自然灾害趋势判断模型与效果检验

刘永林，延军平

（陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710119）

自然灾害趋势判断模型与效果检验

刘永林，延军平＊

（陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710119）

结合定量和定性方法，建立了自然灾害趋势判断效果评价指标，检验对称性及可公度方法用于自然灾害趋势判断的效果。结果表明，地震、旱涝灾害及雪灾趋势判断准确率分别是61.5%、65%、60%，其中，涝（洪）灾准确率达87.5%。该研究为检验趋势判断模型提供了依据，可规范和提高自然灾害趋势判断研究水平。

对称性；可公度；趋势判断；模型；效果检验；自然灾害

自然灾害风险评价、趋势判断、预测与预报是自然灾害研究的四个不同阶段。风险评价主要是对可能发生的灾害进行损失程度预评估，具有一定的警示意义；趋势判断是在时空结构分析的基础上，判断自然灾害发生的时空趋势，为进一步预测预报提供参考；灾害预测是专业部门通过监测事实寻找自然灾害发生信号，为灾害预报提供科学依据；灾害预报则是国家行政机构根据预测意见，向社会发布自然灾害的预报结果，引导社会预防和减少灾害损失。前两项主要为学者们的研究工作，后两项主要为专业职能部门的工作任务。不断提高灾害趋势判断水平，有助于逐步实现自然灾害预测预报。

2014年4月2日，智利西北部附近海域发生里氏8.2级地震，并引发海啸、滑坡等并发灾害，该地震造成多人死亡，需要疏散90余万人。靳俊芳等［1］应用对称性及可公度方法对智利Ms≥8.0地震进行趋势判断，指出2014年智利可能发生8.0级以上地震，并得以验证。为了完善和检验对称性及可公度方法在自然灾害趋势判断中的应用，本文将对其进行讨论和分析。

自然灾害趋势判断，即对自然灾害时间、空间、强度进行分析，判断未来1～10年自然灾害发生的可能性。翁文波院士把可公度方法应用于预测科学［2－3］，成功预测1982年华北干旱、1991年长江流域洪水和1992年美国加州地震等，被誉为“当代预测宗师”［4］。对称性及可公度方法被广泛应用于自然灾害、矿产勘探、ENSO事件及航空、股市等领域的趋势判断［5－19］。延军平教授对自然灾害时空对称性结构进行了系统的探索，通过大量区域灾害事实分析，提取灾害对称性结构的信息，由表及里逼近灾害发生的对称性物理机理，提高重大自然灾害的趋势判断水平，开辟了灾害综合研究的重要途径［20］。

本文在集成自然灾害趋势判断模型的基础上，提出对称性及可公度方法的自然灾害趋势判断评价方法，并进行自然灾害趋势判断研究案例的效果检验。

1 自然灾害趋势判断模型

自然灾害趋势判断模型主要包含7个模块：可公度计算分析、蝴蝶结构分析、可公度结构系分析、灾害期分析、空间迁移分析、空间对称性结构分析以及对称性相关机理分析。

1.1 可公度计算分析

以三元可公度计算为主要判断标准，四元可公度和五元可公度计算作为辅助参考，用以确定可能发生年份。

三元可公度公式：Xd＝Xa+Xb－Xc，其中d＝a+b－c。

四元可公度公式：Xi＝Xj+ΔX，ΔX＝Xa+ Xb－Xc－Xd，其中a+b＝c+d，Xi为预测年份，Xj为最后一次实际发生年份。

五元可公度公式：Xf＝Xa+Xb+Xc－Xd－Xe，其中f＝a+b+c－d－e。

以菲律宾Ms≥7地震［21］为例，记已经发生事件Xi＝｛x1，x2，…，x17｝＝｛1968，1970，1972，1973，1975，1976，1977，1982，1989，1990，1992，1994，1995，1999，2001，2002，2012｝，其中，1970年发生3次，1972年、1990年发生2次；下一次可能发生事件为X18。

