彭鵬,張韌,洪梅,王鋒,龍強

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院,江蘇 南京 211104;2.河北省唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局,河北 唐山 063200)

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氣候變化影響與風(fēng)險評估方法的研究進展

彭鵬1,張韌1,洪梅1,王鋒2,龍強2

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院,江蘇 南京 211104;2.河北省唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局,河北 唐山 063200)

氣候變化影響是指氣候變化背景下社會經(jīng)濟或資源環(huán)境的響應(yīng)。氣候變化風(fēng)險是指由于氣候變化所引起的社會經(jīng)濟或資源環(huán)境的可能損失。氣候變化風(fēng)險評估是對氣候變化影響的定性和對風(fēng)險的量化。針對氣候變化風(fēng)險評估方法的原理和技術(shù)體系,本文從風(fēng)險指數(shù)、風(fēng)險概率和脆弱性評估三個方面,對研究現(xiàn)狀、熱點問題和通常方法進行了評述,并對當(dāng)前研究中存在的問題和未來需求進行了歸納和展望。

氣候變化;風(fēng)險評估;脆弱性/敏感性;不確定性

0 引言

防范和應(yīng)對氣候變化的科學(xué)決策需要充分的事實依據(jù)(Prudhomme et al.,2013)。自IPCC發(fā)布第三次評估報告之后,學(xué)術(shù)界對氣候變化影響(climate change impact)、適應(yīng)(adaptation)和脆弱性(vulnerability)的研究日漸增多。在第四次評估報告中,除傳統(tǒng)的氣候變化影響評估、適應(yīng)能力評估、脆弱性評估和綜合評估之外,IPCC(政府間氣候變化專業(yè)委員會)把風(fēng)險管理作為應(yīng)對氣候變化的一個新的主流研究給予了強調(diào)(IPCC,2007)。為了加深對風(fēng)險管理的理解,更好地應(yīng)對氣候變化,本文擬介紹當(dāng)前氣候變化影響與風(fēng)險評估研究中的主要思路和方法。

風(fēng)險是指與某種不利事件有關(guān)的一種未來情景(黃崇福等,2010)。進行風(fēng)險管理可以防范與規(guī)避風(fēng)險,其中風(fēng)險評估是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。氣候變化風(fēng)險是由于氣候變化影響超過某一閾值所引起的社會經(jīng)濟或資源環(huán)境的可能損失,它包括兩個基本要素:氣候變化對系統(tǒng)的損害程度即不利影響的程度以及損失發(fā)生的可能性(吳紹洪等,2011)。氣候變化風(fēng)險評估是指氣候變化對自然環(huán)境和人類社會影響的定性分析和量化評價過程,是氣候變化風(fēng)險管理和應(yīng)對氣候變化研究的重要組成部分,其最終目的是為制定有效的國際和區(qū)域的氣候變化適應(yīng)指導(dǎo)政策提供科學(xué)依據(jù),以應(yīng)對、防范和減緩氣候變化可能帶來的不利影響。

要進行風(fēng)險評估,首先要弄清楚風(fēng)險的“源”和“匯”(Aven,2008)。換句話說,就是要弄清三個要素:什么會變成不利事件、變成不利事件的可能性以及變成不利事件的后果(Grubesic and Matisziw,2013)。傳統(tǒng)的氣象災(zāi)害風(fēng)險理論認為,氣象災(zāi)害損失由致災(zāi)因子、承災(zāi)體和孕災(zāi)環(huán)境共同決定,氣象災(zāi)害是氣象風(fēng)險的結(jié)果,若把氣候變化風(fēng)險理解為氣候變化背景下的氣象災(zāi)害風(fēng)險(Wu et al.,2012;王黎俊等,2012),則其大小可通過致災(zāi)因子的危險性,承災(zāi)體的敏感性、脆弱性,環(huán)境的防災(zāi)減災(zāi)能力來評價(張繼權(quán)和李寧,2007;許遐禎等,2009;胡雪瓊等,2011;潘敖大等,2013)。也有觀點認為,風(fēng)險分析目標(biāo)是定量分析影響閾值與不確定范圍之間的關(guān)系,氣候變化風(fēng)險研究需要基于特定的社會經(jīng)濟情景,并預(yù)估未來不同的氣候變化情景(吳紹洪等,2011)。由于氣候預(yù)估情景的不確定性,IPCC指出,識別系統(tǒng)的氣候變化脆弱性或關(guān)鍵閾值是應(yīng)對氣候變化風(fēng)險的重要途徑(IPCC,2007)。在上述觀點的指引下,與氣候變化風(fēng)險評估相關(guān)的研究工作主要集中在3個領(lǐng)域:基于氣候變化風(fēng)險概念模型的風(fēng)險指數(shù)評估、基于氣候情景預(yù)估與關(guān)鍵閾值的風(fēng)險概率評估以及氣候變化脆弱性識別與評價。本文將從基本思路、評估步驟、實現(xiàn)途徑和熱點問題等方面對這3種研究進行詳細介紹。

