臺風“利奇馬”災害風險及氣象服務效益評估

顧小麗，錢燕珍，周偉軍，吳斌，王曉慧

(1. 寧波市氣象臺，浙江 寧波 315012；2. 寧波市海曙區(qū)氣象局，浙江 寧波 315153；3. 寧波市海曙區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 寧波 315153)

1 引 言

臺風災害位居世界上十大自然災害之首[1]，嚴重威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。準確的氣象預報、優(yōu)質(zhì)的氣象服務在臺風災害防御工作中可產(chǎn)生顯著社會效益和經(jīng)濟效益[2-4]，研究表明，近年來臺風直接經(jīng)濟損失和臺風災害氣象服務效益都呈增長趨勢。科學客觀地開展氣象服務效益評估工作，一方面可以提高各方對氣象服務的重視程度，另一方面有助于提升氣象服務能力，加強防災減災，促進氣象事業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展[5]。

1970年代，國外學者已在臺風災害風險分析評估等方面開展了研究[6-7]，中國對臺風災害的研究開始于1990年代[8-9]，至今關于臺風災害評估方面已有許多研究成果：雷小途等[10]客觀化評估了1980—2004年臺風災情，指出臺風災情資料的完整性和準確性的重要性；陳佩燕等[11]從臺風致災因素出發(fā)，基于完全預報方法研制了臺風影響風險評估模型；在廣東省和浙江省臺風災害影響評估和預估中，模糊數(shù)學算法和層次分析法等得到有效應用[12-14]。在氣象服務效益方面，周福[15]提出了防災減災效益系數(shù)的概念，建立重大氣象災害氣象服務效益評估模型；林繼生等[16]通過與基準年的對比分析評估了1969—1995年廣東省熱帶氣旋災害預報服務效益；Yang 等[17]通過第三方評估和調(diào)查，得到福建省防御登陸雙臺風“納沙”和“海棠”的經(jīng)濟效益貢獻率為75%；張穎超等[18]、邢彩盈等[19]利用逆推算法建立了臺風災害氣象服務效益評估模型，分別對浙江省和海南省的臺風氣象服務效益進行了客觀定量化評估。逆推法是根據(jù)某次臺風造成的直接經(jīng)濟損失，結合氣象服務水平、政府防災減災決策、公眾自身防御能力以及不可避免損失等因素的影響，建立評估模型，該方法實現(xiàn)了定量化效益評估，具有較強的操作性和適用性。但是由于氣象服務效益評估有復雜性、不易度量性等特點[16]，因此臺風氣象服務的評價方法和服務效益評估模型還有待進一步的探索。

寧波平均每年遭受 3～4個臺風影響[1]，2019年第9 號臺風“利奇馬”登陸強度強、風雨強度大、影響時間長、影響范圍廣，造成全國10 省（直轄市）1 402.4 萬人受災，56 人死亡，14 人失蹤，1.5 萬間房屋倒塌，水利工程直接經(jīng)濟損失515.3 億元[20]，是新中國成立以來登陸浙江的第三強臺風[21]，給寧波造成的經(jīng)濟損失達50.19 億元。對“利奇馬”臺風在寧波地區(qū)的影響進行災前風險評估和實際災情評估，評估臺風氣象服務效益，可積累類似個例預報服務經(jīng)驗和服務產(chǎn)品，提高臺風氣象服務的針對性和實效性。

2 資料與方法

2.1 資 料

氣象要素資料來源于浙江省氣象資料數(shù)據(jù)庫，臺風資料來源于《臺風年鑒》和中央氣象臺臺風網(wǎng)。臺風“利奇馬”災情資料來源于災情調(diào)查、應急管理局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村局、水利局和城市管理局的災情統(tǒng)計、浙江省氣象災害數(shù)據(jù)庫等。寧波地區(qū)經(jīng)濟生產(chǎn)總值（GDP）、定基物價指數(shù)和人口總數(shù)等數(shù)據(jù)來源于《寧波市統(tǒng)計年鑒》。

