基于GIS的承德市終霜凍災害等級劃分與風險區劃

彭九慧， 王 多， 童 俊， 楊慶紅

(1.承德市氣象局，河北 承德 067000； 2.河北石油職業技術大學，河北 承德 067000)

引 言

霜凍是我國發生范圍較廣的一種農業氣象災害,其發生頻次多、影響范圍大，對農業、林果業危害嚴重，常造成嚴重的經濟損失。因此，進行霜凍災害風險區劃，制定綜合管理對策，對霜凍災害高風險地區進行風險管理和制定相應的應對措施，是防災減災的有效途徑[1-3]。近年來，各地的科技工作者，針對霜凍災害的風險評估與風險區劃作了大量工作，積累了寶貴的經驗。如李軍玲等[4]選取冬小麥晚霜凍有害積寒和頻度、冬小麥種植面積、灌耕比和單位提灌面積機井數等風險評價指標,建立了冬小麥晚霜凍風險評價模型。陳凱奇等[5]研究了遼寧省初霜凍日期的變化特征及其對玉米種植的影響，并對霜凍災害風險進行了評估。 嚴應存等[6]采用圖表法和指數乘積法，研究了青海省霜凍災害變化特征及風險區劃。還有很多學者[7-10]研究了霜凍出現時間、霜凍強度與作物受災程度的關系。氣象行業標準(作物霜凍害等級，2008)規定, 霜凍害是由于日最低氣溫下降，致使植株莖、葉溫度下降到0 ℃或0 ℃以下，使正在生長發育的作物受到凍傷，從而導致減產、品質下降或絕收的現象[11]。以往的研究多以地面0 cm的最低溫度或日最低氣溫作為霜凍災害等級的評價標準, 把霜凍特別是終霜凍出現的時間作為霜凍災害風險評價因子的較少。通過分析承德市1965-2018年54年的終霜凍災情發現,即使最低氣溫或地面0 cm的溫度較高(在0 ℃左右),如果終霜出現的時間夠晚, 也會造成嚴重的經濟損失，有時出現時間晚的終霜甚至比溫度低造成的損失更大。

如2005年5月6-8日,平泉市遭受嚴重的終霜凍災害, 受災人口9.5萬人，作物凍死、凍傷面積6500公頃，直接經濟損失2000多萬元，當日平泉市氣溫0 ℃以上, 地面0 cm最低氣溫在-1 ℃以上，終霜日期比多年平均日期晚10天。

承德市地處山區，幾乎每年春天都有因終霜凍造成的經濟損失。精細化的終霜災害風險區劃將是調整農業種植計劃和品種選擇的重要依據。本研究通過構建以時間系數和強度系數加權組合的綜合霜凍指數評價終霜凍災害風險等級的方法，增強霜凍災害等級劃分的科學性。在此基礎上，以致災因子的危險性、孕災環境敏感性、承載體的脆弱性為評價因子，基于GIS空間分析技術，制作精細化的終霜凍災害的風險區劃圖[12],以期為農業防災減災提供決策支撐。

1 資料來源

選取1965-2018年承德市近54年9個縣區春季逐日地面0 cm最低溫度觀測資料，承德市民政局提供的205個鄉鎮的54年各區縣89個終霜凍災情損失資料，基準年為2014年精細到鄉鎮的全市玉米播種面積和蘋果、梨種植面積資料，1∶50000比例尺的承德市數字高程資料。在進行ArcGIS空間分析時，為了方便對每個圖層賦予不同權重進行計算疊加，將每個數據序列按公式(1)進行歸一化處理，所有的數據值均在0～1，柵格單元大小均設置為1 km×1 km。

2 資料處理方法

氣象行業標準是利用氣溫的高低對作物霜凍的強度進行分級。分析承德市多年歷史災情數據發現，終霜出現的時間晚比氣溫強度對作物造成的損失更大。因此在對終霜凍災害等級劃分時，增加了時間判別系數，由強度、時間兩項指標根據災情賦予不同的權重，形成綜合霜凍指數來對終霜凍災害危險等級進行劃分。

2.1 終霜凍災害的時間系數處理

以每年春季地面0 cm最低溫度最后一次達到0 ℃或以下出現的日期作為終霜日進行分析。將近54年逐年的終霜出現日期進行排序，以終霜出現的最早日期為1，從小到大排序，根據當年出現的日期對應的序號位置，得到當年終霜災害對應的時間系數值。對逐年的時間系數值按公式(1)進行歸一化處理，得到為0～1的每年的終霜凍災害時間系數(出現時間越晚，數值越大)：

