基于干旱災害風險綜合評估指數的西藏主要農區青稞干旱時空格局

史繼清，楊霏云，邊 多，周刊社，甘臣龍

（1西藏自治區氣候中心，拉薩 850000；2中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；3墨竹工卡縣氣象局，拉薩 850000）

0 引言

青藏高原素有“世界屋脊”、“亞洲水塔”之稱，西藏作為青藏高原的主體部分，是青藏高原氣候變化的晴雨表[1]，干旱災害風險的變化趨勢對該區乃至全球的氣候變化、糧食安全和社會穩定都起著舉足輕重的作用[2-4]。西藏近年來受全球氣候變化的影響，氣溫升高，部分地區呈現暖干化趨勢，出現了冰川退縮、凍土消融、生態環境退化等問題[5]。干旱災害頻發，成為近四十年來導致西藏糧食作物產量損失最重的農業氣象災害之一。1983年5月下旬—8月，山南的貢嘎、隆子，昌都的左貢、芒康、八宿，那曲的申扎等地發生嚴重干旱。據統計，全區農作物受旱面積157412 hm2，占播種面積的75.4%。其中因旱未能播種、播后未出苗和旱死絕收的農田達26013 hm2，有37352 hm2減產50%，96715 hm2減產20%[6]。2009年6月，是西藏自1979年以來遭遇的最嚴重干旱，西藏主要農區均遭受不同程度的旱災，全區農作物受災總面積達28313.7 hm2，其中絕收面積4856 hm2，占受災面積的17%[7]。2014年4—6月，昌都市八宿縣農牧區持續干旱，部分鄉鎮作物絕收，昌都市旱災總面積達到3011 hm2，占全市春播面積的6.71%[8]。

青稞是一種禾本科大麥屬作物，適宜種植在海拔較高的高寒地帶，是西藏的主要糧食作物，被譽為“糧食之母”，在西藏糧食安全保障體系中占據重要地位，開展西藏主要農區青稞干旱災害風險評估研究工作刻不容緩。

根據災害風險形成機理來進行風險綜合評估已成為當前農業氣象災害風險評估的主要發展趨勢[9]。國內外在此方面均取得了一些成果，如Blaiker[10]和Xu等[11]認為災害是致災因子危險性和承災體脆弱性共同作用的結果；Okada等[12]增加了承災體暴露性和環境脆弱性風險要素的相互作用；Zhao等[13]從干旱災害的危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力等方面構建干旱災害風險綜合評估模型并進行了災害的風險區劃。近些年，基于災害風險綜合評估指數對災害的時空特征進行分析的報道越來越多[14-16]，但基于自然災害風險綜合評估模型的西藏地區災害時空變化的研究鮮有報道，本研究考慮了西藏主要農區農業干旱的自然和社會大背景，從致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性、防災減災能力等4個方面入手，構建干旱災害風險綜合評估模型，對西藏主要農區和4個分區進行干旱災害時空特征分析，以期為西藏政府部門提供防災減災理論支撐。

1 資料和方法

1.1 資料來源

西藏主要農區26個站（圖1）的逐日氣象觀測資料（1981—2018年）由西藏自治區氣象局提供。逐日資料缺測的個別時間，采用多年平均值代替；青稞實際單產、有效灌溉面積/播種面積、旱澇保收面積/播種面積、生產效率、大中小型拖拉機、農用運輸車、當地農民純收入、生產總值、地方財政收入等資料（1999—2017年）來自西藏自治區統計年鑒；各地市縣級旱災事件記錄數據來源于《中國氣象災害大典》（西藏卷）[6]和《中國氣象年鑒》（1990—2017年）[17]；青稞觀測站（拉薩、林芝、日喀則、澤當）各生育期數據（1984—2010年）來自上述4個地、市的氣象局；青稞作物系數采用表1[18]的數據。

