融入风险评价元素的气象灾害预警体系构建

王 炜

(天津市气象科学研究所，天津 300074)



融入风险评价元素的气象灾害预警体系构建

王 炜

(天津市气象科学研究所，天津 300074)

优良的气象灾害防御体系是减轻气象灾害损失的重要保障。利用具有风险评价功能的新预警系统理论，构建了新型气象灾害预警系统的概念结构。基于这个概念结构，构建了气象预警能力评价方法和天气预报响应风险评价方法。这两个方法阐明了气象预警和天气预报在气象灾害风险防范中的作用，并且定量地表明气象预警系统中的气象灾害风险分析与气象预警能力的关系。

气象灾害；天气预报；预警系统；风险评价；风险管理

气象灾害是我国的主要自然灾害,每年给人民生命财产安全和国家财富造成了巨大损失。在全球气候变暖背景下，极端天气气候事件发生的不确定性和发生频率不断增加，气象灾害防御压力越来越大。最大限度地减轻灾害造成的损失和危害，促进经济持续稳定增长，已成为当今世界面临的一个极为紧迫和严峻的课题。

灾害预警是减少自然灾害的重要环节，有助于增强人类应对自然灾害的承受能力。因此，新型的自然灾害预警系统包含了灾害风险的内容[1]。从风险管理角度看，社会面临的灾害风险主要由所在地的孕灾环境、致灾因子及其本身对灾害的脆弱性、恢复性与适应性水平所确定[2]。随着人们对灾害研究的不断深入和对灾害风险管理的日益重视，气象灾害风险评价与管理的作用显得越来越重要。目前，气象灾害风险评估技术重视单灾种的风险评价，如DAVIDSON等和GROTHMANN等分别将台风和洪涝灾害的风险评估作为气象灾害风险评估的主要研究对象[3-4]；王炜等开展了冰雹致灾因子相对汽车承灾体的风险建模与评估[5]；ANDREY等认为天气过程是交通运输的一种慢性灾害[6]。气象灾害风险评估与管理不仅是实行灾害预测、制定防治对策和实施防治措施的基础，而且对政府的辅助决策具有重要意义[7-8]。目前，我国需要建立包含气象灾害监测预警、风险评估和应急管理的决策系统，重点是建立气象灾害风险评价体系、评价方法与模型[9]。然而，针对气象预警系统风险评价和天气预报应用风险评价技术的研究鲜有报道。

笔者从新型气象现代化预警系统构成着手，构建气象灾害预警系统风险评价方法和天气预报应用风险评价技术，以期正确地认识气象预报在自然灾害预防和救助中的作用。

1 预警系统理论

1.1 预警和预警系统的概念

预警是应对气象灾害的主要手段。联合国减灾署对预警定义为：由专门的机构提供及时和有效的信息，使得处在危险中的个人或组织迅速采取行动以避免或减少风险，并准备有效地应对。气象灾害的预警就是对即将发生的灾难进行的紧急警告，既包括对可能来临的热带风暴、洪水等灾害发出的紧急警告，也包括对一段时间后由此灾害可能引起的饥荒等次生灾害发出的预期警告。国际上预警原则的核心思想是当存在不确定风险时就应该采取预防行动。

预警系统则是预警的技术保障，是指某一组织为了能在突发公共事件危机发生前，能尽早地发现突发公共事件危机的来临，建立一套能感应突发公共事件危机来临的信号，并判断这些信号与突发公共事件之间关系的系统。虽然，在过去的几十年中，气象灾害预警系统的硬件水平有了很大的提高，但是，在气象灾害预警机制中忽略了灾害防御中的风险评价与风险管理功能。

1.2 国际上新型的预警系统要素

21世纪初，联合国国际减灾战略在分析总结全球各类预警的成效后提出了新预警系统构成。新预警系统有4个关键要素，即风险知识、监测与警示服务、分发和通信、应急响应。该新型预警系统的关键点是在预警系统中加入了风险知识的内容，为气象灾害预警系统建设提供了新思路。

2 气象灾害预警中风险分析的作用

在现有气象灾害预警系统中，对灾害风险分析的重视程度低。如果在气象灾害预警中更重视灾害风险管理，可以进一步提高对重大气象灾害的监测预警和应急处置能力，为政府有效应对重大气象灾害、事故灾难、公共卫生事件及社会安全事件等突发事件做好气象保障工作。在气象灾害预警中加入风险分析，有以下两点作用：

(1)有助于降低不当防御和过度防御的风险。因为当前科技水平和人的认知能力的限制，所以天气预报的定时、定量和定点能力有限，会造成气象灾害预防措施落实中的不当防御和过度防御的风险。

(2)有助于社会意识形态层面防灾水平的提高。现在社会的气象灾害防御的响应能力还需要提高，而且气象灾害防御的部门合作上还比较松散，这从管理层面加大了突发性气象灾害的风险。

