陳家金，黃川容，孫朝鋒，王加義，吳 立

（福建省氣象服務中心，福州 350001）

基于GIS的福建省烤煙氣象災害綜合風險區(qū)劃*

陳家金，黃川容，孫朝鋒，王加義，吳 立

（福建省氣象服務中心，福州 350001）

為了探究福建復雜地形下的烤煙氣象災害風險，規(guī)避或減輕氣象災害可能造成的損失，利用福建省煙區(qū)28個縣（區(qū)）的1972-2014年氣象資料，2008-2013年烤煙產(chǎn)量、面積及其它社會經(jīng)濟資料，構(gòu)建由致災因子危險性、烤煙脆弱性和煙區(qū)防災減災能力組成的多災種綜合風險區(qū)劃指標體系，采用層次分析法—熵權(quán)法量化計算各指標權(quán)重，利用加權(quán)綜合法計算綜合災害風險指數(shù)，基于GIS技術(shù)開展烤煙氣象災害綜合風險區(qū)劃。結(jié)果表明：福建煙區(qū)氣象災害綜合風險呈現(xiàn)由東南至西北逐級增加的趨勢，輕度氣象災害綜合風險區(qū)主要分布在龍巖市中東部、三明市東部和南平市東部的部分地帶；中度災害風險區(qū)主要分布在龍巖市西部，南平和三明兩市介于東部和西部之間地帶；重度以上風險區(qū)主要分布在南平和三明兩市的西北部山區(qū)，其中1000m以上高海拔地區(qū)存在嚴重氣象災害風險。

烤煙；氣象災害；風險區(qū)劃；分異規(guī)律

福建省是全國優(yōu)質(zhì)煙區(qū)之一，煙草種植已有400多年歷史，目前已形成龍巖、三明、南平三大烤煙主產(chǎn)區(qū)，2013年全省烤煙種植面積達7.53萬hm2；但是福建氣象災害種類眾多，災害發(fā)生頻繁，暴雨洪澇、寒凍害、風雹、低溫陰雨、干旱、高溫災害均不同程度給烤煙生產(chǎn)造成損失，尤其是烤煙生長后期正值福建雨季，暴雨洪澇常給烤煙造成不同程度的危害，輕則減產(chǎn)，重則絕收，風險很大；其次是烤煙移栽后的大田生長前期，也常遇到寒凍害威脅；此外春季的雷雨大風和冰雹等強對流天氣對局部地域的烤煙也常造成毀滅性的災害，這些氣象災害給煙農(nóng)帶來很大損失[1-4]。

目前國內(nèi)在烤煙氣象研究方面，主要集中于分析氣象條件對烤煙生長發(fā)育影響[5-7]，云南、貴州、陜西、湖南、福建等烤煙主產(chǎn)區(qū)還開展了烤煙氣候適應性分析和種植氣候區(qū)劃，為烤煙生產(chǎn)布局提供氣象依據(jù)[8-12]；但各省針對主產(chǎn)區(qū)的烤煙氣象災害風險分析和區(qū)劃研究報道甚少，僅見云南煙區(qū)冰雹災害風險評價和福建龍巖煙區(qū)暴雨和霜凍的單災種風險區(qū)劃[13-14]；而烤煙生產(chǎn)過程中常遭受多種氣象災害威脅，單災種風險評估并不足以反映該地區(qū)的綜合風險，因此，開展多災種綜合氣象災害風險區(qū)劃和評估顯得十分必要，未來多災種風險評估將成為災害風險研究的重點方向[15-16]。在農(nóng)業(yè)多災種風險區(qū)劃和評估方面，國內(nèi)有關(guān)學者如陳懷亮等[17]運用多因子綜合風險指數(shù)模型，分析了 3種主要農(nóng)業(yè)氣象災害對河南小麥生產(chǎn)影響的綜合風險，陳家金等[18-19]運用多指標綜合風險指數(shù)法對福建主要特色果樹多災種氣象災害綜合風險進行了區(qū)劃和評估，但國內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的評估技術(shù)規(guī)范。

