災害風險的時空差異研究

0自然災害風險的時空差異近年來，隨著自然災害發生頻率的增加，自然災害風險分析變得越來越重要。全面認識和評估自然災害給人類社會造成的風險,既是防災減災工作的基礎環節,也是人類社會經濟可持續發展的迫切需求。然而,當前的自然災害風險研究大多集中在風險的不確定性、危害性和復雜性等靜態特性上,鮮有人關注災害風險潛在而又突出的特性“動態性”,即風險并非靜態不變,它會隨時間與空間的變化而呈現出差異。正確認識災害風險的時空動態特性有著重要現實意義,將有助于制定不同地域和時域的災害風險管理措施。開展災害風險時空差異研究的首要前提是正確掌握災害風險的時空尺度。自然災害作為一種地理過程,在本質上是尺度依賴的。任何地理過程都具有內在的尺度特性,對地理過程的辨別與建模事實上都是對一定尺度現象的刻畫。尺度的關注是地理過程研究的一個重要挑戰,自然災害也不例外。風險與災害有所區別,災害強調發生過的,而災害風險則是未來可能發生某種或某幾種自然災害現象與過程的情景,具備不確定性。這種不確定性不僅表現在風險來源于許多不確定要素,還表現在這些不確定要素在時空域上的變化和波動,而在不同時空尺度上,這些變化和波動所遵循的規律及其具有的基本特性存在著很大的差異。因此,時空尺度的研究是深刻認識、恰當評價和有效管理災害時空風險必須關注的首要問題。1關于“尺度”的定義一般而言,尺度是指經歷時間的長短或在空間上涵蓋范圍的大小。Cao和Lam提出了四種與空間現象有關的尺度:(1)制圖尺度或地圖尺度,指地圖比例尺,大比例尺地圖提供更詳細信息;(2)地理尺度,即研究區域的空間擴展,大的研究區域具有更大尺度;(3)分辨率,指空間數據集中最小的可區分部分,越細的區分單位具有越小的尺度;(4)運行尺度,指地學現象發生的空間范圍,如森林具有比單棵樹更大的運行尺度。同樣,Montello指出尺度的四方面的含義:(1)制圖的尺度,地圖大小與地球大小的比率;(2)分析的尺度,分析者選擇研究的單元的大小;(3)現象的尺度,結構和過程發生的大小;(4)類似“細節”、“粒度”、“分辨率”、“概括”等尺度概念。而Bloschi等則給出了過程尺度(Processscale)、觀測尺度(Observationscale)和模擬尺度(Modelingscale)的定義,認為過程尺度是隨自然現象發生且無法控制的尺度,而觀測尺度是根據測量技術和實際需要自由選擇的尺度。通常,地理過程的研究尺度主要包括“廣度”(Extent)和“粒度”(Grain)這對孿生指標。廣度是指研究對象或現象的區域范圍及時間跨度,即時空域的概念。其中,空間廣度有球觀、域觀、局部觀和微觀四級,時間廣度則有世紀觀、年際觀、月際觀和日際觀四級;粒度是考察事物或現象的精度,以及信息和知識的抽象度。粒度在物理學中指微粒或顆粒大小的平均度量,在地學分析中可看作像素的大小、地理目標的分辨率、空間數據和現象的認知層次等。廣度與粒度之間即存在區別,也存在著某種固定關系,即:觀察的視野越開闊、考察的年代越長久,其觀察物體的細節就越粗略、越概括,就是說廣度和粒度在一定程度上成反比關系。另外,需要強調的是在實際研究中,廣度和粒度的確定和以下幾個方面密切相關:(1)研究的地理現象和地理目標;(2)數據的采樣方法;(3)對現象和目標的具體分析內容。2自然災害情景si表達根據風險的原始特性,黃崇福等提出了風險(Risk)的情景定義:風險是與某種不利事件有關的未來情景集。