基于層次分析法的福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

張 雷，涂慰云，李天誠，孫蔡亮，王穎波

（1.福建省政和縣氣象局，福建 政和 353600；2.福建省南平市延平區(qū)氣象局，福建 南平 353000；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；4.福建省防雷中心，福建 福州 350001）

基于層次分析法的福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

張 雷1，涂慰云2，李天誠1，孫蔡亮3，王穎波4

（1.福建省政和縣氣象局，福建 政和 353600；2.福建省南平市延平區(qū)氣象局，福建 南平 353000；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；4.福建省防雷中心，福建 福州 350001）

主要利用福建省氣象局提供的1961—2010年雷暴日人工觀測數(shù)據(jù)和2006—2010年閃電定位數(shù)據(jù)以及雷電災(zāi)害數(shù)據(jù),對福建省雷電時(shí)空分布規(guī)律和雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行分析研究。選擇孕災(zāi)環(huán)境敏感性、致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、防災(zāi)減災(zāi)能力以及承災(zāi)體易損性四項(xiàng)指標(biāo)作為福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的指標(biāo)，對福建省各縣市的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行分析、計(jì)算。研究結(jié)果表明：福建省高雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)域主要集中在清流、明溪一帶以及羅源，低雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)域主要集中在南平北部、三明西部、漳州南部以及沿海一帶。

雷電災(zāi)害；層次分析法；風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；福建省

據(jù)福建省氣象局統(tǒng)計(jì)，福建全省每年都會(huì)有因雷電造成的數(shù)以千萬的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡的案例，通過馬明等[1]對1997—2006年各地氣象部門收集的雷電災(zāi)害資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知,福建雷電災(zāi)害事故總數(shù)僅次于廣東位居全國第二，因此，按照災(zāi)害學(xué)和風(fēng)險(xiǎn)管理學(xué)的理論方法，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力等四個(gè)形成雷電災(zāi)害的因素對福建全省進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，并繪制福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，結(jié)果不僅有助于認(rèn)識福建雷暴及其雷電災(zāi)害的特征與規(guī)律，而且還能將雷電災(zāi)害防御管理提高到風(fēng)險(xiǎn)管理的高度，在減災(zāi)規(guī)劃與預(yù)案制定、國土規(guī)劃利用、重大工程建設(shè)、金融投資、防災(zāi)減災(zāi)效益評估等方面都起著重要作用，由此可見，開展雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，將防雷減災(zāi)工作更大程度地納入社會(huì)綜合防災(zāi)減災(zāi)體系，可以作為提升雷電災(zāi)害防御能力的重要手段，同時(shí)區(qū)劃研究結(jié)果能為地方政府進(jìn)行雷電災(zāi)害防御提供更為科精確、合理的決策依據(jù)。

近年來，在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃方面我國學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。郭虎等[2]、馮民學(xué)等[3]、李彩蓮等[4]、王慧等[5]、嚴(yán)銀春等[6]利用北京、陜西、江蘇、江西等省的雷暴日和雷電災(zāi)害資料，分析了以上各省的雷暴活動(dòng)及雷電災(zāi)害分布特征，并作出了各省的雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃。袁湘玲等[7]、扈海波等[8]利用AHP法，即將雷電災(zāi)害評估指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較的方法獲得了各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，建立黑龍江和北京的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型，并進(jìn)行了綜合評估，最終形成了兩個(gè)省的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。扈海波等[9]根據(jù)北京地區(qū)近30 a的氣象資料，利用空間網(wǎng)格技術(shù)，依據(jù)承災(zāi)體雷電防護(hù)和規(guī)避特征，作出北京地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。以往關(guān)于各省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究多以人工觀測雷暴日資料為基礎(chǔ)[10-15]，指標(biāo)多考慮致災(zāi)因子與承災(zāi)體的影響，很少考慮孕災(zāi)環(huán)境以及防災(zāi)減災(zāi)能力兩項(xiàng)指標(biāo)的影響，因此最終的區(qū)劃結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況的吻合度還有待提高。綜合利用了閃電定位資料以及人工觀測資料并從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性以及防災(zāi)減災(zāi)能力水平等4個(gè)方面對福建省各縣市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行了計(jì)算，所得結(jié)果更為準(zhǔn)確、客觀。析法對指標(biāo)權(quán)重的判定過程。

