基于风险矩阵的重大活动气象风险评估

轩春怡,吴春艳,刘勇洪,舒文军

① 北京市气候中心,北京 100089;② 中国气象局 地球系统数值预报中心,北京 100081;③ 灾害天气国家重点实验室,北京 100081

近年来,随着我国经济实力的提升和人民生活水平的提高,各地举办的重大活动越来越多,这些活动不仅形式多样,而且规格和规模等都呈现出大型化、室外化的特点,易受天气因素制约,举办过程中面临不同程度的气象风险。如2021年5月22日发生在甘肃白银的山地越野赛重大伤亡事故,一个重要原因就是赛前的风险评估、控制“关口失守”(唐钧等,2021),致使赛事期间出现的高影响天气(并非极端灾害性天气)引发重大人员伤亡,是一起重大公共安全责任事件(甘肃省委省政府联合调查组,2021)。可见,作为活动安全保障的重要一环,气象风险评估应成为目前重大活动组织实施和运行体系中必不可少的组成部分。通过对重大活动期间可能发生的气象风险进行识别和科学评估,可为制定活动工作方案和处置突发事件应急预案以及开展演练等提供科学技术支撑,可以有效预防气象风险转变为突发事件甚至气象灾害(叶飞,2020)。

由于重大活动是在特定场所和特定时间进行,而常规的气象观测和天气预报精度可能难以覆盖,因此,当前国内对不同类型的大型活动气象保障更多地关注在活动开始前或活动期间的精细化预报服务方面。时少英等(2008)分析了精细化天气预报在奥运期间赛事安排中的应用,苗世光等(2009)将高分辨率数值预报模式引入青岛奥帆赛中开展预报服务,王华等(2018)则引入多种精细化预报方法和新资料应用于2015年北京田径世径赛开幕式天气定点预报中。此外,还有一些从气象服务体系、服务流程、服务预案制定、信息资源整合及气象服务满意度等角度出发而开展的大型活动气象保障服务理论研究(王玉彬等,2009;潘进军等,2011;顾润源等,2018)。大部分重大活动都在大型城市及其周边举办,而城市化及全球变暖也对城市及周边地区的极端天气气候事件产生重大影响(江晓菲等,2020;孙雪榕等,2021,余荣和翟盘茂,2021;袁宇锋和翟盘茂;2022),气候变化对各地气候带来不一样的影响和风险(杨孟倩等,2019;王会军等,2020),进而也会影响一些重大活动的举办。国外不少学者评估和探讨了气候变化背景下冬奥会举办中存在的气候和天气风险,Scott et al.(2019)评估了未来在不同温室气体排放情景下冬奥会举办地的气候可行性,Rutty et al.(2015)分析了历届冬奥会对于天气风险的管理策略和适应措施,Dawkins et al.(2004)研究了利用天气衍生产品来管理和应对重大赛事活动的天气风险。国内针对重大活动开展系统性的气象风险评估最早可以追溯到北京2008年夏季奥运会的气象服务中,主要是通过计算奥运会期间不同区域各类灾害性天气出现的概率,结合不同地区的经济能力,人口等指标进行风险区划(程丛兰等,2008;郭虎等,2008;扈海波等,2008)。此后国内许多重大活动把气象风险评估纳入气象保障服务中,如雷向杰等(2011)基于概率统计和灾害易损性分析方法开展了西安2011年世园会开幕式、闭幕式期间的灾害性天气评估。南京市气象局开展了2014年夏季南京青奥会气象灾害风险源的识别,并提出了防灾减灾措施(赵阳等,2016)。可以看出,目前的大型活动气象保障更多地关注在预测与预报领域,在气象风险评估中主要以灾害性天气为主,未覆盖对活动可能造成重要影响的普通天气条件或天气事件(它们对于活动而言就是高影响天气),或即使考虑到高影响天气,也多以其发生的概率代表风险,较少考虑其出现时对活动造成的后果的严重程度,并不是基于影响的风险评估。

针对目前重大活动气象风险评估中的问题,本研究引入风险矩阵理论,初步建立重大活动气象风险评估方法与流程,在此基础上,以北京某重大庆祝活动气象服务为例,开展活动期间气象风险评估与风险控制研究,这对于其他大型活动气象保障和城市防灾减灾工作具有积极参考和借鉴意义。

