极端天气背景下辽宁省城市脆弱性时空演变研究

王弘彦

（辽宁师范大学地理科学学院，辽宁大连116029）

引言

在全球气候变化背景下，极端天气气候事件的频率和强度在增强，台风、暴雨、干旱、热浪等带来的城市极端降水、风暴、寒潮、土壤盐碱化、水体污染等问题与日俱增，对城市环境造成了明显的破坏，甚至导致一些城市基础设施瘫痪。辽宁省地处欧亚大陆东岸，属温带大陆性季风气候，是我国重要的老工业基地区，城镇化率（67.5%）高于全国同期平均水平（58.5%）。在全球气候变化背景下，近年来，辽宁省极端天气气候事件的频率和强度增加，对城市和人民生命财产安全造成严重影响。2017年8月，特大暴雨造成大连、鞍山、丹东、朝阳等7市、22县受灾，受灾人口72.88万人，3人遇难；交通、通讯、电力中断，道路、水利等基础设施严重受损，直接经济损失61.88亿元。2018年8月台风温比亚侵袭辽宁，造成多地的强降雨天气，使道路积水严重，造成了交通堵塞，4座水库超汛限水位，近四万群众被迫转移。同年夏季的极端高温事件，使以沥青、混凝土、玻璃和钢铁为主的城市中，灼热的空气和炙热的阳光不能及时散去，导致了城市“热岛效应”。与此同时，高温事件导致了电力供应的高负荷，仅沈阳市瞬时电力已经达到594万千瓦，突破历史极值，给城市电网带来了巨大的压力。因高温造成的疾病发病率升高，导致就医人数大幅度增加，给人民健康造成威胁。极端天气气候事件频发，在一定程度上加大了城市脆弱性。虽然这类事件在统计学上属于小概率事件，但突发性极强[1]。

城市作为人类发展与社会进步的主要载体，伴随着城镇进程的加快，大量人口和资源涌入城市，导致城市的生态环境、社会与经济面临巨大的压力。又因辽宁省属于温带大陆性季风气候区，各地温度和降水存在差异，所以当极端天气来临时，城市脆弱性会在一定程度上加强[2]。脆弱性这一概念最初起源于自然灾害领域[3]，被认为是系统由于灾害等不利影响而遭受损害的程度或可能性，主要应用于自然灾害和气候变化等自然科学研究领域[4]。随着城市的发展，脆弱性分析已从对自然灾害的研究延伸到了多学科、多领域的研究[5]。国内外学者对城市脆弱性的研究主要集中在单一脆弱性方面，如吴琼、张晓瑞、沈彦等人主要研究生态环境方面[6-8]，黄晓军、黄建毅等人主要研究社会方面[9，10]，苏飞、Yoon、Gencer等人主要研究经济方面[11-13]。目前，城市脆弱性是指城市在发展过程中抵抗生态环境、经济、社会发展等内部自然要素和人为要素干扰的应对能力和城市在面临风险时的抵抗、承受能力和恢复能力[14，15]。城市脆弱性已成为近年来的研究热点，但在极端天气背景下的城市脆弱性目前还没有具体的研究。因此，在极端天气背景下研究辽宁省的城市脆弱性时空变化特征及其驱动机制，可以丰富城市脆弱性的研究内容，对城市适应气候变化，科学制定防灾减灾规划，提高城市韧性，实现人居环境友好的可持续发展具有重要的理论和实践价值。

1 数据来源与研究方法

1.1 指标体系的构建

以辽宁省十四个城市为研究对象，从极端天气、生态环境、社会、经济四个视角，建立与之对应的23个指标，构建辽宁省城市脆弱性综合测度指标体系。由于辽宁省极端天气多以暴雨和高温为主，因此极端天气视角下选取了暴雨频率、暴雨强度、高温频率、高温强度4个指标。根据辽宁省十四个城市在面对极端天气时所具备的应对条件以及极端天气过后所具备的恢复条件为标准，在生态环境视角下，选取了造林面积等3个指标；在社会视角下选取了城市排水管道密度、各地区科学研究和技术服务业在岗职工人数、六十岁以上老人数等9个指标；在经济视角下选取了各地区人均产值、各地区常住居民人均可分配收入等7个指标，见表1。

