气候变化影响与风险评估方法的研究进展

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-01-13 09:50 热度：

摘 要：摘要: 气候变化影响是指气候变化背景下社会经济或资源环境的响应。气候变化风险是指由于气候变化所引起的社会经济或资源环境的可能损失。气候变化风险评估是对气候变化影响的定性和对

　　摘要: 气候变化影响是指气候变化背景下社会经济或资源环境的响应。气候变化风险是指由于气候变化所引起的社会经济或资源环境的可能损失。气候变化风险评估是对气候变化影响的定性和对风险的量化。针对气候变化风险评估方法的原理和技术体系，本文从风险指数、风险概率和脆弱性评估三个方面，对研究现状、热点问题和通常方法进行了评述，并对当前研究中存在的问题和未来需求进行了归纳和展望。

　　关键词: 气候变化; 风险评估; 脆弱性/敏感性; 不确定性

　　0 引言

　　防范和应对气候变化的科学决策需要充分的事实依据( Prudhomme et al. ，2013) 。自 IPCC 发布第三次评估报告之后，学术界对气候变化影响( climate change impact) 、适应( adaptation) 和脆弱性( vulnerability) 的研究日渐增多。在第四次评估报告中，除传统的气候变化影响评估、适应能力评估、脆弱性评估和综合评估之外，IPCC( 政府间气候变化专业委员会) 把风险管理作为应对气候变化的一个新的主流研究给予了强调( IPCC，2007) 。为了加深对风险管理的理解，更好地应对气候变化，本文拟介绍当前气候变化影响与风险评估研究中的主要思路和方法。

　　风险是指与某种不利事件有关的一种未来情景 ( 黄崇福等，2010) 。进行风险管理可以防范与规避风险，其中风险评估是基础环节。气候变化风险是由于气候变化影响超过某一阈值所引起的社会经济或资源环境的可能损失，它包括两个基本要素: 气候变化对系统的损害程度即不利影响的程度以及损失发生的可能性( 吴绍洪等，2011) 。气候变化风险评估是指气候变化对自然环境和人类社会影响的定性分析和量化评价过程，是气候变化风险管理和应对气候变化研究的重要组成部分，其最终目的是为制定有效的国际和区域的气候变化适应指导政策提供科学依据，以应对、防范和减缓气候变化可能带来的不利影响。

　　要进行风险评估，首先要弄清楚风险的“源”和 “汇”( Aven，2008) 。换句话说，就是要弄清三个要素: 什么会变成不利事件、变成不利事件的可能性以及变 成 不 利 事 件 的 后 果 ( Grubesic and Matisziw， 2013) 。传统的气象灾害风险理论认为，气象灾害损失由致灾因子、承灾体和孕灾环境共同决定，气象灾害是气象风险的结果，若把气候变化风险理解为气候变化背景下的气象灾害风险( Wu et al. ，2012; 王黎俊等，2012) ，则其大小可通过致灾因子的危险性，承灾体的敏感性、脆弱性，环境的防灾减灾能力来评价( 张继权和李宁，2007; 许遐祯等，2009; 胡雪琼等，2011; 潘敖大等，2013) 。也有观点认为，风险分析目标是定量分析影响阈值与不确定范围之间的关系，气候变化风险研究需要基于特定的社会经济情景，并预估未来不同的气候变化情景( 吴绍洪等， 2011) 。由于气候预估情景的不确定性，IPCC 指出，识别系统的气候变化脆弱性或关键阈值是应对气候变化风险的重要途径( IPCC，2007) 。在上述观点的指引下，与气候变化风险评估相关的研究工作主要集中在 3 个领域: 基于气候变化风险概念模型的风险指数评估、基于气候情景预估与关键阈值的风险概率评估以及气候变化脆弱性识别与评价。本文将从基本思路、评估步骤、实现途径和热点问题等方面对这 3 种研究进行详细介绍。

　　1 气候变化风险指数评估

　　基于风险概念模型的气候变化风险指数评估的基本思路是: 分析气候系统对社会经济系统造成不利后果的原因，识别造成风险的要素，定义风险指数，结合气候变化背景，通过对这些要素的评价来量化风险。进行风险指数评估，其流程一般包括 3 个步骤，即通过风险要素识别建立风险指标体系、提出指标的量化评价方案、构建指标融合/综合评价模型。依据评估指标体系、量化方案和融合模型建立的评价模型称为风险概念模型( 图 1) 。

