中国台风灾害综合风险评估研究.ppt

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1、中国台风灾害综合风险评估研究,博士学位论文答辩,博士生：周俊华 导 师：史培军 教授 北京师范大学资源学院灾害与公共安全研究所 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室 二零零四年十二月十八日,内容提要,研究背景和研究目标 西北太平洋热带气旋风险分析 中国台风灾害综合风险评估 台风灾害风险管理 结论和讨论,中国台风灾害综合风险评估研究,台风灾害主要由大风、暴雨、风暴潮及其引发的次生灾害所造成。,风暴潮,巨浪,台风致灾因子,强风,暴雨,一 研究背景与研究目标,每年平均7.2次台风登陆中国大陆,中国台风,土地: 12.5% 人口: 38.9% GDP: 57.3% 财政收入: 61.6%,一

2、 研究背景与研究目标,年平均 200亿损失 1996损失达到970.7亿元 损失有增加的趋势,严重的台风灾害损失,中国台风灾害经济损失（2000年不变价格）,一 研究背景与研究目标,台风灾害是我国的主要灾害，每年带来严重的经济损失与人员伤亡，威胁到沿海的区域可持续发展 从全球变化角度看，虽然不足以证明西北太平洋台风发生频率和平均强度有增加的趋势，但是少有的极具破坏力的强台风会随着全球海平面温度的升高而相应增加。这就说明少数台风灾害可能会造成更为严重的影响。 “开展全国自然灾害的风险分析急需开展重要经济开发区的自然灾害风险综合分析和城市重大自然灾害的风险分析” 中国21世纪议程：中国21世纪人口

3、、环境与发展白皮书 对于台风灾害的社会经济影响，特别是风险研究方面，研究还比较少。而美国早在1980年代，就全面开展了加勒比海沿岸地区飓风灾害风险评估工作（Howard Kunreuther，et al., 1998）,选题依据,一 研究背景与研究目标,国内外研究进展自然灾害综合风险评估（1）,主要灾害学派,致灾因子学派 承灾体学派 孕灾环境学派 灾害系统学派,从要素到综合,一 研究背景与研究目标,当前灾害与风险研究都高度重视人类活动在灾害与风险形成中的作用机制，并应将二者的研究紧密结合起来（Ikeda，2003） 。 灾害研究中，将灾害脆弱性评价与风险评价相结合； 风险研究中，将风险评价与形

4、成风险的致灾因子危险性评价相结合； 灾害防御政策制定中，将减灾工程措施与非工程措施相结合； 风险管理中，将风险管理的政策制定等非工程措施与风险控制的工程措施相结合,总之，综合风险研究已成为与全球变化研究相类似的多学科交叉研究的综合学科前沿领域；与全球变化科学和可持续发展科学的发展一样，正在走向更高层次的综合与集成研究阶段，它们共同构成地球系统科学发展的主要方向（史培军等，2004）。,一 研究背景与研究目标,国内外研究进展自然灾害综合风险评估（2）,灾害风险评估,广义概念：,孕灾环境稳定性评估,致灾因子危险性评估,承灾体脆弱性评估,狭义概念：,致灾因子及其可能造成的 灾情之超越概率的估算,Ri

5、sk=ProbabilityConsequences (风险) （事件概率） （可能灾情）,Danger Hazard Risk (危险) （危险性） （风险）,灾害 系统 风险 评估,灾害 风险 评估,一 研究背景与研究目标,19世纪，台风有一些零星的记录。 20世纪初，一些学者对东亚台风的生成、路径和结构都有所研究。 1940年代，气象开始用飞机探测台风，也包括雷达等。 1950年代，李宪之提出“台风生成综合学说”理论 锐尔的热带气象学、竺原彰的台风论、高由禧和曾佑思的台风路径图及其一些统计、陈锡章的太平洋台风的发生发展和赤道天气图。 1960年代和1970年代，台风的数值模拟 Charn

