李 姣，王麗榮，張 琪，孫玉龍，張安凝知

(1.河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊 050021；2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044)

冰雹災(zāi)害具有局地性、突發(fā)性、來勢(shì)猛、強(qiáng)度大等特點(diǎn)。尤其在北方山丘區(qū)，由于地形復(fù)雜、天氣多變、冰雹天氣多，對(duì)農(nóng)業(yè)危害很大。河北作為水果生產(chǎn)大省，林果產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的位置，由于河北地區(qū)冰雹多發(fā)時(shí)段為春末到秋初[1]，正是林果生長(zhǎng)的關(guān)鍵期，突發(fā)冰雹可對(duì)大片果樹形成打擊式危害，造成減產(chǎn)甚至絕收[2]。理清河北省冰雹發(fā)生特征及對(duì)林果的影響對(duì)于制定防災(zāi)減災(zāi)措施、服務(wù)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

目前，對(duì)冰雹的研究主要包括災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)[3]、時(shí)空分布特征[4-5]和雹災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[6-8]等方面。且隨著防災(zāi)減災(zāi)工作的需求增大，冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與區(qū)劃逐漸成為研究熱點(diǎn)。學(xué)者們?cè)谵r(nóng)作物災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建和承災(zāi)體脆弱性等方面開展了大量研究[9-11]。眾多調(diào)查研究已表明，冰雹會(huì)對(duì)不同生長(zhǎng)期的果樹造成破壞，由于風(fēng)雹相伴，果樹在開花座果時(shí)遭受風(fēng)雹災(zāi)害, 會(huì)形成嚴(yán)重的落花落果現(xiàn)象而導(dǎo)致大幅度減產(chǎn)[12]，幼果被打傷，果品品質(zhì)也會(huì)大幅下降；果實(shí)成熟期遭受雹災(zāi)，有的即使發(fā)育成熟,果實(shí)容易腐爛不耐貯存，也會(huì)帶來巨大損失[13-14]?；诖耍糠盅芯空唛_展了冰雹對(duì)果樹的影響評(píng)估研究，李星葦?shù)萚2]分析了阿克蘇冰雹頻次與葡萄、梨、杏、蘋果等年產(chǎn)量及種植面積的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厥鼙?zāi)害影響較大的果樹主要有梨、葡萄、杏等，但對(duì)比烏魯木齊市1993—2015年的林果單位面積產(chǎn)量與冰雹災(zāi)害發(fā)生頻次的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性并不顯著[15]；梁軼等[16]從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體易損性以及防災(zāi)減災(zāi)能力三個(gè)方面，構(gòu)建陜西蘋果冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；車向軍等[17]將冰雹最大直徑和持續(xù)時(shí)間相乘，定義了不同生長(zhǎng)期蘋果冰雹災(zāi)害指數(shù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定了慶陽市冰雹災(zāi)害發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。李培仁[18]、欒慶祖[19]等分別以蘋果和桃為例，從力學(xué)角度提出了基于冰雹大小的水果冰雹災(zāi)害損失評(píng)估方法，但是忽略了冰雹持續(xù)時(shí)間、伴隨風(fēng)速等因素對(duì)林果損失造成的影響[20]。

以往在冰雹對(duì)林果災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，鮮有應(yīng)用災(zāi)損數(shù)據(jù)，或者僅考慮災(zāi)損而忽略了冰雹持續(xù)時(shí)間、風(fēng)速等其他影響災(zāi)損大小的重要因子。本文擬利用河北省觀測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析冰雹的氣候特征，同時(shí)考慮林果災(zāi)損數(shù)據(jù)、冰雹大小、持續(xù)時(shí)間、伴隨的風(fēng)速、雨量等要素，采用多元回歸[21]與最優(yōu)分割[22]的方法將冰雹災(zāi)害對(duì)林果業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估與等級(jí)劃分，可用于客觀定量評(píng)估冰雹對(duì)河北省林果業(yè)的影響，以期為冰雹對(duì)林果災(zāi)害的評(píng)估及防御提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省屬溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。按照1981—2010年的氣候統(tǒng)計(jì)平均值，全省年平均氣溫11.8℃，7月平均氣溫最高，為25.9℃，1月最低為-4.6℃；年平均降水量503.5 mm，夏季降水占全年的66%，冬季占2%。

