Risk assessment of meteorological disasters of loquat planting in Xianning of Hubei based on GIS
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摘要:
气象灾害是影响枇杷规模化种植和发展最重要的因素之一。以湖北省咸宁市典型枇杷产区为例，首先在对该区近10 a枇杷种植情况及气象灾害调查的基础上，结合该市6个国家级气象站及135个区域气象站观测资料以及30 m×30 m精度的DEM高程数据，分析确定致灾因子指标，建立枇杷气象灾害指数和等级标准；然后，利用层次分析法计算得到各气象灾害危险指数权重，构建气象灾害综合危险性评价模型；最后，借助多元回归分析方法建立气象灾害概率空间分布函数，结合GIS技术，对该市枇杷种植的气象灾害危险性进行评价和区划。结果表明：（1）咸宁市枇杷种植的气象灾害主要是低温冻害、高温热害和春季连阴雨，其中低温冻害对枇杷种植的危险性高于春季连阴雨和高温热害。（2）咸宁市中部、南部的中高山地区为枇杷种植的高危险区，中部和南部山体以北的丘陵、低山区为中危险区，北部沿江滨湖区、中部盆地及湖库四周为低危险区。（3）咸宁市枇杷种植的气象灾害危险性与地理因子之间关系密切。随着海拔增高，枇杷遭受低温冻害和连阴雨灾害的危险性呈增大趋势，高温热害的危险性则呈降低趋势；由于水体增温效应和山体对南下强冷空气的屏障作用，沿江、湖库等近水体区域及中高山体南部近邻区域枇杷种植的重度低温危险性较低。
Abstract:The meteorological disaster is one of the most important factors affecting the large-scale planting and development of loquat. Taking the typical loquat producing areas in Xianning City of Hubei as an example, firstly, based on the investigation of planting situation and meteorological disasters in this areas in recent 10 years, combined with the observational data at the 6 national meteorological stations and the 135 regional weather stations in Xianning as well as the DEM elevation data of 30 m×30 m, we analyzed the disaster-causing factors and established the meteorological disaster index and its grade standard of loquat. Secondly, we constructed a comprehensive hazard assessment model of meteorological disasters by using the weight of each meteorological disaster hazard index calculated by Analytic Hierarchy Process. Finally, with the spatial distribution function of disaster probability established by the multiple regression analysis method combining the GIS technology, we conducted the evaluation and zoning of meteorological disaster hazard of loquat planting in this city. The results showed that (1) the meteorological disasters of loquat planting in Xianning City are mainly low temperature freeze injury, high temperature heat injury, and continuous rain in spring. Among them, the risk of low temperature freezing injury of loquat planting is higher than those of spring continuous rain and high temperature heat injury. (2) The middle-high mountains in the middle and the southern part of Xianning are the high-hazard areas of loquat planting. The hills and low mountains in the north of middle and southern mountains in Xianning are the middle-hazard areas. The lakeside area along the river in the north, the basin in the middle and the surrounding areas of lakes and reservoirs in Xianning are the low-hazard areas. (3) The meteorological disaster hazard of loquat planting in Xianning is closely related to geographical factors. As the altitude increase, the hazards of loquat suffering from low temperature freezing injury and continuous rain disaster increase, while the hazard of high temperature heat injury to loquat decreases. Due to the warming effect of water bodies and the blocking effect of mountains on the southward strong cold air, the hazard of severe low temperature to loquat planting is low in the areas near water bodies such as rivers, lakes, and reservoirs, and the southern neighboring areas of mid-high mountains in Xianning.
