云南省地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險分析與區(qū)劃研究*

殷 嫻，胡 穎，周清倩，李 忠，楊宗凱，吳永斌

(1.云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，云南 昆明 650034；2.云南省氣象局辦公室，云南 昆明 650034)

云南省地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險分析與區(qū)劃研究*

殷 嫻1，胡 穎1，周清倩1，李 忠1，楊宗凱1，吳永斌2

(1.云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，云南 昆明 650034；2.云南省氣象局辦公室，云南 昆明 650034)

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險分析理論，運(yùn)用云南省歷年地震數(shù)據(jù)、地閃數(shù)據(jù)、雷災(zāi)數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，從地震高發(fā)區(qū)判別、致災(zāi)因子、受災(zāi)敏感度、承災(zāi)體4個方面提取8個地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)，采用主成份分析和聚類分析方法，以全省124個縣市為對象區(qū)域構(gòu)建雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃模型，并對區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，具有良好推廣運(yùn)用價值。分析結(jié)果表明：全省地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險等級可分為7級，極高易損區(qū)為騰沖、華坪、昆明。云南中部昆明、玉溪、楚雄一帶，南部版納、普洱一帶，西部保山一帶，北部麗江一帶屬于地震活動高發(fā)區(qū)，同時也是雷電災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)。

地震高發(fā)區(qū)；雷電活動；雷災(zāi)風(fēng)險；主成份分析；風(fēng)險區(qū)劃

地震災(zāi)害和雷電災(zāi)害都是突發(fā)性的自然災(zāi)害，長期威脅著公眾的財產(chǎn)安全和人身安全。地震發(fā)生時，地質(zhì)環(huán)境表現(xiàn)得比較活躍，受其所釋放的能量及磁場影響，容易導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐木植刻鞖猸h(huán)境發(fā)生變化，往往伴隨著雷雨天氣的出現(xiàn)，引發(fā)雷電災(zāi)害等次生災(zāi)害[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及電子電器設(shè)備的廣泛使用，雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失及社會影響越來越大，近年來，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者致力于雷電災(zāi)害的研究。史培軍等在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，提出區(qū)域?yàn)?zāi)害系統(tǒng)論的理論觀點(diǎn)，認(rèn)為災(zāi)情(災(zāi)害損失)是由孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體之間相互作用形成的[2-4]；尹娜等對廣東、江西、陜西、江蘇、浙江、廈門的雷電災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了研究[5-9]；彭啟洋等對2014年昭通魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)雷擊風(fēng)險進(jìn)行了分析[10]。目前，國內(nèi)還未有學(xué)者對地震活動高發(fā)區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險及特征進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究。

雷電災(zāi)害是云南最常見的強(qiáng)對流天氣災(zāi)害, 2006-2015年間全省發(fā)生雷災(zāi)事故1 100多起，因雷災(zāi)造成317人死亡，367人受傷，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5 000多萬元。同時，云南也是我國地震最多的省份之一。云南省土地面積僅占我國國土的4%，但承受全國破壞性地震平均量的20%，可能發(fā)生破壞性地震的地區(qū)約占全省面積的84%。地震發(fā)生時,重災(zāi)區(qū)大多集中在偏遠(yuǎn)山區(qū)，這些區(qū)域也是雷電災(zāi)害的多發(fā)區(qū)。根據(jù)地震高發(fā)區(qū)雷電活動的時空分布特征及雷災(zāi)特征，提取相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險分析與區(qū)劃研究，可提高地震高發(fā)區(qū)雷電災(zāi)害的防御能力,為地震災(zāi)區(qū)過渡安置房的規(guī)劃和建設(shè)提供科學(xué)合理的意見，對災(zāi)區(qū)應(yīng)急救援工作的順利開展具有重要意義。

