海南島臺風災害綜合危險評價

陳雨菲， 林孝松*， 猶伊然， 李宏偉

(1.重慶交通大學建筑與城市規劃學院， 重慶 400074； 2.重慶市奉節縣氣象局， 重慶 401147)

臺風是發生在熱帶或副熱帶海洋洋面上的低壓渦旋，是一種常見的熱帶天氣系統，登陸時常帶來大風、暴雨，造成嚴重災情。海南島是中國臺風登陸較頻繁的地區之一，據統計1951—2019年影響海南島的臺風共450次，平均每年6.55次[1-2]，給海南島帶來嚴重自然災害及重大經濟損失。

近年來，中國臺風災害的研究主要集中在災害特征、危險評價、損失評估、承災體脆弱性和風險評估等方面，取得了較豐碩成果，研究地域主要集中在廣東[3-6]、浙江[7-10]和中國沿海地區[10-13]。海南島也是臺風災害研究的熱點地區，研究主題涵蓋臺風對橡膠林影響[14-16]、臺風災害時空特征[1-2，17]、臺風暴雨時空分布[18-19]、災害危險評價[20]、災害損失評估[21]等。但相關研究成果只涵蓋臺風對農業影響、臺風災害演變規律、災損情況和致災因子危險等研究，且大多數研究時間較早，參考價值不高，實用性不強；而結合海南島孕災環境特點對臺風災害進行綜合危險分析的研究還相對不足。

海南自由貿易港建設是中國一項重大國家戰略舉措。然而在加速經濟發展、深化改革開放的同時，海南島特殊的地理位置使得臺風暴雨等自然災害發生頻繁，一定程度上影響和制約了當地的發展，不可避免地帶來重大財產損失和人員傷亡。因此對臺風災害研究至關重要，對海南島臺風災害綜合危險進行評價是加強災害風險管控的前提，可為研究區臺風災害風險防范和減災提供決策依據。

基于此，從自然災害系統理論視角出發，利用海南島1980—2019年71次的臺風數據，選取孕災環境敏感性和臺風致災危險性等9個評價指標，采用層次分析和熵值組合賦權法計算指標權重，構建海南島臺風災害綜合危險評價模型，按10年間隔劃分為4個年代，從時間和空間兩個尺度分析海南島臺風災害綜合危險并進行相應分區，為海南島的臺風災害防治提供借鑒。

1 研究區和研究數據

1.1 研究區概況

海南島地處中國南部，面積3.39×104km2，位于18°10′N～20°10′N、108°37′E～111°03′E，為中國的第二大島。地形地勢較復雜，中部高四周低，呈現由山地、丘陵、臺地、階地和平原逐級遞降組合形成的環形層狀地貌。屬熱帶季風氣候，終年高溫，年平均氣溫高，總降雨量豐沛，但降雨時空分布不均，降水集中在雨季且降水量大，干濕季節明顯；夏秋季盛行臺風，年登陸臺風為0～4次。屬海島獨立水系，河流由中部山區丘陵向四周以輻射狀流入海，具有河流眾多、河短坡陡等特點。研究區涵蓋的范圍是海南省(除三沙市外)的18個市縣，2019年末常住人口為944.67萬人，國內生產總值為5 308.93億元。

1.2 研究數據

使用的氣象數據來自國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/)和溫室數據共享平臺(http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData/)，包括海口、東方、儋州、瓊中、瓊海、三亞和陵水7個氣象站點的大風降雨數據；歸一化植被指數柵格數據來自美國地質勘測局(http://glovis.usgs.gov/)；數字高程模型數據來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model，ASTER GDEM)數據產品，空間分辨率為30 m。