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Keywords:
- loquat /
- meteorological disaster /
- hazard assessment /
- GIS technology /
- Xianning
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引言
枇杷(Eriobotrya japonica Lindl.) 是亚热带常绿果树，喜温暖湿润气候。枇杷冬季开花、春季形成果实，冬季至早春是枇杷的花果期，其幼果在低于-3.0 ℃、花蕾在低于-6.0 ℃的低温环境中易受冻害，致使其座果率、品质和产量降低(陈正洪, 1991; 黄寿波等，2000；中国气象局，2015；魏华兵等，2022)；其果实在青果期到黄熟期的转色阶段，若遇晴热高温，易受日灼伤害(邓朝军等，2012；魏华兵等，2021)；春季长时间连续阴雨(≥5 d)可引起枇杷落花落果、裂果、烂果等现象。因此，气象灾害不仅影响枇杷产量，还会降低其果实品质，已成为威胁枇杷规模化种植和农户增收的重要风险因素。
气象灾害危险性评价是气象灾害风险评价的基础和重要内容，也是提高气象防灾减灾能力的重要手段。因此，气象灾害危险性评价在农业种植业合理布局和产业化发展中被广为应用(王春乙等，2015)。基于致灾因子发生概率的危险性评价是农业气象灾害危险性评价的常用方法，适用于灾害防御规划以及项目或工程的前期建设(章国材，2010)。以往相关研究成果较多侧重于综合农业生产多灾种(于飞等，2009) 或作物单一灾种致灾因子危险性时空分布研究(杜尧东等，2006；包云轩等，2012；陈凯奇和米娜，2016)，而多灾种的枇杷气象灾害综合风险评估研究仅见于福建、浙江等地的枇杷产区(陈家金等，2014)。咸宁市属亚热带湿润季风气候，是湖北省重要的优质枇杷产区之一(王会良等，2017)。枇杷在咸宁市各乡镇广为种植，面积在1.5 hm2以上的规模种植园主要分布在该市北部和中部的部分乡镇，位于该市中部的通山县大畈镇因邻近面积达260 km2的富水湖而更具小气候优势，成为该市枇杷集中种植面积最大的乡镇，其种植的“隐水枇杷”获得国家地理标志认证，从2020年提出“促进枇杷产业发展的种植面积倍增计划”以来，“隐水枇杷”种植面积和产量不断增加，成为当地政府促进乡村振兴和农民增收的重点支柱产业。咸宁市境内地形复杂，平原、湖泊、山地交错，海拔落差较大(最高处达1 656 m，最低处仅28 m)，局地小气候差异明显。为此，本文结合前期研究成果，利用对2011—2020年咸宁市典型枇杷产区的产量、品质等生产种植调查资料以及气象观测资料和灾情调查资料，分析影响枇杷种植的主要气象灾害、致灾因子指标临界值和气象灾害危险指数等级概率空间分布，基于气象灾害综合危险指数模型进行枇杷气象灾害综合危险性等级区划，以期为咸宁市调整枇杷产业布局和减轻气象灾害损失提供技术参考。
1. 资料与方法
1.1 研究区概况
咸宁市位于长江中下游南岸、幕阜山北麓，地理位置介于113°32' E—114°58'E、29°02'N—30°19'N之间，下辖嘉鱼、崇阳、通城、通山、赤壁、咸安6个县(市、区)，地处山地—丘陵—平原的过渡带，地势南高北低，北部为沿江滨湖平原区，中部为丘陵与山间盆地区，南部为幕阜山中高山区；年平均气温17.4 ℃、降水量1 640.4 mm、日照时数1 577.2 h、相对湿度76%，境内气候温和，降水充沛，光照充足，四季分明，无霜期长，气候资源与条件对枇杷生长十分有利；该市可利用的土地面积为34.4万hm2，土壤以红壤、黄棕壤及其改性土壤为主，pH值为5.5~6.7，土层水热条件均较优越，有机质累积深厚，自然肥力较高，较适合于枇杷大面积种植。
1.2 资料来源与处理方法
1.2.1 资料来源
本文所用气象资料为湖北省气象信息保障中心提供的1991—2020年咸宁市所属咸宁、通山、通城、崇阳、赤壁、嘉鱼6个国家级气象观测站(以下简称国家站)及其2011—2020年135个区域气象观测站(以下简称区域站)的逐日气温、降水数据。
枇杷气象灾害、产量、品质及物候期等资料来源于对咸宁市典型枇杷种植区(通山县大畈镇枇杷基地) 2011—2020年实地调查所获得的资料。枇杷主要物候期: 开花期为10月下旬—次年1月中旬；幼果期为1月上旬—2月下旬；转色期为4月中旬—5月中旬；成熟期为5月中旬— 6月上旬。表 1给出2008—2020年通山县枇杷气象灾害年的单树产量、品质、年景以及损失情况(其结果来源于对枇杷种植户的入户调查，并经过了通山县枇杷协会种植专家审核)。从表 1中可见，开花至幼果期(12月下旬—次年2月下旬)的低温冻害、转色期(4月中旬—5月中旬)的高温热害和成熟前期(3—5月)的连阴雨是影响咸宁市枇杷种植的主要气象灾害。