圖1 風(fēng)險概念模型Fig.1 Conceptual model of risk

1 氣候變化風(fēng)險指數(shù)評估

基于風(fēng)險概念模型的氣候變化風(fēng)險指數(shù)評估的基本思路是:分析氣候系統(tǒng)對社會經(jīng)濟系統(tǒng)造成不利后果的原因,識別造成風(fēng)險的要素,定義風(fēng)險指數(shù),結(jié)合氣候變化背景,通過對這些要素的評價來量化風(fēng)險。進行風(fēng)險指數(shù)評估,其流程一般包括3個步驟,即通過風(fēng)險要素識別建立風(fēng)險指標(biāo)體系、提出指標(biāo)的量化評價方案、構(gòu)建指標(biāo)融合/綜合評價模型。依據(jù)評估指標(biāo)體系、量化方案和融合模型建立的評價模型稱為風(fēng)險概念模型(圖1)。

1.1 風(fēng)險要素識別

風(fēng)險要素識別是風(fēng)險評估的基礎(chǔ)。風(fēng)險要素識別是對風(fēng)險事件“源”和“匯”的再分解,是對構(gòu)成評價對象風(fēng)險的所有因素按照屬性結(jié)構(gòu)和物理機制的篩選。進行風(fēng)險指數(shù)評估,通常將風(fēng)險按照危險性、脆弱性和防治能力等要素分類,并構(gòu)建指標(biāo)體系(張繼權(quán)和李寧,2007)。圖1中,危險性(或稱暴露性)指標(biāo)包含能夠?qū)е挛ｋU事件發(fā)生的環(huán)境變量,譬如流域洪澇災(zāi)害危險性可以通過年平均大雨日、平均最大3日降雨量、海拔高度、傾斜度和緩沖區(qū)等5個指標(biāo)來評價;脆弱性(或稱敏感性)指標(biāo)包含承受危險的社會經(jīng)濟變量,如洪災(zāi)承受體的脆弱性評價指標(biāo)包括人口密度、GDP密度和農(nóng)作物面積等;防治能力(或稱適應(yīng)能力)則表示社會系統(tǒng)通過對自身屬性調(diào)節(jié)預(yù)防和治理不利影響的能力(Wu et al.,2012)。

1.2 指標(biāo)量化

指標(biāo)量化是對構(gòu)成風(fēng)險的指標(biāo)變量的量化評價,是搭建變量觀測值和評價值的橋梁。指標(biāo)量化方案直接決定評估的合理性。

標(biāo)準(zhǔn)化是常用的指標(biāo)量化方法之一。按照直觀理解,指標(biāo)變量觀測值越“好”,發(fā)生不利后果的程度和可能性越小,風(fēng)險越小;觀測值越“差”,發(fā)生不利后果的程度和可能性越大,風(fēng)險越大(賀芳芳和邵步粉,2011)。因此,指標(biāo)變量的標(biāo)準(zhǔn)化值可以用作指標(biāo)的評價值。用于標(biāo)準(zhǔn)化的參考值一般選取的是該變量觀測值的極值或最優(yōu)值(Wu et al.,2012)。

另一種常用的指標(biāo)量化方法是隸屬度評價。隸屬度是變量對評價屬性的隸屬程度。進行隸屬度評價時,首先需要明確變量不同評價的觀測值分級標(biāo)準(zhǔn),變量觀測值屬于哪個標(biāo)準(zhǔn),就賦予相應(yīng)的隸屬度評價值(李倩等,2013)。典型的隸屬度評價方法如表1所示。

表1 年降水量危險性指標(biāo)的隸屬度

Table 1 Subjection degree of annual precipitation risk index

量化基準(zhǔn)/mm≤400401～600601～800≥801隸屬度0.80.60.40.2

1.3 綜合評價

因為系統(tǒng)風(fēng)險通常由多個要素決定,所以在對各個指標(biāo)變量進行量化評價以后,還需要綜合多個指標(biāo)對系統(tǒng)風(fēng)險進行評價。常用的綜合評價方法之一是指標(biāo)融合方法,即結(jié)合專家評分進行經(jīng)驗校正和統(tǒng)計結(jié)果的加權(quán)求和方法(Wu et al.,2012)或組合求積(Qian et al.,2006)。聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略(International Strategy for Disaster Reduction,ISDR)采用的自然災(zāi)害風(fēng)險綜合評價公式為:風(fēng)險(risk)=危險(hazard)×脆弱性(vulnerability)(de Len,2006)。氣候變化洪災(zāi)風(fēng)險的危險性綜合評價被表示為:HF=RdW1+R3W2+W3/E+W4/G+DW5。其中:Rd,R3,E,G,D分別為危險性指標(biāo);Wi,i=1,2,…,5為相應(yīng)權(quán)重(Wu et al.,2012)。

