發布時間：2020-03-27所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:動態變化的自然-社會系統導致自然災害風險處于動態變化中，久遠的歷史資料可能不是概率風險評估的有效樣本，然而目前基于歷史記錄的概率風險評估尚未對使用的一段時間歷史資料的有效性加以說明。鑒于此，通過指出自然災害風險系統和歷史記錄統計口徑具
摘要:動態變化的自然-社會系統導致自然災害風險處于動態變化中，久遠的歷史資料可能不是概率風險評估的有效樣本，然而目前基于歷史記錄的概率風險評估尚未對使用的一段時間歷史資料的有效性加以說明。鑒于此，通過指出自然災害風險系統和歷史記錄統計口徑具有動態變化性，揭示歷史記錄資料存在有效性問題，即一段時期的歷史災害記錄序列可能存在變點，繼而將變點檢驗方法引入自然災害概率風險歷史資料有效性檢驗。當前變點檢驗的方法眾多，包括最小二乘法、廣義似然比檢驗、貝葉斯方法、局部比較法、非參數方法等，針對具體的問題需選擇合適的方法。研究指出的歷史資料有效性問題，希望對后續歷史資料選取的理念、選取后的風險評估理論和實踐應用等方面提供參考意義，以期從數據使用層面提高災害風險評估結果的可靠性。
關鍵詞:自然災害;概率風險;動態風險;歷史資料;有效性;變點檢驗.
風險問題是一個古老的問題，但風險科學的形成則較晚。人們通常將1969年昌西·斯塔(ChaunceyStarr)在《科學》雜志上發表的題為“社會效益及技術風險”的文章，作為風險研究成為一門新學科開端的標志[1]。專門針對自然災害風險的研究則源自1980年代，美國里根政府開始注重環境治理方面投入產出的效益問題、大量資助科學家研究如何在不確定的條件下進行合理的決策，之后自然災害風險分析被廣泛應用于應急管理、巨災保險等領域[2]。發展至今，從1990-2000年的“國際減輕自然災害十年”到2000年之后的“國際減災戰略”，國際減災理念完成了由災后應急到災前防御、從關注災害的應急抗御發展到災害風險的綜合管理的轉變[3];無論是《2005-2015年兵庫行動框架》[4]，還是《2015-2030年仙臺減少災害風險框架》[5]，災害風險評估始終是全球減災工作的行動重點之一。
由于自然災害風險系統的復雜性、災害事件發生的不確定性以及概率統計理論的成熟發展，概率分析法被用來量化自然災害風險值[6]。自然災害概率風險評估是將災害事件看做隨機事件、歷史災害記錄看做樣本，采用概率統計方法獲得某些統計指標(如期望損失值、最大可能損失值等)來表征風險[1]，其已被用于多種災害的風險評估中[7]，諸如崩塌[8]、滑坡[9]、洪水[10]、干旱[11]等，作為保險費率厘定、風險區劃、政府部門的救災資金預算等[12]的理論依據。
自然災害概率風險對歷史資料的依賴性，使得評估時不容忽視歷史記錄的質量、一致性等問題。理論上，概率統計結果的可靠性與樣本點的數量存在一定的相關關系，往往認為樣本點越多、評估結果越準確[13]。在自然災害概率風險分析中，由于自然災害事件的相對低發生率，較多的樣本點需要較長時間的歷史記錄積累。
自然和社會環境的動態變化導致自然災害風險系統動態變化[14]，同時科技的進步和社會的發展會導致歷史記錄的統計口徑不一致，久遠的歷史記錄能否作為當前災害事件發生規律的有效樣本值得斟酌，若忽視該問題會降低風險評估的可靠性。然而，當前大部分研究中使用的歷史記錄長短依賴于研究區歷史記錄的建設情況，收集到的記錄從何時開始便使用該時段的歷史記錄[15]。
