李博淵，王小號

阿勒泰地區(qū)強降雪災(zāi)害風(fēng)險研究

李博淵1，王小號2

（1.青河縣氣象局，新疆青河836200；2.塔城地區(qū)氣象局，新疆塔城834700）

強降雪是阿勒泰地區(qū)常見的災(zāi)害性天氣之一。基于1961—2013年11月至次年3月該地區(qū)7個氣象觀測站逐日降雪量和積雪深度資料，定義了強降雪特征量，運用信息擴散理論等方法研究了該地區(qū)強降雪特征量的異常特征及風(fēng)險區(qū)劃。結(jié)果表明，阿勒泰地區(qū)2009年冬季雪災(zāi)為全區(qū)型、2010年為西部型異常雪災(zāi)年。強降雪頻次異常偏高年，福海和青河出現(xiàn)1a、其它各縣市出現(xiàn)了2~3 a；強降雪量異常偏多年，地區(qū)北部和東部各縣市出現(xiàn)1 a，西部和南部各縣出現(xiàn)2 a。阿勒泰地區(qū)各縣市強降雪風(fēng)險分析結(jié)果表明，地區(qū)強降雪高風(fēng)險區(qū)在阿勒泰市以及富蘊縣，青河縣為中風(fēng)險區(qū)，哈巴河縣、吉木乃縣為低風(fēng)險區(qū)，布爾津縣和福海縣為極端低風(fēng)險區(qū)。

強降雪特征量；信息擴散理論；風(fēng)險區(qū)劃；阿勒泰

李博淵，王小號.阿勒泰地區(qū)強降雪災(zāi)害風(fēng)險研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（3）：47-52.

雪災(zāi)是阿勒泰地區(qū)主要的氣象災(zāi)害之一，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)任：O大。雪災(zāi)的危害程度不僅與致災(zāi)因子（如降雪頻次和雪量）有關(guān)，還與其影響地區(qū)的承災(zāi)體有直接的關(guān)系，因此具有很大的不確定性和易變性，加之與人類經(jīng)濟社會的相互作用，構(gòu)成了一個復(fù)雜的系統(tǒng)，因此很難對其規(guī)律進行精確的描述。而風(fēng)險分析因為正視其本身所固有的復(fù)雜性和不確定性，利用概率統(tǒng)計模型，通過對歷史記錄數(shù)據(jù)信息加以處理，進行不確定意義下的量化處理分析[1]，來認識其發(fā)生規(guī)律，最終得到雪災(zāi)災(zāi)害風(fēng)險概率分布、重現(xiàn)期等定量化結(jié)果，該結(jié)果對防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)意義。

國內(nèi)學(xué)者對青藏地區(qū)、內(nèi)蒙古強降雪災(zāi)害的研究，主要是基于牧區(qū)為承載體從定性、半定量到定量的因子確定，并進行雪災(zāi)預(yù)警、預(yù)報數(shù)值模擬，建立了不同雪災(zāi)災(zāi)情的災(zāi)時預(yù)評估方法，并對城市雪災(zāi)氣象等級進行了較深入的研究[2-7]。對新疆強降雪災(zāi)害的研究也取得豐碩的成果，如對新疆牧區(qū)雪災(zāi)氣候的天氣特征及其防御對策進行了較深入的研究[8-9]；劉興元等[10-11]從草地抗災(zāi)力、家畜承災(zāi)體和積雪致災(zāi)力3個子系統(tǒng)中選擇9個因素作為預(yù)警參評因子，用家畜死亡率作為風(fēng)險評估因子，構(gòu)建了一個在完全放牧狀態(tài)下的牧區(qū)雪災(zāi)預(yù)警與風(fēng)險評估體系和模式。王建剛等[12-13]認為，冰雪災(zāi)害具有鏈狀結(jié)構(gòu)，災(zāi)害強度與冰雪氣候事件的權(quán)重、聚合度有關(guān)，并以阿勒泰市為例對雪災(zāi)氣候因子的概率風(fēng)險進行了研究。吳彥等[14]對新疆高速公路冰雪災(zāi)害進行了研究?？梢妼τ绊懷?zāi)的主要因子降雪頻次、雪量、累計積雪深度等研究較少。因此，本文擬通過對阿勒泰地區(qū)近53 a的強降雪頻次、雪量和累計積雪深度進行統(tǒng)計分析，運用信息擴散理論模型，將其擴展，直接計算各縣市出現(xiàn)不同強降雪日數(shù)的概率風(fēng)險值、重現(xiàn)期等，并進行強降雪發(fā)生風(fēng)險模糊區(qū)劃。在全球氣候變暖的大背景下，詳細研究阿勒泰地區(qū)強降雪風(fēng)險災(zāi)害，對指導(dǎo)該地區(qū)經(jīng)濟生產(chǎn)布局、防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義，為進一步研究暴雪災(zāi)害評估及氣候可行性論證奠定基礎(chǔ)。

