熱帶氣旋致災危險性及系統能量當量研究

解曉茹，張坤珵，郭佩芳，李晶，田士政

（1.中國海洋大學 海洋與大氣學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學 馬克思主義學院軍事教學部∕海洋發展研究院，山東 青島 266100）

熱帶氣旋是發生在熱帶（多集中在5°－10°緯度帶內）洋面上的暖性氣旋式渦旋，是對流層中最強大的風暴，也是影響我國的主要災害性天氣之一[1]。熱帶氣旋及其在近海造成的風暴潮事件嚴重威脅我國海上及海岸帶地區人民群眾的生命財產安全與區域社會經濟發展。據統計，在1984－2017 年間，熱帶氣旋平均每年導致我國約375 人死亡，造成368.0 億元直接經濟損失[2]。就某些熱帶氣旋個例而言，其危害更為突出。例如，1909號超強臺風“利奇馬”影響了我國9 個?。ㄊ校?，共造成1 402.4 萬人受災，70 人死亡（含失蹤），直接經濟損失高達515.3 億元[3]。因此，開展熱帶氣旋的致災危險性（簡稱“危險性”）研究對我國防災減災意義重大。

目前，我國以熱帶氣旋底層中心附近最大平均風速表征熱帶氣旋強度并劃分等級，其結果是制定災害預警和應急響應等級的重要依據。然而，熱帶氣旋是多災種事件，其產生了暴風、風暴降雨、風暴潮、風暴浪和風暴海流等多種致災因子[4-8]。在熱帶氣旋事件發生過程中，多種致災因子綜合作用導致的惡劣后果遠比單一致災因子嚴重，其影響范圍也更廣。同時，在氣候變化的背景下，多致災因子發生的頻率及其強度均呈現上升趨勢，這又將進一步加劇其危險性[9-12]。若仍將單一致災因子作為研究熱帶氣旋強度及其危險性的依據，可能會低估其危險性，從而難以制定合理的災害應急響應等級和應對策略。因此，開展熱帶氣旋多致災因子危險性研究是十分必要和緊迫的，也是多災種綜合災害風險研究的重要基礎。

在熱帶氣旋多致災因子危險性研究中，由于各致災因子采用的計量指標不一，使得綜合強度的統一較為困難。針對該問題，相關學者開展了諸多探索?，F有研究方法可分為半定量和定量兩類：首先，半定量方法通過構建指標體系或指數，將各致災因子的強度標準化或歸一化后納入指數中。對于各致災因子的權重系數，主要采用基于經驗的專家打分法[13]、基于要素關系的層次分析法[14-16]等賦權方法。也有部分基于災情資料，在各致災因子與災情數據間建立相關關系從而確定相應權重系數[17-19]。半定量的方法只能獲得致災事件的相對強度（或等級），難以適應多災種絕對風險評估的客觀需求。其次，定量方法主要通過聯合概率、Copula 函數等數學模型構建多致災因子的聯合概率，從而獲得多災種事件的綜合強度及發生概率。當考慮3 種及以上致災因子時，傳統的多變量聯合概率模型常受到各變量間邊緣分布、相關關系等約束條件限制，因而難以適用于構造高維致災因子聯合概率模型[20]。與之相比，Copula 函數結構更加靈活，且已廣泛應用于熱帶氣旋多致災因子危險性研究[21-29]。但是，采用該類方法的研究仍以考慮二維或三維致災因子居多，涉及熱帶氣旋暴風、風暴降雨、風暴浪和風暴潮等致災因子的組合。對于更高維度致災因子聯合概率模型的構建研究仍然是該研究方向的難點[30]。綜上，在現有熱帶氣旋多致災因子危險性的研究中，受到方法和模型的限制，其考慮的致災因子種類仍十分有限。同時，現有研究仍未能考慮大氣系統和海洋系統中多種致災因子的綜合作用，難以全面反映熱帶氣旋多致災因子的危險性。因此，亟須探索更加簡便可行的方法為開展定量的熱帶氣旋多致災因子危險性研究提供支撐。