表 1 2008—2020年通山县枇杷灾害年的灾损情况及主要气象灾害类型与指标Table 1. Losses and the main meteorological disaster types and their indexes in the years of loquat disaster in the loquat planting area of Tongshan County in Xianning City from 2008 to 2020年份 年景 单树产量/kg 品质 灾损程度 气象灾害类型(发生期) 气象灾害指标 2008 歉收 10.0~12.5 中等 严重 冻害(花果期) Tmin≤-3.0 ℃日数14 d；极端低温-5.4 ℃ 2012 丰收 22.5~25.0 中等 轻微 连阴雨(成熟前期) 最长连阴雨降水量93.9 mm；最长连阴雨日数7 d 2013 丰收 20.0~22.5 优 轻微 冻害(花期) Tmin≤-3.0 ℃日数4 d；极端低温-6.2 ℃ 2018 歉收 15.0~17.5 优 严重 低温冻害(幼果期) Tmin≤-3.0 ℃日数12 d；极端低温-6.3 ℃ 2020 歉收 17.5~20.0 中等 中等 高温灼伤(转色期) Tmax≥34.5 ℃日数3 d；极端高温36.3 ℃ 注: Tmin和Tmax分别为极端最低、最高气温 地理信息数据为咸宁市行政区边界范围30 m× 30 m的DEM高程数据，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云的对外公开数据(http://www.cnic.cas.cn/)。
1.2.2 区域站气象资料处理
考虑气候资料序列时段的一致性，参考王海军等(2008)对相关气象资料的补插方法，采用回归方法对咸宁市区域站逐日气温资料进行延伸处理。其处理方程为
$$ y=Y_n+r \frac{\sigma_y}{\sigma_z}\left(z-Z_n\right) $$ (1) 式(1)中，Z为参证站(距区域站最近的国家站)气象要素；Y为区域站气象要素；z、q分别为气候要素序列；Zn、Yn分别为Z和Y在n年内的序列平均值；r为两站气象要素序列的相关系数；σz、σy分别为两站序列的均方差。
1.2.3 空间数据处理
为提升危险性评价的精细化程度，常采用基于经度、纬度、海拔高度等地理因子的多元线性回归分析方法对空间数据进行模拟计算(戴声佩等，2014)。考虑到大型水体和复杂地形对局地小气候的重要影响(王浩等，1991；傅抱璞，1992；高锦火，1994；孔繁希等，2020)，本文在地理因子基础上引入坡度、坡向、距水体距离3个自变量，重新构建气象灾害危险性等级概率的空间数据多元回归计算式，即
$$ \begin{aligned} P(\lambda, \varphi, h, \beta, L)= & a_0+a_1 \lambda+a_2 \varphi+a_3 h+a_4 \alpha+ \\ & a_5|\beta-\pi|+a_6 e^{-L}+\varepsilon \end{aligned} $$ (2) 式(2)中，X为研究区某个空间点的气象灾害危险性等级概率；λ为经度；φ为纬度；h为海拔高度；α为坡度；β为坡向；L为离水体距离；a0—a6为利用最小二乘法对多个自变量之间关系进行建模得到的回归系数；ε为残差。
1.3 评价方法
采用“多指标综合危险评估法”评价咸宁市枇杷气象灾害综合危险(陈家金等，2014；高松等，2018)。其基本步骤如下: (1) 确定致灾因子指标与等级划分标准；(2) 建立气象灾害指数和等级标准；(3) 构建气象灾害综合危险性评价模型；(4) 确定气象灾害危险指数权重；(5) 计算评价单元气象灾害危险性等级概率和综合危险指数；(6) 划分综合危险指数等级；(7) 借助GIS空间插值、自然断点分级、地图处理等技术制作气象灾害危险性等级概率空间分布图和气象灾害综合危险性等级区划图。
1.3.1 致灾因子指标与等级
相关观测和研究表明(邓朝军等，2000；姜智怀等，2016)，极端高(低)温出现越频繁，极端气温越高(低)，其持续时间越长，对枇杷危害越重；而阴雨持续时间越长，出现次数越多，过程雨量越大，对枇杷生长发育迟滞或损害越严重。为全面评价气象灾害对枇杷的影响，本文选取低温冻害、高温热害、春季连阴雨灾害发生时的极端值、累计值和出现日(次)数等致灾因子指标，并结合已有文献研究成果(陈正洪, 1991；黄寿波等，2000；陈家金等，2014；魏华兵等，2021)、实地调查和专家建议，给出各致灾因子指标的轻度、中度、重度等级划分标准(表 2)。