根據該定義,區域自然災害風險可以被定義為:由自然變異為主因導致的區域內未來不利事件情景集。在情景定義下,可用三元組對風險進行形式化表達。式中:Risk表示風險;Si是一個未來災害情景;P(Si)是災害情景Si發生的概率,X(Si)是災害情景Si發生后造成的損失,N表示未來可能出現的災害情景總數。當考慮災害風險存在時空差異時,式(1)被進一步修正為:式中:T表示災害風險的時間域因子;C表示災害風險的空間域因子;N0表示在有限時空域下未來災害情景總數。根據尺度理論,災害風險的時空域因子包括時空廣度和粒度,即式中:te表示風險的時間廣度;tg表示風險的時間粒度;ce表示風險的空間廣度;cg表示風險的空間粒度。空間和時間廣度用于確定了風險的有限時空范圍,而空間和時間粒度則可用作評價風險時空差異的最小單元。史培軍從系統論的角度出發將自然災害系統歸納為致災因子、孕災環境和承災體三個基本要素。因此,任何一個自然災害情景Si實質是刻畫一個特定致災因子H、孕災環境Y和承災體E三者相互作用的過程。由此可見,情景Si可表達為三要素的函數:自然災害風險的時空差異主要體現在有限時空范圍(te,ce)內不同時空粒度(tg,cg)上風險量度值的差異。通常,期望損失EL被作為風險的量度值,即:自然災害風險時空差異的圖示如圖1所示。根據不同時空粒度上的風險量度值,可以制作有限時空域范圍內的時空風險區劃圖,為更加有效地防御災害和制定更加合理精確的保險費率發揮重要的作用。3自然災害風險的時空選擇3.1自然災害的時空廣度3.1.1風險載體的種類和性質的變化空間廣度對自然災害風險有重要的影響,空間廣度的不同會帶來風險分析中風險源及風險載體種類和性質的變化,也會影響時間廣度及時空粒度的選擇。從地理空間尺度的角度出發,自然災害風險的空間廣度主要分成全球、國家、區域和城鎮四類。至于選擇何種空間廣度進行自然災害風險分析,常常取決于研究者的研究目標及應用范圍。3.1.2災災環境與承災體的時間廣度分析時間廣度是自然災害風險的有效時間范圍,常用的時間廣度單位有百年、十年和幾年三種。自然災害是致災因子、孕災環境和承災體三要素相互作用的產物,因此選擇自然災害風險時間廣度需綜合考察三要素的時間特性。(1)不同類型的致災因子,其災害風險具有不同的有效時間廣度,例如極端氣候變化是一種中長期效應,其風險有效時間廣度在幾十年甚至百年;地震災害發生的時間頻率也較長,其風險有效時間廣度為5~10年;洪澇災害常幾年發生一次,其風險有效時間廣度為1~5年;沿海臺風災害常隔年發生,其風險有效時間廣度為1~3年。由此可見,從致災因子角度出發評判災害風險的時間廣度時,可以以致災因子出現的頻率作為標準。(2)孕災環境是孕育災害發生的自然與人文環境,以自然環境為主,諸如地貌變化和土地覆蓋變化等。通常,孕災環境相對穩定、不易發生變化。因此,從孕災環境角度上出發評判災害風險的時間廣度應是幾十年。(3)承災體是災害要素中最重要也是最靈活的要素,沒有承災體,災變構不成災害更談不上災害風險,而且承災體種類與特質的不同還導致了災害風險時間廣度的多樣性。從承災體角度上評判災害風險的有效時間廣度時,可從如下三個方面進行識別。(1)保持承災體“價值”存在的有效時間范圍。既然災害風險依賴承災體某種“價值”而存在,只有在承災體這種“價值”存的時間范圍內災害風險才有意義,其使用的時間廣度應小于、等于這個有效時間范圍。(2)承災體“規模”、“行為”和“價值”發生顯著變化的時間范圍。