新疆南部風災的空間格局和年際變化特征

荊海亮，牟 歡，王 軍

（1新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830000；2新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；3伊寧市氣象局，新疆 伊寧市 835000）

0 引言

風災屬于氣象災害的一種，在一定天氣形勢與特殊地形共同作用下產(chǎn)生。風災對于農(nóng)業(yè)的危害主要是拔樹、折苗，嚴重情況下可使農(nóng)作物顆粒無收。對于工業(yè)、交通運輸和人民生活的危害主要是損壞房屋、廠房、電線等建筑設(shè)施。風災對新疆境內(nèi)鐵路運營的影響也尤為嚴重，特別是“百里風區(qū)”、“三十里風區(qū)”等特殊地段常出現(xiàn)大風吹翻火車、打碎玻璃、阻礙交通的事件。新疆風災每年造成平均2.4 億元的經(jīng)濟損失，風災損失值隨工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的增長而增加，且其增長速度比經(jīng)濟增長速度快[1]。

國內(nèi)學者對大風的時空變化特征開展了廣泛的研究[2-5]，認為大風呈減少的變化趨勢，并根據(jù)風災災情普查資料分析不同區(qū)域風災的時空變化特征[6-7]。其中，對新疆區(qū)域的風災主要根據(jù)大風造成的災害損失，進行風災時空變化評估[8-9]，這些研究工作主要集中在2008年以前，之后再沒開展此類工作。而開展新疆南部風災的空間格局和年際變化特征分析，對全面了解風災的發(fā)生、災害程度、發(fā)展趨勢，及時調(diào)整當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

本文基于 1980—2019 年新疆南部 48 個縣/市（以下簡稱縣市）每次風災事件的死亡人數(shù)、倒塌房屋數(shù)、倒塌棚圈數(shù)、死亡牲畜數(shù)量和農(nóng)作物受災面積，對風災的強弱進行等級劃分與區(qū)劃，并對新疆南部風災的年際變化特征進行分析，以闡明新疆南部風災的空間分布和季節(jié)變化特點，為風災多發(fā)地區(qū)做好防災、減災和抗災提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 資料和方法

1.1 資料

本文根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)民政廳記載的風災災情信息，整理得到1980－2019 年新疆南部48個縣市包含出現(xiàn)時間（年月日）、出現(xiàn)區(qū)域（縣市）、死亡人數(shù)（人）、倒塌房屋數(shù)（間）、倒塌棚圈數(shù)（座）、牲畜死亡數(shù)量（頭）和農(nóng)作物受災面積（hm2）等災情記錄1350條。若某次某縣市區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)1次風災，則該縣市風災出現(xiàn)次數(shù)記為1。

1.2 災損指數(shù)的構(gòu)建

由于表達風災的6個災情要素分別為出現(xiàn)次數(shù)（次）、死亡人數(shù)（人）、倒塌房屋（間）、倒塌棚圈（座）、死亡牲畜（頭）和受災面積（hm2），為了便于比較不同縣市和不同年份的風災強弱，需要構(gòu)建能綜合表達風災6 個災情要素的災損指數(shù)（Z）。在災損指數(shù)的構(gòu)建中通過比值法確定每個災情要素的權(quán)重，基于災情要素權(quán)重采用無量綱化線性求和的方法得到災損指數(shù)。

設(shè)有m個災情要素，每個災情要素由n個樣本組成，這樣可得到風災災情要素評價矩陣Xn×m。則風災災損指數(shù)Z的計算公式如下[10]：

上式中i＝1，2，…，n；a1，a2，…，a6分別代表6個災情要素的權(quán)重分別代表6個災情要素的平均值。第j個災情要素的權(quán)重aj的計算公式定義如下：

上式中Xja為第j個災情要素的最大值；代表第j個災情要素無量綱化的累計值；代 表m個 災 情 要 素 無 量 綱 化 的總和。

對于空間區(qū)劃，n代表縣市數(shù)（n＝48），X為某縣市每個災情要素1980—2019年累計值；對于年際變化，n代表年數(shù)（n＝40a），X為某年某個災情要素的累計值。

