雷電災(zāi)害風(fēng)險分級方法研究

袁湘玲，周 倩，王振會，肖穩(wěn)安，馬繁東

(1. 齊齊哈爾市氣象局，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 天津市防雷中心，天津 300074；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

雷電災(zāi)害風(fēng)險分級方法研究

袁湘玲1，周 倩2，王振會3，肖穩(wěn)安3，馬繁東1

(1. 齊齊哈爾市氣象局，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 天津市防雷中心，天津 300074；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

利用2008-2014年全國雷電監(jiān)測資料、1981-2010年全國2 032個氣象觀測站點(diǎn)的雷暴日資料以及人口和經(jīng)濟(jì)特征資料，選取雷暴日、地閃密度、雷電流強(qiáng)度作為雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性指標(biāo)、生命易損模數(shù)和經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)作為雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果指標(biāo)，采用對稱不等間隔四級分法得出雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)等級劃分閥值。提出利用雷電流幅值均值、不同滾球半徑對應(yīng)的繞擊率和雷擊率組合代表雷電流強(qiáng)度特征，作為雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)，能夠更有效地表征雷電災(zāi)害風(fēng)險特征。給出雷電災(zāi)害風(fēng)險分級方法。為雷電災(zāi)害研究和風(fēng)險管理工作提供參考。

風(fēng)險；雷電災(zāi)害風(fēng)險；等級；分級方法

風(fēng)險是指“與潛在損失有關(guān)的不確定性”[1]。自然災(zāi)害風(fēng)險形成的原因是客觀的，可能造成人民生命財產(chǎn)的巨大損失[2-4]，引起資源環(huán)境的進(jìn)一步惡化，阻礙社會的可持續(xù)發(fā)展。積極應(yīng)對和控制風(fēng)險，保障社會公共安全已成為各級政府公共服務(wù)職能。氣象災(zāi)害風(fēng)險管理不僅可以提高政府的信譽(yù)，也可以增強(qiáng)社會抵御氣象災(zāi)害風(fēng)險的心理[5]。雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的10 種自然災(zāi)害之一[6]，雷電災(zāi)害風(fēng)險管理工作，不僅被氣象部門高度重視，且已成為各級政府防災(zāi)減災(zāi)的重要內(nèi)容。雷電災(zāi)害風(fēng)險分級是開展雷電災(zāi)害風(fēng)險管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，相關(guān)的文獻(xiàn)較為罕見，亟需相關(guān)的方法研究，為雷電災(zāi)害風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)，為預(yù)防、減少和減輕雷電災(zāi)害提供參考，對于科學(xué)防災(zāi)和減災(zāi)有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文中使用資料包括: ①雷電監(jiān)測資料，中國氣象局閃電定位系統(tǒng)2008-2014年監(jiān)測資料，來源于國家氣象信息中心；②雷暴日資料，全國2 474個氣象觀測站點(diǎn)1981-2010年的監(jiān)測資料，來源于國家氣象信息中心；③人口和經(jīng)濟(jì)特征資料，來源于《中國統(tǒng)計年鑒2014》[7]發(fā)布的2013年統(tǒng)計數(shù)據(jù)；④ 雷電災(zāi)害資料，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)研究會共同編寫的《全國雷電災(zāi)害匯編》(內(nèi)部資料)，資料年限為2004-2013年。

1.2 研究方法

雷電災(zāi)害風(fēng)險分級采用從風(fēng)險量化出發(fā)的風(fēng)險矩陣方法[8-9]。雷電災(zāi)害風(fēng)險等級由雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性和產(chǎn)生的后果決定。以P代表雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性的等級，以C代表雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果的等級，雷電災(zāi)害風(fēng)險R的等級表示為：

R=P×C。

(1)

式中：R為雷電災(zāi)害風(fēng)險，P為雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性，C為雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果。

