重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實(shí)時(shí)評(píng)估方法研究*

康邵鈞

(河南省商丘市氣象局，河南 商丘476000)

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，全球氣候不斷發(fā)生變化，極端天氣事件發(fā)生的概率急劇上升，我國(guó)也時(shí)常發(fā)生氣候?yàn)?zāi)害，災(zāi)害所帶來(lái)的損失也讓我們意識(shí)到應(yīng)急救援工作的緊迫性與重要性。從這樣的現(xiàn)象可以看出，當(dāng)?shù)馗鞑块T對(duì)于重大氣象災(zāi)害的預(yù)警信息不夠重視，防御措施準(zhǔn)確不足，導(dǎo)致我國(guó)的基本設(shè)施的防災(zāi)水平低[1]。在評(píng)估方面，只是單純的對(duì)道路、陰雨相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)及預(yù)警，對(duì)通信、電力等易受環(huán)境干擾的點(diǎn)，未進(jìn)行足夠的重視，相關(guān)部門也并未對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警信號(hào)發(fā)布，這也反應(yīng)出各部門缺少及時(shí)、有效的溝通，協(xié)調(diào)能力差[2-3]。此外，在災(zāi)害發(fā)生前期，各部門并未及時(shí)把災(zāi)害程度及所導(dǎo)致的各種損失作出準(zhǔn)確的估計(jì)，在災(zāi)害中缺失應(yīng)急物資這就說(shuō)明我國(guó)對(duì)災(zāi)害應(yīng)急所做的準(zhǔn)備還不夠充分，容易造成被動(dòng)受災(zāi)。

目前，我國(guó)的應(yīng)急救援服務(wù)仍然存有眾多問(wèn)題，因此提高我國(guó)應(yīng)急救援服務(wù)能力已經(jīng)成為社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)此，提出基于時(shí)空差異的重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實(shí)時(shí)評(píng)估方法。通過(guò)重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論分析，采用時(shí)空差異法提取氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)特征，并以此為基礎(chǔ)，建立重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型，引入分布函數(shù)求取應(yīng)急防御時(shí)變率，實(shí)時(shí)評(píng)估重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)方法進(jìn)行重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評(píng)估時(shí)，其評(píng)估準(zhǔn)確率較高，且不易受外界影響，具有一定優(yōu)勢(shì)。

1 重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論分析

目前對(duì)于重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的分析，多為洛倫斯(Loweance)提出的，對(duì)事件不利干擾因素可能性和后果嚴(yán)重程度的一種綜合計(jì)量[4]，而氣象造成災(zāi)害的概率以及由此產(chǎn)生災(zāi)害損失的乘積指的是重大氣象風(fēng)險(xiǎn)，可表示為：

R=f(p,h)=p×h。

(1)

式中：R表示重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值，p表示重大氣象災(zāi)害發(fā)生概率，h表示災(zāi)害損失值。

據(jù)分析可知，在造成重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，災(zāi)害應(yīng)急防御功率變化頻繁[5]，因此重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)多為時(shí)變，可表示為：

R(t)=p(t)×h(t)。

(2)

式中：R(t)表示氣象災(zāi)害的時(shí)變風(fēng)險(xiǎn)值，p(t)表示氣象災(zāi)害的時(shí)變概率，h(t)為重大氣象災(zāi)害損失值。則在固定一段時(shí)間里形成的重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)表示為：

(3)

式中：RT表示在時(shí)間區(qū)間T=[t1，t2]內(nèi)發(fā)生重大氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 基于時(shí)空差異的氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)特征分析

對(duì)此，在分析重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論的基礎(chǔ)上，采用時(shí)空差異法，對(duì)氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行分析。通過(guò)得出重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)后，進(jìn)一步按氣象災(zāi)害類型計(jì)算發(fā)生災(zāi)害的概率，表達(dá)式為：

(4)

式中：nx為發(fā)生x類氣象災(zāi)害的次數(shù)，x∈{雷電，臺(tái)風(fēng)，大風(fēng)，冰雪，高溫，暴雨，山火等}；T為災(zāi)害單位時(shí)間；Tx為x類氣象災(zāi)害所連續(xù)時(shí)間，?x為x類氣象災(zāi)害的維持時(shí)間在研究時(shí)間內(nèi)所占比例；βx是x類氣象災(zāi)害發(fā)生次數(shù)在研究時(shí)間內(nèi)所占出現(xiàn)災(zāi)害次數(shù)的比例，λave為氣象災(zāi)害嚴(yán)重等級(jí)。

