基于經(jīng)濟(jì)損失的河北省雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估*

李 婷，孫玉龍，陳笑娟，俞海洋，劉慶愛,2，李 丹

(1.河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊 050021；2.北京師范大學(xué) 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；3. 武安市氣象局，河北 武安 056300)

雪災(zāi)是影響河北省的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，易導(dǎo)致能見度降低，阻礙交通正常運(yùn)行，甚至損壞高壓輸電線，壓塌蔬菜棚室和民房[1]，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。對(duì)于冀北地區(qū)，雪災(zāi)大大影響農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸和銷售[2]。2009年11月8-12日河北出現(xiàn)全省范圍的降雪天氣，47個(gè)縣市的最大積雪深度突破當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠?lái)的歷史極值，328.4萬(wàn)人受災(zāi)，162.7 khm2農(nóng)作物受災(zāi)，6 590間房屋倒塌或損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)15.3 億元。開展雪災(zāi)的危險(xiǎn)性高低、強(qiáng)度大小及可能的損失評(píng)估，已成為開展雪災(zāi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的重要內(nèi)容。

目前的雪災(zāi)研究已有很多，主要涉及時(shí)空特征、暴雪天氣過程和預(yù)報(bào)、致災(zāi)因子及災(zāi)情分析[3-5]三方面，多集中在青海、內(nèi)蒙等高原牧區(qū)，且局限于雪深大小、日數(shù)長(zhǎng)短等致災(zāi)因子作為雪災(zāi)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。李凡等[6]基于GIS和RS工具，通過層次分析和聚類分析法，對(duì)果洛地區(qū)的積雪深度、持續(xù)天數(shù)、積雪面積比三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估。以往研究中，將承災(zāi)體脆弱性、暴露性和承災(zāi)體風(fēng)險(xiǎn)作為雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究相對(duì)較少[7]，而致災(zāi)因子是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)，暴露度和脆弱性評(píng)價(jià)是災(zāi)情預(yù)估的核心[7-8]。主要評(píng)估方法中，指標(biāo)評(píng)估法是通過建立多指標(biāo)評(píng)估體系和已有雪災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定雪災(zāi)大小，但要求動(dòng)態(tài)更新的指標(biāo)資料，且僅可定性反映風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)大小，而基于歷史災(zāi)情的脆弱性曲線，則可建立不同致災(zāi)強(qiáng)度與人口、經(jīng)濟(jì)等承災(zāi)體損失的定量化關(guān)系，來(lái)反演期望損失值[9]。

本文針對(duì)河北省雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究薄弱和實(shí)際業(yè)務(wù)需求的現(xiàn)狀，以致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體暴露度和脆弱性評(píng)估為基礎(chǔ)，通過建立承災(zāi)體脆弱性曲線，利用災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，對(duì)不同重現(xiàn)期下雪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量研究，為河北省開展雪災(zāi)定量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估業(yè)務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)決策提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 資料來(lái)源

致災(zāi)因子數(shù)據(jù)為河北省1951-2017年142個(gè)國(guó)家地面氣象站的逐日積雪深度資料，來(lái)自河北省氣象局。

災(zāi)情數(shù)據(jù)為1984-2017年河北省各縣域雪災(zāi)災(zāi)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，主要字段包括災(zāi)害開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)、天氣過程描述、損失數(shù)據(jù)、災(zāi)情描述等，來(lái)自河北省氣象局與《中國(guó)氣象災(zāi)害大典(河北卷)(2008)》。

承災(zāi)體數(shù)據(jù)的各縣域內(nèi)逐年地區(qū)生產(chǎn)總值來(lái)自河北省統(tǒng)計(jì)局的經(jīng)濟(jì)年鑒資料(http://www.hetj.gov.cn/)，地均GDP(單位面積內(nèi)直接經(jīng)濟(jì)損失)空間分布數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，基于2010年分布數(shù)據(jù)，通過查閱2011-2015年河北省年末總GDP數(shù)據(jù)，計(jì)算年均GDP增長(zhǎng)率，計(jì)算得到河北省2015年地均GDP柵格數(shù)據(jù)，分辨率為1 km×1 km。地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自河北省地理信息局。

2 研究方法

2.1 雪壓計(jì)算方法

雪壓為單位水平面積上的雪重，根據(jù)積雪深度和積雪密度可計(jì)算得到雪壓，公式如下[10]：

s=hρg。

(1)

式中：h為積雪深度(m)；ρ為華北地區(qū)積雪密度，取值130 kg/m3[10]；g為重力加速度，取值9.8 m/s2。

2.2 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)估方法

在概率論意義上，氣候概率分布模式是根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間歷史實(shí)測(cè)資料的樣本分布進(jìn)行極值變化的推算，利用極值理論，計(jì)算極值概率分布函數(shù)和重現(xiàn)期，這對(duì)于客觀及定量評(píng)價(jià)氣象災(zāi)害強(qiáng)度具有重要意義[11]。根據(jù)概率分布理論[12]，假定X為連續(xù)性隨機(jī)變量，對(duì)于任意實(shí)數(shù)x而言，X

