沙塵暴災害風險評估指標體系初探*

李鋒

(國家林業(yè)局荒漠化監(jiān)測中心，北京100714)

沙塵暴是在特定的地理環(huán)境和下墊面條件下，由特定的大尺度環(huán)流背景和各種不同尺度的天氣系統(tǒng)疊加所誘發(fā)的一種災害性天氣。作為一種自然災害，沙塵暴不僅造成直接經濟損失，如1993年5月5日發(fā)生在中國西北地區(qū)的特強沙塵暴直接經濟損失達5.5億元[1]，而且對大氣產生嚴重污染，造成空氣質量下降[2－3]，影響大氣酸堿平衡[4]，同時伴隨大量微生物的侵入，可能影響到城市生態(tài)安全[5]。沙塵暴攜帶的大量粉塵形成的氣溶膠對全球氣候變化也具有重要影響[6－7]。由于其光學厚度大，分布范圍廣，不僅通過輻射強迫作用對地球系統(tǒng)輻射平衡和全球氣候變化產生直接影響[8]，而且還通過控制輸入海洋的風成鐵等營養(yǎng)元素控制著海洋的生物產率，進而影響海洋對CO2的吸收，間接對氣候造成顯著影響[9－14]。

全世界有四大沙塵暴多發(fā)區(qū)，分別位于中亞、北美、中非和澳大利亞。中國是中亞沙塵暴多發(fā)區(qū)的重要組成部分，為全球現代沙塵暴的高活動區(qū)之一[15]。每年中國沙塵暴攜帶的粉塵總量約為800 Tg，約占全球粉塵排放總量的一半[16－17]，且約有一半被輸送到中國海區(qū)和遙遠的北太平洋[17－18]，可見中國沙塵暴對全球氣溶膠組成具有重要貢獻。目前，國內外關于沙塵暴時空分布[19－32]、成因[23，33－44]、源地[45－63]等方面的研究比較成熟，也取得了豐碩成果，但從災害系統(tǒng)理論角度去研究沙塵暴災害及其風險性評估的成果還不多見[64－65]。本文以災害系統(tǒng)理論為基礎，從沙塵暴災害風險發(fā)生的自然和人文因素出發(fā)，從致災因子、孕災環(huán)境和承災體三個方面分析了沙塵暴災害風險構成，并根據其風險構成特點對每個方面的評估指標進行了探討。

1 相關概念

1.1 沙塵暴

廣義的沙塵暴是氣象學中浮塵、揚沙和沙塵暴的合稱[41]。浮塵是指塵土、細沙均勻地漂浮在空中，使水平能見度小于10 km，多為遠處沙塵經上層氣流傳輸而來，或是沙塵暴天氣過后細粒物質在空中持續(xù)懸浮的現象;揚沙是指由于大風將本地沙塵吹起，水平能見度在1～10 km的天氣現象;沙塵暴是指由于強風將地面大量沙塵卷起，水平能見度小于1 km的天氣現象，其中強沙塵暴水平能見度低于200 m，特強沙塵暴水平能見度低于50 m，俗稱“黑風暴”[63]。

1.2 災害

災害是由某種不可控制或沒有采取控制的破壞因素引起的，突然或在短時期及一定時期內造成一定規(guī)模人員傷亡和物質財富的毀壞現象。根據災害系統(tǒng)理論，災害是孕災環(huán)境、承災體、致災因子綜合作用的產物[66－69]。

1.3 風險

風險一詞最早于19世紀末由西方學者在經濟學領域提出。此后，風險被逐步引入到自然災害研究領域，到目前為止還沒有一個統(tǒng)一而嚴格的定義。最常用的含義有兩種:一是指某個客體遭受某種傷害、損失、毀滅或不利影響的可能性[70]，二是指某種可能發(fā)生的危害[71]。風險具有三種基本屬性，即自然屬性、社會屬性和經濟屬性[72]。