圖1 福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)體系框架圖Figure 1 The index systen of risk zoning of lightning disaster in Fujian province

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

雷暴日資料來源于福建省氣象局提供的1961-2010年共計(jì)50年全省67個(gè)氣象觀測站的人工雷暴日觀測數(shù)據(jù)，其中金門縣屬于福建省，但數(shù)據(jù)中不包含金門縣；2006—2010年地閃數(shù)據(jù)來源于福建省氣象局布設(shè)在9地的ADTD型閃電定位儀測得；雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于福建省防雷管理辦公室提供的《福建省雷電災(zāi)害實(shí)例匯編》（2006—2010）；各縣市面積、人均GDP、醫(yī)院里的床位數(shù)、技術(shù)人員數(shù)、職業(yè)醫(yī)師、職業(yè)助理醫(yī)師以及注冊護(hù)士數(shù)等資料通過查閱2011年《福建省統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得;各氣象臺站的高程即海拔數(shù)據(jù)由福建省氣象局官網(wǎng)處提供；各縣市的地形起伏度及森林覆蓋率通過ARCGIS軟件提取獲得。

1.2 研究方法

1.2.1 直線方程法

由于評價(jià)模型中的各指標(biāo)的數(shù)值差異性較大，不能直接進(jìn)行加和的計(jì)算，因此必須采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法將這些指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。本文采用的是平面解析幾何里的直線方程來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體標(biāo)準(zhǔn)化過程如下：

設(shè)有原始數(shù)據(jù)A的集合，

原始數(shù)據(jù)yn1標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)為Yn1，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的區(qū)間為[0，1]，即原始數(shù)據(jù)中的M1對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的1，原始數(shù)據(jù)中的N1對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的0，數(shù)據(jù)間為線性對應(yīng)關(guān)系，利用平面解析幾何直線方程的兩點(diǎn)式方程可得標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)Yn1與原始數(shù)據(jù)yn1的關(guān)系方程為：

1.2.2 層次分析法

建立如圖1所示的福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)體系框架。 由于涉及判定的指標(biāo)權(quán)重比較多，為節(jié)省篇幅，以圖1中的B層為例解釋說明利用層次分

（1）數(shù)據(jù)矩陣建立。通過向5位專家函詢的方式讓專家們按照層次分析法中的1～9標(biāo)度法把B層中的每個(gè)要素即B1，B2，B3，B4對A層指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，從而構(gòu)造出四階的判斷矩陣，如表1所示。

表1 B層判斷矩陣Table 1 Layer judgmentmatrix

（2）權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

采用方根法求解將先前建立的判斷矩陣A的B1，B2，B3，B4的特征向量 Wi(i=1,2,3,4)，即這四個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值和最大特征向量λmax，其計(jì)算步驟如下：

①計(jì)算A矩陣中每行元素的乘積：

②計(jì)算Mi的n次方根：

則 Wi=[W1，W2，W3，W4]T即為所求的特征向量即權(quán)重值。

④計(jì)算最大特征值：

⑤判斷矩陣一致性檢驗(yàn)：為了保證權(quán)重判斷的準(zhǔn)確性，還應(yīng)對矩陣的一致性系數(shù)CR進(jìn)行計(jì)算，并保證CR＜0.1，CR按式6及式7計(jì)算，RI取值見表2。

校驗(yàn)一致性系數(shù)CR=0.082 3＜0.1，判斷矩陣滿足一致性要求。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值Table 2 Average random consistency index RI

按照上述步驟，對福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)體系中各級指標(biāo)的判定矩陣進(jìn)行權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)，結(jié)果匯總?cè)绫?，一致性檢驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?，由表4可見各級指標(biāo)的判斷矩陣一致性系數(shù)CR均＜0.1，符合要求。

表3 福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重值Table3 Theweightoflightningdisasterrisk indexin Fujianprovince

表4 福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of judgmentmatrix consistency test of lightning disaster risk index in Fujian province

