雾灾风险评估与区划方法

邹晨曦，王晓云，王颖，王美双

1.南京信息工程大学遥感学院，南京 210044； 2.中国气象局综合观测司，北京 100089

雾灾风险评估与区划方法

邹晨曦1，王晓云2，王颖1，王美双1

1.南京信息工程大学遥感学院，南京 210044； 2.中国气象局综合观测司，北京 100089

为雾灾风险评估与区划研究需要，在识别雾灾风险的基础上，综合近年来国内外一些专家学者在灾害风险评估方面所取得的研究成果和相关文献资料，借鉴相对成熟的地质灾害及其他气象灾害风险评估和区划的方法及经验，着重介绍了可用于雾灾风险评估的人工神经网络法、灰色关联度法、基于信息扩散理论的评价方法、栅格叠置分析法和层次分析法等，并对各个方法的适用性进行比较分析。

雾灾；风险评估；风险区划

引言

近年来，随着我国交通运输业的快速发展，大雾天气对人们生产生活的影响日趋明显，经常造成人员伤亡、财产损失等灾情，成为一种自然灾害[1]。尤其是低能见度大雾(<200 m)对高速公路的畅通、安全运行造成的危害尤为突出[2]。另外，大雾易对电力传输系统造成损害，形成雾闪效应等，还易引发人体的呼吸系统疾病。

国内外对雾灾的研究取得了大量的成果。目前，国内学者主要针对人工消雾、雾的物理化学特性、雾生消物理过程及其时空分布特征和辐射特性等方面开展了大量的分析和探讨[3-7]；同时，部分学者还构建了雾灾灾害系统模式、灾害链模式和雾灾承灾体脆弱性评价体系和模型，取得了较为显著的成果[8]。但对于大雾在交通运输、空气污染、电网出现“雾闪”短路等对承灾体的影响及其风险评估和区划方面的研究仍鲜见报道。本文借鉴相对成熟的地质灾害及其他气象灾害风险评估的方法和成果，初步探讨雾灾风险评估与区划的方法，旨在推动我国大雾灾害风险评估工作的进一步开展，为政府部门制定相关的预防措施提供技术支撑，为相关的研究提供科学参考。

1 雾灾风险识别

1.1 气象灾害风险的定义

风险概念的首次提出是在经济领域。在自然灾害领域中，联合国人道主义事务部于1991和1992年两次正式公布了自然灾害风险的定义，即风险是在一定区域和给定时段内，由于某一自然灾害而引起的人们生命财产和经济活动的期望损失值[9-10]。其计算方法如公式(1)。

而气象灾害风险可以定义为：气象灾害事件发生的可能性以及由其造成后果的严重程度[11]。灾害风险评估主要是对灾害风险区遭受不同强度灾害的可能性及其受灾后可能造成的损失程度进行定量的分析和评估。应用评估结果，可直观的反映出特定地区、不同灾种的发生规律。

1.2 大雾的等级划分

不同等级的雾日在我国不同区域内的时空分布具有较强局地性，且能见度低、持续时间长的浓雾、重浓雾造成的危害更大。划分雾日等级（表1）对于掌握雾灾发生的规律和客观评价灾情起到重要作用。

根据大雾气象资料普查和灾情调查，当满足下述3个条件时，通常就有灾情出现(航班延误、交通事故等)，因此把出现雾灾的气象条件定义为：

(1)全市有一半以上测站能见度<1 000m(范围)；

(2)部分地区观测到的能见度≤100 m(强度)；

(3)持续时间≥6h(持续时间)。

在实际的雾灾风险评估中，可以根据被评估区域的实际情况来选择制定合适的雾灾等级划分标准，以求评估结果更客观准确。

1.3 雾灾风险评价指标

评价雾灾风险应该考虑致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力等四个因子的综合作用。

雾灾致灾因子危险性是指引发雾灾危险的可能性。其评价要素主要为雾灾发生地点、影响范围、历史发生频次、能见度等级等；孕灾环境敏感度是指在不考虑天气背景的情况下，自然因素对某地区雾灾形成的作用程度[12]。其评价指标包括海岸线指数、河网密度指数、地形地貌指数等等；易损性是指某一承灾体易于遭受自然灾害事件危害的程度，评价指标主要有路网密度、人口密度、人均GDP等；防灾减灾能力主要包括人类对承灾体的恢复和重建能力、政府应急响应能力等，地区的经济发达程度以及基本防灾设施的建设情况，是对防灾减灾能力评价的重要依据。