(2)

根據(jù)歷史逐日資料分別提取年最大日積雪深度和年最大日雪壓，構(gòu)建致災(zāi)因子年極值數(shù)據(jù)(Annual Maximum，AM)序列。使用極值I型(Gumbel)、Weibull、Pearson-III型、正態(tài)分布等10種常見分布函數(shù)對(duì)各站點(diǎn)序列進(jìn)行分布擬合。由于最大似然法(Maximum Likelihood Estimation，MLE)能適應(yīng)不同極值模型參數(shù)估計(jì)需求，參數(shù)估計(jì)效果精確度高[13]，因此選擇該方法估計(jì)模型參數(shù)，通過Kolmogorov-Smirno(KS)檢驗(yàn)法確定最優(yōu)分布函數(shù)[14]，然后計(jì)算不同重現(xiàn)期下雪災(zāi)對(duì)應(yīng)的致災(zāi)因子強(qiáng)度，通過GIS技術(shù)反距離權(quán)重插值法得到空間分布。

2.2 承災(zāi)體脆弱性評(píng)估方法

根據(jù)災(zāi)情統(tǒng)計(jì)和氣象觀測(cè)資料，獲取雪災(zāi)發(fā)生時(shí)的直接經(jīng)濟(jì)損失和致災(zāi)因子數(shù)據(jù)，通過年鑒資料查詢相應(yīng)時(shí)間和地點(diǎn)的地區(qū)生產(chǎn)總值，計(jì)算雪災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失率；通過致災(zāi)因子數(shù)據(jù)歸一化得到致災(zāi)強(qiáng)度指數(shù)?；贛atlab 2014a，通過線性、多項(xiàng)式、指數(shù)、高斯等回歸方法，繪制致災(zāi)強(qiáng)度指數(shù)-因?yàn)?zāi)經(jīng)濟(jì)損失率擬合曲線，根據(jù)擬合度檢驗(yàn)結(jié)果，得到河北省雪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失的脆弱性曲線。

2.3 承災(zāi)體損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

風(fēng)險(xiǎn)是致災(zāi)因子、承災(zāi)體暴露度和脆弱性共同作用的結(jié)果。根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論體系，不同年遇型風(fēng)險(xiǎn)為由致災(zāi)因子作用而導(dǎo)致的承災(zāi)體損失的可能性，即損失期望值[15]。對(duì)于經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)而言，計(jì)算公式如下：

R(t)=V(H(t))×E。

(3)

式中：R(t)為t年一遇的風(fēng)險(xiǎn)；H(t)為t年一遇的致災(zāi)因子強(qiáng)度，V為承災(zāi)體(經(jīng)濟(jì))的脆弱性函數(shù)；E為承災(zāi)體(經(jīng)濟(jì))的價(jià)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)估

雪災(zāi)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性是指積雪深度、降雪量等要素的強(qiáng)度、頻率和變化規(guī)模，一般情況下，降雪強(qiáng)度越大，積雪越深，雪災(zāi)的致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)就越大[9]。本文選取積雪深度和日雪壓作為雪災(zāi)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖1為不同重現(xiàn)期下河北省雪災(zāi)年最大日積雪深度的危險(xiǎn)性分布圖。由圖1可見，隨著重現(xiàn)期的增加，積雪深度和范圍逐漸增加。重現(xiàn)期為5年一遇時(shí)，西部太行山區(qū)和張家口東北部、承德、唐山北部的致災(zāi)強(qiáng)度相對(duì)較高，積雪深度在10 cm以上。10年一遇時(shí)，全省絕大部分地區(qū)積雪深度介于11～15 cm之間，而張家口東北部、承德和唐山北部的積雪深度致災(zāi)強(qiáng)度相對(duì)更高，達(dá)到15 cm以上。30年一遇時(shí)，高值區(qū)主要分布在石家莊西部山區(qū)、張家口東北部、承德以及唐山北部和南部，積雪深度超過20 cm，而50年一遇時(shí)，幾乎整個(gè)太行山區(qū)和保定以北地區(qū)均在20 cm以上。而在承德、唐山交界處及唐山東南部，致災(zāi)因子危險(xiǎn)性更高，30年一遇積雪深度達(dá)44 cm，50年一遇高達(dá)66 cm?？傮w來(lái)說，地勢(shì)較高的河北西部山區(qū)和北部張承地區(qū)的雪災(zāi)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性較高，這是由于相對(duì)平原而言，山區(qū)或壩上等高海拔區(qū)氣溫相對(duì)偏低，持續(xù)低溫不利于積雪融化，導(dǎo)致積雪深度更大，致災(zāi)危險(xiǎn)性較高。

