1980—2019年新疆南部不同強度暴雨洪水災害的空間分布和時間變化特征

王秀琴， 王 旭

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002； 2.新疆氣象信息中心，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆人工影響天氣辦公室，新疆烏魯木齊 830002）

0 引言

暴雨洪澇災害是由暴雨或連續性強降水過程引發的大面積洪澇［1］，是中國發生最頻繁、量級最大、影響范圍最廣的自然災害［2-3］，暴雨洪澇災害已經成為災害科學的研究熱點問題［4］。目前，我國對暴雨洪澇災害的研究，范圍主要集中在東南地區、西南地區及華南、華北地區，內容涉及致災因子、承災體受災情況評價以及災害評估等方面。

學者們主要采取選用不同降水要素的方法對引起暴雨洪澇災害發生的可能性因子進行研究。結果表明，強降水事件與洪澇災害有顯著聯系［5-6］，引發暴雨洪澇災害的主要致災因子是降雨，而降雨量強度對洪澇災害有著決定性的影響［7-8］，特別是短時暴雨是形成洪澇災害的主要原因［9］。

在承災體受災情況研究中，多通過直接經濟損失、作物受災面積、水體指數的變化進行探討，進而對災害進行分析評價。如采用灰色關聯、正態信息擴散及數理統計等方法，構建相對災情指數或風險估算模型［10］，對暴雨洪澇災害的特征、年內、年際變化和空間格局進行分析［2，11-12］；基于多源衛星數據，對暴雨洪澇災害進行遙感監測和精細化定量評估［13］；以年降水量和GDP 為指標，探究暴雨洪澇災害格局中的影響因素［14］。

暴雨洪澇災害評估方面，主要應用自然災害風險法，即從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體脆弱性和防災減災能力等方面考慮自然災害風險度，選取兩個或多個因子構建風險模型［15-16］，同時利用GIS 工具建立暴雨評估模型，計算暴雨洪澇災害風險指數，完成暴雨洪澇災害風險區劃［4，17］。另外，運用氣象資料、水文資料、地理信息資料、社會經濟統計資料以及災情調查資料等，許多學者也提出了不同的評價方法，如李萬志等［18］、謝五三等［19］基于不同技術，建立評估模型或方程，對暴雨洪澇災害風險度進行評估；張杰等［20］、黃卓等［21］確定了不同重現期的致洪面雨量、臨界雨量。

對于新疆的暴雨洪澇災害，研究表明形成的最主要原因仍然是降水［12］。學者們通過對不同區域洪災時空變化特征的探討［22-23］，揭示出新疆洪澇災害的局部聚集和局部異常特征［24］。通過模糊風險方法，可得出新疆暴雨災害的概率風險［25］，將致災暴雨的危險性指數分成5 個等級，對新疆暴雨災害分布進行區劃［26］。洪澇災害按照水量過多的程度，可分為洪水和澇害。新疆作為干旱-半干旱地區，由于特殊的地質地貌條件、植被條件，一次強降水事件就很容易引發洪水災害［27］。

以上研究為新疆暴雨洪水災情分析評估提供了基礎，但暴雨洪水是一個復雜的動態過程，其預報的不確定性客觀存在，在評估方法上的研究，目前也尚未形成一個完整統一的定量分析評價和等級劃分標準。新疆南部作為農牧業生產的重要基地，暴雨洪水災害事件出現次數、死亡人數、倒塌房屋數、倒塌棚圈數、牲畜死亡數量、作物受災面積等災情要素在災情報告中均有詳細記載，從不同角度描述了暴雨洪水的影響程度，而在以往的研究中較少利用這6個災情要素對暴雨洪水危害性進行定量評估。

因此，本文基于1980—2019 年新疆南部48 個縣（市）出現的暴雨洪水災害事件，以某縣某次暴雨洪水災害事件造成的死亡人數、倒塌房屋數、倒塌棚圈數、死亡牲畜數量、農作物受災面積作為災情要素，通過構建災損指數，對暴雨洪水災害事件的強弱進行等級劃分，分析新疆南部不同等級暴雨洪水災害事件的空間分布、年內變化、年際變化特征，討論月降水量、大雨和暴雨出現日數與新疆南部暴雨洪水災害事件的關系。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

