雷電災(zāi)害潛在與現(xiàn)實(shí)易損性分析及區(qū)劃研究＊——以黑龍江省為例

袁湘玲,王振會,肖穩(wěn)安,束 玉

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044;2.齊齊哈爾市氣象局,黑龍江齊齊哈爾 161006;3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇南京 210044;4.黑龍江省氣象局防雷中心,黑龍江哈爾濱 151000)

0 引言

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一[1],其對人民生命財產(chǎn)安全和社會發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。據(jù)保守估計,我國每年因雷電災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元,而由此造成的間接經(jīng)濟(jì)損失則難以估計,產(chǎn)生的社會影響也越來越大[2]。

我國很多專業(yè)技術(shù)人員在雷暴的氣候特征方面進(jìn)行了大量研究[3-5]。張騰飛等[3]對2007年5-8月云南省雷電活動特點(diǎn)及災(zāi)害成因進(jìn)行了分析;陳紅等[4]對黑龍江省1971-2000年雷暴時空特征進(jìn)行了分析,形成雷暴概率區(qū)劃圖;周筠珺等[5]利用2004年京、津、冀地區(qū)的地閃定位資料,對地閃特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析。而在科學(xué)研究的基礎(chǔ)上對自然災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險區(qū)劃分析,能將災(zāi)害防御管理提高到風(fēng)險管理的程度,對于減災(zāi)和救災(zāi)有十分重要的指導(dǎo)意義[6]。由于我國幅員遼闊,氣候差異很大,雷電災(zāi)害過程也不盡相同,故深入開展區(qū)域性雷電災(zāi)害易損性分析與研究很有必要。郭虎等[7-8]在災(zāi)情網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上,建立了北京市雷電災(zāi)害的災(zāi)情評估指標(biāo)體系,并對北京市進(jìn)行了雷電災(zāi)害易損性分析,形成北京市雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃;尹娜等[9]對廣東省雷電災(zāi)害的脆弱性和易損性進(jìn)行了綜合評估,形成了廣東省各地易損性結(jié)構(gòu)和雷災(zāi)易損度區(qū)劃;蔣勇軍等[10]對重慶市進(jìn)行了雷電災(zāi)害易損性分析及易損度區(qū)劃;嚴(yán)春銀[11]對江西省各設(shè)區(qū)市的雷災(zāi)易損性進(jìn)行了綜合評估,形成了江西省雷災(zāi)易損性區(qū)劃;殷嫻等[12]分析了江蘇省的雷電災(zāi)害分布特征,生成了江蘇省的雷災(zāi)易損度區(qū)域劃分圖。

本文依據(jù)雷暴日數(shù)、雷電災(zāi)害頻度、人身損失及經(jīng)濟(jì)損失情況,以黑龍江省為例,提出雷電災(zāi)害的潛在易損性和現(xiàn)實(shí)易損性概念,對黑龍江省進(jìn)行區(qū)域雷電災(zāi)害易損性分析及易損度區(qū)劃,以便為黑龍江省防災(zāi)、減災(zāi)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料說明和易損性指標(biāo)計算

雷暴日數(shù)能代表一個區(qū)域內(nèi)雷暴活動的頻繁程度,表征該區(qū)域雷電災(zāi)害的孕災(zāi)危險程度。本文所用雷暴日資料來源于黑龍江省氣象信息中心提供的1959-2008年80個氣象觀測站的雷暴日資料,將12個地市各個縣氣象站的年平均雷暴日數(shù)合計并進(jìn)行平均得到各市雷暴日數(shù)(因雷電災(zāi)害資料不包括大慶市雷電災(zāi)害信息,故本文僅對黑龍江省除大慶外12個地市的雷電災(zāi)害易損性進(jìn)行綜合評估)。

雷電災(zāi)害信息來源于中國氣象局雷電防護(hù)管理辦公室、中國氣象學(xué)會雷電防護(hù)研究會編寫的《全國雷電災(zāi)害匯編》(內(nèi)部資料)及黑龍江省防雷中心收集整理的雷電災(zāi)害資料,資料時間為1999

-2008年。人口和經(jīng)濟(jì)特征資料使用《黑龍江統(tǒng)計年鑒2009》發(fā)布的2008年統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

承災(zāi)體易損性,包括自然易損性、經(jīng)濟(jì)易損性和社會易損性等各方面的內(nèi)容[9]。由于地理環(huán)境、人文環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)狀況等的不平衡性,相同烈度的雷電災(zāi)害在不同的區(qū)域造成的災(zāi)害損失嚴(yán)重程度有著很大差異[8]。黑龍江省雷電災(zāi)害易損性反映了黑龍江省各地市面對雷電災(zāi)害時的敏感度,與各地市自然雷暴的氣候背景有關(guān),也與遭受雷電災(zāi)害地市的經(jīng)濟(jì)總量、人口密度特征等有關(guān)。本文將與前者相聯(lián)系的易損性稱之為“潛在易損性”,而與后者相聯(lián)系的易損性稱之為“現(xiàn)實(shí)易損性”。