2 雾灾风险评估的方法

迄今为止，对于如何评价雾灾风险，尽管不少学者和研究机构提出过一些方法，但尚未形成统一的综合评价方法。为此，对目前常用的地质灾害和其他气象灾害的数学评价模型进行介绍，以供相关专业技术人员在今后的雾灾风险评价中加以借鉴。

2.1 人工神经网络法

人工神经网络是20世纪末发展起来的前沿学科，其主要有两种运行方式：一是前向传播，一般由输入层、输出层和若干中间层（隐层）组成。相邻层间有连接权相连，使其具有对应的输入—输出关系。另一种称递归式或演化式，此时输入层与输出层合一，递归运行[13]。通常情况下，解决实际问题应包括以下4个步骤：①根据具体问题建立合适的网络结构；②建立学习样本集和期望输出；③训练网络直至其收敛；④用收敛的网络进行预测。

相对于其他灾害危险性预测评价方法，人工神经网络方法能够在完全不知道变量和自变量间确切的函数关系的情况下较好地实现各参数间的非线性映射，从实例样本中提取特征、获得知识，并使用残缺不全的或模糊随机的信息进行不确定性推理和预测。采用误差反向传播算法（Error Back Propagation，简称BP）的多层前馈网络是迄今为止应用最广泛的神经网络。如成玉祥[14]等结合地质灾害特征，以天水地区为例，运用MATLAB软件，调用newff命令，建立基于BP神经网络的地质灾害风险评估模型，得出天水地区地质灾害风险评估分区图；吕远强[15]等以山西某煤矿矿区建设工程地质灾害危险性预测评估为实例，给出了区域地质灾害危险性预测评价的人工神经网络模型，并详细介绍了建模过程。结果表明，神经网络具有自身调节连接权值的优点，运用该方法对区域地质灾害危险性预测评价相对于常用方法更准确、可靠，是一种较为理想的地质灾害风险评估方法。

人工神经网络模型具有很强的通用性，根据选定的灾害风险度分级标准和风险评估指标可比较方便地建立相应的人工神经网络模型。所以，人工神经网络法为雾灾风险评估提供了新的思路和方法，有较好的应用前景和较大的推广价值。

2.2 灰色关联度法

关联度是事物之间、因素之间关联性的量度。依据灰色关联分析方法，分别建立参考序列U0和比较序列Ui，然后计算参考序列U0和比较序列Ui的第j项指标的绝对差值。绝对差值越大，说明该单项指标与参考序列中同项指标的距离越大，则关联系数越小，反之亦然。

表1 大雾能见度等级划分

在自然灾害风险分析过程中，假设选择了m项指标，则有m项指标的关联系数集中体现在一个值上，这个数值即为关联度。它是比较序列与参考序列中各项指标关联系数总和之平均值，反映比较序列与参考序列的关联(接近)程度。关联度越大，则说明灾情越重；反之，说明灾情越轻。可以通过关联度的取值进行各区域灾害等级划分，并根据灾害关联度从大到小的排序，即关联度序，得到各区域单元灾情轻重的比较关系。例如陈亚宁[16]等以新疆“96.7”洪水灾害灾情评估为例进行实例分析，建立灰色关联灾情评估模型，计算得出了新疆“96.7”洪水灾害中部分地州市灾害等级的归属及其等级序列。结果表明：应用灰色关联灾情评估模型进行自然灾害灾度等级划分，既避免了人为的主观任意性，又能够很好地与实际相吻合。

在雾灾风险评价方面，已经有人尝试使用了灰色关联度法，并取得了较好的效果。如张姝丽[17]等基于北京地区最近20年大雾天气的观测数据和对大雾天气衍生的灾情调查数据，应用灰色关联度方法，对大雾的灾情评估指标、灾害等级划分等进行分析，建立了评估模型，并对22个雾灾个例进行了评估。结果表明，灰色关联度方法具有计算量较小、不要求样本数量和服从一定分布规律的特点，是一种使用简便、可行性强的定性分析与定量估算相结合的雾灾风险评估方法。

