北疆不同等级风灾的时空分布特征差异性研究

胡 帆，王 旭

(新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆 乌鲁木齐 830002)

风灾是一种由风引起的常见自然灾害，对人类社会经济、农牧业生产和日常生活产生严重影响。新疆是我国大风频发的地区之一，风力强，日数多，持续时间长。因此，风灾也成为新疆的一种主要气象灾害[1]。新疆沙漠面积宽广，大风和沙尘暴天气频发，容易破坏耕地表层土壤结构，使作物种子或幼苗根系外露，还会引起高杆作物和成熟庄稼倒伏、落粒等损伤甚至死亡[2-9]；热干风还会增强作物的蒸腾作用，使作物更易受旱[10]。新疆每年因风灾受到损失的农田达几千亩至上百万亩不等。冬季大风常伴随寒潮到来，或因风雪交加、能见度低致使牧区人畜迷途而被冻死。风灾不仅危害农牧业生产，严重时还会造成房屋、大棚及牲畜棚圈受损倒塌，甚至出现人员伤亡等极端情况[11-13]。近年来，风灾造成的损失和影响呈上升趋势，对经济发展和国民人身财产安全危害日益增强[14]。而北疆风灾发生频率和产生的危害都要高于南疆，深入研究当前北疆风灾危害性的评估方法及其发展趋势，对保护人民生命财产安全、修复生态环境具有重要的意义[15-17]。

目前国内很多学者在新疆风灾的评估和致灾因子及成因分析方面已经做了一定的研究工作。满苏尔·沙比提等[18-19]选取风灾造成的死亡人数、受灾农田面积、经济损失和死亡牲畜作为灾度指标，对比分析了1949—2008年南疆五地州各等级风灾发生次数和所占比例，并从承载体角度分析了风灾空间格局的产生原因。研究期内南疆4-5月份风灾发生最多，风灾发生次数逐年增长，且风灾损失的增长速率比承载体增长速率更快。在全球气候变化、气温升高的总体背景下，新疆平均风速呈逐年降低趋势[20]，但极端大风的发生频次有增长趋势[21]。曹兴等[22]运用线性回归法分析1981—2010年北疆最具代表性的达坂城风区大风日数、平均风速等资料，发现大风天气发生日数(强度)逐渐减少(减小)，并且分别在1997年和2001年发生突变性减少(减小)。陈洪武等[23]研究发现，1961—1999年北疆的大风日数总体上趋于减少，但减小幅度较小。风灾的成因方面，研究人员普遍认为高空低压槽和地面冷锋是造成风灾大风的主要影响系统，动量下传和变压风则是大风形成和发展的主要原因[24-25]。

众多的研究成果主要集中在风灾的危害性评估和致灾因子及成因方面，但在2012年后针对风灾的研究较少，北疆风灾危害性的变化趋势是否与其致灾因子变化趋势相吻合尚未可知。针对风灾危害性的评估，以往的研究只针对重大风灾，样本相对较少，并普遍采用某单一灾情要素超过指定阈值即划归为某一灾害等级的方法，缺乏科学性和对各个灾情要素的统筹考虑。因而本文采用多指标综合考虑构建风灾灾损指数，探寻一种相对客观全面的评估方式，为北疆风灾的防灾减灾工作提供一定的科学依据和理论基础。

1 研究区概况及资料方法

1.1 研究区概况

新疆位于我国西北地区(32°22′N～49°33′N，73°21′N～96°21′E)，由于天山山脉横贯中央，故将其分为南北疆两部分。北疆由北向南分别是：阿尔泰山、准噶尔盆地、天山北坡。行政上包括乌鲁木齐市、昌吉回族自治州、石河子市、阿勒泰地区，伊犁哈萨克自治州，塔城地区、博尔塔拉蒙古自治州和克拉玛依市[26]。截至2018年底，共有耕地约397万hm2，占全疆的76%，主要播种小麦、玉米、棉花等易受风灾影响的作物。2018年北疆农业产值合计818亿元，约占全疆的57%(不含兵团)，牧业产值合计571亿元，约占全疆的66.7%[27]。该区域大风日数为新疆最多，其中阿拉山口年平均大风日数161天，最多一年188天；而极值出现在南北疆气流通道的达坂城，最多一年高达202天，年平均150天[28]。