2 評價指標和模型

2.1 評價指標選取

根據災害系統論，從孕災環境敏感性和致災因子危險性兩個方面遴選臺風災害綜合危險評價指標。

針對臺風災害與孕災環境之間的關系，按照指標可獲取性和綜合性原則，結合海南島實際情況，選取地形位指數、地形指數、地形起伏度、河網密度、距東海岸距離和植被覆蓋度6個指標作為孕災環境敏感性因子，利用地理信息系統軟件(geographic information system，ArcGIS10.4)獲取數據分布如圖1所示。其中地形位指數是描述高度和坡度的一個地形特征數值[22]，高程低、坡度小的區域地形位小，該值越小越易孕育臺風暴雨洪澇災害；地形指數是綜合考慮坡度和流域水文特性的一個綜合指標[23]，該值越大，則表征土壤越容易達到飽和產流越易于引發洪澇災害；地形起伏度越大，因降雨量過大引發滑坡、泥石流等二次災害的可能性就越大；河網越密集越易于產生洪澇災害；登陸海南島的臺風主要源于西北太平洋，且登陸點多位于該島東部沿海，故距離東海岸越近，形成洪災和風災的可能性越大；植被覆蓋度越高，對臺風風速起到一定程度上的減緩作用，同時對洪澇災害的形成也有一定的抑制作用。

ve1、ve2、ve3、ve4、ve5、ve6分別為地形位指數、地形指數、地形起伏度、河網密度、距東海岸距離和植被覆蓋度6個指標值

臺風主要通過伴隨而來的狂風和暴雨造成災害，結合海南島實際，選取臺風登陸期間過程最大風速、過程日最大降雨量和過程總降雨量3個指標作為致災因子。風速大易造成人員傷亡，影響農田農作物收成，破壞建筑物及基礎設施，造成財產損失；降雨量大會導致洪澇災害、滑坡、泥石流等災害。

2.2 評價指標權重

層次分析法(analytic bierarchy process, AHP)是對各因子之間進行簡單的比較與計算，根據指標重要性的對比，計算得到不同指標權重，進而可對決策方案提供依據，是一種主觀的權重確定方法。通過咨詢10位相關專家計算得到各指標權重如表1所示。熵值法是根據指標變異性大小來確定客觀權重的一種方法。若某個指標信息熵越大，則表明該指標值的變異程度越小，在評價中的重要性越大，其權重也就相應越大。在研究區內隨機創建500個點，將6個指標的柵格數據取至點，將數據導入MATLAB，利用熵值法計算的權重如表1所示。

為剔除波動數據干擾，引入距離函數[24-25]確保主觀權重與客觀權重間的差異程度與其相對應的分配系數間的差異程度相一致，兩者的距離函數為

(1)

式(1)中:w″i和w″i分別為由層次分析法和熵值法計算得到的指標權重。

主客觀組合權重表達式為

wz=αw′i+βw″i

(2)

式(2)中:wz為組合權重；α、β為兩種權重的分配系數，兩者之和等于1。

距離函數與分配系數兩者的關系為

d(w′i，w″i)2=(α-β)2

(3)

由式(1)和式(3)可得，孕災因子指標分配系數分別為α=0.648 9、β=0.351 1，致災因子指標分配系數分別為α=0.594 8、β=0.415 2；將分配系數代入式(2)，最后得到的組合權重值如表1所示。

表1 海南島臺風災害綜合危險評價指標權重

2.3 評價模型

孕災環境敏感性模型為

VE=we1ve1+we2ve2+we3ve3+we4ve4+

we5ve5+we6ve6

(4)

式(4)中:VE為孕災環境敏感性指數值；ve1、ve2、ve3、ve4、ve5、ve6分別為地形位指數、地形指數、地形起伏度、河網密度、距東海岸距離和植被覆蓋度6個指標值；we1、we2、we3、we4、we5、we6分別為相應指標的組合權值。

致災因子危險性模型為

VH=wh1vh1+wh2vh2+wh3vh3

(5)

式(5)中：VH為致災因子危險性指數值；vh1、vh2、vh3分別為過程最大風速、過程日最大降雨量和過程總降雨量3個指標值；wh1、wh2、wh3分別為相應指標的組合權值。

臺風災害綜合危險評價模型為

D=VEWE+VHWH

(6)