气象灾害风险分析可以掌握预警区域的气象灾害风险分布特征，从而有助于构建更加安全的气象灾害预警系统。

3 气象预警系统中的风险评价方法建立

3.1 气象灾害预警系统构成分析

图1 新型气象灾害预警系统构成图

笔者根据联合国减灾署的新型预警系统构成的4要素，在现有气象灾害预警系统的基础上，构建了新型气象灾害预警系统，如图1所示。该系统共分为4个层次，依次包含了联合国减灾署的新型预警系统构成4要素。其中，气象灾害预警系统风险分析和天气预报结果风险分析部分是新融入气象灾害预警中的风险评价要素，其他部分是现在气象灾害预警中已经实现的要素。在新型气象灾害预警系统中，气象灾害预警系统风险分析的重点是进行区域气象灾害预警能力的风险评价，其为预警系统的第1层。气象监测与警示服务放在第2层，表示天气现象的监测和天气预报、灾害天气科学研究同等重要。天气预报制作的目的是向公众提供服务，因此信息发布成为气象灾害预警系统的第3层内容。因为天气过程的不确定性，所以天气预报结果的风险评价是保证气象灾害防御效果的步骤。第4层是政府要有效地组织民众响应预警，提升气象灾害防御能力。

预警系统中的风险评价工作分为预警能力风险评价和天气预报风险评价两部分。预警能力风险评价重点考虑一个地区的总体气象灾害防御能力，是一种综合性、全局性和战略性的气象灾害风险评价。天气预报风险评价是单灾害要素的技巧性评价，也是预警系统中关键结论的风险评价。预警能力的风险评价应该成为比天气预报风险评价更高层次的一种风险评价。

3.2 气象预警能力的风险评价方法设计

3.2.1 气象预警能力的风险评价方法建立

风险理论中的风险一般指没有预警机制时的灾害平均风险：

AR=I×P×V

(1)

式中：AR为自然状态下的一种风险；P为气象灾害发生概率，可应用当地历史统计资料得到；I为灾害强度，用来度量灾害大小程度；V为脆弱性，即评价危险强度下损失和人员伤亡的相关性。

气象灾害风险是气象灾害的发生频率、灾害强度和受体脆弱程度的综合表现，所以气象灾害的发生频率、灾害强度是不受人们控制的。但是，人们可以通过预警手段改变承灾体的脆弱程度。因此，气象预警系统建立后，某一地区的气象灾害风险大小发生了变化，即人们对气象灾害风险采取恰当的响应措施以后，灾害的风险会显著降低。而且响应效果的好坏与灾害的预测准确率有较大关系，预测准确率高，响应能力会加强；如果没有预测能力，就没有灾害的响应能力。

气象灾害的预报能力是灾害预警监测能力的函数，即预警监测能力越强，灾害的预报准确率就越高。两者之间关系的数学表达式为：

(2)

式中：R为预警条件下的气象灾害风险；RD为响应指数，表示人员和政府对预警的响应程度，取值在0～1之间；F为灾害预测能力，是E和PS的函数；E和PS分别为现代化预警监测能力和致灾因子预测水平，数值在0～1之间。

灾害预测能力F可以用式(3)度量：

(3)

其中，U(E)和U(PS)可用Logistic回归模型计算：

(4)

(5)

式中：x为与评价相关的各种因数值；U为U(E)和U(PS)的抽象性表达。

在实际评价中，通过比较预警条件下的风险R和平均风险AR的大小进行评价，R小于AR的程度越大，说明预警系统的预警效果越好。

3.2.2 气象预警风险评价量化讨论

风险评估前需确定评估方法中的参数，笔者利用模糊数学的隶属度方法分别划定气象灾害强度I和灾害响应能力RD，分别如表1和表2所示。

表1 气象灾害强度划分表

表2 气象灾害响应能力评价划分

因为承灾体的脆弱性直接影响承灾体的损失，而且承灾体的灾害性天气脆弱性敏感于天气过程的致灾因子，所以承灾体的天气脆弱性利用承灾体对致灾因子的敏感性来定量。随着人们活动范围的扩大、城市化和沿海居住人群的大幅增加，这些活动增加了人们活动区域承灾体的天气脆弱性。因此，为了突出承灾体脆弱性同致灾因子的敏感性，承灾体脆弱性指标使用0～10之间的数值划分，如表3所示。

表3 承灾体脆弱性划分

由于现代化预警监测能力和致灾因子预测水平的影响因素较多，其参数确定要用多指标的细化和量化，分别如表4和表5所示，然后用式(4)～式(5)计算出定量值。

表4 现代化预警监测能力评估要素

表5 致灾因子预测水平评估要素

气象灾害预警能力的风险评价可以分析某地区气象灾害防御的薄弱环节，明确该地区气象灾害预警系统改进的环节，提升气象灾害防御整体水平。

3.3 基于天气预报能力的风险评价方法设计

3.3.1 天气预报能力的风险评价方法

天气预报是气象预警的重要环节。但是，天气预报的准确性具有不稳定的特点，会给承灾体的响应行为带来风险。随着异常天气的频繁出现和社区脆弱性的增加，这种风险越来越大。所以，国际上引入了天气风险管理的理念。天气风险管理是指在预知面临潜在天气风险的基础上，定量分析面临的天气风险，采取相应的天气风险管理策略，以减少天气气候变化给人们生命财产造成的损失，最大限度避免生产经营活动因天气风险原因产生非正常波动。