鑒于此，本文通過指出自然災害風險系統和歷史記錄統計口徑的動態變化，揭示歷史記錄資料存在有效性問題，即一段時期的歷史災害記錄序列可能存在變點，繼而將變點檢驗方法引入自然災害概率風險歷史資料有效性檢驗，以期從數據使用層面提高災害風險評估結果的可靠性。
1自然災害概率風險歷史資料的有效性界定
1.1歷史資料有效性存在的原因
1.1.1自然災害風險系統自身的動態變化
自然災害風險涉及復雜多變的自然-社會系統，隨著氣候變化和快速城市化發展，風險源所處的自然環境會發生變化，風險承受體所處的社會系統更是變化迅速[16-18]，不同時段尤其是跨越百年尺度以上甚至數十年尺度的自然災害風險系統相差較大。災害風險系統的動態變化[19]使得不同時段的歷史記錄服從的概率分布函數可能不一致，進而影響概率風險評估的有效性。
當前自然災害動態風險已經成為研究的重點之一。從初步認識災害風險到IPCC特別報告指出其動態變化性[20-25]，從全球減災恢復機構(GFDRR)2014年發布的災害風險評估方法報告[26]到2016年的災害動態風險分析方法報告[27]，顯示了災害風險的研究已由靜態發展到動態。其中，IPCC在《管理極端事件和災害風險推進氣候變化適應特別報告》中指出災害風險不僅取決于極端氣候本身，而且還取決于承災體的暴露度和脆弱性，極端氣候、暴露度和脆弱性均受到各種自然和人為因素的影響，其中包括人為氣候變化、自然氣候變率和社會經濟發展(高信度)[28]。
一方面，風險源的動態性已被證實。當前的自然系統已遠遠偏離了初始狀態，相對于過去，風險源的發生規律已經發生變化[29];而且未來自然系統會繼續改變，風險源的發生規律也仍將改變[30]。IPCC第五次評估報告關于已觀測到的氣候系統的變化研究指出，“氣候系統的變暖是毋庸置疑的。大氣和海洋已變暖，積雪和冰量已減少，平均海平面已上升，大氣中溫室氣體濃度已增加”等;針對未來氣候系統的可能變化研究指出，“很可能的是熱浪發生的頻率更高、時間更長，很多地區的極端降水的強度和頻率將會增加。海洋將持續升溫和酸化，全球平均海平面也將不斷上升”等[31]。在氣候系統已經并且仍將發生變化的同時，陸地系統也已經并且仍將發生變化。人類已經并仍將繼續改造地表覆蓋、開發利用土地[32]，如道路和房屋的修建、農田的開墾、森林和濕地的開發等。
另一方面，風險承受體的動態變化也被證實。當前的人類、社會和經濟系統相對于過去已經發生變化，并且未來仍將繼續改變，風險承受體的脆弱性受物理、社會、環境和經濟因素的共同影響[14]，已經發生了變化并且未來仍會繼續改變，而且是自然災害風險系統中變化最快的一個成分。聯合國減災署發布的《2011年減輕災害風險全球評估報告》指出，城市化和工業化的發展以及人口的增加使得人類不斷向著洪泛區、海平面地勢低區、滑坡泥石流易發區等高危險地區拓展[33]，而且隨著未來人口的繼續增加和城市化、工業化的進一步發展，該趨勢仍將繼續。在1970-2010年的30年時間內，全球受洪水威脅地區的居住人口平均每年增長了114%、易受熱帶氣旋影響的人口增加了192%，而全球過半數的大城市(即人口在200萬～1500萬)位于極易受地震影響的區域內[33-34]。然而不容置疑的是，在人類社會發展和科技水平提高的帶動下，防災減災備災措施也得到不斷提高，并隨著未來科技的進一步發展而繼續改變，例如災害預警系統的建立、建筑物修建標準的提高、居民災害風險知識的增加和風險意識的增強等[26]。
