基于GIS的臺風(fēng)災(zāi)害損失評估模型研究＊

劉少軍,張京紅,何政偉,蔡大鑫,田光輝

(1.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院,四川成都 610059;2.海南省氣象科學(xué)研究所南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南?？?570203)

由于臺風(fēng)會帶來狂風(fēng)和暴雨以及風(fēng)暴潮,會給受影響的地區(qū)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,是全球面臨的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,臺風(fēng)造成的災(zāi)害或經(jīng)濟(jì)損失正在急劇上升,根據(jù)德國墨尼黑再保險(xiǎn)公司的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年因臺風(fēng)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失在逐年增加。可見隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化趨勢的加強(qiáng),臺風(fēng)災(zāi)害對全球經(jīng)濟(jì)社會生活的影響日益深遠(yuǎn),其影響范圍已超越國界,成為全球普遍關(guān)注的問題[1]。由于全球變暖,臺風(fēng)等極端天氣事件明顯增多,我國南到海南島北到遼東半島的廣闊沿海地區(qū),以及除新疆、青海、甘肅、寧夏等少數(shù)幾個(gè)省份外的內(nèi)陸地區(qū)都在臺風(fēng)襲擊的范圍之內(nèi)[2]。過去30年間熱帶海洋表面溫度僅上升了0.5℃,但是北大西洋的臺風(fēng)潛在破壞力在該時(shí)期幾乎翻了一番,而太平洋西北部臺風(fēng)的潛在破壞力增大了75%[3]。要減輕臺風(fēng)災(zāi)害,一方面要建立并發(fā)展臺風(fēng)工程學(xué),加強(qiáng)防御工程設(shè)施,另一方面,也是最根本的措施,即準(zhǔn)確預(yù)報(bào)臺風(fēng)。同時(shí),由于臺風(fēng)是一個(gè)動態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、路徑、風(fēng)雨分布等在不同階段會產(chǎn)生一系列急劇變化,在不同時(shí)刻對同一地點(diǎn)造成的影響也是動態(tài)變化的。因此,加強(qiáng)對臺風(fēng)災(zāi)害的動態(tài)評估是做好防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵。

1 災(zāi)害損失評估方法

自然災(zāi)害損失評估是指在掌握豐富的歷史與現(xiàn)實(shí)災(zāi)害數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)計(jì)量分析方法對災(zāi)害可能造成的、正在造成的或已經(jīng)造成的人員傷害與財(cái)產(chǎn)或利益損失進(jìn)行定量的評價(jià)與估算,以準(zhǔn)確把握災(zāi)害損失現(xiàn)象基本特征的一種災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析、評價(jià)方法[4],包括災(zāi)害損失預(yù)評估、實(shí)時(shí)評估與災(zāi)后評估3種。自1990年代以來,災(zāi)害等級定量評估方法研究取得了很大的進(jìn)展。文獻(xiàn)[5-6]等提出了定量衡量災(zāi)情指標(biāo)和方法,文獻(xiàn)[7-10]將災(zāi)情等級劃分看作一個(gè)模式識別問題,可以應(yīng)用模式識別的有關(guān)理論和方法對災(zāi)害損失進(jìn)行評估。但大量定量評估方法存在如下問題:①評價(jià)函數(shù)構(gòu)造復(fù)雜,評價(jià)機(jī)理不夠直觀;②部分評價(jià)方法由于其建立的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)本身的原因,影響評估結(jié)果的可信度;③沒有考慮災(zāi)害損失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)本身的精度問題[11]。由于自然災(zāi)害成因機(jī)制的復(fù)雜性和發(fā)生過程的隨機(jī)性,災(zāi)害發(fā)生時(shí)常常表現(xiàn)出許多確定的或不確定的信息,從而使得一些災(zāi)害損失無法通過人為定量的方法去衡量;在災(zāi)害損失劃分上,國內(nèi)也尚未形成一個(gè)統(tǒng)一的、公認(rèn)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]。對于某一具體地區(qū)的災(zāi)害損失而言,對損失起主要影響的因素一般也具有特殊性,且許多因素也難以用一個(gè)準(zhǔn)確值來表示,往往描述它的數(shù)值可能在一定范圍內(nèi)變動,可能難以得到一個(gè)準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)值,只能夠作一個(gè)粗略的估計(jì),也就是說所得到的這些評價(jià)因素可能是一個(gè)區(qū)間值[11]。

