王惠貞，吳瑞芬，姜少杰

（內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，呼和浩特 010051）

0 引言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布最新報告《氣候變化2021：自然科學基礎(chǔ)》，報告指出氣候變化正在給不同地區(qū)帶來多種不同的組合性變化[1]。在全球氣候持續(xù)變暖的大背景下，極端天氣氣候事件更加頻繁，各類氣象災害種類多、分布地域廣，氣象災害造成的損失和影響不斷加重[2]。內(nèi)蒙古地處中國北部，地域遼闊，氣候類型和地形復雜多樣，也是自然災害多發(fā)的地區(qū)[3]。風災是日光溫室生產(chǎn)中常發(fā)性的嚴重災害之一，對日光溫室的毀滅性較大，若防御不當會刮破棚膜，損壞日光溫室設施，降低或破壞溫室的保溫性，造成嚴重危害[4]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)大部地區(qū)光照充足、氣候冷涼，具有發(fā)展設施農(nóng)業(yè)的獨特優(yōu)勢[5]。21世紀以來，內(nèi)蒙古積極推廣設施農(nóng)業(yè)，引導農(nóng)戶依托設施農(nóng)業(yè)進行櫻桃、火龍果等特色農(nóng)產(chǎn)品種植，隨著新技術(shù)的快速發(fā)展，逐步實現(xiàn)了由單一季節(jié)性生產(chǎn)供應到多季節(jié)生產(chǎn)供應的跨越，但受氣候條件影響，設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)頻頻遭受風災損失嚴重[6-8]。

國內(nèi)外對有關(guān)大風災害的指標和評估已有諸多研究[9-15]，針對設施農(nóng)業(yè)大風災害指標的研究也有了一些成果[16-20]，這些研究為日光溫室大風災害評價體系提供了基本方法。但大多數(shù)是從風險概率的角度，對大風的氣候特征和大風災情的時空分布特征進行研究，得出不同區(qū)域大風災害頻數(shù)造成的人員及財產(chǎn)損失等的差異，僅考慮致災因子危險性對設施農(nóng)業(yè)大風災害進行風險區(qū)劃。而根據(jù)自然災害風險評價理論[21]，對于大風災害風險區(qū)劃的研究主要從致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性與防災減災能力等方面進行，目前，通過構(gòu)建綜合評價模型進行設施農(nóng)業(yè)大風風險評估研究尚未見報道。

筆者從日光溫室風載荷的角度，結(jié)合設施農(nóng)業(yè)大風災害的實地調(diào)查資料，確定適用于內(nèi)蒙古地區(qū)的日光溫室大風災害風險評價指標，利用農(nóng)業(yè)氣象災害風險評估方法[22-23]，通過對內(nèi)蒙古119個國家站1990—2019年30年的日最大風速進行研究，分析內(nèi)蒙古地區(qū)大風的強度頻率分布特征以及地形、人口密度和人均GDP等多種因素對設施農(nóng)業(yè)大風災害風險的影響，開展日光溫室大風災害風險區(qū)劃，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、推廣發(fā)展和大風災害的防范提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處中國北部邊疆，地域遼闊，位于37°24′—53°23′N、97°12′—126°04′E之間，由東北向西南斜伸，地形、地貌復雜多樣，以溫帶大陸性季風氣候為主。內(nèi)蒙古地區(qū)光照充足、氣候冷涼，具有發(fā)展設施農(nóng)業(yè)的獨特優(yōu)勢。

1.2 資料來源

本文采用數(shù)據(jù)為內(nèi)蒙古自治區(qū)119站1990—2019年的10 min平均最大風速，來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局。地理信息資料使用全國1:100萬1 km×1 km DEM數(shù)據(jù)，借助GIS平臺生成內(nèi)蒙古1 km×1 km網(wǎng)格的經(jīng)度、緯度、海拔高度地形因子數(shù)據(jù)庫。人口密度、人均GDP等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺。