1 資料說明與研究方法

1.1 資料來源

本文根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險分析理論，首先對地震高發(fā)區(qū)進(jìn)行判別，然后從致災(zāi)因子、災(zāi)害敏感度、承載體三方面對雷電災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行分析研究。主要用到地震數(shù)據(jù)、地閃資料、GIS數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)及雷災(zāi)數(shù)據(jù)。地震資料為云南省地震局1900-2013年4級以上地震活動統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；地閃資料為云南省22個閃電定位儀2011-2015年所記錄的地閃活動情況；GIS數(shù)據(jù)為云南省數(shù)字地圖；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為云南省2015年統(tǒng)計(jì)年鑒中各市縣的面積、人口、GDP等數(shù)據(jù)；雷災(zāi)數(shù)據(jù)為2006-2015年云南省雷災(zāi)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃首先考慮對象區(qū)域的地震危險性，其次考慮區(qū)域的雷電災(zāi)害易損性。雷災(zāi)易損性是指雷電災(zāi)害風(fēng)險及其處理災(zāi)害事件的社會和經(jīng)濟(jì)能力的綜合量度，它包括自然易損性、經(jīng)濟(jì)易損性和社會易損性等方面的內(nèi)容[11-13]。根據(jù)全省地震活動性、雷電時空分布、雷電災(zāi)害損失、區(qū)域經(jīng)濟(jì)及人口等因素確定了8個易損性評價指標(biāo)，對全省124個市縣進(jìn)行雷災(zāi)風(fēng)險分析。

如圖1所示，指標(biāo)體系中前二個指標(biāo)作為地震高發(fā)區(qū)的判別；第三、第四指標(biāo)反映了區(qū)域受災(zāi)的可能性；第五、第六指標(biāo)反映了區(qū)域歷年受損程度；最后兩個指標(biāo)反映了區(qū)域受災(zāi)隱患以及抵御災(zāi)害的能力。

圖1 地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)易損性指標(biāo)體系

應(yīng)用SAS多元統(tǒng)計(jì)分析中主成份分析法來對各區(qū)域的易損性指標(biāo)進(jìn)行綜合評估。其基本原理是通過多元統(tǒng)計(jì)分析方法測算出各個指標(biāo)樣本之間的相對差距，用協(xié)方差的結(jié)構(gòu)來對原始變量數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行降維處理。即在一定的約束條件下，對原始變量作了一次特殊的正交變換。而得到一組具有某種良好的方差性質(zhì)的新變量，這組新變量彼此互不相關(guān)且在各自的特征方向上有最大方差。從中選取前幾個變量來代替原變量，計(jì)算出這幾個主分量的權(quán)重，然后進(jìn)行綜合評價結(jié)果的加權(quán)合成，并根據(jù)綜合評價值的大小進(jìn)行排序[14-15]。

因?yàn)樵贾笜?biāo)數(shù)據(jù)的量綱不同，為了避免量綱不同對主成份的影響，首先要將指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，使第i個變量的均值為0，方差為1。即設(shè)：

(1)

(2)

云南省有124個對象區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)8個評價指標(biāo)，則原始數(shù)據(jù)矩陣為N=(nji)124×8，j等于1，2……124，i等于1，2……8。用SAS可求出第j個區(qū)域的前m個主成份Zjk。

(3)

式中：ek是原始數(shù)據(jù)矩陣對應(yīng)其相關(guān)陣的特征向量。主成份彼此不相關(guān)，而且分別以方差貢獻(xiàn)率αk為權(quán)重解釋了各區(qū)域的8個指標(biāo)。

(4)

式中：λk為第k個主成份的方差貢獻(xiàn)(特征值)，它反映了第k個主成份提供信息的大小。當(dāng)累計(jì)貢獻(xiàn)率C達(dá)到75%～85%時，這m個主成份就能綜合反映所有指標(biāo)。

(5)

綜合指標(biāo)Fj是以前m個主成份的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重構(gòu)建的，即第j個區(qū)域的綜合指標(biāo)為：

(6)

