王秀琴 王昀 王旭
(1 新疆维吾尔自治区气象信息中心，乌鲁木齐 830002；
2 兰州大学大气科学学院，甘肃干旱气候变化与减灾重点实验室，兰州 730000；
3 新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，乌鲁木齐 830002)
风灾是指由强风(6级以上的风)、沙尘暴和干热风引起的灾害。近年来，许多学者开展风灾的研究，由通过建立灾害风险区划模型及评估模型的方法实现风灾区划和灾害影响评估[1-3]，延伸到不同风力作用下造成不同粒径砂粒的迁移、堆积研究[4-5]，并且认为风灾的致灾因子是大风[6]。新疆作为风灾多发区之一[7]，风灾危害的研究成为热点问题。夏祎萌等[8]通过危险度及灾度等方面的分析，认为新疆是大风灾害中度危险区，以轻灾为主，但满苏尔·沙比提等[9]认为南疆风灾对人民正常生产生活造成重大损失。王秋香等[10]通过建立不同灾情要素损失等级划分的量化标准，对新疆风灾进行评估。另外一些学者通过对沙尘暴动力结构特征分析或构建风沙灾害危险性评价模型，对新疆不同区域风沙灾害进行评价[11-12]。新疆作为我国农牧业生产重要基地，大风灾害对农牧业的影响也受到广泛关注[13-14]。以上研究成果为后人开展风灾研究奠定了基础，但因研究内容和侧重点各有不同，尚未形成一个完整统一的客观评价标准。新疆风灾造成的人员死亡、房屋倒塌、棚圈倒塌、温室大棚倒塌、牲畜死亡、农作物受灾面积等在风灾灾情报告中均有详细记载，这些信息从不同角度反映了风灾对农牧业的影响程度。而在以往的研究中鲜有利用这6个灾情要素对风灾进行定量评估，综合考虑6个灾情要素的新疆风灾长期变化趋势及其气候成因的研究工作尚未开展。
本文采用比值权重和无量纲化计算方法，构建能综合表达6个灾情要素的灾损指数，进一步利用百分位数法将每次风灾事件的灾损指数划分为一般、较重、严重、特重4个等级。依据灾损指数和风灾等级分析新疆风灾的时空分布特征，并以极大风速作为切入点，建立不同等级风灾的风速阈值。研究工作可为风灾预报预警及防范提供依据。
1.1 研究区概况
新疆地形属“三山夹两盆”(图1)，天山山脉横亘中部，天山以南为南疆，天山以北为北疆。北疆主要包括阿勒泰地区、塔额盆地、伊犁河谷、博尔塔拉蒙古自治州(简称博州)、北疆沿天山一带；
南疆主要包括哈密市、吐鲁番盆地、巴音郭楞蒙古自治州(简称巴州)、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州(简称克州)、喀什地区及和田地区。
图1 新疆地形及行政区划分
新疆是我国沙化土地面积最大、分布最广、风沙危害最严重的省区，是我国沙尘暴的主要易发地之一，同时也是世界上沙漠化危害最严重的地区之一。位于北疆准噶尔盆地中央的古尔班通古特沙漠是中国面积最大的固定、半固定沙漠，位于南疆塔里木盆地中部的塔克拉玛干沙漠是中国最大、世界第二大流动沙漠[15]。新疆属于典型的温带大陆性干旱气候，降水稀少、年均大风日数25～50 d[16]，瞬时风速达40～60 m/s[17]。沙源丰富的两大盆地常出现风沙天气，是风灾危害最严重的区域。
新疆又是我国重要的农牧业基地。在塔里木盆地和准噶尔盆地的边缘，分布着很多绿洲，是新疆主要的农业区。新疆作为全国畜牧业生产基地和五大牧区之一，畜牧业主要分布在天山、昆仑山、阿尔泰山的山地牧场，少部分在高山山麓地带的绿洲草场。
1.2 资料
依据新疆民政厅记载的风灾信息，统计得到1990—2019年30年新疆86个县(市)包含出现时间(年月日)、出现区域(县/市，简称县市)和6个灾情要素的风灾事件1832次，6个灾情要素分别是死亡人数(人)、倒塌房屋数(间)、倒塌棚圈数(座)、损坏大棚数(座)、牲畜死亡数量(头)、农作物受灾面积(hm2)。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。
