基于空间统计模型的热带气旋灾害模拟及其风险评估
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按照北大西洋台风路径的地理特征将其分类以便于更好地提取各种路径的统计 特征，在此基础上拟合各类台风速度、方向的空间核密度函数，从而产生模拟路 径[22][27][21][15][25]。
1.3 研究思路
本文针对我国沿海地区的台风灾害，综合国内外现有风险评估的方法优略， 建立空间统计模拟模型来评估我国台风灾害风险， 在克服了数据时空局限性的基 础上，给出了以地级市为单位的风险评估，力求为保险行业、政府部门防灾减灾 提供准确的理论基础和科学依据。 在研究区域的选择上，考虑到广东省经济发展水平、人口集中程度都处于全 国前列，且每年登陆的台风数量占全国最多，受灾最为严重，因此，本文选取广 东省为研究区域。首先，在中国台风网上获得 1949-2010 年热带气旋最佳路径数 据集，按照台风路径的地理特征将其分类，然后，在此基础上利用非平稳泊松过 程生成热带气旋起点，再根据地理位置和空间统计规律随机生成起点的前进方 向、速度和风速，以此得到路径下一个点的位置，重复以上步骤，直到热带气旋 消失为止，而消失的概率由热带气旋的风速和地理位置决定。至此，一条完整的 台风路径就模拟出来了，通过多次重复这种方法，可以得到大量的模拟路径，而 这些模拟路径与历史观测路径具有相同的统计特征， 因而可以克服数据的时空局 限性，对受灾区域进行更稳健的风险评估。 需要指出的是，本文的注重的是整体历史数据的时空统计特征，目的在于提 高区域风险评估的准确性，而不在于预测北太平洋洋沿岸，沿海地区自古以来就饱受台风灾害的肆虐，如 何准确评估受灾风险，减轻台风灾害历来是政府部门和人民群众所关心的问题， 同时也是科研人员的研究热点。 本文采用中国台风网提供的 CMA-STI 热带气旋最 佳路径数据集， 通过引入空间统计模型，结合马尔可夫——蒙特卡罗方法模拟了 西北太平洋的热带气旋路径， 假设检验结果表明， 模拟结果与历史情况相当吻合， 多次模拟可以消除了历史数据的时空局限性。在此基础上，本文以广东省为例， 给出了以地级市为单位的风险评估。研究发现基于模拟数据的风险评估更为稳 健。与历史数据相比较，基于模拟数据估计的重现水平更具准确性和稳定性；同 时， 本文绘制出了基于模拟数据的大比例极端风速风险图，很大程度上提高了风 险评估的实用性， 其结果可以作为保险行业开展巨灾保险业务，政府部门制定防 灾减灾规划的科学依据。 关键词： 空间点随机过程 马尔可夫蒙特卡罗模拟 风险评估 重现期 风险图
1.2 研究现状
鉴于台风灾害的严重性，我国学者开展了广泛的研究工作，主要集中在台风 路径，强度等致灾因子方面。近年来，对台风灾害的社会经济影响，特别是对风 险方面的研究逐渐多起来， 主要方法是通过已有观测数据建立相关灾害指标，再 应用一些评估方法或分级模型，如综合评价、灰色关联、模糊判别等方法，得出 灾害指标的等级和相关权重，在此基础上对受灾区域进行风险评估[1][2][4][5]。 这类方法的优点是通过各种指标的综合评价能够得出综合反映台风灾害风险的 等级指数。 然而不幸的是， 观测数据的时空局限性降低了这种风险评估方法的准 确性。 就数据的时间局限性而言，目前可用来做西北太平洋台风风险评估的观测 数据（包括路径、最大风速、中心气压等）仅从 1949 年开始至今 60 年左右，用 来评估未来 60 年的灾害风险是合适的，对于某些百年或千年一遇的台风灾害评 估效果很差； 空间局限性表现在某些区域内没有或很少经历过超强台风的直接袭 击，而现实情况表明，往往是这些地区疏于防范，在极端台风登陆时损失更加惨 重[22][22]。因此，在数据稀缺的情况下，基于指标法的风险评估显得相当无力。 在 20 世纪 80 年代，国外许多学者就展开了北大西洋沿岸地区热带气旋灾害 的风险评估工作，随着保险和再保险业务的发展，研究越来越深入，建立了政府 ——保险公司——个人共同防灾减灾的模式。在这种模式下，考虑到台风灾害损 失的严重性， 全球变化条件下台风灾害风险增高的可能性，保险公司和政府都力 求精确地评估台风灾害风险以便开发保险产品和制定防灾减灾措施， 这通常需要 估计出沿海地区 0.001 或更小概率下的极端风速，在指标风险评估法无法满足的 情况下， 许多学者或私人机构开始研究随机模拟方法来弥补观测数据的时空局限 性。在过去的 10 年里，许多基于统计模拟的风险评估方法取得了重大进展。 Vickery(2000) 最先采用自回归模型模拟了台风的前进速度和方向， James 和 Mason(2005)通过拟合历史台风经维度的自回归模型模拟了澳大利亚东北沿岸的 台风路径，Emanuel (2006)通过随机抽取转移矩阵来产生台风路径，Rumpf (2009)
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1 引言
1.1 问题提出
热带气旋(Tropical Cyclone)是形成在热带或副热带洋面上，具有组织的对流 和确定气旋性环流的非锋面性涡旋的统称 [6]，一般把发展强烈的热带气旋叫做 台风。在全球热带气旋生成区中，西北太平洋是全球热带气旋生成频率最高（约 占全球的 36%） ，台风强度最强（台风中心气压达 875hPa）的区域[8]，而我国地 处亚洲东部， 西北太平洋沿岸， 这就注定了我国是世界上几个遭受台风灾害最为 严最为严重的国家之一。我国的受灾区域主要集中在沿海地区，南起两广，北至 辽宁，在过去的 30 年里，沿海地区的经济得到了飞速发展，人口、财富高度集 中，因此，也成为了最为脆弱的受灾区域。2009 年，大型台风莫拉克登录我国 沿海地区，直接影响福建、江西、浙江等地，受影响人数达 1 亿之多，估计直接 经济损失 14.16 亿美元[3]，打破了过去 10 年单个台风的损失记录。研究表明， 在全球气候变暖的情况下， 极端台风的发生频率和强度也在增加，为了提高受灾 区域抵御能力、减少生命财产损失，从 20 世纪 90 年代以来，热带气旋灾害的研 究逐渐成为全球自然灾害的研究热点。
基于空间统计模型的热带气旋灾害模拟及其风险评估
暨南大学 廖远强、漆嘉琦、陈志辉
目录
目录................................................................................................................................ 1 摘要................................................................................................................................ 2 1 引言............................................................................................................................ 3 1.1 问题提出......................................................................................................... 3 1.2 研究现状......................................................................................................... 3 1.3 研究思路......................................................................................................... 4 2 方法综述.................................................................................................................... 4 2.1 理论简介......................................................................................................... 