表 2 咸宁市枇杷气象致灾因子指标与等级标准Table 2. Disaster-causing meteorological factors and grade standard in the loquat planting area of Xianning City气象灾害 主要灾害时段 致灾因子指标 等级划分及标准 轻度(Ⅰ) 中度(Ⅱ) 重度(Ⅲ) 低温冻害 12月-次年2月 极端低温/℃ (-6, -3] (-8, -6] ≤-8 Tmin≤-3.0 ℃日数/d [1, 6) [6, 12) ≥12 ≤-3.0 ℃冷积温/℃ (-5, 0) (-10, -5] ≤-10 高温热害 4月中旬-5月中旬 极端高温/℃ [34.5, 35.5) [35.5, 36.5) ≥36.5 Tmax≥34.5 ℃日数/d [1, 6) [6, 12) ≥12 ≥34.5 ℃热积温/℃ (0, 3) [3, 6) ≥6 春季连阴雨 3-5月 最长连续降水日数/d [5, 9) [9, 12) ≥12 最长连阴雨降水量/mm [20, 100) [100, 180) ≥180 连阴雨累计日数/d [3, 15) [15, 20) ≥20 注: Tmin和Tmax分别为极端最低、最高气温；冷(热)积温为低(高)出界限温度值之和 1.3.2 气象灾害危险指数与等级
为评价气象灾害对枇杷的危害强度，本文对每种灾害的3个致灾因子采用加权求和的方法确定气象灾害危险性指数。其计算公式为
$$ {Z_{\rm{H}}} = {\omega _1}{Z_{{\rm{H1}}}} + {\omega _2}{Z_{{\rm{H2}}}} + {\omega _3}{Z_{{\rm{H3}}}} $$ (3) 式(3)中，ZH为气象灾害危险指数；ZH1、ZH2、ZH3分别为气象灾害的极端值、累计值、出现日(次)数3个致灾因子指标等级值(按轻度、中度、重度，分别取值1、2、3)；ω1、ω2、ω3为各致灾因子权重，参考相近纬度和气候区基于专家打分法和层次分析法的研究结果(张旭晖等，2015)，其分别取值为0.2、0.4、0.4。
利用式(3)计算咸宁市历年低温冻害、高温热害、春季连阴雨的灾害危险指数，综合历年灾情，确定枇杷气象灾害危险性等级划分标准(表 3)。
表 3 咸宁市枇杷气象灾害危险性等级与指标Table 3. Hazard grade and index of meteorological disaster in the loquat planting area of Xianning City灾害等级 强度值(qj) 指标范围(Hi) 轻度 1 (0.0, 1.0] 中度 2 (1.0, 1.8) 重度 3 ≥1.8 1.3.3 气象灾害综合危险评价模型
不同气象灾害对枇杷造成的影响和损失不同，为了综合评价主要气象灾害对咸宁市枇杷种植的影响，本文基于概率风险性评估方法(候奇奇等，2022)，构建枇杷气象灾害综合危险性指数。其指数模型为
$$ H=\sum\limits_i^n w_i \times\left(\sum\limits_{j=1}^3 q_{i j} \times p_{i j}\right) $$ (4) 式(4)中，H为气象灾害综合危险指数，qij、pij分别表示第i个气象灾害危险指数j等级的强度值以及该气象灾害危险指数等级发生概率(i表示不同气象灾害、j表示不同灾害等级)，wi代表各气象灾害的权重值，采取层次分析法(简称AHP法)计算得到(邓雪等，2012)，其具体计算过程如下。
(1) 通过专家评判，相互比较各指标影响枇杷气候生态适宜性的重要程度，建立判断矩阵A。A的计算式为
$$ A=\left(a_{i j}\right)_{n \times n}\left|\begin{array}{cccc}a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2 n} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ a_{n 1} & a_{n 2} & \cdots & a_{n n}\end{array}\right| $$ (5) 式(5)中，aij为气象灾害循环(第i行与第j列)进行重要程度相互比较结果的定量化值，按九分位比例标度值计算(李学平，2001)，其结果见表 4。
表 4 相对重要性的比例标度Table 4. Scale of relative importance甲指标 甲指标比乙指标 极重要 很重要 重要 略重要 同等 略次要 次要 很次要 极次要 评价值 9 7 5 3 1 1/3 1/5 1/7 1/9 注: 取8, 6, 4, 2, 1/2, 1/4, 1/6, 1/8为上述评价值的中间值 (2) 根据判断矩阵A，计算满足Aw = λmax w的特征根与特征向量。其中，λmax为A的最大特征根，w为对应于λmax的正规化特征向量，w的分量wi即为式(3)中对应指标的权重系数。
(3) 计算判断矩阵A的一致性指标CI = (λmax - n)/(n - 1)。当CI≤0.1RI时，则通过一致性检验，说明权重系数wi能较好反映各指标的相对重要程度；否则，需要对其进行修正，直到满足条件为止。其中，RI为平均随机一致性指标(洪志国等，2002)，查表得知，本文RI取0.52。
