1990—2019年新疆不同等級風災變化特征

王秀琴 王昀 王旭

(1 新疆維吾爾自治區氣象信息中心，烏魯木齊 830002；2 蘭州大學大氣科學學院，甘肅干旱氣候變化與減災重點實驗室，蘭州 730000；3 新疆維吾爾自治區人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830002)

引言

風災是指由強風(6級以上的風)、沙塵暴和干熱風引起的災害。近年來，許多學者開展風災的研究，由通過建立災害風險區劃模型及評估模型的方法實現風災區劃和災害影響評估[1-3]，延伸到不同風力作用下造成不同粒徑砂粒的遷移、堆積研究[4-5]，并且認為風災的致災因子是大風[6]。新疆作為風災多發區之一[7]，風災危害的研究成為熱點問題。夏祎萌等[8]通過危險度及災度等方面的分析，認為新疆是大風災害中度危險區，以輕災為主，但滿蘇爾·沙比提等[9]認為南疆風災對人民正常生產生活造成重大損失。王秋香等[10]通過建立不同災情要素損失等級劃分的量化標準，對新疆風災進行評估。另外一些學者通過對沙塵暴動力結構特征分析或構建風沙災害危險性評價模型，對新疆不同區域風沙災害進行評價[11-12]。新疆作為我國農牧業生產重要基地，大風災害對農牧業的影響也受到廣泛關注[13-14]。以上研究成果為后人開展風災研究奠定了基礎，但因研究內容和側重點各有不同，尚未形成一個完整統一的客觀評價標準。新疆風災造成的人員死亡、房屋倒塌、棚圈倒塌、溫室大棚倒塌、牲畜死亡、農作物受災面積等在風災災情報告中均有詳細記載，這些信息從不同角度反映了風災對農牧業的影響程度。而在以往的研究中鮮有利用這6個災情要素對風災進行定量評估，綜合考慮6個災情要素的新疆風災長期變化趨勢及其氣候成因的研究工作尚未開展。

本文采用比值權重和無量綱化計算方法，構建能綜合表達6個災情要素的災損指數，進一步利用百分位數法將每次風災事件的災損指數劃分為一般、較重、嚴重、特重4個等級。依據災損指數和風災等級分析新疆風災的時空分布特征，并以極大風速作為切入點，建立不同等級風災的風速閾值。研究工作可為風災預報預警及防范提供依據。

1 研究區概況與資料和方法

1.1 研究區概況

新疆地形屬“三山夾兩盆”(圖1)，天山山脈橫亙中部，天山以南為南疆，天山以北為北疆。北疆主要包括阿勒泰地區、塔額盆地、伊犁河谷、博爾塔拉蒙古自治州(簡稱博州)、北疆沿天山一帶；南疆主要包括哈密市、吐魯番盆地、巴音郭楞蒙古自治州(簡稱巴州)、阿克蘇地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(簡稱克州)、喀什地區及和田地區。

圖1 新疆地形及行政區劃分

新疆是我國沙化土地面積最大、分布最廣、風沙危害最嚴重的省區，是我國沙塵暴的主要易發地之一，同時也是世界上沙漠化危害最嚴重的地區之一。位于北疆準噶爾盆地中央的古爾班通古特沙漠是中國面積最大的固定、半固定沙漠，位于南疆塔里木盆地中部的塔克拉瑪干沙漠是中國最大、世界第二大流動沙漠[15]。新疆屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，降水稀少、年均大風日數25～50 d[16]，瞬時風速達40～60 m/s[17]。沙源豐富的兩大盆地常出現風沙天氣，是風災危害最嚴重的區域。

新疆又是我國重要的農牧業基地。在塔里木盆地和準噶爾盆地的邊緣，分布著很多綠洲，是新疆主要的農業區。新疆作為全國畜牧業生產基地和五大牧區之一，畜牧業主要分布在天山、昆侖山、阿爾泰山的山地牧場，少部分在高山山麓地帶的綠洲草場。

1.2 資料

依據新疆民政廳記載的風災信息，統計得到1990—2019年30年新疆86個縣(市)包含出現時間(年月日)、出現區域(縣/市，簡稱縣市)和6個災情要素的風災事件1832次，6個災情要素分別是死亡人數(人)、倒塌房屋數(間)、倒塌棚圈數(座)、損壞大棚數(座)、牲畜死亡數量(頭)、農作物受災面積(hm2)。若某縣市區域內出現1次風災，則該縣市風災出現次數記為1。