2.2 方 法

2.2.1 災害風險評估模型

根據(jù)m個物理指標，采用模糊數(shù)學算法[12]建立臺風風險評估模型，風險評估指數(shù)（Ira）的計算方式如下：

式中，Ira為臺風災害風險評估指數(shù)，ai為第i個指標的權重系數(shù)，滿足；ci為m個物理指標序列。

根據(jù)文獻[14]選取11個物理指標因子，其中代表臺風強度和路徑參數(shù)的3個因子為臺風中心最低氣壓（C1）、七級風圈半徑（C2）、和移動路徑（C3），代表本地雨情的3個因子為過程平均雨量（C4）、過程最大雨量（C5）以及天文大潮指數(shù)（C6），表示本地風情的指標為陸地最大風力（C7）和陸地極大風力（C8），代表寧波社會經(jīng)濟發(fā)展水平的3個因子為寧波市GDP（C9）、寧波市人口（C10）和災害防御能力（C11）。上述指標中，臺風中心最低氣壓（C1）和七級風圈半徑（C2）采用臺風進入24小時警戒線內(nèi)的相應預報值；移動路徑包括登陸福建中部以南、登陸福建北部、登陸浙南（溫州）或近海北上和登陸浙中北（甬、臺、舟）四類的預報路徑，分別賦值4～1；過程平均雨量（C4）和過程最大雨量（C5）為預報的寧波平均雨量和單點最大雨量，反映普遍雨情和局部雨情；天文大潮指數(shù)（C6）即臺風登陸日恰逢大潮汛是賦值1，否則賦值0；陸地最大風力（C7）和陸地極大風力（C8）為預報的寧波地區(qū)最大風力等級和過程極大風力等級；災害防御能力（C11）分為5 級，越靠近當前取值越小，表示災害防御能力越強，對災害風險貢獻越小。指標經(jīng)過標準化變換到[0,1]的取值區(qū)間后參與運算。用層次分析法[12-13]確定指標因子的權重。構成指標層的11個指標因子的權重見表1[14]。

表1 11個指標的權重[14]

2.2.2 實際災情評估模型

為定量評估臺風實際災情大小，將臺風災害損失歸結為死亡人數(shù)和直接經(jīng)濟損失兩項，采用投影尋蹤法建立臺風災情評估模型[22]，實際災情指數(shù)（Iad）的計算公式如下：

式中，Iad為臺風實際災情指數(shù)，x1為臺風造成的死亡人數(shù)，x2為臺風造成的直接經(jīng)濟損失占當年GDP 的比重，x1c、x2c為常數(shù)。利用 1956—2016年影響寧波的30個臺風樣本[14]，分別將死亡人數(shù)和直接經(jīng)濟損失從大到小排序，作為基礎資料，然后利用皮爾遜III 型擬合方法進行分布擬合[23-24]，得到重現(xiàn)期為50年的理論值，x1c=6.4，x2c=4.2。

災情評估模型的建模過程包括如下三個步驟：（1）數(shù)據(jù)無量綱化處理；（2）建立線性投影，將高維數(shù)據(jù)投影到一維空間；（3）通過求解投影目標函數(shù)最大化的問題，優(yōu)化投影方向。

2.2.3 逆推法

氣象服務效益受氣象預報準確性、服務時效性、當?shù)刈匀坏乩憝h(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展水平、建筑質(zhì)量、政府和聯(lián)防部門的決策部署能力、公眾的災害防御能力等諸多因素的影響，具有很大的不穩(wěn)定性[3-4]。在氣象服務效益評估中很難面面俱到，只能抓住主要影響因子。文中重點考慮氣象預報服務水平、政府和聯(lián)防部門防災減災決策部署和組織能力、不可避免損失這三個因子，根據(jù)一次臺風造成的直接經(jīng)濟損失，建立如下臺風氣象災害服務效益方程：

式中，E表示某臺風災害造成的直接經(jīng)濟損失，B表示某臺風氣象服務效益，E+B表示在沒有開展防臺減災工作的情況下，臺風災害在某地可能造成的直接經(jīng)濟損失。M表示氣象服務水平，G表示政府和聯(lián)防部門的防臺減災決策部署能力，D表示不可避免損失因子，1-D表示臺風災害中可以避免的損失因子。M、G、D參數(shù)都位于[0,1]的取值區(qū)間，M、G的數(shù)值越大，表示氣象服務水平越高，防臺減災決策部署能力越好。