(1)

其中，xi′與xi分別表示數據的量化值和原始值，xmax表示指標i在所有數據中的最大值。

2.2 終霜凍災害的強度系數處理

將54年終霜日地面0 cm最低溫度進行排序，因為大多數數值為負值，所有的數值均加上最小值的絕對值，將所有數據變為正值，再對所有的數據取倒數后歸一化處理，從而得到介于0～1的每年的終霜凍災害強度系數。地面0 cm最低溫度越低，數值越大。為了防止負值轉正值計算中出現數字0，最小值直接賦值0.01。

2.3 綜合霜凍指數的制定與分級

加權評價法是一種多因子評價法，基本原理是根據各因子相對于評價對象的重要程度確定其權重，加權綜合后用一個總的量化指數來表達評價對象優劣的評價方法[13-14]。在本研究中，終霜凍災害危險等級采用終霜凍時間系數和強度系數加權組合的綜合霜凍指數來表征。

分析54年災情數據發現，承德市終霜凍出現的時間對霜災損失影響較大，終霜日出現得越晚，造成的損失越大。因此參照災情的實際情況，采用專家打分法,將時間系數的權重設定為0.7，強度系數的權重設定為0.3。

I=0.7X1+0.3X2

(2)

I為綜合霜凍指數，X1為時間系數，X2為強度系數。

計算近 54年各縣區綜合霜凍指數的期望值和標準差，采用期望值加標準差的正負0.5倍將霜凍災害分為3級，利用標準差分級法將霜凍危險級別分為重霜凍、中霜凍和輕霜凍(表1)。

表1 承德市終霜凍災害分級標準(I為綜合霜凍指數)

計算綜合霜凍指數與89個災情個例農作物受災面積的簡單相關系數為0.67, 通過了ɑ=0.01 的顯著性水平檢驗(圖1)。因此，采用綜合霜凍指數評價法，能根據災情科學地劃分霜凍災害危險等級。

圖1 綜合霜凍指數與農作物受災面積相關分析圖

3 終霜凍災害風險區劃

3.1 危險性評價

致災因子的危險性往往是由致災因子的強度和頻次兩方面的因素決定的[15-16]，而綜合霜凍指數反映了終霜出現的時間、強度的綜合特征，某地的綜合霜凍指數大，說明霜凍災害致災因子較活躍，災害發生的概率大。根據綜合霜凍指數，分別計算各縣區的終霜重霜凍、中霜凍、輕霜凍的出現頻次，根據災損率確定輕、中、重3級霜凍害的危險性權重比為0.3∶0.7∶1.0[17],歸一化處理后, 確定輕、中、重3級霜凍害的危險性權重分別為0.15、0.35和0.50。根據公式(3)，計算各地的終霜災害危險性指數H，得到承德市終霜災害的危險性分布(圖2)。

(3)

式中,H為終霜災害危險性指數，Pi為終霜重霜凍、中霜凍、輕霜凍的出現頻次，Ii為輕、中、重3級霜凍害的危險性權重。

采用自然斷點分級(圖2)后可以看出，承德市終霜災害的高危險區與次髙危險區主要分布在圍場縣、灤平縣 、隆化縣和豐寧縣中南部, 終霜凍的中危險區主要分布在豐寧縣北部、市區、平泉市、承德縣和興隆縣北部，終霜凍的低危險區分布在承德市南部的寬城縣和興隆縣大部。

圖2 承德市終霜災害危險性指數分布圖

3.2 孕災環境評價

孕災環境主要指致災因子、承災體所處的自然環境和社會經濟環境。分析承德市霜災發生頻次與海拔高度關系發現，隨著海拔高度的升高，霜災發生的次數增多。因此，確定孕災環境敏感性主要考慮海拔高度與霜災頻次2個評價因子(權重見表2)。將數字高程數據投影后柵格化、歸一化處理后，與歸一化的霜災頻次加權求和，計算孕災環境敏感性指數。對敏感性指數分級，得到終霜凍孕災環境敏感性分布(圖3)。