選用新疆81個氣象觀測站4—5月2 min日平均風速、75個氣象觀測站4—5月日極大風速資料分析風災的成因，該資料來源于新疆氣象信息中心。

1.3 災損指數的構建和危害性等級劃分

由于6個災情要素具有不同的量綱，為了便于綜合比較風災事件之間的強弱，需要構建能表達災情要素的災損指數。首先通過比值法確定每個災情要素的權重，之后采用無量綱化線性求和的方法得到災損指數。

設6個災情要素均由n個樣本組成，這樣可得到風災的評價矩陣Xn×6。第j個災情要素的權重aj的計算公式定義如下：

(1)

上式中i代表樣本數，取1～n，j代表災情要素，取1～6；Xi,j代表第i次風災事件的第j個災情要素的數值，XjM代表第j個災情要素的最大值。

第i次風災事件的災損指數Zi定義如下：

(2)

用公式(1)計算權重時，采用最大值進行無量綱化處理，是為了保證各個災情要素的等價性；而用公式(2)計算Zi時，采用平均值進行無量綱化處理，使得每次風災事件具有一定的差異性。

由1832次風災事件計算得到的6個災情要素的平均值、最大值和權重列于表1。通過計算Zi與6個災情要素的相關系數發現，6個相關系數均為正值，且顯著性水平α均小于0.01，這表明Zi能夠綜合表達6個災情要素，且Zi的數值大小反映風沙災害事件的強弱。

表1 1990—2019年新疆風災事件的6個災情要素的平均值、最大值和權重

采用百分位數方法[18-19]確定風災的等級。將災損指數樣本數據按由小到大順序排列好后，百分位數(P)分別取10%、25%、50%，得到災損指數4個危害性等級對應的閾值(表2)，根據閾值將1832次災害事件劃分為4個等級。

表2 百分位數法的風災等級劃分標準

2 結果與分析

2.1 風災的空間分布

新疆風災出現次數和強度的空間分布表現出明顯的區域差異性。出現次數和強度均是南疆高于北疆，其中，吐魯番盆地和塔里木盆地北緣是風災的多發和重發區(圖2)。年平均出現次數前5位的縣市依次是托克遜縣(2.4次)、阿克蘇市(2.1次)、尉犁縣(1.8次)、吐魯番市的高昌區(1.7次)、庫車縣(1.6次)；年平均災損指數前5位的縣市依次為吐魯番市的高昌區(4.47)、烏什縣(2.68)、柯坪縣(2.62)、洛浦縣(2.13)、阿克蘇市(1.85)。

圖2 1990—2019年新疆風災年平均出現次數和年平均災損指數的空間分布

出現次數的區域平均是指該區域內縣市出現次數的平均，從區域平均值可以看出，1～4級風災出現次數的空間分布也具有明顯的差異性(圖3)。從多到少排列，1級風災出現次數前3位的區域依次是吐魯番盆地、博州、阿克蘇地區，2級是吐魯番盆地、喀什地區、博州，3級是吐魯番盆地、阿克蘇地區、和田地區，4級是吐魯番盆地、阿克蘇地區、巴州。年平均出現次數最多的縣市，1級是托克遜縣，2級是岳普湖縣，3、4級均為吐魯番市的高昌區。

吐魯番盆地和塔里木盆地北部風災多發和重發與地形和強風的移動路徑密切相關。烏魯木齊到達坂城是天山的一個谷地，吐魯番盆地位于天山山脈斷裂下陷處，達坂城海拔1103.5 m，翻過達坂城，水平距離90 km遠的吐魯番海拔僅34.5 m。冷空氣在翻過達坂城谷口后，順地勢下滑，極易形成下坡風。塔里木盆地在天山山脈埡口“狹管效應”的作用下，地面風系由3支盛行氣流組成：第1支氣流來自東北方向，促使盆地東部范圍內的風災形成；第2支氣流來自西部，它翻越帕米爾高原后，變為干熱風，易形成風災；第3支氣流來源于北面，盛行于沙漠北部地區。大風在東部、北部山簏和西部山區表現較強[20]。吐魯番盆地和塔里木盆地北部由于農田多，又是新疆主要牧區之一，四季牧場廣為分布，造成風災對農牧業的顯著危害(圖3)。

圖3 1990—2019年新疆不同等級風災年平均出現次數的空間分布

2.2 風災的逐月變化

新疆風災各月均有發生(圖4)，逐月變化特征顯著。用各月平均風災出現次數和平均災損指數表示逐月變化，計算方法為：根據1832次風災事件對應的時間和等級，分別計算各月各級風災出現次數和災損指數之和，除以30，得到1990—2019年各月各級風災出現次數(圖4a)和災損指數(圖4b)，結果顯示，出現次數和強度均在4—5月達到峰值。4月和5月風災出現次數分別占年平均出現次數的39%和31%，這與前人研究成果[21-22]一致；月平均災損指數4月最強，5月次之，分別占56.5%和21.5%。