1.4 沙塵暴災害

根據災害的定義，凡是對人類的生命財產和國民經濟建設造成直接或間接損害的沙塵暴事件都可稱為沙塵暴災害。按照國家林業(yè)局頒布的《重大沙塵暴災害應急預案》中沙塵暴災害應急管理要求，沙塵暴災害分為4級(表1)。

表1 沙塵暴災害分級

1.5 沙塵暴災害風險

根據風險的概念，沙塵暴災害風險包括兩種含義:①沙塵暴災害發(fā)生的可能性;②沙塵暴災害給人類社會帶來的可能損失。前者為沙塵暴災害致險可能性;后者為沙塵暴災害風險損失。

2 沙塵暴災害風險構成

從災害學角度看，沙塵暴災害由其致災因子、孕災環(huán)境和承災體共同相互作用形成。其中致災因子的危險性和孕災環(huán)境的穩(wěn)定性構成了沙塵暴災害風險發(fā)生的可能性，承災體的脆弱性構成了沙塵暴災害可能的損失。

2.1 致災因子的危險性構成

致災因子的危險性是指引起沙塵暴災害的致災因子強度及概率特征。從沙塵暴災害的成災過程和危害方式來看，沙塵暴災害的主要致災因子是大風和風沙流。因此，大風發(fā)生頻率和風沙流強度決定了區(qū)域致災因子危險性的大小及沙塵暴災害可能發(fā)生風險的概率。

大風是沙塵暴災害致災的必要條件，對于沙塵暴災害多發(fā)區(qū)而言，其危險性主要取決于發(fā)生頻率的多少。根據有關學者的研究[73]，沙塵暴災害多發(fā)的內蒙古中西部、甘肅北部和新疆東北部，大風日數空間分布與沙塵暴災害發(fā)生頻次空間分布具有較好的一致性，且沙塵暴災害發(fā)生頻次與大風日數呈明顯正相關關系。因此，大風發(fā)生頻率越高的地區(qū)，沙塵暴災害可能發(fā)生的風險越大。

風沙流是由于大量沙塵物質被卷起形成的攜沙氣流，其危險性主要體現在強度的大小。風沙流強度實際上反映了沙塵暴災害發(fā)生程度，沙塵暴災害造成的災情損失往往也與發(fā)生程度成正比。因此，對于沙塵暴災害多發(fā)區(qū)而言，強和特強沙塵暴災害發(fā)生頻次越多，造成的災情損失越嚴重，沙塵暴災害的風險也越大。目前，用于描述沙塵暴災害發(fā)生程度的指標有兩類，一類是按瞬時風速和能見度作為判定標準的沙塵暴強度指標[74－75]，另一類是以沙塵含量作為判定標準的沙塵暴強度指標[76]，從兩者之間關系看，沙塵濃度實際上是對沙塵暴災害能見度的定量描述。

2.2 孕災環(huán)境的穩(wěn)定性構成

孕災環(huán)境的穩(wěn)定性是指沙塵暴災害形成或影響區(qū)域環(huán)境要素及其變化特征，包括地形地貌、植被(組成、結構、覆蓋度)狀況、土壤(結構、質地、含水量、侵蝕程度、表面粗糙度)狀況等因素。因此，這些因素的差異決定了區(qū)域孕災環(huán)境穩(wěn)定性的強弱及對沙塵暴災害可能發(fā)生風險的影響程度。

從大地貌分布看，我國北方地區(qū)地貌類型多為高原、盆地，地形開闊，來自西伯利亞—蒙古高壓區(qū)的冷空氣可以長驅直入，使這些地區(qū)成為我國沙塵暴災害多發(fā)區(qū)、頻發(fā)區(qū)[41－42]。不同地形地貌的穩(wěn)定性主要表現在沙塵暴災害發(fā)生頻率的差異。有關研究表明[77]，不同地形地貌沙塵暴災害發(fā)生頻率大小依次為:沙漠和沙地及其邊緣＞高原＞山地丘陵＞平原?？梢姴煌匦蔚孛采硥m暴災害發(fā)生風險具有一定的差異。