本文以福建烤煙為研究對象，從烤煙致災因子危險性、烤煙脆弱性和種植區(qū)防災減災能力的角度，摸清影響烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量的主要致災因子，構(gòu)建烤煙氣象災害風險區(qū)劃指標體系，基于多指標綜合風險指數(shù)法開展烤煙氣象災害綜合風險區(qū)劃，以辨識福建復雜地形下的災害風險高低精細化分布和地域分異規(guī)律，以期為優(yōu)化福建烤煙布局、調(diào)整烤煙種植結(jié)構(gòu)，規(guī)避或降低烤煙種植風險，為烤煙防災減災、提高產(chǎn)量和品質(zhì)以及烤煙保險理賠等提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

福建烤煙種植區(qū)28個縣（區(qū)）1972-2014年氣溫、降水、風速資料來源于福建省氣象局和國家氣象信息中心；28個縣（區(qū)）2008-2013年烤煙單產(chǎn)量數(shù)據(jù)及2013年烤煙種植面積、地膜覆蓋面積、機電排灌面積、農(nóng)民人均純收入數(shù)據(jù)來源于《福建省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》；DEM、行政邊界等數(shù)據(jù)來源于“數(shù)字福建”提供的資料。

1.2 風險區(qū)劃方法

1.2.1 災害風險指數(shù)法

區(qū)域自然災害風險形成過程中，危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力是缺一不可的，是四者綜合作用的結(jié)果[20-21]。本文將暴露性歸入脆弱性之中，通過分析影響福建烤煙的主要農(nóng)業(yè)氣象災害，從致災因子危險性、承災體脆弱性以及種植區(qū)防災減災能力三方面構(gòu)建災害風險指數(shù)，即

1.2.2 指標權(quán)重確定方法

本文綜合應用層次分析法、熵權(quán)系數(shù)法確定風險區(qū)劃指標權(quán)重[20]。

層次分析法是一種對指標進行定性定量分析的方法[18-19,22]。主要步驟：（1）構(gòu)建風險區(qū)劃指標體系；（2）邀請不同領(lǐng)域的專家，按照1~9比例標度法進行打分，對所選指標進行重要性比較；（3）構(gòu)建判斷矩陣；（4）層次單排序及一致性檢驗；（5）層次總排序及組合一致性檢驗；（6）確定各指標的權(quán)重(ωi)。

熵權(quán)系數(shù)法是一種基于分析各評價指標特征值之間變異程度的客觀賦權(quán)方法[22-24]。主要步驟：（1）構(gòu)建區(qū)劃指標特征值矩陣；（2）對特征值進行標準化處理, 使其值處于 0～1，以消除量綱的影響；（3）計算區(qū)劃指標特征值比重；（4）計算區(qū)劃指標的熵權(quán)(ai)。

將上述 2種方法確定的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重相融合得出主客觀綜合權(quán)重值, 作為風險評估指標權(quán)重值(σi)。

式中，i為評價指標，m為評價指標個數(shù)，ai為第i個指標熵權(quán)，ωi為第i個指標層次分析權(quán)重。

1.2.3 風險指數(shù)計算方法

采用“加權(quán)綜合評價法”計算風險指數(shù)[20-21]。該方法是依據(jù)評價指標對評價總目標影響的重要程度，預先分配一個響應的權(quán)重系數(shù)，然后與相應的被評價對象各指標的特征量化值相乘后再相加。計算式為

式中，λj為某評估單元的風險指數(shù)值，i為評價指標個數(shù)，j為評估單元數(shù)，m為評價指標個數(shù)，σi為第i項指標的綜合權(quán)重系數(shù)，Pij為每個指標i在評估單元j出現(xiàn)的特征值比重。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙氣象災害風險區(qū)劃指標確定