2 研究方法

2.1 日光溫室大風災害風災預警等級指標的計算方法

風速極值的計算方法采用極值Ⅰ型分布函數(shù)，并利用貝努利方程計算基本風壓，根據(jù)國家標準《溫室結(jié)構(gòu)設計荷載》[24]，進一步計算日光溫室基本風壓。計算溫室風壓時，風載荷體型系數(shù)是影響溫室風壓大小的重要影響因子。風載荷體型系數(shù)值隨著日光溫室前屋面角的增大逐漸增大，據(jù)調(diào)查，內(nèi)蒙古大部地區(qū)建造的日光溫室前屋面角在45°左右，因此，以前屋面角為45°這種結(jié)構(gòu)的溫室為標準，計算風載體型系數(shù)，確定日光溫室基本風壓和溫室大風掀棚指標。

2.2 日光溫室大風災害風險評價指標

本研究從設施農(nóng)業(yè)災害的危險性、敏感性、暴露度和防災減災能力4個方面評估內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)大風災害風險。災害危險性主要是由氣象危險因子活動強度和活動頻率決定的，因此，選取不同災害等級和各等級大風災害發(fā)生頻率和強度作為致災因子危險性指標，選取地形（海拔）這個因子作為孕災環(huán)境敏感性指標，選取人口密度作為暴露度指標，選取人均GDP作為防災減災能力指標（圖1）。

圖1 內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)大風災害風險評估技術(shù)路線

運用層次分析法，由專家對所列要素通過兩兩比較重要程度打分[24]，構(gòu)造判斷矩陣，進行權(quán)重求算和一致性檢驗，得到各因子對災害風險的貢獻（表1）。

表1 日光溫室大風災害風險各因子的貢獻

基于上述分析建立了內(nèi)蒙古日光溫室大風災害綜合風險指數(shù)模型，如式(1)所示。

其中，Z表示大風災害綜合風險指數(shù)，W表示大風災害致災因子危險性指數(shù)，M表示大風災害孕災環(huán)境敏感性指數(shù)，B表示大風災害孕災環(huán)境暴露度，F(xiàn)表示大風災害防災減災能力指數(shù)。

2.3 資料標準化處理

在構(gòu)建綜合風險指數(shù)時，為了使數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一量綱之間，對各項指標（危險性因子、敏感性指數(shù)因子等）均進行了極差標準化[25]，如式(2)所示。

式中，k*為極差標準化后的數(shù)據(jù)，k為原始指標數(shù)據(jù)，kmax和kmin分別為該指標中的最大值和最小值。

2.4 專題圖制作

各因子的專題圖及綜合風險區(qū)劃圖的制作采用ArcGIS 10.3版本。

3 結(jié)果與分析

3.1 日光溫室大風掀棚指標的確定

溫室的風荷載體型系數(shù)與其體型、尺寸、風向有關(guān)，考慮到溫室的種類繁多，在規(guī)模、種類、材料、重要性、耐用年限、結(jié)構(gòu)等方面存在著很大的差異，缺乏統(tǒng)一性，因此在充分調(diào)研內(nèi)蒙古日光溫室建造結(jié)構(gòu)、規(guī)模、使用年限的前提下，以有代表性的長80 m、寬7.5 m、高4.2 m的標準日光溫室為基礎(chǔ)，確定溫室所受的最大風壓。