4 2.2 数据来源......................................................................................................... 6 2.3 主要步骤......................................................................................................... 7 3 模拟过程.................................................................................................................... 7 3.1 路径划分......................................................................................................... 7 3.2 起点生成......................................................................................................... 9 3.3 路径模拟....................................................................................................... 12 3.4 终止概率....................................................................................................... 13 4 模拟结果.................................................................................................................. 14 4.1 登陆数检验................................................................................................... 15 4.2 风速检验....................................................................................................... 16 5 风险评估.................................................................................................................. 18 5.1 重现期........................................................................................................... 18 5.2 风险图........................................................................................................... 22 6 结论与展望.............................................................................................................. 25 参考文献...................................................................................................................... 26
按照北大西洋台风路径的地理特征将其分类以便于更好地提取各种路径的统计 特征，在此基础上拟合各类台风速度、方向的空间核密度函数，从而产生模拟路 径[22][27][21][15][25]。
1.3 研究思路
本文针对我国沿海地区的台风灾害，综合国内外现有风险评估的方法优略， 建立空间统计模拟模型来评估我国台风灾害风险， 在克服了数据时空局限性的基 础上，给出了以地级市为单位的风险评估，力求为保险行业、政府部门防灾减灾 提供准确的理论基础和科学依据。 在研究区域的选择上，考虑到广东省经济发展水平、人口集中程度都处于全 国前列，且每年登陆的台风数量占全国最多，受灾最为严重，因此，本文选取广 东省为研究区域。首先，在中国台风网上获得 1949-2010 年热带气旋最佳路径数 据集，按照台风路径的地理特征将其分类，然后，在此基础上利用非平稳泊松过 程生成热带气旋起点，再根据地理位置和空间统计规律随机生成起点的前进方 向、速度和风速，以此得到路径下一个点的位置，重复以上步骤，直到热带气旋 消失为止，而消失的概率由热带气旋的风速和地理位置决定。至此，一条完整的 台风路径就模拟出来了，通过多次重复这种方法，可以得到大量的模拟路径，而 这些模拟路径与历史观测路径具有相同的统计特征， 因而可以克服数据的时空局 限性，对受灾区域进行更稳健的风险评估。 需要指出的是，本文的注重的是整体历史数据的时空统计特征，目的在于提 高区域风险评估的准确性，而不在于预测北太平洋洋沿岸，沿海地区自古以来就饱受台风灾害的肆虐，如 何准确评估受灾风险，减轻台风灾害历来是政府部门和人民群众所关心的问题， 同时也是科研人员的研究热点。 本文采用中国台风网提供的 CMA-STI 热带气旋最 佳路径数据集， 通过引入空间统计模型，结合马尔可夫——蒙特卡罗方法模拟了 西北太平洋的热带气旋路径， 假设检验结果表明， 模拟结果与历史情况相当吻合， 多次模拟可以消除了历史数据的时空局限性。在此基础上，本文以广东省为例， 给出了以地级市为单位的风险评估。研究发现基于模拟数据的风险评估更为稳 健。与历史数据相比较，基于模拟数据估计的重现水平更具准确性和稳定性；同 时， 本文绘制出了基于模拟数据的大比例极端风速风险图，很大程度上提高了风 险评估的实用性， 其结果可以作为保险行业开展巨灾保险业务，政府部门制定防 灾减灾规划的科学依据。 关键词： 空间点随机过程 马尔可夫蒙特卡罗模拟 风险评估 重现期 风险图
1.2 研究现状
鉴于台风灾害的严重性，我国学者开展了广泛的研究工作，主要集中在台风 路径，强度等致灾因子方面。近年来，对台风灾害的社会经济影响，特别是对风 险方面的研究逐渐多起来， 主要方法是通过已有观测数据建立相关灾害指标，再 应用一些评估方法或分级模型，如综合评价、灰色关联、模糊判别等方法，得出 灾害指标的等级和相关权重，在此基础上对受灾区域进行风险评估[1][2][4][5]。 这类方法的优点是通过各种指标的综合评价能够得出综合反映台风灾害风险的 等级指数。 然而不幸的是， 观测数据的时空局限性降低了这种风险评估方法的准 确性。 就数据的时间局限性而言，目前可用来做西北太平洋台风风险评估的观测 数据（包括路径、最大风速、中心气压等）仅从 1949 年开始至今 60 年左右，用 来评估未来 60 年的灾害风险是合适的，对于某些百年或千年一遇的台风灾害评 估效果很差； 空间局限性表现在某些区域内没有或很少经历过超强台风的直接袭 击，而现实情况表明，往往是这些地区疏于防范，在极端台风登陆时损失更加惨 重[22][22]。因此，在数据稀缺的情况下，基于指标法的风险评估显得相当无力。 在 20 世纪 80 年代，国外许多学者就展开了北大西洋沿岸地区热带气旋灾害 的风险评估工作，随着保险和再保险业务的发展，研究越来越深入，建立了政府 ——保险公司——个人共同防灾减灾的模式。在这种模式下，考虑到台风灾害损 失的严重性， 全球变化条件下台风灾害风险增高的可能性，保险公司和政府都力 求精确地评估台风灾害风险以便开发保险产品和制定防灾减灾措施， 这通常需要 估计出沿海地区 0.001 或更小概率下的极端风速，在指标风险评估法无法满足的 情况下， 许多学者或私人机构开始研究随机模拟方法来弥补观测数据的时空局限 性。在过去的 10 年里，许多基于统计模拟的风险评估方法取得了重大进展。 Vickery(2000) 最先采用自回归模型模拟了台风的前进速度和方向， James 和 Mason(2005)通过拟合历史台风经维度的自回归模型模拟了澳大利亚东北沿岸的 台风路径，Emanuel (2006)通过随机抽取转移矩阵来产生台风路径，Rumpf (2009)