根据上述可公度计算公式分别进行三元、四元、五元可公度计算，得出：

三元：2013年8组，2014年10组；四元：2013年67组，2014年42组；五元：2013年179组，2014年142组。

1.2 蝴蝶结构分析

构建具有时间对称性特点的2组以上“蝴蝶结构图”，确定预测年份，分析预测结果的随机性概率和不漏报的置信水平（见图1）［22］。

图1 蝴蝶结构图Fig.1 The butterfly structure

蝴蝶结构随机性概率：T＝M／N，不漏报置信水平为：（1－α）＝M（N+1）［22］。2013年和2014年随机性概率T分别为47.1%、58.8%，不漏报置信水平为44.4%、55.6%。

1.3 灾害期分析

灾害期分析就是根据已发生事件年份的间隔时间段进行活跃期及平静期划分，用以进一步确定可能发生年份。从图1可得出，1903—1943年为40a的活跃期，1943—1992年为49a的平静期，1992—2012年期间为活跃期，持续时间为20a，而判断年份为2013年和2014年，若判断年份正确，则活跃期增加至21或22a，而前活跃期可持续40a，因此，活跃期仍有可能持续至2013年或2014年。

1.4 可公度结构系分析

构建时间可公度结构系（见图2）［22］，通过该结构提示的韵律，进一步推测下次灾害可能发生的年份。

图2 时间可公度结构系Fig.2 The temporal commensurability structure

1.5 空间迁移分析

构建空间迁移图，判断灾害可能发生的经度和纬度区域。由图3得出，下一次灾害事件可能在148°E以东、43°N以北，即向东北方向迁移［8］。

图3 空间迁移图Fig.3 The graph of spatial transition

1.6 空间对称性分析

构建空间对称性结构图（见图4）［21］，确定可供参考的未来空间趋势。根据前期研究经验，以三角形、四边形结构的效果更好。

图4 空间对称性图Fig.4 The graph of spatial symmetry structure

1.7 对称性相关机理分析

结合太阳活动、地球自转速度、潮汐、构造应力、ENSO、大气环流等相关因素，进行自然灾害对称性相关机理分析，进一步确定灾害可能发生年份及区域。

2 地震趋势判断效果检验

本研究检验评价对象是延军平教授研究团队近十多年关于地震、旱涝灾害、雪灾等自然灾害趋势判断研究的全部成果。

地震检验资料来源于中国地震台网，旱涝和雪灾检验资料来源于有关政府部门文件及权威新闻报道。

2.1 地震趋势判断效果评价方法

地震趋势判断效果评价指标：时间允许误差为±0.5a，震级允许误差为－0.5级，震中允许误差为ri（见表1）。趋势判断的时间、震级和震中三者任一要素超出允许误差或任意两者存在误差则认为其错误，反之则认为其准确，若三者均无误差则认为其完全准确。

表1 震中允许误差范围Tab.1 The allowed error range of epicenter

震中允许误差范围应与震级成正相关关系。王绳祖［23］指出鉴于先发地震与后继地震之间同时存在着时间相关性和空间相关性，先发地震因能量消耗而形成的限制后继地震发生的时空范围即地震时空影响域。可公度趋势判断是根据先发地震的时空对称性来寻求后发地震的时空分布信号，可以把后发地震发生在影响域范围内则认定其与先发地震存在先后关系，即该后发地震对判断区域存在影响。因此，震中允许误差范围可参考影响域建立评价指标。

地震趋势判断区域一般为省级区域或省级区域以上。以四川省为例，四川省面积约48.4万km2，以雅安市为四川省圆心，半径约400km，记为r，若判断四川省某年将有发生7.0≤Ms＜7.5地震，地震允许误差范围为160km，记为0.4r。若地震发生在距雅安560km范围内，则认为该次判断准确。

2.2 地震趋势判断效果检验

地震趋势判断检验案例来源于前期研究成果，共13个（见表2），准确案例共8个，其中，完全准确案例共5个，准确但时间、震中或震级存在（允许误差范围内）误差的案例共3个。总体准确率为61.5%，其中完全准确率为38.5%。由此可得，对称性及可公度方法应用于地震趋势判断中，寻求时空、震中、震级的预警信号取得较高的准确率。

