張柳紅,鄭璟,伍紅雨,劉東玲
(廣東省氣候中心,廣州510641)
暴雨洪澇災(zāi)害是低緯度地區(qū)最常見的自然災(zāi)害,暴雨洪澇災(zāi)害損失占全球各種自然災(zāi)害損失的40%(景垠娜,2010);我國地處低緯季風區(qū),暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā),每年汛期暴雨及其引發(fā)的洪澇及泥石流、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害嚴重威脅社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全(王博等,2007;周月華等,2019)。因此,暴雨洪澇災(zāi)害風險評估受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注(李吉順等,1996;萬君等,2007;王博等,2007;Ahmad and Si?monvic,2013;謝五三等,2015;Kim and Marcouiller,2017;李如琦等,2019)。廣東地處低緯,北面多山,南面臨海,地形復(fù)雜,水汽資源豐富,是我國最典型的季風氣候區(qū)之一,也是我國內(nèi)陸降水最多的地區(qū)(王堅紅等,2014;蔡景就等,2019;伍紅雨等,2019)。在汛期,廣東是易受暴雨影響的重災(zāi)區(qū),可以說,暴雨是導(dǎo)致廣東洪澇災(zāi)害的主要原因(王春林等,2008)。據(jù)《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》統(tǒng)計,2000—2009年間和2010—2018年間,暴雨洪澇災(zāi)害分別造成廣東直接經(jīng)濟總損失233.40 和494.82 億元,年均損失分別為23.34 和54.98億元,總損失和年均損失分別增加了1.12和1.36倍,表明廣東暴雨洪澇災(zāi)害造成的損失趨于增加,給廣東經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴重影響。因此,有必要對廣東不同強度的暴雨過程造成何種程度的災(zāi)害損失進行合理地評估,這有助于為采取更加有效的災(zāi)害風險管理策略以減輕災(zāi)害損失提供依據(jù)(吳吉東等,2009),在氣象災(zāi)害風險管理理論研究和實踐中意義重大。
實現(xiàn)災(zāi)害風險的準確評估關(guān)鍵在于確定災(zāi)害強度等級與災(zāi)害損失間的定量關(guān)系(殷潔等,2013)。早前基于降水量、暴雨重現(xiàn)期、面雨量等暴雨影響指標構(gòu)建的廣東省暴雨災(zāi)害評估模式(李春梅等,2008;錢光明,2008),通過計算暴雨過程綜合影響指數(shù),然后在歷史暴雨綜合影響指數(shù)序列中查找影響指數(shù)相似的暴雨過程,進而評估暴雨過程災(zāi)害損失。該模式在早期業(yè)務(wù)中得到了較好的應(yīng)用,但隨著廣東各地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力的提高,歷史個例的簡單對比并不能很好地反映當前相同等級的暴雨過程可能導(dǎo)致的承災(zāi)體損失情況,且不同業(yè)務(wù)人員評估的結(jié)果差異也較大。因此,本文擬基于災(zāi)情指數(shù)模型和暴雨過程綜合強度評估模型,采用百分位數(shù)法分別對災(zāi)情和暴雨強度進行等級劃分,并給出各等級暴雨強度造成的人口、農(nóng)作物、房屋、經(jīng)濟等各類承災(zāi)體損失標準,簡單明了,可操作性強,可結(jié)合廣東省暴雨災(zāi)害評估模式在業(yè)務(wù)中進行應(yīng)用,為廣東暴雨洪澇災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性和風險評估提供依據(jù)。
氣象數(shù)據(jù)為廣東省1994—2018年86個國家地面氣象站逐日降水資料,來自廣東省氣象局。暴雨洪澇災(zāi)害災(zāi)情數(shù)據(jù)來自于1995—2019年《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》(1995年《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》記錄1994年災(zāi)情數(shù)據(jù),以此類推,2019年對應(yīng)2018年災(zāi)情)?!稄V東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》按照暴雨洪澇、熱帶氣旋、低溫、干旱、強對流等5個災(zāi)害種類進行災(zāi)情的分類統(tǒng)計,本文選取了1994—2018年間有災(zāi)情記錄的暴雨洪澇過程(共129個)進行研究。