除此之外,非線性綜合評價方法正逐漸被應(yīng)用于氣候變化風(fēng)險指數(shù)評估中。目前,應(yīng)用較為成熟的非線性評價模型有基于正負理想解距離的TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)方法和基于高維降維技術(shù)的投影尋蹤(Projection Pursuit,簡稱PP)模型等。

1.4 風(fēng)險指數(shù)評估的優(yōu)點與不足

基于指數(shù)的氣候變化風(fēng)險評價模型具有很好的研究基礎(chǔ),評價指標(biāo)意義明確,考慮氣候變化影響因素較全面,評估過程易于操作。但是氣候變化風(fēng)險指數(shù)評估也存在不足:首先,評估模型出發(fā)點要求致災(zāi)因子易于辨識、成災(zāi)機制明確且風(fēng)險鏈清晰,而由人類活動引起的氣候變化及其間接影響途徑復(fù)雜、成災(zāi)機制不明確,致使該類模型的應(yīng)用受到限制(秦鵬程等,2012);其次,指數(shù)法的主觀性較強,對風(fēng)險系統(tǒng)的物理機制體現(xiàn)不足,數(shù)據(jù)可靠性不足及與之伴隨的綜合評價結(jié)果難以進行可靠性驗證等(黃崇福,2011)。這些不足在一定程度上制約了評估結(jié)果的應(yīng)用和評估研究的拓展。

2 氣候變化風(fēng)險概率評估

氣候變化風(fēng)險概率評估,又稱或然風(fēng)險評估(IPCC,2007)。氣候變化風(fēng)險概率評估的基本思路是通過氣候模式(如Global Climate Model/Regional Climate Model,簡稱GCM/RCM)預(yù)估的未來某一時刻或某一時段的氣候狀況,估算在此氣候狀況下被評價對象的響應(yīng),將發(fā)生不利影響的概率表示為風(fēng)險。影響關(guān)聯(lián)的估計主要有兩種方法,一種是將氣候預(yù)估數(shù)據(jù)代入評價模型估算出評估對象的狀態(tài)如糧食產(chǎn)量、水文要素特征和經(jīng)濟產(chǎn)值等,并由此來判斷氣候變化對該評價對象的利弊;另一種是針對被評估對象性狀發(fā)生改變的氣象要素閾值,分析未來氣象要素變化可能超越閾值的概率,通過超越概率來量化氣候變化風(fēng)險。因此,影響風(fēng)險概率評估準(zhǔn)確性的因素主要是評價模型和風(fēng)險閾值的確定。同時,由于現(xiàn)行氣候模擬技術(shù)的限制,氣候預(yù)估的不確定性也成為評估準(zhǔn)確性的重要決定因素。

2.1 評價模型

評價模型或稱環(huán)境影響關(guān)聯(lián)評價模型,是研究對象某一屬性評價值對某個或某幾個環(huán)境要素觀測值的函數(shù)(周旭等,2013)。評價模型的科學(xué)性直接關(guān)系到模擬結(jié)果的可靠性。部分學(xué)科領(lǐng)域有現(xiàn)成的評價模型,可以直接與氣候模式預(yù)估數(shù)據(jù)結(jié)合起來對未來情景進行模擬。而在多數(shù)研究領(lǐng)域,該類模型尚不成熟,因此建立科學(xué)合理的評價模型成為研究重點。

作物和環(huán)境研究綜合模型(Crop and Environment Research Synthesis,CERES)是在結(jié)合區(qū)域氣候模式的氣候變化影響作物評估研究中應(yīng)用較廣泛的環(huán)境影響關(guān)聯(lián)評價模型(Chen and Xie,2013)。此外還有集成多種作物模型的綜合性決策支持系統(tǒng),如DSSAT(Decision Support System of Agricultural Technology Transfer),以及在植被生態(tài)系統(tǒng)研究中的BIOME(Biogeographical model)系列模型(Jiang,2008)等。

除作物和植被生態(tài)系統(tǒng)之外,目前水文系統(tǒng)的氣候變化影響得到較多研究,常用的評價模型有PDM模型(Probability Distributed Model)和CLASSIC模型(the Climate and Land-use Scenario Simulation In Catchments)等(Prudhomme et al.,2013)?；趹?yīng)對氣候變化防洪系統(tǒng)風(fēng)險,Gersonius et al.(2013)提出了防洪設(shè)施改造研究的改進RO(Real Options)模型——RIO(Real in Options)方法。

