基于模糊综合评价法的海南热带气旋灾害经济损失影响评估

李文韬 张明洁 张京红 张亚杰 杨静

基于模糊综合评价法的海南热带气旋灾害经济损失影响评估

李文韬1,3张明洁2,3张京红2,3张亚杰2,3杨静2,3

（1. 海南省气象探测中心 海南海口 570203；2. 海南省气候中心 海南海口 570203；3. 海南省南海气象防灾减灾重点实验室 海南海口 570203）

热带气旋是影响海南的最重要的灾害性天气之一，常造成严重的经济损失。为科学定量地评估热带气旋造成的经济损失程度，从致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力等方面选取和构建热带气旋灾害经济影响的5个评估指标，在此基础上应用模糊综合评价方法计算了2015—2018年热带气旋对海南经济影响的评估指数，运用均值—标准差方法对指数进行等级划分，同时应用直接经济损失率表征实际灾情程度并对其进行等级划分。结果表明，建立的热带气旋经济影响评估指数的评估等级和实际灾情等级较吻合，能较好地评估热带气旋对海南经济造成的损失程度，可为制定科学合理的应急方案、增强应对热带气旋灾害的防御能力提供技术支持。

热带气旋；经济损失；影响评估；模糊综合评价

热带气旋作为破坏性极强的天气系统，常常伴有大风、暴雨、风暴潮等灾害性天气[1]，成灾迅速、范围集中、造成的损失惨重，也是全球突发性严重的自然灾害之一。海南省地处热带北缘，属热带海洋性季风气候区，平均每年约受10个热带气旋的影响，经济损失严重。

在热带气旋灾害影响评估方面，国内外学者已进行了大量研究并取得了丰硕的成果，例如，巩在武等[2]通过相关分析和回归分析，选取了台风灾害评估影响因子对浙江省台风灾害进行评估。王秀荣等[3-4]选取农作物受灾面积、房屋倒损数、死亡人数、直接经济损失等灾害指标，利用灰色关联度理论确定了全国范围内台风灾害综合等级划分标准，建立了台风灾害综合等级快速评估模型；之后又优化了评估指标的转换函数和权重系数，使改进后的模型评估的等级更符合实际灾情。马华铃[5]选取死亡人数、农作物受灾面积、直接经济损失等指标建立了我国台风灾害综合评估指数，并利用聚类分析对其进行了分级，建立了台风灾害单产业关联间接经济舒适评估的投入产出定量分析模型。马清云等[6]应用模糊综合评价法计算得到我国登陆台风的影响评价系数，并对灾情进行了分级。林江豪等[7]综合BP神经网络和空间向量模型，构建了台风灾害经济损失评估模型。因此，目前已有的评估指标体系因评估角度的差异而包含不同的因素，尚未形成一个通用定量评估模式[8]。开展热带气旋灾害影响评估、减少热带气旋灾害造成的经济损失迫在眉睫。

热带气旋灾害对经济的影响是一个复杂的问题，受到热带气旋本身强度、路径和社会经济因素的共同影响。热带气旋是一种中心气压极低的涡旋，具有强大的气压梯度和旋转力，引起近地面较大风速。热带气旋大风通常是指热带气旋影响过程的极大风速（地面10 m高度瞬时风速）和最大风速（地面10 m高度10 min平均风速）。热带气旋大风具有极强的破坏性，包括摧毁房屋、掀翻船只、毁坏园林、吹倒庄稼树木等，带来直接经济损失。热带气旋暴雨容易链生暴发性洪水和地质灾害，引发城市内涝等，破坏性极强，是热带气旋影响过程中的主要致灾因素；同时，热带气旋影响持续时间越长，可能造成的灾害越大。本研究主要针对热带气旋造成的经济损失影响进行评估。对于一个研究区域来说，社会经济发展水平决定了其易损性。在评估热带气旋造成的经济损失时，经济发展水平、农业在经济中的比重等经济指标在一定程度上可以反映研究区遭遇灾害的潜在损失程度。防灾减灾能力表示受灾区在短期和长期内能够从气象灾害中恢复的程度,包括应急管理、减灾投入、资源准备、灾后恢复等，是灾害风险评价中不可或缺的重要因素。基于模糊数学的模糊综合评价法是常用于技术筛选的综合评价方法，该方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题[9]。本研究拟从热带气旋影响过程中的风速、降雨、持续时间、承灾体易损性、受影响地区防灾减灾能力等方面选取热带气旋造成的经济损失影响评估因子开展研究；基于影响海南的热带气旋风雨观测数据和造成的经济损失数据，采用模糊数学综合评价方法对热带气旋造成的经济损失进行定量评估，以期为提高防灾减灾能力、减少热带气旋造成的经济损失提供科技支撑。

