黑龍江省大風氣候特征分析以及致災危險性區劃

劉赫男，張洪玲，朱紅蕊，徐永清，魏 磊，蔣慧亮

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

大風天氣是指在大尺度環流天氣系統或局地對流天氣系統條件下產生的一種災害性天氣， 是指近地面層風力達8 級或以上的風[1]，大風會毀壞地面設施和建筑物、可造成農作物受災、房屋倒塌、海上作業危害極大，是一種災害性天氣[2-3]。

近些年來， 隨著全球氣候變暖， 極端災害頻發， 諸多學者進行了大風災害氣候特征[4-5]、評估方法[6-7]等方面的研究，但針對黑龍江省此方面的研究甚少[8-10]。大風是黑龍江省主要的災害性天氣之一，尤其是春、夏季，大風現象頻發且強度大范圍廣，造成的危害最為嚴重，例如：2020 年6 月8-9 日，黑龍江省出現了較大范圍、致災嚴重的極端風災，部分站點風力達歷史極值，據統計，此次風災造成12 個縣市3770 人受災、7 人死亡、 農作物受災面積6200 hm2、損壞房屋2279 間、直接經濟損失約2.78 億元[9]。黑龍江是國家糧食安全的“壓艙石”，而大風災害對于農作物的影響尤為重要，所以，研究大風的發生規律和對其進行危險性區劃， 對提高災害性天氣預報精準度、使農業生產順利進行具有重大意義。 本文利用黑龍江省83 個氣象站1978-2020 年逐日風速資料，分析了黑龍江省大風的氣候特征， 并對其致災危險性進行了區劃，對于指導黑龍江省各地經濟生產布局、防災減災有一定的意義。

2 資料和方法

2.1 資料

選擇1978-2020 年黑龍江省83 個國家地面氣象觀測站（圖1）逐日風速資料，統計整理出全省各氣象站最大風速、極大風速數據序列，數據均來自于黑龍江省氣象數據中心。

圖1 黑龍江省國家地面氣象觀測站分布圖

2.2 方法

大風的定義：日極大風速達17.2 m/s（八級）及以上的風。

極大風速資料的延伸：經分析資料后得出，除個別臺站外絕大部分氣象站的最大風速資料序列均比較完整， 但極大風速資料最早的從1995 年開始，最晚的從2007 年開始，數據序列均較短，各個站的數據不利于橫向之間的比較， 也不利于對全省大風事件情況的了解和分析。 對此，有必要采用成熟的統計方法延伸各個站的極大風速序列， 使它們在時間尺度上盡可能的統一。

目前， 采用最廣泛也是得到最多專家學者認可的方法是利用臺站自身的極大風速序列與同期的最大風速序列進行相關分析[11-12]，得到該站極大風速與最大風速關系的模型方程，檢驗方程，結果需通過相關的統計檢驗， 這樣就可以利用方程將同期的極大風速序列推算出來，繼而延伸該站的極大風速序列。同樣方法可以得到全省83 個臺站的長序列的極大風速資料， 填補了各站極大風速資料時間序列短的空白。

3 建立黑龍江省大風數據集

采用一元線性回歸方法分析各站同期的極大風速和最大風速的關系，建立各站的回歸方程，并檢驗方程，結果表明：

（1）各站回歸方程的相關系數均通過了0.01 的顯著性檢驗， 即極大風速和最大風速均存在高度的線性相關；

（2）各站的相對誤差在7.05%-14.89%(表1)，其中有40 個臺站（占比48.2%）相對誤差均在10.0%以下；有21 個臺站（占比25.3%）相對誤差在10.0%-11.0%；有12 個臺站（占比14.5%）相對誤差在11.0%-12.0%；有7 個臺站（占比8.4%）相對誤差在12.0%-13.0%。 可見各站回歸方程的檢驗結果較好，推算結果可信、可以使用。

表1 部分臺站極大風速和最大風速回歸方程

4 黑龍江省大風氣候特征分析

4.1 大風日數

黑龍江省年均大風日數約為18.2 d，呈顯著的減少趨勢 （P＜0.01）， 減少速率約為7.4 d / 10a； 其中1978 年大風日數最多，為42.0 d；2011 年大風日數最少，僅為4.7 d；上世紀80 年代大風日數最多，隨后逐年代減少。 5 月和4 月的大風日數最多， 分別約為3.7 d 和3.6 d；8 月日數最少，僅為0.5 d，可見大風主要發生在春季，夏季和冬季日數最少（圖2）。

