周雅清，郭彩萍，郭雪梅，王弢

（1.山西省晉中市氣象局，山西 晉中030600；2.山西省氣象局，山西 太原030002）

大風(fēng)是我國(guó)主要的氣象災(zāi)害之一，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，威脅人們的日常生活，而且嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展［1～3］。近年來(lái)，隨著災(zāi)害研究的深入，許多學(xué)者對(duì)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、區(qū)劃作了大量工作，溫家洪等采用參與式GIS的方法，根據(jù)臺(tái)風(fēng)和引發(fā)的暴雨內(nèi)澇歷史災(zāi)情、自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)要素資料，開展了臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［4］。陳文方等采用主成分分析方法對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)16個(gè)城市臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估［5］。李蘭等利用湖北1965－2005年的大風(fēng)災(zāi)害資料及相關(guān)的氣象資料、承災(zāi)體資料對(duì)湖北地區(qū)的大風(fēng)分布特點(diǎn)、災(zāi)害特點(diǎn)及其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析［6］。利用模糊數(shù)學(xué)方法中的信息擴(kuò)散理論，可以提高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值的精度，獲取更多的風(fēng)險(xiǎn)信息。張麗娟等運(yùn)用信息擴(kuò)散理論的計(jì)算方法得出發(fā)生不同大風(fēng)日數(shù)的概率風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值，并用GIS技術(shù)制成風(fēng)險(xiǎn)圖并進(jìn)行區(qū)劃［7］。蘇高利等利用基于信息擴(kuò)散原理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)浙江省臺(tái)風(fēng)災(zāi)害及其對(duì)農(nóng)業(yè)造成的影響進(jìn)行了模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并在GIS技術(shù)支持下，直觀地給出了浙江省臺(tái)風(fēng)大風(fēng)和臺(tái)風(fēng)暴雨的空間分布特征［8］。

目前國(guó)內(nèi)的大部分研究結(jié)果表明，近50余年中國(guó)年和季近地面平均風(fēng)速有明顯減弱的趨勢(shì)。有研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)地區(qū)近地面年平均風(fēng)速的減小主要是由大風(fēng)強(qiáng)度減弱和日數(shù)減少所致。另外東亞地區(qū)年和冬、夏季亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)減弱，緯向環(huán)流指數(shù)增強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)和夏季風(fēng)都有減弱趨勢(shì)，相應(yīng)冬半年寒潮日數(shù)和沙塵暴日數(shù)明顯減少，這些都引起年和各季平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)有減小的趨勢(shì)。同時(shí)全球氣候變暖使得冷空氣強(qiáng)度減弱和頻次減少會(huì)造成大風(fēng)減弱、減少［9］。除了以上大尺度范圍的大氣環(huán)流的影響外，城市的迅速擴(kuò)張和土地利用變化造成下墊面的改變對(duì)局地風(fēng)速也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響［10］。

山西為黃土覆蓋的山地型高原，境內(nèi)水土流失嚴(yán)重，大風(fēng)容易形成沙塵暴、揚(yáng)沙等災(zāi)害天氣。分析研究山西大風(fēng)的變化規(guī)律，揭示其區(qū)域分布特點(diǎn)，探討其局地變化的主要原因和發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)概率對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

所用大風(fēng)日數(shù)觀測(cè)資料取自山西省氣象信息中心。以瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)17.0m／s作為大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)［11］。山西省有109個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)臺(tái)站。經(jīng)度范圍介于110～115°E，緯度范圍介于34～41°N。從20世紀(jì)50年代開始陸續(xù)建站，持續(xù)到80年代中期全部建設(shè)完畢。在1961年，我國(guó)氣象臺(tái)站的觀測(cè)時(shí)制、時(shí)次以及要素日平均統(tǒng)計(jì)方法有所改變，引起1961年前后地面氣溫資料存在較大的非均一性偏差。為了最大限度地避免這些人為因素影響，本文將研究時(shí)段確定為1961－2010年。根據(jù)序列長(zhǎng)度不少于50年，觀測(cè)資料缺測(cè)不超過(guò)1%的原則，選取臺(tái)站66個(gè)。其中五臺(tái)山站為高山站，1998年曾經(jīng)從五臺(tái)山中臺(tái)頂遷至五臺(tái)山木魚山山頂，海拔高度下降，大風(fēng)日數(shù)明顯減少，遷站影響很大，因此將其剔除，最終選用65個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)資料進(jìn)行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 信息擴(kuò)散理論

