劉建國,袁 潔,白業(yè)珊,袁 鹍,易 攀,楊海濱

(1.懷化學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，湖南 懷化 418008；2.懷化學(xué)院武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 懷化 418008)

在全球氣候變暖背景下，極端天氣事件頻繁發(fā)生，而極端天氣事件衍生的氣象災(zāi)害也對全球多個(gè)國家造成了巨大的影響，已引起國際上對災(zāi)害影響人類文明進(jìn)程的重新認(rèn)識[1].建立一個(gè)與風(fēng)險(xiǎn)共存的人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)己逐漸得到各國的重視，并在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)得到實(shí)施[2].通常來說，極端天氣主要分為2類：一類是基于簡單的氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的極端天氣.這些極端氣候事件每年都會(huì)發(fā)生，如極端最高或者極端最低的逐日氣溫，以及強(qiáng)的逐日或者逐月降水量.另一類較復(fù)雜.例如洪澇、颶風(fēng)等災(zāi)害，這些事件對于給定的某些地點(diǎn)并不是每年都發(fā)生[3].極端暴雨天氣屬于第1類極端天氣事件，是南方地區(qū)夏季主要的極端天氣之一，對人們的生產(chǎn)、生活有重要的影響.美國在20世紀(jì)30年代曾對氣象災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，對洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析的理論和方法作了初步探討[4].21世紀(jì)以來，國外學(xué)者對自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評估進(jìn)行了大量的研究，建立了多種評估模型[5].氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估工作在我國20世紀(jì)50年代才開始起步，當(dāng)時(shí)主要是對干旱和洪澇等災(zāi)種進(jìn)行研究.災(zāi)害損失和風(fēng)險(xiǎn)評估也主要是針對特定區(qū)域而進(jìn)行的[3]，針對社會(huì)易損性的風(fēng)險(xiǎn)評估研究較少，對氣象災(zāi)害評估理論進(jìn)行系統(tǒng)研究的更少[6].近年來，隨著氣象災(zāi)害頻繁地發(fā)生，人們越來越意識到氣象災(zāi)害評估的重要性，大批的科研人員和科研機(jī)構(gòu)加入到氣象災(zāi)害評估系統(tǒng)的研究隊(duì)伍中[7].

武陵山片區(qū)屬于氣候脆弱區(qū)，而暴雨是夏季主要的氣象災(zāi)害之一，出現(xiàn)頻率高，造成的損失大.片區(qū)主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，氣象災(zāi)害成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要障礙之一.區(qū)域發(fā)展研究中心對氣象防災(zāi)減災(zāi)工作給予了高度的重視，對氣象防災(zāi)減災(zāi)工作的開展提供了很好的客觀條件.防災(zāi)減災(zāi)工作必須建立在掌握當(dāng)?shù)貧庀鬄?zāi)害活動(dòng)規(guī)律和合理防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，但目前針對武陵山片區(qū)極端天氣的統(tǒng)計(jì)分析和風(fēng)險(xiǎn)評估的工作較少.為了有效地開展極端暴雨天氣氣象災(zāi)害防御工作，筆者擬選取武陵山片區(qū)18個(gè)氣象觀測站的氣象數(shù)據(jù)，通過線性回歸、相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)方法，從時(shí)間和空間上分析片區(qū)夏季暴雨天氣的變化規(guī)律，并運(yùn)用信息擴(kuò)散技術(shù)計(jì)算片區(qū)夏季暴雨天氣風(fēng)險(xiǎn)的空間分布.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 武陵山片區(qū)概況

武陵山片區(qū)跨湖北、湖南、重慶和貴州4省市，具體地理位置如圖1所示.片區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，對農(nóng)作物生長有利，但受地形影響，地域差異和垂直差異明顯，氣候類型多種多樣，干旱、暴雨等自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[8].