如表1 所列可知，利用1980—2019 年新疆南部各縣市某個災情要素的40a 累計值，某年某個災情要素的48個縣市累計值，依據(jù)比值法計算得到縣市和年份對應的6 個災情要素的權(quán)重、平均值和最大值。

表1 災情要素的權(quán)重、平均值和最大值Table 1 The weight，average and maximum value of disaster elements

1.3 災損指數(shù)的分級

利用概率分布密度的直方圖法和假設(shè)檢驗[11]確定縣市和年災損指數(shù)的概率密度函數(shù)，根據(jù)概率密度確定縣市和年災損指數(shù)不同等級的閾值，進而實現(xiàn)各縣市和各年風災強弱的等級劃分。

根據(jù)縣市和年災損指數(shù)樣本序列，采用概率分布密度的圖解法，取分組數(shù)10得到縣市和年災損指數(shù)直方圖。如圖1所列可知災損指數(shù)近似服從伽瑪分布。縣市（年）災損指數(shù)的平均值μ＝1（1），方差σ2＝0.4761（1.0754），由μ=αβ，σ2=αβ2關(guān)系式計算得到縣市（年）伽瑪分布的參數(shù)α＝2.1004（0.9299），β＝0.4761（1.0754）。

圖1 災損指數(shù)的概率密度分布Figure 1 Damage index of the probability density distribution

根據(jù)文獻中檢驗方法[11]計算得到縣市（年）的統(tǒng)計量V＝2.63（10.51），取α=0.01，查x2分布表得到臨界值λ=18.48。因V<λ，認為縣市（年）的災損指數(shù)服從伽瑪分布，縣市（年）的概率密度函數(shù)均可用伽瑪分布函數(shù)表達，具體表達式為：

由伽瑪分布函數(shù)的概率可確定縣市（年）的災損指數(shù)分位點xp值，根據(jù)分布函數(shù)的概率及對應的災損指數(shù)閾值，表2 列出了縣市（年）風災危害性等級劃分標準。

表2 新疆風災等級劃分標準Table 2 Standard for classification of wind damage in Xinjiang

2 風災的空間分布

在空間分布上，新疆南部獨特的地理環(huán)境，造成風災分布的復雜性。如圖2 所示可知，新疆南部風災的分布與大氣環(huán)流形勢和地形有關(guān)。新疆南部累計發(fā)生次數(shù)較多、造成損失較大的風災大多都靠近山區(qū)，主要分布在天山南側(cè)、昆侖山北側(cè)。從風災發(fā)生次數(shù)來看，累計發(fā)生次數(shù)較多的在吐魯番地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州（以下簡稱巴州）和阿克蘇地區(qū)，近40 年45～77 次；從風災引發(fā)的損失看，累計死亡人數(shù)最多的在吐魯番地區(qū)，近40年12～28人；倒塌房屋最多的在阿克蘇西部和阿克蘇的沙雅縣，年平均28～62間；倒塌棚圈最多的在和田地區(qū)，年平均41～89間；年均死亡牲畜較多的集中在巴州和克孜勒蘇柯爾克孜自治州（以下簡稱克州），為532～1152 頭；年均受災面積最大的在阿克蘇地區(qū)和吐魯番地區(qū)，為5821～11883hm2。

圖2 新疆風災6個災情要素的地理分布Figure 2 Geographical distribution of six elements of wind disaster in Xinjiang

災損指數(shù)較大的區(qū)域反映風災較強。如圖3a所示可知，風災主要集中發(fā)生在阿克蘇地區(qū)、巴州、吐魯番地區(qū)和和田中部。災損指數(shù)大于1.879的縣市有阿克蘇市、吐魯番市、沙雅縣、洛浦縣和烏什縣，這與新疆南部地域大、地形復雜、農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)分布不同的實際情況有關(guān)。天山南側(cè)中部區(qū)域以綠洲農(nóng)業(yè)和牧業(yè)為主，昆侖山北側(cè)的平原以灌溉農(nóng)業(yè)為主，靠近昆侖山區(qū)為牧業(yè)區(qū)，災損指數(shù)的大值區(qū)與農(nóng)牧區(qū)有很好的對應關(guān)系。

