基于天津各行政區(qū)的雷電風險區(qū)劃初探

宋喃喃， 劉 邕

(天津市防雷中心，天津 300074)

?

基于天津各行政區(qū)的雷電風險區(qū)劃初探

宋喃喃， 劉 邕

(天津市防雷中心，天津 300074)

根據(jù)天津地區(qū)2008～2012年閃電監(jiān)測資料和雷電災害統(tǒng)計資料，分析了天津地區(qū)閃電活動規(guī)律及雷電災害分布特征。在未考慮下墊面的基礎上，利用分級統(tǒng)計法對天津各行政區(qū)雷電風險進行區(qū)劃，并用Ward’s聚類分析進行對比驗證，發(fā)現(xiàn)2種分類結果基本一致，薊縣雷電災害風險極高，武清次之，其他區(qū)域雷電風險相對較小。通過對各行政區(qū)域雷電的綜合分析，可為天津地區(qū)細化“雷電風險區(qū)域劃分”及特定地點的“雷電災害風險評估”提供參考，并為天津各行政區(qū)域未來發(fā)展規(guī)劃提供決策依據(jù)。

閃電特征；雷電災害；風險區(qū)劃

雷電是自然界最常見的一種放電現(xiàn)象，強大的電流、熾熱的高溫、強烈的電磁輻射等往往會造成人員傷亡、建筑物損壞。隨著人們生活的日益現(xiàn)代化，電子、電氣設備的普遍應用，雷災事故呈逐年上升趨勢。因此，雷電災害受到越來越多學者的關注和研究[1-3]。如殷嫻等根據(jù)江蘇省雷電災害資料、雷暴日資料以及地閃資料,分析了江蘇省雷電災害分布特征[1]；郭虎等根據(jù)北京地區(qū)閃電資料和雷電災害資料綜合分析了該地區(qū)雷電災害易損特征，并得出北京市雷電災害易損度評價結構[3]。天津地區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，臨近渤海灣，受海洋氣候影響明顯，年平均雷暴日高達29.8 d，雷電災害頻繁發(fā)生。僅2012年，天津地區(qū)發(fā)生雷電災害20余起，并有2起雷電災害引發(fā)火災，造成經(jīng)濟損失高達844.2萬元。筆者在此根據(jù)該地區(qū)2008～2012年閃電監(jiān)測資料和雷電災害統(tǒng)計資料，對天津各行政區(qū)雷電災害風險進行研究。

1 資料與方法

天津地區(qū)雷電活動較頻繁，該研究資料取自2008～2012年閃電定位儀監(jiān)測資料(取自天津大港站)，并進行一定處理。閃電強度絕對值小于10 kA的被認為是云閃[4]，且大于300 kA的閃電較少[5]，故在資料處理時將此部分剔除。統(tǒng)計2008～2012年天津地區(qū)發(fā)生的閃電總數(shù)、正負閃數(shù)，并利用克里格插值法將天津地區(qū)劃分為0.1°×0.1°網(wǎng)格，統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)閃電的發(fā)生次數(shù)，獲得閃電密度分布[6]。

2 天津地區(qū)雷電特征分析

2.1 閃電年際變化分析經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖1)，天津地區(qū)2008～2012年發(fā)生閃電共計11萬余次，其中正閃6 018次，負閃102 066次，正負閃比例約為1∶17；負閃與總閃的變化趨勢相近,正閃占總閃的比例非常??；年際變化規(guī)律中，2008年發(fā)生閃電次數(shù)最多，2009年發(fā)生閃電次數(shù)最少，2009年以后呈逐年上升趨勢，2012年較2011年略有下降。

圖1 2008～2012年天津地區(qū)正負閃年分布特征

2.2 閃電密度空間分布特征將天津地區(qū)劃分為0.1°×0.1°網(wǎng)格，統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)閃電的發(fā)生次數(shù)，繪制天津地區(qū)閃電空間密度分布。從圖2可以看出，天津地區(qū)閃電密度分布呈北高南低趨勢，且沿海地區(qū)高于內(nèi)陸地區(qū)；其中最大值出現(xiàn)在天津西北部武清區(qū)，為3.32次/(km2·a)，次大值出現(xiàn)在天津北部寶坻區(qū)，為3.11次/(km2·a)，南部地區(qū)閃電密度相對較小。

注：圖中數(shù)值表示每100 km2每年的閃電密度值。圖2 2008～2012年天津地區(qū)地閃密度空間分布

根據(jù)天津地區(qū)閃電密度空間分布繪制區(qū)域閃電密度分布圖。從圖3可以看出，天津地區(qū)閃電密度區(qū)域分布呈從北向南逐漸降低的趨勢。其中薊縣最高，寶坻、武清區(qū)次之，濱海新區(qū)和靜?？h閃電密度相對較小。分析閃電這一局地特征分布的主要原因為：薊縣位于燕山山脈南部，暖濕氣流容易在迎風坡造成氣旋性輻合，當伴有足夠的動力抬升、水汽符合條件時，并加之地形的推動作用，促成了雷電的發(fā)生、發(fā)展；而南部地區(qū)多以平原和洼地為主，不利于閃電的孕育，因而閃電活動較少。