1 资料来源及研究方法

1.1 资料来源

1.1.1 气象数据 热带气旋影响过程中的风雨资料来源于海南岛18个市县国家级气象观测站2015—2018年的观测数据。

1.1.2 社会经济数据 受影响区域的地均GDP、各市县财政收入、对医疗卫生、农林水利的财政投入、医疗救护人员数、城乡居民人均可支配收入等数据来源于2016—2019年海南省统计年鉴；热带气旋造成的直接经济损失数据来源于海南省三防办和海南省民政厅2015—2018年的统计数据。

1.1.3 研究样本 研究过程中考虑到社会经济发展、防灾减灾能力等因素的变化，取经济发展与当前较接近的2015—2018年影响海南本岛、资料记录完整的10个热带气旋案例。一次热带气旋影响过程中，海南省本岛18个市县记为18个样本，2015—2018年共有10个热带气旋影响本岛，故研究过程中首先初步获取样本数据180个。再根据海南省三防办和海南省民政厅统计的每个热带气旋影响造成的直接经济损失数据，剔除直接经济损失为0的样本，本研究中采用的样本数共有92个。

1.2 研究方法

1.2.1 影响因子的选取

（1）热带气旋影响过程中的大风可能会带来直接的经济损失。分析发现，2015—2018年92个样本的直接经济损失与极大风速和最大风速的相关系数分别为0.221和0.203，均通过了=0.05置信水平的显著性检验；日最大风速与日极大风速的相关系数为0.954，通过了=0.001置信水平的显著性检验。且热带气旋影响过程中，极大风速是最大风速的1～2倍，极大风速是造成大风灾害的主导因素。因此，在进行影响评估时选择日极大风速作为评估因子之一。（2）热带气旋影响期间的过程雨量、日最大降水量与热带气旋造成的直接经济损失呈显著正相关，相关系数分别为0.669、0.643，通过了=0.001置信水平的显著性检验；过程雨量与日最大降水量的相关系数为0.951，通过了=0.001置信水平的显著性检验。本研究选择日最大降水量反映热带气旋暴雨的强度特征。（3）热带气旋影响持续时间与直接经济损失的相关系数为0.233，通过了=0.05置信水平的显著性检验。本研究利用地均GDP和农业产值占GDP比重2个指标来表征研究区域的易损性，对2个指标进行等权重求和，得到承灾体易损性指数。

承灾体易损性指数=地均GDP×0.5+农业产值占GDP比重×0.5。式中，地均GDP、农业产值占GDP比重为归一化后的值。

选取各市县财政收入，对医疗卫生、农林、水利的财政投入及医疗救护人员数、城乡居民人均可支配收入表征地区防灾减灾能力，将这4个指标进行等权重求和，得到防灾减灾能力指数。

防灾减灾能力指数=财政收入×0.25+财政投入×0.25+医疗救护人员数×0.25+人均可支配收入×0.25。式中，财政收入、财政投入、医疗救护人员数、人均可支配收入均为归一化后的值。

综合上述分析，选择热带气旋影响过程中的日极大风速、日最大降水量、影响持续时间以及承灾体易损性、受影响地区防灾减灾能力这5个因子作为热带气旋造成的经济损失影响评估因子。

1.2.2 模糊综合评价法 模糊综合评价法是运用模糊数据的隶属度理论将定性评价转换为定量评价[10]，评价结果更为客观准确。

1.2.2.1 模糊综合评价法的步骤 设有件事物的某一特征待评价，这件事物构成对象集和影响因子集：

记因子的权重分配上的模糊子集为：

则该评价对象的模糊综合评价集为：

1.2.2.2 隶属度函数的确定 隶属度是元素针对模糊集合隶属程度大小的数学指标，实现定量地描述模糊性事物。确定隶属函数可采用模糊统计法、典型函数法等[6]。本研究采用典型函数法的戒下型函数，表达式如下：

