臺風影響下的學校風災風險評估模型研究*
——以浦東新區(qū)部分沿海學校為例

金 玲，張欣馨，陳佩燕，顧松強，陳麗君，施 紅，張麗亞

(1.上海市浦東新區(qū)氣象局,上海 200135 ；2.中國氣象局上海臺風研究所,上海 200030;3.中國氣象局臺風數(shù)值預報重點實驗室,上海 200030)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，氣象災害造成的損失日趨嚴重，而其中臺風大風更是重大氣象災害之一，據(jù)統(tǒng)計2010—2021年影響浦東新區(qū)的臺風就有20個。作為氣象防災減災的重要技術(shù)支撐，氣象災害風險評估管理一直是學術(shù)界研究的重大課題，國內(nèi)外學者基于災害性天氣的歷史影響情況，開展過氣象災害風險評估[1-3]方面研究，但大多針對致災因子進行分析評估，比如大風或是針對單一物體，如大風影響下的獨立柱廣告牌[4]、工程區(qū)臺風大風災害評估方法的研究與應用[5]、Risk assessment of typhoon disaster for the Yangtze River Delta of China(中國長江三角洲臺風災害風險評估)[6]等，但針對某一行業(yè)單位開展氣象動態(tài)風險指數(shù)研究并且用于指導行業(yè)防御指引方面，目前相關(guān)研究國內(nèi)外尚在初步階段。根據(jù)《上海市氣象災害防御重點單位管理規(guī)定》[7]，上海所有學校均為氣象災害防御重點單位，相較其他氣象災害防御重點單位，學校本身就具有人員密集以及學生敏感脆弱性較高的特點，對于學校的氣象災害風險評估以及防御指引尤為重要。浦東新區(qū)2021年第一次自然災害風險普查數(shù)據(jù)表明，5年內(nèi)有138所學校曾遭遇臺風大風災害，臺風風災已位居浦東新區(qū)沿海學校自然災害首位，對學校安全造成重要安全隱患。故本文以浦東新區(qū)沿海學校為例，研究臺風影響下的學校大風災害風險評估技術(shù)，并由此提出學校臺風風災風險預評估服務產(chǎn)品，以此提升學校防臺減災工作的可行性和實用性。

本文主要研究臺風大風致災因子和學校承災體本身的脆弱性耦合作用[8]，基于對沿海學校風險案例和現(xiàn)場調(diào)查分析，研究方法采用AHP(層次分析法)[9]對學校日常運行風險進行分解并構(gòu)建算法，通過中國氣象局臺風研究所專家意見和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析，確定風災所對應的風險因素、風險因子及風險指標權(quán)重，制定指標體系。該體系不僅考慮了氣象致災因子的強弱差異，更多考慮氣象致災因子影響下重點單位的風險點數(shù)量和脆弱性等風險因子，其中風險點的脆弱性更是兼顧財產(chǎn)損失、生命安全和社會影響等重要因素，形成一整套完整的風險指標體系，最終計算出風險預評估結(jié)果，并對學校在臺風大風影響下形成預評估服務產(chǎn)品，提供專業(yè)防御指引。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

已有研究表明，臺風過程極大風速較過程最大風速對臺風災害影響程度更具有指示意義[10]，因此將過程極大風速值及其持續(xù)時間作為大風致災因子，梳理統(tǒng)計臺風大風的極大風速和持續(xù)時間，對部分沿海學校因臺風影響下大風風險脆弱性暴露度以及風險防御能力開展普查，建立這些學校的臺風風災風險隱患數(shù)據(jù)庫，采用AHP(層次分析法)以及專家打分法進行風險分析，制定大風風險指標打分細則，為臺風大風災害風險指標體系建立做好基礎。

圖1 臺風大風災害風險指數(shù)分析流程圖[11]

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 大風致災因子

基于2010—2021年氣候公報，統(tǒng)計每次臺風影響浦東期間，沿海自動氣象站風力8級及以上(≥17.2 m/s)的逐小時極大風速。

1.1.2 沿海學校脆弱性暴露度因子

通過風險隱患普查微信小程序開展浦東新區(qū)沿海學校脆弱性暴露度因子風險點普查，建立風災風險隱患數(shù)據(jù)庫，包括學校風險隱患點即脆弱性暴露度因子、風災防御應急能力和歷史受災情況，并由氣象災害防御專業(yè)團隊對沿海學校風險隱患普查數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場核查，確保數(shù)據(jù)的準確性。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