基本雪壓為雪荷載的基準(zhǔn)壓力，是指結(jié)構(gòu)試用期間，在水平地面上根據(jù)氣象記錄資料經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到的可能受到的最大雪壓值[16]。根據(jù)《GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，一般建筑結(jié)構(gòu)的基本雪壓采用50年重現(xiàn)期的雪壓，對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)(主要指大跨、輕質(zhì)層蓋結(jié)構(gòu))，采用100年重現(xiàn)期的雪壓[10]。

圖1 不同重現(xiàn)期下河北省雪災(zāi)年最大日積雪深度致災(zāi)強(qiáng)度分布

圖2 不同重現(xiàn)期下河北省雪壓致災(zāi)強(qiáng)度分布

圖3 河北省雪災(zāi)經(jīng)濟(jì)脆弱性曲線擬合

圖2為不同重現(xiàn)期河北省雪壓致災(zāi)強(qiáng)度分布圖。重現(xiàn)期為10年一遇時(shí)，除衡水和滄州地區(qū)，其他大部分地區(qū)雪壓在0.16～0.20 kN/m2之間。30年一遇時(shí)，石家莊西部、張家口、承德及唐山南部和北部的雪壓達(dá)0.20 kN/m2以上，而張家口東北部的沽源縣和承德南部興隆縣的雪壓相對(duì)較高，超過0.30 kN/m2。根據(jù)50年一遇雪壓分布，河北西部山區(qū)和北部地區(qū)的基本雪壓在0.25 kN/m2以上，其中，張家口中東部、承德以及唐山地區(qū)的北部和南部，建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)應(yīng)滿足基本雪壓在0.30 kN/m2以上。而對(duì)于雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，石家莊西部和保定以北地區(qū)應(yīng)滿足0.36～0.50 kN/m2，承德與唐山交界處、唐山東部樂亭縣附近則應(yīng)滿足0.5 kN/m2以上的雪壓。

3.2 承災(zāi)體脆弱性評(píng)估

承災(zāi)體脆弱性是承災(zāi)體在面對(duì)災(zāi)害威脅時(shí)的易受損性質(zhì)，受自然、社會(huì)、環(huán)境及人類活動(dòng)等因素的作用[17]，由內(nèi)在易損性和應(yīng)對(duì)抗災(zāi)能力等自身屬性決定[18]。一般地，某地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)越多越集中，可能損失越大，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也越大?；诤颖笔〗?jīng)濟(jì)年鑒和雪災(zāi)災(zāi)情資料，本文選取經(jīng)濟(jì)作為承災(zāi)體，地均GDP作為暴露度指標(biāo)，以歸一化的致災(zāi)因子強(qiáng)度指數(shù)為x軸，直接經(jīng)濟(jì)損失率為y軸，建立二者關(guān)系曲線來(lái)表征承災(zāi)體脆弱性(圖3)。對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，確定系數(shù)(R2)越接近1，殘差平方和(SSE)和剩余標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE)的數(shù)值越小，表明擬合程度越好。由表1可以看出，指數(shù)函數(shù)的確定系數(shù)最大(R2=0.864 9)，對(duì)應(yīng)的殘差平方和(SSE=0.000 344)和剩余標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE=0.003 505)均是最小，擬合優(yōu)度最佳，高斯函數(shù)次之，正弦函數(shù)最差，因此選擇指數(shù)函數(shù)來(lái)表達(dá)經(jīng)濟(jì)損失對(duì)于雪災(zāi)的脆弱性。

表1 河北省雪災(zāi)經(jīng)濟(jì)脆弱性曲線擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

3.3 承災(zāi)體損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

承災(zāi)體的損失風(fēng)險(xiǎn)受致災(zāi)因子、承災(zāi)體暴露

度和脆弱性的綜合影響。其中，暴露度是指致災(zāi)因子影響范圍內(nèi)的承災(zāi)體(人口、經(jīng)濟(jì)等)數(shù)量或價(jià)值量及空間分布，是風(fēng)險(xiǎn)存在的必要條件[19]。在同等致災(zāi)因子危險(xiǎn)性下，地均GDP水平越高，范圍越大，受損風(fēng)險(xiǎn)越大。圖4為河北省地均GDP的空間分布圖，總體呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特征，其中，唐山、廊坊、保定、石家莊、滄州、邯鄲等平原城市的地均GDP水平相對(duì)較高，尤其保定、石家莊市轄區(qū)和唐山曹妃甸出現(xiàn)44 465.8 萬(wàn)元/km2以上的高值區(qū)，而經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的保定西北部山區(qū)以及張家口、承德，地均GDP水平較低，大部分地區(qū)低于2 431.7 萬(wàn)元/km2。