日光溫室的前屋面角是確定風載荷體型系數(shù)的主要依據(jù)，按照內(nèi)蒙古溫室結(jié)構(gòu)特點，計算前屋面角45°溫室結(jié)構(gòu)溫室所能承受的最大風速作為其遭受大風危害的臨界預警指標?！稖厥医Y(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[24]中建議考慮溫室的結(jié)構(gòu)安全度、設計使用期限等實際情況進行重現(xiàn)期的確定，把5 m高度處30年重現(xiàn)期的風壓作為日光溫室的臨界風壓，日常天氣預報的是10 m高度處10 min平均最大風速，因此需要對風速指標進行風隨高度的換算，以滿足實際業(yè)務需要，確定大風掀棚臨界風速指標（圖2）。各區(qū)域日光溫室大風掀棚臨界指標呈東北部及南部小、西部和北部大的分布特點。高值區(qū)主要分布在西部偏北地區(qū)；中、高值區(qū)主要分布在地區(qū)中西部偏北大部和東南部部分地區(qū)，10 min平均風速為8～12.1 m/s，給該地區(qū)日光溫室的建造提出了較高的要求；較低值區(qū)主要分布在陰山北麓偏北地區(qū)和河套灌區(qū)，10 min平均風速為7.6～8 m/s；低值區(qū)分布在東北部地區(qū)，10 min最大平均風速小于7.6 m/s。

圖2 30年重現(xiàn)期日光溫室大風掀棚指標

考慮內(nèi)蒙古的氣候特點、日光溫室發(fā)生大風災害的指標以及設施農(nóng)業(yè)的分布，以119站中的最大、次大、平均值分別作為輕、中、重度風災的指標。將災害劃分為輕、中、重3級，以輕度風災（7.6 m/s≤日最大風速＜10.2 m/s）、中度風災（10.2 m/s≤日最大風速＜12.1 m/s）、重度風災（日最大風速≥12.1 m/s）為界限，通過日最大風速是否大于臨界值來判斷大風災害是否發(fā)生。

3.2 日光溫室大風災害危險性分析

3.2.1 春季日光溫室大風災害危險性分析 日光溫室春季大風災害危險性指數(shù)在0.22～0.49之間，平均為0.29。基本無風險區(qū)，危險性風險指數(shù)＜0.26，約占全區(qū)總面積的12%，面積約為13.7萬km2，主要分布在呼倫貝爾東南部、興安盟東部和赤峰市東部地區(qū)，該區(qū)為燕山丘陵區(qū)東部農(nóng)區(qū)和西遼河灌區(qū)大部。低風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.26～0.30，約占全區(qū)總面積的30%，面積約為34.6萬km2，主要分布在大興安嶺北麓地區(qū)、東南部偏西地區(qū)、河套地區(qū)和西部地區(qū)，農(nóng)區(qū)主要包括赤峰市中部偏南和河套灌區(qū)。中風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.30～0.32，約占全區(qū)總面積的40%，面積約為46.3萬km2，但以牧區(qū)和林區(qū)為主，主要分布在中部偏北和西部偏南地區(qū)，農(nóng)區(qū)主要包括陰山南麓西段。高風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)＞0.32，約占全區(qū)總面積的18%，面積約為20.8萬km2，陰山南麓東段、陰山北麓偏南地區(qū)和中東部偏南大部地區(qū)，該區(qū)域以山區(qū)為主，主要分布在陰山山脈和大興安嶺山脈地區(qū)，農(nóng)區(qū)主要包括陰山北麓農(nóng)區(qū)和中部偏南農(nóng)區(qū)（圖3）。

圖3 春季日光溫室大風災害致災因子危險性

3.2.2 秋季日光溫室大風災害危險性分析 日光溫室秋季大風災害危險性指數(shù)在0.12～0.62之間，平均為0.27，分布趨勢接近春季?；緹o風險區(qū)，危險性風險指數(shù)＜0.22，約占全區(qū)總面積的10%，面積約為11.0萬km2，主要分布在東部偏南大部農(nóng)區(qū)，較春季面積稍小。低風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.22～0.29，約占全區(qū)總面積的29%，面積約為33.6萬km2，以西南部農(nóng)區(qū)、大興安嶺東南麓農(nóng)區(qū)和東部偏西牧區(qū)為主，主要分布在河套地區(qū)、陰山南麓西段地區(qū)和東南部偏西地區(qū)。中風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.29～0.33，約占全區(qū)總面積的42%，面積約為48.8萬km2，陰山北麓以北地區(qū)、中部大部地區(qū)和大興安嶺西麓地區(qū)，農(nóng)區(qū)主要分布在中部偏南地區(qū)。高風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)＞0.33，約占全區(qū)總面積的19%，面積約為22.1萬km2，該區(qū)域以東北部大興安嶺山脈地區(qū)、陰山地區(qū)和西北部沙漠地區(qū)為主，農(nóng)區(qū)主要分布在陰山北麓地區(qū)（圖4）。