1.1 风险矩阵

风险的基本内涵是危险事件发生的可能性以及产生影响的严重程度,它是事件发生概率和事件发生后果严重程度两个因素的综合。风险评估就是辨识危险事件是什么、危险事件发生的可能性和危险事件造成的后果严重到何种程度(Grubesic and Matisziw,2013),重点是给出某一危险发生的概率及其后果的严重程度,以此判断风险程度有多大。风险矩阵(risk matrix)是目前自然灾害风险评估与项目风险评估中常用的方法之一,通过定性和定量分析综合考虑事件发生的可能性和后果两方面的因素对风险进行评估(洪成等,2019;徐宁和梁第,2020)。该方法最早由美国空军电子系统中心在1995年对采办项目的寿命周期风险评估工作中首次提出,后被广泛应用于各类工程项目和自然灾害风险评估工作中(Ni et al.,2010;刘志雄和刘敏,2015;李岩和岳维栋,2019),在国内大型活动公共卫生突发事件风险评价中也得到有效应用(谈立峰等,2012;苏彦萍等,2015)。风险矩阵法不同于由专家打分直接得出风险等级,是定量分析与定性判断相结合的方法,从风险因子本身的属性出发,根据风险因子发生的可能性大小及其造成的危害后果之间的组合来确定风险程度。

本研究引入风险矩阵,以确定重大活动气象风险等级。根据风险矩阵理论,风险因子(或事件)是高影响天气,风险可能性则以各类高影响天气出现概率(或频率)表征。高影响天气出现概率计算方法为,在资料使用年限内统计重大活动期间出现某类高影响天气的日数,该日数与统计年限内该活动期间的总日数之比即为高影响天气出现概率。出现概率小于等于10%为“较不可能”、出现概率在10%～50%为“可能”、出现概率在50%～80%为“很可能”、出现概率大于等于80%为“几乎肯定能”。后果的严重程度主要由活动举办方或相关专家根据高影响天气出现时对活动的影响大小来判定,划分为轻微、一般、较严重和严重4个等级。由此,根据高影响天气发生概率与后果的严重程度可以将重大活动气象风险划分为低、中、高和极高4个等级,风险矩阵表见表1。

表1 风险矩阵表

1.2 重大活动气象风险评估流程

根据气象风险矩阵方法,结合大型活动特点确定重大活动气象风险评估技术流程主要包括5个阶段(图1)。

1)气象风险因素识别:开展活动举办过程中与天气有关的气象风险因素的识别,包括理想气象条件和高影响天气因子分析,确定高影响天气因子影响阈值。该阶段主要由气象部门与活动举办方相关专家共同参与确定。

2)气象风险因素可能性分析:对识别出的高影响天气因子可能性进行分析,包括活动期间气象条件分析及高影响天气出现的概率(或频率)估算。该阶段主要由气象部门实施。

3)影响后果判断:对活动举办过程中出现高影响天气时造成后果的严重程度进行判定。该阶段主要由活动举办方相关专家确定。

4)风险等级判定:根据2)、3)两步分析结果,利用风险矩阵,确定气象风险等级。该阶段主要由气象部门实施。

5)风险控制:根据评估结果,结合活动特点,与活动举办方专家商讨提出相应的风险控制措施与建议。

图1 重大活动气象风险评估流程Fig.1 Workflow of meteorological risk assessment for major activities

1.3 某重大庆祝活动气象风险因素识别

风险因素识别是风险评估的基础(彭鹏等,2015),该重大庆祝活动举办的项目多、涉及地点多、时间跨度相对较长,而不同活动、不同时段、不同地点其气象风险因子必然不同。经过与活动举办方多部门的协作与联合分析,确定该活动期间气象风险评估主要考虑气象条件对阅兵、联欢、烟花燃放三个主要活动的影响,并结合具体活动的特点,开展了气象风险因素识别,具体识别结果如表2所示。

表2 某重大庆祝活动主要气象风险因素识别表

1.4 气象资料需求

对活动有重大影响的风、强对流天气等在城市中具有空间不连续、局地性强等特征,因此首先选择离重要活动举办地——天安门广场最近的区域气象自动站天安门站建站以来(2000—2018年)庆祝活动期间(9月25日—10月5日,下同)逐时温度、风速、降水等气象要素观测资料开展评估工作。由于自动气象站没有天气现象的观测,选择了北京地区国家级代表气象站——观象台站近30年(1989—2018年)同期雾、霾、雷电、沙尘等天气现象及气温、降水、日照等要素观测资料。另外,参考了天安门广场临时布设的4个加密观测自动气象站和一台多普勒激光测风雷达短期风速观测资料作为补充。上述资料均由北京市气象信息中心提供,按窦以文等(2008)的方法经过质量控制,数据质量满足研究要求。