層次分析法。采用層次分析法制定災害性天氣重點單位風險指標打分細則，確定各指標權(quán)重，建立氣象災害風險指標體系[12]。

根據(jù)評估特性，建立綜合二元函數(shù)：根據(jù)各風險隱患點普查數(shù)據(jù)，劃分各風險指標分級區(qū)間。本研究考慮同一等級承災體脆弱性條件下，不同風力等級下風險性不同；同一風力等級條件下，不同承災體脆弱性等級風險性也不同。因此建立風力等級和承災體脆弱性等級的二元函數(shù)[13]：

Q=f(x)·f(y)。

(1)

式中：x為風力等級，y為承災體脆弱性等級(本文中以風險隱患點等級表示)，Q表示承災體脆性在對應風力條件下的風險值。

專家打分法。采用專家打分法對不同等級風險隱患點在不同等級風力情況下進行0～1標準化打分，分數(shù)越高表示風險越高。防御應急能力采用反向打分，應急防御能力越好，風險值越低。

結(jié)合風險指標體系、實時災害性臺風天氣實況、預警和短臨預報，計算針對學校在臺風影響下大風的風險指數(shù)。

暴露度脆弱性風險影響指數(shù)的估算公式如下所示：

RE=WE1QE1+WE2QE2+WE3QE3+…WEnQEn。

(2)

式中：RE為暴露度脆弱性風險影響指數(shù)；QE1…QEn為各風險隱患點(如高大樹木、單位基本屬性等)風險函數(shù)，即致災因子影響下暴露度脆弱性因子的風險值；WE1…WEn為針對各風險隱患點評價指標對應的權(quán)重系數(shù)，總和為1。致災因子危險性指數(shù)、風險防御能力指數(shù)同理。

結(jié)合風險指標體系、實時災害性天氣實況，計算重點單位分災種風險指數(shù)和綜合氣象災害風險指數(shù)。災害風險評估指數(shù)如下式所示：

R=WFRF+WERE+WVRV。

(3)

式中：R為氣象災害風險指數(shù);RF為致災因子危險性指數(shù)；RE為暴露度脆弱性風險因子影響指數(shù)；RV為風險防御能力指數(shù)；WF為致災因子危險性的權(quán)重系數(shù)；WE為風險因子影響權(quán)重系數(shù)；WV為風險防御能力權(quán)重系數(shù)。其中：

WF+WE+WV=1。

(4)

根據(jù)綜合評估結(jié)果R值，進行風險等級判定。制定指數(shù)等級標準，建立實時動態(tài)氣象災害風險指數(shù)產(chǎn)品，為學校及時采取適當?shù)拇胧┨峁┮罁?jù)。

2 研究方法及成果

2.1 基于統(tǒng)計方法的臺風大風災害風險指標體系的建立

采用AHP(層次分析法)風險分析與專家打分[14]，結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析臺風對影響學校風災風險指標要素的耦合作用[15]，將實時臺風產(chǎn)生的瞬時極大風速、持續(xù)時間等作為致災因子；從大風可能產(chǎn)生的“高空墜物”以及“倒塌”風險事件考慮[16]，通過調(diào)研及風險普查學校內(nèi)部可能產(chǎn)生風險隱患點作為暴露度脆弱性風險因子，如 “陽臺及室外存放(懸掛)物”、“高大樹木”等風險隱患點；學校自身對大風的災害防御能力的數(shù)據(jù)作為風險防御能力因子，如“臺風防御應急預案”“臺風應急演練”等，將風險指標因子分為定性指標和定量指標，分析基于臺風影響的情況下這些風險隱患點脆弱性的程度以及災害風險防御能力，建立大風風險指標體系。如表1所示，綜合考慮在臺風大風影響期間，致災因子(B1)的影響力、承災體的暴露度和脆弱性(B2)以及承災體的防御應急能力(B3)，采用層次分析法構(gòu)建準則層判斷矩陣，對各要素進行兩兩重要性比較，確定三者的權(quán)重分布。該矩陣最大特征值為3.01，一致性指標CI=0.007，一致性比率CR=0.014，CR<0.1通過一致性檢驗，因此得出準則層三個因子的權(quán)重，如表2所示。下文各指標層權(quán)重均由層次分析法得出，均通過一致性檢驗。