承災體會隨自然、社會和經濟的發展而發生規模、行為和價值的顯著變化,例如城鎮規模的擴大、人口規模的增加、農作物種植面積的擴大、城市基礎設施的增加、人口分布的變化、社會經濟價值的增長等。此時,災害風險使用的時間廣度應小于或等于承災體“規模”、“行為”和“價值”發生顯著變化的時間范圍。(3)防災減災能力變化的有效時間范圍。影響防災減災能力變化的要素主要與具體的監測措施、預測預報措施、防災備災措施、應急措施和具體的恢復重建措施的力度和科技水平有關,而這些措施變化的有效時間范圍主要取決于社會經濟的整體發展水平、科技發展水平和對防災減災事業的重視程度和整體投入。綜上所述,確定災害風險時間廣度時需綜合考慮致災因子、孕災環境及承災體的有效時間范圍,選取其中最小的有效時間范圍作為風險有效的時間廣度。另一方面,從災害風險時間廣度的研究中可以得出一個重要結論,并非一次災害風險評估就能永久生效,災害風險評估結果存在時間上的有效期。災害風險的有效時間廣度便是判斷災害風險評估有效期的一個重要指標,超出有效時間廣度的災害風險評估結論需要重新修正,相應的風險區劃圖也需隨之更新。3.2自然災害風險的時空粒度3.2.1空間粒度的空間粒度災害風險的空間粒度反映了風險空間評價對象的粗細和角度上的不同。也就是說,粗略的評價對象和全角度的考察是粒度大的表現,反之細微的評價對象和獨特角度的考察是粒度小的表現。災害風險空間粒度通常可以分為國家、省、市縣、網格、街區和個體六種,反映出空間評價對象由粗到細的變化。災害風險空間粒度的選擇受到如下幾個方面的影響:(1)空間粒度的選擇受到空間廣度的影響,大空間廣度的災害風險宜選用粗略的空間粒度,小空間廣度的災害風險宜選用精細的空間粒度。例如,全球災害風險宜選用國家級別的空間粒度,國家和區域災害風險宜選用省級或市縣級別的空間粒度,而城市災害風險宜選用街區或個體級別的空間粒度。(2)空間粒度的選擇受到災害風險分析所需相應空間粒度的地理數據制約,沒有相應空間粒度的地理數據就無法開展該粒度下風險空間差異分析。當然地理數據的空間重采樣可部分解決該問題,但帶來的分析結果精度卻受到很大影響。(3)除地理數據的影響外,災害樣本對災害風險空間粒度的選擇也有影響。由于災害記錄的精度限制,有時無法滿足樣本記錄的位置信息與所選的空間粒度保持一致,這給災害風險的空間精度提升帶來了障礙。此外,李金鋒、黃崇福等提出了風險的反精確理論,指出:風險具有不確定性,越精細的風險評估結果未必越準確。換句話說,風險空間粒度的選擇未必越精細評估結果就越好,合理選擇風險空間粒度是風險空間差異研究的關鍵。3.2.2第2年—時間粒度災害風險的時間粒度反映了風險時間變化的評價單元,通常可以分為年、季、月、日和時五種。災害風險的時間粒度也隨致災因子、孕災環境和承災體的時間特性而發生變化。(1)在有效時間廣度范圍內,致災因子在時間軸上的不同時間點上發生的可能性存在差異,如分析未來3年的洪澇風險時,由于該地區洪澇災害平均每兩年發生一次且今年又發生過洪澇災害,可以推斷未來3年內最可能發生災害的是第2年,未來第2年的洪澇風險較高。此外,洪澇災害發生與強降雨密切相關,年內最可能發生洪澇災害的是在7-9月間,由此推斷第3季度的洪澇風險較其他季度的風險大。這樣以年為時間粒度時,洪澇風險存在年際差異,以季節為時間粒度時,洪澇風險又存在季節差異。由此可見,致災因子發生的時間規律是識別災害風險時間粒度的關鍵。(2)在有效時間廣度范圍內,通常孕災環境的變化較少,對災害風險的時態差異影響不大,常被忽視。