　　1. 1 风险要素识别

　　风险要素识别是风险评估的基础。风险要素识别是对风险事件“源”和“汇”的再分解，是对构成评价对象风险的所有因素按照属性结构和物理机制的筛选。进行风险指数评估，通常将风险按照危险性、脆弱性和防治能力等要素分类，并构建指标体系 ( 张继权和李宁，2007) 。图 1 中，危险性( 或称暴露性) 指标包含能够导致危险事件发生的环境变量，譬如流域洪涝灾害危险性可以通过年平均大雨日、平均最大 3 日降雨量、海拔高度、倾斜度和缓冲区等 5 个指标来评价; 脆弱性( 或称敏感性) 指标包含承受危险的社会经济变量，如洪灾承受体的脆弱性评价指标包括人口密度、GDP 密度和农作物面积等; 防治能力( 或称适应能力) 则表示社会系统通过对自身属性调节预防和治理不利影响的能力( Wu et al. ，2012) 。

　　1. 2 指标量化

　　指标量化是对构成风险的指标变量的量化评价，是搭建变量观测值和评价值的桥梁。指标量化方案直接决定评估的合理性。

　　标准化是常用的指标量化方法之一。按照直观理解，指标变量观测值越“好”，发生不利后果的程度和可能性越小，风险越小; 观测值越“差”，发生不利后果的程度和可能性越大，风险越大( 贺芳芳和邵步粉，2011) 。因此，指标变量的标准化值可以用作指标的评价值。用于标准化的参考值一般选取的是该 变 量 观 测 值 的 极 值 或 最 优 值 ( Wu et al. ， 2012) 。

　　另一种常用的指标量化方法是隶属度评价。隶属度是变量对评价属性的隶属程度。进行隶属度评价时，首先需要明确变量不同评价的观测值分级标准，变量观测值属于哪个标准，就赋予相应的隶属度评价值( 李倩等，2013) 。典型的隶属度评价方法如表 1 所示。

　　1. 4 风险指数评估的优点与不足

　　基于指数的气候变化风险评价模型具有很好的研究基础，评价指标意义明确，考虑气候变化影响因素较全面，评估过程易于操作。但是气候变化风险指数评估也存在不足: 首先，评估模型出发点要求致灾因子易于辨识、成灾机制明确且风险链清晰，而由人类活动引起的气候变化及其间接影响途径复杂、成灾机制不明确，致使该类模型的应用受到限制 ( 秦鹏程等，2012) ; 其次，指数法的主观性较强，对风险系统的物理机制体现不足，数据可靠性不足及与之伴随的综合评价结果难以进行可靠性验证等 ( 黄崇福，2011) 。这些不足在一定程度上制约了评估结果的应用和评估研究的拓展。

　　2 气候变化风险概率评估

　　气候变化风险概率评估，又称或然风险评估 ( IPCC，2007) 。气候变化风险概率评估的基本思路是通过气候模式( 如 Global Climate Model /Regional Climate Model，简称 GCM /RCM ) 预估的未来某一时刻或某一时段的气候状况，估算在此气候状况下被评价对象的响应，将发生不利影响的概率表示为风险。影响关联的估计主要有两种方法，一种是将气候预估数据代入评价模型估算出评估对象的状态如粮食产量、水文要素特征和经济产值等，并由此来判断气候变化对该评价对象的利弊; 另一种是针对被评估对象性状发生改变的气象要素阈值，分析未来气象要素变化可能超越阈值的概率，通过超越概率来量化气候变化风险。因此，影响风险概率评估准确性的因素主要是评价模型和风险阈值的确定。同时，由于现行气候模拟技术的限制，气候预估的不确定性也成为评估准确性的重要决定因素。

　　2. 1 评价模型

　　评价模型或称环境影响关联评价模型，是研究对象某一属性评价值对某个或某几个环境要素观测值的函数( 周旭等，2013) 。评价模型的科学性直接关系到模拟结果的可靠性。部分学科领域有现成的评价模型，可以直接与气候模式预估数据结合起来对未来情景进行模拟。而在多数研究领域，该类模型尚不成熟，因此建立科学合理的评价模型成为研究重点。

　　作物和环境研究综合模型( Crop and Environment Research Synthesis，CERES) 是在结合区域气候模式的气候变化影响作物评估研究中应用较广泛的环境影响关联评价模型( Chen and Xie，2013) 。此外还有集成多种作物模型的综合性决策支持系统，如 DSSAT ( Decision Support System of Agricultural Technology Transfer) ，以及在植被生态系统研究中的 BIOME ( Biogeographical model) 系列模型 ( Jiang，2008) 等。

