孫 晶

（邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

邢臺市地勢西高東低，地形熱力與動力作用導(dǎo)致強(qiáng)對流天氣頻繁發(fā)生，其中冰雹災(zāi)害帶來的雷雨、大風(fēng)對社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大影響[1]。因此，研究冰雹災(zāi)害的風(fēng)險評估與區(qū)劃，人工影響與干預(yù)冰雹災(zāi)害的產(chǎn)生，做好冰雹災(zāi)害的防御是邢臺市急需解決的問題。近年來對冰雹災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評估，其權(quán)重的研究成為重點(diǎn)。其他學(xué)者對冰雹成因的研究分析采用的是層次分析法來確定權(quán)重，該方法能系統(tǒng)性、層次化地確定權(quán)重，但這種方法有較明顯的主觀性。本研究中采用層次分析法結(jié)合熵權(quán)法確定權(quán)重，利用熵權(quán)法所得權(quán)重對層次分析法計算權(quán)重進(jìn)行修訂，主觀與客觀相結(jié)合，具有更高的科學(xué)性?；贕IS 對邢臺市冰雹災(zāi)害致災(zāi)因子危險性的研究，為人影作業(yè)點(diǎn)的部署提供參考，擴(kuò)大防御范圍，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)布局和調(diào)整、氣象防災(zāi)減災(zāi)工作決策提供參考依據(jù)[2]。

1.研究內(nèi)容

冰雹發(fā)生與是否產(chǎn)生災(zāi)情取決于是否影響到人類社會，因此采用邢臺地區(qū)1983 年-2020 年冰雹災(zāi)情資料，以邢臺冰雹災(zāi)害為研究對象。根據(jù)邢臺市地形分布特點(diǎn)，下墊面對冰雹的產(chǎn)生影響較大，午后山區(qū)的熱力不穩(wěn)定條件與低空垂直切變造成的動力條件，有利于造成強(qiáng)對流天氣。從氣象災(zāi)害風(fēng)險的定義出發(fā)，選取冰雹發(fā)生頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間3 個指標(biāo)，構(gòu)建致災(zāi)因子危險性評估模型。在GIS 軟件支持下，建立冰雹災(zāi)害事件數(shù)據(jù)庫，利用層次分析法與熵權(quán)法結(jié)合的分析方法研究冰雹災(zāi)害的指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)災(zāi)害的形成機(jī)制，構(gòu)建冰雹致災(zāi)因子危險性評估模型，借助空間分析與地圖制作功能，對其進(jìn)行風(fēng)險評估，繪制邢臺冰雹災(zāi)害致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖。

2.研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)本研究特性選取指標(biāo)，邢臺地區(qū)1983-2020 年冰雹災(zāi)情資料來源于河北省災(zāi)情資料庫。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

冰雹災(zāi)害評估因子包含若干個指標(biāo)，由于各評價指標(biāo)的單位及量綱不同，不能進(jìn)行比較，因此要對各評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。對于各評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法采用min-max 標(biāo)準(zhǔn)化，公式如下：

其中，xi為待標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值，xmax為評價指標(biāo)中最大值，xmin為評價指標(biāo)中最小值，公式（1）為數(shù)據(jù)正相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化公式。

2.3 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法[3]。層次分析法可以利用少量信息要素，通過數(shù)學(xué)思維對要解決的復(fù)雜問題提供決策方法。根據(jù)決策目的和要解決的問題，將其分為不同的考慮因素，按照不同層不同因素的決策準(zhǔn)則進(jìn)行組合，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型[4]。根據(jù)評價指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣，計算最大特征根和特征向量（權(quán)向量），進(jìn)行一致性指標(biāo)檢驗，公式如下：

其中，n 為指標(biāo)個數(shù)，λ 為判斷矩陣的最大特征根。

定義一致性比率，公式：

其中，CI 為一致性指標(biāo)，RI 為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)一致性比率CR＜0.1 時，不一致程度小，因此認(rèn)為判斷矩陣的一致程度較高，通過一致性檢驗。

2.4 熵權(quán)法

信息熵的定義中可知，可使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法計算熵值，判斷某一指標(biāo)的離散程度。因此，可利用信息熵這個工具，計算出各個指標(biāo)的權(quán)重，為多指標(biāo)綜合評價提供依據(jù)。利用信息熵計算出各指標(biāo)的熵權(quán)，通過熵權(quán)對評價指標(biāo)中利用層次分析法得到的權(quán)重進(jìn)行修正，計算其綜合權(quán)重[5]。

需要計算影響權(quán)重的指標(biāo)中，有m 個待評項目，n 個評價指標(biāo)，建立原始評價矩陣

計算第j 個指標(biāo)下第i 個項目目標(biāo)的指標(biāo)值占總體項目的比重：

2.5 ArcGIS 空間分析法

利用ArcGIS 將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，分析其空間特征，并且在GIS 空間處理技術(shù)的支持下，通過對致災(zāi)因子不同指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，研究邢臺市冰雹災(zāi)害致災(zāi)因子危險性的規(guī)律分析其特征。

3.冰雹災(zāi)害致災(zāi)因子危險性模型建立

通過對冰雹災(zāi)情的統(tǒng)計分析，確定冰雹災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)，選取冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間作為致災(zāi)因子危險性的評價指標(biāo)。