根據(jù)公式（3）得到某臺風災害中氣象服務效益公式為：

2.2.4 不可避免損失指標D

氣象災害損失由可避免損失和不可避免損失兩部分組成。可避免損失是在理想狀況下人們利用準確的氣象服務組織有效的氣象災害防御，實現(xiàn)減災效益的最大值。但是，當臺風達到一定強度，其破壞力超出承載體的極限時，必將造成不可避免的災害損失。不可避免損失主要集中在難以進行轉(zhuǎn)移的不動產(chǎn)方面，包括損毀房屋、淹沒農(nóng)田等。除此之外，交通、通訊、水利等基礎設施也造成不可避免損失，考慮到這些損失難以一一列舉且缺乏統(tǒng)計資料，但是都統(tǒng)計在直接經(jīng)濟損失中，因此直接經(jīng)濟損失可作為不可避免損失指標的一部分。因此，根據(jù)張穎超等[18]和邢彩盈等[19]的方法，選取臺風強度(d1)、淹沒農(nóng)田(d2)、損毀房屋(d3)、直接經(jīng)濟損失(d4) 作為計算不可避免損失指標的主要影響因子，計算方式如下：（1）m個臺風個例對應的n個影響因子組成一個評價集R，將各個影響因子序列進行標準化處理；（2）通過專家打分、層次分析法確定各影響因子的指標權重，見表2[18]；（3）根據(jù)模糊變換原理，臺風不可避免損失指標可由公式（5）計算得到。

其中，Dj為某個臺風災害中不可避免損失指標，n為影響因子數(shù)，m為臺風樣本數(shù)，di為第i個指標的權重，取值見表 2，為對應各因子的評價集。

表2 4個不可避免損失指標權重[18]

3 災害評估

3.1 災害風險評估

臺風災害風險評估是開展災害防御工作的定量依據(jù)，有利于提高防臺減災策略的針對性和效率[11]，對減少臺風災害造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失有現(xiàn)實意義。從風雨情況分析，“利奇馬”臺風致災因子主要為持續(xù)強降水和強風。長時間、大范圍的累積強降水導致區(qū)域內(nèi)山塘水庫普遍超過汛限水位，河網(wǎng)水位快速上升，高潮位頂托導致沿江碶閘排水壓力大增，因此造成眾多低洼地段積水受淹嚴重；短時間內(nèi)強降水匯集，易引發(fā)山洪、泥石流；長時間的雨水浸泡，易造成房屋倒塌和山體滑坡等災害。強風的持續(xù)將造成樹木和農(nóng)作物倒伐、農(nóng)業(yè)大棚等設施損毀等。

利用災害風險評估模型，計算寧波“利奇馬”臺風的風險評估指數(shù)Ira=0.65。基于層次分析法的風險評估模型[14]得到寧波地區(qū)Ira的5個等級劃分標準：＜0.35 為(較輕)，≥0.35 為 4 級(一般)，≥0.45為 3 級(較重)，≥0.55 為 2 級(嚴重)，≥0.65 為 1 級(特重)，可見臺風“利奇馬”災害風險評估等級達到1級、特重，為影響寧波臺風的最高等級。

“利奇馬”的災害風險評估等級甚至比1323號臺風“菲特”還要高，臺風“菲特”Ira=0.64（2級、嚴重），當時“菲特”造成了寧波地區(qū)9人死亡，直接經(jīng)濟損失三百多億元。據(jù)此災害風險評估結果，“利奇馬”將給寧波地區(qū)帶來嚴重影響。