2 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

閃電定位系統(tǒng)主要探測的是云地閃，而人工觀測的數(shù)據(jù)是從雷聲辨別，一天內(nèi)聽到一次雷聲雷暴日就算一天，所以人工觀測所獲得雷暴日的數(shù)據(jù)不但包含云地閃，也包含云內(nèi)閃以及云際閃。為保障數(shù)據(jù)來源的科學(xué)性、真實(shí)性，本文對雷電密度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，具體處理方法如下：

（1）閃電定位系統(tǒng)所獲取雷電密度Ng和通過人工觀測所獲得雷暴日Ta的關(guān)系：

參照 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）[16]中雷電密度計(jì)算公式Ng=0.1Td（Ng為雷電密度，Td為雷暴日）引入人工觀測雷暴日與閃電定位系統(tǒng)所獲取的雷電密度的公式：

式中：Ngl為閃電定位系統(tǒng)所獲取雷電密度，Ta為通過人工觀測所獲得的雷暴日。將通過統(tǒng)計(jì)所得的福建省平均雷電密度2.37次/km2·a以及全省平均人工觀測雷暴日50.33 d代入式8可得系數(shù)K1為0.047,從而可得到基于閃電定位系統(tǒng)所獲得的雷電密度的雷暴日公式如下：

（2）閃電定位系統(tǒng)觀測雷暴日Tdl和通過人工觀測所獲得雷暴日Ta的關(guān)系：

引入閃電定位系統(tǒng)所獲取的雷暴日Tdl與通過人工觀測所獲得雷暴日Ta之間的關(guān)系公式：

式中：Ta為人工觀測雷暴日，Tdl為閃電定位系統(tǒng)觀測雷暴日。將通過統(tǒng)計(jì)所得的福建省全省平均人工觀測所獲取的雷暴日50.33 d以及通過閃電定位系統(tǒng)所觀測的全省平均雷暴日61.65 d代入式10可得系數(shù)K2為1.22，從而可得到基于人工觀測雷暴日的雷暴日公式如下：

為了綜合利用兩種不同觀測來源的雷暴日數(shù)據(jù)，將式9與式11的結(jié)果取平均值作為各縣市的修正后的雷暴日，如式12：

將福建省67個(gè)縣市的閃電定位數(shù)據(jù)帶入式12,計(jì)算修正后的雷暴日，并通過式GB50057-2010中地閃密度公式，獲得修正后的雷電密度值，具體數(shù)值見表5，將修正后的雷電密度值與閃電定位系統(tǒng)所計(jì)算出來的雷電密度值進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，擬合的效果較好，擬合系數(shù)為R2=0.920 7。

3 福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)數(shù)學(xué)公式，結(jié)合雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)概念框架，綜合考慮利用層次分析法算出來的各級指標(biāo)的權(quán)重，采用直接累加的方法算出三級、四級指標(biāo)的值，再采用乘積的方法將二級指標(biāo)進(jìn)行乘積，用乘積結(jié)果代表雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，具體方程如式13-18:

表5 修正后的福建省67個(gè)縣市的雷電密度 單位：次/km2·aTable 5 The lightning density of 67 counties and cities in Fujian province

以上公式中，LDRI為是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);VH、VE、VS、VR的值代表雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型中B層各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；wh、we、ws、wr是前文中確定的 B層各 指標(biāo)的 權(quán)重值 ；WH1、WH2、WE1、WE2、WE3、WS1、WS2、WS3、WR1、WR2相應(yīng)地代表 C 層各指標(biāo)的權(quán)重值；Ng為雷電密度；XH、XE1、XE2、XE3、XS1、XS2、XS3、XR1、XR2是C 層各指標(biāo)量化后的值；Wpi（i=1,2,3,4,5）、Xpi（i=1,2,3,4,5）分別為D層各指標(biāo)的權(quán)重值及量化后的值，將各指標(biāo)的權(quán)重值代入式(13)～(18)，得到式(19)～(24)，通過計(jì)算得到福建省各縣市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)果如表6所示：

表6 福建省各縣市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值Table 6 Lightning hazard value of counties and cities in Fujian province