圖2 1978-2020 年黑龍江省大風日數的時間變化圖

圖3 黑龍江省大風日數分布

黑龍江省中部偏北和北部地區大風日數偏少，省西部、中部偏南以及東南部地區日數偏多，日數最多的是依蘭（53.3 d），最少的是大慶和北極村（1.2 d和1.5 d）。

4.2 大風風速最大值

黑龍江省年均大風風速最大值約為35.3 m/s，呈顯著的減小趨勢（P＜0.01），每十年減少約為2.5 m/s；其中1983 年風速最大值最大， 約為46.4 m/s；2011年風速最大值最小，約為25.9 m/s，上世紀80 年代大風風速最大，隨后逐年代減小。 5 月和4 月的風速最大值最大，平均約為28.8 m/s 和28.4 m/s；8 月的風速最小，約為21.9 m/s，可見春季的風速最大（圖4）。

圖4 1978-2020 年黑龍江省大風風速最大值的時間變化圖

從圖5 可以看出， 黑龍江省北半部、 東部和南部地區大風風速最大值偏小， 省西南部、 中部偏南以及三江平原西部地區風速偏大， 風速最大的是林口、 集賢和依蘭， 風速分別為46.4 m/s、45.0 m/s 和44.8 m/s，最小的是撫遠（23.0 m/s）。

圖5 黑龍江省大風風速最大值分布

5 研究建立大風災害致災模型

選擇發生大風的頻次和強度作為大風災害致災因子的危險性指數（H），H 可表示為：

其中，G 為大風強度，用年極大風速最大值表示（m/s）；P 為大風頻次，用大風年均日數（d）表示；wG 和wP 為各自的權重，采用層次分析法對歸一化處理后的大風頻次和強度分別賦予權重，且wG+ wP =1。

圖6 為利用上述模型得到的黑龍江省大風致災危險性評估圖， 可以看出大興安嶺地區基本處于低危險區，黑河大部、伊春大部、齊齊哈爾東部、綏化東部、大慶中部、牡丹江西南部以及三江平原東北部地區基本處于較低危險區， 其他地區均處于 “較高—高”危險區，其中嫩江、訥河、甘南、林甸、杜蒙、望奎、肇州、肇源、哈爾濱、阿城、巴彥、木蘭、通河、方正、依蘭、樺南、雙鴨山、佳木斯、集賢、寶清、富錦、蘿北、密山、林口、穆棱、雞西以及綏芬河處于高危險區。

圖6 黑龍江省大風危險性評估圖

6 結論與討論

（1）采用線性回歸方法重建的極大風序列通過了0.01 的顯著性檢驗， 近90%的站點誤差＜12.0%，因此重建數據可信，可作為后續研究基礎數據。

（2）黑龍江省年均大風日數約為18.2 d，呈顯著的減少趨勢，減少速率約為7.4 d / 10a，大風日數逐年代減少明顯； 春季為大風多發季節，5 月和4 月的大風日數最多，8 月最少。 中部偏北和北部地區大風日數偏少， 西部、 中部偏南以及東南部地區日數偏多。

（3）黑龍江省年均大風風速最大值約為35.3 m/s，呈顯著的減小趨勢，每10 a 減少約為2.5 m/s，風速逐年代減小明顯。 春季風速最大，5 月和4 月的風速最大，8 月最小。北半部、東部和南部地區大風風速最小，西南部、中部偏南以及三江平原西部地區風速偏大。

（4）大風致災危險性模型結果可以看出大興安嶺地區基本處于低危險區，黑河大部、伊春大部、齊齊哈爾東部、綏化東部、大慶中部、牡丹江西南部以及三江平原東北部地區基本處于較低危險區， 其他地區均處于“較高—高”危險區。

本文用一元回歸方法續補了各站的極大風速資料， 并對大風災害致災危險性區劃進行了分析研究，統計方法的選擇、致災因子的選定和區劃方法存在一定主觀性，區劃結果會存在適當的誤差；下一步研究內容和方向是災害損失風險計算以及針對不同承災體的影響評估，本研究也為下一步研究奠定了基礎。