在氣象學或氣候學研究中，熱帶氣旋累積能量（Accumulated Cyclone Energy，ACE）[31-32]、能量耗散指數或氣旋潛在破壞性指數（Power Dissipation Index，PDI）[33】、綜合動能（Integrated Kinetic Energy，IKE）[34-35]等均是表征熱帶氣旋強度的指標，廣泛應用于熱帶氣旋危險性分析[36-38]、熱帶氣旋活動特征及其與氣候變化[39-42]等研究領域。其中，ACE定義為達到熱帶風暴或以上等級的熱帶氣旋在其生命史期間每6 小時持續最大風速平方的累積和。PDI 定義為熱帶氣旋在其生命史期間中心附近最大風速的立方在時間上的積分。IKE 定義為在10 m 高度處單位體積空氣的風動能在特定影響范圍內的積分。目前，以能量表征致災事件強度的方法在熱帶氣旋研究中已比較成熟，并且在單一致災因子的研究中占主導地位。因此，以能量研究多災種事件強度及其危險性的方法具有合理性與可行性。

本文開展綜合視角的熱帶氣旋多致災因子危險性研究，首先以系統的方法提出“熱帶海氣渦旋系統”的概念，綜合考慮了熱帶氣旋所在的大氣系統及其下墊面的表層和上層海洋系統。本文從能量的角度提出“系統能量當量”的概念，以此表征致災系統的強度。在此基礎上，本文開展了致災系統危險性指數計算和危險性分析，以期為熱帶氣旋多致災因子危險性研究及防災減災提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 熱帶海氣渦旋系統及其能量當量的提出和計算方法

1.1.1 熱帶海氣渦旋系統

熱帶氣旋是海氣相互作用的產物。在熱帶氣旋的整個生命史中，涉及大氣系統與海洋系統之間強烈的能量、熱量和物質的交換。熱帶氣旋產生與發展所需的水汽與能量源于其下墊面海洋的表層水和上層水。當熱帶氣旋過境海洋時，熱帶氣旋暴風又將大量的機械能輸入海洋中，從而產生風暴潮、風暴浪和風暴海流等海洋動力現象。因此，本文以系統的方法，將熱帶氣旋系統與其下墊面的表層和上層海洋系統視為一個海洋綜合致災系統，并稱其為“熱帶海氣渦旋系統（簡稱：系統）”。這里與氣象學中的“熱帶氣旋”相比，增加了海水的概念。因此，在熱帶海氣渦旋系統中涵蓋了大氣系統與海洋系統中的多種致災因子，如大氣系統中的暴風和風暴降雨，海洋系統中的風暴潮、風暴浪和風暴海流等（圖1）。

1.1.2 系統能量當量計算方法

能量是物質所具有的基本屬性之一，是物質存在的一種反映。能量轉換和守恒定律是物質運動所遵循的普遍規律[43]。因此，熱帶海氣渦旋系統的致災也應是從系統的能量轉化為致災能量，再致系統周邊環境的損害，是從系統到周邊環境、海岸帶損害的不同形式能量的傳遞。熱帶海氣渦旋系統由多種致災因子構成。致災因子從生成、發展到致災的過程也是能量積聚、轉化和釋放的過程。那么，致災因子的強度從根本上是致災能量的“強度”。因此，熱帶海氣渦旋系統的強度可以由不同形式的各種致災因子能量的總和表示。當各致災因子的強度換算為能量時，便實現了多致災因子強度的統一。

本文采用熱帶海氣渦旋系統的能量表征系統強度。熱帶海氣渦旋系統的能量由大氣系統中熱帶氣旋具有的能量和表層和上層海洋系統從“熱帶氣旋”中獲得的海水運動能量兩部分構成，其表達式為：

式中：Eau為熱帶海氣渦旋系統的能量；Ea為大氣系統中熱帶氣旋具有的能量；Eu為表層和上層海洋系統獲得的海水運動能量。

本文關注的系統能量是圍繞著致災因子的能量展開，對于系統中其他不能直接致災、致災不顯著或本文尚未認知的致災因子能量未做討論。毋庸置疑，系統能量的計算比較困難，本文采用各致災因子的能量密度構成了表征系統能量的當量。因此，本文的“系統能量”并不是真正意義上系統的能量，而應稱為“系統能量當量”。