6、ay、Eliassen（1964）、Oogama（1964）等人提出的CISK机制（即热带气旋发生发展的第二类条件不稳定理论）。 1970年代末以来，台风实验 陈联寿和丁一汇合著的西北太平洋概论 1980年代以来，Oogama（1982）等人提出的多尺度相互作用促使热带气旋的形成和发展的理论。,国内外研究进展台风形成机理,一 研究背景与研究目标,近百多年来的台风资料，对台风的年际变化、季节变化、发生源地和强度的时空分布特征、路径类型等方面进行了统计分析和地理描述。 1. 从空间上看 在全球范围内，西北太平洋的台风总数和年均次数最多。 西北太平洋台风生成最集中的地区主要分布在中国南海、菲律宾群岛

7、以及马里亚纳海群岛附近（陈世荣，1990）。 西北太平洋台风出现最多的区域大约在147.5E和10-30N以西到105E和20N呈三角形区域（乐群，董谢琼，马开玉，2000）。 登陆我国的台风主要集中在18-26N，及从海南到福建的南方各个省份（陈敏，郑永光，桃祖钰，1999）。,一 研究背景与研究目标,国内外研究进展台风时空分布,1949年以前台风频数偏少，平均每年20次，最多是1938年共出现32次，最少是1885和1901年仅有9次（乐群，董谢琼，马开玉，2000）； 1949年以后台风频数明显增多，平均每年35.6次（陈敏，郑永光，桃祖钰，1999）。 1950年代台风数目目有所下降，

8、而从1959年到1972年，热带气旋数目增多，然后又开始下降，除了1980年代后期和1990年代初期略有增加外，一直保持这种下降趋势。特别是1990年代后期，几乎达到了最低值（J.C. Chan, J.E. Shi, 1996）。 多登陆台风年主要出现在1880年代末，及1960年代到1970年代（王绍武，龚道溢，陈振华，1999）。 登陆华东和华南的台风具有3-5年的周期震荡（田辉，马开玉，林振山，1998）。,2. 从时间上看,国内外研究进展台风时空分布,一 研究背景与研究目标,台风灾害致灾因子的研究，主要集中在台风频率分布图研究上，很多地图集刻画了台风影响地区的台风分布规律 中华人民共和

9、国气候图集（2002） 中华人民共和国自然地图集（1999） 中国自然灾害地图集（张兰生主编，1992） 中国自然灾害系统地图集（史培军主编，2003） 西北太平洋热带气旋气候图集（1982）,国内外研究进展台风致灾因子风险分析,一 研究背景与研究目标,V(r)距离台风中心为r的大风风速 Vm最大风速 Rgale最大半径 RMW最大半径,台风结构,风眼,Swiss Re, Partner Re, 1997,一 研究背景与研究目标,建筑物易损性方面 海岸带对台风暴雨和风暴潮的抵御能力 社会经济的角度分析区域脆弱性,国内外研究进展台风灾害脆弱性分析,一 研究背景与研究目标,许启望等（1998）对利

10、用经验关系式采用直接经济损失和灾度二个综合性因子进行台风风暴潮灾害的损失评估。 卢文芳计算了1949-1990年影响上海地区台风造成的人员伤亡、农田受淹、房屋倒损三方面的灾情指数，并在此基础上划分灾害等级（卢文芳，1995）。 林继生等发展了国民经济直接损失模式（ELM）和倒损房屋数量模式（HCM和HDM）等灾害损失预测模式（林继生，罗金玲，1995）。 美国旅游保险公司（Travelers Insurance Company）的研究小组对台风损失估价做了比较全面的研究（Friedman的模式）。 中国国家气象局也建立起基于经验和统计的台风损失预测模型（Yao X., Tian C. and