表1 準則層判斷矩陣及權(quán)重

表2 學校臺風大風風險準則層評估模型

2.1.1 臺風大風致災因子權(quán)重分析

致災因子是導致災害發(fā)生的觸發(fā)因素，一般通過大量的樣本統(tǒng)計，粗略地估計出區(qū)域某種致災因子的發(fā)生周期，不同致災因子發(fā)生的周期不一樣，其持續(xù)時間也不一樣。氣象上一般把8級及以上大風(≥17.2 m/s)作為災害性大風[17]，極大風速反映了大風瞬時可能帶來的危害，較最大風速更有指示意義，是臺風災害風險評估的主要致災因子[18]。大風的持續(xù)時間也是衡量大風危害的一個方面，本研究統(tǒng)計小時極大風速超過17.2 m/s的累計整小時數(shù)作為指標層“持續(xù)時間”。本文臺風影響下產(chǎn)生的災害性大風即為致災因子，故本文將實時臺風產(chǎn)生的瞬時極大風速、持續(xù)時間等作為致災因子，根據(jù)前期數(shù)據(jù)收集的近十年臺風影響浦東新區(qū)歷史數(shù)據(jù)以及從自動站獲得上述天數(shù)的臺風大風數(shù)據(jù)。表3給出了致災因子部分考慮的極大風速和大風持續(xù)時間兩個指標。

表3 致災因子權(quán)重分配表

2.1.2 沿海學校暴露度脆弱性風險影響因子權(quán)重分析

通過微信小程序開展學校風險隱患點實地普查，建立詳細的學校風險隱患數(shù)據(jù)庫，包括隱患點、制度措施隱患和歷史受災情況。其中大風風災隱患點包括大風高空墜物風險隱患點、大風倒伏風險隱患點；制度措施隱患有：應急預案是否到位、應急物資是否到位等；歷史受災情況包括歷史上受各類災害性天氣造成的事件、事故等情況，并由氣象災害防御專業(yè)團隊對學校風險隱患普查數(shù)據(jù)進行抽樣現(xiàn)場核查，確保數(shù)據(jù)的準確性，形成臺風大風風災數(shù)據(jù)庫，依據(jù)臺風大風風災風險普查數(shù)據(jù)庫獲取到承災體暴露度脆弱性作為建立指標體系的重要內(nèi)容，考慮的因素一是校園內(nèi)對風災敏感的脆弱性單體，如受大風影響可能存在或曾經(jīng)發(fā)生過高空墜落，倒塌風險的物體，如易倒伏樹木、未規(guī)范安裝的空調(diào)外機、室外懸掛物、簡易或臨時建(構(gòu))筑物等。二是學?；厩闆r，如性質(zhì)、容積率、敏感人群比例、人口密度等。表4給出了承災體暴露度和脆弱性考慮的三個指標，即懸掛物、建筑類和單位屬性。對指標層的三個指標，分別細化到校園內(nèi)非規(guī)范安裝的空調(diào)外機數(shù)量、陽臺及室外存放(懸掛)物數(shù)量等目標層。

表4 承災體暴露脆弱性因子指標體系和權(quán)重分配

2.1.3 沿海學校風險防御能力

沿海學校風險防御能力尤為關(guān)鍵，基于對氣象防御能力的再理解，共包括6個方面，即制度適應能力、風險識別能力、備災與應急管理能力、技術(shù)與工程防御能力、經(jīng)濟支撐與減災保障能力、部門聯(lián)動與社會保障能力[19]，以上是承災體脆弱性的縮減因子，可以通過完善相關(guān)制度，建立氣象防災減災預案和開展應急演練和培訓，提高其災害防御能力，降低本單位氣象災害風險[20]。主要包括：氣象災害防御預案、物資儲備、人員培訓、應急演練、防御措施等，風險防御能力指標體系及權(quán)重見表5。

表5 承災體風險防御能力指標體系和權(quán)重

2.2 風險指數(shù)計算及預評估服務產(chǎn)品

制定風險指標打分細則，計算針對學校的大風風險指數(shù)，制定指數(shù)等級標準[21]。結(jié)合風險指標體系、實時災害性天氣實況、預警和短臨預報，計算學校的動態(tài)風災風險指數(shù)，隨著承災體暴露度脆弱性的變化，可形成實時氣象災害風險預評估服務產(chǎn)品[22]，為沿海學校防災減災及時采取適當?shù)拇胧┨峁┮罁?jù),提升防御能力減少風災影響[23]。根據(jù)致災因子、承災體暴露脆弱性正向和縮減因子，評估沿海學校臺風大風綜合評估風險R值，按表6進行風險等級判定，根據(jù)實際災情綜合評估劃分風險指數(shù)為五個等級，從高到低依次為Ⅰ級(紅色，最高)、Ⅱ級(橙色，次之)、Ⅲ級(黃色，再次)、Ⅳ級(藍色，低)、 Ⅴ級(綠，最低)，提出相應防御提示(表7)。根據(jù)現(xiàn)有的天氣實況，結(jié)合評估模型，計算氣象災害風險指數(shù)等級，根據(jù)等級提出相應風險防御提示，形成預評估產(chǎn)品。