（1）大氣系統的能量

暴風和風暴降雨是熱帶氣旋系統具有的最顯著特征，也是最重要的致災因子。暴風的致災性主要體現在吹刮作用，其能量為風動能。風暴降雨的致災性主要體現在降雨本身的擊濺作用和降雨落在地面后所形成徑流的沖刷作用，其能量分別為降雨動能和徑流動能。在大洋中，降雨落在海面形成的徑流動能可以忽略，因而在大洋中大氣系統的降雨能主要為降雨動能。另外，理論上還存在其他形式的能量本文尚未討論，暫將其歸類為其他能量。由此，大氣系統的能量由風動能、降雨動能和其他能量構成，其表達式為：

式中：Ea為大氣系統的能量；Ewind為風動能；Erainfall為降 雨動能；Ea，another為 大 氣系 統中除 了風 動能、降雨動能外的其他能量。

由此，大氣系統的能量當量由風動能和降雨動能構成，其表達式為：

式中：E′a為大氣系統的能量當量。

大氣系統中各致災因子能量的計算方法具體為：

①風動能

單位體積（m3）空氣在單位距離（m）、單位截面（m2）上具有的風動能（Ewind），其單位為J∕m2：

式中：ρa為空氣密度，單位為kg∕m3，取ρa=1.29 kg∕m3；U為風速，單位為m∕s。

②降雨動能

參考李光錄等[44]的研究，在單位時間（h）、單位面積（m2） 的坡面所具有的降雨動能（Erainfall），其單位為J∕m2：

式中：ρw為水密度，取1 000 kg∕m3；Irain為降雨強度，單位為m∕h；v為雨滴降落的最終速度，單位為m∕s；θ為坡度，單位為°。

在式（5）中，雨滴降落的最終速度v可根據沙玉清修正的牛頓終點速度公式[45]計算：

式中：d為雨滴直徑，單位為mm，d≥1.9 mm。

本文取d為1.9 mm，則v為6.798 m∕s，降雨動能可進一步表示為：

結合式（4）和式（7），大氣系統能量當量的計算方法為：

（2）表層和上層海洋系統的能量

在表層和上層海洋系統中，熱帶氣旋暴風以風應力的形式將大量機械能輸入表層和上層海洋系統，從而形成風暴浪和風暴海流等致災因子，在近岸則形成風暴潮。因此，深水中表層和上層海洋系統獲得的能量主要為海水中的波浪能、海流動能和其他（如海水垂直混合與交換）能量，其表達式為：

式中：Eu為表層和上層海洋系統的能量；Ewave為波浪能；Ecurrent為 海 流動能；Eu，another為 表 層和上 層海洋系統中除波浪能和海流動能外的其他能量。

同理，深水中表層和上層海洋系統的能量當量由波浪能和海流動能構成，其表達式為：

式中：E′u為表層和上層海洋系統的能量當量。

表層和上層海洋系統中各致災因子能量的計算方法具體為：

①波浪能

波浪能是由風暴引起的海水波動所具有的動能和勢能。風浪的成長與海表風速、風時和風區有關，而在深水中充分成長的風浪僅取決于風速。參考《海港水文規范》[46]，對深水中充分成長狀態的風浪，其波高與風速的關系式為：

將式（11）代入波浪能計算公式[47]，得到了處于充分成長狀態的風浪沿著單位寬度（m）的波峰線方向、在單位波長（m）內具有的波浪能（Ewave），其單位為J∕m2：