利用聚類分析方法對福建省67個(gè)縣的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行分類，以平方歐氏距離作為樣本間判斷距離，采用質(zhì)心聚類分級方法，設(shè)分級數(shù)k＝5得出分類結(jié)果，見表7。

表7 福建省67個(gè)縣市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值分級結(jié)果Table 7 The lightning disaster risk value classification results of 67 counties and cities in fujian province

利用繪圖軟件surfer11.0繪制福建省的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，具體圖形見圖1。

圖1 福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖Figure 1 Lightning risk zoningmap of Fujian province

4 結(jié)論

(1)從分級的結(jié)果可以看出，福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值數(shù)量呈單峰型結(jié)構(gòu)，大部分縣市的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值被劃分到第2～4級。其中羅源、清流、明溪3個(gè)縣市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等級最高；華安、平潭、石獅三個(gè)縣市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等級最低。

(2)從福建省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖可以看出福建省全省存在清流、明溪一帶以及羅源兩個(gè)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)生區(qū)，南平北部、西部部分區(qū)域、三明西部部分區(qū)域、漳州中南部區(qū)域以及福州、莆田、泉州東部沿海一帶雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較低。

(3)由于閃電定位數(shù)據(jù)與雷暴日人工觀測的不同屬性體現(xiàn)出來的差異性，綜合以上兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，與現(xiàn)有的閃電定位數(shù)據(jù)的雷電密度進(jìn)行擬合獲得了比較好的相關(guān)系數(shù)。將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)作為最終雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值的指標(biāo)能充分利用兩種數(shù)據(jù)來源的優(yōu)勢。

(4)針對以上風(fēng)險(xiǎn)值相對較高的縣市，應(yīng)加大雷電防御工作的資金投入比例，且因地制宜的制定雷電災(zāi)害防御措施。對經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)、居民教育文化水平較高且雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值高的縣市應(yīng)加強(qiáng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估、新、改、擴(kuò)建建構(gòu)住物的防雷裝置設(shè)計(jì)審核、竣工驗(yàn)收和已安裝防雷裝置的建構(gòu)住物的防雷安全檢測等工作，杜絕雷電安全隱患；對位于經(jīng)濟(jì)相對落后、教育文化水平偏低但雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值高的縣市應(yīng)加強(qiáng)對群眾防雷知識的普及等工作，讓防雷科技知識家喻戶曉，才能最大程度的降低雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)概率。

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（責(zé)任編輯：葉麗娜）

Lightning Disaster Risk Zoning Based on Analytic Hierarchy Process in Fujian Province

ZHANG Lei1,TUWeiyun2,LITiancheng1,SUN Cailiang3,WANG Yingbo4

(1.Meteorological Bureau of Zhenghe County of Fujian Province,Zhenghe，F(xiàn)ujian 353600；2.The Fujian Province Meteorological Bureau of Nanping Yanping City District,Nanping,Fujian 353000;3.Meteorological Bureau of Fujian province Putian City,Nanping,Fujian 351100；3.The Fujian Province Meteorological Bureau of Nanping Yanping City District,Nanping,Fujian 353000；4.Fujian Lightning Protection Center,Fuzhou,Fujian 350001)

Based on the data of observation of annual thunderstorm from 1961 to 2010 provided by Fujian Provincial Meteorological Bureau and the lightning location and disaster data during 2006-2010 in Fujian,this paper analyzes the lightning risk and locations in Fujian Province.Four indicators including environmental sensitivity,vulnerability of hazard bearing body,disaster prevention and mitigation are chosen for the analysis and calculation of thunder and lightning disaster risk zoning in Fujian province.The present results show thathigh lightning risk areas in Fujian aremainly concentrated in the area of Qingliu,Mingxiand Luoyuan,and low risk of lightning value areas aremainly located in the north of Nanping,west part of Sanming,southern partof Zhangzhou and and coastal area.

lightning disaster;analytic hierarchy process;risk division;Fujian province

P429

A

1674－2109(2017)09－0053－07

2017-05-22

張雷（1983-），男,漢族，工程師，主要從事雷電及氣象相關(guān)的研究。