4.冰雹災(zāi)害風(fēng)險評估綜合權(quán)重確定

研究冰雹災(zāi)害的指標(biāo)權(quán)重時發(fā)現(xiàn)，層次分析法的結(jié)構(gòu)分明，直觀性強(qiáng)，但存在主觀性，熵權(quán)法則可以通過熵權(quán)對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正。本次研究利用層次分析法與熵權(quán)法結(jié)合的分析方法確定權(quán)重。

4.1 層次分析法

利用層次分析法確定評級指標(biāo)的權(quán)重。通過層次分析法對各評價指標(biāo)進(jìn)行影響分級，構(gòu)建判斷矩陣，計算權(quán)重。通過選取的評價指標(biāo)相互的重要性，建立評價指標(biāo)判斷，則評價指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣A:

對矩陣A 列向量歸一化，求行和并歸一化，得到特征向量（權(quán)向量）α：

對矩陣A 進(jìn)行一致性檢驗，計算A 的最大特征根λ=3.0540

計算得出CR=0.0465＜0.1，通過一致性檢驗。因此特征向量ω為層次分析法確定權(quán)重。

4.2 熵權(quán)法

利用熵權(quán)法計算權(quán)重，對各指標(biāo)計算信息熵需要計算影響權(quán)重的指標(biāo)中，19 個待評縣市區(qū)，3 個評價指標(biāo)。在按照評價縣市區(qū)計算信息熵時，采用ArcGIS 的統(tǒng)計功能，匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)用于權(quán)重分析。數(shù)據(jù)整理后，建立原始評價矩陣R（m×n）：

通過公式（5）（6）（7）計算，得出冰雹災(zāi)害頻次、直徑、持續(xù)時間指標(biāo)的權(quán)重ω分別為0.4382，0.2676，0.2942。

層次分析法存在主觀性，熵權(quán)法具有較強(qiáng)客觀性，兩者修正綜合權(quán)重。根據(jù)熵權(quán)法計算的權(quán)重修正層次分析法所得權(quán)重，即為綜合權(quán)重。通過公式（8），其中α為層次分析法確定權(quán)重，計算綜合權(quán)重β。

表1 冰雹災(zāi)害致災(zāi)因子各指標(biāo)綜合權(quán)重

5.冰雹災(zāi)害風(fēng)險評估

整理冰雹災(zāi)情數(shù)據(jù)，逐一排查，將災(zāi)情記錄的發(fā)生地區(qū)進(jìn)行分區(qū)域統(tǒng)計，篩選災(zāi)情中記錄完整且可比較的評估因子，選取冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間作為評估因子并利用公式（1）處理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，消除不同量級差異，對標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)進(jìn)行空間插值，得到冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間標(biāo)準(zhǔn)化插值圖，分別如圖1、2、3 所示。

圖1 冰雹頻次標(biāo)準(zhǔn)化插值圖

圖2 冰雹直徑標(biāo)準(zhǔn)化插值圖

圖3 冰雹持續(xù)時間標(biāo)準(zhǔn)化插值圖

根據(jù)冰雹的發(fā)生頻次、冰雹直徑、冰雹持續(xù)時間三個指標(biāo)，分別賦予權(quán)重，通過GIS 的空間分析及自然斷點(diǎn)法分級，得到致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖（圖4）。通過圖中等級劃分情況可以看出，高危險性和次高危險性分布地區(qū)較為集中，與冰雹的路徑大致相符。高危險區(qū)位于隆堯、巨鹿、威縣、南宮，低風(fēng)險區(qū)位于邢臺市轄區(qū)、沙河、寧晉部分地區(qū)。對于高風(fēng)險區(qū)與次高風(fēng)險區(qū)進(jìn)行防雹作業(yè)點(diǎn)的布局進(jìn)行合理規(guī)劃，政府單位加強(qiáng)對這些地區(qū)的冰雹監(jiān)控與防御工作。

圖4 邢臺市冰雹致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖

6.結(jié)論

初步對邢臺冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃進(jìn)行了研究，由于災(zāi)情數(shù)據(jù)整理要人工逐條篩選分類，過程耗費(fèi)大量的時間，此次研究中未考慮防雹作業(yè)點(diǎn)的冰雹過程數(shù)據(jù)及冰雹過程的雷達(dá)數(shù)據(jù)等方面。通過冰雹災(zāi)情的整理發(fā)現(xiàn)冰雹發(fā)生頻次、直徑、持續(xù)時間的分布特點(diǎn)與冰雹路徑密切相關(guān)。根據(jù)此特點(diǎn)，今后對冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃進(jìn)行深入研究，學(xué)習(xí)防雹作業(yè)點(diǎn)和雷達(dá)數(shù)據(jù)評估指標(biāo)的分析處理方法，并根據(jù)冰雹過程路徑探索動態(tài)區(qū)劃的方法。根據(jù)致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖，高危險區(qū)與次高危險區(qū)自西向東貫穿邢臺市，且相對集中，為邢臺鋪設(shè)防雹作業(yè)點(diǎn)的選點(diǎn)和政府冰雹災(zāi)害防御工作提供技術(shù)支撐。