极端气候事件及重大灾害事件演化研究进展*

何 佳，苏 筠

(1.北京师范大学 地理科学学部，北京 100875；2.北京师范大学 环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875)

世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)将极端气候事件定义为：特定时段内某类气候要素量值或统计值显著偏离其平均状态、且达到或超出该变量观测或统计值期区间上下限附近某一阈值的事件[1]。虽然这类事件在统计学上属于小概率事件，但突发性极强。在此概念的基础上《管理极端事件和灾害风险推进气候变化适应特别报告》(Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation, SREX)将与灾害相关的极端气候事件具体划分为极端的天气和气候变量(温度、降水和风)、影响极端气候变量发生或其本身为极端气候事件(季风、厄尔尼诺、热带气旋等)以及影响自然环境的极端气候事件(干旱、洪水、极端海平面等)三类，这三类事件彼此相互影响、相互关联[2]。

极端气候事件对自然生态系统和社会经济系统造成的破坏严重。根据2017年发布的《全球气候风险指数报告》显示，1997-2016年全球共计发生1.1万起极端气候事件，共造成约52.4万多人死亡，经济损失高达3.16万亿美元[3]。除直接导致人类死亡外，相关疾病的发病率也显著增加，疾病疫情的传播范围变广、速率增快[4-9]。同时，农作物病虫害、冻害等发生频繁造成农作物减产进而威胁粮食安全[10-12]。中国作为一个极端气候事件多发的国家也时刻面临着威胁和挑战，郑景云[13-14]等利用历史资料通过分析中国过去2 000年的极端气候事件包括冷冬、炎夏、东北夏季低温以及极端干旱与大涝的变化，证明中国历史上就是一个极端气候事件多发的国家。而2017年中国爆发的极端气候事件，诸如：风雹、低温冷冻、雪灾、洪涝等，造成1.4亿人受灾，直接经济损失达3 018.7亿元。

梳理过去关于极端气候事件和灾害研究发现学者们主要关注三个方面：其一，对致灾因子与承灾体暴露度[15-19]、灾害脆弱性[20-22]及对灾害感知及认知[23-26]的考量。其二，对极端气候事件的时空演变特征及其路径进行定性分析，结合全球和区域气候模式对极端气候事件进行模拟与预测[27-28]，并论证其不确定性[29-31]。其三是对应急救灾和灾后重建的研究，主要从极端气候事件应急预案、重建方案和协同应急管理机制等方面展开探讨[32-34]。通过梳理可以看出，过去学者们主要聚焦于灾害事件的组成要素、属性和时空变化特征以及分布等方面的研究，对极端气候事件演化过程与机制的研究略显不足。

在极端气候事件演化过程中，重大气象灾害事件本身所具有的极端性一方面表现为灾害事件的突发性，伴随着次生灾害群的演化，灾害表现出群发性特点[35-36]，可能衍生为巨灾。另一方面，极端性表现为影响涉及面广或者程度深，使得气候事件的各要素与自然生态系统和社会经济系统中的各要素之间存在着相互作用的复杂关系和过程，若极端事件发生发展过程中的某一关键环节受到扰动，可能会触发整个系统的连锁反应，打破系统原本的平衡态，放大或缩小事件的影响导致结果呈现非线性反馈，进而终止灾害进程或使系统崩溃。

根据IPCC第五次气候报告显示，未来随着气候变暖的加剧，全球范围内极端气候事件不论是从发生频率、强度、影响范围还是持续时间来看都呈增多、增强趋势[37]。鉴于极端气候事件自然致灾过程的不可控特性，关注极端气候事件在社会经济系统中的演化过程与演变路径，明晰灾害事件致灾与成灾的复杂演化结构与耦合关系是调控灾害发生及灾害风险治理的基础。因此，本文将在综合前人研究的基础上系统梳理极端气候事件演化研究进展，为极端气候事件的响应策略提供参考依据。