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1 引言
1.1 问题提出
热带气旋(Tropical Cyclone)是形成在热带或副热带洋面上，具有组织的对流 和确定气旋性环流的非锋面性涡旋的统称 [6]，一般把发展强烈的热带气旋叫做 台风。在全球热带气旋生成区中，西北太平洋是全球热带气旋生成频率最高（约 占全球的 36%） ，台风强度最强（台风中心气压达 875hPa）的区域[8]，而我国地 处亚洲东部， 西北太平洋沿岸， 这就注定了我国是世界上几个遭受台风灾害最为 严最为严重的国家之一。我国的受灾区域主要集中在沿海地区，南起两广，北至 辽宁，在过去的 30 年里，沿海地区的经济得到了飞速发展，人口、财富高度集 中，因此，也成为了最为脆弱的受灾区域。2009 年，大型台风莫拉克登录我国 沿海地区，直接影响福建、江西、浙江等地，受影响人数达 1 亿之多，估计直接 经济损失 14.16 亿美元[3]，打破了过去 10 年单个台风的损失记录。研究表明， 在全球气候变暖的情况下， 极端台风的发生频率和强度也在增加，为了提高受灾 区域抵御能力、减少生命财产损失，从 20 世纪 90 年代以来，热带气旋灾害的研 究逐渐成为全球自然灾害的研究热点。
基于空间统计模型的热带气旋灾害模拟及其风险评估
暨南大学 廖远强、漆嘉琦、陈志辉
目录
目录................................................................................................................................ 1 摘要................................................................................................................................ 2 1 引言............................................................................................................................ 3 1.1 问题提出......................................................................................................... 3 1.2 研究现状......................................................................................................... 3 1.3 研究思路......................................................................................................... 4 2 方法综述.................................................................................................................... 4 2.1 理论简介......................................................................................................... 4 2.2 数据来源......................................................................................................... 6 2.3 主要步骤......................................................................................................... 7 3 模拟过程.................................................................................................................... 7 3.1 路径划分......................................................................................................... 7 3.2 起点生成......................................................................................................... 9 3.3 路径模拟....................................................................................................... 12 3.4 终止概率....................................................................................................... 13 4 模拟结果.................................................................................................................. 14 4.1 登陆数检验................................................................................................... 15 4.2 风速检验....................................................................................................... 16 5 风险评估.................................................................................................................. 18 5.1 重现期........................................................................................................... 18 5.2 风险图........................................................................................................... 22 6 结论与展望.............................................................................................................. 25 参考文献...................................................................................................................... 26