1.2.1 指標選取
根據(jù)《自然災(zāi)害情況統(tǒng)計制度》(民發(fā)〔2016〕23號)和《自然災(zāi)害災(zāi)情統(tǒng)計(第1 部分):基本指標》(GB/T 24438.1-2009),人口和農(nóng)作物的受災(zāi)情況以及房屋和經(jīng)濟的損失程度是災(zāi)情的基本表現(xiàn)形式,也是自然災(zāi)害災(zāi)情統(tǒng)計的核心內(nèi)容。因此,選擇受災(zāi)人口和死亡人數(shù)表征人口受災(zāi)程度;選擇農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋數(shù)、直接經(jīng)濟損失分別表征農(nóng)作物、房屋和經(jīng)濟的損失程度。這5項指標也是目前災(zāi)情評估和災(zāi)害應(yīng)急救助工作中最關(guān)注的指標,可客觀、綜合揭示災(zāi)害對地區(qū)經(jīng)濟社會實際造成的影響和損失。
1.2.2 災(zāi)情數(shù)據(jù)預(yù)處理
為消除通貨膨脹造成的經(jīng)濟損失貨幣值變化,便于比較災(zāi)害對社會經(jīng)濟的影響程度,將直接經(jīng)濟損失換算成可比價格(張鵬等,2015),換算公式如下
式(1)中,E為換算后的直接經(jīng)濟損失,E0為第i年的暴雨洪澇災(zāi)害直接經(jīng)濟損失,CPIi為當年的累積CPI指數(shù)(以1993年為基準)。
1.2.3 災(zāi)情指數(shù)模型
為剔除不同承災(zāi)體災(zāi)情指標分級標準不同的影響,便于比較暴雨洪澇災(zāi)害各項損失,本文參考相關(guān)研究引入轉(zhuǎn)換函數(shù)(于慶東和沈榮芳,1997;王秀榮等,2010;鞏在武和胡麗,2015),對不同災(zāi)情指標進行無量綱化和災(zāi)情指數(shù)的計算。
1.2.4 暴雨過程綜合強度評估模型
基于《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》中記錄的1994—2018年的暴雨洪澇災(zāi)害過程,結(jié)合廣東和福建已有研究基礎(chǔ)(鄒燕等,2014;伍紅雨等,2019),采用暴雨過程綜合強度模型評估各個暴雨過程的強度,公式如下
式(7)中,IR為某次暴雨過程綜合強度指數(shù);A、B、C和D分別為最大過程降水量、最大日降水量、暴雨站數(shù)和暴雨持續(xù)時間的權(quán)重系數(shù),以某一指標序列與其余3個指標序列之間相關(guān)系數(shù)的平均值占所有指標間相關(guān)系數(shù)平均值總和的比值進行表征(呂曉男等,1999;鄒燕等,2014);GP、Gd、Gc、Gt分別為4個指標的評估等級,采用Hyndman經(jīng)驗公式對各個評估等級進行劃定和計算(Hyndman and Fan,1996);RP、Rd、Rc、Rt分別為4個指標的標準化值,標準化公式如下
式(8)中,Ri和Yi分別為第i個樣本標準化值和樣本值;Yˉ和δ分別為樣本序列的氣候平均值和標準差。
1995—2019 年《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》中,有災(zāi)情記錄的暴雨洪澇災(zāi)害過程共計129次。對這129次暴雨過程進行綜合強度指數(shù)的計算,采用百分位數(shù)法計算第60、第80、第90和第95百分位數(shù)作為臨界閾值將暴雨過程劃分為1、2、3、4 和5 等級(伍紅雨等,2019),分別對應(yīng)暴雨強度等級的弱、較弱、中等、較強和強,從而得到1994—2018年廣東致災(zāi)暴雨過程綜合強度等級,并對綜合強度在強和較強等級的致災(zāi)暴雨過程進行呈列(表1)。從《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》中獲取上述各個暴雨過程人口、農(nóng)作物、房屋、經(jīng)濟等各類承災(zāi)體的災(zāi)害損失情況,并采用災(zāi)情指數(shù)模型對不同承災(zāi)體損失進行無量綱化轉(zhuǎn)換,詳見表1。