1　資料與方法

1.1標準

日降雪量是指20—20時的降雪量，其量級標準按氣發(fā)〔2004〕45號《新疆降水量級標準（修訂版）》，24 h降雪量達6.1~12.0 mm為大雪、12.1~24.0 mm為暴雪、24.1~48.0 mm為大暴雪。本文以24 h降雪量＞6.0 mm，作為一個強降雪日；滿足地面積雪深度≥1 cm、日平均氣溫≤2℃的雨夾雪過程，也入選本研究個例，否則不入選。

1.2資料

利用新疆阿勒泰地區(qū)1961—2013年11月至次年3月和2014年1—3月完整的7個國家級基準、基本氣象站（圖1）的逐日降雪量和冬季累計最大積雪深度資料。該資料由中國氣象局信息中心審核，進行了質(zhì)量控制；在計算之前，剔除了1961年以前的不完整記錄。根據(jù)上述標準篩選出24 h降雪量＞6.0 mm的日數(shù)及其降雪量。以7站的平均值代表阿勒泰地區(qū)的平均值。根據(jù)阿勒泰地區(qū)氣候及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)特點，將11月至次年3月定為冬季。氣候值取1981—2010年的平均值。

圖1　阿勒泰地區(qū)7個觀測站的位置分布

1.3研究方法

首先，定義了強降雪頻次和強降雪量（稱強降雪特征量）。強降雪頻次：各站24 h降雪量＞6.0 mm的日數(shù)；強降雪量：各站日降雪量＞6.0 mm的降雪累計量。然后，采用信息擴散理論[15]，研究阿勒泰地區(qū)＞6.0 mm的強降雪頻次、降雪量，以及冬季累計最大積雪深度，計算上述各量的概率風(fēng)險估計值或重現(xiàn)期，最后確定該地區(qū)雪災(zāi)風(fēng)險性。

信息擴散理論是一種對樣本進行集值化的模糊數(shù)學(xué)處理方法，它可以將單值樣本變成集值樣本。最簡單的模型是正態(tài)擴散模型。設(shè)災(zāi)害指數(shù)論域為：

一個單值觀測樣本yj可以將其所攜帶的信息擴散給U中的所有點：

其中i=1，2，3，…，n。j=1，2，3，…，m。h稱為擴散系數(shù)，可根據(jù)樣本集合中樣本的最大值b和最小值a及樣本個數(shù)m來確定[16]：

相應(yīng)的模糊子集的隸屬函數(shù)是：

把μ（yui）稱為樣本yj的歸一化信息分布。對μyjj（ui）進行處理，便可得到一種效果較好的風(fēng)險評估結(jié)果。令

其物理意義是：由{yl，y2，…，ym}，經(jīng)信息擴散推斷出，如果災(zāi)害觀測值只能取{u1，u2，…，un}中的一個，在將yj均看作是樣本代表時，觀測值為ui樣本個數(shù)為q（u）i個。顯然，q（ui）通常不是一個正整數(shù)，但一定是一個不小于零的數(shù)。再令

