基于投影尋蹤法的肇慶市臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

陳榮泉，張聰慧

（1.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526040；2.廣東省肇慶學(xué)院，廣東肇慶 526040）

每年登陸廣東省并對肇慶市有嚴重影響的臺風(fēng)有2～3個。相同的臺風(fēng)發(fā)生在不同的地區(qū)，會導(dǎo)致不同的后果，如同樣等級的臺風(fēng)災(zāi)害發(fā)生在經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的地區(qū)可能造成的損失往往要比發(fā)生在荒蕪人煙的經(jīng)濟落后的地區(qū)大得多［1-2］。因此開展承災(zāi)體易損性分析，做好臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃，有利于提高防御臺風(fēng)災(zāi)害能力。許多專家學(xué)者也開展了相關(guān)研究，王奮等［3］選取人口密度、非農(nóng)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)值、耕地果園面積和固定資產(chǎn)投資額4個因子作為易損性評價因子，并通過計算得到各因子的權(quán)重，繪制了海南社會經(jīng)濟易損性分布圖；陳和等［4］以廣東省為例，建立了廣東省臺風(fēng)災(zāi)害社會經(jīng)濟易損性的評價指標體系；樊運曉等［5］通過聘請國內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害、地震災(zāi)害和洪澇災(zāi)害專家構(gòu)造指標重要度兩兩判斷矩陣，采用層次分析法確定了3類災(zāi)害的承災(zāi)體脆弱性指標權(quán)重分布。

本研究吸取了前人研究的優(yōu)點，以近年的人口、職業(yè)、社會保障、經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)林道路設(shè)施5類經(jīng)濟數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，采用因子分析法得出承災(zāi)體社會經(jīng)濟易損得分，然后加入臺風(fēng)過程降雨極值、極大風(fēng)速等致災(zāi)氣象因子，運用投影尋蹤法（projection pursuit，PP），構(gòu)建風(fēng)險評價模型，最后得出肇慶市臺風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)險區(qū)劃。相對于以往使用層次分析得出的風(fēng)險區(qū)劃，具有賦權(quán)客觀、人為干擾小、結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點［6］。

1 資料與方法

1.1 使用資料及來源

本研究使用資料：（1）經(jīng)濟數(shù)據(jù)，從《2018年肇慶市統(tǒng)計年鑒》中獲得肇慶各地人口、職業(yè)、社會保障、經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)林道路設(shè)施等5大類經(jīng)濟數(shù)據(jù)；（2）災(zāi)情數(shù)據(jù)，2018年臺風(fēng)“山竹”、“艾云尼”對肇慶市各地的直接經(jīng)濟損失，數(shù)據(jù)來源于肇慶市應(yīng)急局；（3）氣象資料，從1970—2018年對肇慶市有影響的139個臺風(fēng)案例中，各地出現(xiàn)的過程最大降雨量、最大雨量出現(xiàn)次數(shù)和最大風(fēng)速。

1.2 使用方法

投影尋蹤法可以把多個因子，通過某種組合投影到低維子空間上。一般通過構(gòu)建投影指標函數(shù)，尋找出使投影指標函數(shù)達到最優(yōu)的投影值z（i），然后根據(jù)投影值來分析各指標因子的結(jié)構(gòu)特征［7］。此方法常用于水文上根據(jù)河流流量、洪峰、致災(zāi)情況、經(jīng)濟損失等對洪水災(zāi)情進行等級評價；或在氣候上根據(jù)降水、最低氣溫、最高氣溫、日照等氣候數(shù)據(jù)結(jié)合農(nóng)作物的生長進行氣候區(qū)域的聚類劃分。

根據(jù)投影函數(shù)的特性，要求z（i）的局部投影點盡可能密集，最好凝聚成若干個點團，而整體投影點團之間盡可能散開，因此構(gòu)造投影指標函數(shù)：

