基于模糊綜合評價法的海南熱帶氣旋災害經濟損失影響評估

李文韜 張明潔 張京紅 張亞杰 楊靜

基于模糊綜合評價法的海南熱帶氣旋災害經濟損失影響評估

李文韜1,3張明潔2,3張京紅2,3張亞杰2,3楊靜2,3

（1. 海南省氣象探測中心 海南海口 570203；2. 海南省氣候中心 海南海口 570203；3. 海南省南海氣象防災減災重點實驗室 海南海口 570203）

熱帶氣旋是影響海南的最重要的災害性天氣之一，常造成嚴重的經濟損失。為科學定量地評估熱帶氣旋造成的經濟損失程度，從致災因子危險性、承災體易損性、防災減災能力等方面選取和構建熱帶氣旋災害經濟影響的5個評估指標，在此基礎上應用模糊綜合評價方法計算了2015—2018年熱帶氣旋對海南經濟影響的評估指數，運用均值—標準差方法對指數進行等級劃分，同時應用直接經濟損失率表征實際災情程度并對其進行等級劃分。結果表明，建立的熱帶氣旋經濟影響評估指數的評估等級和實際災情等級較吻合，能較好地評估熱帶氣旋對海南經濟造成的損失程度，可為制定科學合理的應急方案、增強應對熱帶氣旋災害的防御能力提供技術支持。

熱帶氣旋；經濟損失；影響評估；模糊綜合評價

熱帶氣旋作為破壞性極強的天氣系統，常常伴有大風、暴雨、風暴潮等災害性天氣[1]，成災迅速、范圍集中、造成的損失慘重，也是全球突發性嚴重的自然災害之一。海南省地處熱帶北緣，屬熱帶海洋性季風氣候區，平均每年約受10個熱帶氣旋的影響，經濟損失嚴重。

在熱帶氣旋災害影響評估方面，國內外學者已進行了大量研究并取得了豐碩的成果，例如，鞏在武等[2]通過相關分析和回歸分析，選取了臺風災害評估影響因子對浙江省臺風災害進行評估。王秀榮等[3-4]選取農作物受災面積、房屋倒損數、死亡人數、直接經濟損失等災害指標，利用灰色關聯度理論確定了全國范圍內臺風災害綜合等級劃分標準，建立了臺風災害綜合等級快速評估模型；之后又優化了評估指標的轉換函數和權重系數，使改進后的模型評估的等級更符合實際災情。馬華鈴[5]選取死亡人數、農作物受災面積、直接經濟損失等指標建立了我國臺風災害綜合評估指數，并利用聚類分析對其進行了分級，建立了臺風災害單產業關聯間接經濟舒適評估的投入產出定量分析模型。馬清云等[6]應用模糊綜合評價法計算得到我國登陸臺風的影響評價系數，并對災情進行了分級。林江豪等[7]綜合BP神經網絡和空間向量模型，構建了臺風災害經濟損失評估模型。因此，目前已有的評估指標體系因評估角度的差異而包含不同的因素，尚未形成一個通用定量評估模式[8]。開展熱帶氣旋災害影響評估、減少熱帶氣旋災害造成的經濟損失迫在眉睫。

熱帶氣旋災害對經濟的影響是一個復雜的問題，受到熱帶氣旋本身強度、路徑和社會經濟因素的共同影響。熱帶氣旋是一種中心氣壓極低的渦旋，具有強大的氣壓梯度和旋轉力，引起近地面較大風速。熱帶氣旋大風通常是指熱帶氣旋影響過程的極大風速（地面10 m高度瞬時風速）和最大風速（地面10 m高度10 min平均風速）。熱帶氣旋大風具有極強的破壞性，包括摧毀房屋、掀翻船只、毀壞園林、吹倒莊稼樹木等，帶來直接經濟損失。熱帶氣旋暴雨容易鏈生暴發性洪水和地質災害，引發城市內澇等，破壞性極強，是熱帶氣旋影響過程中的主要致災因素；同時，熱帶氣旋影響持續時間越長，可能造成的災害越大。本研究主要針對熱帶氣旋造成的經濟損失影響進行評估。對于一個研究區域來說，社會經濟發展水平決定了其易損性。在評估熱帶氣旋造成的經濟損失時，經濟發展水平、農業在經濟中的比重等經濟指標在一定程度上可以反映研究區遭遇災害的潛在損失程度。防災減災能力表示受災區在短期和長期內能夠從氣象災害中恢復的程度,包括應急管理、減災投入、資源準備、災后恢復等，是災害風險評價中不可或缺的重要因素。基于模糊數學的模糊綜合評價法是常用于技術篩選的綜合評價方法，該方法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，具有結果清晰、系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題[9]。本研究擬從熱帶氣旋影響過程中的風速、降雨、持續時間、承災體易損性、受影響地區防災減災能力等方面選取熱帶氣旋造成的經濟損失影響評估因子開展研究；基于影響海南的熱帶氣旋風雨觀測數據和造成的經濟損失數據，采用模糊數學綜合評價方法對熱帶氣旋造成的經濟損失進行定量評估，以期為提高防災減災能力、減少熱帶氣旋造成的經濟損失提供科技支撐。