2 雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)分析

選取雷暴日(M)、地閃密度(Ng)、雷電流強(qiáng)度(IR)、生命易損模數(shù)(L)和經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)(D)作為雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)。雷暴日數(shù)和地閃密度均可表征一個區(qū)域雷電災(zāi)害的孕災(zāi)危險程度[10]，雷暴日因人工觀測限制誤差較大但觀測資料時序長，能夠更好地反映雷暴活動的氣候特征，地閃密度能夠更準(zhǔn)確地表征地面落雷的頻繁程度，但資料時序較短，故本文同時選取兩個參數(shù)作為風(fēng)險分級指標(biāo)；雷電流幅值概率是計算雷電防護(hù)效率的重要參數(shù)，統(tǒng)計分析雷電流平均幅值、不同滾球半徑對應(yīng)的繞擊率和雷擊率可以得出雷電流幅值分布特征，用于綜合判定雷電流強(qiáng)度分值；生命易損模數(shù)表示區(qū)域內(nèi)每平方千米受危害的人口數(shù)量；經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)表示區(qū)域內(nèi)每平方千米的經(jīng)濟(jì)損失。上述前三項(xiàng)指標(biāo)著重于反映承災(zāi)體遭受災(zāi)害的可能性程度，用于雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性指標(biāo)；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，用于雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果指標(biāo)。雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)的層次模型見圖1。

圖1 雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)的層次模型

2.1 雷暴日等級劃分閥值

根據(jù)1981-2010年雷暴日資料，從中國2 474個站點(diǎn)中選取連續(xù)性較好的2 032個站點(diǎn)資料，計算出30年平均雷暴日數(shù)(單位：d/年 )。統(tǒng)計得出：雷暴日數(shù)最小值為2.4 d/年，出現(xiàn)在青海冷湖，最大值為108 d/年，出現(xiàn)在云南勐臘；雷暴日數(shù)小于20 d/年的站點(diǎn)數(shù)為226個，占樣本總數(shù)的11.1%；雷暴日數(shù)大于等于60 d/年的站點(diǎn)數(shù)為243個，占樣本總數(shù)的12.0%；雷暴日數(shù)小于30.9 d/年的站點(diǎn)數(shù)為1 018，占樣本總數(shù)的49.9%。雷暴日數(shù)概率分布見圖2。

圖2 雷暴日數(shù)概率分布圖

依據(jù)圖2雷暴日數(shù)概率分布特征，采用對稱不等間隔四級分割法進(jìn)行等級劃分[11]，用極高、高、中、低4個級別來描述，并賦予各等級如下的定值:極高為Ⅳ，高為Ⅲ，中為Ⅱ，低為Ⅰ?？紤]到極高和低所占比例較小，由極高到低各等級所占百分比分別為20%、30%、30%和20%，統(tǒng)計得出雷暴日等級劃分閥值見表1。

表1 雷暴日及地閃密度等級劃分閥值

2.2 地閃密度等級劃分閥值

根據(jù)2008-2014年全國閃電定位資料，將中國位于 18°～53.52°N和73.66°～135.08°E間的區(qū)域按經(jīng)緯度劃分為0.5°×0.5°的網(wǎng)格區(qū)域，得到樣本總數(shù)為4 004個，計算各區(qū)域的年平均地閃密度(單位：次/(年·km2))。地閃密度最小值為0，共有295個，占樣本總數(shù)的7.4%，這些樣本分布在31°～48°N和75°～94.5°E間，均在西藏和新疆地區(qū)；地閃密度最大值為8.2次/(年·km2)，位置為29.5°～30°N和105°～105.5°E。地閃密度小于0.001的樣本數(shù)為1 100個，占樣本總數(shù)27.5%，分布在28.5°～49.5°N和73.66°～102.5°E間，絕大部分屬于西藏、新疆和青海省，結(jié)果與新疆和西藏雷暴日數(shù)少且區(qū)域面積較大是一致的。鑒于這部分樣本所占比重較大，代表性不強(qiáng)，在計算等級劃分閥值時將其剔除。得到地閃密度概率分布見圖3。