事實上，Q就是各ui點上的樣本數(shù)的總和。易知

就是樣本落在ui處的頻率值，可作為概率的估計值。

對于氣象要素指標X={x1，x2，x3，…，xn}，通常將X取式（1）中的指標論域，xi取為論域U中的某一個元素ui。顯然，超越ui的概率值應(yīng)為:

r（ui）就是所要求的風(fēng)險估計值。

2　結(jié)果與分析

2.1強降雪特征量的空間分布特征

由圖2可知，近53 a來阿勒泰地區(qū)強降雪日數(shù)的分布是沿阿爾泰和薩吾爾山脈較多，河谷平原較少。阿勒泰市為強降雪高發(fā)區(qū)，福海縣為低發(fā)區(qū)。強降雪量對冬季降水總量貢獻較大，其分布與強降雪頻次和冬季降水量分布基本吻合；強降雪特征量及冬季總降水量的大值區(qū)均位于阿勒泰地區(qū)北部東部，小值區(qū)位于福?？h。

2.2強降雪特征量異常年分析

根據(jù)世界氣象組織對氣候異常提出的判別標準，采用距平值≥2倍標準差作為異常偏多年。分析阿勒泰地區(qū)1961—2013年強降雪頻次和雪量異常偏多年。就全區(qū)平均而言（圖3），強降雪頻次（圖3a、3b和表1）2009年（即2009/2010年）冬季為異常偏多年，并為全區(qū)型；2010年冬季西部三縣（吉木乃、布爾津、哈巴河縣）、2005年為北部和東部為異常偏多年；各縣市中還存在其它的異常偏多年（圖3a、3b和表1）。由圖3c、3d可知，2009年冬季強降雪量與強降雪頻次相同，為全區(qū)型異常偏多年；2010年冬季為西部型異常偏多年。從出現(xiàn)年份來看（圖3，表1），近53 a來，強降雪頻次福海和青河縣只出現(xiàn)了1 a、其它縣市出現(xiàn)了2~3 a異常偏多年；強降雪量北部和東部出現(xiàn)1 a、西部和南部出現(xiàn)了2 a異常偏多年。

圖2　阿勒泰地區(qū)強降雪頻次（a）（單位：d）及其雪量（b）（單位：mm）的氣候分布

圖3　近53 a阿勒泰地區(qū)各縣市強降雪頻次（a）、（b）及其雪量（c）、（d）標準化曲線（點劃線為2倍標準差）

表1　1961—2013年阿勒泰地區(qū)強降雪頻次和雪量異常年份（2倍標準差）

2.3強降雪頻次風(fēng)險性

基于阿勒泰地區(qū)不同縣市相同年份出現(xiàn)的強降雪頻次和雪量存在著差異，結(jié)合歷史資料，選取該地區(qū)強降雪日數(shù)，運用信息擴散理論計算各縣市出現(xiàn)不同強降雪頻次的概率風(fēng)險估計值，并進行區(qū)劃，其離散論域分別為：強降雪頻次為U={0，0.5，1.0…，30}，強降雪量為{0，5，10，…，80，85}，積雪深度為{5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75}。運用信息擴散理論，以阿勒泰市為例，計算強降雪頻次發(fā)生風(fēng)險估計值，樣本集合為：{0，2，2，0，7，2，3，3，1，7，4，6，2，2，1，4，1，4，3，6，0，1，1，2，1，3，3，0，1，5，1，3，3，2，1，5，4，2，1，4，3，6，2，6，8，1，1，2，13，6，3，2，1}。根據(jù)（2）~（9）式計算出在不同強降雪日數(shù)的概率風(fēng)險估計值（表2）。按此方法可計算其它縣的不同強降雪頻次概率估計值（表2）。

表2　阿勒泰地區(qū)各縣市出現(xiàn)不同強降雪日數(shù)的概率估計值

圖4　阿勒泰地區(qū)出現(xiàn)≥3 d（a）、≥6 d強降雪（b）的風(fēng)險區(qū)劃

根據(jù)民政部門提供的災(zāi)情，結(jié)合年強降雪日數(shù)可知，≥3 d和≥6 d分別為一般雪災(zāi)年和重雪災(zāi)年。故表2中3 d這一行意義是阿勒泰地區(qū)出現(xiàn)3d強降雪頻次風(fēng)險水平下，阿勒泰市、富蘊和青河縣約2~3 a一遇（重現(xiàn)期=1/概率）；福?？h重現(xiàn)期很長，換言之概率幾乎為0；其它站約5~7 a一遇。就強降雪日數(shù)為6 d的風(fēng)險水平而言，阿勒泰市和富蘊縣約5~9 a一遇，青河縣約為20 a一遇，吉木乃、哈巴河縣46~48 a一遇，布爾津和福?？h概率幾乎為0。