圖4 1990—2019年新疆不同等級風災平均出現次數和及各等級對應的平均災損指數的逐月變化

1～4級各級風災發生次數和災損指數高值也均出現于4—5月。其中，1級風災各月出現次數明顯高于2～4級，在4月達到峰值，達11.1次，5月9.4次，均接近或高于其他各級風災出現次數的2倍。災害強度上，4級風災各月強度遠遠高于1～3級，4月災損指數達到峰值26.56。

風災4、5月間出現次數多，災損指數大，與新疆農牧業生產直接相關。春季4、5月期間，新疆正值農作物出苗期或幼苗生長發育期，大風易將地膜吹起、扯爛，由于新疆地表沙源豐富，常造成風沙危害[23]。作為棉花主產區，大風易造成棉花幼苗整株枯死及生長點焦枯；風沙災害可以把幼苗全部打死，長時間的風沙天氣也會嚴重影響到棉田地膜和土壤表面的采光，造成棉株葉片青枯凋萎，主莖頂端焦枯彎曲，使棉花幼苗生長發育功能受阻[24]。春季大風對其他作物的影響主要表現在使玉米苗風耗死亡，地膜和滴灌帶損壞，使小麥等作物傾斜、折斷等。還會造成設施農業大棚損毀，葡萄、杏等林果落花、折枝，大幅減產[25]。在牧業生產方面，從3月中下旬到4月中下旬正是新疆牧區春季轉場期。轉場期間，大風天氣對牲畜采食保暖及牧道通行造成不利影響。因此，加強春季風災監測，提高春季大風預警預報和防范是新疆防災減災的重點內容之一。另外，4級風災出現次數在各月總出現次數中占比較小，但造成的損失卻舉足輕重，建議特別關注較重風災的預警預報。

2.3 風災的年際變化

新疆近30年風災年出現次數呈顯著線性增加趨勢，速率為16.4次·(10a)-1(圖5a)。年災損指數沒有表現出線性增加或減少的變化趨勢(圖5b)。1～4各級風災發生次數(圖6)年際變化趨勢明顯不同，1級增加最為明顯，速率為10.8·(10a)-1，2級次之，增加速率為3.3·(10a)-1次，3級、4級呈圍繞平均值上下震蕩狀態，保持低平均態勢，年平均發生次數分別為9.2次和6.1次。1～4各級風災災損指數的年際變化與各級風災出現次數變化趨勢一致(圖7)，1級風災顯著線性增強，2級略有增加，但未通過顯著性檢驗，3級、4級無明顯變化。

圖5 1990—2019年新疆風災年出現次數和年災損指數的年際變化

圖6 1990—2019年新疆不同等級風災年出現次數的年際變化

圖7 1990—2019年新疆不同等級風災年災損指數的年際變化

可見，風災年出現次數變化趨勢與1、2級災損指數變化趨勢一致，災損指數年際變化趨勢與2～4級變化趨勢一致。分析上述表現的原因，通過貢獻率進行刻劃。貢獻率指某單因素占總值的比重。各級風災發生次數(各級風災災損指數)占年災害發生次數(年災損指數)的百分率，即表征不同級別災害發生次數(各級災損指數)對年出現次數(年災損指數)的貢獻率。1～4級災害發生次數對年出現次數的貢獻率分別為50.0%、25.0%、15.0%、10.0%，1～4級災損指數對年災損指數的貢獻率分別為3.4%、9.7%、17.8%、69.1%?？梢?，1～2級風災出現次數對年出現次數的貢獻率達75%，2～4級風災災損指數對年災損指數的貢獻率為96.6%，尤為突出的是，4級風災的災損指數對年災損指數的貢獻率已接近70%。因而風災年出現次數變化趨勢與1、2級年出現次數趨勢一致，年災損指數變化趨勢與2～4級表現一致?？梢?，在風災防御的應對中，應對2級及以上，特別是4級風災特別關注，做好防范。

2.4 風災成因及各級風災對應極大風速閾值

風是風災的動力條件，風速對風災的變化有直接影響。新疆1990—2019年4—5月年平均風速[26](FS)呈明顯增大趨勢(圖8)，這與何毅[27]等對南疆地區1991—2013年風速變化研究結果一致。氣候變化趨勢與風災發生次數一致，說明風速增大，是導致新疆風災次數增多的可能原因之一。