圖1 研究區分區及氣象站點分布圖

1.2 青稞種植的區域劃分

西藏地勢西北高、東南低，各地降水季節分配不均，東南濕潤，西北干燥，雨季分明。根據羅紅英[18]和宋善允等[19]研究，結合西藏自治區統計年鑒、區域地形特點、農業氣候特征，將西藏青稞主要種植區分為4個子區域（圖1）：Ⅰ區（索縣、比如、丁青、類烏齊、昌都、洛隆、八宿、左貢、芒康）、Ⅱ區（林芝、米林、波密、加查）、Ⅲ區（墨竹工卡、則當、拉薩、尼木、隆子、貢嘎）、Ⅳ區（南木林、日喀則、拉孜、定日、聶拉木、普蘭、江孜）。

1.3 研究方法

1.3.1 西藏主要農區青稞站的播種和成熟期計算 由于青稞生育期資料有限，本研究利用西藏現有青稞生育期資料構建方程來計算其他站的播種期和成熟期。通過建立西藏青稞觀測站的播種溫度閾值與經度、緯度、海拔之間線性回歸方程和播種時間與播種溫度閾值之間線性回歸方程，得到西藏主要農區26個青稞站的播種時間。其中，播種溫度閾值是通過對青稞觀測站的播種時間對應的平均溫度計算5年滑動得到。

表1 西藏主要農區青稞作物系數

式中，STV為播種溫度閾值(℃)，Lat為緯度(°)，Lng為經度(°)，Alt為海拔(m)。

式中，ST為播種時間（月/日），STV為播種溫度閾值(℃)。

通過建立西藏青稞觀測站的全生育期天數與經度、緯度、海拔之間線性回歸方程得到西藏主要農區26個青稞站的全生育期天數，將利用公式(1)和(2)計算得到的播種期與全生育期天數相加，即可得到26個青稞站的成熟期時間。

式中，DAY為全生育期天數(d)，Lat為緯度(°)，Lng為經度(°)，Alt為海拔(m)。

1.3.2 熵權法 在構建干旱災害風險綜合評估模型時，利用熵權法確定致災因子、承災體、災損和防災減災能力的權重。m個待評項目（m=26，包括拉薩、索縣、林芝、日喀則等站），n個評價指標（n=4，包括致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性和防災減災能力），形成原始數量矩陣[20]，見式(4)。

式中，rij為第i個站點的第j個評價指標的值。

各指標值權重的求算步驟為：

（1）計算第i個項目中第j個指標值的比重Gij：

（2）計算所有站點中第j個指標的熵值ej：

（3）計算第j個指標的熵權Hj：

1.3.3 其他方法 本研究在干旱災害風險綜合評估模型構建的過程中，運用歸一化方法對原始數據進行了處理[28]；求解構建防災減災能力的8個因子的權重利用專家打分法；干旱災害風險綜合評估指數的線性變化趨勢采用氣候傾向率法；干旱風險分析的空間顯示使用Kring插值分析。

2 西藏主要農區青稞干旱災害的風險估算

災害風險分析評價指標眾多，本文從致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性、防災減災能力等風險因子考慮，選取自然水分虧缺率指數等12個指數來進行西藏主要農區青稞干旱風險估算。

2.1 致災因子危險性

致災因子危險性主要指因干旱災害可能出現的危害程度，由干旱強度和對應的頻率共同決定。青稞作為西藏特色糧食作物，播種前土壤含水量和主要生育期的降水量對其產量的影響十分關鍵，因此本研究選取了由青稞播種前有效底墑和全生育期需水量與供水量關系構成的自然水分虧缺率作為干旱強度指標。自然水分虧缺率可以描述為青稞全生育期的需水量與自然供水量的差值占需水量的百分率，其中，自然供水量由青稞播種前的土壤有效底墑、青稞全生育期內的有效降水量和地下水供水量得到[21]。

基于不同等級(t)的自然水分虧缺率(Dt)及其出現的概率(Ft)，構建了自然水分虧缺率指數Wt，作為致災因子危險性評價指標，計算方法見式(8)。

式中，Wt為自然水分虧缺率指數，Dt為不同等級的自然水分虧缺率，F為不同等級自然水分虧缺率出現的概率。Wt絕對值越大，發生干旱的可能性越大，對農業生產的影響程度越大。

