基于風險矩陣的重大活動氣象風險評估

軒春怡,吳春艷,劉勇洪,舒文軍

① 北京市氣候中心,北京 100089;② 中國氣象局 地球系統(tǒng)數值預報中心,北京 100081;③ 災害天氣國家重點實驗室,北京 100081

近年來,隨著我國經濟實力的提升和人民生活水平的提高,各地舉辦的重大活動越來越多,這些活動不僅形式多樣,而且規(guī)格和規(guī)模等都呈現出大型化、室外化的特點,易受天氣因素制約,舉辦過程中面臨不同程度的氣象風險。如2021年5月22日發(fā)生在甘肅白銀的山地越野賽重大傷亡事故,一個重要原因就是賽前的風險評估、控制“關口失守”(唐鈞等,2021),致使賽事期間出現的高影響天氣(并非極端災害性天氣)引發(fā)重大人員傷亡,是一起重大公共安全責任事件(甘肅省委省政府聯(lián)合調查組,2021)?？梢?作為活動安全保障的重要一環(huán),氣象風險評估應成為目前重大活動組織實施和運行體系中必不可少的組成部分。通過對重大活動期間可能發(fā)生的氣象風險進行識別和科學評估,可為制定活動工作方案和處置突發(fā)事件應急預案以及開展演練等提供科學技術支撐,可以有效預防氣象風險轉變?yōu)橥话l(fā)事件甚至氣象災害(葉飛,2020)。

由于重大活動是在特定場所和特定時間進行,而常規(guī)的氣象觀測和天氣預報精度可能難以覆蓋,因此,當前國內對不同類型的大型活動氣象保障更多地關注在活動開始前或活動期間的精細化預報服務方面。時少英等(2008)分析了精細化天氣預報在奧運期間賽事安排中的應用,苗世光等(2009)將高分辨率數值預報模式引入青島奧帆賽中開展預報服務,王華等(2018)則引入多種精細化預報方法和新資料應用于2015年北京田徑世徑賽開幕式天氣定點預報中。此外,還有一些從氣象服務體系、服務流程、服務預案制定、信息資源整合及氣象服務滿意度等角度出發(fā)而開展的大型活動氣象保障服務理論研究(王玉彬等,2009;潘進軍等,2011;顧潤源等,2018)。大部分重大活動都在大型城市及其周邊舉辦,而城市化及全球變暖也對城市及周邊地區(qū)的極端天氣氣候事件產生重大影響(江曉菲等,2020;孫雪榕等,2021,余榮和翟盤茂,2021;袁宇鋒和翟盤茂;2022),氣候變化對各地氣候帶來不一樣的影響和風險(楊孟倩等,2019;王會軍等,2020),進而也會影響一些重大活動的舉辦。國外不少學者評估和探討了氣候變化背景下冬奧會舉辦中存在的氣候和天氣風險,Scott et al.(2019)評估了未來在不同溫室氣體排放情景下冬奧會舉辦地的氣候可行性,Rutty et al.(2015)分析了歷屆冬奧會對于天氣風險的管理策略和適應措施,Dawkins et al.(2004)研究了利用天氣衍生產品來管理和應對重大賽事活動的天氣風險。國內針對重大活動開展系統(tǒng)性的氣象風險評估最早可以追溯到北京2008年夏季奧運會的氣象服務中,主要是通過計算奧運會期間不同區(qū)域各類災害性天氣出現的概率,結合不同地區(qū)的經濟能力,人口等指標進行風險區(qū)劃(程叢蘭等,2008;郭虎等,2008;扈海波等,2008)。此后國內許多重大活動把氣象風險評估納入氣象保障服務中,如雷向杰等(2011)基于概率統(tǒng)計和災害易損性分析方法開展了西安2011年世園會開幕式、閉幕式期間的災害性天氣評估。南京市氣象局開展了2014年夏季南京青奧會氣象災害風險源的識別,并提出了防災減災措施(趙陽等,2016)?？梢钥闯?目前的大型活動氣象保障更多地關注在預測與預報領域,在氣象風險評估中主要以災害性天氣為主,未覆蓋對活動可能造成重要影響的普通天氣條件或天氣事件(它們對于活動而言就是高影響天氣),或即使考慮到高影響天氣,也多以其發(fā)生的概率代表風險,較少考慮其出現時對活動造成的后果的嚴重程度,并不是基于影響的風險評估。