河北省地勢(shì)西北高、東南低，地形復(fù)雜，多種氣象災(zāi)害頻發(fā)。其中，冰雹災(zāi)害發(fā)生次數(shù)和造成的直接經(jīng)濟(jì)損失僅次于暴雨洪澇[23]，根據(jù)河北省民政部門2014—2018年的資料，風(fēng)雹災(zāi)害年均直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億元以上，尤其是2015年和2017年，分別占?xì)庀鬄?zāi)害總損失的47.1%和39.7%[24]。根據(jù)中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒2004—2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)29個(gè)省區(qū)局地強(qiáng)對(duì)流(冰雹、雷暴大風(fēng)、龍卷)造成農(nóng)作物受災(zāi)面積中，河北位居榜首[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

冰雹日數(shù)來源于氣象臺(tái)站觀測(cè)資料。按照地面觀測(cè)規(guī)范[25]，某臺(tái)站1 d內(nèi)若出現(xiàn)冰雹，不論出現(xiàn)次數(shù)，均記為一個(gè)冰雹日；不同臺(tái)站在同一日均出現(xiàn)冰雹天氣，則每個(gè)臺(tái)站算作一個(gè)冰雹日。冰雹災(zāi)害資料由民政部門提供或者災(zāi)害普查等方式得到。災(zāi)害日數(shù)的統(tǒng)計(jì)以市區(qū)(縣)為基本單位，市區(qū)與縣同等級(jí)。按照以上統(tǒng)計(jì)方法，數(shù)據(jù)整理如下：

(1)1951—2018年的河北省142個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日冰雹觀測(cè)數(shù)據(jù)，共8 457個(gè)雹日；

(2)1984—2018年的冰雹歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)共2 334條，其中，同時(shí)記錄了冰雹最大直徑和持續(xù)時(shí)間的有535條，同時(shí)記錄了林果受災(zāi)面積和直接經(jīng)濟(jì)損失的僅有25條。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候統(tǒng)計(jì)方法 根據(jù)河北省氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了河北省冰雹日數(shù)的時(shí)空分布特征?？臻g分布特征統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1974—2018年，全省142個(gè)氣象站全部建立；時(shí)間分布特征采用1951—2018年資料，按照式(1)～(3)計(jì)算了冰雹的年際變化特征、月變化特征和每日內(nèi)逐時(shí)分布情況。

(1)

(2)

(3)

式中，i代表氣象站(i=1,2,3,…,142)，j代表年(j=1,2,3,…,68)，P(i)表示第i個(gè)氣象站當(dāng)年冰雹日數(shù)，Ay表示當(dāng)年的各站年均冰雹日數(shù)，I為當(dāng)年氣象站總個(gè)數(shù)；Q(j)表示第j年某月全省的總冰雹日數(shù)，Am表示某月多年平均冰雹日數(shù)，O(j)表示第j年某小時(shí)時(shí)次內(nèi)全省總冰雹日數(shù)，Ah表示某時(shí)次多年平均冰雹日數(shù)，J為總年數(shù)，本文為68 a。

1.3.2 災(zāi)損系數(shù)的確定 收集到的林果業(yè)雹災(zāi)損失數(shù)據(jù)主要為林業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失、受災(zāi)面積、受災(zāi)棵數(shù)等，但是氣象觀測(cè)站僅記錄降雹的時(shí)間和直徑大小，并不能確定降雹范圍的大小，因此在選取災(zāi)損參數(shù)的時(shí)候，我們選擇與冰雹強(qiáng)度相關(guān)的單位面積林業(yè)損失，并對(duì)其進(jìn)行了年代際的修正，全部訂正到2018年。

(4)

式中，I為單位面積林業(yè)損失(萬元·hm-2)；E為某一次冰雹災(zāi)害過程的林果經(jīng)濟(jì)損失(萬元)；S為林果受災(zāi)面積(hm2)；Ey表示該次災(zāi)害發(fā)生年的河北省GDP值(萬億元)；E2018表示2018年的河北省GDP值(萬億元)。

1.3.3 冰雹災(zāi)害對(duì)林果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的模型構(gòu)建 按照?qǐng)D1的流程，通過相關(guān)分析的方法確定致災(zāi)因子，并根據(jù)修正后的災(zāi)損數(shù)據(jù)采用回歸分析的方法建立回歸方程，構(gòu)建冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；采用最優(yōu)分割法，劃分不同等級(jí)的風(fēng)雹災(zāi)害致災(zāi)臨界閾值。