式中：U為風速，單位為m∕s；ρs為海水密度，單位為kg∕m3，取ρs=1 025 kg∕m3；g為重力加速度，單位為m∕s2。

②海流動能

海流動能是指無限深海漂流中海水流動所具有的動能。根據無限深海漂流理論，海表流速V0與風速U之間的經驗關系[47]為：

式中：V0為海表流速，單位為m∕s；U為風速，單位為m∕s；φ為所處的緯度，單位為°。

由式（13）表示的單位體積海水在單位距離、單位截面所具有的海流動能（Ecurrent，單位為J∕m2）為：

結合式（12）和式（14），深水中表層和上層海洋系統能量當量的計算方法為：

綜上，深水中熱帶海氣渦旋系統能量當量由大氣系統能量當量和表層和上層海洋系統能量當量構成，是風動能、降雨動能、波浪能和海流動能的總和，其表達式為：

式中：E′au為熱帶海氣渦旋系統能量當量；Ewind為風動能；Erainfall為降雨動能；Ewave為波浪能；Ecurrent為海流動能，以上單位均為J∕m2。

結合式（8）和式（15），熱帶海氣渦旋系統能量當量的計算方法為：

式中：等號右側第一項為風動能，第二項為降雨動能，第三項為波浪能，第四項為海流動能；ρa為空氣密度，單位為kg∕m3；U為風速，單位為m∕s；ρw為水密度，單位為kg∕m3；Irain為降雨強度，單位為m∕h；ρs為海水密度，單位為kg∕m3；g為重力加速度，單位為m∕s2；φ為所處的緯度，單位為°。

1.2 系統能量當量概率分析方法

1.2.1 概率分布模型及參數估計

為確定熱帶海氣渦旋系統能量當量的概率，本文根據經典極值理論[48]對系統能量當量展開概率分析研究。該方法與其他相比，客觀性更強。采用年最大值抽樣方法（Annual Maximum，AM）[49]構建系統能量當量年極值序列，選取耿貝爾（Gumbel）分布、威布爾（Weibull）分布和廣義極值分布（Generalized Extreme Value Distribution，GEV）三種概率分布函數進行擬合。各理論概率分布函數的參數估計采用極大似然估計法（Maximum Likelihood Estimate，MLE）[50]。

1.2.2 擬合優度檢驗法

本文采用Kolmogorov-Smirnov（K-S）檢驗篩選最優概率分布。K-S 檢驗以經驗頻率分布與假設的理論頻率分布F0( )x之間的最大差異值為統計量Dn，其對應的概率作為檢驗的p值，結合兩者判斷樣本是否符合假設的理論分布。其中，檢驗p值表示最大差異值在原假設為真條件下的發生概率，即能做出拒絕原假設推斷的最小顯著性水平[51]。在某一顯著性水平α下，若p≤α，則拒絕原假設，反之則接受原假設。若存在多個樣本統計量通過檢驗，則進一步比較Dn，以Dn最小者為擬合效果最優。

1.3 危險性指數計算方法

致災事件危險性是指致災事件致災的可能程度。致災事件危險性由致災事件危險性指數（Hazard Index）度量，危險性指數的取值越大表示危險性越大，反之亦然。通過對危險性指數劃分等級，可以確定對應的危險性等級。已知，致災事件危險性與致災事件強度及其發生可能性有關。由于自然致災事件發生可以視為隨機事件，其發生可能性可以由概率P表示。在大多數自然情況下，致災事件的強度與發生概率在統計關系上表現為：發生概率大的致災事件其強度為常見值，而非常見強度（即強度極大或極?。┑闹聻氖录l生概率卻非常小。因此，在致災事件危險性指數的計算中，致災事件強度與發生概率為乘積關系。對于熱帶海氣渦旋系統而言，其強度由系統能量當量表示，發生概率由熱帶海氣渦旋系統降臨的概率表示?；谝陨戏治?，熱帶海氣渦旋系統危險性指數的計算模型可以表示為：

式中：H為熱帶海氣渦旋系統危險性指數；I為熱帶海氣渦旋系統的強度，由系統能量當量表示；P為熱帶海氣渦旋系統降臨的概率。

需指出，通常以隨機變量x的分布函數F(x)表示概率。對于考察連續型隨機變量x，其概率密度函數f(a)表示隨機變量取值于某點a附近的可能性。因此，本文以系統能量當量的概率密度函數f(x)表示在某一系統能量當量取值附近的概率。