1 資料來源及研究方法

1.1 資料來源

1.1.1 氣象數據 熱帶氣旋影響過程中的風雨資料來源于海南島18個市縣國家級氣象觀測站2015—2018年的觀測數據。

1.1.2 社會經濟數據 受影響區域的地均GDP、各市縣財政收入、對醫療衛生、農林水利的財政投入、醫療救護人員數、城鄉居民人均可支配收入等數據來源于2016—2019年海南省統計年鑒；熱帶氣旋造成的直接經濟損失數據來源于海南省三防辦和海南省民政廳2015—2018年的統計數據。

1.1.3 研究樣本 研究過程中考慮到社會經濟發展、防災減災能力等因素的變化，取經濟發展與當前較接近的2015—2018年影響海南本島、資料記錄完整的10個熱帶氣旋案例。一次熱帶氣旋影響過程中，海南省本島18個市縣記為18個樣本，2015—2018年共有10個熱帶氣旋影響本島，故研究過程中首先初步獲取樣本數據180個。再根據海南省三防辦和海南省民政廳統計的每個熱帶氣旋影響造成的直接經濟損失數據，剔除直接經濟損失為0的樣本，本研究中采用的樣本數共有92個。

1.2 研究方法

1.2.1 影響因子的選取

（1）熱帶氣旋影響過程中的大風可能會帶來直接的經濟損失。分析發現，2015—2018年92個樣本的直接經濟損失與極大風速和最大風速的相關系數分別為0.221和0.203，均通過了=0.05置信水平的顯著性檢驗；日最大風速與日極大風速的相關系數為0.954，通過了=0.001置信水平的顯著性檢驗。且熱帶氣旋影響過程中，極大風速是最大風速的1～2倍，極大風速是造成大風災害的主導因素。因此，在進行影響評估時選擇日極大風速作為評估因子之一。（2）熱帶氣旋影響期間的過程雨量、日最大降水量與熱帶氣旋造成的直接經濟損失呈顯著正相關，相關系數分別為0.669、0.643，通過了=0.001置信水平的顯著性檢驗；過程雨量與日最大降水量的相關系數為0.951，通過了=0.001置信水平的顯著性檢驗。本研究選擇日最大降水量反映熱帶氣旋暴雨的強度特征。（3）熱帶氣旋影響持續時間與直接經濟損失的相關系數為0.233，通過了=0.05置信水平的顯著性檢驗。本研究利用地均GDP和農業產值占GDP比重2個指標來表征研究區域的易損性，對2個指標進行等權重求和，得到承災體易損性指數。

承災體易損性指數=地均GDP×0.5+農業產值占GDP比重×0.5。式中，地均GDP、農業產值占GDP比重為歸一化后的值。

選取各市縣財政收入，對醫療衛生、農林、水利的財政投入及醫療救護人員數、城鄉居民人均可支配收入表征地區防災減災能力，將這4個指標進行等權重求和，得到防災減災能力指數。

防災減災能力指數=財政收入×0.25+財政投入×0.25+醫療救護人員數×0.25+人均可支配收入×0.25。式中，財政收入、財政投入、醫療救護人員數、人均可支配收入均為歸一化后的值。

