第３９卷 第２期２０２１年４月
干 旱 气 象
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．２
Ａｐｒｉｌ
，２０２１吴秀兰，马 禹，陈睿勇．１９８０—２０１９年北疆风灾时空变化特征及成因［Ｊ］．干旱气象，２０２１，３９（２）：２６２－２６８，［ＷＵＸｉｕｌａｎ，ＭＡＹｕ，ＣＨＥＮＲｕｉｙｏｎｇ．ＴｅｍｐｏｒａｌａｎｄＳｐａｔｉａｌＶａｒｉａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＷｉｎｄＤｉｓａｓｔｅｒａｎｄＩｔｓＣａｕｓｅｓｉｎＮｏｒｔｈｅｒｎＸｉｎｊｉａｎｇｆｒｏｍ１９８０ｔｏ２０１９［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅ ｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２０２１，３９（２）：２６２－２６８］，ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０２１）－０２－０２６２
１９８０—２０１９年北疆风灾时空变化特征及成因
吴秀兰１，马 禹１，陈睿勇２
（１．新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 ８３０００２；２．中广核新能源新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 ８３００１１）
摘 要：基于１９８０—２０１９年北疆３８县市风灾次数及其造成的死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、牲畜死亡数、农作物受灾面积等灾情资料，构建大风灾损指数，并根据概率密度分布确定风灾危害性等级。在此基础上，结合４４个气象站平均风速、各县市农作物播种面积和牲畜存栏数资料，研究分析北疆风灾的时空变化特征及成因。结果表明：北疆地区风灾较重以上等级主要分布在北部、伊犁河谷和沿天山一带的农牧区、风口区及经济发达城市，这与风速的空间分布基本一致。风灾主要发生在春季，４月为高发、重发期，这与风速的季节分布相吻合。近４０ａ来，北疆风灾损失呈显著上升趋势，灾损指数每１０ａ增加０．２４，且在气候变暖背景下大风灾损的波动性加剧、危害性增强，这与农作物播种面积和牲畜存栏数等承灾体的增加关系密切，而与风速无明显关系。关键词：风灾；灾损指数；时空分布；变化成因；承灾体
文章编号：１００６－７６３９（２０２１）０２－０２６２－０７ ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０２１）－０２－０２６２
中图分类号：Ｐ４２５．６＋
１ 文献标志码：Ａ
收稿日期：２０２０－０６－２９；改回日期：２０２０－１２－１９
基金项目：新疆区域协同创新专项（２０１９Ｅ０２０８）资助 作者简介：吴秀兰（１９８８—），女，硕士，工程师，主要从事气候影响评价与气象灾害研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｘｉｕｌａｎｘｊ＠１６３．ｃｏｍ。 通信作者：马禹（１９６７—），女，硕士，研究员，主要从事气候变化研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｒａｉｎｈｏｒｓｅ６７０９＠１６３．ｃｏｍ。
引 言
大风是一定天气形势与特殊地形（峡谷、山谷、河谷等）共同作用产生的天气过程，通常５～６级的风对交通运输、野外作业和农牧业生产有较大影响，而８级以上大风则会形成灾害
