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        重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實時評估方法研究*

        2018-10-09 03:45:14康邵鈞
        災(zāi)害學(xué) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:防御能力時變氣象

        康邵鈞

        (河南省商丘市氣象局,河南 商丘476000)

        近半個世紀(jì)以來,全球氣候不斷發(fā)生變化,極端天氣事件發(fā)生的概率急劇上升,我國也時常發(fā)生氣候災(zāi)害,災(zāi)害所帶來的損失也讓我們意識到應(yīng)急救援工作的緊迫性與重要性。從這樣的現(xiàn)象可以看出,當(dāng)?shù)馗鞑块T對于重大氣象災(zāi)害的預(yù)警信息不夠重視,防御措施準(zhǔn)確不足,導(dǎo)致我國的基本設(shè)施的防災(zāi)水平低[1]。在評估方面,只是單純的對道路、陰雨相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測及預(yù)警,對通信、電力等易受環(huán)境干擾的點,未進(jìn)行足夠的重視,相關(guān)部門也并未對其進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)的監(jiān)測和預(yù)警信號發(fā)布,這也反應(yīng)出各部門缺少及時、有效的溝通,協(xié)調(diào)能力差[2-3]。此外,在災(zāi)害發(fā)生前期,各部門并未及時把災(zāi)害程度及所導(dǎo)致的各種損失作出準(zhǔn)確的估計,在災(zāi)害中缺失應(yīng)急物資這就說明我國對災(zāi)害應(yīng)急所做的準(zhǔn)備還不夠充分,容易造成被動受災(zāi)。

        目前,我國的應(yīng)急救援服務(wù)仍然存有眾多問題,因此提高我國應(yīng)急救援服務(wù)能力已經(jīng)成為社會重點關(guān)注的問題。對此,提出基于時空差異的重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實時評估方法。通過重大氣象災(zāi)害風(fēng)險理論分析,采用時空差異法提取氣候災(zāi)害風(fēng)險特征,并以此為基礎(chǔ),建立重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型,引入分布函數(shù)求取應(yīng)急防御時變率,實時評估重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力。實驗結(jié)果表明,采用改進(jìn)方法進(jìn)行重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評估時,其評估準(zhǔn)確率較高,且不易受外界影響,具有一定優(yōu)勢。

        1 重大氣象災(zāi)害風(fēng)險分析

        1.1 重大氣象災(zāi)害風(fēng)險理論分析

        目前對于重大氣象災(zāi)害風(fēng)險的分析,多為洛倫斯(Loweance)提出的,對事件不利干擾因素可能性和后果嚴(yán)重程度的一種綜合計量[4],而氣象造成災(zāi)害的概率以及由此產(chǎn)生災(zāi)害損失的乘積指的是重大氣象風(fēng)險,可表示為:

        R=f(p,h)=p×h。

        (1)

        式中:R表示重大氣象災(zāi)害風(fēng)險值,p表示重大氣象災(zāi)害發(fā)生概率,h表示災(zāi)害損失值。

        據(jù)分析可知,在造成重大氣象災(zāi)害風(fēng)險時,災(zāi)害應(yīng)急防御功率變化頻繁[5],因此重大氣象災(zāi)害風(fēng)險多為時變,可表示為:

        R(t)=p(t)×h(t)。

        (2)

        式中:R(t)表示氣象災(zāi)害的時變風(fēng)險值,p(t)表示氣象災(zāi)害的時變概率,h(t)為重大氣象災(zāi)害損失值。則在固定一段時間里形成的重大氣象災(zāi)害風(fēng)險表示為:

        (3)

        式中:RT表示在時間區(qū)間T=[t1,t2]內(nèi)發(fā)生重大氣象災(zāi)害的風(fēng)險。

        1.2 基于時空差異的氣候災(zāi)害風(fēng)險特征分析

        對此,在分析重大氣象災(zāi)害風(fēng)險理論的基礎(chǔ)上,采用時空差異法,對氣候災(zāi)害風(fēng)險特征進(jìn)行分析。通過得出重大氣象災(zāi)害風(fēng)險后,進(jìn)一步按氣象災(zāi)害類型計算發(fā)生災(zāi)害的概率,表達(dá)式為:

        (4)