2.1 气温、相对湿度、能见度和平均风速

庆祝活动期间及庆祝日天安门地区上午(07—12时)平均气温在25 ℃以下,平均风速在3.3 m/s以下(图2),活动期间多年平均能见度为14.5 km,晴和多云天气出现概率达79%,这样的气象条件在大部分情况下有利于阅兵活动,且由于风速不大,相对湿度在70%以下,人体感受较为舒适,适宜群众现场观看阅兵及联欢。

图2 2000—2018年天安门地区庆祝活动期间和庆祝日气温、相对湿度(a)和风速(b)的日变化Fig.2 Variation of (a) hourly temperature and relative humidity,and (b) wind speed during the celebration period and on the celebration day in the Tian’anmen area (2000—2018)

庆祝活动期间天安门地区日最高气温大于等于28 ℃的天气出现概率为5%(庆祝日为10%),极端最高气温为31.4 ℃(庆祝日为29.2 ℃),极端最低气温为6.6 ℃(庆祝日为10.2 ℃)。观象台30 a资料分析得出,日最高气温大于等于28 ℃的天气出现概率为4%,日最低气温小于等于5 ℃的低温天气出现概率为1%,日极端最低气温可低达3.1 ℃。

以上分析显示,庆祝活动期间日最高气温大于等于28 ℃的高温天气出现概率最大为10%,而日最低气温小于等于5 ℃的低温出现概率小于5%,即可能性均为“较不可能”。另外,这两种天气出现后的后果严重程度都是“一般”,结合风险矩阵表,可以确定影响阅兵和联欢活动的高温和低温风险均为“低风险”等级。

2.2 降水/阴雨

天安门地区庆祝活动期间降水出现概率为22%(庆祝日为26%),多年平均降水日数为2.4 d(最多为5 d),有雨日平均日降水量为6.5 mm(庆祝日为7.2 mm)。庆祝活动期间最大日降水量是43.0 mm(大雨),庆祝日最大日降水量为18.2 mm(中雨)。从庆祝活动期间和庆祝日逐时降水概率及平均雨强资料(图3)分析得出,庆祝活动期间各时次均有出现降水的可能,虽然平均雨强都小于3.5 mm/h(庆祝日平均雨强小于4.5 mm/h),但若出现对活动还是有较大影响。庆祝日最大雨强为9.6 mm/h,相当于大雨级别,出现在2013年10月1日6—7时。

图3 天安门地区庆祝活动期间(a)和庆祝日(b)逐时降水概率及平均雨强(2000—2018年)Fig.3 Hourly precipitation probability and average rainfall intensity during (a) the celebration period,and (b) on the celebration day in the Tian’anmen area (2000—2018)

观象台30 a资料分析得出,庆祝活动期间平均降水日数为2.2 d,降水概率为20%(庆祝日降水概率为30%),中雨以上降水出现概率为4%。庆祝活动期间阴天(低云量大于等于8成)出现概率为5%,阴雨天合计出现概率约为21%。

综合以上分析,阅兵时段有可能出现中雨以上的降水天气,阴雨天出现概率大于10%,可能性为“可能”,该类天气出现时后果严重程度为“严重”,结合风险矩阵表,确定阴雨天风险为“高风险”等级。

2.3 大风

统计庆祝活动期间和庆祝日07—23时不同时段各等级极大风速出现概率显示,庆祝日上午阅兵时段(9—12时),极大风速大于等于6级的出现概率在21%以上;下午(12—17时)极大风速大于等于6级的出现概率最高可达26%,午后有可能出现7级以上大风(见图4b);在夜晚烟花燃放时段(18—23时),极大风速大于等于3级的出现概率在50%以上,极大风速大于等于6级的出现概率明显减少,18—19时在10%～16%,此后低于10%(统计表略)。另外,参考4个广场加密气象站资料表明,天安门广场风速较天安门自动气象站观测记录偏大,大风的危险性更高;正阳门多普勒激光雷达观测资料分析显示,天安门广场附近200 m以下有出现超低空急流的可能,广场活动中布设的许多高空设备以及空中梯队表演面临高空大风危险的可能。

图4 庆祝日夜晚(18—23时)不同等级极大风速风向频率(a)和2000—2018年逐年庆祝日极大风速等级及风向(b;单位:m/s;图中箭头表示风向)Fig.4 Night wind direction frequency of extreme wind speed (a) on the celebration day,and (b) wind direction of extreme wind speed on the celebration day (2000—2018,the arrow in the figure indicates the wind direction)