可拓方法是我國學(xué)者蔡文于1983年提出的,它用形式化工具,從定性和定量兩個(gè)角度去研究解決矛盾問題的規(guī)律和方法,其核心內(nèi)容為物元理論和可拓集合理論,基本方法是通過建立多指標(biāo)參數(shù)的質(zhì)量評定模型來完整地反映樣本的綜合水平[13]。因此本文將可拓方法應(yīng)用到臺風(fēng)災(zāi)害損失評估中,通過建立評估模型,實(shí)現(xiàn)臺風(fēng)災(zāi)害損失的實(shí)時(shí)評估。

2 基于GIS的臺風(fēng)災(zāi)害損失評估模型

臺風(fēng)的破壞力主要由大風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮3個(gè)因素引起。大風(fēng)是臺風(fēng)的一個(gè)重要致災(zāi)因子。暴雨是臺風(fēng)的另一個(gè)嚴(yán)重致災(zāi)因子,臺風(fēng)暴雨造成的洪澇災(zāi)害是最具危險(xiǎn)性的災(zāi)害。臺風(fēng)暴雨強(qiáng)度大,洪水出現(xiàn)頻率高,波及范圍廣,來勢兇猛,破壞性極大,并容易引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。風(fēng)暴潮是臺風(fēng)災(zāi)害中最嚴(yán)重的一個(gè)方面,受災(zāi)地區(qū)為臺風(fēng)影響到的沿海地帶[14]。臺風(fēng)災(zāi)害造成的損失不僅與臺風(fēng)系統(tǒng)及其過程的強(qiáng)度有關(guān),也與受影響地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口密度和人類活動范圍有關(guān)[15]。因此選擇了降水量、降水強(qiáng)度、最大風(fēng)速、經(jīng)濟(jì)易損性作為評價(jià)的指標(biāo),利用可拓方法,將評價(jià)指標(biāo)及其特征值作為物元,通過計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度判斷災(zāi)害損失的等級,根據(jù)時(shí)間的變化,可以實(shí)現(xiàn)臺風(fēng)災(zāi)害的動態(tài)評估,具體工作流程見圖1。

圖1 災(zāi)害評估工作流程

2.1 評估因子

由于降水、風(fēng)數(shù)據(jù)一般都來自于有限的氣象站點(diǎn)觀測,空間分布受到多種地形因素的影響,氣象觀測站點(diǎn)的位置分布及其密度也受到地形條件的制約,因此必須進(jìn)行插值生成連續(xù)分布的空間信息。

(1)降水量插值

由于降水的形成和分布是一個(gè)復(fù)雜的過程,影響降水的因素很多,如氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度、站點(diǎn)高程、坡向、坡度、離水體的距離等[16]。單純考慮地理地形條件影響下的降水即地形性降水的分布,其影響是相對常定的,因此,可以用多元回歸分析方法建立降水與地理地形等影響因子間的關(guān)系[17]。由于在固定的研究區(qū)域,因范圍很小,測站的經(jīng)緯度與大氣環(huán)流可不予考慮。對于中、小區(qū)域,地理位置(λ,φ)的差異甚小,可在式中當(dāng)作常數(shù)[18]。在山區(qū)特別是坡地上,由于空氣擾動和阻滯作用,降水與海拔高度、坡向、坡度有密切的關(guān)系,因此,考慮山區(qū)降水時(shí),坡度、坡向是不可忽略的因子[19]。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,為建立一個(gè)精確可靠的地形因子與臺風(fēng)過程降水的統(tǒng)計(jì)分布模型,可采用偏最小二乘的多元線性回歸統(tǒng)計(jì)方法,建立地形因子與降水分布的關(guān)系(式(1))。降水量P=P(h,α,β);h為地形高程;α,β分別為坡度和坡向。