圖3 2008～2012年天津地區(qū)地閃密度區(qū)域分布

3 天津地區(qū)雷電災害特征分析

根據(jù)2008～2012年《全國雷電災害資料匯編》統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)2008～2012年天津地區(qū)雷電災害年際變化趨勢呈2個波峰1個波谷型：2008雷災總數(shù)較少，2009年達到波峰，2010年下降，2011年有所回升，2012年雷災總數(shù)又減少(圖4)。研究2008～2012年雷電災害統(tǒng)計資料，發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)5年間發(fā)生雷電災害共計160余起，經(jīng)濟損失高達1 200萬元。其中，發(fā)生于農(nóng)村的雷電災害約占56.44%，發(fā)生于城市中的雷電災害占43.56%；分析雷電災害的行業(yè)分布發(fā)現(xiàn)，居民用戶遭受雷擊的概率約為79.13%，電力行業(yè)遭受雷擊的概率為6.47%，石油、化工行業(yè)遭受雷擊的概率為4.32%，約10.08%的雷電災害分布于其他行業(yè)中；設備損害類型中以微電子設備和家用電器損害居多，高達88.28%。

圖4 2008～2012年天津市雷電災害變化

圖5 2008～2012年天津地區(qū)年雷電災害密度區(qū)域分布

從圖5可以看出，薊縣、北辰、東麗區(qū)遭受雷擊的頻度較大，武清、西青、靜海次之；大港區(qū)屬工業(yè)重地，遭受雷擊的頻度相對較高；其他區(qū)域遭受雷電災害的概率則比較小，特別是寧河、津南區(qū)，幾乎沒有。對比圖5與圖3發(fā)現(xiàn)，天津地區(qū)雷電災害與自然雷電活動有一定的關系(如薊縣、武清呈正相關)，又不完全受雷電活動所影響(如寶坻、寧河等呈負相關)，在北京、江蘇等[1,3，7]地區(qū)均有上述現(xiàn)象存在。

4 天津各行政區(qū)雷電風險區(qū)劃

4.1 雷電風險區(qū)劃參數(shù)的選擇根據(jù)天津地區(qū)2008～2012年閃電監(jiān)測資料和雷電災害統(tǒng)計資料，以天津行政區(qū)內(nèi)13個區(qū)縣(市六區(qū)為一個單元)為基本分析單元，選用雷擊年平均密度、雷災年平均密度、年經(jīng)濟損失額度和年人員傷亡數(shù)4個參數(shù)，在未考慮下墊面的前提下，綜合分析天津各行政區(qū)域的雷電風險特點。雷擊年平均密度(E1)是指區(qū)域單位面積上雷擊大地的年平均次數(shù)，單位為次/(km2·a)，此結果根據(jù)閃電定位儀監(jiān)測資料確定；雷災年平均密度(E2)指區(qū)域內(nèi)發(fā)生雷電災害的年平均次數(shù)，可以用“N年區(qū)域雷災次數(shù)/n”確定，單位為次/a；年經(jīng)濟損失額度(E3)是指一段時間內(nèi)區(qū)域單位面積上的雷災經(jīng)濟損失數(shù)額，可以用“區(qū)域雷災經(jīng)濟損失數(shù)額/區(qū)域面積”確定，單位為萬元/100km2；年人員傷亡數(shù)(E4)是指一段時間內(nèi)區(qū)域單位面積上的雷災中人員傷亡數(shù)，可以用“區(qū)域雷災人員傷亡數(shù)/區(qū)域面積”確定，單位為人/1 000km2。

根據(jù)上述定義，統(tǒng)計得到天津各行政區(qū)內(nèi)的雷電風險指數(shù)如表1所示。采用氣象學統(tǒng)計分析中的分級統(tǒng)計法[8]，對天津各行政區(qū)內(nèi)的雷電風險平均特征進行分析，將風險指數(shù)劃分為極高(1.0)、高(0.8)、中(0.5)、低(0.2)和極低(0)5個等級得表2；并將天津各行政區(qū)劃分為極低風險區(qū)、低風險區(qū)、中風險區(qū)、高風險區(qū)和極高風險區(qū)5個不同等級的風險區(qū)域。