植被狀況的穩(wěn)定性主要體現在植被覆蓋度對沙塵暴災害發(fā)生風險的影響。有關研究成果顯示[78－79]，春季和上年夏季植被覆蓋度與沙塵暴發(fā)生日數和持續(xù)時間呈負相關，植被覆蓋的年季變化是造成我國西部地區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵發(fā)生頻次年季波動的重要因素之一。因此，植被覆蓋程度越差的地區(qū)，沙塵暴災害可能發(fā)生的風險越大。

土壤狀況的穩(wěn)定性主要表現在土壤可蝕性和土壤濕度對沙塵暴災害發(fā)生風險的影響。土壤可蝕性不僅與土壤顆粒粒徑有關，而且與其質地密切相關。Chepil[80]通過風洞實驗將土壤粒度的抗風蝕能力劃分為三類，即粒徑小于0.42 mm的高可蝕顆粒，粒徑0.42～0.84 mm的半可蝕顆粒，粒徑大于0.84 mm的不可蝕顆粒。不同質地的土壤可蝕性大小依次為:沙質＞礫質＞壤質＞粘質[81]。土壤可蝕性直接影響土壤風蝕狀況，土壤風蝕嚴重的地區(qū)往往是沙塵暴災害多發(fā)、頻發(fā)的主要區(qū)域。因此，土壤越易侵蝕的地區(qū)，土壤風蝕越嚴重，沙塵暴災害可能發(fā)生的風險越大。

關于土壤濕度對沙塵暴災害發(fā)生風險的影響，有關研究認為[82－83]，土壤水分與沙塵暴災害發(fā)生頻次之間存在著負相關關系，但在一定土壤水分含量范圍內，沙塵暴災害的發(fā)生并不隨土壤含水量的降低而發(fā)生明顯變化，只有當土壤水分低于一定程度時，才隨著土壤水分的降低而增加，即土壤水分有明顯的閾值反應，且不同地區(qū)的閾值上限存在差異，閾值越高的地區(qū)，抵御沙塵暴災害風險的能力越強。

2.3 承災體的脆弱性構成

承災體的脆弱性是指沙塵暴災害對其發(fā)生區(qū)或影響區(qū)存在的社會經濟系統(tǒng)造成的傷害或損失程度，主要包括人口、經濟狀況、交通設施、農業(yè)生產、牧業(yè)生產、工業(yè)生產等方面的損失程度。這些承災體的脆弱性大小綜合反映了沙塵暴災害可能造成的損失程度。

與其他自然災害一樣，人類也是沙塵暴災害最主要的承災體。其脆弱性的大小主要體現在區(qū)域人口分布的多少，即人口密度。人口密度越高的地區(qū)，受沙塵暴災害影響的人口越多，造成死亡的幾率越高，沙塵暴災害風險程度也越高。

經濟狀況的脆弱性大小主要體現在區(qū)域經濟發(fā)展水平和發(fā)達程度。經濟狀況越好的地區(qū)，沙塵暴災害造成的破壞越嚴重，由此產生的可能經濟損失越大，沙塵暴災害風險程度也越高。

農作物或經濟作物是農業(yè)生產方面主要的沙塵暴災害承災體。往往一般的沙塵暴災害就會造成農作物或經濟作物較大的損失，特強沙塵暴災害常常造成農作物或經濟作物絕產絕收，直接經濟損失巨大。其脆弱性的大小主要體現在區(qū)域農作物或經濟作物種植面積，沙塵暴災害多發(fā)區(qū)農作物或經濟作物種植面積越大的地區(qū)，災情損失的風險程度越高。

牲畜作為牧業(yè)生產方面主要的沙塵暴災害承災體，與沙塵暴災害發(fā)生區(qū)或影響區(qū)是我國傳統(tǒng)的牧業(yè)區(qū)或農牧交錯區(qū)有關。其脆弱性的大小主要體現在區(qū)域牲畜分布的多少，即牲畜密度。牲畜密度越大的地區(qū)，受沙塵暴災害的影響造成的牲畜死亡幾率越高，可能的經濟損失也越嚴重，災情損失的風險程度也越高。