廣東1994—2018年間的129 次暴雨洪澇災(zāi)害過程中(圖1),強等級暴雨過程均出現(xiàn)在5、6和7月,分別出現(xiàn)4、6和2次;較強等級和中等等級主要出現(xiàn)在4—8月;較弱等級主要出現(xiàn)在5月(19 次),其次是6月(6次);弱等級出現(xiàn)在3—10月,主要集中在4—9月。因此,致災(zāi)暴雨過程主要集中在廣東汛期期間,5、6 和7月尤其多,各個等級致災(zāi)暴雨過程都有出現(xiàn),要特別注意5、6月份“龍舟水”和7、8月份臺風高發(fā)期的暴雨洪澇災(zāi)害防御。
參考第60、80、90和95百分位數(shù)為臨界閾值的劃分方法,將受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋數(shù)和直接經(jīng)濟損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值進行微災(zāi)、小災(zāi)、中災(zāi)、大災(zāi)和巨災(zāi)的災(zāi)情等級劃分(表2),得出處于巨災(zāi)等級的受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋數(shù)和直接經(jīng)濟損失5個災(zāi)情指標的轉(zhuǎn)換函數(shù)值分別為≥0.73、≥0.65、≥0.64、≥0.37和≥0.90。結(jié)合表1分析可知,1994—2018年間發(fā)生的12次強等級暴雨過程造成不同承災(zāi)體損失達到巨災(zāi)等級的有7次(占總次數(shù)的58.3%):2005年6月12—24日、1994年6月8—20日和1994年7月18—28日的暴雨過程造成上述5個災(zāi)情指標都處于巨災(zāi)等級;1997年7月1—11日的暴雨過程造成受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積和倒塌房屋數(shù)4個災(zāi)情指標達到巨災(zāi)等級;2008年5月29日—6月7日暴雨過程造成受災(zāi)人口、農(nóng)作物受災(zāi)面積和直接經(jīng)濟損失3個災(zāi)情指標達到巨災(zāi)等級;1998年6月19—26日暴雨過程導(dǎo)致死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積和和直接經(jīng)濟損失3個災(zāi)情指標達到巨災(zāi)等級;2014年5月15—23日暴雨過程造成倒塌房屋數(shù)1個災(zāi)情指標達到巨災(zāi)等級。根據(jù)《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》的災(zāi)情記錄,受災(zāi)人口≥424萬人、死亡人數(shù)≥46人、倒塌房屋數(shù)≥2.008萬間和直接經(jīng)濟損失≥31.62億元(對應(yīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換值分別為≥0.73、≥0.65、≥0.37和≥0.90,巨災(zāi)等級)的致災(zāi)暴雨過程均出現(xiàn)7 次,其中均有5 次是強等級(占71.43%)、2次是較強等級(占28.57%);農(nóng)作物受災(zāi)面積≥1.569×104hm(對應(yīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換值為≥0.64,巨災(zāi)等級)的致災(zāi)暴雨過程出現(xiàn)7 次,其中有6 次是強等級(占85.71%)、1次是較強等級(占14.29%);即各類承災(zāi)體災(zāi)害損失達到巨災(zāi)等級時,致災(zāi)暴雨過程的綜合強度至少有71.43%達到強等級,其余暴雨過程強度也達到了較強等級。因此,暴雨過程綜合強度等級和災(zāi)害損失的雙向驗證結(jié)果表明暴雨過程綜合強度等級與各類承災(zāi)體災(zāi)害損失情況較為一致,表明本文的暴雨過程綜合強度評估模型和災(zāi)情指數(shù)模型能夠較為客觀、全面地反映廣東暴雨過程和災(zāi)情情況。
表1 1994—2018年廣東強和較強等級暴雨過程與災(zāi)害損失函數(shù)轉(zhuǎn)換值Table 1 Rainstorm events with composite intensity of categories V(strong)and IV(relatively strong)and their disaster indices in Guangdong from 1994 to 2018.