［１］
。大风灾害是全
球造成死亡人数仅次于地震灾害的第二大灾害，约占所有自然灾害造成死亡总人数的４５％
［２］
。大风
灾害是造成新疆农业受灾最主要的气象灾害之一，近２０ａ在新疆由各种气象灾害造成的农业受灾面积中大风占据首位，给当地的生产生活、经济社会发展造成严重损害。北疆因特殊的地理位置和地形作用，历来是大风天气频发地区。由于西部山体较低，冷空气入侵时首当其冲，西部和东北部的风口、河谷大风日数较多，形成多处风口和风区，如阿拉山口、塔城盆地老风口、吉木乃“闹海”风区、达坂城风区等。冬季牧区大风常造成风吹雪和暴风雪，导致北疆牧区人畜受灾受损严重；春季大风常导致农作物大面积重播，而夏季大风主要危害高杆植物和成熟庄稼与果实。此外，大风对工业、电力和交通运输业
造成的损失巨大［
３－５］
，在有些风区大风时常吹翻火车、阻断交通，而在油田大风常常刮倒钻井架、打坏
门窗等，造成停工停产。因此，伴随着全球经济的快速发展，在气候变暖导致的极端天气、气候事件频发背景下，特殊地理位置、地形区大风的时空分布特征及其灾害风险评估对防灾减灾意义重大。
我国大风的时空分布特征及其天气分型、形成
机理等研究开展已久，成果颇丰［６－８］。１９８０年代伴
随社会经济的快速发展，大风导致的灾情及损失越来越重，风灾的评估研究开始起步。进入２１世纪以来，在全球变暖加剧和城市化快速发展的综合作用下，我国北方仍面临着严峻的风灾风险，大风灾害风
险区划、评估在防灾减灾中的作用日益凸显［９］。通
常，大风灾害风险评估主要采用指标评估法（如模
糊综合评价法［１０－１１］），该方法主要侧重于灾害指标
的选取、优化以及权重计算，其中指标（致灾因子）
的选取、优化多采用灰关联聚类法［１２－１４］
、层次分
析法［１５］、主成分分析［１６］
等方法，而权重的确定多采
用专家打分［１７］、熵权重［１８］
等方法。近年来，在ＲＳ和ＧＩＳ技术支持下风灾评价指标体系和评价模型更
加完善［１９－２１］
，选择合适的致灾因子构建客观定量的
评估模型对于大风灾害风险区划结果至关重要。以往大风灾害的风险评估中多是基于表征风力条件的输沙势、大风日数、平均风速、极大风速和风沙活动强度指数等致灾因子，这些因子的数据获取主要来
源于观测站，少部分研究是基于承灾体灾情［４－５］，灾
情要素可从不同侧面反映大风灾害的影响程度，这为大风灾害的风险评估提供了有效的信息源，尤其是观测站点稀少且风能丰富的西北地区。然而，由于分析评估的内容各有侧重，灾情要素的选取以及风灾等级评价体系尚未有统一标准。因此，本文基于１９８０—２０１９年北疆３８县市大风灾害的出现次数及其造成的死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、死亡牲畜数、农作物受灾面积等灾情构建灾损指数，在此基础上分析北疆大风灾害的时空特征，探讨风灾的影响因素，以期为北疆农牧业生产布局及防灾减灾提供科学参考。
１ 研究区概况
新疆位于亚欧大陆腹地，地处中国西北边陲，天山山脉横贯全境，将全疆分为北疆和两部分，天山以北称为北疆。北疆北部为阿尔泰山，阿尔泰山与天山之间是半封闭的准噶尔盆地（图１）。北疆属于温带大陆干旱气候，年平均气温７．０℃，年降水量２０８．３ｍｍ，年蒸发量１８６７ｍｍ，东、西部地区地面大风日数多、风速大，山区地形起伏风力受阻，平原地区大风日数多于中、低山区，准噶尔盆地西部的阿拉山口大风日数最多，其次是作为南北疆气流通道的达坂城，北疆偏西、偏北地区的裕民、庙尔沟、克拉玛依、和布克赛尔、吉木乃、哈巴河一带盛行大风，
这些