2.2 承災體易損性

承災體易損性指干旱造成青稞減產的難易程度，用易損性指標Vt表示，計算公式如式(9)。

式中，Vt為易損性指標，Jt為不同等級的易損性，Kt為不同等級易損性出現的概率。其中，易損性J的計算見式(10)。

式中，L為青稞生產效率指數，S為單位面積青稞農業產值，T為暴露指數。

青稞生產效率指數(L)：一般而言，農作物高產伴隨著高風險，將西藏各縣青稞播種畝產與西藏青稞畝產的比值，定義為各縣青稞生產效率指數。單位面積青稞農業產值(S)：由于單位面積產值的高低直接影響著各縣的青稞收成，故定義為青稞畝產與單價之積。青稞暴露指數(T)：針對各縣作物可種植面積來說，青稞種植面積越大，意味著該縣暴露于氣象危險因子中的青稞越多，可能遭受的潛在損失就越大，氣象災害風險越大。因此，將各個縣的青稞的種植面積與本縣面積的比值定義為青稞暴露指數。

2.3 災損脆弱性

災損脆弱性指青稞遭受旱災后的損失程度，本研究以西藏主要農區青稞減產率指數(It)作為災損脆弱性評價指標，公式如式(11)。

式中，It為減產率指數，Rt為不同等級的減產率，Pt為不同等級減產率出現的概率。

其中，“減產率”(R)定義為當年青稞實際產量低于對應年趨勢產量的百分率[22]，公式見式(12)。

式中，R為減產率，y為青稞實際產量，yˉ為青稞趨勢產量。

趨勢產量表征產量的歷史演變趨勢，常用的模擬趨勢產量的方法有線性模擬、非線性模擬、分段模擬、滑動平均模擬、指數平滑模擬等，本文選用三次多項式對西藏各地市青稞趨勢產量進行模擬（表2）。

表2 西藏各地市青稞趨勢產量模擬方程

2.4 防災減災能力

防災減災能力是表征抗災性能隨著時間變化的一個指標，取決于當地水利設施和社會經濟水平。文中選取大中拖拉機數量、小型拖拉機數量、農用運輸車、有效灌溉面積/播種面積、旱澇保收面積/播種面積、農牧民純收入、地方財政收入、生產總值，采用專家打分法求解權重（見表3），并對8組數據進行去量綱化處理，得到各站的防災減災能力指標At，具體公式如式(13)。

表3 構成防災減災能力的各因子權重

式中，At為防災減災能力指標，Ct為不同等級的防災減災能力，Et為不同等級防災減災能力出現的概率。

其中，防災減災能力C由式(14)計算得到。

式中，C為防災減災能力，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8分別為有效灌溉面積/播種面積、旱澇保收面積/播種面積、小型拖拉機、農用運輸車、大中型拖拉機、生產總值、農牧民純收入、地方財政收入，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8分別為對應的權重。

2.5 干旱災害風險綜合評估模型

基于致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性、防災減災能力，構建了干旱災害風險綜合評估模型。

式中，Bt為干旱災害風險綜合評估指數；Wt為致災因子危險性；Vt為承災體易損性；It為災損脆弱性；At為地區的防災減災能力；a、b、c、d分別為致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性和防災減災能力的權重系數。

利用熵權法計算得到致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性和防災減災能力的權重，見表4。

表4 干旱災害風險綜合評估各要素權重

干旱災害風險綜合評估模型涵蓋了與災害相關的所有因素，數值大小表征旱災風險強度。致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性越大，旱災風險越大，而防災減災能力越強，旱災風險越小。