對雷電災(zāi)害易損性及易損性區(qū)劃的研究,經(jīng)常采用4個指標(biāo)[8-10],即:雷暴日數(shù)M,雷電災(zāi)害頻度P,經(jīng)濟(jì)(GDP)易損模數(shù)D,生命易損模數(shù)L。雷電災(zāi)害頻度P(單位:次/a)是指各地市年平均發(fā)生雷電災(zāi)害的次數(shù),它客觀地反映過去一段時期內(nèi)各地市發(fā)生雷電災(zāi)害的實(shí)際情況。經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)D(D=Ds/S,單位:萬元/km2)表示區(qū)域內(nèi)發(fā)生雷電災(zāi)害時,單位面積上的經(jīng)濟(jì)損失。其中Ds為各地市的GDP生產(chǎn)總值,S為各地市的行政面積。該指標(biāo)既可以反映區(qū)域單位面積上的經(jīng)濟(jì)損失,還可以間接反映各地市抵抗雷電災(zāi)害的能力及災(zāi)后恢復(fù)能力。生命易損模數(shù)L(L=Ls/S,單位:人/km2)表示區(qū)域發(fā)生雷電災(zāi)害時單位面積上受危害的人口數(shù)量。其中Ls為各地市常住人口,S為各地市的行政面積。該指標(biāo)反映了區(qū)域生命對災(zāi)害的敏感性。上述前兩項(xiàng)指標(biāo)著重于雷電及雷電災(zāi)害發(fā)生頻率和次數(shù)評價,反映承災(zāi)體遭受災(zāi)害的可能性程度,因此在本研究中用于“潛在易損性”分析;后兩項(xiàng)指標(biāo)則側(cè)重于雷電災(zāi)害損失的評估,反映承災(zāi)體面對雷電災(zāi)害時的受損程度,因此在本研究中用于“現(xiàn)實(shí)易損性”分析。

黑龍江省處于中緯度歐亞大陸東沿,太平洋西岸,北面臨近寒冷的西伯利亞,南北跨中溫帶與寒溫帶,具有明顯的季風(fēng)氣候特征。由西北到東南為山地貫穿,松花江由西而東切穿兩大山地,西南和東北是廣闊的平原。復(fù)雜的地形地貌、南北氣候的差異,使黑龍江省成為我國北方雷暴的多發(fā)區(qū)[13]。根據(jù)1959-2008年雷暴日資料,計算出12個地市的年平均雷暴日數(shù)。根據(jù)1999-2008年雷電災(zāi)害統(tǒng)計資料,以12個地市為基本分析單元,統(tǒng)計各地市的雷擊事件,計算出各地市雷電災(zāi)害頻度。通過各地市的生產(chǎn)總值(GDP)、人口和行政面積資料,計算出各地市的經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)和生命易損模數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 黑龍江省12個地市雷電災(zāi)害易損性分析指標(biāo)

2 結(jié)果分析

2.1 雷暴日和雷電災(zāi)害頻度特征分析

由表1中第1列數(shù)據(jù)可以制作1959-2008年黑龍江省50年平均雷暴日分布圖(圖1)。從圖1可以看出黑龍江省的雷暴日分布具有明顯的區(qū)域特征。位于中部的哈爾濱、綏化、伊春為黑龍江省年平均雷暴日最多的區(qū)域。哈爾濱東南臨張廣才嶺支脈丘陵,北部為小興安嶺山區(qū),中部有松花江通過,復(fù)雜的地形地貌使得哈爾濱成為黑龍江省雷暴日最多的區(qū)域,全市年平均雷暴日為32.5 d。綏化、伊春年平均雷暴日在31 d以上。其次是大興安嶺地區(qū)年平均雷暴日相對較多,為30.3 d。齊齊哈爾、黑河年平均雷暴日為27～29 d。鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺河、牡丹江、雞西年平均雷暴日較少,在25～27 d之間。從整個區(qū)域范圍來看,黑龍江省的年平均雷暴日分布具有中部多,東部少的特征。

圖1 黑龍江省1959-2008年年平均雷暴日分布圖(單位:d)

