邢臺市冰雹災害致災因子危險性區劃研究

孫 晶

（邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

邢臺市地勢西高東低，地形熱力與動力作用導致強對流天氣頻繁發生，其中冰雹災害帶來的雷雨、大風對社會和經濟發展有重大影響[1]。因此，研究冰雹災害的風險評估與區劃，人工影響與干預冰雹災害的產生，做好冰雹災害的防御是邢臺市急需解決的問題。近年來對冰雹災害進行風險評估，其權重的研究成為重點。其他學者對冰雹成因的研究分析采用的是層次分析法來確定權重，該方法能系統性、層次化地確定權重，但這種方法有較明顯的主觀性。本研究中采用層次分析法結合熵權法確定權重，利用熵權法所得權重對層次分析法計算權重進行修訂，主觀與客觀相結合，具有更高的科學性。基于GIS 對邢臺市冰雹災害致災因子危險性的研究，為人影作業點的部署提供參考，擴大防御范圍，為當地農業生產結構布局和調整、氣象防災減災工作決策提供參考依據[2]。

1.研究內容

冰雹發生與是否產生災情取決于是否影響到人類社會，因此采用邢臺地區1983 年-2020 年冰雹災情資料，以邢臺冰雹災害為研究對象。根據邢臺市地形分布特點，下墊面對冰雹的產生影響較大，午后山區的熱力不穩定條件與低空垂直切變造成的動力條件，有利于造成強對流天氣。從氣象災害風險的定義出發，選取冰雹發生頻次、冰雹直徑、冰雹持續時間3 個指標，構建致災因子危險性評估模型。在GIS 軟件支持下，建立冰雹災害事件數據庫，利用層次分析法與熵權法結合的分析方法研究冰雹災害的指標權重，根據災害的形成機制，構建冰雹致災因子危險性評估模型，借助空間分析與地圖制作功能，對其進行風險評估，繪制邢臺冰雹災害致災因子危險性區劃圖。

2.研究方法

2.1 數據來源

根據本研究特性選取指標，邢臺地區1983-2020 年冰雹災情資料來源于河北省災情資料庫。

2.2 數據標準化

冰雹災害評估因子包含若干個指標，由于各評價指標的單位及量綱不同，不能進行比較，因此要對各評價指標進行數據標準化處理。對于各評價指標的標準化方法采用min-max 標準化，公式如下：

其中，xi為待標準化指標值，xmax為評價指標中最大值，xmin為評價指標中最小值，公式（1）為數據正相關標準化公式。

2.3 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種定性和定量相結合的、系統的、層次化的分析方法[3]。層次分析法可以利用少量信息要素，通過數學思維對要解決的復雜問題提供決策方法。根據決策目的和要解決的問題，將其分為不同的考慮因素，按照不同層不同因素的決策準則進行組合，構建層次結構模型[4]。根據評價指標構造判斷矩陣，計算最大特征根和特征向量（權向量），進行一致性指標檢驗，公式如下：

其中，n 為指標個數，λ 為判斷矩陣的最大特征根。

定義一致性比率，公式：

其中，CI 為一致性指標，RI 為隨機一致性指標。

當一致性比率CR＜0.1 時，不一致程度小，因此認為判斷矩陣的一致程度較高，通過一致性檢驗。

2.4 熵權法

信息熵的定義中可知，可使用數學統計的方法計算熵值，判斷某一指標的離散程度。因此，可利用信息熵這個工具，計算出各個指標的權重，為多指標綜合評價提供依據。利用信息熵計算出各指標的熵權，通過熵權對評價指標中利用層次分析法得到的權重進行修正，計算其綜合權重[5]。

需要計算影響權重的指標中，有m 個待評項目，n 個評價指標，建立原始評價矩陣

計算第j 個指標下第i 個項目目標的指標值占總體項目的比重：

2.5 ArcGIS 空間分析法

利用ArcGIS 將數據進行可視化處理，分析其空間特征，并且在GIS 空間處理技術的支持下，通過對致災因子不同指標進行綜合分析，研究邢臺市冰雹災害致災因子危險性的規律分析其特征。