圖4 秋季日光溫室大風災害致災因子危險性

3.2.3 冬季日光溫室大風災害危險性分析 日光溫室冬季大風災害危險性指數(shù)在0.10～0.62之間，平均為0.29?；緹o風險區(qū)，危險性風險指數(shù)＜0.21，約占全區(qū)總面積的13%，面積約為15.3萬km2，主要分布在東部偏南地區(qū)，該區(qū)以西北部地區(qū)為主。低風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.21～0.28，約占全區(qū)總面積的35%，面積約為40.4萬km2，以東部偏東地區(qū)、大興安嶺西麓地區(qū)和西部偏北地區(qū)為主，農(nóng)區(qū)主要分布在河套地區(qū)、燕山丘陵區(qū)東部和西遼河灌區(qū)和大興安嶺東麓地區(qū)。中風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.28～0.34，約占全區(qū)總面積的36%，面積約為41.3萬km2，主要集中在中部偏北地區(qū)、西部偏南地區(qū)和東南部偏西地區(qū)，但以牧區(qū)和林區(qū)為主，農(nóng)區(qū)主要分布在西部偏西南地區(qū)、陰山北麓地區(qū)和中東部偏北地區(qū)。高風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)＞0.34，約占全區(qū)總面積的16%，面積約為18.4萬km2，但該區(qū)域以山區(qū)和沙漠為主，主要分布在東北部和西北部地區(qū)（圖5）。

圖5 冬季日光溫室大風災害致災因子危險性

日光溫室大風災害綜合危險性指數(shù)在0.21～0.59之間，平均為0.30?；緹o風險區(qū)，危險性風險指數(shù)＜0.27，約占全區(qū)總面積的19%，面積約為22.2萬km2，主要分布在東部偏東地區(qū)和西北部地區(qū)，該區(qū)包括東部主要農(nóng)區(qū)。低風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.27～0.31，約占全區(qū)總面積的30%，面積約為34.6萬km2，以農(nóng)區(qū)為主，農(nóng)區(qū)主要包括河套地區(qū)、土黙川地區(qū)、燕山丘陵區(qū)中部和中東部地區(qū)。中風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)在0.31～0.35，約占全區(qū)總面積的36%，面積約為41.4萬km2，但以牧區(qū)和林區(qū)為主，主要分布在西部偏南地區(qū)、中部偏北地區(qū)和大興安嶺西麓沿山地區(qū)。高風險區(qū)大風災害危險性指數(shù)＞0.35，約占全區(qū)總面積的15%，面積約為17.3萬km2，但該區(qū)域以農(nóng)區(qū)和牧區(qū)為主，農(nóng)區(qū)主要分布在陰山北麓地區(qū)和中部偏南地區(qū)（圖6、表2）。

圖6 內(nèi)蒙古日光溫室大風災害致災因子危險性

表2 內(nèi)蒙古日光溫室大風災害危險性指標小網(wǎng)格推算模型及顯著性檢驗

3.3 設施農(nóng)業(yè)大風災害暴露性分析

承災體暴露度主要是分析農(nóng)業(yè)系統(tǒng)易于遭受大風致災因子的破壞、傷害的特性；值越大，承災體暴露程度越大，抵御大風的能力越小，發(fā)生大風災害的風險值越高。參考前人研究及已掌握的數(shù)據(jù)資料，選取人口密度表示大風災害的承災體暴露度，利用GIS的自然斷點分級法將內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)大風災害的承災體暴露度因子按照4個等級分區(qū)，得到內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)大風災害的承災體暴露度分布圖（圖7）。可以看出，河套灌區(qū)、中東部偏南及呼倫貝爾市偏北及嶺東南地區(qū)處于暴露度指數(shù)較高，這些地區(qū)人口密度較大，而阿拉善盟及中部偏北牧區(qū)以及大興安嶺林區(qū)暴露度最低，上述地區(qū)基本以牧區(qū)或林區(qū)、沙地為主，人煙稀少，耕地面積比重小，因此其承災體的暴露度相對較低。

