1970—2020 年我國雪災的時空分布特征及其風險評估區劃分析

朱萬林，武于潔，劉一澤，蘇 揚，宋 蕾，余永安

1.南京航天宏圖信息技術有限公司，江蘇南京 210012；2.航天宏圖信息技術股份有限公司，北京 100089

我國是一個自然災害頻發的國家，災害造成的巨大損失往往給當地的經濟發展和人們的生活帶來較大影響[1]。據中國氣象局資料統計，在各類自然災害中，氣象災害占70%以上。作為主要氣象災害之一，雪災年年發生。例如：2008年的低溫冷凍和雪災共造成了直接經濟損失1 595億元，因災死亡162人[2]。因此，對雪災災害進行時空分布特征、危險和風險評估的有效分析有助于提升雪災災害風險預報預警和管理能力[3]。

針對全國雪災災害進行致災因子時空特征分析，并基于最新的全國氣象災害綜合風險普查技術規范，結合人口和經濟基礎地理數據，以危險性和風險性作為2個主要評價指標，開展全國尺度的雪災風險評估和區劃工作定量研究[4]。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

數據主要包含2類：一類是氣象數據；另一類是GDP和人口空間分布數據。氣象數據源于ECMWF(歐洲中期天氣預報中心)提供的ERA5的逐小時再分析資料(https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-singlelevels?tab=form)，包括累積降雪量和最大積雪深度等氣象要素，時間范圍為1970年1月1日—2020年12月31日，空間分辨率為0.25°×0.25°；GDP和人口空間分布數據來源于中國歷史人口、GDP空間分布公里網格數據集(https://data.tpdc.ac.cn/)[5-6]。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候分析方法采用線性回歸的方法，利用時間和變量之間的相關系數對變化趨勢進行顯著性檢驗。在分析變量時間序列的突變時，使用Mann-Kendall法[7-8]。

1.2.2 風險評估方法根據全國氣象災害綜合風險普查技術規范，選擇暴雪日數、最大積雪深度和累積降雪量作為雪災的致災因子。定義1個綜合雪災危險性指數進行雪災危險性評估，計算公式如下：

式(1)中：S代表雪災致災因子危險性指數；S1、S2和S3為經過歸一化處理后的3個致災因子評價指標；A1、A2和A3為致災因子對應的權重系數。由此得到評估區域危險性指數，通過百分位法將危險性指數劃分為4級，形成全國雪災危險性等級結果。

雪災風險指數計算公式如下：

式(2)中，VE為危險性指數、VD為暴露度(歸一化后的GDP或人口空間分布數據)，WE、WS分別為危險性指數和承災體各自對應的權重。由此得到評估區域風險指數，通過百分位法將風險指數劃分為5級，形成全國雪災危險性等級結果。

2 雪災災害致災因子的時空變化特征

2.1 致災因子的年際變化特征

由圖1可以看出：暴雪日數年際變化明顯，主要呈現多—少—多—少—多的振蕩(圖1a)。由UFK曲線(圖1b)可見，自20世紀90年代初期以來，年平均暴雪日數有明顯的下降趨勢，2018年以后的下降趨勢超過顯著性水平0.1臨界線，表明20世紀90年代初期以來暴雪日數的下降是突變現象，從UFK和UBK的交點可以判定，該突變是從2007年開始的。

圖1 歷年雪災暴雪日數年際變化(a)和M-K突變檢驗(b)

從圖2可知：1970—1970年代末，歷年年平均最大積雪深度明顯高于其他時期，從1980年代初期開始，呈現多—少—多—少—多的交替振蕩，振蕩周期和幅度都較小。且有突變現象發生(圖2b)，全年平均最大積雪深度從1980年開始一直減少，至2009年更為顯著，在1981年發生了由多到少的突變現象，直至2020年，減少趨勢仍通過99%的顯著性檢驗。

圖2 歷年雪災最大積雪深度年際變化(a)和M-K突變檢驗(b)

累積降雪量整體的年際特征(圖3a)和最大積雪深度類似，這是因為降雪量的增加會導致積雪深度加深[9]。由圖3b可以看出：全年平均累積降雪量的突變通過95%的顯著性檢驗；1973年以前均呈增加趨勢，1973年以后均呈減少趨勢，1999年是由多到少的突變年，直至2020年，其減少趨勢仍然通過了上述的顯著性檢驗。