式中:a0為常數(shù)項(xiàng);a1～a3為各項(xiàng)的系數(shù)。

(2)降水強(qiáng)度插值

在降水量插值計(jì)算分布的基礎(chǔ)上,計(jì)算評估時(shí)間段內(nèi)的小時(shí)降水強(qiáng)度。

(3)最大風(fēng)速插值

地形條件是固定不變的,風(fēng)向則隨時(shí)而異,故地形傾向與風(fēng)向間的關(guān)系多種多樣。影響復(fù)雜地形上氣流分布的因素很多,包括環(huán)境流場、近地層的物理過程、下墊面特征等[20]。為準(zhǔn)確反映不同站點(diǎn)風(fēng)速分布的大小,需要對待測點(diǎn)進(jìn)行插值處理。為了考慮地形起伏的影響,通過參考余琦、高陽華等人風(fēng)場插值的研究結(jié)論[21-22],采用式(2)進(jìn)行風(fēng)場插值。

式中:W(r,h)為不同地形條件下的插值風(fēng)速;r為待求點(diǎn)與測站之間的距離;h為氣象測點(diǎn)與待求點(diǎn)之間地形高度變化的總量;指數(shù)a和b為非負(fù)數(shù),本文采用b=3,a=2。

(4)經(jīng)濟(jì)易損性

一般認(rèn)為社會經(jīng)濟(jì)條件可以定性反映區(qū)域的災(zāi)損敏度,即易損性的高低。臺風(fēng)災(zāi)害評估必須考慮社會經(jīng)濟(jì)易損性。社會經(jīng)濟(jì)易損性主要涉及經(jīng)濟(jì)、人口密度、耕地面積等因素,這三種因素均具有較強(qiáng)區(qū)域差異性[23]。采用人口密度、耕地百分比、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值作為臺風(fēng)災(zāi)害的社會經(jīng)濟(jì)易損性指標(biāo)。其計(jì)算方法如下:

式中:A為各縣(市)人口數(shù)與全省人口數(shù)之比;B為各縣(市)耕地面積與全省平均耕地面積之比;C為各縣(市)GDP與全省平均GDP之比。按照一定區(qū)間分別賦值以作為評價(jià)的社會經(jīng)濟(jì)易損性指標(biāo)值,進(jìn)行柵格化處理后,作為一個(gè)因子數(shù)值圖層,參與災(zāi)害評估分析。

2.2 可拓評估方法

臺風(fēng)災(zāi)害損失評估是在降水量、降水強(qiáng)度、風(fēng)速和經(jīng)濟(jì)易損性等4個(gè)因子的條件下,利用可拓方法計(jì)算不同單元格內(nèi)的數(shù)值,評價(jià)臺風(fēng)災(zāi)害可能造成的災(zāi)害損失等級?？赏啬Ｐ驮u估的基本思路是:首先根據(jù)歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)集確定各評估因子特征的經(jīng)典域和節(jié)域;確定各特征的關(guān)聯(lián)函數(shù);然后將待評估的數(shù)據(jù)帶入各數(shù)據(jù)類中,計(jì)算關(guān)于各特征的關(guān)聯(lián)度,根據(jù)特征的權(quán)重系數(shù)計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度;最后與各類別集合的關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行比較,關(guān)聯(lián)度越大,與某類別的符合程度就越高[24]。

(1)經(jīng)典域和節(jié)域的確定[24-26]

定義:

式中:Moj為所劃分的第j個(gè)災(zāi)害損失等級;Ci為臺風(fēng)災(zāi)害損失等級Moj的第i個(gè)評價(jià)因子;Voj為Moj關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍,即臺風(fēng)災(zāi)害損失評價(jià)等級中對應(yīng)的評價(jià)因子所取的數(shù)據(jù)范圍-經(jīng)典域。設(shè):

式中:M為臺風(fēng)災(zāi)害損失評價(jià)等級的全體;Vmi為關(guān)于所取的量值范圍,即M的節(jié)域。

(2)待評價(jià)物元[24-26]

對待評估的對象,把所測得的數(shù)據(jù)或分析結(jié)果用物元表示為:

式中:m為具體某一地點(diǎn)的災(zāi)害損失評估;vi為m關(guān)于評價(jià)因子ci的量值,即待評點(diǎn)收集的具體數(shù)據(jù)。

(3)確定關(guān)聯(lián)函數(shù)[24-26]

關(guān)聯(lián)度是事物之間、因素之間關(guān)聯(lián)性的量度。關(guān)聯(lián)函數(shù)表達(dá)了事物具有某種性質(zhì)的程度,待評災(zāi)害損失等級與定義的災(zāi)害損失等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值Kj(vj)可按下式計(jì)算:

其中:(4)確定其評價(jià)等級

根據(jù)式(7),可分別計(jì)算出狀態(tài)評估的對象m中各因素與標(biāo)準(zhǔn)物元模型中等級j的關(guān)聯(lián)度為:

式中:wi為各評價(jià)因子的權(quán)重,其確定方法采用層次分析法定狀態(tài)下m屬于災(zāi)害損失等級j0。

2.3 評估模型與GIS的集成

GIS在空間數(shù)據(jù)采集、處理、數(shù)據(jù)存儲與組織、空間查詢以及圖形交互與顯示方面具有強(qiáng)大的功能。臺風(fēng)災(zāi)害評估是一個(gè)復(fù)雜的過程,其數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)關(guān)系密切,而GIS又具有功能齊全的空間數(shù)據(jù)分析和與專業(yè)模型相結(jié)合的能力,將評估模型與GIS結(jié)合,既充分利用GIS的數(shù)據(jù)管理能力和空間分析功能,又應(yīng)用評估模型開展災(zāi)害評估工作,無疑具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。由于模型和GIS的連接方式可以分為3種:松散耦合、緊密耦合和完全集成[27]。根據(jù)臺風(fēng)災(zāi)害評估的實(shí)際情況,采用完全集成的方法,將GIS和評估模型設(shè)計(jì)在ARCGIS系統(tǒng)內(nèi),使用共同的數(shù)據(jù)模型,并將數(shù)據(jù)納入到共同的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中,將災(zāi)害評估形成的空間數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)可視化。

3 結(jié)論

臺風(fēng)災(zāi)害所造成的損失是由眾多災(zāi)害影響因素相互作用的結(jié)果,而這些影響因素中有些可以用精確的數(shù)學(xué)模型來度量,有些則無法用精確的數(shù)學(xué)模型來描述,它的數(shù)值可能在一定范圍內(nèi)變動,因此選擇了降水量、降水強(qiáng)度、最大風(fēng)速、經(jīng)濟(jì)易損性作為評價(jià)的指標(biāo)。采用可拓方法建立損失評估模型,通過計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度判斷災(zāi)害損失的等級,將評價(jià)方法與GIS結(jié)合起來,充分發(fā)揮GIS的空間分析功能,實(shí)現(xiàn)評估結(jié)果的GIS顯示。

臺風(fēng)災(zāi)害損失評估等級的準(zhǔn)確性與評價(jià)指標(biāo)的節(jié)域范圍密切相關(guān),因此節(jié)域范圍的確定需要根據(jù)研究區(qū)臺風(fēng)歷史資料來確定,以便能更準(zhǔn)確評估在不同風(fēng)雨條件下臺風(fēng)災(zāi)害損失的等級的大小。

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