主成份與變量值是呈正相關(guān)的，即主成份得分值越大，所表征的易損性也越大,即雷災(zāi)風(fēng)險也越大。

2 地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險分析與區(qū)劃

2.1 地震高發(fā)區(qū)雷電活動分布特征

將地閃次數(shù)用GIS系統(tǒng)中Kriging法插值成柵格數(shù)據(jù)生成云南年平均地閃密度與4級以上地震點(diǎn)(圖2a)、6級以上強(qiáng)震點(diǎn)的疊加圖(圖2b)。從圖2可看出，昆明南部、玉溪大部、楚雄南部、麗江東部以及版納與普洱交界處既是地震高發(fā)區(qū)域，也是雷電活動密集區(qū)域。地震災(zāi)害發(fā)生時，這些區(qū)域出現(xiàn)雷雨天氣的幾率較大，可能引發(fā)雷電災(zāi)害的風(fēng)險也較大。全省6級以上強(qiáng)震分布相對集中，主要在保山與德宏交界，臨滄與普洱交界、普洱中部、玉溪與紅河交界等區(qū)域。其中玉溪與紅河接壤一帶地閃密度也較高，局部區(qū)域可達(dá)5～7次/(km2·年)，該區(qū)域?qū)儆趶?qiáng)震高發(fā)區(qū)，同時也是雷電活動高發(fā)區(qū)，更應(yīng)加強(qiáng)防雷應(yīng)急物資儲備。

圖2 云南省地震與年平均地閃密度分布

圖3 云南省地震次數(shù)分布

2.2 地震活動易發(fā)性分析

地震活動易發(fā)性主要考慮全省1900-2013年累計(jì)的4級以上地震次數(shù)(圖3a)與6級以上強(qiáng)震次數(shù)(圖3b)。因?yàn)?zāi)害是突發(fā)性小概率事件，發(fā)生區(qū)域呈點(diǎn)狀分布，具有偶然性、隨機(jī)性和邊界性，本文在分析災(zāi)害風(fēng)險時主要以全省124個縣市為對象區(qū)域進(jìn)行分析，而未采用柵格插值法。從圖3可看出，地震發(fā)生次數(shù)最多為騰沖、龍陵、麗江古城區(qū)一帶，累計(jì)達(dá)18次以上。其次為普洱、版納、臨滄交界一帶，以及香格里拉、寧蒗、大姚、巧家、大關(guān)一帶，累計(jì)達(dá)10次以上。6級以上強(qiáng)震區(qū)域主要是騰沖、瀾滄、寧洱等區(qū)域。

2.3 雷電災(zāi)害致災(zāi)因子分析

雷電災(zāi)害致災(zāi)因子主要考慮124個縣市的年平均地閃密度和強(qiáng)地閃密度。年平均地閃密度通過計(jì)算區(qū)域單位面積上年平均地閃次數(shù)得出(圖4a)，強(qiáng)地閃密度通過計(jì)算區(qū)域單位面積上強(qiáng)度超過50 kA的年平均地閃次數(shù)得出(圖4b)。從圖4可看出，雷電活動密集區(qū)域主要集中在昆明、楚雄、曲靖、玉溪、普洱一帶，局部區(qū)域平均每年可達(dá)40次/10km2。強(qiáng)地閃頻繁發(fā)生區(qū)域主要分布在昭通、文山、麗江、楚雄、昆明、曲靖一帶，這些區(qū)域年平均強(qiáng)地閃次數(shù)都在3～6次/10km2。區(qū)域強(qiáng)地閃密度越大，一旦出現(xiàn)雷雨天氣都有可能伴隨強(qiáng)雷暴的發(fā)生，造成雷電災(zāi)害的可能性也越大。

2.4 雷電災(zāi)害敏感度分析

雷電災(zāi)害敏感度主要考慮124個縣市2011-2015年間雷災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡損失情況。經(jīng)濟(jì)損失指標(biāo)是指區(qū)域單位面積上的雷災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失數(shù)額，人員傷亡損失指標(biāo)是指區(qū)域雷電災(zāi)害導(dǎo)致人員傷亡的累計(jì)人數(shù)。從圖5可看出，雷災(zāi)造成經(jīng)濟(jì)損失較為嚴(yán)重的區(qū)域主要包括昆明主城區(qū)、鹽津、宣威、景洪等區(qū)域。雷災(zāi)造成人員傷亡人數(shù)較多的區(qū)域包括昭通市區(qū)、安寧、騰沖、彌勒、景洪等區(qū)域，累計(jì)傷亡人數(shù)達(dá)20人以上。雷災(zāi)造成經(jīng)濟(jì)及人員傷亡損失越嚴(yán)重，表征區(qū)域?qū)诪?zāi)的敏感度越強(qiáng)。