11、Fan Y., 1993）。 台风综合灾情指数（黄崇福，2000；樊琦，梁必骐，2000；丁燕，史培军，2002）。,国内外研究进展台风损失评估,一 研究背景与研究目标,马宗晋等，灾度；刘燕华等，损失深度；于庆东等，生命损失价值 灾度判别法、模糊综合评判、物元分析、神经网络等灾情等级模型。,美国加勒比海灾害减轻项目（Caribbean Disaster Mitigation Project），TAOS系统（JanCVermeiren, 1997），这个系统的精度相对于传统的WHAFIS和SLOSH模式有比较大的提高。 美国也很早对Camille台风进行模拟，给出了50英里海岸线每年发生台风或者

12、强台风的概率（美国商业部，1976），同时运用经济模型，用1970年的参数预测2000年的社会经济状况，以此推断同样强度的台风对生命和财产的影响。 目前对台风灾害风险评估仍未有成熟的方法，国内已有的研究主要是台风危险性分析，其手段主要是找出与台风相关因子，然后进行打分评估。 丁燕等（2002）提出了台风综合评估模型，在不考虑防灾减灾措施下的风险值模型综合考虑了致灾因子和承灾体易损性，但是对于选择合适的指标体系和权重、考虑环境影响因素等还需要进一步的研究。,国内外研究进展台风灾害风险研究,一 研究背景与研究目标,（1）灾害综合风险评估，是对灾害系统进行全面的风险评估，包括致灾因子风险分析、承灾体

13、脆弱性评价、孕灾环境稳定性评估等方面。 （2）中国台风灾害综合风险研究比较少。,基本认识,一 研究背景与研究目标,针对中国台风灾害系统研究的现状，在分别建立致灾因子时空强可能性模型、承灾体脆弱性评价模型和台风损失评估模型的基础上，对中国台风灾害进行综合风险评估，并应用评估结果，进一步探讨台风灾害风险管理模式和预防措施。,研究目标,一 研究背景与研究目标,数据库的建立,1949-2000年共计51年的热带气旋年鉴资料。 热带气旋概况、 热带气旋纪要表、 热带气旋对我国的影响简表、 热带气旋路径图、 热带气旋中心位置资料,二 西北太平洋热带气旋风险分析,基本信息主要有 （1）台风简要信息：台风序号

14、、名称、起始日期、终止日期、强度等级、中心气压极值、最大风速极值、源地经纬度、登陆点的经纬度、登陆时的风速级别、登陆时的中心气压、路径趋向等。 （2）每6小时台风中心为主信息：热带气旋灾害编号、名称、中心位置经纬度、中心气压、最大风速等。,热带气旋的年际年内变化,19492000年西北太平洋共发生热带气旋1444次，平均每年27.77个。,每年登陆台风数频率,二 西北太平洋热带气旋风险分析,热带气旋在2月份发生次数最少，然后逐渐增多，8月份发生次数最多，然后从9月份又逐渐减少。另外可以看到，热带气旋集中发生在7、8、9、10这4个月，占到了总数的68.6%。,热带气旋的年际年内变化,二 西北太

15、平洋热带气旋风险分析,热带气旋路径频数统计 (1949-2000),单个台风,1年统计,50年统计,二 西北太平洋热带气旋风险分析,1 1 经纬度网格统计,二 西北太平洋热带气旋风险分析,西北太平洋热带气旋路径频数分布（1949-2000）,北京,慕尼黑保险公司，2000,二 西北太平洋热带气旋风险分析,1950S,1960S,1970S,1980S,1990S,年际变化,春季,夏季,秋季,冬季,多数台风在10-20N之间向偏西方向移动，于菲律宾吕宋岛东侧的海面上分成三部分： 一部分向西进入南海北部后又分成两支，一支继续西行，经我国海南省及其附近海面到达越南北部，另一支北上登陆广东； 另一部分

16、向东北方向移动经我国台湾省后在东南沿海登陆，或继续北上移往山东半岛、辽东半岛一带； 还有一部分转向移往日本。,热带气旋路径图,二 西北太平洋热带气旋风险分析,少数台风沿20N附近西移，到130E左右向西北方向进入东海，然后北移经朝鲜半岛南部转向日本。,N=log10(v12v22Vn2), vn表示各次热带气旋中心风速。,热带气旋风速强度指数和热带气旋中心位置次数的分布相差不大，但风速强度指数最高值范围明显比中心位置次数高值区分布范围广，覆盖了从110-140E、10-20N的区域，包括中国海南岛、台湾、广东附近的岛屿，而这些地区热带气旋中心位置次数并不是最高，由此看出，这些地区热带气旋大风比