針對目前重大活動氣象風險評估中的問題,本研究引入風險矩陣理論,初步建立重大活動氣象風險評估方法與流程,在此基礎上,以北京某重大慶?；顒託庀蠓諡槔?開展活動期間氣象風險評估與風險控制研究,這對于其他大型活動氣象保障和城市防災減災工作具有積極參考和借鑒意義。

1 重大活動氣象風險評估方法

1.1 風險矩陣

風險的基本內涵是危險事件發(fā)生的可能性以及產生影響的嚴重程度,它是事件發(fā)生概率和事件發(fā)生后果嚴重程度兩個因素的綜合。風險評估就是辨識危險事件是什么、危險事件發(fā)生的可能性和危險事件造成的后果嚴重到何種程度(Grubesic and Matisziw,2013),重點是給出某一危險發(fā)生的概率及其后果的嚴重程度,以此判斷風險程度有多大。風險矩陣(risk matrix)是目前自然災害風險評估與項目風險評估中常用的方法之一,通過定性和定量分析綜合考慮事件發(fā)生的可能性和后果兩方面的因素對風險進行評估(洪成等,2019;徐寧和梁第,2020)。該方法最早由美國空軍電子系統(tǒng)中心在1995年對采辦項目的壽命周期風險評估工作中首次提出,后被廣泛應用于各類工程項目和自然災害風險評估工作中(Ni et al.,2010;劉志雄和劉敏,2015;李巖和岳維棟,2019),在國內大型活動公共衛(wèi)生突發(fā)事件風險評價中也得到有效應用(談立峰等,2012;蘇彥萍等,2015)。風險矩陣法不同于由專家打分直接得出風險等級,是定量分析與定性判斷相結合的方法,從風險因子本身的屬性出發(fā),根據風險因子發(fā)生的可能性大小及其造成的危害后果之間的組合來確定風險程度。

本研究引入風險矩陣,以確定重大活動氣象風險等級。根據風險矩陣理論,風險因子(或事件)是高影響天氣,風險可能性則以各類高影響天氣出現概率(或頻率)表征。高影響天氣出現概率計算方法為,在資料使用年限內統(tǒng)計重大活動期間出現某類高影響天氣的日數,該日數與統(tǒng)計年限內該活動期間的總日數之比即為高影響天氣出現概率。出現概率小于等于10%為“較不可能”、出現概率在10%～50%為“可能”、出現概率在50%～80%為“很可能”、出現概率大于等于80%為“幾乎肯定能”。后果的嚴重程度主要由活動舉辦方或相關專家根據高影響天氣出現時對活動的影響大小來判定,劃分為輕微、一般、較嚴重和嚴重4個等級。由此,根據高影響天氣發(fā)生概率與后果的嚴重程度可以將重大活動氣象風險劃分為低、中、高和極高4個等級,風險矩陣表見表1。

表1 風險矩陣表

1.2 重大活動氣象風險評估流程

根據氣象風險矩陣方法,結合大型活動特點確定重大活動氣象風險評估技術流程主要包括5個階段(圖1)。

1)氣象風險因素識別:開展活動舉辦過程中與天氣有關的氣象風險因素的識別,包括理想氣象條件和高影響天氣因子分析,確定高影響天氣因子影響閾值。該階段主要由氣象部門與活動舉辦方相關專家共同參與確定。

2)氣象風險因素可能性分析:對識別出的高影響天氣因子可能性進行分析,包括活動期間氣象條件分析及高影響天氣出現的概率(或頻率)估算。該階段主要由氣象部門實施。

3)影響后果判斷:對活動舉辦過程中出現高影響天氣時造成后果的嚴重程度進行判定。該階段主要由活動舉辦方相關專家確定。

4)風險等級判定:根據2)、3)兩步分析結果,利用風險矩陣,確定氣象風險等級。該階段主要由氣象部門實施。

5)風險控制:根據評估結果,結合活動特點,與活動舉辦方專家商討提出相應的風險控制措施與建議。

圖1 重大活動氣象風險評估流程Fig.1 Workflow of meteorological risk assessment for major activities