2.1.1 致災因子危險性

福建烤煙以春煙為主，主要分布在龍巖、三明和南平 3個地市。結(jié)合福建烤煙物候期及其生產(chǎn)發(fā)育全過程的致災因子危險性分析和辨識，其主要氣象災害是暴雨洪澇、寒凍害、低溫陰雨和風雹，而干旱、臺風和高溫對烤煙的影響相對較小。因此，采用現(xiàn)蕾-成熟期（5-7月）日降水量、大田生長前期（1月中旬-3月）極端最低氣溫（Td）、大田生長中前期風雹主要發(fā)生時段（3-5月）日極大風速、大田生長前期（1月中旬-3月）日平均氣溫≤12℃且日雨量≥2mm的持續(xù)日數(shù)、移栽-旺長期陰雨寡照（1月中旬-4月下旬）日雨量≥2mm且日照時數(shù)≤3h的持續(xù)日數(shù)5個指標，分別作為現(xiàn)蕾-成熟期暴雨澇害（C1）、大田前期寒凍害（C2）、大田生長中前期風雹（C3）、大田前期低溫陰雨（C4）、移栽-旺長期陰雨寡照（C5）的致災危險性表征指標（圖1）。

通過查閱文獻資料及走訪煙草專家，結(jié)合歷史上烤煙不同程度氣象災害的氣象數(shù)據(jù)分析，對5個烤煙致災因子指標分別進行量化等級劃分，劃分出輕度、中度、重度和嚴重4個等級，結(jié)果見表1。C1-C5致災因子指標對應的 4個等級分別以D1-D4、D5-D8、D9-D12、D13-D16、D17-D20表示（見圖 1），分別統(tǒng)計5個致災因子不同災害等級的歷年平均發(fā)生頻次，作為危險性風險指標權(quán)重和指數(shù)計算的特征值，平均發(fā)生頻率越高，致災危險性越大。

表1 烤煙致災因子危險性表征指標及其分級標準Table 1 Characteristic index and its grading standard of hazard of disaster-causing factors for tobacco

2.1.2 承災體脆弱性

脆弱性涵蓋承災體的暴露性和應對災害打擊的敏感性。暴露性以2013年評估單元（縣）烤煙種植面積占全省總面積的比例（C6）來表征；烤煙面對氣象災害的敏感性以 2008-2013年評估單元（縣）烤煙的歉年平均減產(chǎn)率（C7）、歉年減產(chǎn)率變異系數(shù)（C8）和減產(chǎn)率（≤-5%）發(fā)生概率（C9）的3個單產(chǎn)量減產(chǎn)率相關(guān)指標來表征（圖1）。分別計算4個指標值，作為脆弱性風險指標權(quán)重和指數(shù)計算的特征值，種植面積越大，其所承受的災害風險越大；歉年出現(xiàn)越多，產(chǎn)量平均損失越大，一定程度綜合反映烤煙自身對災害的敏感性越強，脆弱性越大。

2.1.3 防災減災能力

煙區(qū)防災減災能力反映的是人類社會為減少氣象災害對烤煙的威脅而采取的防災減災措施力度大小。為了減輕氣象災害對烤煙生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者主要是從加大防災資金投入，采取地膜覆蓋、排灌等措施來防災減災。因此，采用2013年地膜覆蓋面積占農(nóng)作物播種面積比（C10）、機電排灌面積占農(nóng)作物播種面積比（C11）及農(nóng)民人均純收入（C12）作為區(qū)域烤煙防災減災能力大小的表征指標（圖1）。分別計算3個指標值，作為防災減災能力指標權(quán)重和指數(shù)計算的特征值，指標值越大，說明煙區(qū)預防或減輕烤煙澇害、寒凍害等主要氣象災害風險的能力越強。

圖1 福建省烤煙氣象災害風險區(qū)劃指標體系Fig.1 Index system of risk division for meteorological disasters of tobacco in Fujian province