2.3 基于信息扩散理论的评价方法

信息扩散是为了弥补信息不足而考虑优化利用样本模糊信息的一种对样本进行集值化的模糊数学处理方法，该方法可以将一个有观测值的样本，变成一个模糊集，即将单值样本，变成集值样本，其中最简单的模型是正态扩散模型。

在气象灾害风险评估时，经常出现样本较少，提供给我们认识风险的内容有限、不完备，使分析结果与实际的灾害风险差别很大，信息扩散法较好地解决了样本少这个问题。该方法在各种气象灾害的风险评估中得到了较多的应用。如刘家福[18]等在获取了中国在1988-2007年发生的洪水灾害次数、人口死亡数和洪水灾害经济损失三个统计指标的基础上，根据信息扩散理论，利用一维线性信息扩散模型将单一的样本观测值变为集值样本，进行洪水灾害风险分析，定量地评价了中国水灾风险；刘引鸽[19]等研究了以灾害样本为集值的基于信息扩散的模糊数学理论模型的气象灾害风险评价方法，利用西北五省区主要农作物旱灾面积资料，对西北农业旱灾进行风险评价分析，通过比较表明西北农业受旱指数、成灾指数发生灾损的概率风险估计值与实际农业旱灾较吻合。

信息扩散法对于发展研究小样本集的风险分析方法有重要应用价值，但就目前运用此方法进行灾害风险评估的结果来看，还有待进一步改进，特别是扩散系数的选取只是理论研究值，对于年限更长一些的资料，需要对扩散系数作修正，以保证估计概率值更接近于实际发生值。基于信息扩散理论的雾灾风险评估实例还鲜见报道，但根据该方法的原理与其在其他灾害风险评估中的应用情况，可以在今后的雾灾风险评估工作中进行尝试。

2.4 栅格叠置分析法

自然灾害风险性评价与地理空间数据和属性数据关系密切，所以其与GIS的有机结合成为必然的趋势。应用GIS技术进行数据管理、多源数据采集、数字化输入和绘图输出，建立数字高程模型、数字地面模型以及GIS结合灾害评价模型的扩展分析等，逐步发展并深入应用[20]。在ARCGIS的平台上，利用其空间叠加、分析、图斑合并以及属性数据库操作等功能，可以实现对评估区域的灾害风险进行评价并划分出风险等级，完成风险区划，区划结果具体直观，一目了然。

例如张克中[21]等利用德清及其周边的常规站、自动站的气象要素资料，历史灾情数据资料，结合孕灾环境数据，先将德清县划分出1000乘以1000m的格网，将所有的数据落实到格网上进行处理。指标数据网格化后，设定各自权重，根据GIS的图层叠置法，经过三次样条函数插值得到100乘以100m网格距的栅格分布图。对德清县境内台风、洪涝、雷电、低温冻害、地质灾害等13种气象灾害以及气象次生灾害进行风险分析并得到风险区划图和气象灾害综合风险区划图，对当地的防灾减灾工作具有重要指导意义。

应用栅格叠置分析法来评价雾灾风险已有先例，如扈海波[22]等，运用GIS软件，在研究区域范围内划分一定大小的正方形网格单元。通过选用多年的大雾观测资料，分析大雾的年月际的变化情况，并根据每个测站的年平均大雾日数，做出大雾在城市地区的年平均日数分布图，年平均日数值内插到每个评估网格单元，每个网格单元内的年平均日数与最大年平均日数的比值作为网格区域内可产生雾灾的危险性指数。

2.5 层次分析法

层次分析法是对较为复杂、较为模糊的问题做出决策的简易方法。可以按评估因素和各因素间的相互关系把参与评估的指标进行分层，建立一种分析结构，使指标体系条理化，从而达到评估的目的。同时，还可以在每一层次中按已确定的准则对该元素进行相对重要性的判别，并辅之以一致性检验以保证评价人的思维判断的符实性。基本步骤为：(1)建立层次结构模型；(2)建立判断矩阵；(3)由判断矩阵计算各指标相对权重值；(4)对判断矩阵进行一致性检验。