其中，SZ為投影值z（i）的標準差；DZ為投影值z（i）的局部密度；za為x在方向上投影特征值均值；R為密度寬度；r（i，j）表示樣本間距，r（i，j）＝｜z（i）-z（j）｜；u（t）為單位階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時，其值為1，當(dāng)t＜0時，其值為0［8］。

2）優(yōu)化投影指標函數(shù)。當(dāng)各指標值的樣本集給定時，投影指標函數(shù)Q（a）只隨投影方向a的變化而變化，可通過求解投影指標函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向：

滿足：

這是一個以｛a（j）｜j＝1～p｝為優(yōu)化變量的復(fù)雜非線性優(yōu)化問題，因此引入加速遺傳算法來求解上述問題比較簡便。

3）建立聚類模型。把步驟（2）求得的最佳投影方向a*代入式（1），后得到各樣本的投影值z*（i），并繪制散點分布圖，按z*（i）值從大到小排序，據(jù)此可把各指標的樣本集進行分類［8］。

2 結(jié)果與分析

2.1 社會經(jīng)濟易損性量化評價

1）社會經(jīng)濟易損性評價指標構(gòu)建。

本研究以肇慶行政區(qū)域劃分（端州區(qū)、鼎湖區(qū)、高新區(qū)、高要區(qū)、四會市、廣寧縣、德慶縣、封開縣、懷集縣共9個地區(qū)），綜合國內(nèi)學(xué)者研究方法，參考隋廣軍等［9］對沿海地區(qū)受臺風(fēng)影響的易損性指標體系，確定研究社會經(jīng)濟易損性的5類指數(shù)，分別為人口易損指數(shù)、職業(yè)易損指數(shù)、社會保障易損指數(shù)、經(jīng)濟發(fā)展易損指數(shù)、農(nóng)林道路設(shè)施易損指數(shù)設(shè)定為1級指標，每個1級指標中又包含若干個因素，如表1所示。

表1 臺風(fēng)災(zāi)害社會經(jīng)濟易損性評價指標目錄

2）社會經(jīng)濟易損性綜合值計算。

（1）根據(jù)前述，每個1級指標中有若干個因素，通過因子分析提取特征值大于1的公因子，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維［10］。各項指標提取得到的因子總解釋方差都在80%左右或以上（表略），表明原有變量的信息丟失較少，因子分析的效果較好。

對9個地區(qū)的人口易損指數(shù)進行分析，可以提取到2個特征值大于1的因子，其中第1個因子的解釋能力為72.715%，第2個因子的解釋能力為21.148%，總解釋方差為93.9%。同理職業(yè)易損指數(shù)第1個因子的解釋能力為39.49%，第2個因子為29.477%，第3個因子為20.114%，總解釋方差為89.1%。社會保障指數(shù)第1個因子的解釋能力為47.175%，第2個因子為45.949%，總解釋方差為93.125%。經(jīng)濟發(fā)展易損指數(shù)第1個因子的解釋能力為46.387%，第2個因子為31.941%，總解釋方差為78.328%。農(nóng)林道路設(shè)施指數(shù)第1個因子的解釋能力為54.927%，第2個因子為33.536%，總解釋方差為88.5%。