信息擴(kuò)散是一種對(duì)樣本進(jìn)行集值化的模糊數(shù)學(xué)處理方法，它可以將單值樣本變成集值樣本［12］，可以用來(lái)很好的評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)概率.最簡(jiǎn)單的模型是正態(tài)擴(kuò)散模型。設(shè)氣象要素的指標(biāo)論域?yàn)椋?/p>

樣本落在ui處的頻率值，可以作為概率的估計(jì)值。對(duì) 于 氣 象 要 素 指 標(biāo) Y ＝ ｛y1，y2，…，yi，…ym｝，通常將Y取指標(biāo)論域，yi取為論域U中的某一個(gè)元素ui。顯然，超越ui的概率值就是所要求的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值。具體方法參考張麗娟等的文獻(xiàn)［10］。

1.2.2 統(tǒng)計(jì)方法

線性傾向估計(jì)采用最小二乘法，變化趨勢(shì)的顯著性采用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)［13］，區(qū)域平均參考Jones網(wǎng)格面積加權(quán)平均法［14］。

2 結(jié)果分析

2.1 山西省大風(fēng)日數(shù)的時(shí)空變化特征

統(tǒng)計(jì)分析年總大風(fēng)日數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)（圖1），1961－2010年山西省大風(fēng)日數(shù)以－3.1d／10a的速率顯著減少，近50年減少了近16天。其年代際變化也十分明顯，20世紀(jì)60年代最多（20.6d），其次為70年代（18.5d），80年代明顯減少（12.2d），90年代和21世紀(jì)初的10年差異較?。?0d、9.7d）。

圖1 山西省1961－2010年大風(fēng)日數(shù)時(shí)間演變Fig.1 The variation of gale days during 1961－2010in Shanxi

從空間分布看（圖2），山西省大風(fēng)日數(shù)以緯向分布為主，北部大風(fēng)日數(shù)較多，近50年平均年總?cè)諗?shù)基本上都在15天以上，其中大同西部丘陵區(qū)、朔州西部山區(qū)和忻州北中部的年大風(fēng)日數(shù)在25天以上；中部一般在10～15天之間；南部大部分地區(qū)在10天以下。全省絕大部分地區(qū)大風(fēng)日數(shù)都是減少的，北部減少明顯，每10年減少一般在3天以上，而中南部大部分地區(qū)每10年減少在2天以下。

2.2 山西省大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析

基于山西省65個(gè)站近50年大風(fēng)日數(shù)資料，運(yùn)用信息擴(kuò)散理論計(jì)算各臺(tái)站出現(xiàn)不同大風(fēng)日數(shù)的概率風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值，其離散論域界定為：

根據(jù)上述公式計(jì)算得到年大風(fēng)日數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值。將發(fā)生大風(fēng)日數(shù)為10d，20d，30d，40d，50 d，60d以上的風(fēng)險(xiǎn)概率估計(jì)值與ArcGIS耦合平均制成風(fēng)險(xiǎn)圖，并進(jìn)行區(qū)劃（圖3）。