式(6)中:D為臺風災害綜合危險評價指數值；WE、WH分別為敏感因子和致災因子的權重值，結合實際情況，兩者的AHP值分別為0.4和0.6(表1)。

3 結果與分析

3.1 孕災環境敏感性分析

結合各指標的標準化值和相應權重，利用GIS的網格計算器得到海南島臺風災害孕災環境敏感性指數值，采用自然斷點法將孕災環境敏感性等級劃分為高、中高、中、中低和低敏感5個等級區，同時利用區域匯總功能得到海南島各市縣不同級敏感區面積占比柱狀圖，如圖2所示。

圖2 海南島孕災環境敏感性分區圖

從各等級區面積占比來看，海南島臺風災害孕災敏感性以中和中低敏感為主，兩者面積之和占比達59.87%；低和中高敏感區的面積相當，占比分別為17.96%和17.75%；高敏感區面積最小，占總面積的4.42%。

從空間分布來看，海南島臺風災害孕災敏感性分區具有大集中、小分散特征。

高、中高敏感區具有從東北沿海區至西南沿海區環島分布特點，主要分布在海口中北部和澄邁東部區。該地處于南渡江，河網密度高且其三角洲河床比降小，河道淤積速度快，暴雨來襲常產生洪澇災害；其余則相對分散在東北部的文昌，東部的瓊海、萬寧，南部的陵水、三亞，西南部的樂東、東方等市縣，這些區域共同特征均為臨海、植被覆蓋率低，地勢平坦且低，地形位指數中等偏高，臺風襲來受降水量大而引發洪澇災害，風力過強且無高山阻擋產生房屋倒塌、農田受災、人員傷亡等風災損失。

中敏感區分布范圍較廣，在空間上主要集中分布在沿海高敏感和中高敏感區外圍，多屬各市縣城區所在地，地勢較平坦，河網密集程度中等、植被覆蓋度中等。

低和中低敏感區則主要集中分布在中部內陸區至西北部沿海區，如中部內陸的白沙、瓊中、五指山，西部的儋州、臨高、昌江等市縣。中部內陸區具有地形高、植被覆蓋度高特點；而西北部沿海市縣河網密度較低、植被覆蓋度較高、地勢較平坦，蓄水能力較強，又因距離臺風登陸的東部沿海較遠，在一定程度上降低了孕育臺風災害的程度，相關區域的敏感性指數相對較低。

按照面積占比平均值來看(圖2)，面積占比模式分為:中-中高敏感分布在東北部4個市縣；中低-中-中高敏感分布在東部萬寧、陵水2個市縣；中低-中敏感分散分布在南部至西南部4個市縣和中部至北部3個市縣；低-中低-中敏感主要分布在中部內陸的瓊中；低-中低敏感則主要分布在中部內陸至西部沿海的4個市縣。

3.2 致災因子危險性分析

選取1980—2019年登陸海南島的71次臺風，按照10年間隔將時間尺度劃分為4個年代，分別為20世紀80年代(1980—1989年，24次)、20世紀90年代(1990—1999年，13次)、21世紀00年代(2000—2009年，16次)和21世紀10年代(2010—2019年，18次)。

結合各指標的標準化值和相應權重，對每個年代各取其平均值，利用GIS(地理信息系統)的網格計算器得到海南島臺風災害致災因子危險性指數值，采用等間隔法將致災因子危險性等級劃分為高、中高、中、中低和低危險5個等級區，得到海南島4個年代臺風致災因子危險性分區圖，如圖3所示。

圖3 海南島致災因子危險性分區圖

從時間尺度來看，20世紀80年代以中低-中危險區為主；20世紀90年代低、中危險區占比較大；21世紀00年代以低-中低危險區為主；21世紀10年代則低、中低和高危險區占比均衡。