1.2 数据来源

本文研究的数据来源包括《辽宁省统计年鉴》、《国民经济和社会发展统计公报》、中国气象数据网（http://data.cma.cn/）、《气候公报》，由于指标中所需的部分数据在统计年鉴中没有直接给出，诸如城市排水管道密度利用城市排水管道长度除以建成区面积得到。个别数据根据相邻年份的值插值补齐。

1.3 数据处理

1.3.1 数据标准化处理。首先对原始数据进行标准化处理。由于指标体系中各指标性质不同，将其分为正、负相关两种类型。正相关按公式（1）处理，负相关按公式（2）处理：

其中Xij为第i年第j项指标值，xij为第i年第j项指标的标准值。

1.3.2 确定指标权重。将14个城市的23个指标分别做平均值，将其称作平均指标，采用客观赋值法中的熵值法计算各指标权重：

表1 极端天气背景下辽宁省城市脆弱性评价指标体系及权重

①第i年第j个平均指标占第j项所有平均指标的比

②第j个平均指标的熵值：

③第j个平均指标的差异性系数：

④极端天气、生态环境、社会、经济4个系统的平均指标客观权重系数：

⑤人为规定第j个平均指标的主观权重，综合权重为主观权重与客观权重的平均值。

UVIj为第j个指标的脆弱性，(UVIe)j为第j个指标的标准值，Wj为第j个指标的综合权重。将脆弱性当作原数据，再次求新的脆弱性，步骤如下：

①求新的标准值、比重、熵值、差异性系数方法与第一次相同。

②求新的指标权重公式：城市脆弱性的确定公式：

③求新的指标脆弱性方法与第一次相同。

UVI为城市脆弱性指数，(UVIe)j为第j个新指标的标准值，Wj为第j个新指标的权重，m为指标个数。最终求得辽宁省2007～2016年城市综合脆弱性指数（见表 2）。

1.3.4 综合脆弱性划分。2007～2016年辽宁省城市综合脆弱性指数最大值为0.7795，最小值为0.1826，中位数为0.3593，平均值为0.3891，标准差为0.144，整体呈正态分布。参考赵银兵等分类依据，采用自然断裂点法将其进行等级划分[16]。参考安士伟等研究成果[17]，采用五级分类法刻画辽宁省城市脆弱性（见表3）。

2 结果分析

2.1 辽宁省综合城市脆弱性在时间上的动态分析

根据图1，时间序列上，辽宁省城市脆弱性可分为城市脆弱性下降阶段（2007～2012年）和城市脆弱性波动阶段（2012～2016年）。2007～2012年辽宁省城市综合脆弱性指数均在下降是最显著的趋势。除了沈阳、大连、营口和葫芦岛四个城市以外，其余城市综合脆弱性指数均在2009年有突变性增长。2012～2016年各城市综合脆弱性指数呈现不同的变化趋势。现将城市脆弱性变化趋势相同且出现突变性增减的年份相同的城市归为一类，可分为四类：鞍山、抚顺、本溪、丹东、铁岭五个城市为第一类，2007～2012年间，除2009年突变性增长以外，城市综合脆弱性呈下降趋势，2012～2016年呈波动性变化；辽阳、盘锦两市为第二类，城市综合脆弱性指数除在2009年有突变性增长以外，其他年份均较平稳；锦州、阜新和朝阳三市为第三类，城市综合脆弱性指数除在2009年有突变性增长以外，还有一次中等幅度增长；沈阳、大连、营口、葫芦岛四市为第四类，突变性增长不发生在2009年，而是在其他年份。