表2 地震趋势判断效果检验Tab.2 Effect test about the trend judgment of earthquake

3 旱涝灾害趋势判断效果检验

3.1 旱涝灾害趋势判断效果评价指标

旱涝等级划分标准多样，验证工作量大。旱涝等级划分标准主要有：Z指数、降水距平百分率、相对湿润度指数、标准化降水指数、土壤相对湿度干旱指数、帕默尔干旱指数、综合气象干旱指数［27］以及专家学者对其修正改进的指数。各种划分标准在不同地区应用时，需要给予修正，并且专家学者进行旱涝等级划分时所使用的指数并不统一，因此，若分别使用与各个案例相同的划分标准进行验证和评价，则容易造成评价标准不统一且工作量过大的问题。

旱涝灾害趋势评价指标应该与实际发生情况相结合。各种旱涝等级划分标准一般是基于大量气象、土壤等数据进行数理统计分析而得出的判断结果，但往往与实际发生事件有所差别。

旱涝灾害的发生时间是一个时间段，并不具有地震的瞬时性。旱涝灾害的表现形式往往是在某区域范围内的降水或湿润度等由正常向过少或过多逐渐变化的过程，最终导致区域发生干旱或涝（洪）灾而影响生产生活。

旱涝灾害趋势判断评价指标和检验资料可使用国家防汛抗旱总指挥部及各省下设的防汛抗旱指挥部有关通报文件。防汛抗旱指挥部对各地实际发生的旱涝灾害基本能实现预警及灾情通报，且作为国家主要负责机构，其灾情通报文件具有参考性和权威性。

此外，少数旱涝灾害因小地区、灾情轻、监测条件未完善等原因，防汛抗旱指挥部并未发出灾情通报文件，鉴于此种情况，可适当采用政府有关部门（如中国民政部、国家减灾委员会及地方下设减灾委员会、中国气象局、各省气象部门等）通报文件以及权威新闻报道等多方结合作为评价指标和检验资料。

3.2 旱涝灾害趋势判断效果检验

旱涝灾害趋势判断检验案例来源于前期研究成果，共20个（见表3），其中，旱灾案例共12个，涝（洪）灾共8个。准确案例共13个，准确率为65%；旱灾准确案例共6个，准确率为50%；涝（洪）灾准确案例共7个，准确率为87.5%。由此可得，对称性及可公度方法应用于旱涝灾害趋势判断的准确率较高，并且应用于涝（洪）灾趋势判断准确率高于旱灾。

表3 旱涝灾害趋势判断效果检验Tab.3 Effect test about the trend judgment of drought and flood disaster

4 雪灾趋势判断效果检验

4.1 雪灾趋势判断效果评价指标

我国雪灾等级划分标准主要依据《牧区雪灾等级》和《城市雪灾等级》。《牧区雪灾等级》一般按积雪掩埋牧草程度与积雪持续天数相结合、积雪面积比作为雪灾等级划分标准，适用范围仅限于牧区；《城市雪灾等级》则按24h降雪量或积雪深度、瞬时风力等级进行划分，具有适用范围广、工作量少、标准定量且易于操作、评价指标统一的优点，因此，基于《城市雪灾等级》作进一步简化，用24h降雪量和积雪深度作为雪灾趋势判断的定量化评价指标（见表4）。

表4 雪灾趋势判断评价指标Tab.4 Evaluation index of the trend judgment of snow disaster

4.2 雪灾趋势判断效果检验

雪灾趋势判断检验案例来源于前期研究成果，共5个（见表5），准确案例共3个，准确率为60%。由此可得，对称性及可公度方法应用于雪灾趋势判断也能取得较高的准确率。

表5 雪灾趋势判断效果检验Tab.5 Effect test of the trend judgment of snow disaster

5 自然灾害趋势判断区域特征

为了检验自然灾害趋势判断效果，有必要对我国地震、旱涝灾害和雪灾趋势判断效果的区域特征进行分析。根据上述检验结果可以得出中国自然灾害趋势判断区域特征（见图5）。

图5 中国自然灾害趋势判断区域特征Fig.5 Regional characteristics of the trend judgment of natural disasters in China