新疆地形地貌屬“三山夾兩盆”（圖1），天山山脈橫亙中部，把新疆分為南北兩大部分，天山以南為新疆南部地區，天山以北為新疆北部地區。新疆南部主要包括哈密市、吐魯番市、巴音郭楞蒙古自治州（以下簡稱巴州）、阿克蘇地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州（以下簡稱克州）、喀什地區、和田地區及自治區直轄縣級市鐵門關市、阿拉爾市、圖木舒克市、昆玉市（縣級市在圖1中未標出），屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。該區域1980—2019 年年平均降水量81.0 mm，其中5—8 月降水量占年平均降水量的65%。降水最多的是克州，最少的是吐魯番市，其中吐魯番市的托克遜縣年平均降水量僅8.3 mm。由于整個新疆南部地區降水普遍稀少，遇極端降水時，一次暴雨過程的降水量就可能接近或超過當地歷年年平均降水量。

圖1 研究區位置Fig.1 Map showing location of the study area

1.2 數據來源

根據經民政部門確認的《中國氣象災害大典·新疆卷》所記載的1980—2000 年暴雨洪水災情信息［28］，整合依托數據共享方式，從新疆維吾爾自治區民政部門獲取的2001—2019 年暴雨洪水災情信息，統計出1980—2019 年新疆南部48 個縣（市）包含出現時間（年月日）、出現區域（縣/市）、死亡人數（人）、倒塌房屋數（間）、倒塌棚圈數（座）、牲畜死亡數量（頭）、農作物受災面積（hm2）災情記錄1 646條。若某次某縣（市）區域內出現1 次暴雨洪水災害，則該縣（市）暴雨洪水災害出現次數記為1。

在暴雨洪水年際變化的影響因子分析中，選取資料完整且有代表性的40個氣象臺站，1980—2019年降水集中期的3—10 月降水數據，分析降水對新疆南部暴雨洪水年際變化的影響。新疆屬于干旱區，降水較全國平均水平明顯偏少，故新疆的降水量量級比國家標準要小，以24 h降雨量為例：≤6 mm為小雨，＞6～12 mm 為中雨，＞12～24 mm 為大雨，＞24 mm為暴雨［29］。

1.3 災損指數的構建和危害性等級閾值的確定

由于表達某次暴雨洪水災害事件的災情要素包括5 個，分別為死亡人數（人）、倒塌房屋（間）、倒塌棚圈（座）、死亡牲畜（頭）、受災面積（hm2），為了便于比較每次暴雨洪水災害事件的強弱，需要構建能夠綜合表達5個災情要素的暴雨洪水災害災損指數（Zi）。在Zi的構建中通過比值法確定每個災情要素的權重，基于災情要素權重采用無量綱化線性求和的方法得到Zi。

設有m個災情要素，每個災情要素由n個樣本組成，這樣可得到暴雨洪水災害的災情要素評價矩陣Xn×m，則暴雨洪水災害災損指數Zi定義為

式中：i=1，2，…，n，其中n為暴雨洪水災害事件的總數，n=1 646；a1，a2，…，a5分別為5 個災情要素的權重分別為5 個災情要素的平均值。第j個災情要素的權重aj定義為

利用1980—2019 年48 個縣（市）出現的1 646次暴雨洪水災害事件，依據比值方法計算得到5 個災情要素對應的權重、平均值、最大值（表1），再由式（1）計算出1 646 例災害事件的災損指數（Zi），并統計得出40年各年年平均災損指數（Zk）。

表1 災情要素的權重、平均值和最大值Table 1 The weight，average value and maximum value for disaster factors

各災害事件的災損指數（Zi）與5 個災情要素的相關系數分別為0.40、0.72、0.44、0.68、0.50，各相關系數的置信度P均小于0.01；年平均災損指數（Zk）與5 個災情要素的相關系數分別為0.82、0.92、0.82、0.81、0.70，各相關系數的置信度P均小于0.01。表明Zi、Zk分別與5個災情要素顯著相關。因而，災損指數能夠綜合反映5 個災情要素及其變化情況。