2 冰雹災(zāi)害發(fā)生時(shí)空特征分析

2.1 冰雹日數(shù)氣候特征

統(tǒng)計(jì)了1951—2018年河北省年均冰雹日數(shù)的時(shí)間變化(圖2)，冰雹日數(shù)整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，下降速度為0.26 d·10a-1，并通過了α=0.01的顯著水平檢驗(yàn)。最大值出現(xiàn)在1954年，平均每站出現(xiàn)3.43 d，最小值出現(xiàn)在2017年和2018年，平均每站出現(xiàn)0.25 d。按年代看，20世紀(jì)50年代初到70年代初、80年代中期到90年代初是冰雹多發(fā)期，90年代中后期至今為冰雹少發(fā)期，此后，降雹日數(shù)明顯下降，1951—1992年的冰雹平均日數(shù)為1.52 d，1993—2018年僅為0.56 d，可以看出，20世紀(jì)90年代之前，冰雹日數(shù)大都在平均線之上，而90年代之后，降雹日數(shù)低于平均線，這種趨勢(shì)與符琳等[4]的研究結(jié)果是一致的。

2.2 冰雹日數(shù)時(shí)間特征

2.2.1 月變化特征 由圖3可見，河北省的冰雹天氣由3月開始到11月結(jié)束，持續(xù)時(shí)間達(dá)9個(gè)月，主要出現(xiàn)在5—9月，月內(nèi)冰雹日數(shù)均超過了10站次，其中，5—7月冰雹發(fā)生最為集中，占總次數(shù)的65%，尤其是6月，發(fā)生次數(shù)占年冰雹總次數(shù)的30%，而3月和11月出現(xiàn)次數(shù)很少。

圖1 冰雹對(duì)林果災(zāi)害評(píng)估模型的構(gòu)建流程Fig.1 The process of hail disaster evaluation model on fruit farming

2.2.2 日變化特征 由圖4可見，大部分降雹集中在午后到傍晚，13∶00—19∶00的冰雹次數(shù)占總次數(shù)的70%以上，16∶00出現(xiàn)冰雹次數(shù)最多；夜間(20∶00—8∶00)冰雹次數(shù)占總次數(shù)的19%。這主要是由于午后太陽直接輻射強(qiáng)度大，地面和低層大氣迅速升溫，高層大氣由于來不及升溫，導(dǎo)致氣溫上冷下熱，氣層的不穩(wěn)定容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

2.3 冰雹日數(shù)空間分布特征

圖5給出了河北省1974―2018年45 a的冰雹總?cè)諗?shù)空間分布及海拔高度?？梢姡S著地勢(shì)高低的變化，河北省的冰雹空間分布由西北向東南逐漸減少，總體上，北部多于南部，西部多于東部，亦即高原、山地區(qū)域多于平原。冰雹多發(fā)區(qū)位于張家口和承德以及保定的西北部。張家口地區(qū)冰雹日數(shù)最多，大多在100 d以上，其中，位于壩上高原的尚義、沽源、崇禮和康保均超過150 d；承德僅次于張家口，冰雹日數(shù)在70～150 d之間；保定的淶源冰雹日數(shù)為126 d，為一個(gè)次高值中心。邯鄲西部的涉縣為冰雹相對(duì)多發(fā)區(qū)，累計(jì)冰雹日數(shù)為45 d，邯鄲和邢臺(tái)的東部冰雹日數(shù)最少，其中，邯鄲的廣平、大名、成安和曲周冰雹累計(jì)日數(shù)小于10 d。

圖2 河北省1951—2018年年均冰雹日數(shù)變化Fig.2 Annual average hail days from 1951 to 2018in Hebei Province

圖3 河北省1951—2018年年均各月冰雹日數(shù)變化Fig.3 Monthly average hail days from 1951 to2018 in Hebei Province

3 冰雹造成的林果損失評(píng)估

3.1 冰雹對(duì)林果損失評(píng)估模型的構(gòu)建

3.1.1 冰雹致災(zāi)因子的識(shí)別 在篩選出的風(fēng)雹災(zāi)害數(shù)據(jù)中，僅有很少一部分完整記錄了林果經(jīng)濟(jì)損失和受災(zāi)面積。最終，篩選出25條包含詳細(xì)林果災(zāi)害、冰雹最大直徑和冰雹持續(xù)時(shí)間的災(zāi)情數(shù)據(jù)，分別計(jì)算冰雹最大直徑、持續(xù)時(shí)間以及降雹時(shí)風(fēng)速、小時(shí)雨強(qiáng)、過程降水量等要素與林果損失的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)及顯著性水平見表1。單位面積林果損失與冰雹持續(xù)時(shí)間和最大直徑呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.65和0.67(圖6)；與降雹時(shí)風(fēng)速、小時(shí)雨強(qiáng)、過程降水量相關(guān)性不顯著。故選取冰雹最大直徑和持續(xù)時(shí)間作為冰雹致災(zāi)的影響因子。