(3)承災體的生命周期特征與行為特征也會影響災害風險時態差異。災害發生時承災體的脆弱性是造成災害損失的主要原因,處于不同生命階段和行為特征的承災體在抵抗災害力的能力上存在差異。例如,處于分蘗期的水稻就比處于孕穗期的水稻顯脆弱,在同樣的洪澇災害力下損失更嚴重;同樣,處于夜間睡熟的人與白天屋外工作的人相比,前者較為脆弱,如遇地震災害時造成的人員傷亡較大。由此可見,只有正確分析承災體擁有的生命階段和行為階段能更好地識別災害風險分析時間粒度。綜上所述,確定災害風險時間粒度時須綜合考慮致災因子、孕災環境和承災體的時間粒度,常取其中的最小值作為時間粒度。此外,時間粒度的選擇也受災害樣本數據時間序列采樣頻度的限制,大頻度時間序列樣本常常不易轉換成小頻度樣本,限制了風險評價時間精度的提高。4典型災害風險的時空選擇4.1以時間廣度和時間粒度為單元的地震風險評估地震是一種破壞性極大的自然災害,汶川地震給我國帶來了巨大的災難,評估地震災害風險、做好防震減災工作是“十二五”期間國家減災應急的一項重要任務。目前,地震災害風險分析的空間廣度包括全球、國家、區域(多省)、省和城鎮,其中以國家和省為空間廣度開展地震災害風險評估較為普遍。全球地震災害風險評估是為全球地震防御戰略服務的,一般以不同級別地震發生頻率、國家人口分布和GDP分布為據進行評價,因此在空間粒度選擇上通常選擇國家單元。作為致災因子的地震動是一個較長期的過程,其發生的周期較長,一般不適宜用作時間廣度的約束。而作為承災體的人口和經濟,發生較大規模增長和分布變化卻可能在一定時間段內發生,常以10年為單位。因此,時間廣度上可以選用10年作為地震風險評估的有效期。在整個時間廣度范圍內,地震發生的時間規律并不明顯,人口的規律性變化也不顯著,因此一般不選擇時間粒度進行時間差異的分析。以國家為空間廣度的地震風險評估一般服務于國家宏觀層面上地震災害防災減災策略的部署。在空間粒度上,一般以省或公里網格為單元;時間廣度上,宜選擇5~10年為風險評估的有效期間。在這類空間廣度和時間廣度下,一般也不宜選擇時間粒度進行時間差異分析。以區域或省為空間廣度的地震風險評估是地震頻發地區(例如我國的西南地區、美國東南部地區等)進行地方性地震災害防御工作的一個重要依據。在空間粒度上,一般會以省或縣為單元;時間廣度上,考慮局部地區人口和GDP的變化,宜選擇5年左右作為風險評估的有效期間。與前兩種空間廣度相似,這類空間廣度下的風險評估也不選擇時間粒度進行時空差異分析。以城鎮為空間廣度的微觀地震風險評估在地震頻發的城市(諸如東京市、洛杉磯市等)中應用得最為廣泛,它在城市地震災害防范(如避難場所規劃)和巨災保險等方面發揮著重要的作用。在空間粒度上,這類評估通常宜選擇街區作為評價單元,以便開展城市具體減災措施的規劃和部署。同時,在以城鎮為空間廣度的地震風險評估,常以人口和房屋作為承災體。對于發展中國家(如我國),城市人口的增長、城市的擴張和房屋結構性能的老化近似在3~5年內會發生,因此可以選擇3~5年作為風險評估的時間廣度。由于城鎮地震風險研究實屬微觀研究,因此可以考慮地震在不同時段發生時人行為對風險的影響,在時間粒度上可選擇工作日與周末,或白天與夜晚等作為時間單元。地震災害風險時空尺度選擇的建議如表1所示。4.2在時間廣度和時間粒度上與農作物明確風險單元洪澇災害是我國發生頻度高、造成損失巨大的一種自然災害,汛期的防洪抗澇是我國一直以來的減災工作重心。