2. 结果与分析
2.1 气象灾害危险性等级概率分布
概率风险性评估是基于灾害发生规律的灾害定量化评估方法(罗贵东等，2020；候奇奇等，2022)。为了详细分析不同气象灾害危险性等级的概率分布，本文利用研究区内气象站的序列延长资料和气象灾害指数计算公式及其等级标准，统计咸宁市1991—2020年135站低温冻害、高温热害和79站春季连阴雨气象灾害指数轻度、中度、重度等级出现的概率；然后，利用ArcGIS10.2软件地理分析功能，从咸宁市DEM数据中提取135站的坡向、坡度和最小距水体距离，结合站点经度、纬度、海拔高度等信息，通过多元回归分析方法，得到3类气象灾害危险性等级概率的空间分布函数。其中，参与回归分析的6个地理因子，均只保留5个因子(坡度在低温冻害和高温热害的分析中，以及坡向在连阴雨灾害的分析中被自动剔除)，其复相关系数R在0.51~0.62之间，经方差分析(F检验)，其F值在6.8~26.6之间，均通过0.05显著性水平检验(表 5)。利用表 5中各气象灾害危险性等级概率空间分布函数，将从咸宁市DEM数据中提取的经度、纬度、海拔高度栅格图层代入计算，得到咸宁市3类气象灾害轻度、中度、重度危险性等级概率的空间分布(图 1)。
表 5 咸宁市枇杷气象灾害危险性等级概率空间分布函数Table 5. Spatial distribution function of probability at the different hazard grades of meteorological disasters in the loquat planting area of Xianning City气象灾害 危险性等级 概率空间分布函数(P) F R 轻度 PTI1=16.26-0.182 4λ+0.072 3φ-0.000 3h+0.001 1|β-π|-0.076e-L 21.46 0.56 低温冻害 中度 PTI2=-3.153+0.047 5λ-0.078 6φ-0.000 2h+0.001 4|β-π|-0.031e-L 10.76 0.51 重度 PTI3=-14.7+0.192 3λ-0.217 4φ+0.000 5h+0.001 6|β-π|-0.154e-L 26.34 0.61 轻度 PTH1=-2.32-0.000 8λ-0.062 9φ-0.000 3h-0.001 4|β-π|-0.023 6e-L 26.58 0.58 高温热害 中度 PTH2=-9.12-0.066 7λ-0.040 3φ-0.000 2h-0.001 2|β-π|+0.015 1e-L 22.17 0.61 重度 PTH3=-19.16+0.219 5λ-0.146 5φ-0.000 3h-0.001 1|β-π|+0.018 7e-L 18.32 0.57 轻度 PCR1=21.64-0.252λ+0.207 9φ-0.000 03h+0.001 7α-0.012 4e-L 8.76 0.57 春季连阴雨 中度 PCR2=-32.12+0.174λ+0.462φ-0.000 2h+0.001 8α-0.013 2e-L 7.34 0.62 重度 PCR3=4.776+0.124λ-0.605φ+0.002h+0.003 4α-0.0262e-L 6.84 0.54 注: λ、φ、h分别为经度、纬度、海拔高度；α、β、L分别为坡度、坡向、距水体距离；π为常数，取3.1416；F为检验值；R为复相关系数 ![]()
图 1 咸宁市枇杷气象灾害危险性等级概率空间分布: (a) 轻度低温冻害；(b) 中度低温冻害；(c) 重度低温冻害；(d) 轻度高温热害；(e) 中度高温热害；(f) 重度高温热害；(g) 轻度连阴雨；(h) 中度连阴雨；(i) 重度连阴雨)Figure 1. Spatial distribution of probability at the different hazard grades of meteorological disasters in the loquat planting area of Xianning City. Including (a) mild low temperature freezing injury, (b) moderate low temperature freezing injury, (c) severe low temperature freezing injury, (d) mild heat injury, (e) moderate heat injury, (f) severe heat injury, (g) mild persistent rain, (h) moderate persistent rain and (i) severe persistent rain从图 1中可见，咸宁市枇杷不同危险性等级的低温冻害、高温热害和连阴雨灾害的概率空间分布存在明显差异，其中，重度低温冻害、重度连阴雨发生概率变化较大，其变化范围分别为7.7%~100%、0~90%；中度连阴雨次之，其发生概率变化范围在0~72%之间；再次是轻度低温冻害、重度高温热害、轻度连阴雨危险性概率，其变化范围分别在0~55%、0~45%、0~ 50%之间；中度低温冻害和轻度、中度高温热害的发生概率变化范围最小，分别为0~25%、0~31%、0~ 28%。