圖4 河北省地均GDP空間分布

圖5展示了不同重現(xiàn)期河北省雪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)分布。總體來(lái)看，不同重現(xiàn)期的經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)與地均GDP的空間分布大體一致，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在中南部和東北部地區(qū)。重現(xiàn)期越大，地均GDP損失值越高，范圍越大。重現(xiàn)期為5年一遇時(shí)，唐山、廊坊北部、石家莊、邯鄲部分地區(qū)的地均GDP受災(zāi)損失在10～25萬(wàn)元/km2之間，而保定和石家莊市區(qū)出現(xiàn)50 萬(wàn)元/km2以上。10年一遇時(shí)，唐山南部曹妃甸工業(yè)區(qū)的損失值也超過了50 萬(wàn)元/km2。30年一遇時(shí)，自北向南，唐山、廊坊及太行山脈以東的河北中南部地區(qū)，經(jīng)濟(jì)損失較高，以石家莊中東部、廊坊北部和唐山較為突出。30年和50年一遇時(shí)，中南部各市市轄區(qū)附近，以及唐山北部遵化縣和南部曹妃甸區(qū)均出現(xiàn)了50 萬(wàn)元/km2以上明顯的損失高值中心。因此，在太行山脈以東、燕山山脈以南地區(qū)，雖然致災(zāi)因子強(qiáng)度較低，但其經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)集中，受雪災(zāi)影響的損失風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，表明經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)受到致災(zāi)因子和自身屬性的共同作用。

圖5 不同重現(xiàn)期下河北省雪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)分布

4 結(jié)論與討論

本文基于經(jīng)濟(jì)的雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要包括兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：致災(zāi)因子重現(xiàn)期分布擬合和承災(zāi)體脆弱性曲線研究，將二者聯(lián)系起來(lái)構(gòu)建了致災(zāi)因子強(qiáng)度指數(shù)-承災(zāi)體損失率的脆弱性曲線，對(duì)承災(zāi)體的損失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，得到以下結(jié)論。

(1)隨著重現(xiàn)期的增加，積雪深度的致災(zāi)強(qiáng)度與影響范圍逐漸變大。受地勢(shì)影響，河北西部山區(qū)和北部張承地區(qū)的雪災(zāi)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性較高。在承德、唐山交界以及唐山的東南部，30年一遇積雪深度達(dá)44 cm，50年一遇高達(dá)66 cm。河北省北部地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)荷載的基本雪壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(0.30 kN/m2以上)高于其他地區(qū)，而對(duì)于雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，承德與唐山交界處、唐山東部則應(yīng)達(dá)到0.5 kN/m2以上。

(2)選取經(jīng)濟(jì)作為雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的承災(zāi)體，選擇地均GDP作為暴露度指標(biāo)，在同等的致災(zāi)因子危險(xiǎn)性條件下，地均GDP水平越高，范圍越大，受損的風(fēng)險(xiǎn)越大。通過建立經(jīng)濟(jì)損失率與積雪深度的曲線關(guān)系，選擇了擬合效果最好的指數(shù)函數(shù)來(lái)表達(dá)經(jīng)濟(jì)損失對(duì)于雪災(zāi)的脆弱性。

(3)河北省經(jīng)濟(jì)分布總體呈現(xiàn)東南高、西北低，不同重現(xiàn)期的雪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)與地均GDP的空間分布大體一致，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)集中的唐山、廊坊以及太行山脈以東的河北中南部地區(qū)，其中以中南部的各市區(qū)以及唐山遵化縣和曹妃甸區(qū)更為突出，30年和50年一遇經(jīng)濟(jì)損失超過50 萬(wàn)元/km2。

河北省設(shè)施農(nóng)業(yè)作為京津冀蔬菜的重要供應(yīng)來(lái)源，是雪災(zāi)的重點(diǎn)承災(zāi)體之一，今后有必要進(jìn)一步設(shè)施農(nóng)業(yè)的雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與評(píng)估，為趨利避害提供重要參考[20]。本文采用的脆弱性曲線方法能夠定量化建立雪災(zāi)致災(zāi)因子強(qiáng)度與承災(zāi)體損失的映射關(guān)系，但適用區(qū)域有限，對(duì)于地形地貌導(dǎo)致的氣候差異性大的地區(qū)，需要進(jìn)一步考慮孕災(zāi)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)能力引起的災(zāi)損差異[21-22]。另外，此方法對(duì)災(zāi)情資料要求較高，對(duì)于各市縣而言，需要有足夠多的災(zāi)情損失記錄以及與災(zāi)害發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)相匹配的氣象記錄。