1 极端气候事件演化研究进展

1.1 灾害事件演化阶段划分

根据灾害事件的不同种类，学者们按照灾害事件演化发展的生命周期，从不同视角出发建立灾害事件演化阶段模型，将事件演化划分为不同阶段，具体如表1所示。

对比以上模型可以看出，有关灾害事件演化阶段的研究主要集中于社会灾害领域，涉及自然灾害事件演化阶段的研究较少，但其阶段划分的思路对自然灾害事件的成灾过程亦有参考价值。大部分演化模型注重对灾害事件过程的研究，对灾害事件演化机理的深入探讨偏少。

除上述灾害模型所提及的演化阶段分类外，国外Mileti等人在对灾害文献总结分析的基础上，将灾害事件演化归为反应、恢复、准备、减灾四个阶段[43]；Salvalore将灾害事件演化阶段分为征兆期、发作期、延续期和疫愈期[44]。国内刘哲民等人在总结洪水、干旱、泥石流等自然灾害发生规律的基础上，从灾害的共性出发，将灾害事件演化阶段归为孕育潜伏期、启动期、爆发-持续-衰落期和平静期[45]；曹荣强则将灾害事件演化归为潜伏、诱发、发展、消亡四个阶段[46]；赵云峰将其归为潜伏期、爆发期、衰退期三个阶段等[47]。

综合不同灾害事件演化阶段分类可以发现，不论哪种灾害演化过程都具有相似的阶段，不同的是各阶段所持续的时间长短有所差异。不同的灾害阶段构成一个灾害周期，当某一灾害从潜伏到爆发再到趋于平静完成一个完整的灾害周期时，预示着下一个灾害周期已经开始。由此可见，灾害事件演化的实质就是由不同灾害阶段构成的特定的极端灾害过程。

1.2 灾害事件的演化方式

对于灾害事件演化方式的研究主要从灾害影响传递的角度展开。由于灾害系统的结构与功能特征相对复杂，系统中的各要素相互联系、相互影响，极端气候事件或灾害事件的影响传递通常具有雪崩效应或连锁效应[48]。尤其是当极端气候事件以“打断”的方式“转入”社会系统导致系统内部出现震荡并以紧急或者危机的非常态模式运行，此时社会、人口、经济等各子系统会采取相应的响应、适应措施以应对极端气候事件对社会系统的冲击，系统随之可能会朝两种路径发展，可能导致灾害影响传递使灾害结果呈现非线性叠加或反馈；也有可能在某个环节或系统终止了灾害影响的传递，此时紧急或者危机结束，极端气候事件“转出”，社会系统逐渐恢复常态或进入新常态[49]。

国外Carpignano等学者曾提出利用灾害损失链、多米诺效应、连锁效应、诱发效应等概念来描述这种由一种灾害引发另一种或几种灾害过程的方式[50-51]。在国内，郭增建于1987年首次提出灾害链的概念并将其分为因果链、同源链、互斥链和偶排链四大类[52]；在此基础上，史培军根据

表1 灾害事件演化阶段模型

链式特征将灾害链归类为并发性和串发性两种类型，同时经过统计大量灾害链实例归纳出台风-暴雨-洪涝、寒潮-大风-冰雪冻害、干旱/旱灾-病虫害、地震-崩塌-滑坡/泥石流4种主要影响中国的灾害链类型[53]；文传甲从起动灾环的种类、结构形状和复杂程度三个方面将灾害链分为灾链、祸链、树状链和混合链等[54]；陈兴民根据灾害过程将灾害链分为灾害蕴生链、灾害发生链和灾害冲击链[55]；肖盛燮等从物质、能量及信息的角度提出了灾变链式理论[56]。

这些研究综合归纳出极端气候事件演化所具有的连锁性、叠加性和放大性等特征，这些特征使得灾害过程变得更为复杂，灾害损失变得严重。

1.3 灾害事件的演化分析方法

经过梳理当前国内外学者关于极端气候事件演化的研究成果可以发现，关于极端气候事件演化的研究方法，学者们关注的聚焦点在于是否将灾害事件视为一个复杂的非线性过程，这成为选取不同方法的前提。

