基于投影寻踪法的肇庆市台风灾害风险区划

陈荣泉，张聪慧

（1.肇庆市气象局，广东肇庆 526040；2.广东省肇庆学院，广东肇庆 526040）

每年登陆广东省并对肇庆市有严重影响的台风有2～3个。相同的台风发生在不同的地区，会导致不同的后果，如同样等级的台风灾害发生在经济发达、人口密集的地区可能造成的损失往往要比发生在荒芜人烟的经济落后的地区大得多［1-2］。因此开展承灾体易损性分析，做好台风灾害风险区划，有利于提高防御台风灾害能力。许多专家学者也开展了相关研究，王奋等［3］选取人口密度、非农业经济产值、耕地果园面积和固定资产投资额4个因子作为易损性评价因子，并通过计算得到各因子的权重，绘制了海南社会经济易损性分布图；陈和等［4］以广东省为例，建立了广东省台风灾害社会经济易损性的评价指标体系；樊运晓等［5］通过聘请国内外地质灾害、地震灾害和洪涝灾害专家构造指标重要度两两判断矩阵，采用层次分析法确定了3类灾害的承灾体脆弱性指标权重分布。

本研究吸取了前人研究的优点，以近年的人口、职业、社会保障、经济发展、农林道路设施5类经济数据作为基础，采用因子分析法得出承灾体社会经济易损得分，然后加入台风过程降雨极值、极大风速等致灾气象因子，运用投影寻踪法（projection pursuit，PP），构建风险评价模型，最后得出肇庆市台风灾害的风险区划。相对于以往使用层次分析得出的风险区划，具有赋权客观、人为干扰小、结果稳定等优点［6］。

1 资料与方法

1.1 使用资料及来源

本研究使用资料：（1）经济数据，从《2018年肇庆市统计年鉴》中获得肇庆各地人口、职业、社会保障、经济发展、农林道路设施等5大类经济数据；（2）灾情数据，2018年台风“山竹”、“艾云尼”对肇庆市各地的直接经济损失，数据来源于肇庆市应急局；（3）气象资料，从1970—2018年对肇庆市有影响的139个台风案例中，各地出现的过程最大降雨量、最大雨量出现次数和最大风速。

1.2 使用方法

投影寻踪法可以把多个因子，通过某种组合投影到低维子空间上。一般通过构建投影指标函数，寻找出使投影指标函数达到最优的投影值z（i），然后根据投影值来分析各指标因子的结构特征［7］。此方法常用于水文上根据河流流量、洪峰、致灾情况、经济损失等对洪水灾情进行等级评价；或在气候上根据降水、最低气温、最高气温、日照等气候数据结合农作物的生长进行气候区域的聚类划分。

根据投影函数的特性，要求z（i）的局部投影点尽可能密集，最好凝聚成若干个点团，而整体投影点团之间尽可能散开，因此构造投影指标函数：

其中，SZ为投影值z（i）的标准差；DZ为投影值z（i）的局部密度；za为x在方向上投影特征值均值；R为密度宽度；r（i，j）表示样本间距，r（i，j）＝｜z（i）-z（j）｜；u（t）为单位阶跃函数，当t≥0时，其值为1，当t＜0时，其值为0［8］。

2）优化投影指标函数。当各指标值的样本集给定时，投影指标函数Q（a）只随投影方向a的变化而变化，可通过求解投影指标函数最大化问题来估计最佳投影方向：

满足：

这是一个以｛a（j）｜j＝1～p｝为优化变量的复杂非线性优化问题，因此引入加速遗传算法来求解上述问题比较简便。

3）建立聚类模型。把步骤（2）求得的最佳投影方向a*代入式（1），后得到各样本的投影值z*（i），并绘制散点分布图，按z*（i）值从大到小排序，据此可把各指标的样本集进行分类［8］。

2 结果与分析

2.1 社会经济易损性量化评价

1）社会经济易损性评价指标构建。

本研究以肇庆行政区域划分（端州区、鼎湖区、高新区、高要区、四会市、广宁县、德庆县、封开县、怀集县共9个地区），综合国内学者研究方法，参考隋广军等［9］对沿海地区受台风影响的易损性指标体系，确定研究社会经济易损性的5类指数，分别为人口易损指数、职业易损指数、社会保障易损指数、经济发展易损指数、农林道路设施易损指数设定为1级指标，每个1级指标中又包含若干个因素，如表1所示。

表1 台风灾害社会经济易损性评价指标目录

2）社会经济易损性综合值计算。

（1）根据前述，每个1级指标中有若干个因素，通过因子分析提取特征值大于1的公因子，实现数据的降维［10］。各项指标提取得到的因子总解释方差都在80%左右或以上（表略），表明原有变量的信息丢失较少，因子分析的效果较好。

对9个地区的人口易损指数进行分析，可以提取到2个特征值大于1的因子，其中第1个因子的解释能力为72.715%，第2个因子的解释能力为21.148%，总解释方差为93.9%。同理职业易损指数第1个因子的解释能力为39.49%，第2个因子为29.477%，第3个因子为20.114%，总解释方差为89.1%。社会保障指数第1个因子的解释能力为47.175%，第2个因子为45.949%，总解释方差为93.125%。经济发展易损指数第1个因子的解释能力为46.387%，第2个因子为31.941%，总解释方差为78.328%。农林道路设施指数第1个因子的解释能力为54.927%，第2个因子为33.536%，总解释方差为88.5%。