圖4 河北省1951—2018年各時(shí)次年均冰雹日數(shù)變化Fig.4 Hourly average hail days from 1951 to 2018in Hebei Province

圖5 河北省1974—2018年冰雹日數(shù)空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of hail days from 1974to 2018 in Hebei Province

3.1.2 冰雹對(duì)林果損失評(píng)估模型的構(gòu)建 將冰雹持續(xù)時(shí)間、冰雹最大直徑作為林果冰雹災(zāi)害的評(píng)估指標(biāo)，采用多項(xiàng)式回歸模型擬合河北省23個(gè)冰雹林果損失災(zāi)情案例(共25個(gè)災(zāi)情案例隨機(jī)選取2個(gè)案例用于檢驗(yàn)，其余23個(gè)案例用于構(gòu)建模型)：

I=1.4186D+0.219T-3.094

(5)

式中，I為回歸模型預(yù)估的單位面積林業(yè)損失(萬元·hm-2)；D為冰雹直徑(cm)；T為冰雹持續(xù)時(shí)間(min)。該評(píng)估模型的R2=0.6478，F(xiàn)=18.39，通過了α=0.01的顯著水平檢驗(yàn)。

3.1.3 林果冰雹災(zāi)害等級(jí)劃分 對(duì)于記錄了冰雹最大直徑和持續(xù)時(shí)間的數(shù)據(jù)，利用構(gòu)建的冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)災(zāi)損序列進(jìn)行完善，計(jì)算每次過程單位面積的災(zāi)損值，將其從小到大依次排序，用最優(yōu)分割法劃分為輕度、中度、較重、重度、嚴(yán)重5個(gè)等級(jí)，各等級(jí)所對(duì)應(yīng)的致災(zāi)臨界閾值見表2。

3.1.4 模型準(zhǔn)確率評(píng)估 將篩選出的23條災(zāi)情個(gè)例對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行回代評(píng)估[26]，其中，有13次預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，10個(gè)樣本預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相差一個(gè)等級(jí)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為56.5%；用隨機(jī)選出的2次冰雹過程對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行檢驗(yàn)，其預(yù)測(cè)等級(jí)與實(shí)際完全相同，準(zhǔn)確率為100%(表3)。綜合以上，在對(duì)災(zāi)情的評(píng)估中有60%的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際一致，其余40%評(píng)估結(jié)果與實(shí)際誤差僅為一個(gè)等級(jí)。

對(duì)不同級(jí)別災(zāi)害準(zhǔn)確率評(píng)估結(jié)果，I級(jí)和Ⅱ級(jí)準(zhǔn)確率均為100%；Ⅲ級(jí)、IV級(jí)和V級(jí)災(zāi)害的準(zhǔn)確率分別為57.1%、56%和57%。因此可認(rèn)為，模型可以大致評(píng)估出冰雹災(zāi)害的等級(jí)，整體評(píng)估效果較好，尤其對(duì)于損失嚴(yán)重的災(zāi)害可以準(zhǔn)確進(jìn)行評(píng)估。

表1 氣象要素與單位面積林果損失的相關(guān)系數(shù)

表2 河北省冰雹對(duì)林果災(zāi)害強(qiáng)度等級(jí)劃分及致災(zāi)閾值

3.2 評(píng)估模型的應(yīng)用

對(duì)2019年發(fā)生在河北的兩次冰雹對(duì)林果災(zāi)害過程進(jìn)行評(píng)估。5月15日，遷西縣發(fā)生冰雹，未監(jiān)測(cè)到冰雹直徑和持續(xù)時(shí)間，通過災(zāi)情描述可以看出，均為林果受災(zāi)，通過計(jì)算單位面積損失為3.46萬元·hm-2，屬于IV級(jí)(中度)災(zāi)害；6月8日，盧龍縣出現(xiàn)冰雹，葡萄受災(zāi)，此次災(zāi)害過程監(jiān)測(cè)到了冰雹最大直徑和持續(xù)時(shí)間，通過模型評(píng)估，預(yù)測(cè)單位面積損失為1.43萬元·hm-2，屬于V級(jí)(輕度)災(zāi)害，實(shí)際受災(zāi)強(qiáng)度為1.73萬元·hm-2，基本符合。據(jù)氣象部門和民政部門統(tǒng)計(jì)，2019年冰雹日數(shù)較少，災(zāi)害損失較輕，總體看與評(píng)估結(jié)果相符。