　　除作物和植被生态系统之外，目前水文系统的气候变化影响得到较多研究，常用的评价模型有 PDM 模 型 ( Probability Distributed M odel ) 和 CLASSIC 模型( the Climate and Land-use Scenario Simulation In Catchments) 等 ( Prudhomme et al. ， 2013) 。基于应对气候变化防洪系统风险，Gersonius et al. ( 2013) 提出了防洪设施改造研究的改进 RO( Real Options) 模型———RIO( Real in Options) 方法。

　　海平面上升是气候变化衍生的热点问题之一。 Hoffman et al. ( 2010) 提出通过风暴潮模式和工程模型来计算海平面上升对财产风险影响关联的方法，并利用验潮站数据和模拟飓风数据对 21 世纪前半叶的风暴潮风险进行了模拟研究。

　　2. 2 风险阈值

　　影响评价模型的不明确是对气候变化影响精确模拟的重要制约因素。阈值是指研究对象维系正常状态的环境变量临界值。一般认为，环境变量超过阈值是评价对象发生危险的充分条件( Kim et al. ， 2013) 。因此，风险阈值研究也成为近年来气候变化风险研究的热点之一。Preston( 2006) 就认为基于概率的风险阈值评估可能是对提高气候变化影响理解和风险管理效果的一个有利机制。但是对于多数研究对象，尤其对于系统而言，阈值的确定可能会较为困难，因此，系统阈值的估算方法成为部分研究的热点。

　　水文系统的气候变化风险研究较多采用了基于风险阈值的超越概率评估方法。李科等( 2013) 将水资源系统风险定义为荷载大于系统承载能力引发系统失效的概率，即供水量低于供水要求的概率。水文系统工程风险是一种包括多个因素的标准形式，或者包括可靠性、弹性和弱点等组成的超标准形

　　2. 3 不确定性

　　不确定性是指气候变化风险评估研究可能出现不可信或不可靠的结果。不确定性问题是气候变化影响与风险评估的难点和核心问题( Shlyakhter et al. ，1995) 。气候变化影响与风险评估中的不确定性以及如何降低不确定性是气候变化风险评估研究的重要内容( Mearns，2010) 。

　　2. 3. 1 不确定性来源

　　气候变化影响评价中的不确定性主要来源于: 1) 气候变化情景的不确定性，包括气候模式本身的不完善、情景设定的不确定性、应用技术的不确定性。2) 评价模型的不确定性，包括评价模型结构的不确定性、评价模型参数的不确定性、评价模型其他输入信息的不确定性。3) 评价过程的不确定性，包括陆气耦合技术的不确定性、人类活动的影响、未来气候 变 化 适 应 措 施 考 虑 得 不 完 善 等 ( 熊 伟 等， 2006) 。

　　在气候变化对农业影响评估研究中，气候模式输出与作物模型输入之间的尺度差异是气候变化对农业影响评估不确定性的主要来源之一。不确定性会随着评估过程的深入，自上而下逐层传播。与降水变化有关的气候影响评估比与温度变化有关的影响评估缺少确定性( Hambly et al. ，2013) 。Kandlikar et al. ( 2005) 指出，气候变化的深度不确定性来源多种多样，包括科学因素和社会因素，是难以定义和量化的不确定性。

　　2. 3. 2 不确定度的量化

　　不确定度的量化是对不确定性大小的估算。李博和周天军( 2010) 采用模式离差来估算模式预估结果的不确定性，通过计算多模式结合结果的绝对值与模式离差之间的比值来定量刻画多模式几何信号的可信度。比值大于 1 表示多模式集合模拟的气候变化大于模式间的离差( 即信号大于噪声) ，模式的预估结果是可信的; 相反，比值小于 1 表示模式间的噪音要大于多模式集合结果所反映的信号，模式集合结果的可信度较低。Mearns et al. ( 1997) 在气候变化情景与农业应用研究中，定义了两个指标来衡量基于作物评价模型的气候变化影响评估不确定性，第一个指标是用观测的气候数据驱动作物模型，。

　　3 气候变化脆弱性评估

　　气候变化脆弱性是气候变化风险产生的必要条件，因此，脆弱性研究是识别和防范气候变化风险的重要内容。作为气候变化影响评估研究( 气候变化影响、适应和脆弱性) 的重要组成部分之一，脆弱性评估也是 IPCC 所倡导的应对气候变化进行风险管理的重要途径之一( IPCC，2007) 。