在確定暴雨洪水災害災損指數等級時，用到了百分位數方法。百分位數是反映順序數據集中趨勢的一種統計測度值，是指用99個點將一組順序數據100等分后各分位點上的值［30］。百分位數是一種位置指標，以Pr表示，一個百分位數將總體或樣本的全部觀測值分為兩部分，理論上有r%的觀測值比它小，有（100-r）%的觀測值比它大，故百分位數是一個界值。

對n個災損指數樣本數據按由小到大順序排列好后，則第r百分位數Pr的計算公式［31］為

式中：d為百分位數Pr所在位次；［d］為取d的整數部分；X［d］、X［d+1］分別為位次為［d］、［d+1］上的數據。（100-r）%分別取10%、25%、50%，得到災損指數四種級別對應的閾值（表2）。

表2 暴雨洪水災害等級劃分標準Table 2 Classification criterion of rainstorm flood disaster grade

2 結果與分析

2.1 暴雨洪水災害的空間分布

從不同等級暴雨洪水災害出現次數的空間分布（圖2）可以看出，新疆南部暴雨洪水災害呈現明顯空間差異性，塔里木盆地北緣多于南緣，西部多于東部，主要集中在阿克蘇地區及天山山脈和昆侖山脈交匯處。從各級暴雨洪水災害發生次數看，一般及較重災害發生最多的在阿克蘇地區及克州，嚴重災害發生最多的地區為喀什地區，特重災害發生最多的仍然是阿克蘇地區。從年平均發生頻次來看［圖3（a）］，出現次數最多的五個縣分別是拜城（2.15次）、溫宿（1.75 次）、英吉沙（1.48 次）、阿克蘇（1.43 次）和阿克陶（1.43次）。其余大部分縣市年平均暴雨洪水災害發生頻次均在1次以下，占到總縣數的70%。

圖2 不同等級暴雨洪水災害出現次數的空間分布Fig.2 Spatial distribution of occurrence frequency of different graded rainstorm flood disasters：general disaster（a），heavy disaster（b），severe disaster（c）and extra severe disaster（d）

圖3 暴雨洪水災害年平均出現次數和年平均災損指數的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the annual average occurrence frequency（a）and the annual average disaster loss index（b）of rainstorm flood disasters

從年平均災損指數（Zk）的空間分布可以看出［圖3（b）］，各地Zk差異較大，48 個縣的平均值為0.85。高值區集中在阿克蘇地區、喀什地區、克州一帶。其中位列前三的縣是阿克蘇地區的阿克蘇市、烏什縣和喀什地區的葉城縣，年平均災損指數均達1.6 以上。暴雨洪水災害多發區、重發區與臺站記錄的降水量數據分布一致。

2.2 暴雨洪水災害的年內變化

新疆南部暴雨洪水災害主要發生于3—10 月［圖4（a）、（b）］，其中6月最高，次數占比29%，7月次之，次數占比28%。一般及較重災害發生頻次與年頻次分布相同，6月最高（21.6%），7月次之（21.4%），8 月位居全年第三（11.2%）；嚴重及特重災害分布略有不同，6 月最高（7.0%），7 月次之（6.6%），5月位居全年第三（4.4%）。由各月降水量分布情況可見［圖4（c）］，降水主要發生期也在5—8月，占全年總降水量的52.9%，其中7 月最高（18.2%），6 月次之（17.8%），8 月位居全年第三（16.2%）。可見，新疆南部暴雨洪水災害年變化與降水量有密切關系。從大雨日數和暴雨日數分布情況來看［圖4（d）、（e）］，大雨日數分布與全年降水分布相同，但暴雨日數分布與全年降水分布相比略有不同，7 月最高，占全年總暴雨日數的21.6%，8月次之（20.8%），5 月位第三（19.6%），與嚴重及特重暴雨洪水災害年變化相同。

圖4 暴雨洪水災害出現次數、降水量、大雨以上和暴雨以上日數的月變化Fig.4 Monthly variations of occurrence frequency of rainstorm flood disasters，precipitation，and the days above heavy rain and above rainstorm