为了直观的分析北疆风灾的空间分布特征，按照地形地貌、气候条件、强风天气过程的活动特点，将北疆划分为阿勒泰地区、塔城地区(塔城市、额敏县、裕民县、托里县)、伊犁河谷、博州、北疆沿天山一带(克拉玛依市、乌苏市、沙湾县、石河子市、乌鲁木齐市、昌吉州)5个区域(图1)。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

1.2 数据资料

本文根据新疆维吾尔自治区民政厅记载的风灾灾情信息，整理得到1980-2019年北疆38个县(市)包含出现时间(年月日)、出现区域(县/市)、死亡人数(人)、倒塌房屋(间)、倒塌棚圈(座)、损坏大棚数(座)、死亡牲畜(头)、受灾面积(hm2)、经济损失灾情记录671条。若某日某县(市)区域内出现1次风灾，则风灾出现次数记为1[29]。

1.3 分析方法

根据某次风灾事件的上述6项灾情要素运用线性组合法构建灾损指数，再采用百分位数法计算出危害性等级阈值。采用线性回归分析判断北疆风灾出现次数(总次数及一般、较重、严重、特重四个等级风灾出现次数)和年灾损指数的变化特征，并用累计距平检测法来分析年风灾出现次数、年灾损指数的气候突变。

(1)灾损指数的构建

由于表达某次风灾事件的灾情要素包括6个，分别为死亡人数(人)、倒塌房屋(间)、倒塌棚圈(座)、损坏大棚数(座)、死亡牲畜(头)、受灾面积(hm2)，为了便于比较每次风灾事件的强弱，需要构建能够综合表达6个灾情要素的灾损指数(Zi)。在Zi的构建中通过比值法确定每个灾情要素的权重，基于灾情要素权重采用无量纲化线性求和的方法得到Zi。

设有m个灾情要素，每个灾情要素由n个样本组成，这样可得到风灾的灾情要素评价矩阵Xn×m。则风灾灾损指数Zi的计算公式如下[29]：

(1)

(2)

利用1980-2019年38个县(市)出现的671次风灾事件灾情资料，依据比值方法计算得到6个灾情要素对应的权重、平均值、最大值(表1)，通过线性组合(公式1)可以得到风灾事件的灾损指数。

表1 灾情要素的权重、平均值、最大值Table 1 The weight, average value and the maximum value of disaster factors

(2)危害性等级阈值的确定

在确定风灾灾损指数等级时，用到了百分位数方法。百分位数方法用于反映顺序数据的集中趋势的一种统计测度值，是指用99个点将一组顺序数据100等分后各分位点上的值[30]。百分位数是一种位置指标，以Pr表示，一个百分位数将总体或样本的全部观测值分为两部分，理论上有r%的观测值比它小，有(100-r)%的观测值比它大，故百分位数是一个界值。

对灾损指数为n的样本数据按由小到大顺序排列好后，则第r百分位数Pr的计算公式如下。

Pr=X[d]+(X[d+1]-X[d])(d-[d])，d=1+(N-1)r%.

(3)

式中：d表示百分位数Pr所在位次；[d]表示取d的整数部分；X[d]、X[d+1]分别表示位次为[d]、[d+1]上的数据。100-r分别取10%、25%、50%得到灾损指数Z四种级别对应的阈值(表2)。

表2 风灾等级划分标准Table 2 Classification standard for wind disaster grades

(3)气候突变的累积距平检测方法

气候突变指气候要素序列10a以上的平均值，前后两段发生明显的差异，常用序列累积距平方法检测气候要素的突变点[31]。对于具有长度为n的样本时间序列x(t)，t=1，2，…，n，在样本中某时刻j点的累积距平为：

(4)

2 结果与分析

2.1 空间分布

将某一区域各等级风灾发生次数分别相加，再除以该地区所属县(市)数量，得到风灾的区域平均发生次数。风灾在各县(市)出现总次数图2(a)显示，近40年5个区域的风灾出现次数具有明显的空间格局。北疆风灾最为频发的区域是博州，平均每县(市)发生风灾38.3次。

将单个县(市)每年出现的风灾灾损指数求和，得到该县(市)的年灾损指数，该值可以体现该县(市)当年度的受灾轻重情况。将某县(市)近40年的年灾损指数相加，再除以40年得到年平均灾损指数。经计算和分析发现，奇台县和石河子市年平均灾损指数最高，分别达到1.24和1.10，是北疆近40年受灾最严重的县(市)(图2(b))。

图2 累计出现次数和年平均灾损指数的空间分布Fig.2 Spatial distribution of cumulative occurrence times and annual average disaster damage index