3 結果與分析

3.1 西藏主要農區青稞干旱的空間分布特征

利用ArcGIS 10.4中的自然間斷斷點分級法(Jenks)，分別將致災因子危險性指標W、承災體易損性指標V、災損脆弱性指標I、防災減災能力指標A及干旱災害風險綜合評估指數B劃分為低、次低、中等、次高、高等5個等級，以此得到西藏主要農區青稞干旱災害致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性、防災減災能力及干旱災害綜合風險區劃圖（圖2）。

從圖2(a)可以看出，西藏主要農區青稞干旱災害致災因子危險性整體上從東向西呈遞增趨勢。高危險區主要分布在普蘭、八宿、隆子等地，其值均在0.5以上；次高危險區主要集中在日喀則的定日、拉孜、江孜及山南市區、昌都南部；中等危險區主要匯集在日喀則、拉薩市的大部分地區和山南市周邊地區；次低危險區零星匯聚在南木林、聶拉木、芒康和林芝市周邊地區；低危險區多見于索縣、比如、林芝市中心地區和昌都市邊緣地區。

從圖2(b)可以看出，西藏主要農區青稞干旱災害承災體易損性整體上呈現中間高、兩邊低的態勢。高易損區主要分布于日喀則市東南部；次高易損區主要集中于日喀則市北部和拉薩、山南市西部；中等易損區主要分布于昌都市和拉薩、山南市東部；次低易損區以偏45°鈍角U型集中于林芝市大部；其他為低易損區。

從圖2(c)可以看出，西藏主要農區青稞干旱災害災損脆弱性分布比較有規律，以日喀則以西為界，脆弱性由東向西呈塊狀遞增；日喀則以東均為次低脆弱區，包括昌都、拉薩、山南市。

從圖2(d)可以看出，西藏主要農區青稞干旱災害防災減災能力分布從東向西呈遞增趨勢。防災減災能力較高的地區主要集中于日喀則市和普蘭站；防災減災能力次高的地區主要分布于拉薩和山南市；中等防災減災能力區主要集中在林芝大部分地區；次低區主要分布在昌都市；防災減災能力最弱的地區出現在索縣和比如站。

圖2 基于不同干旱災害風險指標的風險區劃

從圖2(e)可以看出，西藏主要農區青稞干旱災害綜合風險整體上呈現中間低、兩邊高的態勢。高風險區分布比較分散，主要包括日喀則南部和山南市局部地區，此區域多屬于高原溫帶半干旱氣候，年降水量僅250～400 mm，青稞主要生育期內水分虧缺嚴重，加之承災體屬于高、次高易損性風險區范疇，致使該區風險最大。次高風險區主要集中在日喀則、拉薩、昌都市大部，此區域多分布在研究區的邊緣地帶，也是西藏種植青稞的優勢區；本區內的大部分地區致災因子和承災體均屬于次高、中等風險區，災損和防災減災能力多屬于次低風險區，綜合各項指標，本區為次高風險區。中等風險區以左斜H型分布在拉薩、山南、林芝市部分區域，此區域氣候多樣，降水極為不均；雖然致災因子、承災體、災損均屬于低、次低風險區，但其防災減災能力較弱，綜合各項指標，該區屬于中等風險區；次低風險區零星分布在加查、索縣、比如等站，致災因子、承災體、災損大部分屬于低、次低風險區，防災減災能力屬于低、次高范圍，綜合各指標，該區域為次低風險區；低風險區范圍較小，主要集中在林芝、比如等站，此區域致災因子、承災體、災損多屬于低風險區，降水充沛、土壤底墑良好的優勢極大削弱了其防災減災能力的弱勢，故該區域屬于風險最小的區域。

3.2 干旱災害風險綜合評估模型的驗證

利用《中國氣象災害大典》（西藏卷）和1990—2017年《中國氣象年鑒》中記錄的各地市縣級旱災干旱事件，繪制了西藏主要農區青稞地市、縣級旱災頻次分布圖（圖3），并對前面構建的干旱災害風險綜合評估模型及其區劃結果進行了驗證。結合圖3(a)、(b)發現，山南、日喀則、昌都市發生旱災的頻次較多，拉薩市、索縣、比如發生旱災的次數偏少，這與圖2給出的干旱災害風險綜合評估模型的區劃圖基本吻合，從空間尺度上證明本研究的區劃結果具有一定的使用價值。