2.3 暴雨洪水災害的年際變化及其與降水的關系

對暴雨洪水災害發生情況的年際變化分析（圖5），暴雨洪水災害發生總頻次呈現明顯上升趨勢，增幅為每10 年8 次。其中一般性災害發生次數變化趨勢與災害總頻次一致，增幅為每10 年9 次，較重、嚴重災害均呈現圍繞平均值上下波動態勢，平均每年發生次數分別為10.3次、6.2次，其中較重災害，1986年以前較平均值偏低，1987—1998年，處于一個高值振蕩期，其后出現回落，2010 年出現一個明顯高值；嚴重災害出現次數，無明顯年代際變化；特重災害，呈現三個不同變化時期，1986 年以前，低值振蕩期，平均值僅0.8 次，1986—1999 年，平均值明顯高于其他年份，達到8.2次，2000及以后又回落至2.3 次這一低平均狀態?？梢姡陆喜勘┯旰樗疄暮Πl生總次數的變化主要緣于一般性災害發生頻次的增加。

圖5 暴雨洪水災害出現次數和年平均災損指數的年際變化Fig.5 Interannual variations of annual occurrence of rainstorm flood disasters and annual average disaster loss index

暴雨洪水年平均災損指數（Zk）分布［圖5（g）］，呈現階段性變化，20 世紀80 年代初為一個低值期，Zk平均只有10.5，80 年代中后期至1999 年，Zk出現一個強勢期，達到71.8，2000 年及以后又出現明顯回落，平均值為28.9。Zk累積距平分布［圖5（f）］也可見，Zk年際變化存在兩個突變點，分別在1985 年和1999 年，表現出明顯的“低—高—低”變化形態。值得關注的是2010 年暴雨洪水災害出現了一個明顯波動。據統計，2010 年新疆南部夏季降水量偏多4 成，偏多幅度居歷史同期第一位，其中柯坪等9 站突破歷史同期極值，此極端事件在圖5 各級災害發生次數、災損指數及累計距平圖上都有較好對應，同時與前人研究成果［32］也具有很好一致性。

以往研究表明，暴雨洪水事件主要致災因子是降雨，而降雨量強度對洪水災害有著決定性的影響。因而本研究選取1980—2019 年新疆南部范圍40 個完整性好且有代表性的氣象臺站降水量觀測資料，分別計算各站各年3—10 月降水量（RR）、3—10 月大雨發生日數（Dd）、3—10 月暴雨發生日數（Bd）樣本序列，用于討論它們與新疆南部暴雨洪水災害危害性等級之間的關系。

從RR、Dd、Bd的年際變化［圖6（a）］可以看出，新疆南部地區年降水量呈顯著增加趨勢，達到每10年增多5.1 mm。但Dd、Bd呈不顯著變化，2010 年出現極端降水事件，與前文結果一致。對暴雨洪水事件出現次數與RR、Dd、Bd作相關性分析，度量后者對前者的影響（表3），災害事件年出現次數與RR、Dd、Bd之間的相關系數分別為0.59（P=6.1×10-5）、0.53（P=4.2×10-4）、0.53（P=5.0×10-4），表明暴雨洪水出現次數與三者顯著相關，即RR、Dd、Bd增多，會直接導致災害事件增多。對年平均災損指數（Zk）與RR、Dd、Bd作相關性分析，其相關系數分別 為0.32（P=0.05）、0.29（P=0.07）、0.32（P=0.04），表明RR、Dd、Bd與Zk也有較好相關性?？梢?，新疆南部RR、Dd、Bd的增多，同樣會導致災損指數的增大。

圖6 3—10月降水量、大雨以上和暴雨以上日數的年際變化Fig.6 Interannual variations of precipitation（a），the days above heavy rain（b）and above rainstorm（c）from March to October

表3 暴雨洪水災害出現次數、年平均災損指數與降水量、大雨日數、暴雨日數之間的相關關系Table 3 Correlation of the number of annual occurrence of rainstorm flood disasters and annual average disaster loss index with precipitation，number of heavy rain days，and number of rainstorm days

進一步討論各級災害發生次數與年平均災損指數Zk的關系，進而計算各級災害發生次數對Zk的貢獻率。貢獻率采用各級出現次數及Zk標準化序列的多元線性回歸方程的系數來進行刻劃。設一般、較重、嚴重至特重災害出現次數、年平均災損指數的標準化序列分別為y1、y2、y3、y4，則多元回歸方程為（R2=0.9713，P=2.59×10-21），方程的系數均為正值，表明隨著出現次數的增多，Zk增大。單個系數占4 個系數合計值的百分率，表征不同級別出現次數對Zk的貢獻率。一般至特重災害對Zk的貢獻率分別為1%、12%、19%、68%，可見特重級災害出現次數對年平均災損指數Zk的貢獻率最大，圖5（d）也展示了這種決定作用。當然，嚴重級災害的貢獻率也是不能忽視的。因而，在暴雨洪水災害防御中，應重點關注嚴重和特重災害的發生。