从不同等级气象灾害的高危险性概率分布看，咸宁市重度低温冻害的高危险性概率分布集中在该市南部中高山区，而其北部沿江及滨湖区则是轻度低温冻害高危险性概率分布集中区；重度高温热害的较高危险性概率分布均集中于该市中南部山间盆地；中度连阴雨灾害较高危险性概率分布集中于其南部较大范围，重度连阴雨灾害高危险性概率分布在南部中高山区较小范围。
2.2 枇杷气象灾害综合危险性等级区划
本文在对咸宁市枇杷进行气象灾害综合危险性等级区划时，首先，利用Matlab软件和层次分析法计算得到低温冻害、高温热害和春季连阴雨灾害危险指数的权重wi，分别为0.68、0.12和0.20；然后，根据气象灾害综合危险指数模型(式4)计算枇杷气象灾害综合风险指数H，通过ARCGIS中的栅格计算器生成得到咸宁市枇杷气象灾害综合危险指数的空间分布；最后，根据自然断点法，将H值在1.1~1.6、1.6~2.1、2.1~2.7范围内的区域依次划分为低危险区、中危险区、高危险区，得到咸宁市枇杷气象灾害综合危险性等级区划图(图 2)。
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图 2 咸宁市枇杷气象灾害综合危险性等级区划图Figure 2. The map of integrated hazard grade zoning of meteorological disaster in the loquat planting area of Xianning City2.2.1 高危险区
咸宁市枇杷气象灾害高危险区分布在该市中部和南部山区，包括赤壁市和咸安区南部以及通山县、崇阳县、通城县南部和北部的中高山区，本区种植枇杷无高温热害危险，但冬季重度低温冻害危险性概率极高，达80%以上，几乎每年都有可能发生，且南部山地重度连阴雨灾害危险性概率也较高，在50%以上，达到2 a一遇。其主要原因是该区域海拔高度均在400 m以上，冬季最低气温较低，低温冻害发生频繁，且山区连阴雨天气过程降雨量较大，对枇杷的危害也较大。可见，本区气候条件不适宜大面积发展枇杷。
2.2.2 中危险区
咸宁市枇杷气象灾害中危险区在该市中部和南部山脉以北的丘陵低山区，主要集中在咸安区南部，通山县南、北部和西部，赤壁南部，崇阳南、北部和通城大部。本区内连阴雨灾害危险性以轻度至中度为主；海拔250 m以下区域，发生中度、重度高温热害危险性概率偏高，轻度高温热害危险性概率低，海拔250 m以上区域，发生高温热害的危险性概率较低；本区发生重度低温冻害的危险性概率低于高危险区，发生轻度、中度低温冻害的危险性概率较为接近，但冬季低温冻害多为重度等级，且重度低温冻害的危险性概率随海拔高度呈增大趋势，海拔100 m以下区域，重度冻害为7~8 a一遇，海拔100~250 m区域为4~6 a一遇，海拔250 m以上区域，重度冻害为2~3 a一遇。即使在全球气候变暖背景下，近10 a极端低温仍时有发生，因此本区种植枇杷尤其需要注意防范低温冻害。
2.2.3 低危险区
咸宁市枇杷气象灾害低危险区在该市北部近水体(沿江及滨湖)地区和南部山间盆地、大型水体(河、湖、水库)四周，包括嘉鱼县、赤壁市和咸安区北部区域、崇阳县至通城县盆地、通山县山间盆地和富水湖四周。因水体增温效应和中部山体对冷空气的屏障作用，该区冬季发生低温冻害的危险性概率较低，重度低温冻害危险性概率为8~10 a一遇。中度、轻度低温冻害分别为3~5 a一遇、2~3 a一遇；但该区发生轻度、中度高温热害的发生概率高于其它区域，北部沿江滨湖区和中部盆地(崇阳县至通城县)出现轻度(中度)高温热害的危险性概率较高，为2~4 a一遇，而通山县富水湖四周出现轻度(中度)高温热害的危险性概率略低，为4~6 a一遇；春季连阴雨灾害以轻、中度为主，轻度连阴雨灾害的危险性概率高于其它区域。因此，本区枇杷种植在防范低温的同时还要做好排水，注意防范高温灾害。
3. 结论与讨论
本文以咸宁市典型枇杷种植产区为代表，以对近10 a枇杷产量、品质和气象灾害等生产情况的调查资料和长序列气象资料为基础，利用各致灾气象因子指数和等级标准，构建气象灾害综合危险性指数模型，对咸宁市气象灾害危险性进行了定量评价和客观等级区划，主要得到如下结论：
(1) 咸宁市枇杷气象灾害主要以低温冻害、高温热害和春季连阴雨为主，其中，低温冻害对枇杷种植的危害程度最高，春季连阴雨和高温热害次之。
(2) 咸宁市中部、南部的中高山地为枇杷气象灾害高危险区，中、南部山体以北的丘陵和低山地为枇杷气象灾害中危险区，北部沿江滨湖区、中部盆地及湖库四周为枇杷气象灾害低危险区。