海平面上升是氣候變化衍生的熱點問題之一。Hoffman et al.(2010)提出通過風(fēng)暴潮模式和工程模型來計算海平面上升對財產(chǎn)風(fēng)險影響關(guān)聯(lián)的方法,并利用驗潮站數(shù)據(jù)和模擬颶風(fēng)數(shù)據(jù)對21世紀前半葉的風(fēng)暴潮風(fēng)險進行了模擬研究。

2.2 風(fēng)險閾值

影響評價模型的不明確是對氣候變化影響精確模擬的重要制約因素。閾值是指研究對象維系正常狀態(tài)的環(huán)境變量臨界值。一般認為,環(huán)境變量超過閾值是評價對象發(fā)生危險的充分條件(Kim et al.,2013)。因此,風(fēng)險閾值研究也成為近年來氣候變化風(fēng)險研究的熱點之一。Preston(2006)就認為基于概率的風(fēng)險閾值評估可能是對提高氣候變化影響理解和風(fēng)險管理效果的一個有利機制。但是對于多數(shù)研究對象,尤其對于系統(tǒng)而言,閾值的確定可能會較為困難,因此,系統(tǒng)閾值的估算方法成為部分研究的熱點。

水文系統(tǒng)的氣候變化風(fēng)險研究較多采用了基于風(fēng)險閾值的超越概率評估方法。李科等(2013)將水資源系統(tǒng)風(fēng)險定義為荷載大于系統(tǒng)承載能力引發(fā)系統(tǒng)失效的概率,即供水量低于供水要求的概率。水文系統(tǒng)工程風(fēng)險是一種包括多個因素的標(biāo)準(zhǔn)形式,或者包括可靠性、彈性和弱點等組成的超標(biāo)準(zhǔn)形式(Bardo和熊明,1997)。Shrestha和陳劍池(1997)將水資源系統(tǒng)工程風(fēng)險的基本模型描述為

IR(Z,a1,a2,a3)=

(1)

其中:IR代表工程風(fēng)險;IP表示系統(tǒng)Z的性能;C為聯(lián)合函數(shù),如聯(lián)合概率分布函數(shù)等;aj,j=1,2,3即為可靠性、高失事概率和修復(fù)工作量等指標(biāo)的門檻值,它可以設(shè)定或用模糊數(shù)表示。

2.3 不確定性

不確定性是指氣候變化風(fēng)險評估研究可能出現(xiàn)不可信或不可靠的結(jié)果。不確定性問題是氣候變化影響與風(fēng)險評估的難點和核心問題(Shlyakhter et al.,1995)。氣候變化影響與風(fēng)險評估中的不確定性以及如何降低不確定性是氣候變化風(fēng)險評估研究的重要內(nèi)容(Mearns,2010)。

2.3.1 不確定性來源

氣候變化影響評價中的不確定性主要來源于:1)氣候變化情景的不確定性,包括氣候模式本身的不完善、情景設(shè)定的不確定性、應(yīng)用技術(shù)的不確定性。2)評價模型的不確定性,包括評價模型結(jié)構(gòu)的不確定性、評價模型參數(shù)的不確定性、評價模型其他輸入信息的不確定性。3)評價過程的不確定性,包括陸氣耦合技術(shù)的不確定性、人類活動的影響、未來氣候變化適應(yīng)措施考慮得不完善等(熊偉等,2006)。

在氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評估研究中,氣候模式輸出與作物模型輸入之間的尺度差異是氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評估不確定性的主要來源之一。不確定性會隨著評估過程的深入,自上而下逐層傳播。與降水變化有關(guān)的氣候影響評估比與溫度變化有關(guān)的影響評估缺少確定性(Hambly et al.,2013)。Kandlikar et al.(2005)指出,氣候變化的深度不確定性來源多種多樣,包括科學(xué)因素和社會因素,是難以定義和量化的不確定性。

2.3.2 不確定度的量化

2.3.3 降低不確定度的方法途徑

降低評價結(jié)果不確定度的途徑主要包括:1)提高區(qū)域氣候變化情景預(yù)測精度,包括完善全球氣候模式、改進排放情景、降尺度技術(shù);2)完善氣候變化影響評價模型及評價過程,包括改進和完善評價模型、充分考慮人類活動的調(diào)整適應(yīng)和影響等(賀瑞敏等,2008)。

統(tǒng)計降尺度(statistical downscaling,SD)技術(shù)的應(yīng)用是降低氣候預(yù)估影響研究中模式預(yù)估產(chǎn)品不確定性的另一個重要途徑。統(tǒng)計降尺度是結(jié)合局地氣候觀測變量和大尺度的GCM輸出之間建立的統(tǒng)計線性或非線性關(guān)系,以降低區(qū)域氣候預(yù)估不確定度的方法(Khan and Coulibaly,2010)。