相關期刊推薦：《自然災害學報》Journal of Natural Disasters(雙月刊)1992年創刊，為災害學學術性刊物。旨在展示我國災害科學的研究成果，促進自然科學與社會科學在災害科學方面的結合。刊登各種自然災害和社會科學在災害科學方面的結合。刊登各種自然災害和發生機理、災害與人類社會的關系及其影響、防災減災系統工程等方面的研究論文。讀者對象為災害學研究工作者、防災減災專業技術人員及相關專業大專院校師生。
1.1.2災害記錄統計口徑的動態變化
隨著科學技術的進步，自然災害歷史事件的記錄手段會改變，不同時期歷史記錄的統計口徑會發生變化，導致一段時期內的歷史記錄標準不一致，無法直接作為自然災害概率風險評估的有效樣本。
一方面，風險源的強度監測手段隨著科學技術的發展而不斷改進。例如，熱帶氣旋的觀測手段和定強方法，在1975年以前依靠高空觀測，1976-1987年期間由衛星和高空觀測共同完成，1988年以后主要依靠衛星觀測[35];降水量的測量技術和設備也在不斷改進，當前國內用于觀測降水量的儀器有人工觀測雨量器、翻斗式遙測雨量計、翻斗式雨量傳感器、稱重式降水傳感器等，不同儀器的工作原理不同，測得的降水量也存在差異[36]。
另一方面，風險承受體的災情統計制度和方法也在不斷變化[37]。我國建國初期災情調查對象主要以農村自然災害損失為主，2004年起不再僅集中在農村[38];而災情信息獲取的方式由傳統的現場調查和測量發展到基于遙感技術和互聯網技術等，其大大提高了災情信息獲取的時效性、便捷性[39]。
1.2有效歷史資料的界定
自然災害概率風險分析的基本原理是將歷史記錄看做自然災害事件的樣本，其潛在假設為:所用歷史記錄所處時期的災害風險系統與當前系統相似，歷史記錄可以作為當前災害風險評估的有效樣本[40]。然而，如前所述，自然災害風險源和(或)風險承受體是動態變化的，風險源的發生規律和(或)風險承受體的脆弱性會發生變化，久遠歷史記錄所處時期的風險源概率分布函數和(或)風險承受體脆弱性函數可能與當前不同，加之歷史記錄的統計口徑會發生變化，久遠歷史記錄可能不是當前災害風險相關函數的有效樣本，即概率風險評估的歷史資料存在有效性問題。
鑒于此，有效歷史資料可界定為:考慮到自然災害風險系統和歷史記錄統計口徑的動態變化，能夠作為當前災害風險系統相關函數有效樣本的歷史資料為有效歷史資料。在一定程度上，風險源發生規律的概率分布函數和風險承受體的脆弱性函數分別由風險源和風險承受體各自決定，兩者之間相互獨立，需分別考慮兩者的歷史資料有效性問題。其中，風險源發生規律概率分布函數的估計使用歷史記錄中關于風險源強度方面的指標，而風險承受體脆弱性函數的估計使用關于損失方面的指標。根據歷史災害事件發生的時間順序，相對應的歷史記錄組成時間序列數據，通過分析時間序列數據的一致性可判斷歷史資料的有效性。
2自然災害概率風險歷史資料有效性檢驗
2.1有效歷史資料獲取的關鍵問題
歷史資料的有效性是由自然災害風險系統在歷史時期的動態變化或者歷史記錄統計口徑的變化引起的，相應地表現為歷史時期組成的序列資料存在變點。對歷史記錄構成的時間序列數據進行變點檢驗，選取接近當前的一個變點之后的歷史資料，即可得到當前概率風險評估的有效歷史資料。
目前，有部分學者定性地劃分了災害風險動態變化的時間點。例如，Stewart和Li評估在溫室效應和不同應對措施影響下居民建筑物的熱帶氣旋動態風險，將1980年代前、后作為動態變化的時間節點，分別估計兩個階段的脆弱性函數，進而評估在不同減災措施下的損失情況來表征動態風險[41]。龐西磊按照“五年計劃”劃分歷史數據，求解不同“五年計劃”時段的風險表征動態風險[42-43]。黃崇福界定了自然災害動態風險分析的基本原理[44]，指出需依據不同綜合環境或者內在屬性條件而劃分歷史記錄數據[45-46]，然而并未指出具體的劃分方法。