1.3 某重大慶?；顒託庀箫L險因素識別

風險因素識別是風險評估的基礎(彭鵬等,2015),該重大慶?；顒优e辦的項目多、涉及地點多、時間跨度相對較長,而不同活動、不同時段、不同地點其氣象風險因子必然不同。經過與活動舉辦方多部門的協(xié)作與聯(lián)合分析,確定該活動期間氣象風險評估主要考慮氣象條件對閱兵、聯(lián)歡、煙花燃放三個主要活動的影響,并結合具體活動的特點,開展了氣象風險因素識別,具體識別結果如表2所示。

表2 某重大慶祝活動主要氣象風險因素識別表

1.4 氣象資料需求

對活動有重大影響的風、強對流天氣等在城市中具有空間不連續(xù)、局地性強等特征,因此首先選擇離重要活動舉辦地——天安門廣場最近的區(qū)域氣象自動站天安門站建站以來(2000—2018年)慶?；顒悠陂g(9月25日—10月5日,下同)逐時溫度、風速、降水等氣象要素觀測資料開展評估工作。由于自動氣象站沒有天氣現象的觀測,選擇了北京地區(qū)國家級代表氣象站——觀象臺站近30年(1989—2018年)同期霧、霾、雷電、沙塵等天氣現象及氣溫、降水、日照等要素觀測資料。另外,參考了天安門廣場臨時布設的4個加密觀測自動氣象站和一臺多普勒激光測風雷達短期風速觀測資料作為補充。上述資料均由北京市氣象信息中心提供,按竇以文等(2008)的方法經過質量控制,數據質量滿足研究要求。

2 某重大慶?；顒託庀箫L險分析

2.1 氣溫、相對濕度、能見度和平均風速

慶祝活動期間及慶祝日天安門地區(qū)上午(07—12時)平均氣溫在25 ℃以下,平均風速在3.3 m/s以下(圖2),活動期間多年平均能見度為14.5 km,晴和多云天氣出現概率達79%,這樣的氣象條件在大部分情況下有利于閱兵活動,且由于風速不大,相對濕度在70%以下,人體感受較為舒適,適宜群眾現場觀看閱兵及聯(lián)歡。

圖2 2000—2018年天安門地區(qū)慶?；顒悠陂g和慶祝日氣溫、相對濕度(a)和風速(b)的日變化Fig.2 Variation of (a) hourly temperature and relative humidity,and (b) wind speed during the celebration period and on the celebration day in the Tian’anmen area (2000—2018)

慶?；顒悠陂g天安門地區(qū)日最高氣溫大于等于28 ℃的天氣出現概率為5%(慶祝日為10%),極端最高氣溫為31.4 ℃(慶祝日為29.2 ℃),極端最低氣溫為6.6 ℃(慶祝日為10.2 ℃)。觀象臺30 a資料分析得出,日最高氣溫大于等于28 ℃的天氣出現概率為4%,日最低氣溫小于等于5 ℃的低溫天氣出現概率為1%,日極端最低氣溫可低達3.1 ℃。

以上分析顯示,慶?；顒悠陂g日最高氣溫大于等于28 ℃的高溫天氣出現概率最大為10%,而日最低氣溫小于等于5 ℃的低溫出現概率小于5%,即可能性均為“較不可能”。另外,這兩種天氣出現后的后果嚴重程度都是“一般”,結合風險矩陣表,可以確定影響閱兵和聯(lián)歡活動的高溫和低溫風險均為“低風險”等級。

2.2 降水/陰雨

天安門地區(qū)慶祝活動期間降水出現概率為22%(慶祝日為26%),多年平均降水日數為2.4 d(最多為5 d),有雨日平均日降水量為6.5 mm(慶祝日為7.2 mm)。慶?；顒悠陂g最大日降水量是43.0 mm(大雨),慶祝日最大日降水量為18.2 mm(中雨)。從慶?；顒悠陂g和慶祝日逐時降水概率及平均雨強資料(圖3)分析得出,慶?；顒悠陂g各時次均有出現降水的可能,雖然平均雨強都小于3.5 mm/h(慶祝日平均雨強小于4.5 mm/h),但若出現對活動還是有較大影響。慶祝日最大雨強為9.6 mm/h,相當于大雨級別,出現在2013年10月1日6—7時。