沙塵暴災害對交通設施、工業(yè)生產的影響，由于空間定量化比較困難，其脆弱性尚無法準確研究。

3 沙塵暴災害風險評估指標構建

沙塵暴災害風險評估指標的構建既要考慮繼承性和系統(tǒng)性原則，又要考慮可操作性和簡單性原則。繼承性和系統(tǒng)性原則就是充分利用前人的研究成果，盡可能包括致災因子的危險性、孕災環(huán)境的穩(wěn)定性和承災體的脆弱性各類指標;可操作性和簡單性原則就是能夠全面反映沙塵暴災害風險的空間分布，各類指標數據易于獲取，便于指導沙塵暴災害應急工作。基于以上原則，根據上述沙塵暴災害風險構成的分析結果，筆者提出以下指標作為沙塵暴災害風險評估的主要指標。

3.1 致災因子的危險性指標

根據致災因子的危險性構成特點，選擇沙塵暴災害頻次、沙塵暴災害強度和大風日數作為致災因子危險性的評估指標。

3.1.1 沙塵暴災害頻次

沙塵暴災害頻次實際上反映了區(qū)域過去一定時間范圍內沙塵暴災害發(fā)生概率，發(fā)生概率越大，沙塵暴災害發(fā)生的危險性也越大。有關研究表明[84－85]，近50年沙塵暴災害發(fā)生頻次具有明顯的區(qū)域差異，根據沙塵暴災害發(fā)生頻次的多少，可將沙塵暴發(fā)生區(qū)劃分為影響區(qū)、易發(fā)區(qū)、多發(fā)區(qū)和高頻區(qū)4個區(qū)域?？梢娚硥m暴災害頻次能夠反映不同區(qū)域沙塵暴災害的危險性大小。

3.1.2 沙塵暴災害強度

沙塵暴災害強度往往與災情損失具有直接關系，根據災情損失統(tǒng)計，沙塵暴災害強度越大，造成的經濟損失越嚴重。因此，致災因子中，沙塵暴災害強度能夠全面反映致災因子的危險性，可作為沙塵暴災害危險性的主要評估指標。

3.1.3 大風日數

由于大風日數與沙塵暴災害發(fā)生頻次具有明顯正相關關系，因此大風日數對區(qū)域沙塵暴災害發(fā)生的危險性具有一定的影響。但大風并不是沙塵暴災害發(fā)生的充分條件，如塔克拉瑪干沙漠是我國沙塵暴災害發(fā)生的高頻區(qū)，但卻是大風日數分布的低值區(qū)[73]。因而大風日數可以作為致災因子危險性評估的輔助指標，應與其他指標共同應用。

3.2 孕災環(huán)境的穩(wěn)定性指標

根據孕災環(huán)境的穩(wěn)定性構成特點，選擇植被覆蓋度、土壤濕度、土壤可蝕性、土壤風蝕模數和土壤風蝕強度作為孕災環(huán)境穩(wěn)定性的評估指標。

3.2.1 植被覆蓋度

植被覆蓋度的大小直接影響到土壤風蝕強度，進而影響到沙塵暴災害發(fā)生強度。風洞實驗表明，在實驗風速12.7 m/s的條件下，隨著植被覆蓋度降低，土壤風蝕量具有明顯的指數遞增關系[86－88]。因此，植被覆蓋度可作為孕災環(huán)境穩(wěn)定性的重要評估指標。

3.2.2 土壤濕度

與植被覆蓋度類似，土壤濕度也主要對土壤風蝕強度產生影響。風洞實驗表明，風沙土含水率越大，風蝕量越小。在任何大于臨界風蝕風速的條件下，風沙土的風蝕量隨含水率的增加呈二次冪函數減少[86，89－90]。因此，土壤濕度也是孕災環(huán)境穩(wěn)定性的重要評估指標。