圖1 1994—2018年廣東致災(zāi)暴雨過程綜合強度各等級出現(xiàn)次數(shù)Fig.1 Variations of rainstorm frequency with different categories in Guangdong from 1994 to 2018.
表2 1994—2018年廣東暴雨洪澇災(zāi)害損失函數(shù)轉(zhuǎn)換值等級劃分Table 2 Grading standards of rainstorms and floods disaster indices in Guangdong from 1994 to 2018.
圖2 廣東暴雨洪澇綜合強度等級——災(zāi)害損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值曲線Fig.2 The curves of rainstorm events with different categories and disaster indices in Guangdong.
不同強度等級的暴雨洪澇災(zāi)害,會造成人口、經(jīng)濟、房屋等不同承災(zāi)體不同程度的損失。對1994—2018年間廣東致災(zāi)暴雨過程綜合強度等級與不同承災(zāi)體損失進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),致災(zāi)暴雨過程綜合強度等級與受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋數(shù)和直接經(jīng)濟損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值相關(guān)系數(shù)分別為0.6699、0.6099、0.6743、0.5601 和0.7240,達到極顯著水平(P=0.000<0.001),說明致災(zāi)暴雨過程強度等級與災(zāi)害損失之間有很強的正相關(guān)性。此外,根據(jù)廣東暴雨洪澇綜合強度等級——災(zāi)害損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值曲線(圖2),不同強度等級的暴雨洪澇災(zāi)害與各類承災(zāi)體損失之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,即暴雨強度越強,承災(zāi)體損失越高;具體地,隨著暴雨綜合強度等級的增加,倒塌房屋數(shù)呈指數(shù)增長,當暴雨強度達到較強等級時,倒塌房屋數(shù)有急劇增長的趨勢;其余指標均呈線性增長,只是增長的倍數(shù)不同,受災(zāi)人口增長波動較大,死亡人數(shù)小幅波動增長,農(nóng)作物受災(zāi)面積和直接經(jīng)濟損失呈簡單線性增長,波動最小。判定系數(shù)R2是對回歸模型擬合程度的綜合度量,R2越大,模型擬合程度越高,反之亦然(米紅和張文璋,2004)。暴雨洪澇綜合強度等級與農(nóng)作物受災(zāi)面積和直接經(jīng)濟損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值曲線的R2均超過0.99,其余指標也都在0.98以上,表明暴雨洪澇綜合強度等級與各類承災(zāi)體災(zāi)害損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值的曲線擬合程度高,綜合強度等級對受災(zāi)損失的解釋程度高。
分別計算各個暴雨綜合強度等級的災(zāi)害損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值平均值,再根據(jù)式(2)至(6)分別將人口、農(nóng)作物、房屋、經(jīng)濟等各類承災(zāi)體的災(zāi)害損失轉(zhuǎn)換函數(shù)值轉(zhuǎn)換成損失值,以此作為暴雨洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋數(shù)和直接經(jīng)濟損失的損失標準(表3)。由表3可知,暴雨綜合強度為弱等級時,各類承災(zāi)體災(zāi)害損失均處于低水平,隨著強度等級的增加,損失程度也越來越大。其中,當暴雨強度在較強級別以下時,農(nóng)作物受災(zāi)面積隨暴雨強度等級的增長最快,直接經(jīng)濟損失次之,接著是受災(zāi)人口,死亡人數(shù)增長較慢,倒塌房屋數(shù)增長最慢;當暴雨強度達到較強級別時,倒塌房屋數(shù)急劇增加,其次是農(nóng)作物受災(zāi)面積,接著是死亡人口和受災(zāi)人口,直接經(jīng)濟損失增幅最小。