圖1 武陵山片區(qū)地理位置示意Fig. 1 Geographical Location of Wuling-Mountain Area

1.2 數(shù)據(jù)

為了保證各站點(diǎn)資料系列的同步性和具有較長的觀測系列，剔除缺測數(shù)據(jù)太多的氣象站，最終選取武陵山片區(qū)1961—2008年18個(gè)氣象站的日降水觀測數(shù)據(jù)作為本研究數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn).

1.3 研究方法

本研究采用的一元線性回歸模型為xi=a+bti(i=1,2,…,n).其中：xi為樣本量為n的某一氣候變量;ti為對應(yīng)的時(shí)間;b為回歸常數(shù),a為回歸系數(shù),它們可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)[9].相關(guān)系數(shù)r又稱皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)，是描述隨機(jī)變量x=(x1,x2,…,xn)和y=(y1,y2,…,yn)線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量，

信息擴(kuò)散理論是為了彌補(bǔ)信息不足而對樣本進(jìn)行集值化的模糊數(shù)學(xué)處理方法.設(shè)某研究指標(biāo)論域u={u1,u2,…,un}，則一個(gè)單值觀測樣本yj可以將其所攜帶的信息擴(kuò)散給u中的所有點(diǎn)，即

其中h為擴(kuò)散系數(shù)，由樣本集合中樣本的最大值b、最小值a和樣本個(gè)數(shù)m所確定[10-11]，

2 結(jié)果與討論

2.1 武陵山片區(qū)暴雨日數(shù)時(shí)間變化特征

根據(jù)中國氣象局規(guī)定，24 h降雨量為50 mm或以上的強(qiáng)降雨稱為“暴雨”. 基于武陵山片區(qū)1961—2008年18個(gè)代表站的暴雨日數(shù)觀測數(shù)據(jù)，繪制暴雨日數(shù)逐年變化圖(圖2)，并求解年平均暴雨日數(shù)一元回歸方程(表1).

圖2 1961—2008年武陵山片區(qū)暴雨日數(shù)距平年際序列及變化趨勢Fig. 2 Anomaly of Stormy Days and Its Trend in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

表1 暴雨日數(shù)線性擬合方程及相關(guān)系數(shù)

由圖2可以看出，武陵山片區(qū)1961—2008年暴雨日數(shù)年際變化呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，年暴雨日數(shù)最大值出現(xiàn)在1998年(6.16 d)，最小值出現(xiàn)在1997年(1.78 d).武陵山片區(qū)暴雨日數(shù)年際間差異很大，這與片區(qū)地形復(fù)雜有一定的關(guān)系.從表1可知：整個(gè)武陵山片區(qū)年平均暴雨日數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，年平均上升率為每10年0.085；除了酉陽、恩施、巴東、沅陵、武岡和邵陽呈下降趨勢(未通過顯著性檢驗(yàn))之外，其余12個(gè)代表站的變化趨勢與整個(gè)武陵山片區(qū)的基本一致，但都未通過顯著性檢驗(yàn).

2.2 武陵山片區(qū)暴雨空間變化特征

基于武陵山片區(qū)1961—2008年18個(gè)代表站的暴雨日數(shù)觀測數(shù)據(jù)，并結(jié)合片區(qū)行政區(qū)域分布情況和地形地貌，繪制武陵山片區(qū)1961—2008年年平均暴雨日數(shù)和平均暴雨量級空間分布圖(圖3)，以及平均暴雨雨量柱狀圖(圖4).

圖3 武陵山片區(qū)1961—2008年平均暴雨日數(shù)和量級空間分布Fig. 3 Spatial Distribution of Stormy Days and Magnitude in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

圖4 武陵山片區(qū)1961—2008年平均暴雨雨量Fig. 4 Histogram of Mean Storm Rainfall in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

從圖3可以看出，武陵山片區(qū)多年平均暴雨日數(shù)約3.7 d，總體呈現(xiàn)南少北多、東多西少和中部高于邊緣的分布特征.年平均暴雨日數(shù)高值區(qū)主要分布在武陵山片區(qū)中部，其中最大值在恩施(約4.9 d)，其次在沅陵(約4.8 d)；低值區(qū)主要分布在武陵山片區(qū)正北、西北、西南和東南部的小片區(qū)域，其中最小值在湄潭(約2.5 d).