圖3 歷年雪災累積降雪量年際變化(a)和M-K突變檢驗(b)

2.2 雪災災害致災因子的空間分布特征

由全國平均暴雪日數空間分布圖(圖4a)可以看出，高值區主要位于西藏東部，四川中西部、青海東部南部、新疆西北部等地區，最高值為78.9 d；年均暴雪日數為1～2 d的地區主要位于東北地區東部和北部；0～1 d廣泛分布于華北、華東、東北中部、內蒙古、甘肅、云南東部、四川東部、貴州和湖南；新疆中南部、青海西北部、四川東南部、云南西南部、廣西和廣東南部、海南等地區暴雪日數為0。

圖4 年平均暴雪日數(a)、最大積雪深度(b)、累積降雪量(c)的空間分布

由圖4b可以看出，積雪深度最高區域主要分布于黑龍江西北部、中部及東部等地區，吉林東部、西藏東部，四川中西部、青海東部南部、新疆西北部均達到3.95 cm以上；最大積雪深度為1.15～3.95 cm的地區主要位于東北地區中西部，內蒙古東部，新疆北部，山西、河南及安徽大部分區域；最大積雪深度為1.15 cm以下較低值的區域主要位于新疆中南部、內蒙古中西部、四川東部以及東部和南部沿海，其中，南部云南、廣西、廣東、海南、臺灣及福建南部最大積雪深度均位于0.52 cm以下。

由圖4c可以看出，累計降雪量最多的地區主要分布于西藏東部，四川中西部、青海南部以及新疆西北部的部分地區，均達200 mm以上，極大值為2 034.3 mm；累計降雪量位于80～200 mm的地區集中于西藏西部、內蒙古東北部及東北地區的東部和北部；除去新疆中南部、四川東部、云南、廣西、廣東、海南、臺灣及福建大部分區域累計降雪量位于8 mm以下外，全國其他地區降雪量均位于8～80 mm之間。

3 雪災災害的風險評估與區劃

由全國雪災危險性等級結果(圖5a)可以看出，高危險性等級主要分布在西藏東部、新疆中部、青海南部以及四川東部；較高等級主要分布在吉林東部、黑龍江西北部、青海西部、西藏北部、新疆西部南部邊遠地區及四川西部；較低等級主要分布在西藏西部、四川南部、甘肅南部、陜西南部、湖北西部、內蒙古東部、遼寧東部、吉林中部及黑龍江；其他地區為低危險性等級。

圖5 雪災災害危險性等級(a)、雪災經濟風險等級(b)和雪災人口風險等級(c)區劃圖

對雪災災害經濟風險分布圖(圖5b)進行分析發現：高風險主要分布在西藏東部、新疆中部、河南中部、山東北部部分區域、江蘇南部、北京市及上海市；較高風險位于西藏東部、青海南部及四川西部等地；中風險主要位于黑龍江南部、吉林大部分區域、遼寧東部、青海南部、四川西部、河南東部、山東西部、江蘇北部及新疆南部邊緣等地區；低風險主要分布于黑龍江大部分區域、內蒙古東北部、湖北西部及湖南南部；其余地區為低風險。

全國雪災人口風險(圖5b)高與較高風險等級主要分布在西藏東部、新疆中部、河南中東部、山東大部分區域、河北南部、江蘇南部、北京市及上海市；中風險主要位于黑龍江南部、遼寧和吉林大部分區域、青海南部、四川西部、貴州北部及湖南西部；較低風險等級位于新疆南部、西藏南部、青海南部、貴州東部、湖北西部及江西南部；其他地區為低風險區域。

4 結論

(1)近50年來，3個致災因子年平均和冬季平均的下降趨勢都較為顯著。其中，年平均暴雪日數的年際變化趨勢分別通過90%的顯著性檢驗，年平均最大積雪日數和累積降雪量的下降趨勢均通過99%顯著性檢驗；

(2)全年平均和最大積雪深度、暴雪日數、累計降雪量分布均呈現西藏、東北及新疆北部等地區較高，向中部地區遞減，在南部沿海、北部地區及新疆南部地區達到最低值的分布特征。

(3)雪災危險性高與較高等級主要位于青藏高原與新疆北部地區。人口與經濟高與較高風險等級主要位于青藏高原東部及華北平原和東部沿海地區，南部與北部地區均處于低和較低等級。