4 討 論

風(fēng)雹天氣所具有的局地性、迅猛性等特征，使其造成的影響相對(duì)其他氣象災(zāi)害更加復(fù)雜，難以評(píng)估。目前，冰雹對(duì)林果災(zāi)害的研究多集中于災(zāi)害發(fā)生頻次的研究，頻率越高，雹災(zāi)損失越大[2,12]，但是，不同冰雹天氣過程由于其強(qiáng)度不同，災(zāi)害影響程度也不同。欒慶祖等[19]采用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了水果冰雹災(zāi)害災(zāi)損評(píng)估，從致災(zāi)機(jī)理的角度分析了冰雹對(duì)水果的影響，該方法依賴于較高精度的冰雹直徑譜分布模型，在應(yīng)用中受到一定限制。

本研究選取與冰雹強(qiáng)度相關(guān)的多種氣象要素，利用災(zāi)損數(shù)據(jù)篩選出主要相關(guān)因子，建立了致災(zāi)因子強(qiáng)度與災(zāi)害損失強(qiáng)度的直接聯(lián)系，構(gòu)建的冰雹對(duì)林果損失評(píng)估模型方法簡(jiǎn)單、參數(shù)少、易于應(yīng)用,在評(píng)估冰雹天氣過程對(duì)林果損失中具有現(xiàn)實(shí)意義，該研究思路也可以嘗試應(yīng)用到其他承災(zāi)體。

表3 模型準(zhǔn)確率評(píng)估結(jié)果

表4 2019年河北省2次冰雹對(duì)林果災(zāi)害強(qiáng)度評(píng)估

由于現(xiàn)有的冰雹對(duì)林果災(zāi)害的數(shù)據(jù)記錄相對(duì)較少，本文建立的模型有待更多的數(shù)據(jù)進(jìn)一步修訂和完善。冰雹往往伴隨大風(fēng)[20]，二者造成的損失也難以區(qū)分，后續(xù)工作應(yīng)開展風(fēng)雹綜合災(zāi)害的研究，同時(shí)可使研究樣本量大大提高，研究結(jié)果實(shí)用性也更強(qiáng)。冰雹天氣局地性較強(qiáng)，難以評(píng)估其影響面積，未來研究中應(yīng)跳出人工觀測(cè)的局限，采用雷達(dá)等手段開展冰雹發(fā)生面積的估測(cè)[24]，由損失強(qiáng)度的評(píng)估過渡到總的災(zāi)損評(píng)估研究。

5 結(jié) 論

本文以1951—2018年的冰雹觀測(cè)數(shù)據(jù)及1984—2018年的災(zāi)情數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了河北省冰雹災(zāi)害時(shí)空分布特征；構(gòu)建了基于災(zāi)損數(shù)據(jù)的冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，劃分了冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，得到如下結(jié)論：

1)1951—2018年，河北省冰雹日數(shù)以0.26 d·10a-1的速度波動(dòng)下降(通過α=0.01顯著水平檢驗(yàn))；冰雹多發(fā)生在春末秋初，6月份最多；日內(nèi)冰雹多發(fā)生在午后至傍晚時(shí)段，16∶00次數(shù)最多。河北省冰雹災(zāi)害性天氣空間分布隨地形變化由西北向東南依次減少，山區(qū)多于平原。

2)冰雹最大直徑和持續(xù)時(shí)間與林果災(zāi)損的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.65和0.67，呈極顯著正相關(guān)(通過α=0.01顯著水平檢驗(yàn))；降雹時(shí)的最大風(fēng)速、降水量、雨強(qiáng)等因子與林果災(zāi)損相關(guān)性較差。

3)建立的冰雹災(zāi)害對(duì)林果損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，評(píng)估準(zhǔn)確率為60%，相差一個(gè)等級(jí)的為40%，總體效果較好。河北省冰雹對(duì)林果災(zāi)害過程中，輕度到較重的災(zāi)害過程分布最廣，重度和嚴(yán)重的災(zāi)害過程較少。

4)2019年河北省冰雹災(zāi)害對(duì)林果影響較小，災(zāi)情較輕。