氣候在很大程度上具有概率性,因此在天氣氣候研究的各領(lǐng)域中,統(tǒng)計氣候?qū)W方法具有不可替代的重要作用。Backus et al.(2013)認為,多個氣候模式的預(yù)估產(chǎn)品綜合起來就構(gòu)成了一個未來氣候變化的總體,這樣通過總體的概率分布函數(shù)(probability distribution function,PDF)就可以計算超過某一閾值事件的風(fēng)險概率。雖然同樣是采用統(tǒng)計氣候?qū)W方法,但是Horton et al.(2011)認為模式的結(jié)果是不應(yīng)該被當(dāng)作總體統(tǒng)計概率分布的。針對這個問題,Palin et al.(2013)沒有對氣候模式產(chǎn)品進行總體假設(shè),而是通過Bootstrap方法從11個氣候模式中隨機抽取資料,對資料進行統(tǒng)計分析,并計算超過閾值的水平,通過多次重復(fù)試驗,生成超過閾值的風(fēng)險概率分布。

決策論為知識不明確情況下的政策制定提供了很多工具(Millner et al.,2013)。Scherm(2000)使用了三角模糊數(shù)來代表未來氣候變化情景(三角模糊數(shù)的兩端分別是IPCC估計的最大值和最小值),以達到降低預(yù)估情景不確定度的目的。由于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)處理用信度表示的不確定性問題的固有優(yōu)勢,貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在處理信度表示的氣候變化不確定性的水文響應(yīng)問題時,表現(xiàn)出有效應(yīng)用前景(Khan and Coulibaly,2010)。

2.4 風(fēng)險概率評估的優(yōu)點與不足

氣候變化風(fēng)險概率評估方法克服了風(fēng)險指數(shù)評估物理機制不明確的缺點,基于氣候預(yù)估數(shù)據(jù)和評價模型的情景模擬亦具有較為堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。但是風(fēng)險概率評估方法也存在許多不足之處(Prudhomme et al.,2013),主要體現(xiàn)在:

1)情景模式只是未來結(jié)果的子集,一個GCM/RCM的輸出僅提供了一種未來大尺度氣候陳述;

2)GCM/RCMs可能無法完全模擬區(qū)域和局地的氣候,尤其是極端事件;

3)多情景模式分析雖然可提供多個潛在的未來變化結(jié)果,但是由于缺少相應(yīng)的概率估計,使得結(jié)果的不確定度給風(fēng)險決策和政策制定造成很大的困難;

4)氣候要素對氣候變化的響應(yīng)是非線性的,可能出現(xiàn)GCM/RCMs模擬結(jié)果以外的情景;

5)氣候系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間相互作用的動力過程可能會十分復(fù)雜,單純的氣候模式輸出結(jié)果可能無法提高我們對這些相互作用的理解。

3 氣候變化脆弱性評估

氣候變化脆弱性是氣候變化風(fēng)險產(chǎn)生的必要條件,因此,脆弱性研究是識別和防范氣候變化風(fēng)險的重要內(nèi)容。作為氣候變化影響評估研究(氣候變化影響、適應(yīng)和脆弱性)的重要組成部分之一,脆弱性評估也是IPCC所倡導(dǎo)的應(yīng)對氣候變化進行風(fēng)險管理的重要途徑之一(IPCC,2007)。

3.1 脆弱性的定義

在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域,脆弱性是指系統(tǒng)自身固有的對環(huán)境變化的適應(yīng)能力。社會脆弱性關(guān)注的主要是人群對危害的敏感程度以及他們對極端事件的恢復(fù)能力;基礎(chǔ)設(shè)施脆弱性分析主要關(guān)心的是基礎(chǔ)設(shè)施的物理、運轉(zhuǎn)和地理特征,它們對于威脅的易損性,它們在系統(tǒng)中的作用以及它們對破壞性事件的潛在聯(lián)系。脆弱性具有空間屬性和時間屬性。空間屬性體現(xiàn)在對于系統(tǒng)能力接近極限的地區(qū),脆弱性會增加,同樣,任何可能的失誤都會增強社會和系統(tǒng)影響;時間屬性體現(xiàn)在時點和時段,不同時點和不同時段的危害造成的后果不同(Grubesic and Matisziw,2013)。

氣候變化脆弱性是指地球物理系統(tǒng)、生物系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)對氣候變化的敏感程度,這種敏感是指它無法應(yīng)對氣候變化帶來的不利影響。其決定要素一般包括敏感性、暴露性和適應(yīng)能力。許多對氣候敏感的系統(tǒng)都存在著脆弱性,如食物系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施、健康、水資源、海岸帶系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、地球生物地理化學(xué)循環(huán)、冰蓋和大氣海洋環(huán)流模式等(IPCC,2007)。