從圖3可以看出：（1）年大風(fēng)日數(shù)在10天以上的，全省絕大部分地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值在0.5～1之間，也就是說(shuō)大風(fēng)日數(shù)在10天全省大部為1～2年一遇；長(zhǎng)治大部、臨汾東部山區(qū)和運(yùn)城北部部分地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)在0.3333以下，為3年或3年以上一遇。（2）年大風(fēng)日數(shù)在20天以上的，山西省北部大部為1～2年一遇；中部除晉中南部為5年以上一遇外，大部分區(qū)域?yàn)?～5年一遇；南部的長(zhǎng)治、臨汾東部山區(qū)和運(yùn)城北部為5年以上一遇，臨汾西部山區(qū)、運(yùn)城南部和晉城大部為1～3年一遇。（3）年大風(fēng)日數(shù)在30天以上的，山西省大部分地區(qū)為5年以上一遇，北部大部為1～3年一遇；大同東北角、呂梁西部、晉中、長(zhǎng)治、臨汾大部、運(yùn)城北部和晉城東部為10年以上一遇。（4）年大風(fēng)日數(shù)在40天以上的，山西省大部分地區(qū)為10年以上一遇，大同和朔州的西部山區(qū)、忻州中部為1.5～5年一遇。（5）年大風(fēng)日數(shù)在50天以上的，山西省大部分地區(qū)為20年以上一遇，大同西部丘陵和朔州西部山區(qū)、忻州中部為3.5～10年一遇。（6）年大風(fēng)日數(shù)在60天以上的，山西省大部分地區(qū)為30年以上一遇，大同局部、朔州的西南部、忻州大部為5～20年一遇。

圖3 山西省不同日數(shù)大風(fēng)的概率風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃Fig.3 Risk zoning of the gale of diverse days occurrence probability in Shanxi

2.3 山西省大風(fēng)日數(shù)局地變化原因分析

山西省大風(fēng)日數(shù)減少和全國(guó)一樣，主要是因?yàn)槭艿酱蟪叨确秶拇髿猸h(huán)流的影響，但其局地變化的影響因素以城市的迅速擴(kuò)張和土地利用變化為主，定量分析其城市化影響程度有助于得到氣候背景下的大風(fēng)變化情況，為大風(fēng)的預(yù)測(cè)和評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。本文參考任國(guó)玉等［15］全國(guó)地面氣溫參考站點(diǎn)遴選的依據(jù)，采用周雅清和任國(guó)玉［16］關(guān)于城市化定量分析的定義，選取了山西省受城市化影響盡可能小的19個(gè)鄉(xiāng)村臺(tái)站，與全部站點(diǎn)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)（圖4），近50年鄉(xiāng)村站大風(fēng)日數(shù)也呈顯著減少趨勢(shì)，但與所有臺(tái)站相比，其減少的趨勢(shì)要緩和得多。所有臺(tái)站大風(fēng)日數(shù)趨勢(shì)變化中城市化影響為0.12d／10a，城市化影響貢獻(xiàn)率達(dá)39%。也就是說(shuō)山西省大風(fēng)日數(shù)減少的39%是由城市化擴(kuò)張?jiān)斐傻摹?/p>

圖4 山西省1961－2010年大風(fēng)日數(shù)所有臺(tái)站和鄉(xiāng)村站時(shí)間序列對(duì)比Fig.4 The gale days series of all stations and country stations

3 結(jié)論

（1）1961－2010年山西省大風(fēng)日數(shù)顯著減少，北部比中南部減少更明顯。大風(fēng)日數(shù)以緯向分布為主，北多南少。

（2）運(yùn)用信息擴(kuò)散理論估計(jì)山西省不同大風(fēng)日數(shù)發(fā)生的概率風(fēng)險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)，山西省北部為風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)，中南部風(fēng)險(xiǎn)較小。

（3）山西省大風(fēng)日數(shù)減少的39%是由城市化擴(kuò)張?jiān)斐傻?。?duì)造成風(fēng)速減小的原因的研究，關(guān)系到對(duì)未來(lái)風(fēng)速變化的預(yù)測(cè)和預(yù)估以及風(fēng)能的應(yīng)用，需要引起足夠的重視，進(jìn)一步深入檢測(cè)與分析。

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