1.4 數據來源

本文采用的熱帶氣旋暴風數據源于中國氣象局熱帶氣旋資料中心網站（tcdata.typhoon.org.cn）提供的熱帶氣旋最佳路徑數據集中的“近中心最大風速（單位：m∕s）”，使用數據年限為1979－2018 年。在熱帶海氣渦旋系統能量當量的計算中，波浪能和海流動能均由風速換算而成；風暴降雨數據源于中國氣象局熱帶氣旋資料中心的熱帶氣旋風雨數據集[52-53]中的“最大小時降雨量數據（單位：mm∕h）”，使用數據年限為1979－2018 年。

2 結果與討論

2.1 系統能量當量計算結果分析

按照深水中熱帶海氣渦旋系統能量當量的計算方法，本文使用1979－2018 年影響我國的熱帶氣旋風雨數據，計算40 年間影響我國的熱帶海氣渦旋系統能量當量。隨后，采用AM抽樣方法構建系統能量當量的年極值序列并繪制年際變化曲線。由圖2 可知，系統能量當量年極值在3.733×106～2.445×107J∕m2之間波動變化。其中，系統能量當量年極值最大值出現在1979 年，為2.445×107J∕m2。系統能量當量年極值最小值出現在1999 年，為3.733×106J∕m2。在系統能量當量中，波浪能所占比重最大且量級最大，量級為106～107，其次為風動能（量級：103）、降雨動能（量級：103）和海流動能（量級：103）。分析其原因，該結果與本文對各致災因子能量的計算方法有關。比如，波浪能為深水中處于充分成長狀態的波浪所具有的能量，并且波浪能由風速換算而成（見1.1.2 節）。若進一步采用實測資料計算，各致災因子間的差距可能進一步縮小。

圖2 1979－2018 年熱帶海氣渦旋系統能量當量年極值變化趨勢

由圖2 可知，系統能量當量年極值的變化趨勢表現為先下降后上升的趨勢，其轉折點在1999 年。1999 年以前（1979－1999 年）為下降趨勢，1999 年以后（2000－2018 年）逆轉為上升趨 勢。采 用Mann-Kendall （M-K） 趨 勢 檢 驗法[54-55]分析各階段變化趨勢的顯著性。選擇顯著性水平α= 0.05，其對應的統計量Z為1.64。經計算，1979－1999 年的系統能量當量統計量Z為-4.137， |Z|＞Z0.05= 1.64，表明該階段的系統能量當量為顯著下降趨勢。2000－2018 年的系統能量當量統計量Z為3.219，|Z|＞Z0.05= 1.64，表明該階段的系統能量當量為顯著上升趨勢。

以系統能量當量表征熱帶海氣渦旋系統強度，發現系統強度在1979－1999 年顯著減小、2000－2018 年顯著增大。于茜倩等[56]研究了1979－1999 年影響我國的熱帶氣旋強度與厄爾尼諾－南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）的關系，其文中采用ACE 表征熱帶氣旋平均強度。該研究發現熱帶氣旋強度呈20 世紀90 年代減弱、21 世紀增強的趨勢，并且ACE 與表征ENSO 的Ni?o 3.4 指標相關性在2000 年發生突變。吳彥潔等[57]對1979－2015 年秋季西北太平洋ACE 指數進行分析和預報，發現其最大和最小值分別出現在1991年和1999年，其年際變化特征與ENSO有關。前人的研究表明，以能量研究熱帶氣旋強度的思路具有合理性。同時，本文系統能量當量年極值的結果與于茜倩等[56]的研究結果呈現相似變化特征。由此表明，系統能量當量能夠反映熱帶氣旋綜合致災強度及其變化特征。此外，系統能量當量在20 世紀末期的趨勢轉折與氣候變化物理機制的關系仍需進一步研究。