表2 烤煙氣象災害風險指標綜合權(quán)重值Table 2 Comprehensive weighted value of risk index for meteorological disasters of tobacco

2.2 烤煙氣象災害風險區(qū)劃指標權(quán)重確定

按照上述指標權(quán)重計算方法，得出福建省烤煙氣象災害風險區(qū)劃指標體系中各指標綜合權(quán)重的計算結(jié)果（表2）。由表2可見，不同指標對烤煙氣象災害風險所起的作用大小，致災因子危險性對綜合風險起著決定性作用，而煙區(qū)防災減災能力僅起著略微減輕風險的作用；在致災因子當中，對烤煙危害風險構(gòu)成影響由大到小的因子分別是現(xiàn)蕾-成熟期暴雨澇害、大田前期寒凍害、大田前期低溫陰雨、大田生長中前期風雹和移栽-旺長期陰雨寡照，且主要是重度以上的危害帶來的致災風險。

2.3 風險指數(shù)計算及等級劃分

以福建烤煙種植區(qū)28個縣（區(qū)）為評估單元，采用上述的氣象、產(chǎn)量等資料，首先計算D1-D20、C6-C12指標的實際值，然后對這些指標分別進行歸一化處理，消除指標間的量綱差異，得出評價指標在各評估單元的特征值比重，根據(jù)式（3）計算得出圖 1所示的上一級風險指標的評估指數(shù)[18]；依此類推，再以計算得出的風險指數(shù)值作為特征矩陣值，按照烤煙氣象災害風險評估指標體系由下往上逐級計算出上一級的各指標風險評估指數(shù)（λj）。限于篇幅，表 3僅列出部分代表站點的風險指標歸一化評估指數(shù)的計算結(jié)果。

為了風險制圖的需要，須根據(jù)一定方法或標準把風險指標值所組成的數(shù)據(jù)集劃分不同的子集，借以凸顯指標間的個體差異。本文采用自然斷點法對風險指標進行分級，該法是一種不等值分級方法，即通過分析區(qū)域內(nèi)所有數(shù)據(jù)值與平均值之差來尋找特征點，并結(jié)合各地歷年災害風險調(diào)查情況，將各風險指標歸一化指數(shù)劃分出4個風險等級，限于篇幅，表4僅列出一級和二級風險指標的等級劃分標準。

表3 代表站點烤煙氣象災害歸一化綜合風險評估指數(shù)Table 3 Normalized comprehensive risk index of representative stations for meteorological disasters of tobacco

表4 風險指標等級劃分Table 4 Grading level of the risk index

2.4 福建省烤煙氣象災害風險區(qū)劃

2.4.1 風險區(qū)劃模型

通過對風險區(qū)劃指標體系中各指標構(gòu)成因子進行加權(quán)計算，得出福建省烤煙氣象災害致災危險性、烤煙脆弱性、煙區(qū)防災減災能力和綜合風險的指數(shù)區(qū)劃模型（表5）。

2.4.2 風險指數(shù)地理推算模型

致災因子危險性評估指數(shù)基于評估單元（縣）氣象測站單點觀測值計算而得，屬點狀數(shù)據(jù)，未能精細反映評估單元（縣）內(nèi)其它點的風險情況。因此，通過建立指數(shù)的地理推算模型，利用 GIS技術(shù)進行地理插值推算，將點狀數(shù)據(jù)演變?yōu)槊鏍罡窬W(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)風險評估指數(shù)的空間連續(xù)分布。應用多元回歸統(tǒng)計各個致災因子風險指數(shù)與地理因子的關(guān)系，其中有 3個致災因子與地理因子的回歸復相關(guān)系數(shù)較高且通過穩(wěn)定性檢驗（表6），其余2個致災因子與地理因子關(guān)系不大，只能采用基本單元值計算，以面上數(shù)據(jù)代表評估單元內(nèi)的任一點數(shù)據(jù)。