表1 天津各行政區(qū)雷電風險特征指數(shù)統(tǒng)計

表2 天津各行政區(qū)雷電風險特征評價結果

注：E表示雷電災害風險平均特征。

4.2 雷電風險區(qū)劃結果對綜合評價結果(表2)進行分級統(tǒng)計，得出塘沽、漢沽、大港、津南、寧河為極低風險區(qū)，東麗、市六區(qū)、西青為低風險區(qū)，靜海、寶坻、北辰為中風險區(qū)，武清為高風險區(qū)，薊縣為極高風險區(qū)。利用聚類分析中的Ward’s法對分級統(tǒng)計結果進行驗證，極低風險區(qū)、低風險區(qū)、中風險區(qū)、高風險區(qū)和極高風險區(qū)的分類結果分別為{塘沽、漢沽、大港、津南、寧河}、{東麗、市六區(qū)、西青}、{靜海、北辰}、{武清}、{寶坻、薊縣}。對比2種分類結果發(fā)現(xiàn)，除寶坻的分類結果稍有偏差外，其他分類結果均相同。分析寶坻地區(qū)風險值，總風險值1.7，平均風險值E為0.425，低于武清對應的風險值，可見利用分級統(tǒng)計進行風險區(qū)劃的結果較為可靠。根據(jù)分級統(tǒng)計區(qū)劃結果繪制天津各行政區(qū)的雷電風險區(qū)劃圖如圖6所示。

圖6 天津各行政區(qū)雷電風險區(qū)劃

5 結論與討論

(1) 天津地區(qū)2008～2012年間發(fā)生閃電共計11萬余次，正負閃比例約為1∶17；閃電密度空間分布呈北高南低趨勢，薊縣最高，寶坻、武清區(qū)次之，濱海新區(qū)和靜?？h閃電密度相對較小。

(2) 天津地區(qū)2008～2012年間發(fā)生雷電災害共計160余起，經(jīng)濟損失高達1 200萬元；雷電災害地區(qū)分布中農(nóng)村高于城市，行業(yè)分布中居民用戶所占比例最高，電力行業(yè)和石油化工行業(yè)次之，設備損害類型中以微電子設備居多。

(3) 利用分級統(tǒng)計法得到天津各行政區(qū)的雷電風險區(qū)劃結果，該結果表明薊縣雷電災害風險極高，武清次之，其他區(qū)域雷電風險相對較小，利用Ward’s聚類分析對比驗證，發(fā)現(xiàn)結果可靠。

(4)該研究是在未考慮天津地區(qū)下墊面的前提下，得到了天津各行政區(qū)的雷電風險區(qū)劃結果，該結果可為天津地區(qū)細化“雷電風險區(qū)域劃分”及特定地點的“雷電災害風險評估”提供參考，并為天津各行政區(qū)域未來的發(fā)展規(guī)劃提供決策依據(jù)。在以后的工作中，會嘗試加入下墊面因素，對天津地區(qū)雷電風險特征進行更為細致的研究。

[1] 殷嫻,肖穩(wěn)安,馮民學.區(qū)域雷災分布特征及易損度區(qū)劃[J].氣象科技，2009,37(2):216-220.

[2] 嚴春銀,吳高學,朱建章.區(qū)域雷災易損性及其區(qū)劃的實證分析[J].氣象與環(huán)境學報，2007,23(1):17-21.

[3] 郭虎,熊亞軍.北京市雷電災害易損性分析、評估及易損度區(qū)劃[J].應用氣象學報,2008,19(1):35-40.

[4] ZHENG D，ZHANG Y，MENG Q, et al. Total lightning characteristics and electric structure evolution in a hailstorm[J].Acta Meteorologica Sinica,2009,23(2): 233-249.

[5] 田芳,肖穩(wěn)安,馮民學,等.閃電定位儀觀測結果的修訂分析[J].華東電力,2008, 36(6):38-42.

[6] 周明薇.邵陽地區(qū)雷電活動規(guī)律及其預報研究[D].南京：南京信息工程大學,2013.

[7] 蔣勇軍,況明生,匡鴻海，等.區(qū)域易損性分析、評估及易損區(qū)劃[J].災害學，2001,16(3):59-61.

[8]宋喃喃.閃電時程研究及區(qū)域雷電風險分析[D].南京：南京信息工程大學,2013.

A Preliminary Study on Lightning Risk Zoning Based on Each Administrative District of Tianjin

SONG Nan-nan, LIU Yong

( Lightning Protection Center of Tianjin, Tianjin 300074)

According to the lightning monitoring data and the statistical data of lightning disaster from 2008 to 2012 of Tianjin area, the lightning activity rule and characteristics of lightning disaster distribution of Tianjin area were analyzed. Based on did not consider the pad surface, using classification statistics method, the lightning risk for each administrative region in Tianjin was divided, and using ward’s cluster analysis was used to conduct verification, and it was found that two kinds of classification results are basically identical: Jixian lightning disaster risk is extremely high, Wuqing followed, other regional lightning risk is relatively small. Through the comprehensive analysis of all the administrative regions of lightning, it can provide a reference for Tianjin refinement “l(fā)ightning disaster risk assessment”, “l(fā)ightning risk zoning” and a specific location, and provide decision-making basis for each administrative region of Tianjin's future development plans.

Lightning characteristics; Lightning disasters; Risk zoning

天津市氣象局課題項目(201414)。

宋喃喃(1987- )，女，山東東營人，助理工程師，碩士，從事雷電災害風險評估及風險區(qū)劃研究。

2014-12-17

S 429

A

0517-6611(2015)04-206-03