高、中高致災危險區面積都隨時間變化表現為上升—下降—上升趨勢，高致災危險區在20世紀80年代面積最小，為108.89 km2，在21世紀10年代面積最大，占比22.95%；中高致災區在21世紀00年代面積最小，為2 182.33 km2，在20世紀90年代面積最大，占比12.58%。中危險區面積隨時間變化呈先下降后上升趨勢，在20世紀80年代占比最大，為40.22%；到21世紀00年代占比最小，為10.81%。

中低危險區面積隨時間變化表現為下降—上升—下降趨勢，在21世紀00年代面積上升至15 742.43 km2，20世紀90年代面積下降至5 564.78 km2。低危險區隨時間變化面積呈先上升后下降趨勢，在20世紀90年代面積最大，占比31.59%，在20世紀80年代面積最小，占比6.25%。

從空間分布來看，海南島臺風災害致災危險性高值區主要分布在沿海，低值區分布在內陸。

20世紀80年代的致災因子危險區分布在空間上具有從東、西部沿海逐漸向內陸呈條帶狀遞減趨勢。高致災危險區集中分布在萬寧沿海；中高致災危險區主要沿東部高致災危險區向內陸延伸分布；中致災危險區呈環帶狀緊靠東、西部中高致災危險區往內陸延伸分布；中低危險區主要分布在中部至北部沿海；低致災危險區則集中分布在海口至澄邁北部沿海。

20世紀90年代的致災因子危險區分布在空間上具有從東南部、西南部沿海向內陸至北部沿海逐級遞減趨勢。高致災危險區主要集中在西南部沿海的3個市縣和東南部沿海的萬寧、陵水；中高致災危險區呈條帶狀分布于高致災危險區周圍；中致災危險區空間上具有從中西部沿海—南部沿海—中東部沿海呈V形分布的特點；中低致災危險區呈條帶狀分布于中致災區以北；低致災危險區主要集中分布在北部沿海。

21世紀00年代的致災因子危險區分布在空間上具有從西南部沿海逐漸向內陸呈條帶狀遞減的趨勢；高致災危險區主要分布在西南沿海區，覆蓋3個市縣；中高致災危險區和中致災危險區在空間上呈降級趨勢以條帶狀分布于高致災危險區以東；中低致災危險區在空間上被低致災危險區斷開分為兩部分分布，一部分主要是沿中致災危險區向東延伸至東南沿海，主要包括儋州、保亭和三亞等8個市縣；另一部分則分布在東北部，主要包括文昌與其鄰域市縣；低致災危險區在空間上主要分布于中部至北部沿海，包括海口、定安等6個市縣。

21世紀10年代的致災因子危險區在空間上具有軸對稱分布的特點，主要是從東北部沿海和西南部沿海向內陸呈條帶狀遞減趨勢分布；高致災危險區覆蓋東北部沿海市縣文昌、海口和西南部沿海市縣東方、樂東和三亞；中高、中致災危險區均沿高致災危險區向內陸遞減延伸分布；中低致災危險區在空間上具有東北部、西南部緊靠中致災危險區和東南部環低致災區的分布特點；低致災危險區分布在中部及中部以東沿海5市縣。

3.3 臺風災害綜合危險分析

3.3.1 時間尺度危險性

結合各指標的標準化值和相應權重，利用GIS的網格計算器得到海南島臺風災害綜合危險性指數值，采用等間隔法將臺風災害綜合危險性等級劃分為高、中高、中、中低和低危險5個等級區，得到海南島4個年代臺風災害綜合危險性分區圖，如圖4所示。

圖4 海南島臺風災害綜合危險性分區圖

4個年代的臺風災害綜合危險區在空間上都具有從沿海向內陸逐漸遞減趨勢，沿海處于中-高危險區，內陸處于低-中危險區；而隨著時間推移，綜合危險性表現為上升趨勢。

20世紀80年代以中-中高危險區為主，空間分布主要是從東部沿海向內陸遞減趨勢；20世紀90年代以中低-中危險區為主，空間分布主要是從東南沿海和西南沿海分別向內陸遞減趨勢；21世紀00年代以中低-中危險區為主；21世紀10年代以中低-中-中高危險區為主；2個年代的空間分布均是從東北沿海和西南沿海分別向內陸遞減趨勢。