表2 2007～2016年极端天气背景下辽宁省城市脆弱性

表3 极端天气背景下辽宁省城市脆弱性综合测度分级标准

2.1.1 鞍山、抚顺、本溪、丹东、铁岭五市综合分析。鞍山、抚顺、本溪、丹东、铁岭五个城市变化趋势大体一致，2012～2016年城市综合脆弱性指数呈波动性变化。但鞍山和铁岭在2014年发生突变性增长，抚顺、本溪和丹东在2016年发生突变性增长。

鞍山、铁岭两市城市综合脆弱性时间变化趋势更加接近。2007～2013年间，除2009年城市综合脆弱性指数有突变性增长外，均呈持续下降趋势；2013～2016年间，均呈上升—下降—上升的波动趋势。两市城市综合脆弱性指数在2009年达到最大值，2013年达到最小值。有所不同的是，两市城市综合脆弱性虽变化趋势相同，但在十年间，鞍山市城市综合脆弱性指数从0.4430增长到0.5503，铁岭城市综合脆弱性指数从0.4915下降到0.3232。鞍山与铁岭比较，鞍山适应极端气候天气的能力较弱。

抚顺、本溪、丹东三市城市综合脆弱性时间变化趋势更加接近。三市城市综合脆弱性整体呈下降趋势，且在2009年和2016年出现了突变式增长。三市的城市综合脆弱性指数均在2009年达到最大值，但最小值抚顺、本溪、丹东分别出现在2013年、2014年和2015年。

图1 2007～2016年极端天气背景下辽宁省各市城市脆弱性变化趋势

2.1.2 辽阳、盘锦两市综合分析。辽阳、盘锦两市城市综合脆弱性指数变化大体一致。辽阳和盘锦城市综合脆弱性指数除在2009年有突变性增长以外，其他年份均较平稳。

2007～2016年两市城市综合脆弱性指数均有所下降。其中，2007～2013年整体呈下降趋势。在2009年发生突变性增长，增长速度达到最大，城市综合脆弱性指数达到了最大值，极端天气脆弱性指数达到最大值。2013～2016年，辽阳市城市综合脆弱性指数逐年缓升，盘锦市则呈波动性变化。值得一提的是，2007～2011年，盘锦城市综合脆弱性指数略高于辽阳市。2012～2016年，两市相差不大，大体相同。

2.1.3 锦州、阜新和朝阳三市综合分析。锦州、阜新和朝阳城市综合脆弱性指数除在2009年有突变性增长以外，还有一次中等幅度增长，锦州发生在2014年，阜新发生在2015年和2016年两年，朝阳发生在2013年，其余年份均呈下降趋势。三市城市综合脆弱性指数均在2009年达到最大值，最小值锦州、阜新和朝阳分别出现在2016年、2014年和2012年。

2.1.4 沈阳、大连、营口、葫芦岛四市综合分析。沈阳、大连、营口、葫芦岛四个城市相比较，大连和营口的城市综合脆弱性指数较稳定，只个别年份有小幅度波动，大连市发生在2011年，营口市发生在2013年；沈阳和葫芦岛的城市综合脆弱性指数波动较大，变化幅度较大，城市综合脆弱性不稳定，葫芦岛更为显著。其中，沈阳城市综合脆弱性指数在2007～2013年呈下降趋势，期间有小幅度波动，在2014年发生突变性增长，在2016年达到最大值；葫芦岛城市综合脆弱性指数在2007～2012年呈下降趋势，在2012～2016年间，升高和下降交替进行大幅度波动，且在2015年达到最大值。

2.2 辽宁省综合城市脆弱性的空间分布分析

将所得脆弱性数据输入ArcGIS 10.2软件中，按照自然断裂点进行分类，分别得出较低脆弱度、低脆弱度、中脆弱度、较强脆弱度和强脆弱度的空间分布格局（见图 2）。