圖3 天安門地區(qū)慶?；顒悠陂g(a)和慶祝日(b)逐時降水概率及平均雨強(2000—2018年)Fig.3 Hourly precipitation probability and average rainfall intensity during (a) the celebration period,and (b) on the celebration day in the Tian’anmen area (2000—2018)

觀象臺30 a資料分析得出,慶?；顒悠陂g平均降水日數為2.2 d,降水概率為20%(慶祝日降水概率為30%),中雨以上降水出現概率為4%。慶?；顒悠陂g陰天(低云量大于等于8成)出現概率為5%,陰雨天合計出現概率約為21%。

綜合以上分析,閱兵時段有可能出現中雨以上的降水天氣,陰雨天出現概率大于10%,可能性為“可能”,該類天氣出現時后果嚴重程度為“嚴重”,結合風險矩陣表,確定陰雨天風險為“高風險”等級。

2.3 大風

統(tǒng)計慶?；顒悠陂g和慶祝日07—23時不同時段各等級極大風速出現概率顯示,慶祝日上午閱兵時段(9—12時),極大風速大于等于6級的出現概率在21%以上;下午(12—17時)極大風速大于等于6級的出現概率最高可達26%,午后有可能出現7級以上大風(見圖4b);在夜晚煙花燃放時段(18—23時),極大風速大于等于3級的出現概率在50%以上,極大風速大于等于6級的出現概率明顯減少,18—19時在10%～16%,此后低于10%(統(tǒng)計表略)。另外,參考4個廣場加密氣象站資料表明,天安門廣場風速較天安門自動氣象站觀測記錄偏大,大風的危險性更高;正陽門多普勒激光雷達觀測資料分析顯示,天安門廣場附近200 m以下有出現超低空急流的可能,廣場活動中布設的許多高空設備以及空中梯隊表演面臨高空大風危險的可能。

圖4 慶祝日夜晚(18—23時)不同等級極大風速風向頻率(a)和2000—2018年逐年慶祝日極大風速等級及風向(b;單位:m/s;圖中箭頭表示風向)Fig.4 Night wind direction frequency of extreme wind speed (a) on the celebration day,and (b) wind direction of extreme wind speed on the celebration day (2000—2018,the arrow in the figure indicates the wind direction)

慶?；顒悠陂g和慶祝日風向變化基本一致,上午時段(06—11時)天安門地區(qū)盛行風向為偏北風,偏南風出現頻率不足3%;下午時段(12—17時)雖然盛行風向仍為北風,但偏南風頻率較上午大幅增加,達到29%;夜晚時段(18—23時)偏南風頻率最高,達到48%,進一步分析可看出夜晚煙花燃放時段風向為偏南風時極大風速都在6級以內,6級以上的大風風向都是偏北風(圖4)。

以上結果顯示,白天(9—16時)出現6級以上大風的概率最高可達21%,可能性為“可能”,大風出現時對閱兵影響程度為“嚴重”;在夜晚燃放煙花時段(18—23時)出現6級以上大風的概率最高可達16%,可能性為“可能”,煙花燃放時的消防安全需要重點關注,但該時段6級以上的大風風向基本都是偏北風,將煙霧吹向主觀禮臺的危險相對較小,因此對煙花燃放的影響程度為“較大”。結合風險矩陣表,可以確定影響閱兵活動的白天大風風險為“高風險”等級,影響煙花燃放的夜晚大風風險為“中風險”等級。

2.4 其他高影響天氣

從觀象臺30 a資料分析可得出,慶?；顒悠陂g霧日和霾日總日數分別為19 d和43 d,合計霧霾日出現概率為20%(慶祝日出現概率為27%)。慶祝日沒有出現過雷電,但慶?；顒悠陂g出現雷電13 d,出現概率為4%。