由表1中第2列數(shù)據(jù)可以制作出1999-2008年黑龍江省雷電災(zāi)害頻度分布圖(圖2)。從圖2可以看出哈爾濱是黑龍江省雷電災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)。哈爾濱是黑龍江省政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心,高樓林立,電子儀器設(shè)備眾多,人口稠密,既是黑龍江省雷暴日最多的區(qū)域,也是雷電災(zāi)害頻度最大的區(qū)域,其雷電災(zāi)害頻度達(dá)14.4次/a。其次是齊齊哈爾市,雷電災(zāi)害頻度為4.5次/a。齊齊哈爾市雷暴日數(shù)相對較少,但由于齊齊哈爾是黑龍江省西部地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化教育、商貿(mào)和交通的中心,高層建筑物眾多,人口密集,也是黑龍江省雷電災(zāi)害較多的區(qū)域。伊春雖然是雷暴日最多的區(qū)域,但由于電子儀器設(shè)備和人口密度相對較小,雷電災(zāi)害頻度也較少。大興安嶺、黑河、伊春、雞西、牡丹江的雷電災(zāi)害頻度在2.0～4.0次/a。綏化、鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺河的雷電災(zāi)害頻度在0.0～2.0次/a。七臺河市雷暴日相對較少,也是雷電災(zāi)害最少的區(qū)域,雷電災(zāi)害頻度為0.7次/a。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)黑龍江省各地市的雷電災(zāi)害既與自然雷電活動的分布有一定的關(guān)系,但又不完全由雷電活動的頻繁程度所決定,而與人口密度、經(jīng)濟(jì)特征等多方面因素有關(guān),自然雷電活動只是雷電災(zāi)害的致災(zāi)因子之一。

圖2 黑龍江省1999-2008年雷電災(zāi)害頻度分布圖(單位:次/a)

2.2 雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)的分級

表1中各地市的雷電災(zāi)害易損性指標(biāo),主要體現(xiàn)該區(qū)域發(fā)生雷電災(zāi)害時在某一方面可能造成損失量的大小,尚不能給出雷災(zāi)易損性大小的直觀概念。為給出雷災(zāi)易損性大小的直觀表述,將表1中的雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)用極高、高、中、低4個級別來描述,按照災(zāi)害學(xué)通常方法[8-10],并結(jié)合黑龍江省雷電災(zāi)害的實(shí)際情況,賦予各等級如下的定值:極高為1.0,高為0.8,中為0.5,低為0.2。分級方法采用氣象學(xué)統(tǒng)計分析中的分級統(tǒng)計方法[14],其核心思想是:首先將12個地市的某個指標(biāo)值從小到大按順序排列,并按每組3個記錄的方法分為4組數(shù)據(jù)。第n組中的最大值和第n+1組中的最小值的平均值作為第n級的最大值和第n+1級的最小值。黑龍江省4個雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 黑龍江省雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)

按照表2分級,判斷各地市每個指標(biāo)的所屬級別,獲取相應(yīng)指標(biāo)值(下稱級別指標(biāo)值)如表3前4列所示?？梢?哈爾濱4個指標(biāo)一致為1,雙鴨山4個指標(biāo)一致較小,而伊春、佳木斯等地的4個指標(biāo)差異較大。其原因?yàn)橐链何挥谛∨d安嶺山區(qū)雷暴多,但由于電子儀器設(shè)備和人口密度相對較小,經(jīng)濟(jì)和人口易損模數(shù)小。佳木斯地處三江平原腹地雷暴少,而由于是黑龍江省東部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、文化中心和重要的交通樞紐,電子儀器設(shè)備和人口密度相對較大,經(jīng)濟(jì)和人口易損模數(shù)較大。

表3 黑龍江省12個地市雷電災(zāi)害綜合易損度評估結(jié)果

2.3 雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃

由表3前兩項(xiàng)指標(biāo)值加權(quán)平均作為潛在易損度,后兩項(xiàng)指標(biāo)值加權(quán)平均作為現(xiàn)實(shí)易損度。指標(biāo)權(quán)重的確定方法主要有“經(jīng)驗(yàn)法”、“專家打分”及“層次分析模型”。扈海波[15]等認(rèn)為層次分析模型適用于城市氣象災(zāi)害風(fēng)險評估,個例應(yīng)用也基本表明該方法確定的權(quán)重值能保證評估結(jié)果的合理和正確性。本文參考樊運(yùn)曉[16]等人的研究采用層次分析法,建立判斷矩陣T見表4。對于構(gòu)造出的判斷矩陣用Matlab軟件求出最大特征根λmax和特征向量W,對特征向量進(jìn)行歸一化后,得到各指標(biāo)相對權(quán)重見表4中“指標(biāo)權(quán)重”一欄。綜合易損度=潛在易損度+現(xiàn)實(shí)易損度。計算結(jié)果見表3最后三列。