将某区域所属各县(市)年灾损指数求和再除以县(市)数量，得到区域平均年灾损指数。经过计算可知，北疆沿天山地区和阿勒泰地区是北疆受风灾影响最重的区域，年平均灾损指数分别达到0.54和0.50。

统计近40年各等级风灾在各区域及县(市)出现次数(图3)，可以看出1级风灾出现次数博州最多(区域平均22次)，阿勒泰地区次之(平均14.3次)，塔额盆地、伊犁河谷、北疆沿天山出现次数相当，约为5.6次；在单个县(市)中，温泉县(30次)和福海县(29次)出现较多。2级风灾博州出现最多(平均12.0次)，阿勒泰地区次之(平均6.0次)，其中，精河县和福海县出现较多，分别为17次和14次。3级风灾出现次数阿勒泰地区最多(平均4.0次)，单个县市来看，石河子市最多(9次)。4级风灾5个区域出现次数相当。

图3 不同等级风灾出现次数的空间分布Fig.3 Spatial distribution of the occurrence times of various grades of wind disasters

形成这种空间格局的主要原因是各区域因地形造成的不同气候特征，以及各区域的农牧业规模差异。乌鲁木齐—达坂城谷地是南北疆的气流通道，与相邻的吐鲁番盆地形成海拔高度差，当冷空气南下时，受山脉地形影响形成堆积，堆积达到一定程度便从垭口倾泻而出，使风速大幅增加。因此达坂城区域是新疆大风天气最为频发的地区之一，年均大风日数达150 d[22]。北疆沿天山一带耕地面积共计130余万hm2，因此当大风天气发生时，更易形成严重的风灾。北疆西北部的哈巴河、吉木乃、和布克赛尔等地因多风口、河谷，也是新疆的大风较为频发的地区[32]，加之该区域冬季漫长，且大风有时会伴随暴雪天气发生，曾出现大规模房屋因暴风雪倒塌并造成人员伤亡的情况。同为大风天气频发区的博州耕地面积仅有18万hm2，因此该区域虽风灾多发，但危害性相对较小。

2.2 月季变化

1980年—2019年北疆共发生风灾671次，4月是各等级风灾发生频率最高的月份，5月次之(图4)。最频发的季节是春季，夏季次之，秋冬季发生频次较低。其中 1级风灾共发生335次，春季(3—5月)共发生216次，占全年64%；夏季(6—8月)共发生99次，占全年30%；秋季(9—11月)和冬季(12—2月)共发生20次，占全年6%。2级风灾共发生168次，春季和夏季占比分别是71%和23%。3级风灾春季和夏季占比分别是75%和20%。4级风灾共发生67次，春季共发生57次，占比达到全年85%；夏季、秋季和冬季分别占全年7%、3%和4%。研究发现风灾等级越高，在春季发生的比重越大。这说明春季不仅是北疆风灾最为频发的季节，并且危害越大的风灾越容易在春季发生。

图4 北疆风灾出现次数的月分布Fig.4 Monthly distribution of the occurrence times of wind disasters in Northern Xinjiang

致灾因子和承载体的月季变化情况是导致春季风灾发生频率高的主要原因。4—5月冷暖空气交替频繁，使天气系统变得不稳定，生成、发展和移动的速度非常快[28]，地区间气压梯度加大，大风天气频发，北疆阿拉山口、达坂城和塔城老风口的春季平均大风日数均高于40 d[33]。此外，北疆最主要的农作物是小麦、玉米和棉花，4—5月正值北疆冬小麦的拔节孕穗期，棉花、春小麦和玉米的播种和出苗期，大风天气发生时，容易对这些作物造成毁灭性伤害。6—8月气层不稳定，多阵性大风，但农作物处于抽雄、开花、乳熟等发育期，抗灾能力相对较好。9—2月气层相对稳定，大风天气较少，加之地面强烈辐射冷却形成深厚的逆温层，风灾出现较少。

2.3 年际变化

分析1980年到2019年北疆38个县(市)出现的风灾事件灾情资料，可以发现北疆风灾的年出现次数呈现倾向率5.8次(10 a)-1的增长趋势，年灾损指数线性增长倾向率为4.9(10 a)-1,并在2000年前后出现大幅度突然增长的情况(图5(a)、(b))。累计距平检验表明风灾出现次数在1995年发生突变，1980—1995年平均值为7.3次，相对于40 a平均值偏少57%，1996—2019年平均值为23.1次，偏多37.5%，突变之后的平均值是突变之前的3.2倍。