圖3 地閃密度概率分布圖

依據(jù)圖3地閃密度概率分布特征，同理采用2.1節(jié)所述劃分方法，得出地閃密度等級劃分閥值見表1。

2.3 雷電流強(qiáng)度等級劃分閥值

同上，利用閃電定位資料統(tǒng)計分析雷電流幅值概率分布，滾球半徑為30 m、45 m和60 m分別對應(yīng)的各區(qū)域的繞擊率[12-13]和雷擊率。得出總地閃雷電流幅值平均為50.4 kA，負(fù)地閃平均值為49.1 kA，正地閃平均值為70.7 kA。雷電流幅值，滾球半徑為30 m、45 m和60 m分別對應(yīng)的繞擊率和雷擊率的概率分布特征見圖4。

圖4 雷電流幅值概率特征圖

依據(jù)圖4的雷電流幅值概率分布特征，并結(jié)合實(shí)際情況，考慮劃分結(jié)果的合理性，仍采用2.1節(jié)所述方法進(jìn)行劃分，得出雷電流強(qiáng)度等級劃分閥值見表2。

選取行政區(qū)域內(nèi)或評價對象周圍5 km半徑范圍內(nèi)的閃電定位資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算得出雷電流平均幅值、不同滾球半徑對應(yīng)的繞擊率和雷擊率，根據(jù)計算值按照表2確定各參量的取值。當(dāng)評估區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險等級時，IPA和IPB取三種滾球半徑對應(yīng)等級的平均值；當(dāng)評估具體項(xiàng)目時，按項(xiàng)目的實(shí)際防雷類別取相應(yīng)滾球半徑對應(yīng)的等級值。雷電流強(qiáng)度IR的分值取IPA、IPB和IAV等級的平均值，按四舍五入取整。

2.4 生命易損模數(shù)及經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)等級劃分閥值

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中全國31省(市)的人口、生產(chǎn)總值(GDP)和行政區(qū)域面積資料，由式(2)、式(3)分別計算出各區(qū)域的生命易損模數(shù)和經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)見表3。

L=Ls/S。

(2)

式中：L為生命易損模數(shù)，單位為人/km2；Ls為區(qū)域受到雷電災(zāi)害危害的人口數(shù)量，單位為人；S為各區(qū)域的行政面積。

D=Ds/S。

(3)

式中：D為經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)，單位為萬元/km2；Ds為區(qū)域雷電災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失額，單位為萬元；S為各區(qū)域的行政面積。

表3 31省(市)生命易損模數(shù)及經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)值

將表3中生命易損模數(shù)值及經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)值按照2.1節(jié)所述方法進(jìn)行等級劃分，得出生命易損模數(shù)及經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)等級劃分閥值見表4。

表4 生命易損模數(shù)及經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)等級劃分閥值

注：表中數(shù)值按進(jìn)位取整。

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性分級方法

[8-9]，可能性的分級方法是根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性，從高到低分為極高、高、中、低四個等級，分別用等級 P 的分值表示。分級參考值見表5。當(dāng)雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性的三個指標(biāo)是不同的分值時，其等級 P 的分值取三個可能性指標(biāo)分值中的等級最高者。

表5 雷電災(zāi)害風(fēng)險事件的可能性等級分值

選取區(qū)域內(nèi)近30年以上氣象臺站的雷暴日觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到該區(qū)域的雷暴日數(shù)；選取行政區(qū)域內(nèi)或評價對象周圍5km半徑范圍內(nèi)的閃電定位資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算得出該區(qū)域的地閃密度和雷電流幅值概率。依據(jù)所在區(qū)域雷暴日數(shù)、地閃密度按照表1的等級劃分閥值確定M 和Ng值；依據(jù)所在區(qū)域和雷電流幅值概率按照表2的等級劃分閥值確定IR值。根據(jù)得到的M、Ng和IR值，按照表5的分級標(biāo)準(zhǔn)得出P的分值。

