邢台市冰雹灾害致灾因子危险性区划研究
时间：2023-02-26 10:20:09 来源：千叶帆 本文已影响人
孙 晶
（邢台市气象局，河北 邢台 054000）
邢台市地势西高东低，地形热力与动力作用导致强对流天气频繁发生，其中冰雹灾害带来的雷雨、大风对社会和经济发展有重大影响[1]。因此，研究冰雹灾害的风险评估与区划，人工影响与干预冰雹灾害的产生，做好冰雹灾害的防御是邢台市急需解决的问题。近年来对冰雹灾害进行风险评估，其权重的研究成为重点。其他学者对冰雹成因的研究分析采用的是层次分析法来确定权重，该方法能系统性、层次化地确定权重，但这种方法有较明显的主观性。本研究中采用层次分析法结合熵权法确定权重，利用熵权法所得权重对层次分析法计算权重进行修订，主观与客观相结合，具有更高的科学性。基于GIS 对邢台市冰雹灾害致灾因子危险性的研究，为人影作业点的部署提供参考，扩大防御范围，为当地农业生产结构布局和调整、气象防灾减灾工作决策提供参考依据[2]。
冰雹发生与是否产生灾情取决于是否影响到人类社会，因此采用邢台地区1983 年-2020 年冰雹灾情资料，以邢台冰雹灾害为研究对象。根据邢台市地形分布特点，下垫面对冰雹的产生影响较大，午后山区的热力不稳定条件与低空垂直切变造成的动力条件，有利于造成强对流天气。从气象灾害风险的定义出发，选取冰雹发生频次、冰雹直径、冰雹持续时间3 个指标，构建致灾因子危险性评估模型。在GIS 软件支持下，建立冰雹灾害事件数据库，利用层次分析法与熵权法结合的分析方法研究冰雹灾害的指标权重，根据灾害的形成机制，构建冰雹致灾因子危险性评估模型，借助空间分析与地图制作功能，对其进行风险评估，绘制邢台冰雹灾害致灾因子危险性区划图。
2.1 数据来源
根据本研究特性选取指标，邢台地区1983-2020 年冰雹灾情资料来源于河北省灾情资料库。
2.2 数据标准化
冰雹灾害评估因子包含若干个指标，由于各评价指标的单位及量纲不同，不能进行比较，因此要对各评价指标进行数据标准化处理。对于各评价指标的标准化方法采用min-max 标准化，公式如下：
其中，xi为待标准化指标值，xmax为评价指标中最大值，xmin为评价指标中最小值，公式（1）为数据正相关标准化公式。
2.3 层次分析法
层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法[3]。层次分析法可以利用少量信息要素，通过数学思维对要解决的复杂问题提供决策方法。根据决策目的和要解决的问题，将其分为不同的考虑因素，按照不同层不同因素的决策准则进行组合，构建层次结构模型[4]。根据评价指标构造判断矩阵，计算最大特征根和特征向量（权向量），进行一致性指标检验，公式如下：
其中，n 为指标个数，λ 为判断矩阵的最大特征根。
定义一致性比率，公式：
其中，CI 为一致性指标，RI 为随机一致性指标。
当一致性比率CR＜0.1 时，不一致程度小，因此认为判断矩阵的一致程度较高，通过一致性检验。
2.4 熵权法
信息熵的定义中可知，可使用数学统计的方法计算熵值，判断某一指标的离散程度。因此，可利用信息熵这个工具，计算出各个指标的权重，为多指标综合评价提供依据。利用信息熵计算出各指标的熵权，通过熵权对评价指标中利用层次分析法得到的权重进行修正，计算其综合权重[5]。
需要计算影响权重的指标中，有m 个待评项目，n 个评价指标，建立原始评价矩阵
计算第j 个指标下第i 个项目目标的指标值占总体项目的比重：