2.3 案例分析結(jié)果驗證

2.3.1 沿海學校在2021年臺風“煙花”和2014年臺風“鳳凰”期間風險評估

為了驗證臺風大風風險模型的合理性，選取5所浦東新區(qū)沿海學校，學校1、學校2、學校3、學校4均位于臨港，屬浦東新區(qū)南部沿海區(qū)域，學校5位于外高橋，屬浦東新區(qū)北部沿海區(qū)域。表7是5所不同區(qū)域沿海學?；谀Ｐ偷恼{(diào)查數(shù)據(jù)(5所學校陽臺及室外存放物均是0個，地理位置均處于周圍100 m以內(nèi)無高于單位的建筑，故不列為計算考慮)。對應的表8為計算出5所學校大風的風險指數(shù)和風險等級以及相應防御指引。

為了驗證大風風險模型的準確性，針對2021年臺風“煙花”學校3、學校4、和學校5進行實際災情調(diào)查，針對5所學校風險評估結(jié)果開展三種不同情況下的分析驗證，同時根據(jù)臺風實際情況以及災情統(tǒng)計結(jié)果以此驗證模型結(jié)果和災情是否一致，驗證防御指引是否有指導價值。

(1)致災因子不同情況下，暴露度脆弱性以及防御能力相似情況下的分析驗證。學校3為臨港地區(qū)學校，學校5為外高橋附近學校，2021年臺風“煙花”學校3受臺風影響的極大風速為34.9 m/s(12級)，8級及以上大風持續(xù)時間為43 h，學校5受到的極大風為9級，持續(xù)時間為25 h。在致災因子兩個指標中，極大風速的大小直接反應了臺風大風影響區(qū)離學校的遠近以及對學校的影響大小，若極大風速較大，那相同臺風持續(xù)影響的的時間段內(nèi)，臺風的影響力也較大，因此學校3的致災因子指數(shù)遠大于學校5，如表9所示。

表6 臺風大風風險評估等級劃分標準

表7 風險等級相應防御指引

表8 浦東新區(qū)沿海學校大風模型基本調(diào)查表

表9 臺風影響下5所學校大風風險評估結(jié)果及災情調(diào)查

由表8所見，其中學校2和學校4，學校3和學校5應急防御能力相同，在暴露脆弱性方面，由公式(1)可知，指標項的分值是極大風和指標項數(shù)據(jù)的二維函數(shù)，不同風力影響下指標項的分值不同，因此學校3的防御應急能力風險指數(shù)大于學校5，如表9所示。同樣的暴露脆弱性情況下，學校3的致災因子大于學校5，學校3和學校5相比，學校3的空調(diào)數(shù)遠小于學校5，但學校3脆弱性較高(有簡易建筑)，且學校3為小學，小學中敏感人群比重較大，因此綜合風力和暴露脆弱性指標后學校3的暴露脆弱性風險略高于學校5。最后學校3的風險指數(shù)R為0.61，學校5的風險指數(shù)為0.20，由表9可知，學校3在2021年臺風“煙花”影響期間，大風風險等級為II級，學校5為IV級，也由表9可知，學校3實際存在災情，學校5在此次臺風影響期間無受災情況，與模型得出的風險等級一致，同時由表7防御指引可見學校3為Ⅱ級風險，其中防御指引包括加固樹木、簡易建筑等，與災情風險隱患點情況一致，可見防御指引具有一定指導意義。