图１ 北疆地理位置及地形高程（单位：ｍ）Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｔｅｒｒａｉｎｈｅｉｇｈｔ（Ｕｎｉｔ：ｍ）ｏｆｎｏｒｔｈｅｒｎＸｉｎｊｉａｎｇ
地区大风日数多、风力强劲、持续时间长。总之，由于气候干旱、降水少，植被稀疏，土质疏松，加之多大风，北疆遭受大风灾害的风险等级极高。
２ 资料与方法
２．１ 资 料
根据新疆维吾尔自治区民政厅记载的风灾及灾情信息，整理得到１９８０—２０１９年北疆３８县市包含出现日期、出现区域、死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、牲畜死亡数量、农作物受灾面积等记录６３４条。若某县市区域内出现１次风灾，则该县市风灾出现次数记为１。另外，使用了１９８０—２０１９年北疆地区４４个气象站平均风速以及３８县市农作物播种面积和牲畜存栏数资料。文中北疆及其市级行政边界是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为ＧＳ（２０１９）１７１９的标准地图制作，底图无修改。２．２ 方 法
２．２．１ 灾损指数的构建
为便于比较各县市或各年风灾的强弱，需要构建能够综合反映风灾次数及灾情要素的灾损指数（Ｚ）。在灾损指数的构建中，首先通过比值法确定各要素的权重，然后将各要素标准化加权求和得到Ｚ
。设有ｍ种要素，每种要素由ｎ个样本组成，可得到风灾及灾情要素评价矩阵Ｘｎ×ｍ，则风灾灾损指数Ｚ的计算公式如下：
Ｚ＝∑ｍ
ｊ＝１ａｊＸｉｊ
珔Ｘｊ（１）
ａｊ
＝∑ｎｉ＝１ＸｉｊＸｉｊ－ｍａｘ
／
∑ｍｊ＝１∑ｎ
ｉ＝１Ｘｉｊ
Ｘｉｊ－ｍａｘ
（２）
式中：ｉ表示样本（ｉ＝１，２，…，ｎ）；ｊ表示要素（ｊ＝１，２，…，ｍ）；ａｊ、珔Ｘｊ分别为第ｊ种要素的权重和平均值；Ｘｉｊ是第ｊ种要素的第ｉ个样本；Ｘｉｊ－ｍａｘ为第ｊ种要素在ｉ个样本中的最大值。
为了探讨风灾的空间分布和年际变化特征，利用公式（１）分别计算县市和年的灾损指数。在计算县市的灾损指数时，ｎ取３８，代表北疆３８县市出现的风灾，Ｘ为各县市各种灾情要素１９８０—２０１９年的累计值；在计算年灾损指数时，ｎ取４０，代表４０ａ，Ｘ为各年各种灾情要素３８县市累计值。
利用北疆各县市各种灾情要素１９８０—２０１９年
累计值，以及各年各灾情要素３８县市累计值，依据公式（２）计算得到县市和年对应的风灾及灾情要素的权重（表１）。
３
６２ 第２期吴秀兰等：１９８０—２０１９年北疆风灾时空变化特征及成因
表１ 北疆地区３８县市１９８０—２０１９年６种大风灾情要素的权重、平均值、最大值Ｔａｂ．１ Ｔｈｅｗｅｉｇｈｔ，ａｖｅｒａｇｅａｎｄｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓｏｆｓｉｘｋｉｎｄｓｏｆｗｉｎｄｄｉｓａｓｔｅｒｓｉｔｕａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｉｒｔｙ－ｅｉｇｈｔｃｏｕｎｔｉｅｓｏｒｃｉｔｉｅｓｏｆｎｏｒｔｈｅｒｎＸｉｎｊｉａｎｇｄｕｒｉｎｇ１９８０－２０１９
风灾及灾情县市
权重平均值最大值年权重平均值最大值出现次数／次０．３１４１６．７４９０．３８３１５．９４９死亡人数／人０．１２１１．２９０．１２１１．１１１倒塌房屋数／间０．１６０３４３．８１９７９０．０８２３２６．６４７２４倒塌棚圈数／座０．１２１９２．６７０３０．０５８８８．０１８０７牲畜死亡数量／头
０．１１４２０５１．２１６６１９０．１３２１９４８．６１７５１０农作物受灾面积／ｈｍ
２
０．１７０