綜合上述分析，選擇熱帶氣旋影響過程中的日極大風速、日最大降水量、影響持續時間以及承災體易損性、受影響地區防災減災能力這5個因子作為熱帶氣旋造成的經濟損失影響評估因子。

1.2.2 模糊綜合評價法 模糊綜合評價法是運用模糊數據的隸屬度理論將定性評價轉換為定量評價[10]，評價結果更為客觀準確。

1.2.2.1 模糊綜合評價法的步驟 設有件事物的某一特征待評價，這件事物構成對象集和影響因子集：

記因子的權重分配上的模糊子集為：

則該評價對象的模糊綜合評價集為：

1.2.2.2 隸屬度函數的確定 隸屬度是元素針對模糊集合隸屬程度大小的數學指標，實現定量地描述模糊性事物。確定隸屬函數可采用模糊統計法、典型函數法等[6]。本研究采用典型函數法的戒下型函數，表達式如下：

其中，()為因子的隸屬函數，參數、、的值均大于0。

這種戒下型函數的表達式可以表示熱帶氣旋災害的大小程度。當影響因子≥時（為界值），則可成災，否則不成災。隸屬函數值()會隨災情因子統計數據的增大而增大[6]。

確定參數、、后，求出每個熱帶氣旋的各災情因子隸屬度值，構成矩陣：

1.2.2.3 建立權重集 模糊綜合評價中各參評因子的權重系數既是其在評價體系中重要程度和貢獻大小的體現，也是直接影響評價結果精度、客觀和公正的因子。本研究采用熵權法和層次分析法相結合的方法確定各因子的權重。

為了消除指標量綱不同帶來的不利影響，首先采用離差標準化方法對指標進行歸一化處理；然后在分別采用熵權法[11-13]和層次分析法對評價指標進行主觀和客觀賦權的基礎上，計算評價指標的綜合權重[13]。

由各評估因子的權重系數可以看出，對于評價各熱帶氣旋案例樣本而言，指標的重要性程度排列依次為極大風速>承載體易損性>影響持續時間>防災減災能力>日最大降水量。

1.2.3 評價系數的計算 根據上述步驟確定的評價矩陣和權重集，由式（1）計算出件事物的模糊綜合評價系數集。b即為每個影響熱帶氣旋災情的模糊綜合評價指數。由此得到2015—2018年10個影響海南熱帶氣旋的92個樣本的經濟影響評估指數。

1.2.4 熱帶氣旋災害經濟損失影響指數及其等級劃分 熱帶氣旋災害經濟影響指數，根據各致災因子、承災體易損性和受影響區域防災減災能力，通過模糊綜合評價方法計算獲得，對影響指數的劃分即是對熱帶氣旋災害影響綜合強度的劃分。本研究采用均值－標準差分級法對指標進行分級。

步驟如下：

（1）將92個熱帶氣旋影響評價指數建立如下序列

（2）將上述影響指數序列劃分為5個等級，計算得到每個等級的臨界值后，即可將歷史熱帶氣旋災害影響指數劃分為5個等級區間，災情由輕到重依次為：一級、二級、三級、四級和五級（表1）。

表1 熱帶氣旋災害經濟影響指數等級劃分

1.2.5 實際災情等級劃分 災損率是對熱帶氣旋災害損失相對量的度量，反映熱帶氣旋災害損失占受災區域經濟生活和社會生產總量的比率[14]。本研究主要針對熱帶氣旋造成的經濟損失影響進行探討，熱帶氣旋災害造成的經濟損失包括直接經濟損失、間接經濟損失和災害救援損失3個方面。由于災害間接經濟損失和災害救援損失具有很大的不確定性，因此在研究過程中，參考自然災害損失評估的相關理論，引入直接災損率的概念表征災害的損失程度[14]。