將系統能量當量年極值和系統能量當量年極值對應過程的ACE 比較，如圖2 所示。ACE 的最大值和最小值出現在1979 年和1999 年，分別為13.635×104m2∕s2和3.399×104m2∕s2。該特征與系統能量當量年極值的特征相同。采用M-K 趨勢檢驗法分析ACE的變化趨勢。1979－1999 年的ACE統計量Z為-3.01， ||Z＞Z0.05= 1.64，表明該階段ACE 為顯著下降趨勢。2000－2018 年的系統能量當量統計量Z為0.422，| |Z＜Z0.05= 1.64，表明該階段ACE的上升趨勢不顯著。

進一步采用皮爾遜積矩相關系數衡量系統能量當量年極值與對應過程ACE 的相關性。經計算，相關系數為0.478。由于系統能量當量還考慮了除風以外的其他致災因子的能量，因而其具體特征并不與ACE 完全相同。此外，ACE 是風動能在熱帶氣旋整個生命史周期內的累積，而本文的系統能量當量為熱帶氣旋過程中某一時刻“系統能量”的最大值，二者在研究思路上是不同的，因而相關系數不高。

綜上表明，系統能量當量也能反映熱帶氣旋強度的變化特征，具有合理性與可行性。同時，與ACE 等傳統表征熱帶氣旋強度的指標相比，系統能量當量考慮的致災因子更多，更能反映出熱帶氣旋多致災因子的綜合強度。

2.2 系統能量當量概率分析

本文按照備選理論概率分布類型（Gumbel 分布、Weibull 分布和GEV 分布），采用MLE 法對各理論概率分布的參數求解，參數估計結果見表1，擬合得到各概率分布類型的曲線見圖3。采用K-S檢驗對各理論概率分布類型進行擬合優度檢驗，由表1 可知，三種理論概率分布的p值均滿足p≥0.05，表示以上類型均通過了擬合優度檢驗。進一步比較各統計量值的大小，以統計量值最小者為最優。結果表明，Weibull 分布的統計量值最小，由此確定Weibull分布為描述熱帶海氣渦旋系統能量當量的最優概率分布。

表1 理論概率分布的參數估計和擬合優度檢驗結果

2.3 危險性指數計算與危險性評估

基于對熱帶海氣渦旋系統能量當量的概率分析研究，已確定Weibull分布為描述系統能量當量的最優概率分布。按照熱帶海氣渦旋系統危險性指數的計算方法，進一步計算熱帶海氣渦旋系統的危險性指數并繪制危險性指數曲線。由表2 可知，1979－2018 年，熱帶海氣渦旋系統危險性指數在0.073～0.936 之間波動，其中，危險性指數最大值出現在2015 年，為0.936。危險性指數最小值出現在1979 年，為0.073。

表2 1979－2018 年熱帶海氣渦旋系統危險性指數及危險性等級

結合危險性指數的取值范圍，參考前人的研究[58-59]，本文采用等間距法劃定危險性等級。危險性等級共分為5級：低危險（0～0.200）、較低危險（0.201～0.400）、中危險（0.401～0.600）、較高危險（0.601～0.800）和高危險（0.801～1）。由表2可知，在1979－2018 年間，有87.5%的年份其危險性指數處于中危險及以上的危險性等級。需要指出，危險性等級僅表示與40 年間危險性指數相比所處的水平。危險性指數與實際災害中危險性等級的對應關系仍需進一步研究。

將熱帶海氣渦旋系統危險性指數曲線與系統能量當量的概率密度曲線比較。由圖4 可知，危險性指數曲線（圖4 中橙色曲線）與概率密度曲線（圖4 中藍色曲線）均呈現單峰形態。在峰值兩側，隨系統能量當量的增加或減小，危險性指數和概率密度均減小。具體來看，概率密度曲線的峰值為系統能量當量發生概率最大值，為0.801×10-7，其對應系統能量當量和危險性指數分別為1.043×107J∕m2和0.835；危險性指數曲線的峰值為危險性最大值，為0.936，其對應系統能量當量及其發生概率分別為1.273×107J∕m2和0.735×10-7。通過對比發現，二者的峰值及所對應的系統能量當量并不相同。由此證明，致災事件的強度與概率在單方面最大時均不能使危險性最大。