表5 烤煙氣象災害風險指數(shù)區(qū)劃模型Table 5 Division models of risk index for meteorological disasters of tobacco

表6 致災因子危險性評估指數(shù)的地理推算模型Table 6 Geographic prediction model for assessment index of hazard of disaster-causing factors

2.4.3 風險區(qū)劃結(jié)果

利用福建省烤煙種植區(qū)歷年氣象、產(chǎn)量等資料，采用上述風險指標權(quán)重和風險指數(shù)計算方法，得出煙區(qū)評估單元各風險指標的風險指數(shù)，再根據(jù)災害風險指標分級標準，結(jié)合GIS技術(shù)制作出風險區(qū)劃圖，按照風險指數(shù)區(qū)劃模型，將各圖層逐級疊加，得到福建烤煙氣象災害風險區(qū)劃結(jié)果如圖2。由圖2可見，福建烤煙致災危險性（Ih）、脆弱性（Iv）、種植區(qū)防災減災能力（Ic）及綜合風險（I）的4個不同等級的風險區(qū)分布。

（1）輕度風險區(qū)。該區(qū)主要分布在龍巖市中東部、三明市東部地區(qū)和南平市東部的部分地帶。主要是該區(qū)域烤煙的現(xiàn)蕾至成熟期澇害、大田前期寒凍害和大田前期的低溫陰雨的致災危險性輕，大部地區(qū)的烤煙脆弱性屬于中等至偏低，煙區(qū)防災減災能力中等至較高，因此，氣象災害對烤煙種植的綜合風險屬輕度，是福建烤煙綜合氣象災害風險最低的區(qū)域。

（2）中度風險區(qū)。該區(qū)主要分布在龍巖市西部，南平和三明兩市介于東部和西部之間地帶。該區(qū)域烤煙現(xiàn)蕾至成熟期有中等澇害危險性，大田前期有輕度至中度的寒凍害危險性，移栽至旺長期有輕度至中度陰雨寡照的危險性，同時存在較高的大田前期的低溫陰雨危險性和大田中前期風雹危險性，綜合來看，區(qū)域氣象災害致災危險性屬中等，同時區(qū)域內(nèi)的烤煙脆弱性有高有低，煙區(qū)防災減災能力也屬中等，因此，氣象災害對烤煙種植的綜合風險屬中度，是福建烤煙氣象災害風險次低的區(qū)域。

（3）重度以上風險區(qū)。該區(qū)主要分布在南平和三明兩市的西北部山區(qū)。該區(qū)域現(xiàn)蕾至成熟期澇害、大田前期寒凍害、大田前期低溫陰雨以及大田中前期的風雹災害的致災危險性均較高，同時也是烤煙脆弱性最高的區(qū)域，雖然該區(qū)域防災減災能力較高，但致災因子危險性大小對綜合風險高低起著決定性作用，烤煙脆弱性也一定程度影響著氣象災害的風險高低，煙區(qū)防災減災能力大小只是對輕災風險起著減輕的作用，因此，該區(qū)域的高致災危險性以及高脆弱性決定了有重度以上的氣象災害風險，尤其在1000m以上的高海拔地區(qū)有嚴重的氣象災害風險，不適宜種植烤煙。

圖2 福建省烤煙氣象災害風險區(qū)劃Fig.2 Risk division of meteorological disasters for tobacco in Fujian province

3 結(jié)論與討論

（1）福建煙區(qū)氣象災害綜合風險呈現(xiàn)由東南至西北逐級增加的趨勢。輕度風險區(qū)主要分布在龍巖市中東部、三明市東部和南平市東部的部分地帶；中度風險區(qū)主要分布在龍巖市西部，南平和三明兩市介于東部和西部之間地帶；重度以上氣象災害綜合風險區(qū)主要分布在南平和三明兩市的西北部山區(qū)，其中1000m以上高海拔地區(qū)有嚴重氣象災害風險。風險區(qū)劃結(jié)果與烤煙實際種植區(qū)以及陳朝陽等[12]的區(qū)域氣候適宜性區(qū)劃結(jié)果較為吻合，證明了風險區(qū)劃結(jié)果的可靠性。