通過對阿勒泰地區(qū)7站強降雪頻次概率風(fēng)險值的計算，按閾值≥3 d、≥6 d定為一般雪災(zāi)和重雪災(zāi)年份的標準，結(jié)合Surfer技術(shù)制成風(fēng)險圖。圖4a是該地區(qū)出現(xiàn)一般雪災(zāi)年的風(fēng)險性。總體趨勢，南低北高，平原低山區(qū)高，福?？h概率估計接近0，是極端低風(fēng)險區(qū)；阿勒泰市、富蘊和青河縣出現(xiàn)一般雪災(zāi)概率為27%~52%；西部為16%~18%。表明阿勒泰地區(qū)北部東部出現(xiàn)一般雪災(zāi)的概率相對較大，西部較小，福?？h極少出現(xiàn)。

同樣分析阿勒泰地區(qū)重雪災(zāi)年的風(fēng)險性（圖4b）可知，阿勒泰市、富蘊縣出現(xiàn)重雪災(zāi)概率較大，為18.8%、11.5%，為相對高風(fēng)險區(qū)，青河縣為4.9%，為相對中風(fēng)險區(qū)，吉木乃、哈巴河縣為2%，為相對低風(fēng)險區(qū)，布爾津和福?？h為極端低風(fēng)險區(qū)，概率幾乎為0。

眾所周知，強降雪頻次越高，降雪量越大、強度越強，積雪就越深，造成的災(zāi)情就越重。而作為影響雪災(zāi)的主要因子強降雪量和積雪深度其風(fēng)險性與強降雪頻次又有何區(qū)別呢？為此需做進一步的分析。

2.4強降雪量風(fēng)險性

運用同樣的方法，計算了阿勒泰地區(qū)強降雪量的風(fēng)險區(qū)劃，根據(jù)民政部門的災(zāi)情和經(jīng)驗按≥40 mm、≥75 mm定為一般雪災(zāi)年份、重雪災(zāi)年份的標準。由圖5a可知，一般雪災(zāi)年份的高風(fēng)險區(qū)出現(xiàn)在阿勒泰市、富蘊和青河縣約2~7 a一遇，為相對高風(fēng)險區(qū)，中心在富蘊縣；西部3縣為13~17 a一遇，為相對中風(fēng)險區(qū)；福?？h概率估計值接近0，為極端低風(fēng)險區(qū)。而重雪災(zāi)年份的高風(fēng)險區(qū)出現(xiàn)在阿勒泰市、富蘊縣為11~17 a一遇，中心在富蘊縣；布爾津、福?？h概率估計值接近0，為極端低風(fēng)險區(qū)；其它3站為50~55 a一遇，為低風(fēng)險區(qū)。

雪災(zāi)是一類綜合氣象災(zāi)害，從氣候角度考慮，強降雪過程頻繁出現(xiàn)后，累計降雪量大、積雪深，持續(xù)時間長，對牧業(yè)、交通、設(shè)施農(nóng)業(yè)等造成持續(xù)影響及危害。累計最大積雪深度是強降雪頻次和雪量的綜合表現(xiàn)，可以作為雪災(zāi)綜合風(fēng)險性指標。

2.5雪災(zāi)綜合風(fēng)險性

根據(jù)地區(qū)民政部門災(zāi)情統(tǒng)計：阿勒泰地區(qū)累計積雪深度＞20 cm就會影響交通，造成牲畜采食困難，＞30 cm就會成災(zāi)，＞40 cm無法采食形成大的雪災(zāi)，因此，定義積雪深度＞30 cm為一般雪災(zāi)年，＞40 cm為重雪災(zāi)年，以此來探討雪災(zāi)的風(fēng)險性。