需要指出的是,表3 中各類承災(zāi)體的損失僅為不同綜合強度等級暴雨洪澇過程下的平均狀況。實際的災(zāi)害損失與暴雨洪澇過程的綜合強度等級之間的正相關(guān)關(guān)系是普遍存在的,但在防災(zāi)抗災(zāi)措施有力的情況下這種關(guān)系可能弱化,也就是說,不同綜合強度等級的暴雨洪澇過程既有可能導(dǎo)致人口、農(nóng)作物、房屋和經(jīng)濟等承災(zāi)體出現(xiàn)嚴重損失,也有可能僅造成輕微的損失(圖3)。這是因為,自然災(zāi)害損失不僅與致災(zāi)強度有關(guān),同時也受各地區(qū)災(zāi)害防災(zāi)備災(zāi)水平、應(yīng)急響應(yīng)能力、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報能力等諸多因素的制約。此外,本研究所構(gòu)建的模型主要從全省的角度來對暴雨過程的綜合強度進行評估,對于局地性短時強降水的致災(zāi)強度反映可能有所不足,但這類過程因其突發(fā)性強、預(yù)報和防御難度大的特點又往往可能造成巨大的損失。基于本文選取的129個不同綜合強度等級的致災(zāi)暴雨過程造成的實際災(zāi)害損失情況,分析不同等級暴雨過程導(dǎo)致災(zāi)害損失的極大值和極小值。在災(zāi)害損失極小值方面,各等級致災(zāi)暴雨過程都有可能出現(xiàn)無人員死亡和無房屋倒塌的情況;當暴雨過程強度在較強級別以下時,受災(zāi)人口、農(nóng)作物受災(zāi)面積極小值為0,直接經(jīng)濟損失為0.01億元,當暴雨過程達到較強和強等級時,人口、農(nóng)作物和經(jīng)濟均出現(xiàn)一定程度的受災(zāi)或損失。在災(zāi)害損失極大值方面,災(zāi)害損失隨著暴雨強度等級的增加總體呈增多趨勢:在弱等級暴雨過程中,受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋數(shù)和直接經(jīng)濟損失極大值分別為31.31萬人、7人、1.92×104hm2、0.32萬間和2.76億元;在強等級暴雨過程中,上述各類承災(zāi)體災(zāi)害損失極大值分別為932.00 萬人、145 人、40.90×104hm2、45.44萬間和83.81億元。因此,開展暴雨洪澇災(zāi)害風險評估工作也要適時考慮各強度等級暴雨過程可能造成的極端災(zāi)害損失情況。
表3 廣東暴雨洪澇災(zāi)害損失標準Table 3 Criteria of disaster loss caused by rainstorms and floods in Guangdong.
圖3 廣東不同暴雨洪澇綜合強度等級造成的災(zāi)害損失最大值和最小值(MAXP、MAXD、MAXC、MAXH和MAXE分別為受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋和直接經(jīng)濟損失最大值;MINP、MIND、MINC、MINH和MINE分別為上述災(zāi)害指標最小值)Fig.3 The maximum and minimum disaster losses caused by rainstorm events with different categories in Guangdong(MAXP,MAXD,MAXC,MAXH and MAXE are maximum values of the number of people affected,the number of deaths,affected areas of crops,the number of collapsed houses and direct economic losses,respectively.MINP,MIND,MINC,MINH and MINE are respectively the minimum values of the five indicators above.)
