王颖, 主要从事气象灾害和城市气象研究.Email:
利用1960—2009年全国542个站点的常规气象观测资料, 从灾害成因角度筛选评估指标, 建立灾害危险性评估的气象指标体系, 基于不同强度频率的评估思路构建综合危险性指数, 对中国低温雨雪冰冻灾害危险性进行评估和区划。结果表明:(1) 中国大部地区属于低危险区, 高危险区主要集中于黑龙江—吉林—辽宁东部—内蒙古东部、新疆北部、青海南部—西藏东北部—甘肃南部。南方绝大部分地区均处于极低危险区。(2) 南方地区内部相对高危险区主要集中在四川中南部—云南东北部—贵州西部、湖南东部、安徽南部—江西北部、河南北部。(3) 高危险区的分布与地形、纬度均有着密切的关系。
Based on the conventional observation data from 542 stations in China in 1960-2008, evaluation indicators are selected from the aspect of disaster causes and the risk assessment of meteorological index system is built. The risks of low-temperature, rain/snow and freezing disaster are assessed and zoned in China by using the comprehensive hazardous index which is built on the assessment philosophy of different intensity frequencies. The result shows that most parts of China are in the low-risk regions. The high-risk areas are mainly located in Heilongjiang, Jilin, the east of Liaoning, the east of Inner Mongolia, the north of Xinjiang, the south of Qinghai, the northeast of Tibet, and the south of Gansu. Much of South China is located in the areas with the lowest risks, and some relatively high-risk areas in South China are found in central and southern part of Sichuan, the northeast of Yunnan, the west of Guizhou, the east of Hunan, the south of Anhui, the north of Jiangxi, and the north of Henan. The distribution of the high-risk areas is closely related to the topography and latitudes of these regions.
低温雨雪冰冻天气会对电力、通讯、农业、林业、交通运输等行业产生不同程度的影响, 雨凇、雾凇附着在电线上到一定程度会压断电线, 给电力输送和通讯带来危险, 积雪会造成越冬作物植株和各种林木果树的直接损伤, 地面积雪及其形成坚硬的冰冻会危及交通安全, 造成交通滞留。2008年1月南方8省遭受的低温雨雪冰冻灾害造成的直接经济损失高达1516.5亿元(
灾害风险评估是预防灾害、降低灾害损失的重要基础性研究, 危险性评估是风险评估的核心内容, 一直以来都是该领域研究的重点, 国内外学者在这方面做了很多有益的尝试。
本文在国家气象信息中心提供的全国756个测站的降水量、气温和降雨、降雪天气现象观测资料中, 综合考虑记录完整性、空间代表性等因素筛选出542个满足1960—2009年连续观测的站点参与计算, 其中南方地区站点238个(以1月0℃等温线为南方地区主要界线, 西部等温线曲折较大处界线参考800 mm等降水线)。
首先, 在综合考虑冰冻成因和灾害影响的基础上, 确定低温雨雪冰冻过程的判别标准, 以此来划分各站点每一次低温雨雪冰冻过程。
其次, 从灾害成因角度选择评估指标, 采用相关分析方法筛选指标, 以确保评估的指标代表性和独立性, 构建冰冻灾害评估指标体系, 运用线性内插法将指标进行标准化处理。
最后, 根据冰冻强度公式, 计算各站点每一次冰冻过程强度, 将冰冻强度分成4个等级, 统计各站点每个等级的冰冻频率, 采用层次分析法确定不同强度等级的权重, 运用加权综合法构建综合危险度指数计算公式, 对每个站点的冰冻灾害危险性进行评估, 利用ArcGIS的反距离加权(IDW)插值法进行空间插值, 绘制危险区划图。