對2015—2018年海南受熱帶氣旋影響的92個樣本的直接災損率進行統計分析，并劃分為5個等級（表2）。

表2 直接災損率的分級標準

2 結果與分析

2.1 熱帶氣旋災害經濟損失影響指數及其等級劃分

基于上述方法得到92個樣本的評估等級和實際災情等級（表3）。分析發現，根據綜合評估指數，2015—2018年熱帶氣旋影響的92個樣本中評估災害等級為一至五級的分別有1、21、40、16、14個；根據直接經濟災損率，92個樣本中實際災情等級為一至五級的分別有2、3、36、25、26個。經濟影響評估同級符合率為54.3%，差一級符合率為88.0%。說明通過模糊綜合評價法建立的熱帶氣旋經濟影響評估指數可用于評估熱帶氣旋造成的經濟影響。同時，利用熵權法和層次分析法相結合得出的5個影響因子的權重依次為：極大風速>承載體易損性>影響持續時間>防災減災能力>過程日最大降水量。權重的大小也反映出各因子對實際災情的影響程度，表明基于模糊綜合評價法建立的模型能夠較好地評估熱帶氣旋造成的經濟損失。

表3 熱帶氣旋經濟影響評估指數和直接災損率

續表3 熱帶氣旋經濟影響評估指數和直接災損率

2.2 熱帶氣旋災害經濟影響評估指數驗證

計算2019—2021年影響海南的熱帶氣旋1907號“韋帕”（熱帶風暴級）、1912號“楊柳”（強熱帶風暴級）、1914號“劍魚”（熱帶風暴級），2016號“浪卡”（強熱帶風暴級）、2118號“圓規”（臺風）等17個災情個例的熱帶氣旋災害經濟影響指數和直接災害損失率（表4），發現經濟影響評估和實際災情同級符合率為76.5%，差一級符合率為88.2%。由此可說明，利用模糊綜合評價方法建立的海南熱帶氣旋災害經濟影響評估模型可行，具有良好的評估效果。

表4 熱帶氣旋經濟影響評估指數驗證

3 討論與結論

本研究從致災因子危險性、承災體易損性、防災減災能力3個方面選取熱帶氣旋對經濟影響的評估因子，應用模糊綜合評價方法計算了2015—2018年熱帶氣旋對海南經濟影響的評估指數，運用均值—標準差方法對指數進行等級劃分，引入直接經濟損失率表征實際災情程度并對其進行等級劃分。分析發現，經濟影響指數的評估等級和實際災情等級級別很接近，說明構建的經濟影響評估指數能夠反映實際災情程度，能較好地評估熱帶氣旋對海南經濟造成的損失。此外，馬清云等[6]應用模糊綜合評價方法建立的登陸我國的臺風災害影響評估模型，對災情等級的評估準確率達到70%，這也說明模糊綜合評價法可用于熱帶氣旋災害評估，并具有良好的評估效果。唐麗麗[15]研究表明，浙江省臺風災情3個指標的相關系數排序為最大日降水量>過程累計降雨量>最大風速，這與本研究結果相一致，說明本研究選擇的致災因子合理。因此，本研究結果能夠為防災減災決策提供科學依據。

由于熱帶氣旋對經濟的影響十分復雜，本研究采用模糊數學綜合評價方法對熱帶氣旋造成的經濟損失進行定量評估，建立熱帶氣旋災害經濟影響評估指數，該指數所需的氣象數據在熱帶氣旋影響過程中可及時獲取，承災體易損性數據和防災減災能力數據可依據統計年鑒數據每年更新一次，數據獲取方便且能夠反映實際情況；因此，利用此評估指數來評價熱帶氣旋造成的經濟損失，能夠快速及時地為提高防災減災能力、減少熱帶氣旋造成的經濟損失提供科技支撐。另外，熱帶氣旋造成的經濟損失不僅與熱帶氣旋本身的風雨等有關，還與受影響地區的承災體易損性、防災減災能力等密切相關。本研究建立的熱帶氣旋災害經濟影響評估指數，還需要更多的實例來評估檢驗和優化。

[1] 張眉, 金有杰, 王倩. 基于模糊綜合評價法的浙江省臺風災害農田損失評估分析[J]. 湖北農業科學, 2014, 53(20): 5 002-5 006.

[2] 鞏在武, 胡麗. 臺風災害評估中的影響因子分析[J]. 自然災害學報, 2015, 24(1): 203-213.

[3] 王秀榮, 王維國, 馬清云. 臺風災害綜合等級評估模型及應用[J]. 氣象, 2010, 36(1): 66-71.

[4] 王秀榮, 張立生, 李維邦. 臺風災害綜合等級評判模型改進及應用分析[J]. 氣象, 2018, 44(2): 304-312.