2.5 ArcGIS 空间分析法
利用ArcGIS 将数据进行可视化处理，分析其空间特征，并且在GIS 空间处理技术的支持下，通过对致灾因子不同指标进行综合分析，研究邢台市冰雹灾害致灾因子危险性的规律分析其特征。
通过对冰雹灾情的统计分析，确定冰雹灾害风险评价指标，选取冰雹频次、冰雹直径、冰雹持续时间作为致灾因子危险性的评价指标。
研究冰雹灾害的指标权重时发现，层次分析法的结构分明，直观性强，但存在主观性，熵权法则可以通过熵权对各指标权重进行修正。本次研究利用层次分析法与熵权法结合的分析方法确定权重。
4.1 层次分析法
利用层次分析法确定评级指标的权重。通过层次分析法对各评价指标进行影响分级，构建判断矩阵，计算权重。通过选取的评价指标相互的重要性，建立评价指标判断，则评价指标构造判断矩阵A:
对矩阵A 列向量归一化，求行和并归一化，得到特征向量（权向量）α：
对矩阵A 进行一致性检验，计算A 的最大特征根λ=3.0540
计算得出CR=0.0465＜0.1，通过一致性检验。因此特征向量ω为层次分析法确定权重。
4.2 熵权法
利用熵权法计算权重，对各指标计算信息熵需要计算影响权重的指标中，19 个待评县市区，3 个评价指标。在按照评价县市区计算信息熵时，采用ArcGIS 的统计功能，汇总统计数据用于权重分析。数据整理后，建立原始评价矩阵R（m×n）：
通过公式（5）（6）（7）计算，得出冰雹灾害频次、直径、持续时间指标的权重ω分别为0.4382，0.2676，0.2942。
层次分析法存在主观性，熵权法具有较强客观性，两者修正综合权重。根据熵权法计算的权重修正层次分析法所得权重，即为综合权重。通过公式（8），其中α为层次分析法确定权重，计算综合权重β。
表1 冰雹灾害致灾因子各指标综合权重
整理冰雹灾情数据，逐一排查，将灾情记录的发生地区进行分区域统计，筛选灾情中记录完整且可比较的评估因子，选取冰雹频次、冰雹直径、冰雹持续时间作为评估因子并利用公式（1）处理数据标准化，消除不同量级差异，对标准化后的指标进行空间插值，得到冰雹频次、冰雹直径、冰雹持续时间标准化插值图，分别如图1、2、3 所示。
图1 冰雹频次标准化插值图
图2 冰雹直径标准化插值图
图3 冰雹持续时间标准化插值图
根据冰雹的发生频次、冰雹直径、冰雹持续时间三个指标，分别赋予权重，通过GIS 的空间分析及自然断点法分级，得到致灾因子危险性区划图（图4）。通过图中等级划分情况可以看出，高危险性和次高危险性分布地区较为集中，与冰雹的路径大致相符。高危险区位于隆尧、巨鹿、威县、南宫，低风险区位于邢台市辖区、沙河、宁晋部分地区。对于高风险区与次高风险区进行防雹作业点的布局进行合理规划，政府单位加强对这些地区的冰雹监控与防御工作。
图4 邢台市冰雹致灾因子危险性区划图
初步对邢台冰雹灾害风险区划进行了研究，由于灾情数据整理要人工逐条筛选分类，过程耗费大量的时间，此次研究中未考虑防雹作业点的冰雹过程数据及冰雹过程的雷达数据等方面。通过冰雹灾情的整理发现冰雹发生频次、直径、持续时间的分布特点与冰雹路径密切相关。根据此特点，今后对冰雹灾害风险区划进行深入研究，学习防雹作业点和雷达数据评估指标的分析处理方法，并根据冰雹过程路径探索动态区划的方法。根据致灾因子危险性区划图，高危险区与次高危险区自西向东贯穿邢台市，且相对集中，为邢台铺设防雹作业点的选点和政府冰雹灾害防御工作提供技术支撑。
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