（2）烤煙致災因子指標構(gòu)建中，考慮了對烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量有明顯影響的主要致災因子，但側(cè)重點是放在對烤煙生長發(fā)育和產(chǎn)量影響的致災因素，部分影響烤煙品質(zhì)的風險指標如大田后期的多雨寡照等仍未納入風險指標體系中，還需進一步完善。

（3）界定致災因子影響時段，是綜合考慮福建所有煙區(qū)不同類型品種的危險性發(fā)生時段，但由于不同區(qū)域地理氣候和種植烤煙品種的差異，不同地域不同品種的烤煙生長發(fā)育期并不一致，災害影響時段也存在一定差異，采用統(tǒng)一的致災因子影響時段會導致在計算不同評估單元災害發(fā)生風險概率時有一定出入，因此，可進一步針對煙區(qū)某一品種烤煙進行災害風險區(qū)劃和評估，盡可能減小因致災因子影響時段的差異而導致的風險估計偏差。

（4）由于不同地域各風險指標對烤煙綜合風險貢獻或作用不盡相同，全省煙區(qū)采用統(tǒng)一的風險指標權(quán)重分配存在不合理的地方，因此，今后可分區(qū)域?qū)︼L險指標權(quán)重進行界定，使權(quán)重分配更趨科學、合理。

（5）在分析致災因子危險性分布時，考慮了經(jīng)緯度、海拔高度、離海距離的孕災環(huán)境因素影響，較好地解決了評估單元（縣）內(nèi)任一點致災因子危險性的評判問題，但福建多為山區(qū)，地形復雜，不同坡度、坡向因素也影響烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量的風險構(gòu)成，因此，為更加精確地反映格點的烤煙氣象災害風險，需在孕災環(huán)境中結(jié)合考慮坡度、坡向因素。

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Comprehensive Risk Division of Meteorological Disasters for Tobacco Based on GIS in Fujian Province

CHEN Jia-jin, HUANG Chuan-rong, SUN Chao-feng, WANG Jia-yi ,WU Li
(Fujian Meteorological Service Center, Fuzhou 350001, China)

In order to explore the meteorological disaster risk of tobacco under complex terrain in Fujian province, and to avoid or reduce loss, the risk system of impacts of multi-disasters on tobacco, including hazard of disaster-causing factors, vulnerability of tobacco and disaster prevention and mitigation capabilities of tobacco regions, was established in this paper, based on the meteorological data from 1972 to 2008 in 28 tobacco planting areas, planting area and yield of tobacco from 2008 to 2013, and other socio-economic data.Then the indicator weight was determined, the comprehensive risk was calculated, and risk division was given, by methods such as analytic hierarchy process, entropy-weight coefficient method, weighting method, and GIS.The results showed that the comprehensive risk of meteorological disasters in the regions of tobacco in Fujian increased step by step from southeast to northwest.The regions of mild comprehensive meteorological disaster risk were mainly distributed in the mid-east of Longyan city, east of Sanming city and some areas of eastern Nanping city.The moderate risk regions were mainly distributed in west of Longyan and the region between east and west of Nanping and Sanming.The severe and more severe risk regions were mainly distributed in the northwest mountainous areas of Nanping and Sanming, among then, the areas where the attitude higher than 1000 meters had more severe risk of meteorological disasters.

Tobacco; Meteorological disasters; Risk division; Differentiation regularity

2016-03-24

福建省科技廳重點項目（2014Y0004）；福建省自然科學基金項目（2012J01160）

陳家金（1964-），正研級高工，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail：cjj8284@163.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.06.011

陳家金,黃川容,孫朝鋒,等.基于GIS的福建省烤煙氣象災害綜合風險區(qū)劃[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(6):711-719