3.2 災情評估

“利奇馬”風大雨強，寧波10個區(qū)縣（市）145個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度受災，受災人口高達62萬，直接經(jīng)濟損失50.19 億元，是繼“菲特”之后造成寧波經(jīng)濟損失最大的臺風，然而“利奇馬”未造成寧波人員死亡的情況。臺風災害損失主要表現(xiàn)為房屋倒損，農(nóng)林牧漁業(yè)受災，道路交通和通訊受阻、設施設備受損；強降水還引發(fā)了山洪、山體滑坡、內(nèi)澇等次生災害。面對災害，寧波上下一心，全力防御，共計轉(zhuǎn)移人口27.9 萬人，安置人口11.3 萬人，實現(xiàn)了“不死人、少傷人、少損失”的防臺目標。

為定量評估臺風實際災害損失，根據(jù)臺風災情指數(shù)計算公式（2），計算得到“利奇馬”臺風的實際災情指數(shù)Iad=0.06，按照Iad等級劃分標準[14]：＜0.1 為(較輕)，≥0.1 為 4 級(一般)，≥0.3 為 3 級(較重)，≥0.6 為 2 級(嚴重)，≥0.9 為 1 級(特重)。臺風“利奇馬”的實際災情等級為5級、較輕（表3）。

表3 1949—2019年嚴重影響寧波臺風

比較臺風“利奇馬”的風險評估等級和實際災情等級，二者差距較大，臺風“利奇馬”造成的實際災情等級遠低于預估的風險評估等級。與近70年來對寧波造成重大災害損失的臺風相比（表3），“利奇馬”臺風帶來的直接經(jīng)濟損失率顯著低于歷史上其它嚴重影響臺風的直接經(jīng)濟損失率，實際災情等級也較輕，分析其原因，一方面氣象預報服務水平提高，政府防臺減災措施不斷完善，市民素質(zhì)和防御能力也在提升，臺風“利奇馬”未造成寧波地區(qū)人員死亡、重要堤防決口、重要基礎設施出險等情況，使得臺風減災效益顯著；另一方面隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、社會財富增加，雖然臺風造成的直接經(jīng)濟損失絕對值較大，但是直接經(jīng)濟損失率PIEL卻相對較低。

4 臺風氣象服務效益評估

4.1 氣象服務效益評估

根據(jù)臺風“利奇馬”造成寧波地區(qū)淹沒農(nóng)田、損毀房屋、直接經(jīng)濟損失和臺風強度這四個指標和指標權重（表2），利用公式（5）計算出“利奇馬”的不可避免損失因子D=0.28，由于其淹沒農(nóng)田數(shù)、損毀房屋數(shù)相對較小，因此不可避免因子較小，可避免損失的部分較大。

“利奇馬”臺風的直接經(jīng)濟損失為50.19 億元，參考張穎超等[18]的指標取值M=0.76、G=0.83，根據(jù)公式（4）計算得寧波地區(qū)“利奇馬”臺風的氣象服務效益達41.76 億元，氣象服務效益占臺風直接經(jīng)濟損失和氣象服務效益之和的45%，可見服務效益顯著。在臺風防御過程中，政府及相關部門投入了人力、財力和物力開展人員轉(zhuǎn)移、設施加固、設備調(diào)度等工作，但是這些投入成本相比于可能造成的人員傷亡和災后救援成本則微乎其微。氣象部門對“利奇馬”臺風預報準確、預警及時，各級黨委政府做出了正確決策，并采取了有力的措施，最大程度減少臺風災害損失，實現(xiàn)了“不死人、少傷人、少損失”的臺風防御目標。

4.2 決策氣象服務在水利調(diào)度中的效益

4.2.1 決策氣象服務概況

寧波境內(nèi)多丘陵山區(qū)，地形呈西高東低走勢，西部為四明山和天臺山兩大山脈，東部為平原。全市有大中型水庫33座（圖1），其中大型水庫6座均位于西部山區(qū)，中型水庫27 座。寧波年降水量在1 400～1 700 mm，但由于沒有明顯的過境水資源，降水量在時空上分布極不均勻，所以存在著階段性干旱、局地干旱等問題，用水主要靠水庫積蓄自然降水資源[25-26]。出梅后通常進入伏旱期，用水量猛增，臺風降水成為水庫蓄水的重要來源。但是如果水庫水位較高，恰逢臺風暴雨，不僅容易發(fā)生洪澇災害，也給水庫堤防等設施帶來較大風險，因此臺風降水量預報是政府及水利等相關部門在水利調(diào)度中的重要決策依據(jù)。