2.2.1 逐年分析。在城市角度，2007年辽宁省城市脆弱性综合测度多数为中脆弱度，朝阳和本溪为强脆弱度，丹东和盘锦为较强脆弱度。2008年辽宁省城市脆弱性综合测度多数为中脆弱度，只有丹东为较强脆弱度。2009年辽宁省城市脆弱性综合测度多数为强脆弱度，中脆弱度城市只有沈阳、大连、营口和葫芦岛。2010年辽宁省城市脆弱性综合测度多为中脆弱度，只有大连为较弱脆弱度。2011年辽宁省城市脆弱性综合测度多为较弱脆弱性，只有辽阳为中脆弱度。2012年辽宁省城市脆弱性综合测度多为较弱脆弱度，葫芦岛和铁岭已达到弱脆弱度。2013年辽宁省城市脆弱性综合测度多为较弱脆弱度和弱脆弱度，朝阳市为中脆弱度。2014年辽宁省城市脆弱性综合测度多为较弱脆弱度和中脆弱度，盘锦和葫芦岛为弱脆弱度。2015年辽宁省城市脆弱性综合测度多为较弱脆弱度，沈阳和鞍山为中脆弱度，葫芦岛为较强脆弱度。2016年辽宁省城市脆弱性综合测度多为中脆弱度和较强脆弱度，营口为弱脆弱度，抚顺为强脆弱度。

图2 2007～2016年极端天气背景下辽宁省城市脆弱性空间分布演变图

在空间角度，2007年强脆弱度城市分布在辽东和辽西，且都为内陆城市，较强脆弱度城市均为沿海城市，分布在辽中和辽东。2008年城市脆弱度大体一致，中脆弱度几乎全省覆盖。2009年强脆弱度城市分布在辽中、辽西和辽东地区，中脆弱度城市多分布在辽南沿海城市。2010年城市脆弱度大体一致，中脆弱度几乎全省覆盖。2011年空间分布上城市脆弱度以辽阳为中心逐渐向外减弱。2012年空间分布上弱脆弱度分布在辽西沿海城市和辽北内陆城市，其他为较弱脆弱度。2013年空间分布上呈现较弱脆弱度包围弱脆弱度态势。弱脆弱度多分布在辽中和辽东北地区，均为内陆城市。2014年空间分布上呈“扎堆式”分布。中脆弱度城市以辽中向辽东北和辽东南扩散，呈“C”形。较弱脆弱度城市分布在辽东、辽西和辽南。2015年空间分布上为较弱脆弱度包围中脆弱度。2016年空间分布为辽东地区脆弱度较强，辽西地区脆弱度较弱。

2.2.2 总体特征。辽宁省城市脆弱性空间分布上呈现日趋均衡集中又日趋多级分散的态势。强脆弱度出现在2007年、2009年和2016年。其中2009年高脆弱度几乎遍布全省。2007～2008年中脆弱度区域面积不断扩大，较强脆弱度和强脆弱度区域面积不断减小。2009～2013年，中脆弱度区域面积不断减小，较弱脆弱度和弱脆弱度区域面积不断扩大，逐渐占据主导，且多分布在辽中和辽东北地区。2013～2015年，弱脆弱度区域面积不断减小，较弱脆弱度和中脆弱度区域面积不断扩大，并在2015年出现较强脆弱度。2015～2016年中脆弱度和较弱脆弱度区域面积不断减小，较强脆弱度和强脆弱度区域不断扩大，不同等级脆弱度分布较分散。

2.2.3 沿海和内陆的空间分布特征。沿海地区与内陆地区相比，沿海地区城市脆弱度要低于内陆地区，一般为较弱脆弱度和弱脆弱度，个别年份的个别城市会出现较强脆弱度和强脆弱度。而内陆地区因城市发展进程、城市类型等因素的不同，脆弱度分布较分散，具体脆弱度主要依据该年极端天气发生的频率与强度。