层次分析法是气象灾害风险评估的常用方法，如扈海波[23]等选用北京地区近10年的雷电监测资料，利用层次分析模型，以灾害历史发生频次、人口密度和人均GDP等作为评估的主要指标， 以此建立雷电灾害风险评估方程(2)。

式中：W为风险评估指数，m为风险评估指标总数，R(j)为各评估指标的权重值，X(i,j)为指标的归一化指数值。计算得出的风险估算值变化与该地区近10年中实际的雷电灾害发生频次的区县间的变化趋势大体一致。李春梅[24]等利用1949～2003年登陆和严重影响广东省的热带气旋的特征参数、气象资料和灾情损失等资料，对参与评估的指标分4个亚评估指标和17个单项评估分指标，建立并应用“热带气旋综合影响指数”对热带气旋灾害的影响程度进行分级评判，做出了热带气旋灾害影响的预评估。

层次分析法原理简单易于应用，但同时也存在不足，例如当评价对象、因素比较多时，运用该方法结果会有所偏差。因此，通常将层次分析法与其他方法结合起来应用，可以将评价问题做得更科学、合理、可行。

3 展望

从雾灾风险评估与区划的研究现状来看，要真正发挥其在城市规划建设、道路运营与管理和防灾减灾决策等领域的作用，无论是在理论研究方面还是在业务应用方面，还有很多技术问题需要研究、一些具体工作需要跟进。研究和工作的重点应主要集中在以下三个方面。

(1)国内的雾灾风险评估与区划研究应用工作起步较晚，其相关的理论和技术还很不成熟。尽管国内外专家学者在做了大量工作，也取得一些成果，但可操作性强的雾灾风险评估与区划系统还较少。从这项工作的实际开展来看，提高雾灾风险评估与区划水平，需要解决的问题很多，为此，一方面要加强雾灾形成机理的研究，为风险评估工作提供可靠的依据；另一方面要不断总结、提炼、完善前人的评价与分析方法，力求评估具有科学性和合理性，并建立起统一的、操作性强、适用面广的雾灾风险评估体系。

(2)对于现有的雾灾风险评估方法，包括可借鉴的地质灾害和其他气象灾害风险评估的方法还存在很多需要完善之处。可以考虑在雾灾风险评估中同时采用多种方法，促进灾害评价定性与定量紧密结合。例如，金菊良[27]等提出用BP算法与遗传算法交替优化BP神经网络参数的新方法——BPAGA混合算法，不仅加快了BP网络的收敛速度，同时可改善局部最小问题，并在洪水灾害承灾体易损性建模中得到成功应用；又如将层次分析法与熵技术结合起来,可以一定程度上提高层次分析法的评价质量[25]；另外，GIS与神经网络等多种方法结合来进行风险评估也已被成功运用。

(3)灾害风险评估较依赖于数据的获得与处理分析，而这也是风险评估工作的基础。大雾对交通运输业特别是对高速公路和机场航班的影响评价是雾灾风险评估中极其重要的一部分，而普通的气象站点的观测数据可能对于高速公路和机场的实际情况来说并不具有代表性和说服力，因此获得高速公路沿途和机场周边的气象观测资料极其必要。近几年，少数地区建立了高速公路自动气象观测站，如沪宁高速、胶州湾高速等。自动气象站所采集的气温、风向、风速、降水、能见度、湿度等要素，为交通气象预报与风险评价提供及时、准确的资料，也为避险救灾提供可靠的参考依据。在全国范围内大力加强交通气象综合观测系统的建设将是一个必然的趋势。