        式中:nx為發(fā)生x類氣象災(zāi)害的次數(shù),x∈{雷電,臺風(fēng),大風(fēng),冰雪,高溫,暴雨,山火等};T為災(zāi)害單位時間;Tx為x類氣象災(zāi)害所連續(xù)時間,?x為x類氣象災(zāi)害的維持時間在研究時間內(nèi)所占比例;βx是x類氣象災(zāi)害發(fā)生次數(shù)在研究時間內(nèi)所占出現(xiàn)災(zāi)害次數(shù)的比例,λave為氣象災(zāi)害嚴(yán)重等級。

        將x類型氣象災(zāi)害的持續(xù)時間計入研究時間區(qū)間內(nèi),則各風(fēng)險因子在確定不同等級災(zāi)害程度的貢獻(xiàn)率為:

        (5)

        式中:μx為x類氣象災(zāi)后修復(fù)的概率;λx為不同類型的災(zāi)害等級;px為不同等級災(zāi)害程度的貢獻(xiàn)率。

        氣象風(fēng)險計算多采用氣象造成線路故障概率乘以輸送能力損失值的形式,所以,使用時空差異法,對某一時間區(qū)間里的重大氣象風(fēng)險進(jìn)行計算[6-7],同時需要注意不同氣象災(zāi)害類型對計算結(jié)果的影響。得到氣候災(zāi)害風(fēng)險特征,表示為:

        (6)

        式中:RTx(t)表示第x氣象災(zāi)害在時間區(qū)間T=[t1,t2]內(nèi)的風(fēng)險值,px(t)表示第x類氣象造成災(zāi)害的概率,h(t)表示時變的重大氣象災(zāi)害損失值。

        2 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)防能力評估

        2.1 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型

        在對重大氣象災(zāi)害特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對應(yīng)急防御情況進(jìn)行分析,構(gòu)建重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型,并進(jìn)行重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力的評估分析。

        (7)

        式中:對應(yīng)的氣象災(zāi)害元素局部權(quán)重向量為每一行的數(shù)值;當(dāng)某一行數(shù)值均為0時,對應(yīng)局部權(quán)重是1。將局部權(quán)重按元素順序排列得局部權(quán)重向量:Q=[q11,…,q1n1,q21,…,q2n2,…,qN1,…,qNnn]T。對重大氣象災(zāi)害元素進(jìn)行權(quán)重分析,并進(jìn)行應(yīng)急防御體系[10-11],采用如下公式進(jìn)行對重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力歸一化處理:

        (8)

        式中:Dij為重大氣象災(zāi)害元素i的第j個指標(biāo)歸一化值,重大氣象災(zāi)害元素j的第i個指標(biāo)值可表示為Aji,mini、maxi分別是第i個指標(biāo)的最小值和最大值。

        當(dāng)發(fā)生重大氣象災(zāi)害后,修復(fù)時間r和災(zāi)害發(fā)生頻率f的數(shù)值較小[12]??梢越普J(rèn)為λ=f,所以長期統(tǒng)計計算氣象災(zāi)害應(yīng)急防御率可表示為:

        (9)

        式中:n為在研究時間區(qū)間內(nèi)重大氣象災(zāi)害發(fā)生的總次數(shù)。對此,對氣象災(zāi)害進(jìn)行分狀態(tài)考分析,其基本思想是將常規(guī)的年統(tǒng)計氣象災(zāi)害發(fā)生概率按相應(yīng)氣象條件比例系數(shù)進(jìn)行計算,則重大氣象災(zāi)害防御模型表達(dá)式為:

        (10)

        式中:λad為重大氣象災(zāi)害防御模型;λave為多年統(tǒng)計評估準(zhǔn)確率;Fad分別重大氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)防失敗次數(shù);Uad為重大氣象災(zāi)害發(fā)生的比例。

        2.2 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評估模型

        在對氣象災(zāi)害應(yīng)急能力進(jìn)行評估時,有三個干擾因素,分別是承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力、致災(zāi)因子危險性[13]。

        將整體重大氣候災(zāi)害導(dǎo)致的損害描述為氣象災(zāi)害作用下的應(yīng)急防御能力,采用分布函數(shù)求取應(yīng)急防御時變率,這樣能更好的分析應(yīng)急防御能力隨時間變化特征對重大氣象災(zāi)害的評估結(jié)果。則以月為事件尺度,重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力可表示為:

        (11)

        式中:λ(m)為歷史同期第m月對重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御的概率(次/月):λave為多年平均需要應(yīng)急防御的概率(次/(100 km·年));λave為月平均需要應(yīng)急防御的概率(次/(100 km·月));f(m)為月應(yīng)急防御概率分布函數(shù),其中m=1,2,…,12。

        用馬爾科夫過程表示重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力的評估模型時,主要分為兩個狀態(tài),分別為不可防御狀態(tài)與可防御狀態(tài),不可防御狀態(tài)在一個月內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)可評估概率為:

        (12)

        式中:λ(m)為第m月評估概率用;μ為修復(fù)率;MTTR為平均修復(fù)時間(h);評估失效頻率表示為f;當(dāng)失效頻率f和平均修復(fù)時間r取值較小時,失效頻率f用評估率λ進(jìn)行代替??紤]不同影響因素對整體的影響,建立重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實時評估模型,表達(dá)式為:

        FDRI=(VEwe)(VHwh)(VSws)(10-VR)wr。

        (13)

        式中:致災(zāi)因子危險性指數(shù)用VH表示;防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)用VR表示;各種災(zāi)害指數(shù)用FDRI表示;孕災(zāi)環(huán)境敏感性指數(shù)用VE表示;承災(zāi)體易損性指數(shù)用VS表示;wh,we,ws,wr均為各評價因子權(quán)重。則時間分布特性的重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實時評估流程如圖1所示。

        圖1 重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實時評估流程

        3 實驗結(jié)果分析

        3.1 實驗指標(biāo)分析

        ①評估正確率ACR(Accurate Classification Rate):可表示為評估正確的次數(shù)占有可能情況的比例,計算式為:

        (14)

        式中:NAW表示實現(xiàn)評估的次數(shù);NMW表示漏評估次數(shù)。

        ②漏評率MWR(Missed Assessment Rate):表示為漏評次數(shù)與實際評估總次數(shù)的百分比,計算式為

        (15)

        3.2 實驗結(jié)果分析

        為了驗證改進(jìn)方法在重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評估方面的有效性及可行性,采用傳統(tǒng)的基于風(fēng)險評價元素的評估方法,進(jìn)行實驗對比分析(圖2、圖3)。由圖2、圖3可知,采用改進(jìn)方法時,實驗結(jié)果圖毛刺較少,中間的準(zhǔn)確率輸出部分平滑,變化幅度非常小這說明該方法不易受到外界干擾,能夠一直保持較高的準(zhǔn)確率。相比之下,傳統(tǒng)的風(fēng)險評估方法結(jié)果輸出圖出現(xiàn)大量波動,雖然其準(zhǔn)確率出現(xiàn)了幾個較高點,但是準(zhǔn)確率的變化幅度較大,這說明該方法缺乏穩(wěn)定性,易受到外界干擾,穩(wěn)定性較差,不能在實際中得以應(yīng)用。改進(jìn)方法相比傳統(tǒng)方法,充分考慮了多種氣象因素的影響,將時變的氣象災(zāi)害作用導(dǎo)致災(zāi)害應(yīng)急防御能力評估準(zhǔn)確率降低,應(yīng)急防御能力評估時變概率用分布函數(shù)分析得到,用以評估重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力時變的規(guī)律。能夠更好的反映出,在評估準(zhǔn)確率隨時間變化及氣象災(zāi)害因素多樣情況下,重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評估的時變特征。

        圖2 改進(jìn)方法

        圖3 傳統(tǒng)基于風(fēng)險評價元素的評估方法

        4 結(jié)論

        針對重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評估一直存在評估精度低,誤差大的問題,提出基于時空差異的重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力實時評估方法。通過重大氣象災(zāi)害風(fēng)險理論分析,采用時空差異法提取氣候災(zāi)害風(fēng)險特征,并以此為基礎(chǔ),建立重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御模型,引入分布函數(shù)求取應(yīng)急防御時變率,實時評估重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力。實驗結(jié)果表明,采用改進(jìn)方法進(jìn)行重大氣象災(zāi)害應(yīng)急防御能力評估時,其評估準(zhǔn)確率較高,且不易受外界影響,具有一定優(yōu)勢。

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