以上結果顯示,霧-霾出現概率大于20%,即可能性為“可能”,出現時對閱兵和聯(lián)歡活動的影響程度為“嚴重”;雷電出現概率小于5%,可能性為“較不可能”,且出現時對閱兵、聯(lián)歡活動影響后果為“一般”。結合風險矩陣表,確定霧-霾為“高風險”,雷電為“低風險”。

3 某重大慶?；顒託庀箫L險評估結果及風險控制

3.1 氣象風險評估結果及風險地圖

綜合上述分析得到北京地區(qū)慶?；顒悠陂g主要氣象風險評估結果(表3)?？煽闯?主要氣象風險從高到低依次為:降水/陰雨為高風險、白天大風為高風險、霧-霾為高風險、夜晚大風為中風險、高溫直曬為低風險、雷電為低風險、低溫為低風險。依據北京市應急管理局2019年印發(fā)的《自然災害類、事故災難類風險評估與控制工作手冊》與《北京市突發(fā)事件應急委員會關于印發(fā)北京市公共安全風險管理實施指南的通知》(京應急委發(fā)〔2010〕8號)的風險控制類別劃分原則,除霧-霾風險為“可降低風險(B類)”外,其他幾類風險均為 “不可控風險(C類)”。

表3 慶?；顒悠陂g氣象風險等級表

由于慶?；顒优e辦場所不同,不同氣象風險還存在空間上的差別,為更好地反映慶?；顒釉诓煌臻g面臨的主要氣象風險,根據不同區(qū)域開展的慶?；顒拥囊?guī)模大小及重要性和前述氣象風險評估結果,繪制了慶祝活動期間氣象風險地圖,如圖5所示:氣象風險主要集中于北京城六區(qū)范圍,其中:高溫直曬、夜晚大風和低溫主要影響室外大型活動人群,這些活動主要在天安門廣場及周邊區(qū)域(東城區(qū)和西城區(qū))進行;其他氣象風險如降水/陰雨、霧-霾、白天大風、雷電等對城六區(qū)城市生命線、慶?；顒?、空中梯隊表演均可能造成影響。因此,風險防范區(qū)進一步分為核心區(qū)、重要區(qū)和次要區(qū)。東城、西城為所有的7種高影響天氣風險區(qū),是慶?；顒託庀箫L險重點防范區(qū),其中天安門廣場周邊1 km是慶祝活動聚集場所,是核心防范區(qū)。海淀、朝陽、豐臺和石景山為降水/陰雨、霧-霾、白天大風、雷電風險區(qū),是慶?；顒託庀箫L險次要防范區(qū)。

圖5 慶?；顒悠陂g氣象風險地圖Fig.5 Meteorological risk map during the celebration period

3.2 風險控制原則

慶?；顒悠陂g的7類氣象風險具有兩個共性:1)不可控性:由于天氣的自然屬性,除霾天氣風險可以通過人為措施減輕外,其他都屬不可控類風險;2)不易消除性:高溫直曬和夜間低溫風險主要針對人體,可以通過人群的自我防護減輕或消除這種危害,其他風險均針對慶?；顒颖旧?由于慶?；顒邮且粋€龐大的系統(tǒng)工程,涉及因素較多,風險不易減輕或消除。根據慶?；顒语L險控制原則和要求,一方面需要氣象部門按氣象行業(yè)標準《大型活動氣象服務指南 工作流程》(QX/T 274—2015)及時做好短期氣候預測及短臨天氣預報、預警,并提供現場保障服務,為其他部門采取相關防護措施提供參考依據;另一方面也需要活動舉辦方提前做好各種天氣風險下的預案及應對措施,以保障活動順利開展,不同氣象風險控制原則詳見表3。

3.3 評估結果用于風險控制

基于本研究主要成果編制的《慶祝活動期間天氣風險評估報告》上報給慶?；顒又笓]部后,按照指揮部的部署要求,各活動相關部門依據該報告制定和修改了活動的風險控制方案及實施方案。如,相關部門根據報告內容,針對天安門超高LED網幕吊裝及運行過程中面臨的高空極端大風風險,及時調整實施方案,調高了施工吊車噸位,確保安裝順利;報告中天安門地區(qū)風速較氣象觀測站風速更大、有可能出現超低空急流等結論和極大風速值為國旗旗桿升高后的基座以及國旗加寬加大后的抗風風洞試驗提供了關鍵抗風參數;另外,根據分析結論,進一步對與慶?；顒酉嚓P的11個指揮部提供的天氣風險應對措施提出修改意見,最終形成針對 “9.30獻花”“10.1大閱兵”“聯(lián)歡”和“群眾游園”等4大主題活動的105項氣象風險應對預案,較大程度上降低和避免慶?；顒釉谂e辦過程中的氣象風險。