借鉴前人的研究成果，整合各种方法来取长补短，寻求一种更简便可行、结果可靠的雾灾风险评估方法，还是一个有待长期研究的课题。

[1] 王志强, 王静爱. 关于雾灾几个相关问题的探讨[J]. 自然灾害学报.2004, 13(2): 134-139

[2] 冯民学, 袁成松, 卞光辉, 等. 沪宁高速公路无锡段春季浓雾的实时监测和若干特征[J]. 气象科学. 2003,23(4): 435-445

[3] 李子华. 辐射雾发展的爆发性特征[J]. 大气科学. 1999, 23(5): 623-631

[4] 李子华,等. 西南地区和长江下游雾的时空分布和物理结构[J]. 地理学报. 1992, 47(3): 242-251

[5] 李子华. 中国近40年来雾的研究[J]. 气象学报. 2001,59(5): 616-623

[6] 王丽萍,等. 中国雾区的分布及其季节变化[J]. 地理学报. 2005, 60(4): 689-697

[7] 刘小宁, 张洪政, 李庆祥, 等. 我国大雾的气候特征及变化初步解释[J]. 应用气象学报. 2005, 16(2):221-230

[8] 王志强, 王静爱. 关于雾灾几个相关问题的探讨[J]. 自然灾害学报.2004, 13(2): 134-139

[9] United Nations Department of Humanitarian Affairs Mitigating Natural Disasters: Phenomena,Effects and Options-AManual for Policy Makers and Planners[M].New York:United Nations, 1991, 1-164

[10] United Nations Department of Humanitarian Affairs [J]. Internationally Agreed Glossary of Basic Terms Related to Disaster Management, DNA/93 /96,Geneva, 1992.

[11] 刘小艳, 孙娴, 杜继稳, 等. 气象灾害风险评估研究进展[J]. 江西农业学报.2009, 21(8): 123-125

[12] 扈海波, 董鹏捷, 熊亚军, 等.北京奥运期间冰雹灾害风险评估[J].气象. 2008, 34(12): 85-89

[13] 李祚泳, 汪嘉杨, 熊建秋, 等.可持续发展评价模型与应用[M]. 四川: 科学出版社. 2007. 213-239

[14] 成玉祥, 任春林, 张骏. 基于BP神经网络的地质灾害风险评估方法探讨——以天水地区为例[J]. 中国地质灾害与防治学报. 2008,19(2), 100-104

[15] 吕远强, 林杜军, 罗伟强. 基于人工神经网络的区域地质灾害危险性预测评价[J]. 中国地质灾害与防治学报. 2007,18(1): 95—98, 114

[16] 陈亚宁, 杨思全. 自然灾害的灰色关联灾情评估模型及应用研究[J].地理科学进展. 1999, 18(2): 159-162

[17] 张姝丽, 丁德平, 付治龙, 等.灰色关联度在北京地区雾灾评估中的应用[J]. 灾害学. 2008(3): 54-56,61

[18] 刘家福, 梁雨华. 基于信息扩散理论的洪水灾害风险分析. 吉林师范大学学报(自然科 学版[J]. 2009(3),78-80

[19] 刘引鸽, 缪启龙, 高庆九. 基于信息扩散理论的气象灾害风险评价方法[J]. 气象科学. 2005, 25(1): 85-89

[20] 朱良峰, 殷坤龙, 张梁, 等. 地质灾害风险分析与GIS技术应用研究[J]. 地理学与国土研究. 2002, 18(4): 10-13

[21] 张克中, 顾丽华, 万奎, 等. 德清县气象灾害风险区划技术方法研究及其应用[A]. 第26届中国气象学会年会公共气象服务与灾害管理分会场论文集[C] . 2009

[22] 扈海波, 熊亚军, 张姝丽. 北京地区大雾灾害风险评估[R]. 第26届中国气象学会年会气象灾害与社会和谐分会场论文集[A]. 2009

[23] 扈海波, 王迎春, 熊亚军. 基于层次分析模型的北京雷电灾害风险评估[J]. 自然灾害学报. 2010, 19(1):104-109

[24] 李春梅, 罗晓玲, 刘锦銮, 等.层次分析法在热带气旋灾害影响评估模式中的应用[J]. 热带气象学报.2006, 22(3): 223-228

[25] 金菊良, 魏一鸣, 杨晓华. 基于遗传算法的神经网络及其在洪水灾害承灾体易损性建模中的应用[J]. 自然灾害学报. 1998, 7(2): 53-60

中国科协与学会负责人相约恳谈 共谋学会发展大计

1月21日，中国科协全国学会负责人恳谈会在中国科技会堂举行。中国科协书记处书记、党组成员冯长根同志就学会工作与学会负责人进行深入探讨。会议由中国科协学会学术部副部长朱雪芬同志主持。中国纺织工程学会理事长孙瑞哲，副理事长王竹林、施楣梧，秘书长龚进礼等学会主要负责同志受邀到会，中国科协学会学术部有关同志参加了会议。