4 雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果分級方法

參考文獻(xiàn)[8-9]，后果的分級方法是根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果，從高到低分為極高、高、中、低四個等級，分別用等級C的分值表示。分級參考值見表6。當(dāng)雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果的兩個指標(biāo)是不同的分值時，其等級C的分值取兩個后果指標(biāo)分值中的等級高者。

若評估某行政區(qū)域的綜合雷電災(zāi)害風(fēng)險等級，根據(jù)該區(qū)域的人口、生產(chǎn)總值(GDP)和行政區(qū)域面積資料，計算得出生命易損模數(shù)和經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)，按照表4的等級劃分閥值，確定 L、D 值，依據(jù) L和 D 值，按照表6的分級標(biāo)準(zhǔn)得出 C 值。

表6 雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生后果的等級分值

注：具有爆炸危險或其它可能對周圍環(huán)境造成危害的場所，C 的分值取1。

若評估某個項(xiàng)目或者某個指定區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險等級，為保證指標(biāo)計算結(jié)果的一致性，需將其占地面積按一定比例轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的行政區(qū)域面積。查閱2014年《中國統(tǒng)計年鑒》得到中國土地狀況見表7。由表7得到各項(xiàng)目的面積轉(zhuǎn)換比k見表7最后1列。按照評估對象的類別，查閱表7得到相應(yīng)的面積轉(zhuǎn)換比k，將其占地面積除以k得到相對應(yīng)的行政區(qū)域面積S，計算得出生命易損模數(shù)和經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)，按照表4的等級劃分閥值，確定L、D值，依據(jù)L和D值，按照表6的分級標(biāo)準(zhǔn)得出C值。

表7 土地狀況及面積轉(zhuǎn)換比

5 雷電災(zāi)害風(fēng)險分級

參考文獻(xiàn)[8]，根據(jù)表5的雷電災(zāi)害風(fēng)險事件的可能性等級分值P 和表6的雷電災(zāi)害風(fēng)險事件的后果等級分值C，建立雷電災(zāi)害風(fēng)險分級矩陣見表8。

6 雷電災(zāi)害風(fēng)險等級劃分示例和使用效果評價

選取4個直轄市、?？谑小⑻m州市、烏魯木齊市以及黑龍江省7個地市市轄區(qū)為例，演示應(yīng)用該分級方法計算雷電災(zāi)害風(fēng)險等級。利用雷暴日資料、閃電定位資料以及人口和經(jīng)濟(jì)特征資料，統(tǒng)計分析得到各地市分級指標(biāo)值見表9。

表8 雷電災(zāi)害風(fēng)險分級矩陣

注①雷電災(zāi)害風(fēng)險等級分值R為雷電災(zāi)害風(fēng)險事件的可能性等級分值P與后果等級分值C相乘的結(jié)果。②雷電災(zāi)害風(fēng)險等級分值R劃分為四個等級并賦以四種顏色，表示雷電災(zāi)害風(fēng)險的四個等級：紅色代表極高風(fēng)險，R分值為1～2；橙色代表高風(fēng)險，R分值為3～4；黃色代表中風(fēng)險，R分值為6～9；綠色代表低風(fēng)險，R分值為12～16。

表9 雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)值

表10 各指標(biāo)的級別值

根據(jù)表9中的指標(biāo)值，按照表1、表2和表4的指標(biāo)等級劃分閥值，得到各指標(biāo)的級別值見表10。

根據(jù)表10中各指標(biāo)的級別值，按照表5和表6的分級方法，得到各地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險事件發(fā)生的可能性等級 P 值及雷電災(zāi)害風(fēng)險事件產(chǎn)生的后果等級 C 值見表11第1列和第2列。代入式(1)可得，各地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險值 R 見表11第3列，對照表8得出雷電災(zāi)害風(fēng)險等級見表11最后1列。