（2）根據(jù)2.1節(jié)中各公因子的解釋方差占總解釋方差的比作為權(quán)重，計算9個區(qū)域5類指數(shù)易損綜合得分（表2）。

表2 承災(zāi)體社會經(jīng)濟易損性綜合得分

同一指數(shù)的值越高，代表該指數(shù)的易損性越強，負數(shù)代表該易損性不顯著。（1）在人口易損指數(shù)方面，端州區(qū)城鎮(zhèn)人口多，個人可支配收入高，應(yīng)對風(fēng)險能力強，對應(yīng)易損指數(shù)不顯著，鼎湖、四會、高新區(qū)次之；而鄉(xiāng)村人口收入較低的德慶、封開、懷集相對顯著。（2）在職業(yè)易損指數(shù)中可知，肇慶生產(chǎn)制造業(yè)主要集中在端州、高要、四會和北部懷集，其易損性較高，其他產(chǎn)業(yè)較少對應(yīng)從事的職業(yè)較少易損性不高。（3）在社會保障易損指數(shù)中，地區(qū)經(jīng)濟越發(fā)達社會保障程度越高對應(yīng)易損指數(shù)就越低，這與肇慶市東南板塊經(jīng)濟發(fā)達，西部和北部板塊落后的經(jīng)濟分布非常對應(yīng)。（4）對于經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)林道路設(shè)施指數(shù)，高要的農(nóng)林牧漁業(yè)等第一產(chǎn)業(yè)較多，且鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施較多，四會情況跟高要類似一、二產(chǎn)業(yè)密集也處于發(fā)展上升期，對應(yīng)兩個易高指數(shù)。廣寧、德慶、封開、懷集經(jīng)濟發(fā)展都相對落后，以農(nóng)林業(yè)為主，道路基礎(chǔ)設(shè)施受災(zāi)風(fēng)險大，三大產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值不高，對應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展易損指數(shù)低、農(nóng)林道路設(shè)施易損指數(shù)高。

2.2 臺風(fēng)災(zāi)害社會經(jīng)濟易損性風(fēng)險區(qū)劃

根據(jù)表2得到的社會經(jīng)濟易損綜合得分，再結(jié)合臺風(fēng)過程降雨極值、極大風(fēng)速等致災(zāi)氣象因子，采用投影尋蹤法，構(gòu)建風(fēng)險評價模型，算出9個地區(qū)的最優(yōu)投影值，最后得出肇慶市臺風(fēng)災(zāi)害的風(fēng)險區(qū)劃，分別是極高風(fēng)險區(qū)（高要）、高風(fēng)險區(qū)（四會、端州）、中風(fēng)險區(qū)（懷集、鼎湖、高新區(qū)、廣寧）、較低風(fēng)險區(qū)（德慶）、低風(fēng)險區(qū)（封開）（圖2）。這樣的分類非常符合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟社會狀況和歷年臺風(fēng)的影響。

圖1 投影尋蹤法臺風(fēng)災(zāi)害社會經(jīng)濟易損性風(fēng)險等級分布

2.3 臺風(fēng)災(zāi)害社會經(jīng)濟易損性風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果驗證

1）臺風(fēng)影響實況。

2018年的2個臺風(fēng)“山竹”、“艾云尼”均對肇慶市有嚴重影響?！吧街瘛币晕鞅甭窂揭苿訛橹?，并以強臺風(fēng)級登陸江門，中心距離肇慶最近時在120 km左右。受“山竹”影響期間，肇慶市平均風(fēng)力達8～10級，最大風(fēng)速出現(xiàn)在高要區(qū)氣象觀測站40.7 m／s（13級），破肇慶市有氣象記錄以來臺風(fēng)影響下的最大風(fēng)速記錄。24 h累計雨量超過100 mm有109站、超過200 mm有33站，最大雨量為鼎湖鳳凰鎮(zhèn)386.4 mm。

臺風(fēng)“艾云尼”生命史較長，從陽江海陵島登陸后向東偏北方向移動，經(jīng)過云浮，以熱帶風(fēng)暴級進入肇慶，然后在肇慶市內(nèi)減弱為熱帶低壓，最后移出肇慶市，以偏東方向繼續(xù)移動，強度繼續(xù)減弱。據(jù)肇慶市自動氣象站監(jiān)測，“艾云尼”影響期間，平均風(fēng)力達6到8級，最大陣風(fēng)出現(xiàn)在高要蜆崗鎮(zhèn)20.5 m／s（8級）；24 h累計雨量超過50 mm有118站、超過100 mm有83站，平均雨量為76.0 mm；最大雨量為四會石狗315.8 mm。