圖8 1990—2019年新疆4—5月平均風速的年際變化

強風是發生風災的重要因素。極大風速即是指某個時段內出現的最大3 s平均風速[28-29]。故本文選取極大風速做為討論對象?？紤]排除極端值的影響，同時使描述數據具有代表性，且能整體反映造成不同災害等級的風速差異，故數據處理仍采用百分位數方法。選取10%做為引發該等級災害的極大風速閾值。

將1832例風災記錄按災害等級分為4組，各事件對應一個災害發生時的極大風速數據。對無極大風速觀測數據事件進行剔除，其余數據按由大到小的順序排列。求出的1～4級風災對應的百分位點為10%的極大風速做為各級風災極大風速閾值(表3)。

表3 新疆各級風災對應的極大風速閾值 m·s-1

采用序列相關性法對各級風災極大風速閾值進行氣候驗證。求得各年4—5月全疆≥12.9 m·s-1的極大風速出現日數與年風災發生次數的相關系數為0.52，顯著性水平α小于0.05。因出現日數選取的是合計值，故在驗證時間點的選擇上選用2005年及之后時段，以保證完整率達到98%以上?？梢?，極大風速閾值能夠綜合反映風災發生及其年變化趨勢。說明日極大風速≥12.9 m·s-1出現日數增多，是風災出現次數增多的一個重要原因。

新疆統計局統計資料顯示，新疆1990—2019年地區生產總值及第一產業增加值均呈明顯上升趨勢(圖9)[30]。1990—2019年新疆人口呈增長趨勢，同時農牧業生產處在大發展時期，作物播種面積大幅增加，牲畜存欄頭數除2010年略有下降，整體也呈現增加趨勢，溫室大棚產業自“十一五”以來進入振興發展期[31]。分析1990—2019年地區生產總值及第一產業增加值與風災發生次數的關系發現，地區生產總值與風災發生次數的相關系數為0.36，第一產業增加值與風災發生次數的相關系數為0.38，顯著性水平α均小于0.05。說明近30年來隨著產業結構的調整，畜牧業的發展，地區生產總值及第一產業增加值明顯上升，也是風災出現次數增多的重要原因。

圖9 1990—2019年新疆生產總值及第一產業增加值年際變化

3 討論

從各年極大風速達到閾值的出現次數與風災發生次數的對應關系，可知極大風速≥12.9 m·s-1出現次數增加是風災增多的重要原因；另一方面，新疆1990—2019年地區生產總值及第一產業增加值與風災發生次數有很好的對應關系，說明產業發展，承災體基數增大，是風災發生次數增多的另一原因。從各級風災對應的極大風速閾值表可以看出，風災的發生，大多伴有強風天氣。但同時我們也發現，各級風災極大風速閾值差異不大，這從一定程度上說明，大風災害損失(風險)除受風速大小影響外，還與承災體的暴露度、脆弱性，及抗災能力等密切相關。本文雖然給出了極大風速與風災次數的相關系數，也統計了生產總值及第一產業增加值與風災次數的相關系數，但各因素起的作用和貢獻，以及抗災能力的增強在減輕或避免災害發生等方面的作用還未能有效揭示，有待今后進一步研究[32]。

4 結論

(1)依據新疆風災導致的人員死亡、房屋倒塌、棚圈倒塌、溫室大棚倒塌、牲畜死亡、農作物受災面積等6個災情要素數據，運用比值權重法和無量綱化線性求和法，構建了風災事件災損指數，其與6個災情要素相關系數顯著性水平均小于0.01，相關性顯著，表明災損指數能夠綜合表達風災強度。

(2)新疆風災南疆多于北疆，吐魯番盆地和塔里木盆地北部是風災的多發區和重發區，這與當地地形緊密相關。風災事件多發于4—5月，此時正值新疆農牧業生產關鍵期。風災出現次數年際變化呈顯著增加趨勢，年災損指數無明顯變化特征。風災年出現次數變化趨勢與1級、2級災損指數變化趨勢一致，災損指數年變化與2～4級變化趨勢一致。

(3)引發1～4級風災的極大風速閾值分別為12.9、13.7、14.1、15.0 m·s-1；超過12.9 m·s-1極大風速出現日數逐年增多，承災體基數不斷增大，是導致風災年出現次數不斷增加的重要原因。建議通過提升農牧民防災抗災意識，提高農村災害防御能力等手段減少災害損失。