17、较强劲，受热带气旋大风的威胁严重。,热带气旋风速强度指标分布图,热带气旋中心位置次数分布图,热带气旋风速强度分析,热带气旋风险分析（1）,西北太平洋热带气旋大风概率,西北太平洋热带气旋大风累计概率,热带气旋风速主要分布在小于50m/s的范围内，风速为50m/s累积概率达到92.93；风速为75m/s的大风占到99.41，说明风速75m/s以上的大风比较罕见，仅有0.59的可能。,y=0.5539e-0.3814x (r2=0.9609),二 西北太平洋热带气旋风险分析,热带气旋最大风速的概率呈指数分布,V 为最大风速,为参数,热带气旋风险分析（2）,选取落在网格单元内的所有风速为论域空间,（x

18、1, x2, x3, xn）,二 西北太平洋热带气旋风险分析,选取落在网格单元内的所有风速为论域空间，则令信息分配控制点定为： u= u1,u2,ui,u15,则各个风速可以用隶属度函数的分布来表示落在控制点范围内的贡献率，如下式：,其中vi为风速值，uj为信息分配控制点。,信息扩散（黄崇福）,概率函数的拟合,二 西北太平洋热带气旋风险分析,西北太平洋热带气旋大风频率分布图,10年,20年,50年,台风灾害对中国海洋经济的影响评价,海洋灾害经济损失（1989-2003年）,海洋灾害死亡、失踪人口(1989-2003年）,年平均损失达到了108.9亿元，其中损失最大的年份为1997年，达308亿

19、元的损失（9711）。 从1989到1997年之间，海洋灾害造成的经济损失呈现上升趋势，而从1997年以后，经济损失略微降低，基本保持在60-100亿元的损失之间。,海洋灾害的人员伤亡基本保持在每年600人左右。 1994年死亡、失踪人数最多，达到了1248人，各年人员损伤基本保持在500左右浮动，近几年来死亡、失踪人数有所减少。,二 西北太平洋热带气旋风险分析,中国海洋功能分区,北京,台风灾害对中国海洋经济的影响评价,二 西北太平洋热带气旋风险分析,渔场、 油田、井架 生态区,提取台风过程气象站点,三 中国台风灾害风险评估,致灾因子风险分析气象要素提取,台风过程风速与总降雨量之间的关系（1）

20、,三种类型： 第一类型为大风主导型； 第二类型为降雨主导型； 第三类型为降雨-大风叠加型。,三 中国台风灾害风险评估,降雨-大风叠加型台风降雨与大风关系图,台风过程风速与总降雨量之间的关系（2）,三 中国台风灾害风险评估,各省台风风速概率及累积概率分布图,倒损房屋,伤亡人口,受灾面积 死亡人口 受伤人口 倒塌房屋 损坏房屋 经济损失,124场典型台风灾害资料,三 中国台风灾害风险评估,台风灾害损失数据的整理,中国东部台风经济损失与受灾面积（1991-2000年）,经济损失与GDP,受灾面积与地均农业产值,三 中国台风灾害风险评估,经济损失幂次定律研究（1）,等级排序统计与幂次定律分布基本原理

21、等级排序统计的第一步需要将样本进行排序： L1L2L3LrLn-1Ln 其中L1为最大值，Ln为最小值。这种排序统计对分析经济损失的最小值和最大值很有帮助，而我们一般关系最大值的分布。根据一般统计经验，等级为r的损失值Lr和r的大小有关，而且它们之间近似指数分布的关系，即,根据Zipf排序法则，两边取对数，从而,三 中国台风灾害风险评估,台风灾害经济损失与等级排序对数关系,下一场最严重的台风可能带来1044.88亿元的损失。,损失预测,经济损失幂次定律研究（2）,三 中国台风灾害风险评估,广东,福建,浙江,广西,江苏,湖南,山东,辽宁,各省台风损失等级排序方程统计,三 中国台风灾害风险评估,台