將x類型氣象災(zāi)害的持續(xù)時(shí)間計(jì)入研究時(shí)間區(qū)間內(nèi)，則各風(fēng)險(xiǎn)因子在確定不同等級(jí)災(zāi)害程度的貢獻(xiàn)率為：

(5)

式中：μx為x類氣象災(zāi)后修復(fù)的概率；λx為不同類型的災(zāi)害等級(jí)；px為不同等級(jí)災(zāi)害程度的貢獻(xiàn)率。

氣象風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算多采用氣象造成線路故障概率乘以輸送能力損失值的形式，所以，使用時(shí)空差異法，對(duì)某一時(shí)間區(qū)間里的重大氣象風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算[6-7]，同時(shí)需要注意不同氣象災(zāi)害類型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。得到氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)特征，表示為：

(6)

式中：RTx(t)表示第x氣象災(zāi)害在時(shí)間區(qū)間T=[t1，t2]內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)值，px(t)表示第x類氣象造成災(zāi)害的概率，h(t)表示時(shí)變的重大氣象災(zāi)害損失值。

2 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)防能力評(píng)估

2.1 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型

在對(duì)重大氣象災(zāi)害特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)急防御情況進(jìn)行分析，構(gòu)建重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型，并進(jìn)行重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力的評(píng)估分析。

(7)

式中：對(duì)應(yīng)的氣象災(zāi)害元素局部權(quán)重向量為每一行的數(shù)值；當(dāng)某一行數(shù)值均為0時(shí)，對(duì)應(yīng)局部權(quán)重是1。將局部權(quán)重按元素順序排列得局部權(quán)重向量：Q=[q11,…,q1n1,q21,…,q2n2,…,qN1,…,qNnn]T。對(duì)重大氣象災(zāi)害元素進(jìn)行權(quán)重分析，并進(jìn)行應(yīng)急防御體系[10-11]，采用如下公式進(jìn)行對(duì)重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力歸一化處理：

(8)

式中:Dij為重大氣象災(zāi)害元素i的第j個(gè)指標(biāo)歸一化值，重大氣象災(zāi)害元素j的第i個(gè)指標(biāo)值可表示為Aji，mini、maxi分別是第i個(gè)指標(biāo)的最小值和最大值。

當(dāng)發(fā)生重大氣象災(zāi)害后，修復(fù)時(shí)間r和災(zāi)害發(fā)生頻率f的數(shù)值較小[12]?？梢越普J(rèn)為λ=f，所以長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)計(jì)算氣象災(zāi)害應(yīng)急防御率可表示為：

(9)

式中：n為在研究時(shí)間區(qū)間內(nèi)重大氣象災(zāi)害發(fā)生的總次數(shù)。對(duì)此，對(duì)氣象災(zāi)害進(jìn)行分狀態(tài)考分析，其基本思想是將常規(guī)的年統(tǒng)計(jì)氣象災(zāi)害發(fā)生概率按相應(yīng)氣象條件比例系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，則重大氣象災(zāi)害防御模型表達(dá)式為：

(10)

式中：λad為重大氣象災(zāi)害防御模型；λave為多年統(tǒng)計(jì)評(píng)估準(zhǔn)確率；Fad分別重大氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)防失敗次數(shù)；Uad為重大氣象災(zāi)害發(fā)生的比例。

2.2 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評(píng)估模型

在對(duì)氣象災(zāi)害應(yīng)急能力進(jìn)行評(píng)估時(shí)，有三個(gè)干擾因素，分別是承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力、致災(zāi)因子危險(xiǎn)性[13]。

將整體重大氣候?yàn)?zāi)害導(dǎo)致的損害描述為氣象災(zāi)害作用下的應(yīng)急防御能力，采用分布函數(shù)求取應(yīng)急防御時(shí)變率，這樣能更好的分析應(yīng)急防御能力隨時(shí)間變化特征對(duì)重大氣象災(zāi)害的評(píng)估結(jié)果。則以月為事件尺度，重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力可表示為：

(11)