從圖4可以看出，武陵山片區(qū)多年平均暴雨雨量約74 mm.平均暴雨雨量高值區(qū)主要分布在武陵山片區(qū)東部，其中最大值在沅陵(約79 mm)；低值區(qū)主要分布在武陵山片區(qū)正北、西北、西南和東南部的小片區(qū)域，其中最小值在武岡(約67 mm).對比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，武陵山片區(qū)年平均暴雨日數(shù)與平均暴雨雨量的空間分布情況基本相似.由此說明，暴雨發(fā)生次數(shù)的多少對暴雨雨量的大小影響較大.

2.3 武陵山片區(qū)暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率分析

選取武陵山片區(qū)1961—2008年18個(gè)代表站的暴雨日數(shù)作為樣本，利用信息擴(kuò)散理論，從0～13 d之間每間隔1 d選取1個(gè)控制點(diǎn)，共13個(gè)控制點(diǎn)，分別計(jì)算不同代表站的暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率，其中5個(gè)代表站的暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線如圖5所示.

圖5 武陵山片區(qū)代表站暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線Fig. 5 Risk Probability Curve of Stormy Days in Representative Stations of Wuling-Mountain Area

從圖5可以看出，5個(gè)代表站的暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線均為單峰型，且在1～4 d時(shí)風(fēng)險(xiǎn)概率值所占比例較大.其中巴東平均每年發(fā)生2～3 d的暴雨風(fēng)險(xiǎn)性水平最高，其次為思南、邵陽和通道，而沅陵平均每年發(fā)生5 d的暴雨風(fēng)險(xiǎn)性水平最高.

按照年平均暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率分析的方法，對武陵山片區(qū)暴雨日數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值分級計(jì)算，并根據(jù)片區(qū)暴雨日數(shù)的特點(diǎn)，將年平均暴雨日數(shù)分為3個(gè)級別，繪制風(fēng)險(xiǎn)概率分布圖(圖6).

圖6 武陵山片區(qū)1961—2008年平均暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率空間分布Fig. 6 Spatial Probability Distribution of Annual Mean Stormy Days in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

從圖6可以看出：武陵山片區(qū)多年平均暴雨日數(shù)大多在第一級別(0～4 d)，風(fēng)險(xiǎn)概率為40%～80%，東南(資水流域)、西南和東北角(清江流x域)地區(qū)年平均暴雨日數(shù)在此區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)概率最大；年平均暴雨日數(shù)在第二級別(5～8 d)的風(fēng)險(xiǎn)概率為20%～50%，北部年平均暴雨日數(shù)普遍多于東南、西南和東北角地區(qū)，恩施、沅陵在此區(qū)間的年平均暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率接近50%；年平均暴雨日數(shù)在第三級別(9～13 d)的風(fēng)險(xiǎn)概率較小，大部分區(qū)域分布在武陵山東部，東南、西南和北部少部分區(qū)域是零風(fēng)險(xiǎn)概率(如湄潭、石開). 總體來說，武陵山片區(qū)年平均暴雨日數(shù)呈現(xiàn)西少東多、北多南少的分布特征，這可能是受地形的影響，武陵山南部的降水普遍高于北部.

2.4 武陵山片區(qū)暴雨量級風(fēng)險(xiǎn)空間分析

按照暴雨日數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法，對武陵山片區(qū)1961—2008年18個(gè)代表站的暴雨量級(50～300 mm)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算暴雨雨量風(fēng)險(xiǎn)值.根據(jù)武陵山片區(qū)暴雨特點(diǎn)及中國氣象局暴雨預(yù)警分級情況，將片區(qū)平均暴雨雨量分為3個(gè)級別，繪制風(fēng)險(xiǎn)概率分布圖(圖7).