选用新疆81个气象观测站4—5月2 min日平均风速、75个气象观测站4—5月日极大风速资料分析风灾的成因，该资料来源于新疆气象信息中心。
1.3 灾损指数的构建和危害性等级划分
由于6个灾情要素具有不同的量纲，为了便于综合比较风灾事件之间的强弱，需要构建能表达灾情要素的灾损指数。首先通过比值法确定每个灾情要素的权重，之后采用无量纲化线性求和的方法得到灾损指数。
设6个灾情要素均由n个样本组成，这样可得到风灾的评价矩阵Xn×6。第j个灾情要素的权重aj的计算公式定义如下：
(1)
上式中i代表样本数，取1～n，j代表灾情要素，取1～6；
Xi,j代表第i次风灾事件的第j个灾情要素的数值，XjM代表第j个灾情要素的最大值。
第i次风灾事件的灾损指数Zi定义如下：
(2)
用公式(1)计算权重时，采用最大值进行无量纲化处理，是为了保证各个灾情要素的等价性；
而用公式(2)计算Zi时，采用平均值进行无量纲化处理，使得每次风灾事件具有一定的差异性。
由1832次风灾事件计算得到的6个灾情要素的平均值、最大值和权重列于表1。通过计算Zi与6个灾情要素的相关系数发现，6个相关系数均为正值，且显著性水平α均小于0.01，这表明Zi能够综合表达6个灾情要素，且Zi的数值大小反映风沙灾害事件的强弱。
表1 1990—2019年新疆风灾事件的6个灾情要素的平均值、最大值和权重
采用百分位数方法[18-19]确定风灾的等级。将灾损指数样本数据按由小到大顺序排列好后，百分位数(P)分别取10%、25%、50%，得到灾损指数4个危害性等级对应的阈值(表2)，根据阈值将1832次灾害事件划分为4个等级。
表2 百分位数法的风灾等级划分标准
2.1 风灾的空间分布
新疆风灾出现次数和强度的空间分布表现出明显的区域差异性。出现次数和强度均是南疆高于北疆，其中，吐鲁番盆地和塔里木盆地北缘是风灾的多发和重发区(图2)。年平均出现次数前5位的县市依次是托克逊县(2.4次)、阿克苏市(2.1次)、尉犁县(1.8次)、吐鲁番市的高昌区(1.7次)、库车县(1.6次)；
年平均灾损指数前5位的县市依次为吐鲁番市的高昌区(4.47)、乌什县(2.68)、柯坪县(2.62)、洛浦县(2.13)、阿克苏市(1.85)。
图2 1990—2019年新疆风灾年平均出现次数和年平均灾损指数的空间分布
出现次数的区域平均是指该区域内县市出现次数的平均，从区域平均值可以看出，1～4级风灾出现次数的空间分布也具有明显的差异性(图3)。从多到少排列，1级风灾出现次数前3位的区域依次是吐鲁番盆地、博州、阿克苏地区，2级是吐鲁番盆地、喀什地区、博州，3级是吐鲁番盆地、阿克苏地区、和田地区，4级是吐鲁番盆地、阿克苏地区、巴州。年平均出现次数最多的县市，1级是托克逊县，2级是岳普湖县，3、4级均为吐鲁番市的高昌区。
吐鲁番盆地和塔里木盆地北部风灾多发和重发与地形和强风的移动路径密切相关。乌鲁木齐到达坂城是天山的一个谷地，吐鲁番盆地位于天山山脉断裂下陷处，达坂城海拔1103.5 m，翻过达坂城，水平距离90 km远的吐鲁番海拔仅34.5 m。冷空气在翻过达坂城谷口后，顺地势下滑，极易形成下坡风。塔里木盆地在天山山脉垭口“狭管效应”的作用下，地面风系由3支盛行气流组成：第1支气流来自东北方向，促使盆地东部范围内的风灾形成；
第2支气流来自西部，它翻越帕米尔高原后，变为干热风，易形成风灾；
第3支气流来源于北面，盛行于沙漠北部地区。大风在东部、北部山簏和西部山区表现较强[20]。吐鲁番盆地和塔里木盆地北部由于农田多，又是新疆主要牧区之一，四季牧场广为分布，造成风灾对农牧业的显著危害(图3)。
图3 1990—2019年新疆不同等级风灾年平均出现次数的空间分布
2.2 风灾的逐月变化
新疆风灾各月均有发生(图4)，逐月变化特征显著。用各月平均风灾出现次数和平均灾损指数表示逐月变化，计算方法为：根据1832次风灾事件对应的时间和等级，分别计算各月各级风灾出现次数和灾损指数之和，除以30，得到1990—2019年各月各级风灾出现次数(图4a)和灾损指数(图4b)，结果显示，出现次数和强度均在4—5月达到峰值。4月和5月风灾出现次数分别占年平均出现次数的39%和31%，这与前人研究成果[21-22]一致；