22、风灾害灾情评价指标体系,台风灾害等级和单指标分级标准,台风灾害灾情强度分级与转换函数关系,三 中国台风灾害风险评估,灾害损失等级划分及灾情比较的定量化模型,首先设序列为：U0（U0j），（U0j）1，j1，2，m）；比较序列为Ui(uij)，(i=1，2，3，)。参与序列U0的含义为：灾害的各单项指标的转换函数值皆为1，及属于标准的巨灾。比较各次灾害的转换函数值序列Ui与它的关联程度，计算出关联度，据此来比较灾情。,显然，r0i的值域为0.5, 1。关联度越大，则说明灾情严重；反之，关联度越小，说明灾情越轻。由于关联度的大小反映灾情的重轻，故可以通过关联度的取值来划分灾害等级。,三 中国台风灾

23、害风险评估,关联度与灾害等级的对应关系,将关联度从大到小进行排列，即得关联度顺序。关联度顺序反映了灾情由重到轻的排序，由此得到各次灾情重轻的比较关系，此时定义灾情指数 Lindex等于关联系数r。 Lindex=r,损失指数与各指标的相关关系,* 表示通过0.01的显著性水平的检验,三 中国台风灾害风险评估,损失与气象要素之间的相关关系,受灾面积、受伤人口、经济损失与降雨量之间有很高的正相关关系； 最大风速与受灾面积、受伤人口的也表现出正相关关系； 最低气压与受灾面积之间呈现负相关关系。 灾情综合指标的损失指数来看，它与降雨量、最大风速、最低气压都有明显的相关关系，都表现出比灾情单指标（受灾面

24、积、受伤人口、经济损失）与气象要素（降雨量、最大风速、最低气压）更强的相关性,三 中国台风灾害风险评估,其中Ta-受灾面积指数，Td-伤亡人口指数，Te-经济损失指数，Tr-综合损失指数； P-台风过程降雨量，W-台风过程最大风速。,受灾面积、伤亡人口、经济损失以及综合损失指数都可以用台风过程降雨量和最大风速的线性方程来表示，其中受灾面积被降雨量和最大风速的线性关系式达到32的解释率，伤亡人口为28，经济损失为18，综合损失指数为31。,损失与气象要素之间的相关关系,三 中国台风灾害风险评估,台风灾害脆弱性评估-台风风速与损失关系图,时间段 0,T P风速超过S的概率 CF(S) 风速超过S的

25、次数,等式 (1),等式 (2),P(S, t) 在t 时段内，风速超过S的概率,风速概率,蒙特卡罗模拟台风灾害损失,三 中国台风灾害风险评估,从概率分布上来看，在时刻 0,T内，台风风速概率分布:,Pr(Xx) 是时刻x之前风速的概率分布,脆弱性模型表明了风速与受灾程度之间的关系，我们通过前面的分析，可以发现，基本成指数分布：,S风速,三 中国台风灾害风险评估,那么损失发生在xT的时刻,损失的期望E (Lt)和概率 Pr(XT)能够用上面的式子表达。评价损失Lt能够用随机的t来进行模拟,假设脆弱性模型的损失和时间t都是随机的，那么损失可以用xT的时候的期望得到.,三 中国台风灾害风险评估,损