从整体上看，自然灾害趋势判断效果较好的区域多集中于西北和西南地区。

从区域结构分析，西南地区的旱灾、地震趋势判断效果较好，西北地区的地震、雪灾趋势判断效果较好，华中、华东及华东地区则是涝灾趋势判断效果较好，而东北地区自然灾害趋势判断效果不理想。

从灾害类型分析，涝灾趋势判断在100～120°E、30～40°N区域的效果好，而旱灾趋势判断主要适用于云南、四川和贵州，35°N以北效果不理想；雪灾趋势判断在40°N以北的高纬度地区所取得的效果优于青藏高原；地震趋势判断则是更适用于西南和西北地区，准确率分别为66.7%、60%。

6 结论

自然灾害风险评价、趋势判断、预测与预报是自然灾害研究的不同阶段，不断提高灾害趋势判断水平，有助于逐步实现自然灾害的预测预报。本研究建立了自然灾害趋势判断模型并进行了效果检验，旨在规范对称性及可公度自然灾害趋势判断研究方法，促进自然灾害趋势研究向预测预报转变。

（1）自然灾害趋势判断模型是一个系统的趋势判断模型集成，主要包含七个模块：可公度计算分析、蝴蝶结构分析、可公度结构系分析、灾害期分析、空间迁移分析、空间对称性结构分析以及对称性相关机理分析；

（2）构建了地震、旱涝灾害及雪灾趋势判断评价指标。地震和雪灾趋势判断可用明确的定量化效果评价指标，而旱涝灾害则需要用定性与定量相结合作为评价指标。

（3）地震、旱涝灾害及雪灾趋势判断均取得较高的准确率，分别为61.5%、65%、60%，且涝（洪）灾准确率最高，为87.5%。

（4）自然灾害趋势判断的区域适用性有所差异。涝灾趋势判断在100～120°E、30～40°N区域的效果好，而旱灾趋势判断主要适用于云南、四川和贵州；雪灾趋势判断在40°N以北的高纬度地区所取得的效果优于青藏高原；地震趋势判断则是更适用于西南和西北地区，且西南地区准确率稍高于西北地区。

该研究完善了对自然灾害时空规律的认识，建立了自然灾害趋势判断模型，客观评价了对称性及可公度方法在自然灾害趋势判断中的实际效果，既是对以往研究工作的初步检验，更有助于规范今后的研究工作，并可促进趋势判断向预测预报的转变。

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〔责任编辑 程琴娟〕

The model and effect test about the trend judgment of natural disasters

LIU Yonglin，YAN Junping＊
（School of Tourism and Environment Sciences，Shaanxi Normal University，Xi′an 710119，Shaanxi，China）

In order to test the effect of symmetry and commensurability that apply to judging the trend of natural disasters，the objective effect evaluation indexes about the trend judgement of natural disasters were established through combining quantitative method and qualitative method. The results show that the judgment accuracy of earthquake，drought and flood disaster，and snow disaster is 61.5%，65%and 60%respectively.Among them，the judgment accuracy of flood disaster reaches 87.5%.The study provides the evaluation basis for testing the trend judgment，and it can regulate and promote the trend research level about natural disasters.

symmetry；commensurability；trend judgment；model；effect test；natural disaster

P954；X4

：A

1672－4291（2015）05－0096－07

10.15983／j.cnki.jsnu.2015.05.454

2014－11－07

国家自然科学基金（41171090）

刘永林，男，硕士研究生，研究方向为全球变化与区域灾害防治。E－mail：yorlinliu＠163.com

＊通信作者：延军平，男，教授，博士生导师。E－mail：yanjp＠snnu.edu.cn