表4 雷電災(zāi)害指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重分布

根據(jù)表3中的最后一列數(shù)據(jù),同樣采用4級分區(qū)法將黑龍江省12個地市劃分為雷電災(zāi)害低易損區(qū)、中易損區(qū)、高易損區(qū)和極高易損區(qū)4個不同的易損度區(qū)域。首先將這一列數(shù)據(jù)按從小到大順序分為4組:第1組(0.27,0.32,0.44),第2組(0.52,0.54,0.57),第3組(0.65,0.71,0.75),第4組(0.84,0.87,1.00);然后分別計算第n組中的最大值和第n+1組中的最小值的平均值作為第n級的最大值和第n+1級的最小值。計算的各等級雷電災(zāi)害綜合易損度值分別為:低易損區(qū)(0.00～0.48),中易損區(qū)(0.49～0.61),高易損區(qū)(0.62～0.78),極高易損區(qū)(0.79～1.00)。最后根據(jù)12個地市的雷電災(zāi)害綜合易損度值,判斷各自所屬的易損度等級。詳細(xì)區(qū)劃結(jié)果見圖3a。同理分別根據(jù)表3中“潛在易損度”欄和“現(xiàn)實(shí)易損度”欄,得出潛在易損度區(qū)劃(圖3b)和現(xiàn)實(shí)易損度區(qū)劃(圖3c)。

從圖3可以看出,哈爾濱、齊齊哈爾和綏化潛在易損度和現(xiàn)實(shí)易損度皆高,綜合易損度為極高易損區(qū)。伊春、大興安嶺、黑河潛在易損度高,而現(xiàn)實(shí)易損度最低,故綜合易損度為高易損區(qū)。鶴崗、雞西潛在易損度較低、現(xiàn)實(shí)易損度較高,綜合易損度為中易損區(qū);七臺河潛在易損度最低,但現(xiàn)實(shí)易損度高,綜合易損度同樣為中易損區(qū)。佳木斯、雙鴨山、牡丹江潛在易損度和現(xiàn)實(shí)易損度皆低,綜合易損度為低易損區(qū)。

3 個例結(jié)果分析

雷電災(zāi)害易損度與下墊面的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度有正的相關(guān)性,這里為了與各地市的實(shí)際雷電災(zāi)害頻度進(jìn)行對比,用各地市人均GDP乘以綜合易損度來進(jìn)行風(fēng)險估算。圖4所示為按各地市人均GDP進(jìn)行風(fēng)險估算的結(jié)果與1999-2008年10a平均雷電災(zāi)害頻度對比曲線圖。從圖4可以看出,兩者的趨勢和程度大體相近,其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92。表明雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合,方法科學(xué)實(shí)用。

圖3 黑龍江省雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃圖

圖4 黑龍江省各地市雷電災(zāi)害頻度與風(fēng)險估算結(jié)果對比曲線圖

4 結(jié)論

本文提出雷電災(zāi)害的潛在易損性和現(xiàn)實(shí)易損性概念,利用黑龍江省1959-2008年的雷暴日資料及1999-2008年的雷電災(zāi)害資料,結(jié)合黑龍江省的經(jīng)濟(jì)和人口密度特征,提出了雷暴日數(shù)、雷電災(zāi)害頻度、生命易損模數(shù)及經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)作為雷電災(zāi)害易損性評估指標(biāo),然后采用4級區(qū)分法對各指標(biāo)進(jìn)行了分級。結(jié)果表明:

(1)黑龍江省各地市的雷電災(zāi)害既與自然雷電活動的分布有一定的關(guān)系,也不完全由雷電活動的頻繁程度所決定,而與人口密度、經(jīng)濟(jì)特征等多方面因素有關(guān),自然雷電活動只是雷電災(zāi)害的致災(zāi)因子之一。

(2)采用4級分區(qū)法對黑龍江省雷災(zāi)易損性進(jìn)行了綜合評估,得出了雷災(zāi)易損度區(qū)劃圖,哈爾濱、齊齊哈爾和綏化潛在易損度和現(xiàn)實(shí)易損度皆高,綜合易損度為極高易損區(qū)。伊春、大興安嶺、黑河潛在易損度很高,而現(xiàn)實(shí)易損度最低,故綜合易損度為高易損區(qū)。鶴崗、雞西潛在易損度較低、現(xiàn)實(shí)易損度較高,故綜合易損度為中易損區(qū);七臺河潛在易損度最低,但現(xiàn)實(shí)易損度高,綜合易損度同樣為中易損區(qū)。佳木斯、雙鴨山、牡丹江潛在易損度和現(xiàn)實(shí)易損度皆低,綜合易損度為低易損區(qū)。

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