在现有的研究中大多学者都做了理想假设将极端气候事件视为由单一灾种主导的线性过程，基于此种假设对极端气候事件做变化趋势和时空分布的定性研究，所用的统计分析方法也是当前普适的分析方法。例如：利用线倾向性估计法分析灾害事件变化趋势[57]，并在此基础上结合ArcGIS进行空间插值分析空间分布形态[58-59]；利用小波分析、谱分析等方法分析灾害事件的周期[60-61]；利用主成分分析、相关分析等方法识别灾害事件主导因子，并对各因子间的相关性和事件整体性进行相关分析等[62-63]。但这种线性形态的理想假设往往忽略了灾害事件间的相互关系，可能会过高或过低地估计实际灾害水平而造成灾害风险偏差。为此，一些学者将极端气候事件视为非线性过程并根据观点动力学的建模范式构建动态的复杂网络，通过分析网络中灾害事件节点及其连接边之间的性质对极端气候事件的演化进行定量剖析。目前已有的研究方法有神经网络、复杂网络等[64-65]。相较于神经网络侧重对极端气候事件的模拟与预测，复杂网络则更倾向于深入探讨极端气候事件间的复杂演化与耦合关系。

2 复杂网络在极端气候事件演化分析中的应用

现有的对极端气候事件演化分析方法多为定性分析，少部分定量分析以构建相应的数学模型和物理模型为主。随着极端气候事件愈演愈烈，极端气候事件的演化过程趋于复杂，演化的非线性特征也更加突出。因此，近年来学者们基于系统动力学的观点在探讨极端气候事件演化机制与演变路径时引入了新的定量研究方法—复杂网络。不同于探索极端气候事件发展演化的一般规律，复杂网络更注重对灾害事件间的复杂演化与耦合关系的深入剖析。那么，什么是复杂网络？

2.1 复杂网络概要

复杂网络(Complex Network)是指具有自组织、自相似、小世界、无标度中部分或全部性质的网络[66]。复杂网络的雏形出现于1950年代末，学者Erdos等为避免理想网络过于规则的形态首先提出了ER随机网络模型，这是一种完全随机的网络模型，网络中的节点和边都是随机连接的[67]。随后，复杂网络的发展又相继出现了WS网络模型(小世界网络)和BA网络模型(无标度网络)，这两个网络的本质区别在于小世界网络模型的节点度分布服从指数分布而无标度网络节点分布服从幂率分布，这更符合大规模真实网络的节点度分布[68-69]。除了上述两个经典的网络模型外，Barabasi和Francesc Comellas通过对网络模型的改良建立了确定性无标度网络模型和确定性小世界网络模型等，使得网络中节点的分布更加精确[70-71]。

2.2 复杂网络的应用

国内关于复杂网络的研究起步较晚，相关理论于2002年出现于我国。目前，国内关于复杂网络的应用研究主要涉及信息传播、计算机模拟、卫生管理以及经济管理等领域[72-74]。根据整合国内外学者的研究成果不难发现关于复杂网络的研究主要体现在三个方面：①是对现实网络的实证研究，主要是用统计物理学等方法对非理想状态下的网络进行统计分析，以直观获得其统计特性[75]；②基于对非理想状态的网络分析，构建相应的演化模型，根据网络的结构特点分析相应的演化机制[76]；③在前两者工作的基础上，利用社会网络分析等方法进一步分析网络的动力学特征，如网络同步的稳定性、社区结构性质、信息的扩散能力和网络的鲁棒性等[77-80]。