(3) 咸宁市枇杷种植区气象灾害危险性与地理因子之间关系密切。一方面，随着海拔增高，枇杷面临的低温冻害、连阴雨灾害的危险性呈加大趋势，高温热害的危险性呈现降低趋势；另一方面，由于水体增温效应和山体对强冷空气的屏障作用，在沿江、湖库等近水体区域及中高山南部近邻区冬季发生重度低温的危险性概率低于远离水体和山体的区域。
本文基于历史气象灾害发生概率的危险性等级区划结果，提示了咸宁市枇杷综合气象灾害危险性的分布差异，对该市扩大和合理规划枇杷种植区具有一定的参考作用。在气象灾害危险性的空间区划上，综合考虑经度、纬度、海拔高度、坡度等多个地理因子与其危险性等级概率之间建立的多项式空间插值模型，能客观反映特殊地形对枇杷气象灾害危险性的影响，但由于多项式插值方法属于非确定性插值(张宏等，2006)，通过模型插值得到的各站点气象灾害危险性等级概率与历史气象灾害发生概率统计值之间的误差波动较大。同时，枇杷种植的气象灾害风险是气象因子、孕灾环境(如地形、水体、下垫面类型等)和防灾减灾能力等综合作用的结果，由于缺乏完整的历史灾情、种植管理技术、社会经济等数据，本研究只考虑了对枇杷产量和品质起决定作用的极端低温、极端高温以及长时间持续阴雨等对枇杷种植的危险性，使得评估和区划结果还不能全面反映咸宁市枇杷种植的气象灾害风险。下一步，仍需要关注枇杷种植区的规模、效益、经济发展、品种培优、设施避冻栽培等对枇杷种植的综合影响，并收集整理相关资料，开展不同优质枇杷品种种植气象灾害风险研究，从而最大限度地避免或减轻气象灾害对咸宁市枇杷产业发展造成的经济损失。
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图 1 咸宁市枇杷气象灾害危险性等级概率空间分布: (a) 轻度低温冻害；(b) 中度低温冻害；(c) 重度低温冻害；(d) 轻度高温热害；(e) 中度高温热害；(f) 重度高温热害；(g) 轻度连阴雨；(h) 中度连阴雨；(i) 重度连阴雨)
Figure 1. Spatial distribution of probability at the different hazard grades of meteorological disasters in the loquat planting area of Xianning City. Including (a) mild low temperature freezing injury, (b) moderate low temperature freezing injury, (c) severe low temperature freezing injury, (d) mild heat injury, (e) moderate heat injury, (f) severe heat injury, (g) mild persistent rain, (h) moderate persistent rain and (i) severe persistent rain
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图 2 咸宁市枇杷气象灾害综合危险性等级区划图
Figure 2. The map of integrated hazard grade zoning of meteorological disaster in the loquat planting area of Xianning City
表 1 2008—2020年通山县枇杷灾害年的灾损情况及主要气象灾害类型与指标
Table 1 Losses and the main meteorological disaster types and their indexes in the years of loquat disaster in the loquat planting area of Tongshan County in Xianning City from 2008 to 2020
年份 年景 单树产量/kg 品质 灾损程度 气象灾害类型(发生期) 气象灾害指标 2008 歉收 10.0~12.5 中等 严重 冻害(花果期) Tmin≤-3.0 ℃日数14 d；极端低温-5.4 ℃ 2012 丰收 22.5~25.0 中等 轻微 连阴雨(成熟前期) 最长连阴雨降水量93.9 mm；最长连阴雨日数7 d 2013 丰收 20.0~22.5 优 轻微 冻害(花期) Tmin≤-3.0 ℃日数4 d；极端低温-6.2 ℃ 2018 歉收 15.0~17.5 优 严重 低温冻害(幼果期) Tmin≤-3.0 ℃日数12 d；极端低温-6.3 ℃ 2020 歉收 17.5~20.0 中等 中等 高温灼伤(转色期) Tmax≥34.5 ℃日数3 d；极端高温36.3 ℃ 注: Tmin和Tmax分别为极端最低、最高气温 