(2)暴露度脆弱性不同情況下，致災因子和防御能力相似情況的分析驗證。對比學校1和學校2，兩所學校都位于臨港地區(qū)，故以臨港新城站氣象自動站數(shù)據(jù)作為致災因子數(shù)據(jù)，2014年臺風“鳳凰”影響期間，兩所學校受臺風影響的極大風速均為18.8 m/s，小時極大風速超過17.2 m/s的累計時長均為3 h，因此，兩所學校的致災因子的危險性指數(shù)一致。對比暴露脆弱性指標，發(fā)現(xiàn)學校1有10個店招牌和7個簡易建筑，臺風影響過程中，風力極大，戶外店牌易發(fā)生高墜，極容易發(fā)生人損物損。同時，簡易建筑在臺風影響期間，也易被吹毀，造成物損。對比學校1和學校2，可見學校1的人口密度和容積率均高于學校2，這一定程度上增加了人損的風險。在最高建筑這一方面，學校2高于學校1，但是兩者相差不大。綜合分析，學校1的暴露脆弱性高于學校2，由表9可知，學校1的暴露脆弱性值為0.18，學校2的暴露脆弱性指數(shù)值為0.07,驗證了該模型的正確性。在防御應急能力方面，學校2有大風應急預案，兩所學校均未開展氣象災害應急演練和培訓。所以學校2的防御應急能力高于學校1，也驗證了表8中防御應急能力指數(shù)的正確性。

故在相同的致災因子情況下，學校1的暴露脆弱性和防御應急能力指數(shù)的值均高于學校2，臺風大風的風險性指數(shù)也高于學校2，根據(jù)表6沿海學校臺風大風風險評估等級劃分標準，可以得到2014年臺風“鳳凰”影響期間,學校1的大風風險為較低風險，學校2的大風風險為低風險。實際臺風“鳳凰”對上海的風力影響并不大，故兩所學校低風險情況與實際相符。

(3)防御應急能力不同情況下，致災因子和暴露度脆弱性相似情況分析驗證。學校3和學校4均為臨港地區(qū)的學校，由表8可以看到，2021年臺風“煙花”影響期間，兩所學校均受到12級大風影響，致災因子風險指數(shù)達到了0.88。暴露脆弱性方面，兩所學校差別不大。防御應急能力方面，學校3制定了大風防御應急預案也開展過防御培訓，防御能力高于學校4，所以由表9也可以看到學校3的防御應急風險指數(shù)低于學校4，最終學校4的大風風險指數(shù)較高。但由于臺風中防御應急的能力有限，所以在2021年臺風“煙花”影響過程中，同在臨港地區(qū)的學校3和學校4受致災因子影響，大風等級均為II級，為較高風險。結(jié)合表9災情數(shù)據(jù)可見，學校3和學校4發(fā)生的災情與表7中Ⅱ級風險防御指引“加固所有戶外設施、設備(店招牌、樹木、簡易建筑；建議盡量不要外出，必要外出時不要在玻璃門窗、簡易建筑、廣告牌及數(shù)目附近逗留” 較為一致，可見防御指引具有一定指導意義。

3 結(jié)語

臺風大風對學校人員安全、設施安全影響重大，但因各學校自身情況復雜、影響程度不一、風險普查難度較大，以往的風險研究更多聚焦致災因子本身，而較少結(jié)合學校暴露度脆弱性以及防御能力情況，從而影響風險評估結(jié)果。本文借力于風險普查和實例驗證的工作背景，在常規(guī)層次分析法的基礎上，研究調(diào)查數(shù)據(jù)與致災因子的關(guān)聯(lián)函數(shù)，經(jīng)過充分的大數(shù)據(jù)分析和專家打分，構(gòu)建出相應的風險因子等級標準和指標體系，最終動態(tài)分析得出針對學校的臺風大風風險預評估結(jié)果，并提供科學有效的氣象防御指引服務產(chǎn)品。

臺風影響下學校風災風險預評估技術(shù)研究確定了臺風大風風險等級以及相應的防御指引，并在多次實例驗證中分析了臺風影響下相關(guān)的學校風險隱患因子，是對學校這一敏感重要行業(yè)氣象災害風險評估的重要實踐，為將氣象服務融入學校安全治理體系提供了參考建議。

在下一步的工作研究中，推動氣象災害風險管理[24]一是在實際應用中可結(jié)合臺風期間雷達回波和智能網(wǎng)格預報運用于模型中，形成氣象服務預評估產(chǎn)品；二是將氣象災害防御指引更多應用于實踐過程中，通過更多的數(shù)據(jù)輸入和實例驗證，進一步完善臺風大風風險評估指標和技術(shù)模型，擴大評估應用的對象范圍(如覆蓋全區(qū)、上海市等)和行業(yè)領域(如工地、?；瘓鏊?；三是將研究理念和成果應用于其他氣象災害類型(如雷電、高溫、暴雨等)，分別建立各災種特有的風險評估模型，為評估對象提供全面具體、科學有效的全要素氣象災害風險評估技術(shù)方法和防御指引服務產(chǎn)品，賦能重點行業(yè)單位有效減災，通過創(chuàng)新發(fā)展減少、規(guī)避災害風險。