表11 雷電災(zāi)害風(fēng)險等級劃分結(jié)果

雷電災(zāi)害風(fēng)險等級與雷電災(zāi)害發(fā)生頻度有正的相關(guān)性，按照風(fēng)險矩陣分級方法，雷電災(zāi)害風(fēng)險值與雷電災(zāi)害發(fā)生頻度有負(fù)的相關(guān)性，這里為了與各地的實(shí)際雷電災(zāi)害頻度進(jìn)行對比，將雷電災(zāi)害頻度進(jìn)行歸一化處理。圖5為各地2004-2013年10年平均雷電災(zāi)害頻度歸一化值與雷電災(zāi)害風(fēng)險值對比曲線圖。從圖5可以看出，兩者的趨勢和程度基本相近，其相關(guān)系數(shù)為-0.79，表明雷電災(zāi)害風(fēng)險等級劃分結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

圖5 各地雷電災(zāi)害頻度與風(fēng)險值對比曲線圖

7 小結(jié)

(1)本文提出利用雷電流平均幅值、不同滾球半徑對應(yīng)的繞擊率和雷擊率三個方面量化分析雷電流強(qiáng)度特征，得出雷電流強(qiáng)度綜合量化值，作為雷電災(zāi)害風(fēng)險分級指標(biāo)。

(2)利用2008-2014年全國雷電監(jiān)測資料、1981-2010年全國2032個站點(diǎn)的雷暴日資料，《中國統(tǒng)計年鑒2014》發(fā)布的2013年人口和經(jīng)濟(jì)特征資料，采用氣象學(xué)統(tǒng)計分析中的分級統(tǒng)計方法,計算得出雷暴日、地閃密度、雷電流強(qiáng)度、生命易損模數(shù)和經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)的等級劃分閥值。

(3)給出采用風(fēng)險矩陣劃分雷電災(zāi)害風(fēng)險等級的方法。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明本文提出的方法可操作性強(qiáng)，對雷電災(zāi)害風(fēng)險等級具有很好的區(qū)分性。

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A Study on the Lightning Disaster Risk Grading Methods

YUAN Xiangling1, ZHOU Qian2, WANG Zhenghui3, XIAO Wen’an3and MA Fandong1

(1.QiqiharMeteorologicalBureau,Qiqihar161006,China; 2.TianjinLightingProtectionCenter,Tianjin300074,China; 3.SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)

Annualmeanthunderstormdays,lightningdensity,lightningcurrentintensity,vitalvulnerabilitymoduleandeconomicvulnerabilitymodulearepresentedasgradingindicesoflightningdisastersrisk.Thefeaturesoflightningcurrentintensityaccordwiththesynthesisoftheaveragelightningcurrentamplitude,probabilityofshieldingfailureandlightningstrikeonthebasisofdifferentrollingsphereradius.Basedonthunderstormdaysduring1981～2010,lightninglocationdatafrom2008to2014anddemographicandeconomicdatainChina,hierarchythresholdsoflightningdisasterriskgradingindicesareobtained.Theclassificationmethodoflightningdisasterriskisstudied.Providereferencefortheresearchandriskmanagementonlightningdisaster.

risk;lightningdisasterrisk;grade;gradingmethods

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.006.]

2016-07-18

2016-08-28

黑龍江省地方標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目“雷電災(zāi)害風(fēng)險等級”；中國公益(氣象)行業(yè)專項(xiàng)(GYHY200806014)

袁湘玲(1970-)，女，湖南省雙峰縣人，高級工程師，從事雷電災(zāi)害防御工作. E-mail:qqhryxl@aliyun.com

X43；P463.3

A

1000-811X(2017)01-0026-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.006

袁湘玲，周倩，王振會，等. 雷電災(zāi)害風(fēng)險分級方法研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(1)：26-31. [YUAN Xiangling，ZHOU Qian，WANG Zhenghui, et al. A study on the lightning disaster risk grading methods [J]. Journal of Catastrophology，2017，32(1)：26-31.