綜合以上分析，新疆南部暴雨洪水災害發生次數與降水關系密切，近40年來新疆南部降水量的增多，導致暴雨洪水災害次數增加，且主要表現為一般性暴雨洪水事件的增多。年平均災損指數與特重和嚴重災害發生次數密切相關，特重和嚴重災害發生次數對其貢獻率達87%。

3 結論

（1）依據新疆南部暴雨洪水事件的死亡人數、倒塌房屋數、倒塌棚圈數、牲畜死亡數、受災面積5個災情要素數據，運用比值權重法和無量綱化線性求和計算，構建了暴雨洪水事件災損指數（Zi），并計算40年各年年平均災損指數（Zk）。Zi、Zk分別與5個災情要素相關系數在0.4～0.9 之間，信度水平超過0.01，相關性顯著，表明災損指數能夠綜合表達暴雨洪水的強度。

（2）新疆南部暴雨洪水災害呈現明顯時空差異性，主要表現為塔里木盆地北緣多于南緣，西部多于東部，集中在阿克蘇地區及天山山脈和昆侖山脈交匯處。高值區集中在阿克蘇地區、喀什地區、克州一帶。暴雨洪水災害多發區、重發區與降水量的分布一致。

（3）新疆南部暴雨洪水事件多發于3—10 月。年際變化總頻次呈現明顯上升趨勢，增幅為每10年8 次。其變化主要緣于一般性災害發生頻次的增加；較重、嚴重災害發生次數均為圍繞平均值上下波動態勢；特重災害呈現三個不同變化時期，在1986 年前為低值振蕩期，1986—1999 年平均值明顯高于其他年份，2000年以后又回落至低平均狀態。

（4）新疆南部暴雨洪水災害年平均災損指數分布存在兩個突變點，分別在1985 和1999 年，1985 年以前為一個低值期，1985—1999 年進入強勢期，2000年以后又呈現一個低值期。

（5）新疆南部暴雨洪水災害發生次數與3—10月降水量、大雨發生日數、暴雨發生日數密切相關。近40年來新疆南部降水量的增多，導致暴雨洪水災害次數增加。年平均災損指數與特重和嚴重災害發生次數密切相關，特重和嚴重災害發生次數對其貢獻率達87%。

綜上所述，新疆作為我國農牧業大省之一，農牧業收入占總收入的70% 以上，新疆南部地區占到80% 以上［33］，暴雨洪水作為影響新疆農牧業生產的重要自然災害之一，嚴重制約著農牧業的發展。前人基于實際災情的暴雨洪水災害評價，主要選取與直接經濟損失相關的要素，尚不能滿足新疆南部地區對暴雨洪水災害主要損失的刻畫。本文選擇與新疆南部地方特色更為貼近的農牧業指標進行討論，以期對暴雨洪水災害損失能更為直觀的評價。對于暴雨洪水災害的分級，現有研究成果主要從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體脆弱性和防災減災能力等方面考慮自然災害風險度，即預測性的評估，或對已發生實際災害從降水條件對災害造成的影響進行劃分，直接對災害損失分級的研究較少。新疆南部屬干旱地區，總降水量小，在已有模型基礎上進行災害評估，會造成災害等級偏小，這與新疆南部雖降水稀少，經濟欠發達，但突發性、強度大的降水仍會對當地造成收入比重較大的災害損失這一事實出現偏差。本文從實際災情出發，對新疆地方標準基礎上的各級降水與不同等級暴雨洪水災害的關系進行分析探討，進一步說明新疆南部降水量的增多，導致暴雨洪水災害次數增加，且主要表現為一般性暴雨洪水災害事件的增多，可作為制定新疆南部地區防御對策的一定參考。因暴雨洪水災害的復雜性，如何建立新疆南部地區暴雨洪水災害敏感性指標，將是后期工作逐步完善的方向。