（2）根据2.1节中各公因子的解释方差占总解释方差的比作为权重，计算9个区域5类指数易损综合得分（表2）。

表2 承灾体社会经济易损性综合得分

同一指数的值越高，代表该指数的易损性越强，负数代表该易损性不显著。（1）在人口易损指数方面，端州区城镇人口多，个人可支配收入高，应对风险能力强，对应易损指数不显著，鼎湖、四会、高新区次之；而乡村人口收入较低的德庆、封开、怀集相对显著。（2）在职业易损指数中可知，肇庆生产制造业主要集中在端州、高要、四会和北部怀集，其易损性较高，其他产业较少对应从事的职业较少易损性不高。（3）在社会保障易损指数中，地区经济越发达社会保障程度越高对应易损指数就越低，这与肇庆市东南板块经济发达，西部和北部板块落后的经济分布非常对应。（4）对于经济发展和农林道路设施指数，高要的农林牧渔业等第一产业较多，且铁路、公路等基础设施较多，四会情况跟高要类似一、二产业密集也处于发展上升期，对应两个易高指数。广宁、德庆、封开、怀集经济发展都相对落后，以农林业为主，道路基础设施受灾风险大，三大产业总产值不高，对应经济发展易损指数低、农林道路设施易损指数高。

2.2 台风灾害社会经济易损性风险区划

根据表2得到的社会经济易损综合得分，再结合台风过程降雨极值、极大风速等致灾气象因子，采用投影寻踪法，构建风险评价模型，算出9个地区的最优投影值，最后得出肇庆市台风灾害的风险区划，分别是极高风险区（高要）、高风险区（四会、端州）、中风险区（怀集、鼎湖、高新区、广宁）、较低风险区（德庆）、低风险区（封开）（图2）。这样的分类非常符合当地的经济社会状况和历年台风的影响。

图1 投影寻踪法台风灾害社会经济易损性风险等级分布

2.3 台风灾害社会经济易损性风险区划结果验证

1）台风影响实况。

2018年的2个台风“山竹”、“艾云尼”均对肇庆市有严重影响。“山竹”以西北路径移动为主，并以强台风级登陆江门，中心距离肇庆最近时在120 km左右。受“山竹”影响期间，肇庆市平均风力达8～10级，最大风速出现在高要区气象观测站40.7 m／s（13级），破肇庆市有气象记录以来台风影响下的最大风速记录。24 h累计雨量超过100 mm有109站、超过200 mm有33站，最大雨量为鼎湖凤凰镇386.4 mm。

台风“艾云尼”生命史较长，从阳江海陵岛登陆后向东偏北方向移动，经过云浮，以热带风暴级进入肇庆，然后在肇庆市内减弱为热带低压，最后移出肇庆市，以偏东方向继续移动，强度继续减弱。据肇庆市自动气象站监测，“艾云尼”影响期间，平均风力达6到8级，最大阵风出现在高要蚬岗镇20.5 m／s（8级）；24 h累计雨量超过50 mm有118站、超过100 mm有83站，平均雨量为76.0 mm；最大雨量为四会石狗315.8 mm。

2）受台风影响的直接经济损失和模型对比。

在2018年的两次台风过程中，高要区直接经济损失最大，分别达到2.18亿元和2.9亿元人民币（图2）。实际上高要区农林渔业等产业占比大，另外从事农林渔业的人数比其他地区也多，人口、基础设施等密集，同时常年遭受台风等风雨影响严重，为极高风险区非常符合。端州在这两次台风的直接经济损失为1.82亿元、0.83亿元，仅此于高要属于高风险区。鼎湖、广宁属于中风险区损失分别为0.50亿元、0.43亿元；0.21亿元、0.34亿元。德庆属于较低风险区损失为0.17亿元、0.09亿元。最后属于低风险区的封开损失为0.15亿元、0.000 4亿元。模型对上述地区的评价等级均与实际经济损失非常符合。

图2 台风“山竹”、“艾云尼”对肇庆市造成的直接经济损失和模型风险等级值对比

但明显不足的是模型的等级结果与四会、高新区在这两次台风过程中的经济损失并不对应，这可能与灾情数据统计的缺失有关。怀集县则在受到这两次台风的影响较小，相对应直接经济损失也低。下一步需增加台风个案来深入分析。

3 结论

1）通过因子分析建立了肇庆市9个地区的社会经济易损性评价指标体系，分别为人口易损指数、职业易损指数、社会保障易损指数、经济发展易损指数、农林道路设施易损指数。每类指数中提取的公因子总解释方差都在80%左右或以上，能很好地表征每类指数。

2）从9个区域的社会易损性综合值发现，端州区的易损性指标跟其人口基数和经济重心相符，主要的易损指数有职业、经济发展指数。鼎湖区社会保障易损性较高。高要区的农林牧渔业等第一产业较多，且铁路、公路等基础设施较多，对应人口、职业，经济发展、农林道路设施易损较高。四会情况跟高要类似一、二产业密集也处于发展上升期同样职业、经济发展和农林道路设施易损指数高。广宁、德庆、封开、怀集经济发展都相对落后，对应人口易损、社会保障易损指数高。高新区作为发展新区情况与端州区类似，人口、经济发展处于规划上升期，但社会保障易损指数高。

3）基于遗传算法的投影寻踪法构建台风灾害风险等级评价模型，结果为极高风险区（高要）、高风险区（四会、端州）、中风险区（怀集、鼎湖、高新区、广宁）、较低风险区（德庆）、低风险区（封开）。

4）通过2018年两次严重影响的台风过程造成的直接经济损失和模型的等级评价作对比发现，除四会、高新区外，肇庆市东南部的地区受到的经济损失与模型的灾害等级划分非常对应。