圖4 熱帶海氣渦旋系統致災危險性曲線

“最顯著危險”是指在某一系統能量當量及其發生概率水平下其危險性最為顯著。最顯著危險的意義在于：在防災減災中，為防范極端事件造成的惡劣影響，人們選擇某一極端強度水平作為設防工程建設的標準。如果一味地提高設防標準，的確使得安全系數顯著提高，但投入成本也相應增加。因此，從平衡投入成本與防災效益的角度考慮，最顯著危險也可以作為設防標準的重要參考。此外，最顯著危險由致災事件強度及其概率計算所得，避免了人為主觀設置造成的不確定性，能為制定防災減災策略提供科學依據。

2.4 危險性指數與重現期估計比較

在傳統的危險性研究中，一般以不同重現期水平反映危險性。比如，在特定的強度水平下比較其超越概率水平，或在某重現期水平下比較其強度。在海洋水文工程建設中，不同重現期下海洋水文氣象要素極值是工程設計參數的重要依據，直接關系著工程建設的安全性。在海洋水文要素的重現期估計中，一般推薦采用Gumbel 分布進行重現期的估計。因此，本文也采用Gumbel分布對熱帶海氣渦旋系統能量當量進行不同重現期估計，并將估計結果與危險性指數進行比較。由圖5和表3可知，最顯著危險所對應的系統能量當量相當于2 年一遇至4 年一遇之間的重現期水平。由此說明，與其他重現期水平的致災事件相比，2 年一遇至4 年一遇水平的致災事件危險性最大，更值得在防災減災中關注。

圖5 熱帶海氣渦旋系統能量當量重現期估計

3 結論與展望

本文從致災系統、系統能量和能量轉換的視角，提出了“熱帶海氣渦旋系統”及其“系統能量當量”的概念，以此研究熱帶氣旋多致災因子的強度及其危險性。采用1979－2018 年影響我國的熱帶氣旋數據，對40 年間熱帶海氣渦旋系統能量當量進行計算，并開展基于極值理論的概率分析研究和危險性研究。主要結論如下：

（1）1979－2018 年，熱帶海氣渦旋系統能量當量年極值的取值范圍在3.733×106～2.445×107J∕m2之間。其中，風暴浪對系統能量當量貢獻最大，其次為暴風、風暴降雨和風暴海流。系統能量當量在1999 年前后由顯著下降逆轉為顯著上升的趨勢，可能與20 世紀末全球變暖增強有關。通過與前人研究比較，研究結果表明，本文提出的系統能量當量能夠反映熱帶氣旋綜合致災強度和變化趨勢，具有合理性。

（2）對三種理論概率分布類型對比結果表明，Weibull 分布為描述熱帶海氣渦旋系統能量當量的最優概率分布。

（3）綜合考慮強度與發生概率，得出1979－2018 年熱帶海氣渦旋系統致災危險指數在0.073～0.936 間，約有87.5%的年份處于中危險及以上危險等級。熱帶海氣渦旋系統最顯著危險為0.936，為高危險等級，其對應系統能量當量及其發生概率分別為1.273×107J∕m2和0.735×10-7。

（4）通過與傳統危險性研究中以Gumbel 分布的重現期估計結果比較，發現最顯著危險對應的系統能量當量相當于2年一遇至4年一遇的重現期水平。與其他重現期水平相比，其危險性最大，更值得防災減災中關注。

本文的研究方法為開展熱帶氣旋多致災因子危險性研究提供了新思路，研究結果也為進一步開展熱帶氣旋多災種風險評估提供支撐。需要指出：首先，本文的案例計算僅針對深水中熱帶海氣渦旋系統的能量當量，并未考慮近岸淺水的情形。在淺水中，還需考慮風暴潮和徑流的能量，并且其他系統能量當量的計算方法也略有不同。其次，在系統能量當量的計算中，本文對各致災因子能量采用同等權重。對于權重系數問題可進一步結合專家經驗或災情資料予以確定；最后，已知氣候變化加劇了多災種事件的頻率及強度，系統能量當量及其危險性對氣候變化的響應機制及其相關關系值得深入研究。以上內容將在未來的研究工作中予以擴充和完善。