圖7 內(nèi)蒙古日光溫室大風災害暴露度指數(shù)圖

3.4 設施農(nóng)業(yè)大風災害敏感性分析

地形對風速影響較大，一般而言，風速隨海拔升高而增大，因此選取海拔高度表示大風災害的承載體敏感性，所處海拔高度對設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形成的危害也較大。利用GIS的自然斷點分級法將內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)大風災害承災體敏感性因子按照4個等級分區(qū)，得到內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)大風承災體敏感性分布圖（圖8）。可以看出，大興安嶺東南麓和大興安嶺西麓偏北地區(qū)為敏感性低值區(qū)，陰山北麓地區(qū)為敏感性中、高值地區(qū)，其余地區(qū)為較低值區(qū)。

圖8 內(nèi)蒙古日光溫室大風災害敏感性指數(shù)圖

3.5 設施農(nóng)業(yè)大風災害防災減災能力分析

受大風災害影響程度與外界條件密切相關(guān)，但致災程度與防災水平密切關(guān)聯(lián)，如果防范措施得當，作物依然可以存活。防災減災能力表示一個區(qū)域設施農(nóng)業(yè)對大風災害的防御能力，與當?shù)氐姆罏募夹g(shù)水平和投入有關(guān)。防災減災能力主要是分析受災區(qū)在遭受大風災害后的恢復能力，防災減災能力值越大，說明承災體遭受大風災害后恢復能力越強，風險度越小。選取人均GDP的標準化指數(shù)表示防災減災能力F。

由圖9可以看出，鄂爾多斯東部、巴彥淖爾市南部、呼和浩特市中部、包頭市南部、赤峰市東南部、通遼市中部、興安盟東部部分地區(qū)和呼倫貝爾嶺西零星地區(qū)防災減災能力最強，西北地區(qū)和中部偏北地區(qū)基本為牧區(qū)和沙漠地帶，地廣人稀，抗災能力最低。

圖9 內(nèi)蒙古日光溫室大風災害防災減災能力區(qū)劃圖

3.6 設施農(nóng)業(yè)大風災害綜合風險評價與區(qū)劃

根據(jù)對日光溫室前屋面角35°大風災害綜合風險指數(shù)進行等級劃分，分別為低風險區(qū)、較低風險區(qū)、中風險區(qū)和高風險區(qū)（圖10）。

圖10 內(nèi)蒙古日光溫室大風災害綜合風險區(qū)劃圖

低風險區(qū)大風災害風險指數(shù)＜0.17，約占全區(qū)總面積的14%，面積約為16.4萬km2，主要集中在東部主要農(nóng)區(qū)，主要包括呼倫貝爾東部和偏西部、興安盟東部、通遼南部、赤峰東部，農(nóng)區(qū)主要分布在大興安嶺東南麓地區(qū)。

較低風險區(qū)大風災害風險指數(shù)在0.17～0.22之間，約占全區(qū)總面積的31%，面積約為35.2萬km2，以農(nóng)區(qū)和牧區(qū)為主，主要分布在呼倫貝爾大興安嶺沿山地區(qū)、興安盟西部、通遼北部、赤峰中部、錫林郭勒盟北部零星地區(qū)、呼和浩特中部、鄂爾多斯偏北部邊緣地帶、巴彥淖爾市偏南部和西北部地區(qū)、烏海市及阿拉善盟北部，農(nóng)區(qū)主要分布在燕山丘陵區(qū)西部和河套灌區(qū)。