目前复杂网络在低温冰冻、暴雨、台风等灾害事件的演化中都有应用[81-83]。学者们利用复杂网络的相关理论和方法构建灾害演化网络模型，在具体的分析中总体来看主要集中在三个方面：①是对灾害网络的拓扑结构与属性的研究，例如灾害网络的密度、平均度、集聚系数、路径长度等。用以判断灾害网络的基本特性；②是对灾害网络结点中心性和聚类程度的研究，用以识别关键节点也就是主要致灾因子，在调整或去除这些灾害结点可改变或切断灾害事件演化路径，防止灾情的扩大和蔓延；例如，朱伟等通过构建北方城市暴雨灾害演化网络模型对此次灾害事件的演化过程进行了风险分析，并探讨了风险等级与出入度的关系[84]；徐选华等人通过分析湖南洪水灾害社会稳定风险拓扑图，将洪水造成的社会稳定风险的演变路径分为三个阶段，并识别出房屋倒塌、农作物减产绝收、社会恐慌等风险是整个系统演化的关键节点[82]；③是有关灾害网络的灾害蔓延动力学和网络动态演化仿真研究，例如，国外Lubos Buzna根据复杂网络的中心性和关键节点理论去除原本网络中的某些关键节点或者边建立了灾害蔓延的动力学模型，重塑了灾害网络的拓扑结构，并提出了灾害预防的相关措施方法[85-86]；Min Quyang则针对冗余系统的无标度网络对灾害动态演化进行了仿真研究[87]。国内，翁文国等学者在对电网、交通网、通信网、供水网等主要城市供给系统网络共性分析的基础上，结合中国的实际情况建立了一个通用的灾害蔓延动力学模型，该模型针对随机网络、小世界网络和无标度网络三种主要的复杂网络形式构建了自修复因子、延迟因子和噪声强度三个重要的特征参数，并充分考虑了参数值对各个网络结点修复率和崩溃结点数的影响[115]。

3 现有研究的评述与展望

国内外学者在极端气候事件演化研究相关领域进行了大量有益探索，取得了一定进展，但纵观相关研究成果还存在以下几方面的问题。

(1)忽略极端气候事件演化的复杂性。当前大多数研究在探讨极端气候事件演化时都存在理想假设，即将灾害视为同质、线性且相互独立的事件。但在真实的演化过程中往往更为复杂，灾害事件表现出异质、非线性并相互缠绕的形态。这种对极端气候事件线性形态的理想假设往往忽略了灾害事件间的相互关系，导致过高或过低地估计实际灾害水平而造成灾害风险偏差。未来随着极端气候事件的持续演化，需要注重灾害事件内部异质、非线性的特性，加强对灾害事件演化过程的系统研究。

(2)忽略极端气候事件演化的整体性。目前国内外对于极端气候事件演化研究的对象仅仅针对某一原发灾害或单一灾种，对于多灾种结合的灾害事件也只着重对主要致灾因子进行分析，而对由某一重大灾害而引发的次生灾害群组成在灾害系统没有进行深入探讨。并且，研究的内容关注点多集中在灾害爆发阶段，对灾前、灾后两个阶段的研究关注较少。未来随着可持续发展与防灾减灾的迫切需要，应该加强对次生灾害群及多灾种结合的极端气候事件演化的综合研究。

(3)缺少极端气候灾害事件演化的定量分析。从国内外学者对极端气候事件演化的研究现状来看，现有的极端气候事件演化研究方法大多集中在利用统计等方法对灾害事件时空演化特征的定性描述，不能对灾害事件演化机理做深入剖析。在仅有少数的定量化分析中也只是通过建立数学模型或物理模型对灾害事件演化过程进行仿真模拟，缺少有效的定量分析工具深度挖掘极端气候事件的演化发展过程。未来随着灾害系统相关理论和技术方法的不断发展和深化，应扩充对极端气候事件演化过程和演变路径的定量分析，使灾害事件结构、复杂演化过程及耦合关系更为清晰，为防灾减灾提供更可靠的决策意见和实施方案。

(4)缺少极端气候事件与社会系统“转入-转出”的机理研究。极端气候事件发生导致社会系统以非常态运行，经过响应和适应，社会系统会逐渐恢复常态或进入新常态运行，通过“转入-转出”过程会使灾害事件最初的影响被抑制或放大。因此，未来在探讨极端气候事件演化过程中，需要注重灾害事件影响及其后果在社会-生态系统中的传递，明确极端气候事件与社会系统“转入-转出”的机理。同时，兼顾考虑极端气候事件的各要素与自然生态系统和社会—生态系统中的各要素之间相互作用的复杂关系，注重极端气候事件对人类社会多方面、多层次的影响。