2）受臺風(fēng)影響的直接經(jīng)濟損失和模型對比。

在2018年的兩次臺風(fēng)過程中，高要區(qū)直接經(jīng)濟損失最大，分別達到2.18億元和2.9億元人民幣（圖2）。實際上高要區(qū)農(nóng)林漁業(yè)等產(chǎn)業(yè)占比大，另外從事農(nóng)林漁業(yè)的人數(shù)比其他地區(qū)也多，人口、基礎(chǔ)設(shè)施等密集，同時常年遭受臺風(fēng)等風(fēng)雨影響嚴重，為極高風(fēng)險區(qū)非常符合。端州在這兩次臺風(fēng)的直接經(jīng)濟損失為1.82億元、0.83億元，僅此于高要屬于高風(fēng)險區(qū)。鼎湖、廣寧屬于中風(fēng)險區(qū)損失分別為0.50億元、0.43億元；0.21億元、0.34億元。德慶屬于較低風(fēng)險區(qū)損失為0.17億元、0.09億元。最后屬于低風(fēng)險區(qū)的封開損失為0.15億元、0.000 4億元。模型對上述地區(qū)的評價等級均與實際經(jīng)濟損失非常符合。

圖2 臺風(fēng)“山竹”、“艾云尼”對肇慶市造成的直接經(jīng)濟損失和模型風(fēng)險等級值對比

但明顯不足的是模型的等級結(jié)果與四會、高新區(qū)在這兩次臺風(fēng)過程中的經(jīng)濟損失并不對應(yīng)，這可能與災(zāi)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計的缺失有關(guān)。懷集縣則在受到這兩次臺風(fēng)的影響較小，相對應(yīng)直接經(jīng)濟損失也低。下一步需增加臺風(fēng)個案來深入分析。

3 結(jié)論

1）通過因子分析建立了肇慶市9個地區(qū)的社會經(jīng)濟易損性評價指標體系，分別為人口易損指數(shù)、職業(yè)易損指數(shù)、社會保障易損指數(shù)、經(jīng)濟發(fā)展易損指數(shù)、農(nóng)林道路設(shè)施易損指數(shù)。每類指數(shù)中提取的公因子總解釋方差都在80%左右或以上，能很好地表征每類指數(shù)。

2）從9個區(qū)域的社會易損性綜合值發(fā)現(xiàn)，端州區(qū)的易損性指標跟其人口基數(shù)和經(jīng)濟重心相符，主要的易損指數(shù)有職業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)。鼎湖區(qū)社會保障易損性較高。高要區(qū)的農(nóng)林牧漁業(yè)等第一產(chǎn)業(yè)較多，且鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施較多，對應(yīng)人口、職業(yè)，經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)林道路設(shè)施易損較高。四會情況跟高要類似一、二產(chǎn)業(yè)密集也處于發(fā)展上升期同樣職業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)林道路設(shè)施易損指數(shù)高。廣寧、德慶、封開、懷集經(jīng)濟發(fā)展都相對落后，對應(yīng)人口易損、社會保障易損指數(shù)高。高新區(qū)作為發(fā)展新區(qū)情況與端州區(qū)類似，人口、經(jīng)濟發(fā)展處于規(guī)劃上升期，但社會保障易損指數(shù)高。

3）基于遺傳算法的投影尋蹤法構(gòu)建臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險等級評價模型，結(jié)果為極高風(fēng)險區(qū)（高要）、高風(fēng)險區(qū)（四會、端州）、中風(fēng)險區(qū)（懷集、鼎湖、高新區(qū)、廣寧）、較低風(fēng)險區(qū)（德慶）、低風(fēng)險區(qū)（封開）。

4）通過2018年兩次嚴重影響的臺風(fēng)過程造成的直接經(jīng)濟損失和模型的等級評價作對比發(fā)現(xiàn)，除四會、高新區(qū)外，肇慶市東南部的地區(qū)受到的經(jīng)濟損失與模型的災(zāi)害等級劃分非常對應(yīng)。