3.2.3 土壤可蝕性

孕災因子中，土壤可蝕性也主要對土壤風蝕強度產生影響。據研究，粒徑在0.08～0.40 mm的易蝕范圍內，風蝕量隨粒徑的增加呈二次冪函數減少[91]。董治寶等研究認為[92]，風成沙的風蝕可蝕性隨粒度的變化服從分段函數，0.09 mm粒徑者最易被風蝕，在相當粒徑的條件下，混合沙粒較均勻粒徑者易風蝕。因此，土壤可蝕性也應作為孕災環(huán)境穩(wěn)定性的重要評估指標。

3.2.4 土壤風蝕模數

土壤風蝕實際上是風力、植被覆蓋、土壤濕度及土壤可蝕性等因子綜合作用的結果。因此，孕災因子中，土壤風蝕模數更能夠真實反映孕災環(huán)境的穩(wěn)定性，可作為沙塵暴災害發(fā)生風險的主要評估指標。但由于土壤風蝕過程的復雜性，目前還沒有公認的土壤風蝕模數估算模型。

3.2.5 土壤風蝕強度

土壤風蝕強度與土壤風蝕模數相似，也是反映沙塵暴災害發(fā)生風險的主要指標，但并不是直接獲得定量數值，而是通過植被覆蓋、土壤質地等指標綜合評價間接獲得區(qū)域風蝕狀況及程度[93]。在無法準確獲取土壤風蝕模數的情況下，土壤風蝕強度指標對于評估孕災環(huán)境的穩(wěn)定性具有較好的應用價值。

3.3 承災體的脆弱性指標

根據沙塵暴災害承災體的脆弱性構成特點，選擇人口密度、地均GDP、耕地面積比、牲畜密度和災情損失作為承災體脆弱性的評估指標。

3.3.1 人口密度

人口密度反映了區(qū)域人口分布程度。與地震、洪水等自然災害不同，沙塵暴災害致死率較低，但受影響人口范圍較大，特別是北方大中城市居民，每年春季常常身受沙塵暴造成的空氣污染之苦。因此，人口密度應作為承災體脆弱性的主要評估指標。

3.3.2 地均GDP

地均GDP反映了單位面積上的財富聚集水平。對于沙塵暴災害多發(fā)區(qū)而言，地均GDP越高，沙塵暴災害造成的經濟損失越大。因此，地均GDP是沙塵暴災害承災體脆弱性的重要評估指標。

3.3.3 耕地面積比

耕地面積比反映了區(qū)域耕地面積的比重。沙塵暴災害多發(fā)區(qū)耕地面積比重越大的區(qū)域，受到沙塵暴災害影響的幾率越高，由此造成的經濟損失也越大。因此，耕地面積比是沙塵暴災害農業(yè)方面承災體脆弱性的重要評估指標。

3.3.4 牲畜密度

牲畜密度反映了區(qū)域牲畜數量的多少。沙塵暴災害多發(fā)區(qū)牲畜數量越多的地區(qū)，受大風和凍害的影響，致死率越高，經濟損失也越重。因此，牲畜密度是沙塵暴災害牧業(yè)方面承災體脆弱性的重要評估指標。

3.3.5 災情損失

災情損失定量描述了沙塵暴災害造成的損害程度，直接反映了區(qū)域的脆弱性，因此是承災體脆弱性的主要評估指標。災情損失需要收集多年歷史資料，才能對區(qū)域的脆弱性做出準確評估。但由于統(tǒng)計標準不同，災情損失往往相差很大，使該指標應用受到一定限制。

4 結語

沙塵暴災害產生的大量粉塵對全球氣候變化具有重要影響，這方面研究已成為國內外科學界的研究熱點問題之一，但沙塵暴災害風險性評估的成果還不多見[64－65]。本文從國家沙塵暴災害應急管理工作的實際出發(fā)，考慮到編制北方沙塵暴災害多發(fā)區(qū)風險評估與區(qū)劃圖的需要，按照繼承性、系統(tǒng)性、簡單性和可操作性的原則，提出了一套沙塵暴災害風險評估指標。由于影響沙塵暴災害風險的因素過多，本文的一些觀點和認識難免有不妥和片面之處，但希望能夠對沙塵暴災害風險評估研究方面有所裨益。

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