中風險區(qū)大風災害風險指數(shù)在0.22～0.27之間，約占全區(qū)總面積的38%，面積約為43.6萬km2，以牧區(qū)和林區(qū)為主，大部地區(qū)為非主要農(nóng)區(qū)，主要包括西部偏南和中部偏北地區(qū)及大興安嶺山區(qū)，農(nóng)區(qū)主要分布在陰山南麓地區(qū)。

高風險區(qū)大風災害風險指數(shù)＞0.28，約占全區(qū)總面積的17%，面積約為20.0萬km2，主要集中在中西部農(nóng)區(qū)，包括興安盟東北部、赤峰市西部、錫林郭勒盟南部、烏蘭察布市南部、呼和浩特市北部、包頭市南部、巴彥淖爾市中部、鄂爾多斯市中部及阿拉善盟南部零星地區(qū)，農(nóng)區(qū)主要分布在中部偏南和陰山北麓地區(qū)。

4 結(jié)論與討論

內(nèi)蒙古大部分地區(qū)處于北緯40°以上，總的氣候特點是春季氣溫驟升，多大風天氣，夏季短促而炎熱，降水集中，秋季氣溫劇降，霜凍往往早來，冬季氣溫寒冷，晝夜溫差大，光照強度大，日照時間短。內(nèi)蒙古地區(qū)地域遼闊，地形、地貌多樣性，日光溫室總體結(jié)構(gòu)性能、日光溫室的生產(chǎn)現(xiàn)狀、管理水平各地方也存在著較大的差異。立足內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展背景，依據(jù)對我區(qū)日光溫室生產(chǎn)現(xiàn)狀的調(diào)查，以前屋面角為45°的常見日光溫室為標準，分析日最大風速和日光溫室基本風壓，用日光溫室大風掀棚指標來定義輕度、中度、重度3個等級指標以實現(xiàn)內(nèi)蒙古大風災害的精細化區(qū)分，最終建立基于危險性、敏感性、暴露度和防災減災能力4種因子的日光溫室大風災害風險區(qū)劃指標體系，運用該模型實現(xiàn)對內(nèi)蒙古日光溫室大風災害的風險評價。評價結(jié)果表明，對于同一種結(jié)構(gòu)的日光溫室，在不同季節(jié)，日光溫室大風災害的風險等級分布有一定差異，此外，在相同季節(jié)，不同地區(qū)由于地理位置影響，災害風險等級分布也有差異。

從前屋面角45°日光溫室大風災害危險性風險指數(shù)來看，春季和秋季的分布趨勢較接近，東部偏東和河套灌區(qū)大風災害風險偏低，陰山和大興安嶺山脈地區(qū)較高，而冬季風險指數(shù)相對高于春、秋季，秋季中、高風險地區(qū)占比較大。整體來看，不同結(jié)構(gòu)日光溫室大風災害綜合風險指數(shù)分布特征顯示，沿山地區(qū)風險總體較高，陰山北麓地區(qū)，春季災害風險較高，原因是此區(qū)春、秋季大風天氣較多，危險性指數(shù)較高，同時陰山北麓地區(qū)由于海拔較高、人口密度較大，該地區(qū)敏感性和暴露度較高，成為影響設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要風災因子，因此陰山北麓區(qū)在發(fā)展日光溫室時要盡量避免大風天氣的影響。東南部燕山丘陵地區(qū)風災風險較低，考慮風災的影響，該地區(qū)最適宜日光溫室發(fā)展。

本研究主要立足于大風災害對日光溫室影響的風險進行系統(tǒng)的評定，以災害風險理論為框架，從影響大風災害的致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性以及防災減災能力4個方面構(gòu)建了基于ArcGIS多源柵格計算的綜合風險評價模型，為設施農(nóng)業(yè)氣象大風災害評估提供了技術(shù)指標，并為風災預報預警和災害評估奠定了前提和基礎(chǔ)。