４２１４６．０
２２８０５８．６
０．２２４
４００３８．７
２１１５８５
２．２．２ 灾损指数的危害性等级阈值
利用概率密度分布函数直方图和假设检验［
２２］
构建县市和年灾损指数Ｚ的概率密度函数，在此基础上确定县市和年灾损指数Ｚ的等级阈值，进而实现各县市和各年风灾的危害性等级划分。
根据１９８０—２０１９年新疆北部县市和年的灾损指数样本序列，采用概率密度分布图解法，取分组数１０，得到县市和年灾损指数直方图（图２），发现北疆县市和年的灾损指数近似服从伽玛分布，灾损指
数平均值μ＝１，方差σ２
分别为０．４１４４、１．１１１３，由
μ＝αβ、σ２＝αβ２关系式，
得到县市（年）伽玛分布的参数α＝２．４１３１（０．８９９８），β
＝０．４１４４（１．１１１３）。根据文献［２２］的检验方法，计算得到县市（年）
的统计量Ｖ＝１．８８（４．５３），取α＝０．０１，χ２
分布表对
应的临界值λ＝１８．４８，故而Ｖ＜λ，认为北疆县市
（年）大风灾损指数服从伽玛分布，其概率密度分布函数可用伽玛分布函数表达： ｆ（ｘ）＝
１βα
Γ（α
）ｘα－１ｅ－ｘ
／β
（３）
由伽玛分布函数的概率可确定县市（年）灾损指数的分位点阈值ｘｐ值，进而得到北疆风灾危害性等级划分标准（表２）
。
图２ １９８０—２０１９年新疆北部县市（ａ）和年（ｂ）大风灾损指数的概率密度分布Ｆｉｇ．２ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｒｅｆｅｃｔｕｒａｌａｎｄｍｕｎｉｃｉｐａｌ（ａ），ａｎｎｕａｌ（ｂ）北疆
ｄｉｓａｓｔｅｒｄａｍａｇｅｉｎｄｅｘｏｆｓｔｒｏｎｇｗｉｎｄｉｎｎｏｒｔｈｅｒｎＸｉｎｊｉａｎｇｄｕｒｉｎｇ１９８０－２０１９表２ １９８０—２０１９年新疆北部县市（年）风灾危害性等级划分标准Ｔａｂ．２ Ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔａｎｄａｒｄｓｏｆｐｅｒｎｉｃｉｏｕｓｎｅｓｓｇｒａｄｅｓｆｏｒｐｒｅｆｅｃｔｕｒａｌａｎｄｍｕｎｉｃｉｐａｌ（ａｎｎｕａｌ）ｗｉｎｄｄｉｓａｓｔｅｒｉｎｎｏｒｔｈｅｒｎＸｉｎｊｉａｎｇｄｕｒｉｎｇ１９８０－２０１９
危害性等级
伽玛分布函数县市灾损指数年灾损指数一般≤０．５００≤０
．８６５８≤０
．６６３０较重０．５０１～０．７５００．８６５９～１．３２８６０．６６３１～１．３８５９
严重０．７５１～０．９００１．３２８７～１．８６２１
１．３８６０～２．３６３１
特重
≥０
．９０１≥１
．８６２２≥２
．３６３２４
６２干 旱 气 象
３９卷
３ 结果与分析
３．１ 北疆风灾灾情空间分布
大风主要给北疆农牧区造成较大损失，农牧区主要分布在塔城、阿勒泰地区、伊犁河谷、沙漠边缘绿洲区及天山北坡一带和山区草原地带，故而受灾区主要集中于上述区域（图３）。从风灾出现频次来看，累计出现次数最多的是博州、阿勒泰地区福海县和乌鲁木齐市，为２
４～３５次［图３（ａ）］；从累计死亡人数和年均倒塌房屋来看，最严重的地区是阿勒泰、塔城和伊犁州［图３（ｂ）和图３（ｃ）］；从倒塌棚圈和死亡牲畜数量来看，受灾严重的县市主要分布于塔城、阿勒泰地区和昌吉州东部，这些区域承载着北疆大部分畜牧生产活动［图３（ｄ）和图３（ｅ）］；从农作物受灾面积看，重灾区主要分布在北疆沿天山一带，
为２
８５３．６～５７１５．６ｈｍ２
［图３（ｆ）］，这一地带称为“天山北坡经济带”，
是北疆农业主产区。
图３ 北疆风灾次数及灾情空间分布
（ａ）累计出现次数，（ｂ）累计死亡人数，（ｃ）年均倒塌房屋，（ｄ）年均倒塌棚圈，
（ｅ）年均死亡牲畜，（ｆ）年均农作物受灾面积