受“利奇馬”臺風影響，寧波出現(xiàn)大暴雨局部特大暴雨（圖1），平均雨量277 mm，7個站點雨量超過500 mm，最大站點為寧海留五扇597.5 mm。受迎風坡地形抬升效應影響，西部山區(qū)過程雨量普遍在300 mm 以上，容易發(fā)生山洪、泥石流等災害。東部平原雖然雨量大多在200 mm 左右，但由于城區(qū)地面硬化下水速度較慢，人口密集，多商貿(mào)中心，期間河網(wǎng)交錯，在臺風暴雨過程中容易產(chǎn)生嚴重內(nèi)澇。因此，臺風“利奇馬”防汛防洪壓力巨大。

圖1 8月8日08時—11日08時臺風“利奇馬”過程雨量和寧波市大中型水庫分布圖

寧波市氣象部門積極開展臺風“利奇馬”氣象服務保障工作，8月初已通過領導決策短信匯報有臺風影響，8月6日開始，向市委、市政府及水利相關部門報送決策服務材料7 期；相繼發(fā)布臺風警報、臺風緊急警報和臺風預警信號共計34次；面向決策用戶發(fā)布短信51條次。9日21時發(fā)布臺風紅色預警信號，根據(jù)《寧波市應對極端天氣停課安排和誤工處理實施意見》，除政府機關和直接保障城鄉(xiāng)運行的企事業(yè)單位外，其他單位根據(jù)情況，按照計劃預案采取臨時停產(chǎn)、停工、停業(yè)等措施。臺風高影響時段氣象部門領導駐守防汛指揮部，就水庫附近雨量實況與預報、強降水轉(zhuǎn)折起止時間等當面匯報。

4.2.2 決策氣象服務效益

根據(jù)市氣象部門提供的決策氣象服務信息和水庫的承洪能力，政府及水利相關部門提前2～3天進行防洪水利調(diào)度及人員轉(zhuǎn)移（共轉(zhuǎn)移27.9 萬人）等防臺工作部署，最大限度減少臺風造成的災害損失和人員傷亡，保證了人員零死亡。

“利奇馬”影響前，全市大中型水庫水位普遍較低。6日傍晚，市氣象部門發(fā)布了臺風消息，水利部門根據(jù)雨量預報，在水庫水位較低的情況下部署水庫和平原河網(wǎng)的預排預泄。在臺風來臨前，水庫預泄水量0.9 億立方米，共騰出3.87 億立方米的攔洪庫容，平原河網(wǎng)預排0.3 億立方米，最大限度預留防洪庫容，為水庫后繼攔洪削峰打下了基礎，大大減輕了臺風后期的防洪壓力。

9日隨著臺風臨近降雨量增大（圖2），平原河網(wǎng)水位迅速上升，一些城鎮(zhèn)低洼路段、小區(qū)和平原村莊出現(xiàn)明顯積水，9日下午起各大中型水庫開始攔蓄洪水。10日城郊內(nèi)澇愈發(fā)嚴重，主要干道下穿通道大范圍積水，低洼小區(qū)最大積水深度30～50 cm，洞橋鎮(zhèn)部分小區(qū)積水深度達1.5 m，嚴重影響居民生活和交通通行。