圖3 承德市終霜災害孕災環境敏感性分布圖

從圖3可以發現，承德市終霜凍災害高敏感區主要分布在海拔高度比較高的圍場縣和受災頻次較高的灤平縣及隆化縣的東北部地區。

3.3 承災體的易損性

承災體的物理暴露性(亦稱為易損性)是指暴露在致險要素影響范圍內的承險體數目或價值量。承德市54年的終霜凍災情資料分析顯示，承德市霜凍受災的對象主要是農作物與經濟林果，因此確定承災體易損性主要考慮耕地面積、經濟林面積。全市耕地種植面積排在第一位的是玉米，占總種植面積的70%左右。承德市大部區縣玉米在4月中下旬播種，9月中下旬收獲，終霜災害有2/3出現在5月上旬，正值玉米的苗期，因此受終霜害影響最大的也是玉米。經濟林中正值花期的蘋果和梨受終霜凍影響最大[18],因此選擇玉米種植面積、蘋果種植面積、梨種植面積作為終霜災害易損性評價指標，利用層次分析法[19-22]，得到各指標的權重(表2)。將數據歸一化處理后,在ArcGIS中進行空間插值，通過柵格計算，加權求和[23]計算，得到承德市終霜災害承災體綜合易損性分布圖(圖4)(分級標準見表3)。

圖4 承德市終霜災害承災體易損性分布圖

從圖4中可以看出,承德市終霜凍災害高易損區與次高易損區主要分布在玉米種植面積比較大的平泉市、豐寧縣中南部、灤平縣北部與蘋果、梨種植面積較大的承德縣、寬城縣北部。

3.4 制作承德市終霜災害風險區劃圖

氣象災害風險區劃由致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性、防災減災能力4個方面決定。霜凍災害主要對大田和露天作物造成影響，受經濟、技術、成本諸多因素影響，即使預測到霜凍災害，也無法采取經濟有效的措施防御[24]，因此在作終霜災害風險區劃時，選擇致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性3個指標作為評價因子[25-26]。終霜災害風險評價函數表示為：終霜災害風險指數(R)=f(危險性、易損性、敏感性)。本文采用層次分析法通過構造3階判斷矩陣,確定終霜災害風險3個評價指標的權重并通過一致性檢驗(表2)。

表2 承德市終霜災害風險指數各評價因子與評價指標權重

承德市每個格點的終霜災害風險指數=0.6522×歸一化危險性指數+0.107×歸一化易損性指數+0.265×歸一化敏感性指數。柵格計算后，利用自然斷點方法進行風險等級劃分(分級標準見表3)，得到承德市終霜凍災害風險區劃(圖5)。

表3 終霜災害風險評價因子歸一化指數分級標準

從圖5中可以看出,承德市終霜災害的高風險區與次高風險區主要位于平泉市、圍場縣、豐寧縣大部、灤平縣大部和隆化縣北部；中風險區位于隆化縣大部、承德縣東部、興隆縣北部、灤平縣中部和豐寧縣部分地區；低風險區位于市區、營子區、寬城縣、承德縣中西部和興隆縣中南部地區。

圖5 承德市終霜災害風險區劃圖

4 結論與討論

4.1 結 論

(1)本文在傳統劃分霜凍等級方法的基礎上，提出了根據歷史災情、基于終霜出現時間和地面0 cm最低溫度，確定終霜出現時間系數與強度系數，構建綜合霜凍指數，劃分山區終霜災害危險等級的評價標準，綜合霜凍指數與農作物受災面積的相關系數為0.67。

(2)從致災因子的危險性、承災體的脆弱性、孕災環境的敏感性出發，建立了承德市終霜凍災害的風險評價模型。分析終霜災害風險區劃圖發現，終霜災害高風險區主要位于海拔較高或受災頻次較大的地區，承德市中北部區縣的終霜凍災害風險大于承德市南部地區的災害風險。

4.2 討 論

(1)在實際工作中,可以根據每年終霜出現的時間相對于最早日期的天數和預報(或實況)的最低地溫值，計算出綜合霜凍指數，確定終霜災害等級，再根據終霜災害風險區劃圖，確定受災重點區域，為霜災評估和政府防災決策提供依據。

(2)由于霜凍觀測的空間分辨率較低，對于地形復雜、地域寬廣的山區 ，隨著氣象監測網的逐步建立及監測站點增多，可以將模型進一步細化。另外，受終霜災情資料的限制及每年種植結構變化的影響，區劃模型考慮的因子、風險指標的選擇，還需要進一步檢驗并動態更新。

(3)對于終霜災害高風險區或終霜頻次較高的地區，在生長期不變的情況下，可以選擇比較耐寒的玉米品種，以減少農業損失。