Ｆｉｇ．３ ＴｈｅｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｄｉｓａｓｔｅｒｔｉｍｅｓａｎｄｄｉｓａｓｔｅｒｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｉｎｎｏｒｔｈｅｒｎＸｉｎｊｉａｎｇ
（ａ）ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｔｉｍｅｓ，（ｂ）ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｄｅａｔｈｔｏｌｌｓ，（ｃ）ａｎｎｕａｌａｖｅｒａｇｅｃｏｌｌａｐｓｅｄｈｏｕｓｅｓ，（ｄ）ａｎｎｕａｌａｖｅｒａｇｅｃｏｌｌａｐｓｅｄｓｈｅｄｓ，
（ｅ）ａｎｎｕａｌａｖｅｒａｇｅｄｅａｄｌｉｖｅｓｔｏｃｋ，（ｆ）ａｎｎｕａｌａｖｅｒａｇｅｄｉｓａｓｔｅｒ－ａｆｆｅｃｔｅｄａｒｅａｓｏｆｃｒｏｐ
５
６２ 第２期吴秀兰等：１９８０—２０１９年北疆风灾时空变化特征及成因
３．２ 北疆风灾灾损指数与平均风速的空间分布
北疆风灾灾损指数的空间分布与灾情基本一致，大风灾损较重区域主要集中在农牧区及风口区，Ｚ＞１．０６７的区域主要分布在阿勒泰、塔城、博州以及石河子以东的天山北坡，其中１．７３７以上的高值区主要位于阿勒泰北部、博州西部、昌吉州东部及乌鲁木齐市等地区［图４（ａ）］。根据表２划分标准，得到北疆风灾危害性等级空间分布［图４（ｂ）］，发现北疆风灾危害性特重等级主要分布在奇台、托里、乌鲁木齐、阿勒泰，严重等级主要分布在阿勒泰北部和东部的青河、福海、布尔津等县以及塔城的额敏县、伊犁州的巩留县、石河子市等地，而较重等级分布区主要在塔城北部的裕民、克拉玛依、乌苏和阿勒泰的
富蕴、吉木乃以及伊犁州的察布查尔县、博州、昌吉州的吉木萨尔等地。可见，总体上较重以上等级主要分布在北疆各地的农区和牧区，这些地区尤其是牧区常分布在较偏远的山区，交通不便，防灾减灾能力较弱，而经济较发达的县市灾害脆弱性更高，受灾的风险等级也更高。根据自然断点法将北疆风速也划分成４个等级［图４（ｃ）］，平均风速大值区位于阿勒泰的吉木乃、博州的阿拉山口和达坂城以及昌吉州的奇台，这些地区的大风灾损指数较高，而风速较小的伊犁河谷、昌吉州西部的灾损指数较小。可见，北疆大风灾损指数的空间分布与平均风速基本一致，灾损指数能够较为客观地反映大风灾害的空间
分布特征。
图４ 北疆大风灾损指数（ａ）及其危害性等级（ｂ）和平均风速（ｃ，单位：ｍ·ｓ－１
）的空间分布
Ｆｉｇ．４ Ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｓａｓｔｅｒｄａｍａｇｅｉｎｄｅｘ（ａ）ｏｆｓｔｒｏｎｇｗｉｎｄａｎｄｉｔｓｐｅｒｎｉｃｉｏｕｓｎｅｓｓ
ｇｒａｄｅ（ｂ）ａｎｄａｖｅｒａｇｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄ（ｃ，Ｕｎｉｔ：ｍ·ｓ－１
）ｉｎｎｏｒｔｈｅｒｎＸｉｎｊｉａｎｇ
３．３ 北疆风灾的时间变化３．３．１ 风灾月变化特征
北疆风灾一年四季都有发生，风灾次数及灾情高值主要出现在春季３—５月，４月为高发期，该月死亡牲畜、倒塌棚圈、倒塌房屋数量的比例占全年
６０％以上［图５（ａ）］，这与该地区平均风速的月分布特征［图５（ｂ）］有关，即平均风速春季最大，春季地面升温快，空气不稳定，冷空气入侵容易形成大风，此时正值作物生长最关键的幼苗期，一场大风势必对作物造成严重损伤；夏季冷空气势力减弱，大风
６
６２干 旱 气 象
３９卷
发布评论