在具體研究工作中,脆弱性的定義應(yīng)便于量化和建模。如水資源脆弱性定義為水資源系統(tǒng)在氣候變化、人為活動等的作用下,水資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,水資源數(shù)量減少和質(zhì)量降低,以及由此引發(fā)的水資源供給、需求、管理的變化和旱澇等自然災(zāi)害的發(fā)生(唐國平等,2000)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候脆弱性,可以定義為某一地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對氣候變化各敏感因素的反應(yīng)強弱,以及當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟—生產(chǎn)—生態(tài)等環(huán)境要素對氣候變化影響可能適應(yīng)性的綜合不穩(wěn)定反應(yīng)(侯亞紅和劉文泉,2003);也可以定義為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)容易受到氣候變化(包括氣候變率和極端氣候事件)的不利影響,且無法應(yīng)對不利影響的程度,這代表了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)受的氣候變異特征、程度、速率以及自身敏感性和適應(yīng)能力的反應(yīng)等(孫芳和楊修,2005)。

3.2 脆弱性的爭議

沒有哪個單一脆弱性定義可以適合所有的評估對象和評估目的(Bele et al.,2013)。在不同研究領(lǐng)域,脆弱性有著不同的認識和理解,因此有不同的脆弱性定義(於琍等,2005)。Kelly and Adger(2000)總結(jié)了在氣候變化脆弱性研究和脆弱性應(yīng)對領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣缘膬煞N不同理解,分別是終點理論(End Point Theory)和起點理論(Starting Point Theory)。起點理論將脆弱性理解為不同經(jīng)濟社會政策產(chǎn)生的基本依據(jù),認為是脆弱性決定了政策的落腳點;終點理論認為,脆弱性的大小等同于氣候變化帶來的最終影響減去調(diào)整適應(yīng)政策所做的貢獻,可以理解為適應(yīng)政策無法消除的那部分不利影響。從這個角度上說,脆弱性還是爭論于不利事件的結(jié)果和原因。Downing認為脆弱性應(yīng)該主要包括3個方面:脆弱性應(yīng)該作為一個結(jié)果而不是一種原因來研究、脆弱性的影響是負面的、脆弱性是一個相對概念而不是絕對的損害程度(於琍等,2005)。而沿用自然災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域的觀點,脆弱性則被認為是導(dǎo)致系統(tǒng)受到損害的原因,災(zāi)害損失才是脆弱性存在的結(jié)果。針對這個問題,Füssel(2007)總結(jié)認為,一些氣候變化領(lǐng)域的脆弱性概念恰恰是災(zāi)害—風(fēng)險評估領(lǐng)域的風(fēng)險概念。防災(zāi)減災(zāi)機構(gòu)一般把風(fēng)險分成內(nèi)部(脆弱性)和外部(危害)兩個部分,而氣候變化機構(gòu)則把危害和暴露定義為一體作為脆弱性來研究。

3.3 脆弱性的計算

3.3.1 脆弱性曲線

脆弱性曲線(或稱脆弱性觀測)是從致災(zāi)因子的角度,基于災(zāi)情數(shù)據(jù)、調(diào)查和模型共同完成的脆弱性測量,通過一定強度致災(zāi)因子情況下的災(zāi)害損失來間接反映脆弱性的大小。將脆弱性用脆弱性曲線表示,以便于風(fēng)險和災(zāi)害的快速評估。從測量的角度來看,脆弱性一般反映的是系統(tǒng)損失程度與致災(zāi)因子強度的關(guān)系。周瑤和王靜愛(2012)對脆弱性曲線構(gòu)建的基本原理和研究進展情況進行了詳細的綜述。

3.3.2 脆弱性指數(shù)

在“Start-point”理論前提下,脆弱性一般定義為系統(tǒng)受影響的傾向或處理危險事件時能力的不足(de Len,2006)。在此定義框架下,脆弱性的大小一般通過定義脆弱性指數(shù)來體現(xiàn),具體實現(xiàn)方案類似本文第1.2節(jié)內(nèi)容。

3.3.3 情景模擬

基于“End-point”理論,在未來氣候條件下,如果評價對象變得不利,則認為該對象是脆弱的,不利程度越大,脆弱性越大(de Len,2006)。通過環(huán)境影響關(guān)聯(lián)評價模型模擬出氣候變化背景下的結(jié)果后,對脆弱性再進行評價。孫芳等(2005)通過PRECIS(Providing Regional Climate for Impacts Study)與CERES(Crop-Environment Resource Synthesis System)結(jié)合,首先模擬了21世紀70年代的作物產(chǎn)量,通過對作物可能減產(chǎn)情況的分析,定義了脆弱性的等級標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 脆弱性等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Criterion of classifying vulnerability