通過計算阿勒泰地區(qū)雪災(zāi)綜合風(fēng)險概率值，得到一般雪災(zāi)年和重雪災(zāi)年的風(fēng)險區(qū)劃（圖6）。一般雪災(zāi)年（圖6a），北部（阿勒泰）、東部（富蘊、青河）為1.2~1.6 a一遇，是極端高風(fēng)險區(qū)；吉木乃和哈巴河為2.4~4.9 a一遇，為高風(fēng)險區(qū)；布爾津為12.3 a一遇，為低風(fēng)險區(qū)，福海為50 a一遇，為極端低風(fēng)險區(qū)。重雪災(zāi)年（圖6b），北部、東部為1.9~2.8 a一遇，為極端高風(fēng)險區(qū)；吉木乃站為4.9 a一遇，為高風(fēng)險區(qū)，哈巴河和布爾津為18~22 a一遇，為中風(fēng)險區(qū)，福海為50 a一遇，為低風(fēng)險區(qū)。

圖5　阿勒泰地區(qū)出現(xiàn)強降雪量≥40 mm（a）、≥75 mm（b）的風(fēng)險區(qū)劃

圖6　阿勒泰地區(qū)一般雪災(zāi)年（a）、重雪災(zāi)年（b）重現(xiàn)期分布（單位：年）

3　結(jié)論

運用信息擴散理論對阿勒泰地區(qū)強降雪頻次及其雪量、累計積雪深度進行模糊數(shù)學(xué)擴展，得到雪災(zāi)風(fēng)險的概率值或重現(xiàn)期，據(jù)此對該地區(qū)雪災(zāi)風(fēng)險性進行了分析。

（1）近53 a來，阿勒泰地區(qū)雪災(zāi)2009年冬季為全區(qū)型、2010年為西部型異常雪災(zāi)年；從出現(xiàn)年份來看，強降雪頻次異常偏高年福海和青河縣出現(xiàn)1 a、其它各縣市出現(xiàn)2~3 a；強降雪量異常偏多年，北部和東部各縣市出現(xiàn)1 a，西部和南部各縣市出現(xiàn)2 a。

（2）對強降雪特征量和累計積雪深度分別進行風(fēng)險水平分析結(jié)果表明，阿勒泰地區(qū)強降雪高風(fēng)險區(qū)出現(xiàn)在阿勒泰市、富蘊縣；青河縣為中風(fēng)險區(qū)；哈巴河、吉木乃縣站為低風(fēng)險區(qū)；布爾津和福?？h為極端低風(fēng)險區(qū)。

致謝：阿勒泰地區(qū)氣象臺高級工程師王建剛為本文信息擴散理論給予了指導(dǎo)，在此表示感謝！

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The Research of Heavy Snowstorm Risk in Altay

LI Boyuan1，WANG Xiaohao2
（1.Qinghe Meteorological Bureau，Qinghe 836200，China；2.Tacheng Meteorological Bureall，Tacheng 834700，China）

Heavy snowstorm is one of the common disastrous weather.We defined the characteristic quantity of heavy snowstorm through analyzing the daily precipitation data,snow depth data of 7 observation stations from November of the year to March of the next year during 1961-2013.Using information diffusion theory,we studied the anomaly and risk zoning of heavy snowstorm characteristic quantity in the research area.The results are showed as follows.In the winter of 2009 the whole area and in the winter of 2010 the western area caused abnormal snow years in Altay. Anomalous years of heavy snowfall occurrence was 1 in Fuhai and Qinghe station,while it was 2 or 3 in the other stations.,which also can be concluded in the north and east part of Altay it appeared 1,and in the west and the south part it was 2.The analysis result for risk shows that Altay and Fuyun are high risk area;Qinghe is mid risk area;Habahe and Jimunai are low risk regions;Burjin and Fuhai are absolutely low risk regions.

characteristic quantity of heavy snowstorm；information diffusion theory；risk zoning；Altay

S427

B

1002-0799（2016）03-0047-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.007

2015-02-01；

2015-03-31

中國氣象局氣候變化專項（CCSF201425）和中國沙漠氣象科學(xué)研究基金（Sqj2013008）共同資助。

李博淵（1988-），男，助理工程師，從事天氣預(yù)報及其相關(guān)的研究工作。Email:lbyxjalt@163.com