黑龙江省大风气候特征分析以及致灾危险性区划

刘赫男，张洪玲，朱红蕊，徐永清，魏 磊，蒋慧亮

（黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

大风天气是指在大尺度环流天气系统或局地对流天气系统条件下产生的一种灾害性天气， 是指近地面层风力达8 级或以上的风[1]，大风会毁坏地面设施和建筑物、可造成农作物受灾、房屋倒塌、海上作业危害极大，是一种灾害性天气[2-3]。

近些年来， 随着全球气候变暖， 极端灾害频发， 诸多学者进行了大风灾害气候特征[4-5]、评估方法[6-7]等方面的研究，但针对黑龙江省此方面的研究甚少[8-10]。大风是黑龙江省主要的灾害性天气之一，尤其是春、夏季，大风现象频发且强度大范围广，造成的危害最为严重，例如：2020 年6 月8-9 日，黑龙江省出现了较大范围、致灾严重的极端风灾，部分站点风力达历史极值，据统计，此次风灾造成12 个县市3770 人受灾、7 人死亡、 农作物受灾面积6200 hm2、损坏房屋2279 间、直接经济损失约2.78 亿元[9]。黑龙江是国家粮食安全的“压舱石”，而大风灾害对于农作物的影响尤为重要，所以，研究大风的发生规律和对其进行危险性区划， 对提高灾害性天气预报精准度、使农业生产顺利进行具有重大意义。 本文利用黑龙江省83 个气象站1978-2020 年逐日风速资料，分析了黑龙江省大风的气候特征， 并对其致灾危险性进行了区划，对于指导黑龙江省各地经济生产布局、防灾减灾有一定的意义。

2 资料和方法

2.1 资料

选择1978-2020 年黑龙江省83 个国家地面气象观测站（图1）逐日风速资料，统计整理出全省各气象站最大风速、极大风速数据序列，数据均来自于黑龙江省气象数据中心。

图1 黑龙江省国家地面气象观测站分布图

2.2 方法

大风的定义：日极大风速达17.2 m/s（八级）及以上的风。

极大风速资料的延伸：经分析资料后得出，除个别台站外绝大部分气象站的最大风速资料序列均比较完整， 但极大风速资料最早的从1995 年开始，最晚的从2007 年开始，数据序列均较短，各个站的数据不利于横向之间的比较， 也不利于对全省大风事件情况的了解和分析。 对此，有必要采用成熟的统计方法延伸各个站的极大风速序列， 使它们在时间尺度上尽可能的统一。

目前， 采用最广泛也是得到最多专家学者认可的方法是利用台站自身的极大风速序列与同期的最大风速序列进行相关分析[11-12]，得到该站极大风速与最大风速关系的模型方程，检验方程，结果需通过相关的统计检验， 这样就可以利用方程将同期的极大风速序列推算出来，继而延伸该站的极大风速序列。同样方法可以得到全省83 个台站的长序列的极大风速资料， 填补了各站极大风速资料时间序列短的空白。

3 建立黑龙江省大风数据集

采用一元线性回归方法分析各站同期的极大风速和最大风速的关系，建立各站的回归方程，并检验方程，结果表明：

（1）各站回归方程的相关系数均通过了0.01 的显著性检验， 即极大风速和最大风速均存在高度的线性相关；

（2）各站的相对误差在7.05%-14.89%(表1)，其中有40 个台站（占比48.2%）相对误差均在10.0%以下；有21 个台站（占比25.3%）相对误差在10.0%-11.0%；有12 个台站（占比14.5%）相对误差在11.0%-12.0%；有7 个台站（占比8.4%）相对误差在12.0%-13.0%。 可见各站回归方程的检验结果较好，推算结果可信、可以使用。

表1 部分台站极大风速和最大风速回归方程

4 黑龙江省大风气候特征分析

4.1 大风日数

黑龙江省年均大风日数约为18.2 d，呈显著的减少趋势 （P＜0.01）， 减少速率约为7.4 d / 10a； 其中1978 年大风日数最多，为42.0 d；2011 年大风日数最少，仅为4.7 d；上世纪80 年代大风日数最多，随后逐年代减少。 5 月和4 月的大风日数最多， 分别约为3.7 d 和3.6 d；8 月日数最少，仅为0.5 d，可见大风主要发生在春季，夏季和冬季日数最少（图2）。