式中：λ(m)為歷史同期第m月對(duì)重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御的概率(次/月)：λave為多年平均需要應(yīng)急防御的概率(次/(100 km·年))；λave為月平均需要應(yīng)急防御的概率(次/(100 km·月))；f(m)為月應(yīng)急防御概率分布函數(shù)，其中m=1,2,…,12。

用馬爾科夫過(guò)程表示重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力的評(píng)估模型時(shí)，主要分為兩個(gè)狀態(tài)，分別為不可防御狀態(tài)與可防御狀態(tài)，不可防御狀態(tài)在一個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)可評(píng)估概率為：

(12)

式中：λ(m)為第m月評(píng)估概率用；μ為修復(fù)率；MTTR為平均修復(fù)時(shí)間(h)；評(píng)估失效頻率表示為f；當(dāng)失效頻率f和平均修復(fù)時(shí)間r取值較小時(shí)，失效頻率f用評(píng)估率λ進(jìn)行代替?？紤]不同影響因素對(duì)整體的影響，建立重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實(shí)時(shí)評(píng)估模型，表達(dá)式為:

FDRI=(VEwe)(VHwh)(VSws)(10-VR)wr。

(13)

式中：致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)用VH表示；防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)用VR表示；各種災(zāi)害指數(shù)用FDRI表示；孕災(zāi)環(huán)境敏感性指數(shù)用VE表示；承災(zāi)體易損性指數(shù)用VS表示；wh，we，ws，wr均為各評(píng)價(jià)因子權(quán)重。則時(shí)間分布特性的重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實(shí)時(shí)評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實(shí)時(shí)評(píng)估流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)分析

①評(píng)估正確率ACR(Accurate Classification Rate)：可表示為評(píng)估正確的次數(shù)占有可能情況的比例，計(jì)算式為:

(14)

式中：NAW表示實(shí)現(xiàn)評(píng)估的次數(shù)；NMW表示漏評(píng)估次數(shù)。

②漏評(píng)率MWR(Missed Assessment Rate)：表示為漏評(píng)次數(shù)與實(shí)際評(píng)估總次數(shù)的百分比，計(jì)算式為

(15)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)方法在重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評(píng)估方面的有效性及可行性，采用傳統(tǒng)的基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)元素的評(píng)估方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析(圖2、圖3)。由圖2、圖3可知，采用改進(jìn)方法時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖毛刺較少，中間的準(zhǔn)確率輸出部分平滑，變化幅度非常小這說(shuō)明該方法不易受到外界干擾，能夠一直保持較高的準(zhǔn)確率。相比之下，傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法結(jié)果輸出圖出現(xiàn)大量波動(dòng)，雖然其準(zhǔn)確率出現(xiàn)了幾個(gè)較高點(diǎn)，但是準(zhǔn)確率的變化幅度較大，這說(shuō)明該方法缺乏穩(wěn)定性，易受到外界干擾，穩(wěn)定性較差，不能在實(shí)際中得以應(yīng)用。改進(jìn)方法相比傳統(tǒng)方法，充分考慮了多種氣象因素的影響，將時(shí)變的氣象災(zāi)害作用導(dǎo)致災(zāi)害應(yīng)急防御能力評(píng)估準(zhǔn)確率降低，應(yīng)急防御能力評(píng)估時(shí)變概率用分布函數(shù)分析得到，用以評(píng)估重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力時(shí)變的規(guī)律。能夠更好的反映出，在評(píng)估準(zhǔn)確率隨時(shí)間變化及氣象災(zāi)害因素多樣情況下，重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評(píng)估的時(shí)變特征。

圖2 改進(jìn)方法

圖3 傳統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)元素的評(píng)估方法

4 結(jié)論

針對(duì)重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評(píng)估一直存在評(píng)估精度低，誤差大的問(wèn)題，提出基于時(shí)空差異的重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實(shí)時(shí)評(píng)估方法。通過(guò)重大氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論分析，采用時(shí)空差異法提取氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)特征，并以此為基礎(chǔ)，建立重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型，引入分布函數(shù)求取應(yīng)急防御時(shí)變率，實(shí)時(shí)評(píng)估重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)方法進(jìn)行重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評(píng)估時(shí)，其評(píng)估準(zhǔn)確率較高，且不易受外界影響，具有一定優(yōu)勢(shì)。