高危險區面積占比趨勢為上升—下降—上升。在21世紀10年代面積最大，為6 593.28 km2，分別分布在東北、西南沿海，主要涵蓋文昌、海口和樂東；21世紀00年代面積最小，為2 791.86 km2，主要分布在西南部沿海，覆蓋東方和樂東；在20世紀80年代主要分布在東部沿海，覆蓋瓊海、萬寧和文昌。

20世紀90年代則分布在東南、西南沿海。中高危險區面積隨時間推移呈下降—上升—下降趨勢，在20世紀80年代占比最大，為26.52%；在21世紀10年代占比最小，為22.60%。20世紀80年代至21世紀00年代，在空間上主要零散分布在東北部—西南部沿海；在21世紀10年代主要沿中危險區向東北和西南方向分布。

中危險區面積占比趨勢為下降—上升—下降。在21世紀00年代面積最大，為13 200.34 km2；在21世紀10年代面積最小，為10 538.24 km2。20世紀80年代中危險區分布在中部至北部內陸，覆蓋臨高、屯昌和瓊中；20世紀90年代主要涵蓋東部內陸的包括定安、屯昌和瓊中；21世紀00年代在空間上分布在北部沿海至北部內陸和西南部沿海；21世紀10年代在空間上沿中低危險區向東北、西南方向分布，主要包括臨高、屯昌和保亭。

中低危險區面積占比呈先上升后下降趨勢。21世紀00年代占比最大，為26.87%；20世紀80年代占比最小，為22.28%，在空間上隨低危險區分布在海南島中部至西北部沿海；20世紀90年代在空間上具有從中部延伸至北部沿海區的特點；21世紀00年代、10年代在空間上分布均從西北部沿海橫穿中部至東南部沿海。

低危險區面積占比總體呈持平趨勢，在20世紀80年代占比最小，21世紀10年代占比最大，年代面積差距變化不大。在空間上都主要分布在海南島中部，位于黎母嶺—鸚哥嶺—獼猴嶺山地和五指山—青春嶺—馬咀嶺諸山。

3.3.2 空間尺度危險性

基于前文通過分區統計匯總可得到每個市縣不同年代的臺風災害綜合危險指數，同時對4個年代的綜合危險指數求取平均值，并按自然斷點法將18個市縣分為高、中、低值區3個等級區，如圖5所示。

圖5 海南島各市縣臺風災害綜合危險性圖

由圖5可得高值區主要位于東部、北部和西南沿海6市縣；中值區分散分布在沿海以及內陸6市縣；低值區集中分布在中部內陸至西北部沿海6市縣。

處于東部高值區的3個市縣，文昌、瓊海和陵水全境海拔較低，且山嶺稀少，多為平原地區且受臺風襲擊次數多，缺少高山阻擋作用，臺風致災作用顯著，綜合危險指數高；北部海口位于文昌西部，北面臨海，地勢總體較平緩，境內有本島最長的河流南渡江從中通過，河網密度大，在致災因子與環境敏感性因子共同作用，綜合危險性指數高；西南部的東方地形為東高西低，沿海區域地形起伏度小，植被覆蓋度低，受致災因子大風影響較大，又因其地理位置與氣候的雙重作用，臺風登陸時東方市的降水量隨年代增加而增大，在文獻[26]的研究中，東方的降雨量在1960—1990年偏少，1996—2015年偏多，而境內的大廣壩水庫是全島第二大水庫，河網較密集，降水量過大會導致洪澇、泥石流等二次災害，綜合危險性指數最高；而樂東東部、北部、西北部三面環山，西南部為平原區臨近南海，植被覆蓋度略低，又因北部與東方接壤，受東方影響，其綜合危險性指數也較高。對于高值區市縣，因距離東海岸較近受臺風正面襲擊的影響較大，對這些區域應加強對臺風預警的能力；提高預測臺風路線的水平，加強對臺風的防范工作，提前做好防御臺風的應急管理工作；提高基礎設施的抗臺風能力；提高群眾災害意識，能在一定程度上減少人員傷亡和經濟損失。

