周 雨，盛志军，章开美*，龙余良，段艺萍

(1.江西省气象服务中心，江西 南昌 330096；2.江西省气象台，江西 南昌 330096)

0 引言

灾害风险评估作为气象风险管理的主要手段之一[3]，对于区域防灾减灾工作具有重要的指导意义，相关研究也备受关注[4-6]。灾害风险评估方法主要有层次分析法、熵权系数法、加权综合评价法等[7-8]，其中加权综合评价法是指综合气象灾害风险是各类风险因子之和或乘积[9-10]。气象灾害风险评估经历了单灾种气象灾害风险评估向多灾种综合气象灾害风险评估[11]的发展。单灾种气象灾害风险评估从高温热害、冰雹灾害、暴雨洪涝等角度对气象灾害风险进行评估。如赵东杰等[12]运用回归分析法，建立了江西省抚州地区烟叶热害等级评估模型。李蒙等[13]基于GIS空间数据分析对云南烟区冰雹灾害风险进行评价。李喜仓等[14]利用灾害学原理、风险度指数，基于模糊综合评价法对内蒙古地区暴雨洪涝灾害风险进行综合分析和评估。多灾种风险评估综合考虑了各种气象灾害作为致灾因子，如陈怀亮等[15]运用多因子综合风险指数模型，分析了主要农业气象灾害对河南小麦生产影响的综合风险。李世奎等[11]从灾害风险分析的角度，构建了一个由冬小麦干旱、渍涝以及夏季低温冷害等组合的灾害风险综合评估体系。灾害风险评估可为气象风险管理提供科学依据，天气指数保险[16-17]是我国气象风险管理工具的创新研究，它是指把一个或几个气候条件(如气温、降水、风速等)对农作物损害程度指数化，当灾害发生时，不论是否发生减产，只要气象指标达到阈值，就能得到保险赔付。与产量指数保险相比，天气指数保险可有效规避灾害发生时逐户定损的问题。查阅相关资料发现，目前江西烟区气象灾害的研究仅限于对烟叶气象灾害特征分析，对烟区气象灾害的综合评估和气象保险还处于空白，由于江西地形复杂、气候多样，仅限于对烟叶气象灾害分析远不能满足用户需求。因此，亟需建立一个系统有效的风险评估和风险保障体系，以确保当地烟农的收入水平和烟叶生产的可持续发展。

本文以江西烟区为研究对象，分析造成江西烟叶减产的主要影响天气，从致灾因子危险性、承灾体脆弱性和种植区防灾减灾能力3个方面，构建了江西烟区气象灾害风险评估指标体系，同时开展气象保险指数设计，以期为规避和防范江西烟区气象灾害风险提供科学支撑，提升江西烟草气象专业预报服务水平。

1 资料与方法

1.1 资料来源

江西省中南部40个烟叶种植县1959～2018年历史气象数据来源于江西省气象信息中心，包括气温、降水、冰雹、日照等，质控后的数据正确率接近99%；烟叶产量、种植面积、受灾情况以及烟草全生育期指标来源于江西省烟草总公司，农民人均纯收入数据来源于《江西统计年鉴》；基础地理信息DEM高程数据来源于国际科学数据镜像网站SRTM地形数据(http://www.gscloud.cn)，数据空间分辨率为90 m×90 m。

1.2 研究方法

1.2.1 气象灾害风险评价指标构建方法 根据自然灾害风险理论，某一地区自然灾害的形成是致灾因子危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力共同作用的结果[18-19]。本文将暴露性纳入脆弱性之中，从致灾因子危险性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力3个方面构建江西烟区气象灾害风险综合评估指标(图1)，指标值越大，表明烟区受气象灾害影响的综合风险程度越高。具体计算见公式(1)。

ZH=α·ZI+β·CI+(1-γ)·FI

(1)

式(1)中，ZH为气象灾害综合风险指数，ZI、CI、FI分别为致灾因子危险性、承灾体脆弱性、防灾减灾能力评价因子，α、β、γ分别为各评价因子的权重。

在“性 别”的分布方面，本样本中 包含男性共79名（27.0%），包含女性共214名（73.0%）。在“学年”的分布情况方面，本样本中包含大一学年学生共78名（26.6%），大二学年学生83名，占总人数中的28.3%，大三学年学生84名，占总人数中的28.7%，大四学年学生48名，占总人数中的16.4%。最后，对于“所学专业是否为填报的第一志愿”的调查结果显示，第一志愿填报本专业的人数共75名，占总人数中的25.6%，非第一志愿填报本专业的人数共218名，占总人数中的74.4%。

由于不同灾害类型有不同的量级和量纲单位，为方便因子之间的比较，对各类灾害因子进行归一化处理，计算公式如下:

(2)