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表 2 咸宁市枇杷气象致灾因子指标与等级标准
Table 2 Disaster-causing meteorological factors and grade standard in the loquat planting area of Xianning City
气象灾害 主要灾害时段 致灾因子指标 等级划分及标准 轻度(Ⅰ) 中度(Ⅱ) 重度(Ⅲ) 低温冻害 12月-次年2月 极端低温/℃ (-6, -3] (-8, -6] ≤-8 Tmin≤-3.0 ℃日数/d [1, 6) [6, 12) ≥12 ≤-3.0 ℃冷积温/℃ (-5, 0) (-10, -5] ≤-10 高温热害 4月中旬-5月中旬 极端高温/℃ [34.5, 35.5) [35.5, 36.5) ≥36.5 Tmax≥34.5 ℃日数/d [1, 6) [6, 12) ≥12 ≥34.5 ℃热积温/℃ (0, 3) [3, 6) ≥6 春季连阴雨 3-5月 最长连续降水日数/d [5, 9) [9, 12) ≥12 最长连阴雨降水量/mm [20, 100) [100, 180) ≥180 连阴雨累计日数/d [3, 15) [15, 20) ≥20 注: Tmin和Tmax分别为极端最低、最高气温；冷(热)积温为低(高)出界限温度值之和
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表 3 咸宁市枇杷气象灾害危险性等级与指标
Table 3 Hazard grade and index of meteorological disaster in the loquat planting area of Xianning City
灾害等级 强度值(qj) 指标范围(Hi) 轻度 1 (0.0, 1.0] 中度 2 (1.0, 1.8) 重度 3 ≥1.8
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表 4 相对重要性的比例标度
Table 4 Scale of relative importance
甲指标 甲指标比乙指标 极重要 很重要 重要 略重要 同等 略次要 次要 很次要 极次要 评价值 9 7 5 3 1 1/3 1/5 1/7 1/9 注: 取8, 6, 4, 2, 1/2, 1/4, 1/6, 1/8为上述评价值的中间值
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表 5 咸宁市枇杷气象灾害危险性等级概率空间分布函数
Table 5 Spatial distribution function of probability at the different hazard grades of meteorological disasters in the loquat planting area of Xianning City
气象灾害 危险性等级 概率空间分布函数(P) F R 轻度 PTI1=16.26-0.182 4λ+0.072 3φ-0.000 3h+0.001 1|β-π|-0.076e-L 21.46 0.56 低温冻害 中度 PTI2=-3.153+0.047 5λ-0.078 6φ-0.000 2h+0.001 4|β-π|-0.031e-L 10.76 0.51 重度 PTI3=-14.7+0.192 3λ-0.217 4φ+0.000 5h+0.001 6|β-π|-0.154e-L 26.34 0.61 轻度 PTH1=-2.32-0.000 8λ-0.062 9φ-0.000 3h-0.001 4|β-π|-0.023 6e-L 26.58 0.58 高温热害 中度 PTH2=-9.12-0.066 7λ-0.040 3φ-0.000 2h-0.001 2|β-π|+0.015 1e-L 22.17 0.61 重度 PTH3=-19.16+0.219 5λ-0.146 5φ-0.000 3h-0.001 1|β-π|+0.018 7e-L 18.32 0.57 轻度 PCR1=21.64-0.252λ+0.207 9φ-0.000 03h+0.001 7α-0.012 4e-L 8.76 0.57 春季连阴雨 中度 PCR2=-32.12+0.174λ+0.462φ-0.000 2h+0.001 8α-0.013 2e-L 7.34 0.62 重度 PCR3=4.776+0.124λ-0.605φ+0.002h+0.003 4α-0.0262e-L 6.84 0.54 注: λ、φ、h分别为经度、纬度、海拔高度；α、β、L分别为坡度、坡向、距水体距离；π为常数，取3.1416；F为检验值；R为复相关系数
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