翠華. 最大風速變化特征及再現(xiàn)期極值估算［J］. 氣象科技，2010，38（3）：399-402.

［12］ 張京紅，陶忠良，劉少軍，等. 基于TM 影像的海南島橡膠種植面積信息提?。跩］. 熱帶作物學報，2010，31（4）：661-665.

［13］ 劉少軍，張京紅，何政偉. 基于面向對象的橡膠分布面積估算研究［J］. 廣東農業(yè)科學，2010，37（1）：168-170.

［14］ 張淑杰，孫立德，馬成芝，等. 東北日光溫室最大風荷載特征及風災預警指標研究［J］. 資源科學，2015，37（1）：211-218.

［15］ 張美花，鮑思鉆，曹茜. 用Excel快捷推算重現(xiàn)期氣象要素極值的分布［J］. 農技服務，2014（11）：109-110.

［16］ 劉斌，潘瀾，薛立. 臺風對森林的影響［J］. 生態(tài)學報，2012，32（5）：1596-1605.

［17］ 楊少瓊，莫業(yè)勇，范恩偉. 臺風對橡膠樹的影響［J］. 熱帶作物學報，1995，16（1）：17-28.

［18］ ?？谑袣庀缶? 海南橡膠氣象服務實用技術手冊［R］. 2014.

［19］ Everham E M，Brokaw N V L. Forest damage and recovery from catastrophic wind［J］. The Botanical Review，1996，62（2）：113-185.

［20］ 林晶，陳惠，陳家金，等. 福建省年極端低溫的分布及其參數估計［J］. 中國農業(yè)氣象，2011，32（S1）：24-27.

［21］ 劉少軍，張京紅，蔡大鑫，等. 海南橡膠林歷史臺風災害的時空分布規(guī)律研究［J］. 廣東農業(yè)科學，2015，42（18）：132-135.

（責任編輯 崔建勛）

Estimation of return period of rubber wind disaster in Hainan Island

LIU Shao-jun，HU De-qiang，ZHANG Jing-hong，LI Wei-guang，CAI Da-xin，ZHANG Guo-feng
（Hainan Institute of Meteorological Science/ Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province，Haikou 570203，China）

Studying the return period of maximum wind speed is a objective evaluation method of rubber wind damage. Based on the maximum wind speed from 1981 to 2010，the maximum wind speed for 5，10，20，30，50 years return period was calculated in Hainan Island by extreme value type I distribution function. Different return periods of rubber wind damage loss distribution were estimated through wind and rubber wind damage corresponding table. The results showed that in 5，10，20，30，50 years return period of maximum wind speed，the rubber disaster losses ranged from 5% to 16%，10% to 24%，16% to 33%，16% to 33%，24% to 45%，respectively，and the distribution of rubber disaster losses had obvious differences in space.

rubber；wind disaster；return period；Hainan

P49

A

1004-874X（2017）01-0172-04

2016-09-22

國家自然科學基金（41465005，41265007，41675113）；海南省自然科學基金（20154172，409005）

劉少軍（1980-），男，博士，副研究員，E-mail：cdutlsj@163.com

劉少軍，胡德強，張京紅，等. 海南島橡膠風害的重現(xiàn)期預測［J］.廣東農業(yè)科學，2017，44（1）：172-175.