脆弱性產(chǎn)量變化率強度脆弱減產(chǎn)20%以上中度脆弱減產(chǎn)10%～20%輕微脆弱減產(chǎn)10%以下不脆弱不減產(chǎn)

Belgacem and Louhaichi(2013)通過生態(tài)模型模擬21世紀20和50年代的情景,并由此評價了西亞和北非三種植物的脆弱性。Sekhar et al.(2013)通過模擬地下水水位的變化定義了地下水的脆弱性。Fraser et al.(2013)通過全球水文模型計算出2050—2070年最可能發(fā)生干旱的區(qū)域,再用農(nóng)業(yè)、氣象和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)模型計算出2050—2070年適應(yīng)能力最可能下降的區(qū)域,兩相重合,則表征為農(nóng)業(yè)受氣候變化影響最脆弱的區(qū)域。V=f(E,S,CA)。其中:V代表脆弱性;E代表暴露性,是指一個系統(tǒng)所面對的氣候變化或變率的特點、程度和量級;S代表敏感性,是指加強或降低暴露性影響的結(jié)構(gòu)因素;CA指適應(yīng)能力,是指一個系統(tǒng)應(yīng)對氣候變化,通過調(diào)整適應(yīng)來舒緩潛在危害,或利用優(yōu)勢來處理后果的能力。

3.3.4 情景遍歷

針對情景模式主導(dǎo)的氣候變化影響中存在的問題,Prudhomme et al.(2013)提出了“情景模式—中立”(Scenario—neutral)方法;他們模擬了4 200種降水和溫度的分布組合,并將這些數(shù)據(jù)代入水庫關(guān)聯(lián)模型(PDM模型和CLASSIC模型)中,通過對模擬結(jié)果的聚類,生成水庫的變化對氣象要素變化的響應(yīng)曲面,如果水庫的變化大于氣象要素的變化,則認為其對氣候變化是敏感的,反之則認為其敏感性弱;他們認為,廣義的響應(yīng)曲面也可以有效地量化水庫應(yīng)對氣候變化的敏感性,因為它們包含了水庫的屬性信息,而且不需要進行全面的氣候變化影響研究。

3.4 關(guān)鍵脆弱性

為了更加科學(xué)地對氣候變化風(fēng)險進行管理,IPCC第四次評估報告提出了關(guān)鍵脆弱性概念,指出:科學(xué)研究可以為政策制定者們提供“哪些脆弱性比較關(guān)鍵”的信息,從而制定更合適的應(yīng)對政策(IPCC,2007)。

關(guān)鍵脆弱性可能和一些系統(tǒng)的閾值有聯(lián)系,當(dāng)超過這個閾值時,系統(tǒng)的非線性過程將使系統(tǒng)從一種主要狀態(tài)切換到另外一種狀態(tài),平緩的氣候漸變過程同樣可以對系統(tǒng)造成破壞。決定氣候變化的哪些影響比較關(guān)鍵或比較危險是一個動力學(xué)的過程,由客觀和主觀因素共同組成?？陀^因素是指系統(tǒng)的屬性,主要包括尺度、量級、時段和持續(xù)性等;主觀因素(或稱標(biāo)準(zhǔn)化因素)是對科學(xué)知識和觀測事實的標(biāo)準(zhǔn)化,主要包括對被威脅的系統(tǒng)的重要性和獨特性的評定、影響的分布、風(fēng)險厭惡程度和潛在適應(yīng)措施的可行性與效果等。同時,該報告為識別關(guān)鍵脆弱性提出了7個標(biāo)準(zhǔn)。

量級標(biāo)準(zhǔn):用來衡量影響量級的定量標(biāo)準(zhǔn)主要是金額和受影響的人口數(shù)量、作物產(chǎn)量、物種數(shù)量等。定性標(biāo)準(zhǔn)主要是社會認可度。

時效標(biāo)準(zhǔn):一般而言,突然發(fā)生的不利影響比逐漸發(fā)生的不利影響更重要,因此,相對于未來的事件,馬上就會發(fā)生的不利影響更可能被認為“關(guān)鍵”。

持續(xù)性和可逆性標(biāo)準(zhǔn):通常認為,持續(xù)的和不可逆轉(zhuǎn)的不利影響是“關(guān)鍵”的。

可能性和信度標(biāo)準(zhǔn):可能性是指專家對于主觀概率標(biāo)定中概率分布的中值,信度則決定于其散布,散布越小,信度越大?？赡苄栽酱蟮挠绊懯录饺菀妆徽J為“關(guān)鍵”。