中国纺织工程学会理事长孙瑞哲向冯长根书记介绍了学会一年来在学术交流、科技评价、社会服务及自身建设等方面取得的成绩，总结了学会工作的成功经验。中国纺织工程学会在近几年发展势头良好，在中国科协学会创新发展示范项目支持下，积极组织建立了纺织科技人才服务战略联盟，以提高科技人才素质、促进科技人才成长、满足行业发展对科技人才的需求为目的，在促进纺织行业人才培养、鼓励相关学科技术创新、加快科技与产业相结合等方面起到积极的作用。学会负责人还就学会发展中的问题与学会学术部负责同志进行了探讨。

冯长根指出，学会应该充分发挥在行业内的决策咨询作用，重视自身研究能力的建设，积极推进学会思想库建设，创建隶属于学会的实体性研究机构。依靠以招聘等形式建起的专业研究队伍，既可以承担产业宏观规模的大型综合性质的战略项目，也可以研究学科前沿的具体科研项目，全面提升学会为经济社会发展服务，为提高全民科学素质服务，为科学技术工作者服务的能力。

此次恳谈会是按照书记处领导同志的指示举办的，以全面了解全国学会发展现状、深入剖析学会在运行发展中的问题、加强科协与学会高层负责人的沟通为会议目的，会议进一步创新了业务主管单位与学会负责人之间的交流形式，加深了彼此的了解。今后中国科协学会学术部还将继续以多种形式加强与所属各全国学会的交流和协作。

“十一五”863计划生物和医药技术领域专题课题验收会在北京召开

2月23-24日，“十一五”863计划生物和医药技术领域专题课题验收会在北京召开。本次会议对2007-2008年立项的“基因操作和蛋白质工程技术”、“新一代工业生物技术”、“生物信息与生物计算技术”和“现代医学技术”四个专题的全部课题进行技术验收。科技部生物中心马宏建副主任、安道昌副主任以及社发司、计划司的有关领导参加了会议。

本次课题验收工作共邀请包括领域专家、同行技术专家在内的约60位专家，按照任务书中规定的任务和目标、课题进展及任务完成情况、主要成果及应用、课题经费使用、固定资产购置等几个方面进行了检查。检查共分为7个小组，22个省（或直辖市）的近130家单位参加此次课题验收。

“十一五”国家科技支撑计划“跨海特大跨径钢箱梁悬索桥关键技术研究及工程示范”项目通过验收

近日，科技部高新司组织专家在舟山市召开了“十一五”国家科技支撑计划项目“跨海特大跨径钢箱梁悬索桥关键技术研究及工程示范”的验收会。该项目由交通运输部作为组织部门，有14个单位参与共同完成。

该项目主要针对跨海特大跨径悬索桥的建设，重点开展了结构体系与抗风性能、关键材料与施工控制关键技术、建设管养技术等方面的研究与应用示范攻关。验收专家组听取了项目承担单位关于项目研究的相关汇报，审阅了相关资料，视察了依托工程现场。

专家认为项目研究形成的海洋环境特大跨径钢箱梁悬索桥勘察设计、抗风、关键材料、施工、结构监测、养护管理等建设核心技术，体现了当代桥梁的最新建设理念，支撑了世界最大跨度钢箱梁悬索桥-西堠门大桥的安全、优质和高效建成，并在行业标准规范和多座大跨径悬索桥梁建设中得到了推广应用，对于现代桥梁技术发展具有重要的推动作用，社会和经济效益显著，项目主要创新成果达到国际领先水平。验收专家组同意该项目通过验收。

通过本项目研究共总结技术报告98篇，出版专著7部，研发大跨径悬索桥设计、施工分析软件7套，发表论文120篇，开发新产品4项，取得专利26项，其中发明专利9项，取得工艺、工法6项，形成生产线2条，编制标准、指南13部，培养了一批桥梁建设高科技人才。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.007

国家科技支撑计划课题（2008BAK50B02）；国家自然科学基金项目（40901297）

邹晨曦（1985-），女，辽宁鞍山人，硕士研究生，主要研究方向为气象灾害风险评估。