月平均灾损指数4月最强，5月次之，分别占56.5%和21.5%。
图4 1990—2019年新疆不同等级风灾平均出现次数和及各等级对应的平均灾损指数的逐月变化
1～4级各级风灾发生次数和灾损指数高值也均出现于4—5月。其中，1级风灾各月出现次数明显高于2～4级，在4月达到峰值，达11.1次，5月9.4次，均接近或高于其他各级风灾出现次数的2倍。灾害强度上，4级风灾各月强度远远高于1～3级，4月灾损指数达到峰值26.56。
风灾4、5月间出现次数多，灾损指数大，与新疆农牧业生产直接相关。春季4、5月期间，新疆正值农作物出苗期或幼苗生长发育期，大风易将地膜吹起、扯烂，由于新疆地表沙源丰富，常造成风沙危害[23]。作为棉花主产区，大风易造成棉花幼苗整株枯死及生长点焦枯；
风沙灾害可以把幼苗全部打死，长时间的风沙天气也会严重影响到棉田地膜和土壤表面的采光，造成棉株叶片青枯凋萎，主茎顶端焦枯弯曲，使棉花幼苗生长发育功能受阻[24]。春季大风对其他作物的影响主要表现在使玉米苗风耗死亡，地膜和滴灌带损坏，使小麦等作物倾斜、折断等。还会造成设施农业大棚损毁，葡萄、杏等林果落花、折枝，大幅减产[25]。在牧业生产方面，从3月中下旬到4月中下旬正是新疆牧区春季转场期。转场期间，大风天气对牲畜采食保暖及牧道通行造成不利影响。因此，加强春季风灾监测，提高春季大风预警预报和防范是新疆防灾减灾的重点内容之一。另外，4级风灾出现次数在各月总出现次数中占比较小，但造成的损失却举足轻重，建议特别关注较重风灾的预警预报。
2.3 风灾的年际变化
新疆近30年风灾年出现次数呈显著线性增加趋势，速率为16.4次·(10a)-1(图5a)。年灾损指数没有表现出线性增加或减少的变化趋势(图5b)。1～4各级风灾发生次数(图6)年际变化趋势明显不同，1级增加最为明显，速率为10.8·(10a)-1，2级次之，增加速率为3.3·(10a)-1次，3级、4级呈围绕平均值上下震荡状态，保持低平均态势，年平均发生次数分别为9.2次和6.1次。1～4各级风灾灾损指数的年际变化与各级风灾出现次数变化趋势一致(图7)，1级风灾显著线性增强，2级略有增加，但未通过显著性检验，3级、4级无明显变化。
图5 1990—2019年新疆风灾年出现次数和年灾损指数的年际变化
图6 1990—2019年新疆不同等级风灾年出现次数的年际变化
图7 1990—2019年新疆不同等级风灾年灾损指数的年际变化
可见，风灾年出现次数变化趋势与1、2级灾损指数变化趋势一致，灾损指数年际变化趋势与2～4级变化趋势一致。分析上述表现的原因，通过贡献率进行刻划。贡献率指某单因素占总值的比重。各级风灾发生次数(各级风灾灾损指数)占年灾害发生次数(年灾损指数)的百分率，即表征不同级别灾害发生次数(各级灾损指数)对年出现次数(年灾损指数)的贡献率。1～4级灾害发生次数对年出现次数的贡献率分别为50.0%、25.0%、15.0%、10.0%，1～4级灾损指数对年灾损指数的贡献率分别为3.4%、9.7%、17.8%、69.1%。可见，1～2级风灾出现次数对年出现次数的贡献率达75%，2～4级风灾灾损指数对年灾损指数的贡献率为96.6%，尤为突出的是，4级风灾的灾损指数对年灾损指数的贡献率已接近70%。因而风灾年出现次数变化趋势与1、2级年出现次数趋势一致，年灾损指数变化趋势与2～4级表现一致。可见，在风灾防御的应对中，应对2级及以上，特别是4级风灾特别关注，做好防范。
2.4 风灾成因及各级风灾对应极大风速阈值
风是风灾的动力条件，风速对风灾的变化有直接影响。新疆1990—2019年4—5月年平均风速[26](FS)呈明显增大趋势(图8)，这与何毅[27]等对南疆地区1991—2013年风速变化研究结果一致。气候变化趋势与风灾发生次数一致，说明风速增大，是导致新疆风灾次数增多的可能原因之一。