潛在適應(yīng)能力標(biāo)準(zhǔn):應(yīng)對措施的可行性和可用性越低,這種影響越可能被歸類為“關(guān)鍵脆弱性”。

分布的標(biāo)準(zhǔn):影響和脆弱性的種類越多或者分布特征越明顯,越有可能被歸結(jié)為“關(guān)鍵”。

受險系統(tǒng)的重要性標(biāo)準(zhǔn):若一個系統(tǒng)的功能起決定性作用,那么該系統(tǒng)更可能被歸結(jié)為“關(guān)鍵”。

4 總結(jié)與展望

本文對氣候變化風(fēng)險評估領(lǐng)域的主要方法和熱點問題進行了分析和評述。正如IPCC指出,沒有什么單獨的理論可以描述和解決同時包含社會經(jīng)濟系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)的問題,也沒有什么單獨的模型可以代表一個實體所有的相互作用,或應(yīng)對其在一個快變的時間里的所有問題(IPCC,2007)。氣候變化風(fēng)險評估本身是一個非常復(fù)雜的問題,采用多方位和多角度的研究方法可以取得較好的效果。盡管當(dāng)前氣候變化風(fēng)險研究已經(jīng)取得長足進展,但是仍然可以在以下兩個方面增加探索:

1)對災(zāi)害風(fēng)險評估方法的借鑒。相對于氣候變化風(fēng)險評估理論和實踐,災(zāi)害風(fēng)險評估理論已經(jīng)發(fā)展得比較成熟和完善。氣候變化風(fēng)險評估中面臨的許多問題,如評估數(shù)據(jù)資源不足等,指標(biāo)之間的非線性關(guān)系等,借鑒災(zāi)害風(fēng)險評估領(lǐng)域中信息擴散(Zhang et al.,2013)和云模型、數(shù)據(jù)包絡(luò)方法等綜合評價方法可能會提供較為可行的解決方案。地理信息技術(shù)(Geographic Information Systern,GIS)可以拓展評估結(jié)果的應(yīng)用(吳洪顏等,2003)。

2)氣候變化適應(yīng)能力指標(biāo)還需要有更科學(xué)系統(tǒng)的方案。氣候變化影響評估應(yīng)該充分考慮適應(yīng)能力的決定性作用,這樣才能準(zhǔn)確估計一個系統(tǒng)對氣候變化的潛在響應(yīng)(IPCC,2007)。雖然當(dāng)前應(yīng)對氣候變化的研究已經(jīng)較多,但是在風(fēng)險評估領(lǐng)域?qū)m應(yīng)能力的定義和量化還比較初步,多局限于定性的評價或基于靜態(tài)的假設(shè)(Fraser et al.,2013)。作為與系統(tǒng)自身密切相關(guān)的屬性,應(yīng)該將適應(yīng)能力研究的成果充分科學(xué)地融入到系統(tǒng)評估中來。

氣候變化影響、適應(yīng)和脆弱性評估已經(jīng)遠遠超出了它最初的動機而成為一個思考性的、學(xué)術(shù)性的工作。為了滿足決策者們越來越多的需求,未來的研究工作需要對一系列的方法、技術(shù)和信息差距加以重視,為適應(yīng)和減緩措施提供充實的研究基礎(chǔ),以發(fā)揮更好的決策支持作用(IPCC,2007)。

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(責(zé)任編輯：倪東鴻)

Research progress on climate change impact and risk assessment method

PENG Peng1,ZHANG Ren1,HONG Mei1,WANG Feng2,LONG Qiang2

(1.College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China;2.Weather Bureau of Caofeidian Industrial Park,Tangshan 063200,China)

Climate change impact refers to the responses of social economy and resources environment to climate change.Climate change risk refers to the possible losses of social economy and resources environment caused by climate change.Climate change risk assessment means the qualitative climate change impact and the quantitative climate change risk.Aiming at the principle and technical system of climate change risk assessment method,current research status,hot issues and common approaches are remarked from three aspects,namely the risk index,the risk probability and the vulnerability.Research gaps and priorities are also discussed.

climate change;risk assessment;vulnerability/sensitivity;uncertainty

2013-12-29；改回日期：2014-06-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(41475045);唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)專項(CQZ-2014001)

張韌,博士,教授,研究方向為海氣相互作用,zren63@126.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131229001.

1674-7097(2015)02-0155-10

P467

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131229001

彭鵬,張韌,洪梅,等.2015.氣候變化影響與風(fēng)險評估方法的研究進展[J].大氣科學(xué)學(xué)報,38(2):155-164.

Peng Peng,Zhang Ren,Hong Mei,et al.2015.Research progress on climate change impact and risk assessment method[J].Trans Atmos Sci,38(2):155-164.(in Chinese).