其中，()为因子的隶属函数，参数、、的值均大于0。

这种戒下型函数的表达式可以表示热带气旋灾害的大小程度。当影响因子≥时（为界值），则可成灾，否则不成灾。隶属函数值()会随灾情因子统计数据的增大而增大[6]。

确定参数、、后，求出每个热带气旋的各灾情因子隶属度值，构成矩阵：

1.2.2.3 建立权重集 模糊综合评价中各参评因子的权重系数既是其在评价体系中重要程度和贡献大小的体现，也是直接影响评价结果精度、客观和公正的因子。本研究采用熵权法和层次分析法相结合的方法确定各因子的权重。

为了消除指标量纲不同带来的不利影响，首先采用离差标准化方法对指标进行归一化处理；然后在分别采用熵权法[11-13]和层次分析法对评价指标进行主观和客观赋权的基础上，计算评价指标的综合权重[13]。

由各评估因子的权重系数可以看出，对于评价各热带气旋案例样本而言，指标的重要性程度排列依次为极大风速>承载体易损性>影响持续时间>防灾减灾能力>日最大降水量。

1.2.3 评价系数的计算 根据上述步骤确定的评价矩阵和权重集，由式（1）计算出件事物的模糊综合评价系数集。b即为每个影响热带气旋灾情的模糊综合评价指数。由此得到2015—2018年10个影响海南热带气旋的92个样本的经济影响评估指数。

1.2.4 热带气旋灾害经济损失影响指数及其等级划分 热带气旋灾害经济影响指数，根据各致灾因子、承灾体易损性和受影响区域防灾减灾能力，通过模糊综合评价方法计算获得，对影响指数的划分即是对热带气旋灾害影响综合强度的划分。本研究采用均值－标准差分级法对指标进行分级。

步骤如下：

（1）将92个热带气旋影响评价指数建立如下序列

（2）将上述影响指数序列划分为5个等级，计算得到每个等级的临界值后，即可将历史热带气旋灾害影响指数划分为5个等级区间，灾情由轻到重依次为：一级、二级、三级、四级和五级（表1）。

表1 热带气旋灾害经济影响指数等级划分

1.2.5 实际灾情等级划分 灾损率是对热带气旋灾害损失相对量的度量，反映热带气旋灾害损失占受灾区域经济生活和社会生产总量的比率[14]。本研究主要针对热带气旋造成的经济损失影响进行探讨，热带气旋灾害造成的经济损失包括直接经济损失、间接经济损失和灾害救援损失3个方面。由于灾害间接经济损失和灾害救援损失具有很大的不确定性，因此在研究过程中，参考自然灾害损失评估的相关理论，引入直接灾损率的概念表征灾害的损失程度[14]。

对2015—2018年海南受热带气旋影响的92个样本的直接灾损率进行统计分析，并划分为5个等级（表2）。

表2 直接灾损率的分级标准

2 结果与分析

2.1 热带气旋灾害经济损失影响指数及其等级划分

基于上述方法得到92个样本的评估等级和实际灾情等级（表3）。分析发现，根据综合评估指数，2015—2018年热带气旋影响的92个样本中评估灾害等级为一至五级的分别有1、21、40、16、14个；根据直接经济灾损率，92个样本中实际灾情等级为一至五级的分别有2、3、36、25、26个。经济影响评估同级符合率为54.3%，差一级符合率为88.0%。说明通过模糊综合评价法建立的热带气旋经济影响评估指数可用于评估热带气旋造成的经济影响。同时，利用熵权法和层次分析法相结合得出的5个影响因子的权重依次为：极大风速>承载体易损性>影响持续时间>防灾减灾能力>过程日最大降水量。权重的大小也反映出各因子对实际灾情的影响程度，表明基于模糊综合评价法建立的模型能够较好地评估热带气旋造成的经济损失。

表3 热带气旋经济影响评估指数和直接灾损率

续表3 热带气旋经济影响评估指数和直接灾损率

2.2 热带气旋灾害经济影响评估指数验证

计算2019—2021年影响海南的热带气旋1907号“韦帕”（热带风暴级）、1912号“杨柳”（强热带风暴级）、1914号“剑鱼”（热带风暴级），2016号“浪卡”（强热带风暴级）、2118号“圆规”（台风）等17个灾情个例的热带气旋灾害经济影响指数和直接灾害损失率（表4），发现经济影响评估和实际灾情同级符合率为76.5%，差一级符合率为88.2%。由此可说明，利用模糊综合评价方法建立的海南热带气旋灾害经济影响评估模型可行，具有良好的评估效果。