低温雨雪冰冻过程的判别是研究该灾害的第一步工作, 其中关键的问题是低温的温度判断标准和雨雪过后的低温天气过程是否考虑。对于温度判断标准争议较大, 主要表现在指标用日平均气温还是用日最低气温, 以及具体的判别温度。
综上所述, 低温雨雪冰冻过程包括两个阶段:(1) 雨雪冰冻形成期, 判别标准为日平均气温≤0℃且日降水量≥0.1 mm, (2) 冰冻持续期, 判别标准为雨雪之后, 日平均气温≤0℃。这两个阶段构成一次冰冻过程。
冰冻灾害危险度最本质的两个特征变量是强度和发生频率, 强度越大, 发生频率越高, 灾害危险性越大。
低温雨雪冰冻灾害危险性评估气象指标体系
The meteorological index system of risk assessment for low-temperature, rain/snow and freezing disaster
(1) 冰冻频率, 即年均冰冻次数, 是指某一强度的冰冻过程每年平均出现的次数, 公式如下所示:
式中,
(2) 冰冻强度, 有4个二级指标构成:日平均气温、冰冻持续时间(日平均气温≤0℃的连续日数); 日平均降水量、降水持续时间(日降水量≥0.1 mm持续日数)。低温过程气温越低、持续时间越长, 雨雪过程平均降水量越大、降水持续时间越长, 冰冻强度越大, 灾害影响越大。这些指标是在以往的研究基础上从灾害成因的角度筛选得来的, 评估低温部分的指标常用日平均气温、日平均气温≤0.5℃的日数、平均最低气温, 评估雨雪部分为天气过程中的降水量、日降水量≥0.1 mm日数(
评估指标的相关系数矩阵
Correlation coefficient matrix of evaluation indicators
日平均气温 | 平均最低气温 | 冰冻持续时间 | 降水持续时间 | 过程降水量 | 日平均降水量 | |
注:以上相关系数均通过 | ||||||
日平均气温 | 1.00 | 0.93 | -0.19 | -0.05 | 0.13 | 0.18 |
平均最低气温 | 1.00 | -0.34 | -0.06 | 0.10 | 0.16 | |
冰冻持续时间 | 1.00 | 0.07 | -0.03 | -0.08 | ||
降水持续时间 | 1.00 | 0.49 | 0.05 | |||
过程降水量 | 1.00 | 0.77 | ||||
日平均降水量 | 1.00 |
冰冻强度计算公式如下所示:
式中,
在以往的研究中, 降水量一般不做降雨和降雪区分, 主要原因是气象站提供降水量观测资料, 近10年来才开始区分降雨和降雪, 这给研究带来困难。但是在同样的降水量条件下, 降雪和降雨产生的危害是不同的, 比如, 5.0~9.9 mm·d-1的降水量, 若是降雨, 根据降雨等级标准属于小雨, 产生的危害较小; 但若是降雪, 则属于大雪, 可能会产生较大的灾害。不区分两者会夸大降雨, 弱化降雪引起灾害危险性, 从而影响评估结果。
采用降雨和降雪的天气现象观测资料作为区分两者的判断标准, 将有降雪无降雨现象的降水量定为降雪量, 有降雨无降雪或降雨降雪均有定为降雨量。根据中国气象局提供的由24 h降水量划分的降雪和降雨等级标准(
降雪等级标准
The snowfall grade standards
等级 | 降水量/mm·d-1 | 标准值 |
1 小雪 | 0.10~2.40 | 0.00~0.29 |
2 中雪 | 2.50~4.90 | 0.30~0.59 |
3 大雪 | 5.00~9.90 | 0.60~0.89 |
4 暴雪 | ≥10.00 | 0.90~1.00 |
降雨等级标准
The rainfall grade standards
等级 | 降水量/mm·d-1 | 标准值 |
1 小雨 | 0.10~9.90 | 0.00~0.29 |
2 中雨 | 10.00~24.90 | 0.30~0.59 |
3 大雨 | 25.00~49.90 | 0.60~0.89 |
4 暴雨 | ≥50.00 | 0.90~1.00 |
式中,
用于计算冰冻强度的各个指标单位不同, 不能直接叠加, 为真实反映指标之间的关系与差异性, 应用线性内插法将指标进行标准化处理(见
日平均气温和冰冻持续时间等级标准
The grade standards for daily mean temperature and freezing duration
等级 | 日平均气温/℃ | 冰冻持续时间/d | 标准值 |
1 | -3.05~0.00 | 0~2 | 0.00~0.24 |
2 | -7.16~-3.06 | 3~4 | 0.25~0.49 |
3 | -12.98~-7.17 | 5~8 | 0.50~0.74 |
4 | -41.28~-12.99 | 9~119 | 0.75~1.00 |
式中,
降水持续时间这个指标情况比较特殊, 降水持续时间为1和2 d分别占总数的61.9%、25.6%, 无法用上述方法分等级, 因此该指标考虑实际情况按以下公式转换成标准值。
式中,
1988年日本两个学者在讨论地貌事件影响度时述及将地貌事件的影响度表达为地貌事件的规模和发生频率的乘积(