10日下午，全市三分之二以上的大中型水庫超汛限水位，一座大型水庫超過歷史最高水位，臺風降雨導致水庫水位還在持續(xù)上漲中（圖2），與此同時下游平原河網(wǎng)已超保證水位，低洼地段受淹嚴重，城區(qū)內(nèi)澇積水已經(jīng)超20小時，位于城區(qū)上游的四座大型水庫調(diào)度成為關鍵。若水庫大流量開閘泄洪，將導致城區(qū)災情不斷加重，同時威脅下游河道堤防的安全；若完全關閘滯洪，如果后期仍持續(xù)較大降雨，水庫水位將超過防洪高水位，一方面可能威脅水庫安全，另一方面為保水庫大壩安全采取大流量開閘下泄，勢必對下游造成災難性后果。所以，之后的降雨量預報成了水庫調(diào)度的關鍵決策因素。在這關鍵節(jié)點，通過對雷達、微雨雷達等探測產(chǎn)品以及智能網(wǎng)格預報產(chǎn)品等的分析，結合上游地區(qū)降雨實況和最近幾個時次本地雨量等綜合研判，得出“主城區(qū)及其上游地區(qū)還有20～30 mm 的降雨量，夜里降雨將逐漸停止”的預報結論。根據(jù)雨量預報結論及水庫承洪能力分析，水利部門做出減小各水庫的下泄流量、主城區(qū)上游兩個大型水庫完全關閘滯洪的決策部署，以減輕下游的防洪壓力。其后，氣象部門開展加密監(jiān)測，逐小時滾動提供雨量實況和雨量預報信息。實況表明預報結論非常準確，后續(xù)主城區(qū)平均雨量在20 mm左右。

圖2 臺風“利奇馬”過程皎口水庫小時雨量（mm）和水位（m）變化

11日隨著臺風強降水結束，河網(wǎng)水位逐漸降低且水情平穩(wěn)，城區(qū)內(nèi)澇點減少至10個以下。11日下午17 時左右在頂洪壓力長達45 小時之后，水庫相繼限流泄洪，將水位降至汛限水位以下。

根據(jù)氣象服務信息和水庫的承洪能力，政府及水利相關部門提前兩天開展防洪水利調(diào)度、人員轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移27.9 萬人）等防臺工作部署，最大限度減少臺風造成的災害損失和人員傷亡，保證了人員零死亡。此外，“利奇馬”臺風氣象服務效益也表現(xiàn)在內(nèi)澇風險減少和水庫蓄水增多等方面。

5 結 論

利用氣象資料、災害資料、寧波地方經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)，采用模糊算法、層次分析法等對“利奇馬”臺風在寧波地區(qū)的影響進行風險和災情評估，“利奇馬”的災害風險評估等級達到1級、特重，為影響寧波臺風的最高等級，甚至比1323 號“菲特”臺風的Ira（0.64）還高。“利奇馬”的直接經(jīng)濟損失50.19 億元，但是實際災情等級為5 級、較輕，遠低于風險評估等級。分析原因，一方面隨著氣象預報預警水平的提高，社會災害防御能力不斷加強，避免了人員死亡、重要堤防決口、重要基礎設施出險等情況的發(fā)生，體現(xiàn)了氣象服務減災效益；另一方面由于社會經(jīng)濟發(fā)展、社會財富增加，雖然直接經(jīng)濟損失絕對值較大，但是直接經(jīng)濟損失率PIEL卻相對較低。

根據(jù)臺風影響直接經(jīng)濟損失、氣象服務水平、政府決策能力和不可避免損失這四個因子，采用逆推算法得到寧波地區(qū)“利奇馬”臺風的氣象服務效益達41.76 億元，占臺風直接經(jīng)濟損失與氣象服務效益之和的45%，可見氣象服務效益顯著。

氣象服務的效益還表現(xiàn)在內(nèi)澇等災害風險減少和水庫蓄水增多等方面，決策氣象服務為臺風前期防御工作總體部署、水利調(diào)度和人員轉(zhuǎn)移等提供科學依據(jù)，也為臺風影響后期關鍵防洪決策提供技術支撐。在泄洪與否的關鍵節(jié)點，政府及水利部門根據(jù)氣象部門準確的預報做出關閘滯洪的決策部署，一方面保障了水庫和下游河道堤防的安全，降低了水利設施損毀的風險；另一方面為城鄉(xiāng)積澇贏得了45 小時的排水時間，有效降低平原河網(wǎng)水位的壓力，減輕了內(nèi)澇災害；最后，準確的預報和合理的水利調(diào)度使得水庫蓄水充足，在之后因降水偏少、氣溫偏高而出現(xiàn)氣象干旱時，有效保障了本地區(qū)的供水安全。