天气风险管理首先要对天气风险进行识别，确定是否面临天气风险，并且运用风险度量方法来定量估计天气风险对财产、人员安全的威胁程度或对企业可能带来的收益。在对天气风险的影响作出客观定量评价的基础上，实施有效的天气风险管理策略。识别天气风险是天气风险管理的基础，而天气预报信息是识别天气风险的重要信息来源。但是，采用天气预报信息既会带来收益，也会带来成本和损失。收益包括采取天气预报信息减少的损失或者是企业根据天气预报信息安排生产带来的额外收入；成本包括购买天气信息成本、预防天气灾害措施的支出；损失即为天气预报信息不准确带来的损失。因此，天气信息的采用者会评价天气预报信息的风险。笔者构建的天气预报风险评价方法为：

(6)

式中：FL为天气预报响应损失；ML为承灾体价值；P为灾害损失概率；RD为响应效率；F为预报准确率。假设对于预报某种强度I的灾害，其响应成本为RC，那么天气预报信息带来收益的判别标准可表示为：

ML(I)×P-FL=

ML(I)×P×RD×F>RC

(7)

从式(7)可以看出天气预报信息的收益是通过最大程度地减少气象灾害损失，并且损失减少值大于采取相应措施的成本。

3.3.2 天气预报风险评价量化讨论

笔者以暴雨为例，讨论天气预报风险评价的定量化问题。式(6)表明天气预报风险同预报的准确率F有关。然而天气预报具有一定程度的不确定性。目前，天气预报专家认为我国暴雨的预报准确率较低，一般只有20%；48 h的区域暴雨预报的准确率最高为75%，而美国暴雨预报准确率高达90%[10]。因此，我国暴雨致灾因子天气预报的不准确率较大，提高预报准确率是降低暴雨天气预报风险的重要途径。如果将我国的暴雨预报准确率提高到美国(90%)的水平，将极大地降低我国暴雨灾害风险。

天气预报的风险还与政府和民众的预报响应能力相关。天气预报响应能力的定量化可以采用表2的结果。灾害性天气预报的响应行动是为了获得收益，因此有些用户响应时会综合考虑响应成本，如表6所示。例如，暴雨天气的应急响应就是有成本的行动，其成本来自于人力成本和避雨材料成本。当某行业的承灾体受到暴雨或特大暴雨袭击时，天气预报准确率极大地影响天气信息收益，只有相应的天气预报信息收益大于组织采取响应的成本时，天气预报信息使用者才会积极采取应对措施。

表6 暴雨预报风险评价量化表

注：*表示承灾体的虚拟价值和虚拟响应成本

4 结论

笔者讨论了风险分析在新型气象灾害预警系统中的作用，并构建了风险分析中气象预警系统以及气象预报影响评价方法，提出在构建新型气象灾害预警系统时应注意的一些关键问题：

(1)树立气象灾害预警中的风险评价理念。预警系统风险评价重点考虑一个地区的总体气象灾害防御能力，是一种综合性、全局性和战略性的气象灾害风险评价；天气预报风险评价是单灾害要素的技巧性评价，也是预警系统中关键结论的风险评价；预警系统中的风险评价是比天气预报风险评价更高层次的一种风险评价。

(2)依靠风险评价提升灾害性天气预报的应用价值。天气预报结果风险评价技术可以强化气象服务的核心能力。

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WANG Wei:Senior Engineer; Tianjin Meteorological Institute, Tianjin 300074, China.

The Risk Element Integrated to Warning System Structure of Meteorological Disaster

WANGWei

In order to enhance the meteorological disaster prevention level, the author build the new concept structure of the of meteorological disaster warning system according to the new theory of early warning system. Based on the relationship between the early warning and risk analysis of meteorological disasters, the meteorological early warning capability evaluation method and the forecast risk assessment method are proposed. These two methods illuminate the role of the meteorological early warning and weather forecast in prevention of meteorological disasters. The meteorological disaster risk analysis in meteorological early warning system can improve the meteorological early warning ability and enhance the capacity of meteorological disaster prevention.

meteorological disaster；weather forecasting；warning system; risk assessment; risk management

2095-3852(2016)05-0529-05

A

2016-05-06.

王炜 (1965-),男，内蒙古巴彦淖尔人，天津市气象科学研究所高级工程师.

中国气象局软科学课题重点资金项目(2010D007)；预报预测核心业务发展专项资金项目(CMAHX20160303).

P456.9;X915.5 DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.05.003