東部沿海萬寧西北、東南部屬于山地丘陵地形，東北區為平原地帶，綜合危險性指數與東部沿海市縣相比較低；定安距離東海岸近，因與海口、文昌、瓊海接壤，受致災因子作用大，綜合危險指數中等；南部三亞和保亭，受從西北太平洋生成的臺風影響較弱，主要受南海生成且直面襲擊三亞市區的臺風影響較強；昌江地勢東南高西北低，東南部為五指山余脈，地勢較高且居于內陸區，東南部危險性指數低，但西南部鄰海且與東方接壤，受影響較大；北部沿海澄邁，地勢為南高北低，中部與海口接壤處為南渡江流域，受致災因子作用較大，但因其距離東海岸較遠，大風影響程度減弱，植被覆蓋度中等，故綜合危險指數中等。對于中值區市縣，主要受臺風暴雨影響，形成洪澇、海水倒灌的災害，故應做好對強降雨的監測和預警；合理利用土地資源，提高植被覆蓋率，防止水土流失嚴重；加強對暴雨形成洪澇災害的防御工程措施；提高群眾的防洪意識等。

屯昌地勢主要為西南高東北低，雖距離東海岸較近，但東北與定安相連，東南與瓊海接壤，處于內陸區，致災因子作用被削減，植被覆蓋度高，河網稀疏，綜合危險指數低；西北部的臨高和儋州，離臺風登陸點距離最遠，河網密度低，植被覆蓋度高，地形指數低，致災因子作用弱且敏感性指數總體較低，綜合危險指數低；瓊中、五指山和白沙位于海南島中部內陸區，植被覆蓋度高，地形位指數大不易形成洪澇等災害，又因距離東海岸較遠，有高山阻擋作用，致災因子影響低，綜合危險指數低。

4 結論

(1)海南島孕災環境敏感程度在空間上具有從東部、西南部沿海向內陸逐漸降低趨勢，以中低敏感為主，面積10 451.68 km2，占比30.88%；高敏感區面積最小，為1 495.02 km2，占比4.42%。

(2)致災因子危險隨時間變化呈現上升—下降—上升趨勢，不同時期致災因子危險程度在空間上具有從沿海向內陸呈逐級遞減趨勢的特征；21世紀00年代致災因子低、中低危險區面積最大，為 25 624.85 km2，占比達75.7%；21世紀10年代致災因子中高、高危險區范圍最大，占比34.78%。

(3)海南島臺風災害綜合危險程度隨時間變化呈現下降—升高趨勢，不同時期臺風災害綜合危險在空間上均具有從東北部、西南部沿海向中部內陸和西北部沿海降低特征；21世紀00年代綜合危險指數最低，低、中低危險區占比為29.61%；21世紀10年代綜合危險性指數最高，中高、高危險區占比為42.08%。

(4)臺風災害綜合危險高值區分布在海口、文昌、瓊海、陵水、樂東和東方，形成高值區的主要原因是地勢平坦，河網密度大、植被覆蓋率低、距離東海岸線較近易遭受臺風影響，形成洪澇、海水倒灌等二次災害；中值區分布在萬寧、保亭、三亞、澄邁、定安和昌江；低值區分布在五指山、瓊中、白沙、屯昌、儋州和臨高，低危險區域的地形位指數大，植被覆蓋率高，環境敏感性低，且居于內陸遠離東海岸，臺風致災因子影響程度小。

在研究中，因植被覆蓋變化不明顯，其他孕災因子變化不大，故只考慮了靜態的孕災環境敏感；同時在分析致災因子危險時，因研究時段共計71次臺風，每次臺風的等級不同，相關的數據也存在差異，在進行不同年代的計算時統一進行平均處理，這樣的均衡化會導致研究結果與實際情況存在一定的偏差，下一步需要進一步深入研究彌補此缺陷。