2.5 雷電災(zāi)害承災(zāi)體分析

雷電災(zāi)害承災(zāi)體情況主要考慮124個縣市的人口密度(圖6a)及人均GDP水平(圖6b)。如圖6所示，昆明市區(qū)、玉溪市區(qū)、大理市區(qū)、昭通市區(qū)、芒市等區(qū)域人口密度較大，達(dá)到318人/km2以上。昆明市區(qū)、曲靖市區(qū)、玉溪市區(qū)等區(qū)域人均GDP水平較高，達(dá)到5.17萬元以上。人口密度反映了雷災(zāi)發(fā)生時的人員傷亡隱患，人均GDP反映了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異。人口密度越大，GDP越高，表征社會結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，雷災(zāi)發(fā)生時可能造成的損失也越大。

圖4 云南省區(qū)域年平均地閃密度

圖5 云南省雷災(zāi)造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡損失

圖6 云南省人口密度和人均GDP水平

2.6 地震高發(fā)區(qū)綜合雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃

調(diào)用SAS-PRINCOMP過程對8個損性指標(biāo)做主成份分析，可得出第j個區(qū)域的第k個主成份，同時可得出指標(biāo)矩陣的指標(biāo)特征值和方差貢獻(xiàn)率。從表1可看出，前5個主成份的累計(jì)貢獻(xiàn)率C=28.35%+26.25%+15.23%+11.34%+7.72%=88.89%，大于85%，即前5個主成份就可以充分體現(xiàn)所有指標(biāo)的信息。

用前5個主成份的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重構(gòu)建綜合指標(biāo)，即第j個區(qū)域的綜合指標(biāo)Fj為：

(7)

表1 指標(biāo)特征值和方差貢獻(xiàn)率

綜合指標(biāo)值大小可表征易損度的大小。調(diào)用SAS-FASTCLUS過程在綜合指標(biāo)值中選取7個初始凝聚點(diǎn)進(jìn)行分類。分類結(jié)果如表2所示，將124個縣市劃分為7類，其中，7個縣市屬于極低易損區(qū)；25個縣市屬于較低易損區(qū)；33個縣市屬于低易損區(qū)；29個縣市屬于中易損區(qū)；20個縣市屬于高易損區(qū)；7個縣市屬于較高易損區(qū)；3個縣市屬于極高易損區(qū)。

表2 云南省地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃

3 風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)地震高發(fā)區(qū)風(fēng)險區(qū)劃的優(yōu)劣，將區(qū)劃結(jié)果(圖7a)與全省2011-2015年雷災(zāi)次數(shù)分布(圖7b)進(jìn)行對比驗(yàn)證。從圖7可看出，風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果與雷電災(zāi)害頻次分布對應(yīng)良好，且與地震活動分布也對應(yīng)良好，基本能反應(yīng)全省地震高發(fā)區(qū)的雷電災(zāi)害情況。如圖8所示，把各市縣的雷電災(zāi)害次數(shù)與雷電綜合區(qū)劃風(fēng)險值作散點(diǎn)相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.44，通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，即雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果與歷史雷災(zāi)次數(shù)通過了極顯著相關(guān)性檢驗(yàn)。