冰冻强度等级和权重
The grade standards and weight for freezing intensity
等级 | 强度 | 权重 |
1 | 0.00~0.24 | 0.07 |
2 | 0.25~0.49 | 0.13 |
3 | 0.50~0.74 | 0.27 |
4 | 0.75~1.00 | 0.53 |
式中,
以危险度指数的平均值(0.93) 和标准差的1/2(1.15/2) 为依据, 采用标准差分类法(
中国低温雨雪冰冻灾害危险区划
The map of low-temperature, rain/snow and freezing disaster regions in China
年均冰冻日数空间分布(单位:d·a-1)
The spatial distribution of annual mean freezing days (unit: d·a-1)
冰冻过程平均气温空间分布(单位:℃)
The spatial distribution of the mean temperatures in freezing process (unit: ℃)
冰冻过程降水量标准值空间分布
The spatial distribution of the standard values of precipitation in freezing process
南方地区的绝大部分地区均处于极低危险区, 该地区纬度低, 冬季出现0℃以下低温的频率少, 年均冰冻日数大多低于5 d, 过程平均气温在-2~0℃。平均过程降水量较高, 尤其是东部地区, 降水类型以降雨为主, 降雨日数的比重为91.30%, 灾害危险主要来自于冻雨。
南方地区虽然从全国范围来看是危险度最低的区域, 但由于该地区是中国最重要的人口和经济重心, 一旦发生灾害损失往往超过其他地区。因此, 有必要进一步分析南方地区的冰冻灾害危险性内部差异。以南方238个站点为研究对象, 重新计算这些站点危险度指数的平均值(0.13) 和标准差的1/2(0.30/2), 并以此为依据将南方地区危险度重新分成5个等级:低危险区(<0.13)、中危险区(0.13~0.18)、较高危险区(0.18~0.23)、高危险区(0.23~0.28)、极高危险区(≥0.28)。
南方地区低温雨雪冰冻灾害危险区划
The map of low-temperature, rain/snow and freezing disaster regions in South China
由
(1) 研究结果表明, 中国大部地区属于低危险区, 高危险区主要集中于:(a)黑龙江、吉林、辽宁东部和内蒙古东部, (b)新疆北部, (c)青海南部、西藏东北部和甘肃南部。危险区形成的原因略有不同, 前两个地区主要是由于纬度高, 后者是由于海拔高度高, 导致这些地区虽然冬季降水量不大, 但是冰冻时间长, 冰冻过程气温低, 因而综合危险度高。南方绝大部分地区均处于极低危险区, 这与该地区纬度低, 冬季气温较高有着密切关系。1951—2000年我国的雪灾主要发生在青藏高原、北疆、内蒙古和东北一带的三大区域, 内蒙古大兴安岭以西和阴山以北的广大地区、祁连山牧区、北疆部分牧区、藏北高原的高寒牧区及川西高原西部为雪灾多发区(
(2) 南方地区的冰冻灾害危险性存在显著的内部差异, 相对高危险区主要集中在4个地区, 具体分布在四川中南部—云南东北部—贵州西部、湖南东部、安徽南部—江西北部、河南北部等。前三个地区是由于位处低山丘陵区, 海拔相对较高, 后者则是因为所处纬度较高, 冬季气温相对较低, 冰冻出现频率较高, 过程降水量较大。低危险区主要分布在云南—广西—广东—福建—江西南部—浙江一线和四川东部—重庆—湖南西部等地。
(3) 针对低温雨雪冰冻灾害危险性评估问题, 形成了一套基于不同强度频率评估的技术路线和方法体系, 该方法考虑了每一次冰冻过程对危险性的贡献, 相比较而言与直接采用指标平均值加权综合的评估思路来说, 更为精确和科学。比较两种方法的评估结果不难发现, 指标平均值加权综合评估法由于将频率和降水、气温等强度指标分开独立考虑, 会高估冰冻出现频率少但强度大站点的危险度, 因此出现了河南、安徽、江苏大部分地区危险度大于湖南、江西、贵州、四川中南部等地的评估结果, 这显然与实际情况不相符合, 该结果产生的原因是由于那些地区过程降水量大从而使危险度被高估; 其次, 采用指标平均值会削弱地区之间的差异, 该方法算出的各站点危险度的标准差为0.21, 而不同强度频率评估法算出的标准差为1.15, 能够更为精确地反映地区之间显著的差异。
(4) 需要指出的是: (a)西藏西部由于缺乏满足条件的站点, 它的结果是通过周围站点空间插值所得, 会对该地区结果的准确性有一定的影响; (b)目前现有的冰冻灾害灾情资料以描述性为主, 重点描述灾害的影响大致范围、影响对象, 缺乏灾害发生的具体位置、灾害损失等确切资料, 因此, 难以用现有的灾情资料对研究结果进行直接的比较和验证。
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