4 結論與討論

4.1 結論

1)基于風險矩陣理論,本文初步建立了重大活動氣象風險評估方法與流程,可以分為氣象風險因素識別、氣象風險因素可能性分析、影響后果判斷、風險等級判定和風險控制等幾個階段。利用此方法,在多部門聯(lián)合共同確定活動氣象風險源的基礎上,開展了北京某重大慶?；顒託庀箫L險評估,根據評估結果建立的風險控制原則和具體措施成功應用于該重大慶?；顒语L險控制中。與現有氣象業(yè)務中天氣風險評估相比,實現了重大活動氣象風險評估由僅考慮高影響天氣出現概率向基于影響的風險評估的轉變。

2)重大活動氣象服務除氣象風險評估外還包括很多方面,如短期預報、臨近預報、現場觀測等。氣象風險評估只是重大活動氣象服務中前置先行的一步,其評估結果可為制定活動工作方案和處置突發(fā)事件應急預案以及開展演練等提供科學技術支撐。短期預報、臨近預報、觀測結果是應急預案、風險控制策略實施的發(fā)令槍,當預報結果或觀測結果達到風險評估中的某類風險閾值時,活動組織方則要根據制定的各項預案和風險控制措施開展工作以消除或降低其對活動的影響。因此,重大活動氣象服務中的各個方面并非完全割裂,而是互有補充,共同為決策者提供更全面、更完整、更系統(tǒng)的決策支撐,以保重大活動安全、有序開展。

4.2 討論

重大活動氣象風險評估不同于常規(guī)的氣象災害風險評估,而科學合理且精細化的風險評估對于活動的順利舉辦至關重要。本研究通過對北京某重大慶?；顒悠陂g氣象風險的評估表明,在重大活動氣象保障中引入風險矩陣理論來評估氣象風險較目前常規(guī)的天氣風險評估方法更具有科學性與合理性,但仍需關注以下問題:

1)氣象風險因子識別和風險閾值的判斷:重大活動由于涉及人員、設備眾多,各活動主要場所、關鍵時間節(jié)點各不相同,影響活動的氣象因素也各不相同,甚至同一活動在不同的時間節(jié)點,其氣象影響因子和影響閾值也不同。因此,針對重大活動開展氣象風險評估時,要充分調研,并借助部門聯(lián)合、多學科融合手段,包括數值模擬、風洞試驗等開展氣象風險因子的識別和風險閾值的判斷。

2)分析方法的差異:不同于常規(guī)的氣象災害風險評估,大型活動氣象風險評估一般只集中于某幾天甚至某一天,按照氣候學意義而言,在同一時期的某幾天或者其中一天的天氣事件出現概率應該是一樣的,但實際統(tǒng)計分析的時段不同,結果差異很大。例如,天安門地區(qū)慶?；顒悠陂g和慶祝日下午13—17時風力大于等于6級出現的頻率分別為5%和22%左右,相差巨大。并且有30 a觀測資料的觀象臺站和有19 a觀測資料的自動氣象站高溫出現概率的分析結果也存在明顯差異,在此次風險評估中只是簡單采用了“最大值”原則,即就重不就輕,如何平衡這種差異也需要有一定的方法和規(guī)則來進行約束。

3)先進資料和技術的應用:針對特定活動地點,常規(guī)的氣象觀測很難覆蓋,一方面要充分利用城市中的區(qū)域氣象自動站觀測數據外,另一方面針對活動的特殊需求,需要臨時增設加密觀測。而隨著數值模擬技術的發(fā)展,對城市局地氣候尤其是極端氣候值的模擬也可以是未來重大活動氣象風險評估的重要技術發(fā)展方向之一。