庆祝活动期间和庆祝日风向变化基本一致,上午时段(06—11时)天安门地区盛行风向为偏北风,偏南风出现频率不足3%;下午时段(12—17时)虽然盛行风向仍为北风,但偏南风频率较上午大幅增加,达到29%;夜晚时段(18—23时)偏南风频率最高,达到48%,进一步分析可看出夜晚烟花燃放时段风向为偏南风时极大风速都在6级以内,6级以上的大风风向都是偏北风(图4)。

以上结果显示,白天(9—16时)出现6级以上大风的概率最高可达21%,可能性为“可能”,大风出现时对阅兵影响程度为“严重”;在夜晚燃放烟花时段(18—23时)出现6级以上大风的概率最高可达16%,可能性为“可能”,烟花燃放时的消防安全需要重点关注,但该时段6级以上的大风风向基本都是偏北风,将烟雾吹向主观礼台的危险相对较小,因此对烟花燃放的影响程度为“较大”。结合风险矩阵表,可以确定影响阅兵活动的白天大风风险为“高风险”等级,影响烟花燃放的夜晚大风风险为“中风险”等级。

2.4 其他高影响天气

从观象台30 a资料分析可得出,庆祝活动期间雾日和霾日总日数分别为19 d和43 d,合计雾霾日出现概率为20%(庆祝日出现概率为27%)。庆祝日没有出现过雷电,但庆祝活动期间出现雷电13 d,出现概率为4%。

以上结果显示,雾-霾出现概率大于20%,即可能性为“可能”,出现时对阅兵和联欢活动的影响程度为“严重”;雷电出现概率小于5%,可能性为“较不可能”,且出现时对阅兵、联欢活动影响后果为“一般”。结合风险矩阵表,确定雾-霾为“高风险”,雷电为“低风险”。

3.1 气象风险评估结果及风险地图

综合上述分析得到北京地区庆祝活动期间主要气象风险评估结果(表3)。可看出,主要气象风险从高到低依次为:降水/阴雨为高风险、白天大风为高风险、雾-霾为高风险、夜晚大风为中风险、高温直晒为低风险、雷电为低风险、低温为低风险。依据北京市应急管理局2019年印发的《自然灾害类、事故灾难类风险评估与控制工作手册》与《北京市突发事件应急委员会关于印发北京市公共安全风险管理实施指南的通知》(京应急委发〔2010〕8号)的风险控制类别划分原则,除雾-霾风险为“可降低风险(B类)”外,其他几类风险均为 “不可控风险(C类)”。

表3 庆祝活动期间气象风险等级表

由于庆祝活动举办场所不同,不同气象风险还存在空间上的差别,为更好地反映庆祝活动在不同空间面临的主要气象风险,根据不同区域开展的庆祝活动的规模大小及重要性和前述气象风险评估结果,绘制了庆祝活动期间气象风险地图,如图5所示:气象风险主要集中于北京城六区范围,其中:高温直晒、夜晚大风和低温主要影响室外大型活动人群,这些活动主要在天安门广场及周边区域(东城区和西城区)进行;其他气象风险如降水/阴雨、雾-霾、白天大风、雷电等对城六区城市生命线、庆祝活动、空中梯队表演均可能造成影响。因此,风险防范区进一步分为核心区、重要区和次要区。东城、西城为所有的7种高影响天气风险区,是庆祝活动气象风险重点防范区,其中天安门广场周边1 km是庆祝活动聚集场所,是核心防范区。海淀、朝阳、丰台和石景山为降水/阴雨、雾-霾、白天大风、雷电风险区,是庆祝活动气象风险次要防范区。

图5 庆祝活动期间气象风险地图Fig.5 Meteorological risk map during the celebration period

3.2 风险控制原则

庆祝活动期间的7类气象风险具有两个共性:1)不可控性:由于天气的自然属性,除霾天气风险可以通过人为措施减轻外,其他都属不可控类风险;2)不易消除性:高温直晒和夜间低温风险主要针对人体,可以通过人群的自我防护减轻或消除这种危害,其他风险均针对庆祝活动本身,由于庆祝活动是一个庞大的系统工程,涉及因素较多,风险不易减轻或消除。根据庆祝活动风险控制原则和要求,一方面需要气象部门按气象行业标准《大型活动气象服务指南 工作流程》(QX/T 274—2015)及时做好短期气候预测及短临天气预报、预警,并提供现场保障服务,为其他部门采取相关防护措施提供参考依据;另一方面也需要活动举办方提前做好各种天气风险下的预案及应对措施,以保障活动顺利开展,不同气象风险控制原则详见表3。