26、失模拟结果,浙江、广州的期望损失最大，一次台风灾害的期望损失分别达到22亿和18亿的损失，其次是福建、广西，江苏省的期望损失最小，仅为4亿元。,三 中国台风灾害风险评估,台风灾害危险性评价（1）,指标体系（D） 台风频数（A1）、人口密度(A2)、耕地面积密度(A3)、地均GDP(A4)、人均第三产业产值(A5),危险性评价结果（V）： V=D.W,权重矩阵（W） 层次分析法确定各指标权重,三 中国台风灾害风险评估,台风灾害危险性评价（2）,中国各县台风灾害危险性评价图,三 中国台风灾害风险评估,危险性较大的地区还是集中在珠江三角洲和长江三角洲地区。,风险管理是风险评价的基础上，针对不可接受的

27、风险采取降低或规避措施的具体管理的过程。,风险管理的主要内容,四 台风灾害风险管理研究,区域特定时间段内的的灾害事件； 不同区域之间的气象灾害事件的时空相关性； 一个时间序列的灾害损失，以及减灾措施的效益； 减灾措施带来的损失变化。,风险管理需要解决的主要问题,空间动态随机优化模型（IIASA） （Ermoliev et al., 1997; Ermolieva, 1997; Ermoliev et al., 1998 ）,四 台风灾害风险管理研究,空间随机优化模型,本文将以省为空间统计单元，选取8个省份作为研究区域,t是随机的时间段， R0k表示储备风险， qk(i)表示在一个省份p(i)中

28、的保险比例， Ck(i)表示保险公司开展业务的成本， D(i)是模拟的台风灾害造成的损失 。,保险收入,灾害损失,业务成本,储备风险,风险,空间单元,四 台风灾害风险管理研究,保险公司可以调整策略，对广东50的范围进行台风灾害的保险，或者60的范围，这就产生了无穷的决策方式。 究竟那种是最优的风险管理手段，可以用蒙特卡罗模拟来进行分析。,目标函数,收益最大,损失最小,空间随机优化模型,四 台风灾害风险管理研究,R(t)=R0(t)-C(t),R0表示风险储备， (t)表示t时段内累计保费收入， C(t)代表t时段内的赔付额， R(t)反应了保险收入。,保险公司风险轨迹,四 台风灾害风险管理研究

29、,空间随机优化模型,这里T是一个时间段。 可以选择最小的费率x，并且这个最小的费率能够保证， Y是保险公司所能接受的最大风险。,四 台风灾害风险管理研究,空间随机优化模型,保险公司的风险准备金分布,保险公司改进的风险准备金分布,保险公司风险管理的数值模拟,四 台风灾害风险管理研究,政府部门的灾害风险管理,从我国的国情出发结合灾害频度、强度和灾损大小的分布状况，编制专项活综合的灾害区划是风险管理中的硬件。 中国第三代地震烈度区划图（1992年被国务院批准） 中国农业气象灾害与生物灾害区划 中国洪水风险区划 中国农业保险区划 中国的土地利用结构与规划 中国农业自然灾害区划图 中国自然灾害救助区划

30、中国自然灾害系统地图集,四 台风灾害风险管理研究,将政府的各个决策变量代入到空间随机优化模型中，可以得到同样的优化效果。 随机优化模型需要改变不同的函数和决策变量。,减灾投资与灾害损失的关系,四 台风灾害风险管理研究,政府部门的台风灾害风险管理,主要创新点(一),对西北太平洋19492002的台风数据进行了建库，对台风路径频数时空变异规律、台风强度、风险等方面进行了系统分析，从时间和空间两个方面分析台风特征，清楚地描绘了西北太平洋区域的台风活动 。,四 结论与讨论,通过对124次典型台风所造成的损失分析，并运用灾害系统学理论，进行了致灾因子风险评估、损失评估和脆弱性评估的深入研究，对我国台风灾害风险进行了评价。,主要创新点(二),四 结论与讨论,在对我国沿海8个主要省区研究的基础上，模拟了台风灾害的潜在损失，建立了承灾体危险性评价指标，并对危险性进行评估。,主要创新点(三),四 结论与讨论,脆弱性与恢复力的关系 灾情评估绝对指标与相对指标、多指标与单一指标 灾害风险管理的实践,四 结论与讨论,讨 论,敬请批评指正！,中国台风灾害综合风险评估研究,