图8 1990—2019年新疆4—5月平均风速的年际变化
强风是发生风灾的重要因素。极大风速即是指某个时段内出现的最大3 s平均风速[28-29]。故本文选取极大风速做为讨论对象。考虑排除极端值的影响，同时使描述数据具有代表性，且能整体反映造成不同灾害等级的风速差异，故数据处理仍采用百分位数方法。选取10%做为引发该等级灾害的极大风速阈值。
将1832例风灾记录按灾害等级分为4组，各事件对应一个灾害发生时的极大风速数据。对无极大风速观测数据事件进行剔除，其余数据按由大到小的顺序排列。求出的1～4级风灾对应的百分位点为10%的极大风速做为各级风灾极大风速阈值(表3)。
表3 新疆各级风灾对应的极大风速阈值 m·s-1
采用序列相关性法对各级风灾极大风速阈值进行气候验证。求得各年4—5月全疆≥12.9 m·s-1的极大风速出现日数与年风灾发生次数的相关系数为0.52，显著性水平α小于0.05。因出现日数选取的是合计值，故在验证时间点的选择上选用2005年及之后时段，以保证完整率达到98%以上。可见，极大风速阈值能够综合反映风灾发生及其年变化趋势。说明日极大风速≥12.9 m·s-1出现日数增多，是风灾出现次数增多的一个重要原因。
新疆统计局统计资料显示，新疆1990—2019年地区生产总值及第一产业增加值均呈明显上升趋势(图9)[30]。1990—2019年新疆人口呈增长趋势，同时农牧业生产处在大发展时期，作物播种面积大幅增加，牲畜存栏头数除2010年略有下降，整体也呈现增加趋势，温室大棚产业自“十一五”以来进入振兴发展期[31]。分析1990—2019年地区生产总值及第一产业增加值与风灾发生次数的关系发现，地区生产总值与风灾发生次数的相关系数为0.36，第一产业增加值与风灾发生次数的相关系数为0.38，显著性水平α均小于0.05。说明近30年来随着产业结构的调整，畜牧业的发展，地区生产总值及第一产业增加值明显上升，也是风灾出现次数增多的重要原因。
图9 1990—2019年新疆生产总值及第一产业增加值年际变化
从各年极大风速达到阈值的出现次数与风灾发生次数的对应关系，可知极大风速≥12.9 m·s-1出现次数增加是风灾增多的重要原因；
另一方面，新疆1990—2019年地区生产总值及第一产业增加值与风灾发生次数有很好的对应关系，说明产业发展，承灾体基数增大，是风灾发生次数增多的另一原因。从各级风灾对应的极大风速阈值表可以看出，风灾的发生，大多伴有强风天气。但同时我们也发现，各级风灾极大风速阈值差异不大，这从一定程度上说明，大风灾害损失(风险)除受风速大小影响外，还与承灾体的暴露度、脆弱性，及抗灾能力等密切相关。本文虽然给出了极大风速与风灾次数的相关系数，也统计了生产总值及第一产业增加值与风灾次数的相关系数，但各因素起的作用和贡献，以及抗灾能力的增强在减轻或避免灾害发生等方面的作用还未能有效揭示，有待今后进一步研究[32]。
(1)依据新疆风灾导致的人员死亡、房屋倒塌、棚圈倒塌、温室大棚倒塌、牲畜死亡、农作物受灾面积等6个灾情要素数据，运用比值权重法和无量纲化线性求和法，构建了风灾事件灾损指数，其与6个灾情要素相关系数显著性水平均小于0.01，相关性显著，表明灾损指数能够综合表达风灾强度。
(2)新疆风灾南疆多于北疆，吐鲁番盆地和塔里木盆地北部是风灾的多发区和重发区，这与当地地形紧密相关。风灾事件多发于4—5月，此时正值新疆农牧业生产关键期。风灾出现次数年际变化呈显著增加趋势，年灾损指数无明显变化特征。风灾年出现次数变化趋势与1级、2级灾损指数变化趋势一致，灾损指数年变化与2～4级变化趋势一致。
(3)引发1～4级风灾的极大风速阈值分别为12.9、13.7、14.1、15.0 m·s-1；
超过12.9 m·s-1极大风速出现日数逐年增多，承灾体基数不断增大，是导致风灾年出现次数不断增加的重要原因。建议通过提升农牧民防灾抗灾意识，提高农村灾害防御能力等手段减少灾害损失。