　　3. 1 脆弱性的定义

　　在防灾减灾领域，脆弱性是指系统自身固有的对环境变化的适应能力。社会脆弱性关注的主要是人群对危害的敏感程度以及他们对极端事件的恢复能力; 基础设施脆弱性分析主要关心的是基础设施的物理、运转和地理特征，它们对于威胁的易损性，它们在系统中的作用以及它们对破坏性事件的潜在联系。脆弱性具有空间属性和时间属性。空间属性体现在对于系统能力接近极限的地区，脆弱性会增加，同样，任何可能的失误都会增强社会和系统影响; 时间属性体现在时点和时段，不同时点和不同时段的危害造成的后果不同( Grubesic and Matisziw， 2013) 。

　　气候变化脆弱性是指地球物理系统、生物系统和社会经济系统对气候变化的敏感程度，这种敏感是指它无法应对气候变化带来的不利影响。其决定要素一般包括敏感性、暴露性和适应能力。许多对气候敏感的系统都存在着脆弱性，如食物系统、基础设施、健康、水资源、海岸带系统、生态系统、地球生物地理化学循环、冰盖和大气海洋环流模式等 ( IPCC，2007) 。

　　在具体研究工作中，脆弱性的定义应便于量化和建模。如水资源脆弱性定义为水资源系统在气候变化、人为活动等的作用下，水资源系统的结构发生改变，水资源数量减少和质量降低，以及由此引发的水资源供给、需求、管理的变化和旱涝等自然灾害的发生( 唐国平等，2000) 。农业生产的气候脆弱性，可以定义为某一地区农业生产过程对气候变化各敏感因素的反应强弱，以及当地社会经济—生产—生态等环境要素对气候变化影响可能适应性的综合不稳定反应( 侯亚红和刘文泉，2003) ; 也可以定义为农业系统容易受到气候变化( 包括气候变率和极端气候事件) 的不利影响，且无法应对不利影响的程度，这代表了农业系统经受的气候变异特征、程度、速率以及自身敏感性和适应能力的反应等( 孙芳和杨修，2005) 。

　　3. 2 脆弱性的争议

　　没有哪个单一脆弱性定义可以适合所有的评估对象和评估目的( Bele et al. ，2013) 。在不同研究领域，脆弱性有着不同的认识和理解，因此有不同的脆弱性定义( 於琍等，2005) 。Kelly and Adger( 2000) 总结了在气候变化脆弱性研究和脆弱性应对领域对脆弱性的两种不同理解，分别是终点理论 ( End Point Theory) 和起点理论( Starting Point Theory ) 。起点理论将脆弱性理解为不同经济社会政策产生的基本依据，认为是脆弱性决定了政策的落脚点; 终点理论认为，脆弱性的大小等同于气候变化带来的最终影响减去调整适应政策所做的贡献，可以理解为适应政策无法消除的那部分不利影响。从这个角度上说，脆弱性还是争论于不利事件的结果和原因。 Dow ning 认为脆弱性应该主要包括 3 个方面: 脆弱性应该作为一个结果而不是一种原因来研究、脆弱性的影响是负面的、脆弱性是一个相对概念而不是绝对的损害程度( 於琍等，2005) 。而沿用自然灾害学领域的观点，脆弱性则被认为是导致系统受到损害的原因，灾害损失才是脆弱性存在的结果。针对这个问题，Füssel( 2007) 总结认为，一些气候变化领域的脆弱性概念恰恰是灾害—风险评估领域的风险概念。防灾减灾机构一般把风险分成内部( 脆弱性) 和外部( 危害) 两个部分，而气候变化机构则把危害和暴露定义为一体作为脆弱性来研究。

　　3. 3 脆弱性的计算

　　3. 3. 1 脆弱性曲线

　　脆弱性曲线( 或称脆弱性观测) 是从致灾因子的角度，基于灾情数据、调查和模型共同完成的脆弱性测量，通过一定强度致灾因子情况下的灾害损失来间接反映脆弱性的大小。将脆弱性用脆弱性曲线表示，以便于风险和灾害的快速评估。从测量的角度来看，脆弱性一般反映的是系统损失程度与致灾因子强度的关系。周瑶和王静爱( 2012) 对脆弱性曲线构建的基本原理和研究进展情况进行了详细的综述。——论文作者：彭鹏1 ，张韧1 ，洪梅1 ，王锋2 ，龙强2

文章名称：气候变化影响与风险评估方法的研究进展

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