[5] 馬華鈴. 沿海地區臺風災害經濟損失評估[D]. 廣州: 廣東外語外貿大學, 2016.

[6] 馬清云, 李佳英, 王秀榮, 等. 基于模糊綜合評價法的登陸臺風災害影響評估模型[J]. 氣象, 2008, 401(5): 20-25.

[7] 林江豪, 陽愛民. 基于BP神經網絡和VSM的臺風災害經濟損失評估[J]. 災害學, 2019, 34(1): 22-26.

[8] 劉少軍, 張京紅, 何政偉, 等. 基于多普勒天氣雷達數據的臺風災害評估系統[J]. 自然災害學報, 2011, 20(5): 119-124.

[9] 黃洪金. 層次分析和模糊綜合評價方法在公共政策評價中的應用研究[D]. 武漢: 華中師范大學, 2014.

[10] 李秀存, 蘇志. 廣西夏季旅游氣候舒適度的模糊綜合評判[J]. 熱帶地理, 1999(2): 3-5.

[11] 李帥, 魏虹, 倪細爐, 等. 基于層次分析法和熵權法的寧夏城市人居環境質量評價[J]. 應用生態學報, 2014, 25(9): 2 700-2 708.

[12] 孫鴻鵠, 程先富, 倪玲, 等. 基于云模型和熵權法的巢湖流域防洪減災能力評估[J]. 災害學, 2015, 30 (1): 222-227.

[13] 黃志燁, 李桂君, 李玉龍, 等. 基于DPSIR模型的北京市可持續發展評價[J]. 城市發展研究, 2016, 23(9): 20-24.

[14] 趙阿興, 馬宗晉. 自然災害損失評估指標體系的研究[J]. 自然災害學報, 1993(3): 1-7.

[15] 唐麗麗. 基于GIS的臺風災害災情及風險評估研究[D]. 北京: 首都師范大學, 2011.

The Assessment of Economic Loss of Tropical Cyclone Disaster in Hainan Based on Fuzzy and Comprehensive Evaluation

LI Wentao1,3ZHANG Mingjie2,3ZHANG Jinghong2,3ZHANG Yajie2,3YANG Jing2,3

(1. Hainan Province Meteorological Detecting Center, Haikou, Hainan 570203, China;2. Climate Center of Hainan Province, Haikou, Hainan 570203, China; 3. South China Sea Meteorology and Disaster Mitigation Research Key Laboratory, Haikou, Hainan 570203,China)

Tropical cyclone was one of the most important disastrous weather affecting Hainan which often caused serious economic losses. In order to scientifically and quantitatively assess the degree of economic losses caused by tropical cyclones, five indicators for assessing the economic impact of tropical cyclone disasters were selected and constructed from the risk of disaster-causing factors, the vulnerability of the disaster-bearing body, the disaster prevention and mitigation capacity. The impact index of tropical cyclone on Hainan economy in 2015—2018 were calculated by fuzzy and comprehensive evaluation, and the index grade was classified by mean-standard deviation method. The direct economic loss rate was introduced and graded to characterize the actual disaster degree. The result showed that the assessment level calculated by the economic impact assessment index of tropical cyclone constructed by fuzzy and comprehensive evaluation method was very close to the actual disaster level, which indicating that the economic impact assessment index could reflect the actual extent of the disaster and assess the damage caused by tropical cyclones to Hainan's economy. The research results could provide technical support for making a scientific and reasonable emergency plan and strengthening the defense ability to deal with typhoon disaster.

tropical cyclone; economic loss; impact assessment; fuzzy and comprehensive evaluation

P49

A

10.12008/j.issn.1009-2196.2022.09.023

2022-03-28；

2022-05-31

海南省氣象局業務技術提升項目（No.HNQXJS202010）；海南省自然科學基金項目（No.420QN370）；海南省重點研發計劃項目（No.ZDYF2019113）。

李文韜（1983—），男，高級工程師，研究方向為氣象災害評估、大氣探測等，E-mail：1507813107@qq.com。

張明潔（1987—），女，高級工程師，研究方向為氣象災害評估、應用氣象、應對氣候變化等，E-mail：zmj_0203@163.com。

（責任編輯 林海妹）