式(2)中，Yi为第i个致灾因子归一化值，Xi为第i个致灾因子值，mini和maxi分别为第i个因子最小值和最大值。

根据各评价指标Ci对评价因子Bi的影响程度，采用加权综合评价法计算气象灾害综合风险指数，公式如下:

(3)

式(3)中，Bj为评价因子，wi为第i个指标的权重，Ci为归一化后第i个指标的数值。

1.2.2 层次分析法 层次分析法(AHP)即权重决策分析方法[20]，是一种对指标进行定性定量风险评估的方法。该方法将风险评估问题分解为若干个评价因子和层次指标，作为评估的指标体系；建立判断矩阵，并计算各判断矩阵的最大特征值和特征向量，作为各评价指标的重要程度；通过层次排序和一致性检验，最终得到各指标的权重。表1给出了本研究中基于层次分析法得出的各评价因子和评价指标的权重大小。

图1 江西烟叶种植气象灾害风险评估模型

表1 基于层次分析法的各评价因子和评价指标权重系数

1.2.3 空间数据分析方法 为提升危险性评估的精细化程度，考虑地形和海拔影响，基于ArcGIS软件空间分析功能，采用反距离加权插值、栅格计算和自然断点分级法实现烟区气象灾害风险等级区划。自然断点分级法是一种用统计公式来确定属性值的自然聚类，其优势是减少同级差异、增加级间差异，具体公式如下:

(4)

式(4)中，A是一个长度为k的数组，meani-j为每个等级中的平均值。

2 气象灾害风险分析

2.1 致灾危险性分析

充足的光照、适宜的温度和水分是生产优质烟叶的必备条件，根据江西气候特征，结合烤烟生物学规律及其全生育期特点，影响江西烟区的主要气象灾害是暴雨、冰雹、连阴雨、低温冰冻和高温热害，而干旱和台风影响相对较小。选取移栽-成熟期(1月下旬至7月上旬)最大日降水量和年均暴雨日数、旺长-成熟期(4月上旬至7月上旬)冰雹直径和冰雹累计日数、移栽期(3月中旬至4月上旬)连续3 d或以上日降水量>1 mm且日照时数<0.5 h的持续日数、育苗期(1月下旬至3月上旬)最低气温<0 ℃且均温<5 ℃的累计日数，成熟-采收期(5月中旬～7月上旬)最高气温>33 ℃的累计日数5个指标，分别作为移栽-成熟期暴雨涝害(C1)、旺长-成熟期冰雹灾害(C2)、移栽期低温阴雨(C3)、育苗期低温冰冻(C4)和成熟-采收期高温热害(C5)5个致灾危险性表征指标(表2)。

表2 主要气象致灾因子及影响评价

考虑到地形高度影响，首先按照式(2)对各类因子进行归一化处理，然后建立观测站点海拔高度、经纬度与灾害危险性指数的多元回归方程。基于ArcGIS软件栅格计算和图层叠加功能，运用反距离权重插值、加权综合评价方法和自然断点分级法，最终得到江西烟叶种植区致灾危险性指数分布图(图2a)。由图2a可知，特重危险区主要位于赣中的北部地区，包括抚州市北部的临川、东乡、金溪等县、吉安市及其东北部的部分地区，区域内各县灾害性天气致灾强度大，发生频次高；严重危险区主要位于赣中的南部地区，包括抚州市南部的黎川、南丰、宜黄等县以及吉安市南部的泰和、永新和万安县；中等危险区主要位于赣州市的北部地区，包括宁都、兴国、赣县、石城等县；一般危险区分布在大余、会昌、信丰和瑞金县；轻度危险区分布在赣州市的南部地区。

2.2 承灾体脆弱性分析

承灾体的脆弱性综合考虑了承灾体的暴露性和孕灾环境的敏感性。本研究暴露性用烟叶种植区各县种植烟叶面积大小占总种植面积的比例(C6)来表示，承受的灾害风险程度与种植面积有密切关系，种植面积越大，暴露性越高，其所承受的灾害风险程度越高。环境敏感性表示不同强度的致灾因子作用下导致的产量损失，以2012～2018年烟叶种植区平均减产率(Y)、变异系数(CV)和灾年出现率(P0)3个指标来表征，其中减产率是指实际单产低于当年趋势产量的百分率，又称相对气象产量。对于各烟叶种植区相对气象产量x(界定x<0为歉年)，m为歉年样本数,则当年平均减产率Y为:

(5)

变异系数(CV)指标是用来度量歉收年份减产率的幅度偏离当年平均值程度的物理量，其计算公式为:

(6)

灾年出现率(P0)指标是用来度量相对气象产量小于某一临界值(X0)的累计概率的物理量，假定相对气象产量小于X0的概率为y,则有:

P(x

(7)