图2 1978-2020 年黑龙江省大风日数的时间变化图

图3 黑龙江省大风日数分布

黑龙江省中部偏北和北部地区大风日数偏少，省西部、中部偏南以及东南部地区日数偏多，日数最多的是依兰（53.3 d），最少的是大庆和北极村（1.2 d和1.5 d）。

4.2 大风风速最大值

黑龙江省年均大风风速最大值约为35.3 m/s，呈显著的减小趋势（P＜0.01），每十年减少约为2.5 m/s；其中1983 年风速最大值最大， 约为46.4 m/s；2011年风速最大值最小，约为25.9 m/s，上世纪80 年代大风风速最大，随后逐年代减小。 5 月和4 月的风速最大值最大，平均约为28.8 m/s 和28.4 m/s；8 月的风速最小，约为21.9 m/s，可见春季的风速最大（图4）。

图4 1978-2020 年黑龙江省大风风速最大值的时间变化图

从图5 可以看出， 黑龙江省北半部、 东部和南部地区大风风速最大值偏小， 省西南部、 中部偏南以及三江平原西部地区风速偏大， 风速最大的是林口、 集贤和依兰， 风速分别为46.4 m/s、45.0 m/s 和44.8 m/s，最小的是抚远（23.0 m/s）。

图5 黑龙江省大风风速最大值分布

5 研究建立大风灾害致灾模型

选择发生大风的频次和强度作为大风灾害致灾因子的危险性指数（H），H 可表示为：

其中，G 为大风强度，用年极大风速最大值表示（m/s）；P 为大风频次，用大风年均日数（d）表示；wG 和wP 为各自的权重，采用层次分析法对归一化处理后的大风频次和强度分别赋予权重，且wG+ wP =1。

图6 为利用上述模型得到的黑龙江省大风致灾危险性评估图， 可以看出大兴安岭地区基本处于低危险区，黑河大部、伊春大部、齐齐哈尔东部、绥化东部、大庆中部、牡丹江西南部以及三江平原东北部地区基本处于较低危险区， 其他地区均处于 “较高—高”危险区，其中嫩江、讷河、甘南、林甸、杜蒙、望奎、肇州、肇源、哈尔滨、阿城、巴彦、木兰、通河、方正、依兰、桦南、双鸭山、佳木斯、集贤、宝清、富锦、萝北、密山、林口、穆棱、鸡西以及绥芬河处于高危险区。

图6 黑龙江省大风危险性评估图

6 结论与讨论

（1）采用线性回归方法重建的极大风序列通过了0.01 的显著性检验， 近90%的站点误差＜12.0%，因此重建数据可信，可作为后续研究基础数据。

（2）黑龙江省年均大风日数约为18.2 d，呈显著的减少趋势，减少速率约为7.4 d / 10a，大风日数逐年代减少明显； 春季为大风多发季节，5 月和4 月的大风日数最多，8 月最少。 中部偏北和北部地区大风日数偏少， 西部、 中部偏南以及东南部地区日数偏多。

（3）黑龙江省年均大风风速最大值约为35.3 m/s，呈显著的减小趋势，每10 a 减少约为2.5 m/s，风速逐年代减小明显。 春季风速最大，5 月和4 月的风速最大，8 月最小。北半部、东部和南部地区大风风速最小，西南部、中部偏南以及三江平原西部地区风速偏大。

（4）大风致灾危险性模型结果可以看出大兴安岭地区基本处于低危险区，黑河大部、伊春大部、齐齐哈尔东部、绥化东部、大庆中部、牡丹江西南部以及三江平原东北部地区基本处于较低危险区， 其他地区均处于“较高—高”危险区。

本文用一元回归方法续补了各站的极大风速资料， 并对大风灾害致灾危险性区划进行了分析研究，统计方法的选择、致灾因子的选定和区划方法存在一定主观性，区划结果会存在适当的误差；下一步研究内容和方向是灾害损失风险计算以及针对不同承灾体的影响评估，本研究也为下一步研究奠定了基础。