3.3 西藏主要農區青稞干旱的年際變化特征

圖3 西藏主要農區青稞地市、縣級旱災頻次分布

圖4 西藏研究區及4個分區干旱災害風險綜合評估指數時間變化

圖4為西藏主要農區青稞研究區及其4個分區干旱災害風險綜合評估指數時間序列圖，由圖可以看出，研究區與4個分區變化趨勢基本同步，干旱災害風險值明顯增大，意味著干旱化趨勢顯著，除了2004年處于下降趨勢，2005、2009、2014和2015年均處在上升趨勢，進一步證明隨著年份的遞增旱災風險呈上升態勢。

用線性趨勢法分析研究區及4個分區干旱災害風險綜合評估指數的氣候傾向率，分別為0.64 B/10 a（研究區）、0.80 B/10 a（Ⅰ區）、0.06 B/10 a（Ⅱ區）、0.33 B/10 a（Ⅲ區）、0.45 B/10 a（Ⅳ區），均達到0.01的顯著性水平（除了Ⅱ區），分析可知近20年來干旱災害風險綜合評估指數的氣候傾向率均大于0，表明西藏主要農區干旱化趨勢明顯。氣候傾向率絕對值Ⅰ區＞研究區＞Ⅳ區＞Ⅲ區＞Ⅱ區，說明西藏主要農區半濕潤區的干旱趨勢大于半干旱區大于濕潤區。

從圖4分析得到西藏主要農區干旱災害風險綜合評估指數高值有2個時間段：2009、2014—2015年，這2個時間段均發生在研究年份后10年，旱災風險值超過2.0，最大值年發生在2015年，達到3.0；Ⅰ區干旱災害風險綜合評估指數高值有4個時間段：1999、2007、2009、2014—2015年，最高值在2015年，達到5.2；Ⅱ區干旱災害風險綜合評估指數高值有2個時間段：2005、2009，最高值在2009年，達到2.7；Ⅲ區干旱災害風險綜合評估指數高值有4個時間段：2005—2006、2009—2010、2012、2015年，最高值年份在2015年；Ⅳ區干旱災害風險綜合評估指數高值有2個時間段：2009、2015年（最高年），均發生在研究年份后10年。綜上分析發現，無論西藏主要農區還是其分區，干旱災害風險綜合評估指數高值持續時間都很短，且高值時間段均出現在2009年，與《中國氣象災害大典》（西藏卷）及2009年《中國氣象年鑒》干旱歷史記錄相吻合。

通過分析西藏主要農區及各分區自1999年以來干旱災害風險綜合評估指數，高值持續出現，但規律性較差。1999、2005、2006、2007、2009、2010、2012、2014、2015年，西藏主要農區及4個分區出現干旱災害風險值較高現象?！吨袊鴼庀鬄暮Υ蟮洹罚ㄎ鞑鼐恚┯涗浟?002年之前的干旱事件，大旱年份有1999、2001、2002年；《中國氣象年鑒》記錄了2017年之前的干旱事件，大旱年份有2001、2002、2005、2006、2009、2010、2012、2014、2015年。除Ⅰ區2007與2015年、Ⅲ區2012與2015、Ⅳ區2015年，干旱高值年未與西藏干旱歷史記錄一致外，其它高值年均能與歷史記錄相對應。