根据公式(5)～公式(7)，计算2012～2018年江西烟区各指标值和敏感性指数，结果如表3所示。2012～2018年江西烟区歉年平均减产率分布在2%～46%之间，其中有9个县市歉年平均减产率分布在超过30%，10个县市歉年平均减产率分布在10%～48%，只有宁都、石城、乐安歉年平均减产率低于10%。歉年变异系数分布在5%～130%,大于50%的有信丰、宜黄、资溪、安福、泰和，30%～50%之间的有会昌、黎川、广昌、崇仁、万安，有7个县区低于30%，以赣县和乐安5%最低。灾年出现率分布在14%～60%之间,超过50%的有信丰、宜黄、资溪、崇仁、南丰、峡江和泰和7个县区，最低出现赣县和乐安地区，为14%。乐安的歉年平均减产率最大,但变异系数最小,说明该地区存在产量稳定性差、严重减产的年份。灾年出现率分布在14%～60%之间,灾年出现率越高，说明该地灾年越容易发生,表中南丰灾年出现率最高，赣县和石城最低。

由图2b可知，烟区脆弱性总体呈现自东向西减小的分布形态，中高等级脆弱性范围较广。高危险区主要分布在抚州和赣州两市东部，包括黎川、南丰、广昌、石城、瑞金、会昌和寻乌等县，烟叶种植极易受到气象灾害影响造成减产；较高危险区主要分布在抚州市西部、赣州市中部地区，包括崇仁、宜黄、兴国、赣县、于都等县，烟叶种植易受气象灾害影响造成减产；中等危险区主要分布在吉安中东部地区，包括吉水、吉安、万安等县，烟叶种植受气象灾害影响一般；较低危险区主要分布在安福、永新、崇义、上犹和大余，烟叶种植产量受气象灾害影响较低；低值区分布在井冈山和遂川，烟叶种植受气象灾害影响较小。

表3 江西主要烟叶种植区减产率、变异系数和灾年出现率

2.3 防灾减灾能力分析

防灾减灾能力反映的是人类社会为减少气象灾害对烟叶种植的威胁而采取的预测防范能力。防灾减灾能力越高，由灾害性天气造成的损失越小，灾害风险等级越低。本研究防灾减灾能力评价因子主要选取农民的纯收入和趋势产量2个指标。这是因为一方面防灾资金的投入有助于提高防灾减灾能力；另一方面烟叶趋势产量是一种长周期产量分量，能够反映一定时期农业生产力发展水平，趋势产量值越大，则表明当地生产力水平越高，灾害防御能力越强。

由图2c可知，研究区整体气象灾害防御能力不高。防灾指数高值区主要位于吉安市北部地区，包括安福、峡江、新干、乐安以及石城等县，灾害防御能力非常薄弱；防灾指数较高区主要分布在赣州市南部地区，包括瑞金、信丰、安远、寻乌等县，灾害防御能力较为薄弱；赣中南部各县烟叶种植气象灾害防御能力中等，只有石城、新干、乐安、安福、峡江5个县和赣南南部气象灾害防御能力较强。总体而言，整个烟叶种植区整体气象灾害防御能力还需进一步加强。

2.4 气象灾害综合风险区划及评估分析

根据上述计算得到4个评价因子的结果，按照公式(1)计算得到江西烟叶种植区气象灾害风险综合评估指数(图2d)。江西烟区气象灾害综合风险整体处于中高等级，亟需进行风险管理，为当地烟叶种植区提供风险保障。具体而言，中等及以下综合风险等级区只分布在赣南西部的崇义、遂川以及南部的龙南、定南、寻乌、全南等地区，该区域移栽-旺长期连阴雨、育苗期低温冻害以及成熟-采收期高温热害危险性等级均比较低，尽管脆弱性和灾害防御能力较高，但所占比重较低，因此该区域气象灾害风险等级属于轻-中度，是理想的烟叶种植区。较高风险区主要分布在赣州市北部和吉安市大部分地区，包括万安、泰和、宁都、石城、瑞金等地区，该区域移栽-成熟期洪涝灾害等级呈“东高西低”分布、旺长-成熟期冰雹灾害等级为中等及以上，此外成熟-采收期高温热害、移栽-旺长期连阴雨以及育苗期低温冻害危险性等级均比较高，加之区域内脆弱性指数处在中高等级，而灾害防御能力处在中低等级，因此综合来看该地区气象灾害综合风险属于较高等级，需加强保障和灾害防范。高风险区主要分布在抚州市北部的东乡、临川、崇仁以及吉安市北部的新干、峡江、吉水、吉安等县，该区域移栽-成熟期暴雨洪涝灾害、旺长-成熟期冰雹灾害、育苗期低温冻害和成熟-采收期高温热害致灾危险均较高，同时烟叶种植脆弱性较高，虽然新干、峡江灾害防御能力较高，但是其致灾因子危险性也非常高，且对综合风险等级高低起决定性作用，因此高致灾危险性和高脆弱性决定了该区域的有重度及以上的气象灾害风险，尤其是高海拔山区，不适宜烟叶种植。