在風險更新的實踐應用方面，災害風險系統動態變化時間點的確定也缺乏詳細論證。例如，美國地質勘探局(USGS)從1976年第一張地震危險性概率區劃圖發布以來，根據最新的研究成果、觀察資料等分別于1990年、1996年、2002年、2008年、2014年和2016年對其進行了更新[47];我國地震區劃圖從新中國成立以來到現在，分別于1957年、1977年、1992年、2001年、2016年進行了5次更新，第五代區劃圖于2016年6月1日起在全國正式實施[48]。此外，為了適應2008年汶川特大地震后的恢復重建工作的需要，基于對地震災區的新資料和新認識，局部更新了汶川地震災區的地震動參數區劃圖[49]。
如前所述，歷史記錄有效性選取的關鍵是判斷自然災害風險系統在歷史記錄所跨越的時間段內是否出現變化，表現為對應時間段內歷史記錄組成的序列數據是否存在變點的問題，該問題是統計學研究中的一個熱點。
序列數據的變點問題是指某一過程或現象在某個(些)階段或位置內在機制發生了變化，導致該過程或現象對應的序列數據在某(些)處的某性質發生變化;在過程或現象內機制變化信息未知的情況下，采用統計學方法分析對應的序列數據，發現其中變點等相關信息，進而了解對應過程或現象的內在變化情況并采取響應措施等。目前，變點問題的相關理論和方法的應用領域，也不僅僅局限于最初的生產線上的質量控制問題[50]，已經發展到氣象學[51]、經濟[52]、金融[53]、行為學[54]、流行病、生物學[55-56]、圖像識別[57-58]等眾多領域。
2.2有效歷史資料獲取的變點檢驗法
2.2.1變點檢驗的基本思想
變點問題是指在某一過程或現象對應的按照時間等順序組成的序列數據中，由于該過程或現象內在機制的變化，導致該序列數據在某處(或某些處)的某個性質發生了變化。基于上述序列數據，采用統計學方法對“其是否存在變化”、“在何處(或哪些處)”以及“發生怎樣的變化”等問題的研究，便是變點問題的統計研究。
具體地，統計學中的變點是指按照一定順序排列的序列數據，在某個(些)點處，其某些性質發生了變化，則該點(集)稱為變點。其中，序列的順序多為時間先后順序，也可為按照一定規則的空間位置順序[59]等。
變點問題源于生產流水線上產品的質量檢驗問題，即從生產流水線上抽檢產品，檢測產品質量的波動情況是否超過控制范圍。一旦檢測到抽檢的產品質量超過控制線，則給出預警以免出現更多的次品。
針對變點問題的科學研究，一般認為起源于1954年Page發表的關于生產質量控制的連續檢驗方案的文章，詳細介紹了累積和的變點檢驗法(cumulativesum，CuSum)[60]。發展至今，變點問題的研究內容和理論基礎均得到了極大的豐富和擴展。針對變點問題的研究內容，采用不同的標準可作出不同的劃分[61-63]:根據序列中樣本的產生過程，分為連續抽樣方法(或事中)和固定抽樣方法(或事后)變點問題;依據變點處的表現形式，可分為突變和漸變變點問題;由序列中樣本之間的關系，可分為獨立樣本和相依樣本情況下的變點問題;從變化的性質，可分為均值、方差、斜率等統計特征值變化的變點問題;等等。對于上述眾多類型的變點問題，變點的理論基礎也相應地壯大起來，包括數理統計理論(變點的假設檢驗等)、貝葉斯理論(變點估計)、小波分析理論(變點識別)、系統控制理論(變點研究的應用)等等[61，64]。
2.2.2變點檢驗的主要方法