圖7 武陵山片區(qū)1961—2008年平均暴雨量級風(fēng)險(xiǎn)概率空間分布Fig. 7 Spatial Probability Distribution of Annual Mean Rainstorm Magnitude in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

由圖7可看出：平均暴雨量級在50～125 mm的為第一級別，發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率相對較高，最低值達(dá)91%，高值區(qū)主要分布在恩施-酉陽-思南一帶(烏江、清江流域)和東南角的邵陽、新寧、武岡(資水流域)；平均暴雨量級在125～200 mm的為第二級別，發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率相對最低，最高值為7%，高值區(qū)(6%～7%)主要分布在東部的沅陵和東北部的石門；平均暴雨量級在200～300 mm的為第三級別，發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率較低，其中風(fēng)險(xiǎn)概率相對較高的主要在武陵山東部的石門、桑植和沅陵一帶，少部分區(qū)域是零風(fēng)險(xiǎn)概率.整體而言，武陵山及附近地區(qū)平均暴雨量級較大(這與降水量和海拔之間的關(guān)系是一致的)，其次是烏江、清江和資水等流域.由此說明，平均暴雨量級的多少受地形地貌的影響相對較大.

3 結(jié)語

選取1961—2008年武陵山片區(qū)中18個(gè)觀測站的氣象數(shù)據(jù)，采用線性回歸、相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)方法分析了夏季暴雨天氣的時(shí)空變化規(guī)律，并運(yùn)用信息擴(kuò)散技術(shù)計(jì)算出夏季暴雨天氣風(fēng)險(xiǎn)概率的空間分布.具體結(jié)果如下：

(1)整個(gè)武陵山片區(qū)年平均暴雨日數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢.除了恩施、巴東、酉陽、沅陵、武岡和邵陽呈下降趨勢外，其余12個(gè)代表站的變化趨勢與片區(qū)的總體變化趨勢基本一致，但均未通過顯著性檢驗(yàn).

(2)武陵山片區(qū)多年平均暴雨日數(shù)約3.7 d，平均暴雨雨量約74 mm，總體呈現(xiàn)南少北多、東多西少和中部高于邊緣的分布特征.暴雨發(fā)生次數(shù)的多少對暴雨雨量大小的影響較大.

(3)武陵山片區(qū)中5個(gè)代表站的年平均暴雨日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率均為“單峰型”. 年平均暴雨日數(shù)在0～4 d 的風(fēng)險(xiǎn)概率較大，且高值區(qū)域位于武陵山片區(qū)東南、西南和東北角；年平均暴雨日數(shù)5～8 d時(shí)，區(qū)域分布情況與第一級別恰好相反，高值區(qū)域主要位于恩施、沅陵；年平均暴雨日數(shù)9～13 d的高風(fēng)險(xiǎn)中心主要在北部的石門縣.

(4)武陵山片區(qū)第一級別的平均暴雨量級風(fēng)險(xiǎn)概率大于91%，高值區(qū)主要在恩施—酉陽—思南一帶和東南角的邵陽、新寧等地區(qū)；第二級別的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域恰好與第一級別相反；第三級別風(fēng)險(xiǎn)概率相對較高的區(qū)域主要集中在武陵山東部的石門、桑植和沅陵一帶，少部分區(qū)域是零風(fēng)險(xiǎn)概率.暴雨量級的多少受暴雨日數(shù)和地形地貌的影響相對較大.

掌握武陵山片區(qū)夏季暴雨極端天氣的時(shí)空變化規(guī)律和暴雨日數(shù)、雨量風(fēng)險(xiǎn)概率時(shí)空變化特征，對于減少極端暴雨氣象災(zāi)害、洪澇災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)損失，以及武陵山片區(qū)區(qū)域發(fā)展政策制定、防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)建設(shè)均有一定的指導(dǎo)意義.