表4 热带气旋经济影响评估指数验证

3 讨论与结论

本研究从致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力3个方面选取热带气旋对经济影响的评估因子，应用模糊综合评价方法计算了2015—2018年热带气旋对海南经济影响的评估指数，运用均值—标准差方法对指数进行等级划分，引入直接经济损失率表征实际灾情程度并对其进行等级划分。分析发现，经济影响指数的评估等级和实际灾情等级级别很接近，说明构建的经济影响评估指数能够反映实际灾情程度，能较好地评估热带气旋对海南经济造成的损失。此外，马清云等[6]应用模糊综合评价方法建立的登陆我国的台风灾害影响评估模型，对灾情等级的评估准确率达到70%，这也说明模糊综合评价法可用于热带气旋灾害评估，并具有良好的评估效果。唐丽丽[15]研究表明，浙江省台风灾情3个指标的相关系数排序为最大日降水量>过程累计降雨量>最大风速，这与本研究结果相一致，说明本研究选择的致灾因子合理。因此，本研究结果能够为防灾减灾决策提供科学依据。

由于热带气旋对经济的影响十分复杂，本研究采用模糊数学综合评价方法对热带气旋造成的经济损失进行定量评估，建立热带气旋灾害经济影响评估指数，该指数所需的气象数据在热带气旋影响过程中可及时获取，承灾体易损性数据和防灾减灾能力数据可依据统计年鉴数据每年更新一次，数据获取方便且能够反映实际情况；因此，利用此评估指数来评价热带气旋造成的经济损失，能够快速及时地为提高防灾减灾能力、减少热带气旋造成的经济损失提供科技支撑。另外，热带气旋造成的经济损失不仅与热带气旋本身的风雨等有关，还与受影响地区的承灾体易损性、防灾减灾能力等密切相关。本研究建立的热带气旋灾害经济影响评估指数，还需要更多的实例来评估检验和优化。

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The Assessment of Economic Loss of Tropical Cyclone Disaster in Hainan Based on Fuzzy and Comprehensive Evaluation

LI Wentao1,3ZHANG Mingjie2,3ZHANG Jinghong2,3ZHANG Yajie2,3YANG Jing2,3

(1. Hainan Province Meteorological Detecting Center, Haikou, Hainan 570203, China;2. Climate Center of Hainan Province, Haikou, Hainan 570203, China; 3. South China Sea Meteorology and Disaster Mitigation Research Key Laboratory, Haikou, Hainan 570203,China)

Tropical cyclone was one of the most important disastrous weather affecting Hainan which often caused serious economic losses. In order to scientifically and quantitatively assess the degree of economic losses caused by tropical cyclones, five indicators for assessing the economic impact of tropical cyclone disasters were selected and constructed from the risk of disaster-causing factors, the vulnerability of the disaster-bearing body, the disaster prevention and mitigation capacity. The impact index of tropical cyclone on Hainan economy in 2015—2018 were calculated by fuzzy and comprehensive evaluation, and the index grade was classified by mean-standard deviation method. The direct economic loss rate was introduced and graded to characterize the actual disaster degree. The result showed that the assessment level calculated by the economic impact assessment index of tropical cyclone constructed by fuzzy and comprehensive evaluation method was very close to the actual disaster level, which indicating that the economic impact assessment index could reflect the actual extent of the disaster and assess the damage caused by tropical cyclones to Hainan's economy. The research results could provide technical support for making a scientific and reasonable emergency plan and strengthening the defense ability to deal with typhoon disaster.

tropical cyclone; economic loss; impact assessment; fuzzy and comprehensive evaluation

P49

A

10.12008/j.issn.1009-2196.2022.09.023

2022-03-28；

2022-05-31

海南省气象局业务技术提升项目（No.HNQXJS202010）；海南省自然科学基金项目（No.420QN370）；海南省重点研发计划项目（No.ZDYF2019113）。

李文韬（1983—），男，高级工程师，研究方向为气象灾害评估、大气探测等，E-mail：1507813107@qq.com。

张明洁（1987—），女，高级工程师，研究方向为气象灾害评估、应用气象、应对气候变化等，E-mail：zmj_0203@163.com。

（责任编辑 林海妹）