關于變點檢驗的方法主要有最小二乘法、廣義似然比檢驗、貝葉斯方法、局部比較法、非參數方法等[65]。由于變點問題類型復雜、多樣，相應地變點檢驗的方法眾多，不同方法具有不同的適應性和優缺點(表1)，針對具體的問題可以選擇具體的方法。
3結論與展望
3.1結論
由于自然災害風險系統的動態變化性和歷史災害記錄資料統計口徑的變化，久遠歷史資料可能不是當前概率風險評估的有效樣本，即歷史資料存在有效性的問題。隨著氣候變化和快速城市化的發展，風險源所處的自然環境會發生變化，風險承受體所處的社會系統更是變化迅速，導致不同時期的自然災害風險系統會改變;同時，隨著科學技術的進步，不同時期歷史記錄的統計口徑也會出現變化，因此開展自然災害概率風險評估時應檢驗歷史資料的有效性。
歷史資料的有效性是由自然災害風險系統或者歷史記錄統計口徑的動態變化引起的，相對應地表現為歷史時期的災害記錄序列會出現變點。通過檢驗歷史記錄構成的序列數據是否存在變點，可以判斷對應的歷史資料的有效性，接近當前的一個變點之后的歷史資料可近似作為自然災害概率風險評估的有效資料。由于變點問題類型的復雜、多樣，相應地變點檢驗的方法眾多，諸如最小二乘法、廣義似然比檢驗、貝葉斯方法、局部比較法、非參數方法等，不同方法具有不同的適應性和優缺點，針對具體的問題需選擇合適的方法。
歷史資料作為概率風險評估的數據基礎，本文將變點檢驗方法引入自然災害概率風險歷史資料的有效性檢驗中，以期從數據層面提高災害風險評估結果的可靠性。
3.2展望
3.2.1歷史資料的選取理念
本文探討的歷史資料存在有效性的問題，提出開展災害風險評估時應摒棄“數據資料的時間序列越長、風險評估的結果越可靠”的觀念。通過分析歷史階段災害風險系統以及歷史記錄統計口徑的動態變化，選取合適時間尺度或情景條件下的歷史記錄，作為風險評估的有效資料。
理論上，風險的動態變化是由所處綜合環境或內部屬性的變化引起的[44]，時間只是標定變化的一個指標，有效的歷史資料所處時期的風險系統和當前評估時是近似的。歷史資料有效性檢驗的關鍵是對災害風險動態變化本質以及統計口徑標準的認識和理解，找到動態變化的原因，選取一致條件下的歷史記錄作為風險評估的有效資料。
實踐中，自然災害風險系統的復雜性和不確定性以及統計口徑記載的不詳實性，使得對災害風險系統以及統計口徑標準動態變化的認識不充分，而依據歷史資料構成序列數據的變點檢驗反推動態變化繼而得到有效歷史資料，這是本文引入變點檢驗方法的出發點。
3.2.2動態風險評估理論
有效歷史資料是與當前災害風險系統相似以及統計口徑一致的歷史記錄。基于有效歷史資料的災害風險評估結果本質上是與當前綜合環境或內在屬性相似條件下的風險[44]，進而需依據動態風險分析的基本原理———“研究綜合環境和內在屬性變化對風險源和風險承受體的影響”開展動態風險評估。
此外，考慮歷史資料有效性的自然災害概率風險評估面臨的小樣本問題將更加突出。由于自然災害事件的低發生率，自然災害風險評估通常面臨小樣本問題，再考慮有效性檢驗，可用的歷史資料將更加有限，小樣本問題會更加突出，而可充分利用不完備信息的信息擴散技術將繼續發揮作用[79]。
最后，歷史資料有效性檢驗是自然災害風險評估最主要的實踐應用———保險業、風險區劃圖制作的基礎。其中，保險業是概率風險評估應用最廣泛的領域，其利用歷史記錄厘定恰當的費率;風險區劃圖的制作中也往往采用風險源的歷史強度記錄作為其中一個指標或用于風險源發生規律的評估。
本文主要從理論層面探討了概率風險評估歷史資料的有效性檢驗問題，后續將開展有效歷史資料選取的案例驗證及在此基礎上的動態風險評估實踐。
SCISSCIAHCI