3.3 评估结果用于风险控制

基于本研究主要成果编制的《庆祝活动期间天气风险评估报告》上报给庆祝活动指挥部后,按照指挥部的部署要求,各活动相关部门依据该报告制定和修改了活动的风险控制方案及实施方案。如,相关部门根据报告内容,针对天安门超高LED网幕吊装及运行过程中面临的高空极端大风风险,及时调整实施方案,调高了施工吊车吨位,确保安装顺利;报告中天安门地区风速较气象观测站风速更大、有可能出现超低空急流等结论和极大风速值为国旗旗杆升高后的基座以及国旗加宽加大后的抗风风洞试验提供了关键抗风参数;另外,根据分析结论,进一步对与庆祝活动相关的11个指挥部提供的天气风险应对措施提出修改意见,最终形成针对 “9.30献花”“10.1大阅兵”“联欢”和“群众游园”等4大主题活动的105项气象风险应对预案,较大程度上降低和避免庆祝活动在举办过程中的气象风险。

4.1 结论

1)基于风险矩阵理论,本文初步建立了重大活动气象风险评估方法与流程,可以分为气象风险因素识别、气象风险因素可能性分析、影响后果判断、风险等级判定和风险控制等几个阶段。利用此方法,在多部门联合共同确定活动气象风险源的基础上,开展了北京某重大庆祝活动气象风险评估,根据评估结果建立的风险控制原则和具体措施成功应用于该重大庆祝活动风险控制中。与现有气象业务中天气风险评估相比,实现了重大活动气象风险评估由仅考虑高影响天气出现概率向基于影响的风险评估的转变。

2)重大活动气象服务除气象风险评估外还包括很多方面,如短期预报、临近预报、现场观测等。气象风险评估只是重大活动气象服务中前置先行的一步,其评估结果可为制定活动工作方案和处置突发事件应急预案以及开展演练等提供科学技术支撑。短期预报、临近预报、观测结果是应急预案、风险控制策略实施的发令枪,当预报结果或观测结果达到风险评估中的某类风险阈值时,活动组织方则要根据制定的各项预案和风险控制措施开展工作以消除或降低其对活动的影响。因此,重大活动气象服务中的各个方面并非完全割裂,而是互有补充,共同为决策者提供更全面、更完整、更系统的决策支撑,以保重大活动安全、有序开展。

4.2 讨论

重大活动气象风险评估不同于常规的气象灾害风险评估,而科学合理且精细化的风险评估对于活动的顺利举办至关重要。本研究通过对北京某重大庆祝活动期间气象风险的评估表明,在重大活动气象保障中引入风险矩阵理论来评估气象风险较目前常规的天气风险评估方法更具有科学性与合理性,但仍需关注以下问题:

1)气象风险因子识别和风险阈值的判断:重大活动由于涉及人员、设备众多,各活动主要场所、关键时间节点各不相同,影响活动的气象因素也各不相同,甚至同一活动在不同的时间节点,其气象影响因子和影响阈值也不同。因此,针对重大活动开展气象风险评估时,要充分调研,并借助部门联合、多学科融合手段,包括数值模拟、风洞试验等开展气象风险因子的识别和风险阈值的判断。

2)分析方法的差异:不同于常规的气象灾害风险评估,大型活动气象风险评估一般只集中于某几天甚至某一天,按照气候学意义而言,在同一时期的某几天或者其中一天的天气事件出现概率应该是一样的,但实际统计分析的时段不同,结果差异很大。例如,天安门地区庆祝活动期间和庆祝日下午13—17时风力大于等于6级出现的频率分别为5%和22%左右,相差巨大。并且有30 a观测资料的观象台站和有19 a观测资料的自动气象站高温出现概率的分析结果也存在明显差异,在此次风险评估中只是简单采用了“最大值”原则,即就重不就轻,如何平衡这种差异也需要有一定的方法和规则来进行约束。

3)先进资料和技术的应用:针对特定活动地点,常规的气象观测很难覆盖,一方面要充分利用城市中的区域气象自动站观测数据外,另一方面针对活动的特殊需求,需要临时增设加密观测。而随着数值模拟技术的发展,对城市局地气候尤其是极端气候值的模拟也可以是未来重大活动气象风险评估的重要技术发展方向之一。

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