3 气象保险指数设计

农业气象保险指数作为帮助农民应对极端自然灾害的风险处理机制，是近年来兴起的一种新型的农业保险形式，它把影响农作物产量的主要气象致灾因子损害程度指数化。农业气象保险指数当标的物确定后，不考虑农作物实际受灾情况，只要出现超过气象保险指数阈值，保险公司即可根据特定气象灾害的参数要素阈值，作出快速赔付。本研究中针对江西烟叶种植面临的气象灾害风险，设计了几种保险气象指数，以期利用农业保险产品转移气象灾害风险，实现气象助力扶贫，保障烟农收入稳定。

分析结果表明，暴雨、冰雹、连阴雨、低温冻害和高温热害是影响江西烟叶种植区产量的主要致灾气象因子。参考相关研究[21-24]，设计保险指数如表4所示，以Zb、Zh、Zl、Zd和Zg分别表示暴雨、冰雹、连阴雨、低温冰冻和高温热害灾害指数。

a.危险性指数;b.脆弱性指数;c.防灾减灾能力指数;d.综合风险指数图2 江西烟叶种植区气象灾害风险度指数的空间分布

表4 主要气象灾害保险气象指数设计

通过综合各类气象灾害对烟叶种植区实际产损情况，结合气象观测数据的综合分析，按照灾损程度10%、20%、30%、大于50%对气象致灾因子指标重新进行量化等级划分，划分出轻度、中度、重度和特重4个等级，各等级对应的保险气象指数阈值(表5)。当气象灾害指数值达到或超过轻度等级时，即可认为触发了阈值指标，应给予赔付。

将不同等级灾损程度乘以表1中各类气象灾害的权重系数，得到不同气象灾害类型不同等级灾害对应的影响系数(表6)，以1500元/667 m2为最高赔付，则有综合气象灾害赔付金额M计算公式如下:

(8)

其中，i=1,2,…,5表示5类气象灾害，k=1，2，3，4表示有4类灾害等级，CIik为某类气象灾害某种灾害等级对应的影响系数。

表5 江西烟叶种植气灾害指数阈值

注:R为一次暴雨过程累计降水量，D为冰雹最大直径，t为降雹时间，RZ为日照时数，Td为最低气温，Tg为最高气温。

表6 主要气象灾害不同等级对应的影响系数

4 结论与讨论

(1)本文以江西中南部烟区为研究对象，利用历史气象数据、烟叶产量、种植面积、受灾情况、人均收入等资料，基于GIS技术，从气象致灾因子危险性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力3个方面构建江西烟区气象灾害风险评估模型，从孕灾背景、发生强度和频次、灾害程度角度客观的对江西烟区气象灾害风险进行评估，结果显示:江西烟区气象灾害综合风险整体处于中高等级。中等及以下风险等级区只分布在赣南西部的崇义、遂川以及南部的龙南、定南、寻乌、全南等县区，可适当增加烟叶种植面积。较高风险区主要分布在赣州市北部和吉安市大部分地区，包括万安、泰和、宁都、石城、瑞金等县区；高风险区主要分布在抚州市北部的东乡、临川、崇仁以及吉安市北部的新干、峡江、吉水、吉安等县区。

(2)与以往江西烟叶研究相比，本研究聚焦各类灾害性天气对烟区影响，综合评估暴雨、冰雹、连阴雨、低温冰冻和高温热害5类主要致灾天气灾害风险性，评估指标选取更加切合江西烟区的实际气候特征。但是，由于不同县区各风险指标对综合风险贡献或作用不尽相同，全省烟区采用统一的风险指标权重分配存在一定不合理的地方，今后研究中可分区域对风险指标权重进行界定，使权重分配更趋科学、合理。

(3)在承灾体脆弱性评估时，文中将孕灾环境脆弱性和敏感性综合考虑，然而江西烟叶种植区多山地丘陵地形，不同坡度、不同坡向以及河网分布也会在一定程度上对烟叶产量和品质造成一定的影响，因而更精细化的评估研究也需考虑上述因子。

(4)引入了相对气象产量、变异系数和灾年出现率3个指标，实现了气象条件对烟叶产量影响的定量评估，并开展江西烟叶种植保险天气指数设计，得出了江西烟区不同气象灾害不同受灾等级保险气象指数阈值和保险系数。与传统农业保险相比，保险气象指数具有保险条款透明、损失厘定简单、赔付过程高效的优点，是现行农业保险的一种有力补充。本研究结果可为烟叶种植决策、烟叶种植气象保险提供理论依据和技术支撑。