本文基于1995—2019年《廣東省防災(zāi)減災(zāi)年鑒》中的129個致災(zāi)暴雨過程,構(gòu)建了暴雨過程綜合強度評估模型和災(zāi)情指數(shù)模型評估各個致災(zāi)暴雨過程的強度等級和災(zāi)情等級,以第60、第80、第90 和第95 百分位數(shù)作為臨界閾值分別將暴雨過程和災(zāi)情等級劃分為弱(1 級)、較弱(2 級)、中等(3 級)、較強(4 級)、強(5級)和微災(zāi)、小災(zāi)、中災(zāi)、大災(zāi)、巨災(zāi),并對不同強度等級暴雨過程可能造成的人口、農(nóng)作物、房屋和經(jīng)濟等承災(zāi)體損失進行定量評估,得到如下結(jié)論:
(1)根據(jù)暴雨過程綜合強度評估模型,1994—2018年間,廣東各等級致災(zāi)暴雨過程主要集中在4—9月的汛期,5—7月各個等級的致災(zāi)暴雨過程均有出現(xiàn),要特別注意期間的暴雨災(zāi)害防御。
(2)根據(jù)災(zāi)情指數(shù)模型對不同承災(zāi)體災(zāi)害損失的計算結(jié)果,受災(zāi)人口等級劃分的臨界閾值為0.46、056、0.64 和0.73,死亡人數(shù)為0.10、0.31、0.49 和0.65,農(nóng)作物受災(zāi)面積為0.40、0.52、0.59 和0.64,倒塌房屋數(shù)為0.03、0.15、0.30 和0.37,直接經(jīng)濟損失為0.62、0.72、0.81和0.90。
(3)通過分析廣東致災(zāi)暴雨過程綜合強度等級與各類承災(zāi)體損失之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系,即暴雨過程綜合強度越大,災(zāi)害損失也越重。其中,倒塌房屋數(shù)隨暴雨強度等級的增加呈指數(shù)增長,受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積和直接經(jīng)濟損失呈線性增長。
(4)基于129個致災(zāi)暴雨過程及其災(zāi)害損失資料,構(gòu)建了廣東各個暴雨強度等級下的受災(zāi)人口、死亡人數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、倒塌房屋數(shù)和直接經(jīng)濟損失的平均標準值,也對各等級暴雨洪澇過程造成的極端最小和最大災(zāi)害損失進行了分析,具有一定的統(tǒng)計學意義和業(yè)務(wù)參考價值。
廣東暴雨洪澇頻繁,災(zāi)害重,在日常業(yè)務(wù)工作中,需對每次暴雨過程進行不同承災(zāi)體的災(zāi)害損失評估,這對于氣象防災(zāi)減災(zāi)工作意義重大。本研究基于暴雨過程綜合強度評估模型和災(zāi)情指數(shù)模型,對不同強度暴雨過程及其可能造成的人口、農(nóng)作物、房屋、經(jīng)濟等各類承災(zāi)體災(zāi)害損失進行定量化等級評估,評估結(jié)果與實際受災(zāi)情況較為吻合。因此,本文采用的暴雨過程綜合強度評估模型和災(zāi)情指數(shù)模型能較為準確地反映廣東暴雨過程及其致災(zāi)損失,可結(jié)合廣東省暴雨災(zāi)害評估模式進行業(yè)務(wù)應(yīng)用,提高暴雨災(zāi)害損失評估的準確性。另外,本文研究的廣東暴雨洪澇災(zāi)害損失標準確定了不同強度等級暴雨過程的破壞程度,今后可結(jié)合不同地市甚至縣級區(qū)域各類承災(zāi)體的暴露程度,對各地區(qū)的暴雨過程造成的不同承災(zāi)體損失進行精細化、定量化評估,為各地區(qū)采取針對性的災(zāi)前預(yù)防、災(zāi)中應(yīng)急、災(zāi)后救助措施提供科學參考。