4 討論

4.1 干旱災害風險綜合評估模型的論述

干旱風險指標選擇的恰當與否直接關系到干旱風險評估結果的準確性。鑒于不同學者在構建干旱災害風險評估模型時選取的干旱指標、模型構建方法、指標權重識別方法等均存在差異，且獲取數據途徑有別導致掌握的不甚全面，尤其是抗災能力方面指標大多不一致，最終導致同一區域同一災害的評估結果不同[22]。崔鵬等[24]認為評估“一帶一路”地區氣象干旱風險災害是致災因子危險性和承災體脆弱性共同作用的結果；張強等[25]認為致災因子、承災體脆弱性和孕災環境敏感性即可反映干旱災害的特征；薛昌穎等[9]在構建防災減災能力時僅選用有效灌溉面積比重單一指標，忽略了社會經濟因素的影響；王鶯等[26]對抗旱指數的處理選擇與1之間的差值同其他指數構建干旱災害風險綜合評估模型；徐玉霞等[27]將構建干旱綜合模型的4個要素的二級指標也賦予不同權重，可能會造成主觀因素對綜合指標的誤差。

綜上，本研究基于農業災害辨識、風險評估技術方法、災情史料等[28]，綜合考慮了危險性、易損性、脆弱性、防災減災能力等4個風險因子，選取自然水分虧缺率指數作為致災因子的危險性指標、青稞生產效率指數等作為承災體的易損性指標、減產率指數作為災損的脆弱性指標、有效灌溉面積比例等作為防災減災能力指標，并利用熵權法求算各風險因子的權重，構建了干旱災害風險綜合評估模型。各風險因子的選取和風險評估模型的建立符合西藏當地干旱實際狀況和社會背景，符合自然災害風險理論。

4.2 干旱災害風險區劃結果的論述

本研究將基于干旱災害風險綜合評估指數得到的區劃結果與災情事實進行對比驗證，區劃結果尊重客觀事實，因此構建的干旱災害風險綜合評估模型用于西藏主要農區干旱風險區劃和災害時空規律分析是合理和可靠的。此外，由于主觀分區的劃分、干旱指標的選取、數據的完整等原因造成西藏主要農區及4個分區的Ⅰ區2007與2015年、Ⅲ區2012與2015、Ⅳ區2015年的干旱高值年未與西藏干旱歷史記錄一致，但是其它高值年均能與歷史記錄相對應。

將本研究的分析結果與已有的研究結果進行對比，袁雷等[29]對西藏旱季和雨季的干旱及重旱頻率進行了評述，從選取的指標看，主要完成了干旱的危險性評價，從其計算的西藏雨季干旱頻率看，阿里地區、昌都和日喀則市干旱發生頻率最高，這些地區在本文關于干旱危險性的評價多處于中高值區，兩者結論基本一致；從年代際來看，21世紀初雨季干旱頻率超過20世紀80年代和90年代，這與本研究得出干旱隨年份遞增的結論也比較一致。由于青稞產量數據原因，本文時間序列只選擇1999—2017年，而金建新等[1]選擇的是1981—2012年，故與其得出的干旱程度隨時間推移遞減結論完全相反；僅分析相同時間段1999—2012年發現，金建新與本研究的時間序列上的干旱結論一致。

4.3 下一步研究方向

由于當前西藏保持多年連續氣象資料的國家標準氣象監測站密度稀疏、空間分布不均，新增站點時間序列較短、農業生態系統等關鍵生態區內監測站點缺乏等問題，本研究選取的主要研究區站點有限，對相關研究的精細化程度有一定影響。本研究針對西藏青稞的分區劃分多以市界以及鄰近劃分原則，有一定主觀性，易造成分區上的不太謹慎。在今后的研究中，應充分運用遙感資料，彌補氣象觀測數據少而分布不均的缺陷。

5 結論

本研究基于致災因子危險性、承災體易損性、災損脆弱性、防災減災能力等4個風險要素方面的干旱評價指標，構建干旱災害風險綜合評估模型，對各風險因子的指標值和風險綜合指數的時空分布進行分析得出：致災因子危險性、防災減災能力由東向西整體上呈現遞增走勢；災損脆弱性分布較規律；干旱災害風險綜合指數呈現中間低、兩邊高的態勢，承災體易損性與之相反。分析干旱災害風險綜合評估指數時間序列得到：隨著年份的遞增，干旱均有加重的趨勢。