洪澇災害發生時,造成破壞的主要對象是人、設施與農作物,其中農作物的災后絕收是我國洪澇災害造成的最主要損失,以下便以農作物作為承災體進行洪澇災害風險時空尺度選擇的舉例。洪澇災害風險分析的空間廣度包括全球、國家、流域(多省)、省和城鎮,其中以流域為空間廣度開展洪澇災害風險評估較為普遍。類似地震災害,洪澇災害也是許多國家面臨的主要自然災害之一,全球性洪澇災害風險評估主要服務于為各國提供防洪抗澇策略,在空間粒度上宜選擇國家作為空間單元。由于洪澇災害發生的頻率較高,加上近些來極端氣候導致極端暴雨天氣的頻繁出現,像中國、印度等河流較多的國家常在5年內會發生一次較大規模的洪澇災害,因此在時間廣度上宜選擇5年左右。在時間粒度上,宜選擇以年為最小單位,體現出風險在年際間的變化,找到各國高風險可能出現的年份。以國家為空間廣度的洪澇風險評估也是服務于國家宏觀層面上防洪抗澇策略的規劃和部署。在空間粒度上,一般以省或公里網格為空間單元;考慮到全國不同省份洪澇發生周期的不一致,時間廣度上宜選擇5年左右作為風險評估的有效期間。在時間粒度上,也適宜選擇以年為最小單位,體現出風險年際間的變化,從而找到全國各省高風險可能出現的年份。由于洪澇災害多集中發生在流域上,因此以流域(多個省或一個省)為空間廣度開展洪澇災害風險評估最為常見,它為針對性地抵御區域洪澇災害提供依據。在空間粒度上,一般選擇省、市縣或公里網格作為空間單元,其中以市縣行政單元最合適。在時間廣度上,考慮到單個流域洪澇發生頻率較高(例如我國的淮河流域,平均每3~5年便發生一次洪災),可選擇3~5年作為風險評估的有效期間。至于時間粒度,可選擇的模式較多。為體現極端暴雨天氣出現的周期性和集中性,可選擇年、月和季節作為時間粒度;為體現農作物不同生長期洪澇風險的差異,可選擇農作物生長期作為時間粒度。開展微觀的城鎮洪澇災害風險評估通常是針對城市暴雨內澇災害,以村鎮、街區和不規則格網為空間粒度為常,在分析的方法上常采用模擬仿真技術。在時間廣度上,考慮到暴雨頻率較高的城市由于內澇發生頻率較高,宜選擇3年左右作為風險的有效時間范圍。在時間粒度上,與上一種情況相同,可選擇年、月和季度來體現暴雨天氣造成洪澇風險的差異,也可選擇生長期來體現農作物不同生長期洪澇風險的差異。洪澇災害風險時空尺度選擇的建議如表2所示。4.3評估時間廣度臺風是我國沿海地區危害性較大的自然災害,歷年來臺風給沿海城市造成了巨大的經濟損失。從臺風災害風險評估的應用目的來看,目前的臺風災害風險分析的空間廣度包括全球、區域(多省)、省和城鎮。由于臺風主要集中在沿海地區,有較顯著的地域性,通常以國家為空間廣度進行風險評估較少,意義也不明顯。從全球空間廣度出發的臺風風險評估,通常是評估未來全球氣候變化下臺風造成全球經濟損失的風險。風險評估的結果通常是展現不同國家之間臺風風險的差異,為各國臺風災害防御提供全球性的戰略指導。因此,全球空間廣度下臺風風險的空間粒度以選擇國家為宜。此外,從氣候變化引發臺風的致災因子角度出發來看,氣候變化是一個長期漫長的過程;而從地區經濟發展水平出發的承災體特性來看,經濟發生全球性的大變化也是個長期過程。因此,全球臺風風險評估的有效時間廣度可選擇以10年為單位,時間粒度選擇以年為單位,從而展示出未來10年內不同年份臺風風險可能的變化趨勢。通常,臺風集中影響沿海大范圍區域,因此以沿海區域(涉及多個省)為空間廣度進行臺風風險評估是目前國家宏觀層面上評估臺風風險的重要方式。在這樣的空間廣度下,宜選擇省行政單元、市縣行政單元或公里格網單元作為風險評估的空間粒度。至于選擇何種空間粒度,應以