如圖3b所示可知，較重等級以上風災主要集中在阿克蘇地區(qū)、吐魯番地區(qū)、巴州和和田地區(qū)，其中特重等級風災主要集中吐魯番市、阿克蘇市、沙雅縣、洛浦縣和烏什縣，這些地區(qū)都是農(nóng)牧業(yè)主產(chǎn)區(qū)、礦產(chǎn)資源開發(fā)和旅游區(qū)，有的又在條件艱苦的邊遠山區(qū)，道路交通和防災救災基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，一有風災發(fā)生，必定會給當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展造成嚴重影響，是防災、救災的難點和重點區(qū)域。

圖3 新疆風災災損指數(shù)和災損指數(shù)等級的空間分布Figure 3 Spatial distribution of wind disaster index and grade zoning of wind disaster in Xinjiang

3 風災的季節(jié)變化和年際變化

3.1 季節(jié)變化

新疆南部一年四季均有風災出現(xiàn)。春季最多，占全年的82.2%；夏季次之，占全年的14.9%；秋季和冬季出現(xiàn)最少，分別占全年的0.9%和2.0%。如圖4所示可知，6大災情要素的逐月分布差異明顯。6大災情要素均集中在4月至6月，其中4月最多，5月次之。春季風災的集中發(fā)生與牧區(qū)的牧業(yè)轉(zhuǎn)場、產(chǎn)羔育幼、農(nóng)作物幼苗生長密切相關(guān)，同時強風天氣多在春季出現(xiàn)。因此，在防災、減災服務中應認真做好春季強風天氣的預報，提前做好防災、抗災準備。

圖4 6個災情要素的季節(jié)變化Figure 4 Six damage elements in seasonal change

3.2 年際變化

在1980—1986 年，年災損指數(shù)（ZY1）與時間的線性回歸方程為ZY1=0.597t-1.316（R2＝0.4576，P＝0.10）；在1987—2001年，年災損指數(shù)（ZY2）與時間的線性回歸方程為ZY2=0.154t-0.128（R2＝0.3847，P＝0.01）；在 2002—2019 年，年災損指數(shù)（ZY3）與時間的線性回歸方程為ZY3=0.024t+0.659（R2＝0.0780，P＝0.26）。這表明 1980—1986 年和1987—2001 年新疆南部風災呈分段式線性增長趨勢；2002－2019 年風災也存在線性增長趨勢，但不顯著。每10 年的平均災損指數(shù)分別為0.8816（1980—1989 年）、1.2237（1990—1999 年）、0.9057（2000—2009年）和0.9890（2010—2019年），表明20世紀90 年代最強，21 世紀第二個十年次之。1986年、1999 年和2001 年分別為特重年份，最重的是1986年，災損指數(shù)達到5.4。

圖5 災損指數(shù)的年際變化Figure 5 The interannual variability of damage index

4 結(jié)論

利用新疆南部風災事件的6 個災情要素，通過線性組合方法，構(gòu)建得到能夠綜合表達風災強度的災損指數(shù)。經(jīng)過概率統(tǒng)計檢驗表明，災損指數(shù)服從伽瑪分布。因而，依據(jù)伽瑪分布函數(shù)將災損指數(shù)的強度劃分為一般、較重、嚴重和特重四個等級。新疆南部風災主要分布在天山南部和昆侖山北部，集中發(fā)生在4 月至5 月，較重等級以上風災集中在吐魯番地區(qū)、阿克蘇地區(qū)、和田地區(qū)、克州和哈密地區(qū)，其中特重等級風災主要出現(xiàn)在吐魯番市、阿克蘇市、沙雅縣、洛浦縣和烏什縣。

在1980—2019 年的最近40 年內(nèi)，新疆南部風災的年際變化分別在1980—1986年、1987—2001年呈分段式線性增長趨勢，且增加趨勢顯著。特重等級以上風災分別在1986年、1999年和2001年發(fā)生，年災損指數(shù)分別為5.4、4.2和2.7，這進一步表明，在氣候變暖背景下風災的波動性在逐漸減弱。