圖7 云南省地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃與雷災(zāi)次數(shù)分布對比

圖8 區(qū)劃綜合指標(biāo)值與雷災(zāi)次數(shù)散點(diǎn)相關(guān)圖

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)自然災(zāi)害系統(tǒng)理論，以云南省地震活動分布為背景場，從雷電災(zāi)害致災(zāi)因子、受災(zāi)敏感度、承災(zāi)體三方面選取8個指標(biāo)，采用多元統(tǒng)計(jì)中主成份分析法構(gòu)建了云南省地震高發(fā)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃模型，并對區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)地震發(fā)生密集區(qū)與雷電活動高發(fā)區(qū)重合的主要區(qū)域是昆明南部、玉溪大部、楚雄南部、麗江東部以及版納與普洱交界處。 6級以上強(qiáng)震高發(fā)區(qū)中，玉溪與紅河接壤一帶屬于強(qiáng)震高發(fā)區(qū)，同時也是雷電活動高發(fā)區(qū)。

(2)云南中部昆明、玉溪、楚雄一帶，南部版納、普洱一帶，西部保山一帶，北部麗江一帶屬于地震活動高發(fā)區(qū)，同時也是雷電災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)。全省124個縣市中，騰沖、華坪、昆明既是地震高發(fā)區(qū)，又是雷電災(zāi)害極高易損區(qū)。

(3)運(yùn)用云南省各縣市雷電災(zāi)害次數(shù)對風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，雷災(zāi)區(qū)劃風(fēng)險綜合指標(biāo)值與雷電災(zāi)害次數(shù)相關(guān)性通過極顯著性檢驗(yàn)，表明本文構(gòu)建的地震高發(fā)區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系及評估方法是可靠且有效的。

本文首次以地震高發(fā)區(qū)的雷災(zāi)風(fēng)險作為研究對象，在結(jié)合兩種自然災(zāi)害的分布特征進(jìn)行分析方面做了初步探索。地震高發(fā)區(qū)的判別主要依據(jù)歷史地震次數(shù)，今后可以考慮運(yùn)用地震斷裂帶分布作為判別因子可能更為科學(xué)。此外，在雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃模型的構(gòu)建上，今后將考慮在孕災(zāi)環(huán)境方面加入土壤電導(dǎo)率因子、地形因子等指標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)劃模型，使區(qū)劃結(jié)果更具合理性和全面性。同時，在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，將逐步開展雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃與實(shí)時雷電監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合的研究。

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Abstract:Based on the theory of natural disaster risk analysis, this article used the historical seismic data, lightning data, thunder disaster data and the social economic data, extracted the eight parts of the thunder disaster risk index from the discrimination of earthquake high incidence area , disaster-inducing factors, formative factors and the affected parts of sensitivity , adopted the method of principal component analysis and cluster analysis, taken 124 counties of the province as the area to build the thunder disaster risk zoning model for the object, and validated the result of the division. The result had good popularization using value. The analysis results show that the thunder disaster risk level of earthquake high incidence area can be divided into 7,Kuming, Tenchong, Huaping region are extremely vulnerable area. Kunming, Yuxi, Chuxiong, Banna, Puer, Baoshan and Lijiang region are both the seismic activity, and the high risk during lightning disasters.

Key words:earthquake high incidence area; lightning activity; thunder disaster risk; principal component analysis; risk zoning

The Thunder Disaster Risk Analysis and Zoning of Earthquake High Incidence Area in Yunnan Province

YIN Xian，HU Yin，ZHOU Qingqian

(YunnanMeteorologicalDisasterPreventionTechnologyCenter，Yunnan650034，China)

殷嫻，胡穎，周清倩，等. 云南省地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險分析與區(qū)劃研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(4)：67-72. [YIN Xian，HU Yin，ZHOU Qingqian,et al. The thunder disaster risk analysis and zoning of earthquake high incidence area in Yunnan province[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：67-72.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.011.]

X43；P315；P429

A

1000-811X(2017)04-0067-06

2017-03-20

2017-05-04

云南省氣象局“云南省地震救援應(yīng)急氣象監(jiān)測預(yù)警能力提升項(xiàng)目”(ZZZC1512-JF03969)

殷嫻(1984-)，女，云南楚雄人，碩士研究生，工程師，主要從事雷災(zāi)風(fēng)險預(yù)警區(qū)劃研究.E-mail：707239728@qq.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.011