3.冰雹災害致災因子危險性模型建立

通過對冰雹災情的統計分析，確定冰雹災害風險評價指標，選取冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續時間作為致災因子危險性的評價指標。

4.冰雹災害風險評估綜合權重確定

研究冰雹災害的指標權重時發現，層次分析法的結構分明，直觀性強，但存在主觀性，熵權法則可以通過熵權對各指標權重進行修正。本次研究利用層次分析法與熵權法結合的分析方法確定權重。

4.1 層次分析法

利用層次分析法確定評級指標的權重。通過層次分析法對各評價指標進行影響分級，構建判斷矩陣，計算權重。通過選取的評價指標相互的重要性，建立評價指標判斷，則評價指標構造判斷矩陣A:

對矩陣A 列向量歸一化，求行和并歸一化，得到特征向量（權向量）α：

對矩陣A 進行一致性檢驗，計算A 的最大特征根λ=3.0540

計算得出CR=0.0465＜0.1，通過一致性檢驗。因此特征向量ω為層次分析法確定權重。

4.2 熵權法

利用熵權法計算權重，對各指標計算信息熵需要計算影響權重的指標中，19 個待評縣市區，3 個評價指標。在按照評價縣市區計算信息熵時，采用ArcGIS 的統計功能，匯總統計數據用于權重分析。數據整理后，建立原始評價矩陣R（m×n）：

通過公式（5）（6）（7）計算，得出冰雹災害頻次、直徑、持續時間指標的權重ω分別為0.4382，0.2676，0.2942。

層次分析法存在主觀性，熵權法具有較強客觀性，兩者修正綜合權重。根據熵權法計算的權重修正層次分析法所得權重，即為綜合權重。通過公式（8），其中α為層次分析法確定權重，計算綜合權重β。

表1 冰雹災害致災因子各指標綜合權重

5.冰雹災害風險評估

整理冰雹災情數據，逐一排查，將災情記錄的發生地區進行分區域統計，篩選災情中記錄完整且可比較的評估因子，選取冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續時間作為評估因子并利用公式（1）處理數據標準化，消除不同量級差異，對標準化后的指標進行空間插值，得到冰雹頻次、冰雹直徑、冰雹持續時間標準化插值圖，分別如圖1、2、3 所示。

圖1 冰雹頻次標準化插值圖

圖2 冰雹直徑標準化插值圖

圖3 冰雹持續時間標準化插值圖

根據冰雹的發生頻次、冰雹直徑、冰雹持續時間三個指標，分別賦予權重，通過GIS 的空間分析及自然斷點法分級，得到致災因子危險性區劃圖（圖4）。通過圖中等級劃分情況可以看出，高危險性和次高危險性分布地區較為集中，與冰雹的路徑大致相符。高危險區位于隆堯、巨鹿、威縣、南宮，低風險區位于邢臺市轄區、沙河、寧晉部分地區。對于高風險區與次高風險區進行防雹作業點的布局進行合理規劃，政府單位加強對這些地區的冰雹監控與防御工作。

圖4 邢臺市冰雹致災因子危險性區劃圖

6.結論

初步對邢臺冰雹災害風險區劃進行了研究，由于災情數據整理要人工逐條篩選分類，過程耗費大量的時間，此次研究中未考慮防雹作業點的冰雹過程數據及冰雹過程的雷達數據等方面。通過冰雹災情的整理發現冰雹發生頻次、直徑、持續時間的分布特點與冰雹路徑密切相關。根據此特點，今后對冰雹災害風險區劃進行深入研究，學習防雹作業點和雷達數據評估指標的分析處理方法，并根據冰雹過程路徑探索動態區劃的方法。根據致災因子危險性區劃圖，高危險區與次高危險區自西向東貫穿邢臺市，且相對集中，為邢臺鋪設防雹作業點的選點和政府冰雹災害防御工作提供技術支撐。