沿海地区内部比较，东部脆弱度要强于西部，尤以丹东显著。南部脆弱度要弱于其他地区，以大连显著。

内陆地区内部比较，多呈“集群式”分布，同一脆弱度的城市分布较密集。且多呈现“包围式”分布，即相似脆弱度的城市群包围另一相似脆弱度的城市群。

3 原因分析与讨论

综合时间分析和空间分析，作出如下分析与讨论。

3.1 在极端天气频发且强度较大的年份，全省城市综合脆弱性普遍偏高，如2009年全省大多数城市都遭受了暴雨的侵袭，城市综合脆弱性指数平均值高达0.639，极端天气脆弱性在整体上对城市综合脆弱性起主导控制作用。

3.2 随着城市的发展与经济的增长，全省经济脆弱性均呈下降趋势，经济脆弱性平均值在2007年～2016年从0.221下降到0.065，城市抵抗极端天气的能力与极端天气过后的恢复能力都变强，在面临相似程度的极端天气时，经济较发达的城市比经济相对落后的城市脆弱性小。例如，当极端天气发生时，内陆地区较比沿海地区城市脆弱性大，资源枯竭型城市比其他类型城市脆弱性大。主要原因为：沿海地区所受极端天气的强度较低，且沿海地区经济相比于内陆地区更为发达；资源枯竭型城市多元化产业少，经济较落后。因此可以得出，极端天气虽在整体上对城市综合脆弱性指数起主导控制作用，但城市综合脆弱性与城市各方面的发展情况密不可分，其中经济因素最为重要。

3.3 当极端天气脆弱性呈下降趋势时，个别城市综合脆弱性并未同极端天气脆弱性一起下降，而是出现了增长的趋势。分析各三级指标脆弱性变化趋势可得，在该情况下影响城市综合脆弱性的主要因素为造林面积和城市绿化面积减少，科学研究、技术服务和地质勘查业在岗人员数和水利、环境和公共设施管理业在岗人员数的减少和失业率增长。从事科研方面等人员的减少以辽阳市最为典型。如辽阳市科学研究、技术服务和地质勘查业在岗人员数脆弱性在十年间从0.079上升至0.153；水利、环境和公共设施管理业在岗人员数脆弱性从0.056上升至0.083。可见，从事与极端天气相关工作的人员数的波动在一定程度上影响了城市脆弱性。造林面积和城市绿化面积的减少以沈阳市最为典型：十年间造林面积脆弱性在从0.533上升至0.636；城市绿化面积脆弱性从0.208上升至0.253。随着城市的不断发展，建成区面积不断扩大，导致城市造林面积与绿化面积不断减小，进而加大了城市脆弱性。因此，城市发展进程的快慢不能反应城市脆弱性的大小，城市的发达并不意味着城市脆弱性小。

4 结论

4.1 时间序列上，辽宁省城市脆弱性可分为城市脆弱性下降阶段（2007～2012年）和城市脆弱性波动阶段（2012～2016年）。极端天气对城市脆弱性的变化起主导作用，城市抵抗极端天气的能力和极端天气过后的恢复能力均有所提高。

4.2 空间序列上，辽宁省所受极端天气的频率和强度越大，脆弱性分布越分散；所受极端天气的频率和强度越小，脆弱性分布越密集。城市脆弱性多呈“集群式”和“包围式”分布，且沿海地区脆弱性要小于内陆地区，且内陆地区城市脆弱性空间分布与经济水平空间分布基本吻合。

4.3 城市发展进程快并不意味着城市脆弱性小。若城市的发展导致生态环境系统遭受破坏，该城市抵抗极端天气的能力和极端天气过后的恢复能力均会有所减弱，导致城市脆弱性减小。例如沈阳市，应增加造林面积和城市绿化面积，以增强城市应对极端天气的抵抗能力，使城市更加适应气候变化，提高城市韧性。

4.4 对于经济发展相对落后的城市，如辽阳市，应增加从事科研、环境方面的在岗人数，如科学研究、技术服务、水利、环境、公共设施管理方面等。以有效科学制定防灾减灾规划，实现人居环境友好的可持续发展。