图5 北疆风灾出现次数和年灾损指数的年际变化Fig.5 Inter-annual variation of the occurrence times and annual disaster damage index of wind disasters in Northern Xinjiang

分级来看(图5(c)、(d))，1、2、3级风灾年出现次数发展趋势符合总数的增长趋势，4级有线性增长趋势，但不显著。其中1级风灾出现次数增长最快，倾向率为2.7次(10 a)-1；2级风灾出现次数线性增长倾向率1.6次(10 a)-1，3级风灾出现次数线性增长倾向率为1.1次(10 a)-1。

2级风灾出现次数在1999年出现大幅度突然增长，累积距平检验表明1995年发生突变，1980—1995年平均值为1.2次，相对于40 a平均值偏少71%，1996—2019年平均值为6.2次，偏多48%，突变之后的平均值是突变之前的5.2倍。3级风灾出现次数在2001年出现大幅度突然增长，累积距平检验表明在1999年发生突变，1980—1999年平均值为1次，相对于40 a平均值偏少60%，2000—2019年平均值为4.1次，偏多64%，突变之后的平均值是突变前的4.1倍。4级风灾出现次数在1998年出现大幅度突然增长，累积距平检验表明在1997年发生突变，1980—1997年平均值为0.6次，相对于40 a平均值偏少65%，1997—2019年平均值为2.6，偏多53%，突变之后的平均值是突变之前的4.3倍。

风灾发生次数增加及年灾损指数增长的主要原因应从致灾因子和承载体的发展趋势两方面考虑。风灾的致灾因子是风，然而大量研究表明近40 a北疆大风日数、平均风速均呈现减少、减小趋势[14-17,20-23]，因此造成风灾次数增加并且危害性变强的主要原因是承载体的发展。本文选择的灾情要素中死亡人数、倒塌房屋、倒塌棚圈、损坏大棚数、死亡牲畜均不存在明显线性变化趋势，而受灾面积的发展趋势与风灾发生次数及年灾损指数趋势一致，因此主要对受灾面积与北疆播种面积的关系进行分析(图6)。近40年北疆播种面积呈现倾向率683.87千hm2(10 a)-1的线性增长趋势，受灾面积呈现倾向率19.794千hm2(10 a)-1的线性增长趋势，两者发展趋势正相关。受灾面积占播种面积的百分比(受灾比)也表示风灾的危害程度，1980s的受灾比为0.47%，1990s、2000s、2010s受灾比分别为1.13%、1.96%、1.51%。可见自1990s至今，北疆播种面积和受灾面积线性增加的同时，受灾比相对稳定，变化较小。这也说明造成受灾面积增加最主要的原因是播种面积的增加。

图6 北疆播种面积和受灾面积年际变化Fig.6 Inter-annual variation of sowing area and affected area in Northern Xinjiang

3 结论

(1)本文提出风灾灾损指数，从死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、损坏大棚数、牲畜死亡数、受灾面积共6个维度构建了风灾的综合性分析评估指标，是对近40年北疆区域范围内的受灾损失程度情况的总体衡量描述。根据北疆风灾灾损指数的概率密度分布，将风灾危害性等级划分为一般、较重、严重和特重四个等级。

(2)近40年5个区域的风灾出现次数具有明显的空间格局。博州是北疆风灾最为频发的地域，平均每县(市)出现风灾38.3次，阿勒泰地区次之(地域平均26次)。1、2、3级风灾出现最多的区域也在博州和阿勒泰地区，符合总次数的分布规律，4级风灾出现次数在5个区域相当。从风灾的危害程度来看，北疆沿天山地区和阿勒泰地区年平均灾损指数最高，风灾造成的危害最重，单个县市中，奇台县和石河子市为灾损指数最高。

(3)北疆风灾主要发生在春夏季(3—8月)，占比达到总数的94.2%。特别是4—5月大风天气较多，并且正值农作物播种和出苗时期，更容易形成大规模的风灾。

(4)北疆范围内每年风灾出现次数呈现以每10年5.8次的明显增长趋势，一般、较重、严重风灾出现次数均有明显增长趋势，且增长速率与风灾等级成反比。风灾出现总次数、2、3、4级风灾出现次数和北疆风灾年灾损指数在1995年到1999年之间先后发生突变，突变后年平均风灾出现次数和年平均灾损指数均有大幅度增加。说明北疆较重以上等级的风灾发生次数和造成的危害均在上世纪90年代末以后大幅度增加。