廣州市雷電災(zāi)害易損性分析評(píng)估和易損度區(qū)劃

張春燕，鐘博宏，張宇飛

(廣州市氣象公共服務(wù)中心，廣州 511400)

廣州市雷電災(zāi)害易損性分析評(píng)估和易損度區(qū)劃

張春燕，鐘博宏，張宇飛

(廣州市氣象公共服務(wù)中心，廣州 511400)

基于廣州市2013—2015年閃電監(jiān)測(cè)資料和2010—2015年雷電災(zāi)害資料，分析了雷擊大地密度的空間分布和雷電災(zāi)害頻度特征；并結(jié)合廣州市人口密度、GDP等特征，選取雷擊大地密度NG、雷電災(zāi)害頻度P、生命易損模數(shù)L和經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)D這4個(gè)參數(shù)作為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，利用層次分析法確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重，建立了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方程式，對(duì)廣州市雷電災(zāi)害易損性進(jìn)行分析，從而形成雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃。結(jié)果表明:天河為極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，海珠、蘿崗、番禺和花都為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，越秀、荔灣、黃埔和白云為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，從化、增城和南沙為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。研究結(jié)果可為廣州市雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃提供技術(shù)支撐。

雷電災(zāi)害；評(píng)估指標(biāo)；層次分析；易損度區(qū)劃；廣州

廣州地處珠江三角洲核心區(qū)域，屬于丘陵地帶，亞熱帶季風(fēng)氣候。據(jù)2008—2012年廣東省雷電災(zāi)害分布統(tǒng)計(jì)[1]，廣州發(fā)生雷電災(zāi)害共502起，在粵排名第二；人員傷亡數(shù)位列第1，其中有20人死亡、14人受傷；造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到2 916.19萬(wàn)元，居粵之首。因此，從災(zāi)害易損性角度出發(fā)，對(duì)廣州市雷電災(zāi)害進(jìn)行易損性分析評(píng)估和易損度區(qū)劃，同時(shí)考慮致災(zāi)體雷電和承災(zāi)體人類社會(huì)兩方面，將災(zāi)害防御管理提高到風(fēng)險(xiǎn)管理的程度，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)意義。

近年來(lái)，雷電防御科研人員在雷電災(zāi)害易損性分析評(píng)估與區(qū)劃方面取得了不少有意義的研究成果。李家啟等[2]分析了重慶市雷電災(zāi)害的易損性，形成重慶市雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃。嚴(yán)春銀[3]對(duì)江西省雷災(zāi)易損性進(jìn)行綜合評(píng)估，形成江西省雷災(zāi)易損性區(qū)劃。呂海勇等[4]基于GIS技術(shù)，從不同側(cè)面研究了廣東省雷電災(zāi)害易損性與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。馬遠(yuǎn)飛等[5]利用雷暴日、雷災(zāi)資料，對(duì)延安市雷電災(zāi)害進(jìn)行了易損性分析及易損度區(qū)劃。在前人的研究中，綜合易損度的計(jì)算沒(méi)有考慮各指標(biāo)的權(quán)重差別，而災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵是合理確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重[6]。確定指標(biāo)權(quán)重的方法目前主要有“經(jīng)驗(yàn)法”、“專家打分”和“層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)”。扈海波等[7]認(rèn)為，AHP適用于城市氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，個(gè)例應(yīng)用也表明該方法確定的權(quán)重值能保證評(píng)估結(jié)果的合理性和正確性。采用AHP確定雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重，建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，分析了廣州市雷電災(zāi)害易損性和易損度區(qū)劃，為預(yù)防、減少區(qū)域的雷電災(zāi)害提供理論和技術(shù)支持。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

2013—2015年閃電資料來(lái)源于粵港澳閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，包括：閃電出現(xiàn)的時(shí)間、經(jīng)緯度，雷電流強(qiáng)度，雷電閃型。雷電災(zāi)害資料記錄了雷電災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和受損情況等。雷電災(zāi)害資料來(lái)源于廣州市各轄區(qū)的雷電災(zāi)害報(bào)告，由廣州市防雷減災(zāi)管理辦公室提供，資料年限為2010—2015年。人口和經(jīng)濟(jì)特征資料來(lái)自廣州市統(tǒng)計(jì)局2016年發(fā)布的普查數(shù)據(jù)。

廣州市現(xiàn)轄11個(gè)行政區(qū)，由于統(tǒng)計(jì)資料是將黃埔區(qū)和蘿崗區(qū)分開(kāi)統(tǒng)計(jì)的，因此仍將黃埔、蘿崗分開(kāi)，按12個(gè)區(qū)(越秀、天河、海珠、荔灣、蘿崗、黃埔、從化、增城、番禺、南沙、白云和花都)統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 資料處理和計(jì)算方法

通過(guò)深入研究致災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三方面特征來(lái)合理選取災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。首先，采用AHP確定指標(biāo)權(quán)重，建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，進(jìn)而分析廣州市雷電災(zāi)害易損性和易損度區(qū)劃。通過(guò)比對(duì)分析，選取雷擊大地密度(NG)、雷電災(zāi)害頻度(P)、生命易損模數(shù)(L)、經(jīng)濟(jì)(GDP)易損模數(shù)(D)等4個(gè)指標(biāo)分析評(píng)估廣州市雷電災(zāi)害易損性。

2 雷電災(zāi)害易損性分析

2.1 雷電災(zāi)害易損性概念

雷電災(zāi)害易損性是指人身財(cái)產(chǎn)受到雷電損害的程度，致災(zāi)體是雷電，承災(zāi)體是地面上的人和物，它反映了人身財(cái)產(chǎn)在遭受雷電襲擊時(shí)的脆弱性。災(zāi)害的發(fā)生是由致災(zāi)體的危險(xiǎn)性和承災(zāi)體的脆弱性共同決定的[8]。致災(zāi)體是客觀存在的，要人為改變非常困難，而承災(zāi)體受損害程度，除了與致災(zāi)體有關(guān)外，還與人為因素作用有關(guān)，同種強(qiáng)度的同一災(zāi)種在不同承災(zāi)體上造成的損害程度是不相同的。對(duì)于雷電這種致災(zāi)因子，目前的科技水平還無(wú)法消除，但可通過(guò)防御措施來(lái)減少損失。因此，通過(guò)增強(qiáng)承災(zāi)體的承受能力，降低易損性，是減輕雷電損害的關(guān)鍵。

2.2 雷電災(zāi)害易損性評(píng)估指標(biāo)

采用4個(gè)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)：雷擊大地密度NG、雷電災(zāi)害頻度P、生命易損模數(shù)L、直接經(jīng)濟(jì)(GDP)易損模數(shù)D。其中，雷擊大地密度(NG=N/S，單位為次·km-2·a-1，N為地閃次數(shù)，S為區(qū)域面積)是指每年每平方公里雷擊大地的次數(shù)，該指標(biāo)表征了雷電活動(dòng)的頻繁程度；雷電災(zāi)害頻度(P=N/n，單位為次·a-1，N為雷電災(zāi)害的總次數(shù)，n為年數(shù))是指年平均雷電災(zāi)害次數(shù)，該指標(biāo)表示過(guò)去一段時(shí)期內(nèi)發(fā)生雷電災(zāi)害的情況；生命易損模數(shù)(L=Ls/S，單位為人·km-2，Ls為常住人口，S為面積)表示發(fā)生雷電災(zāi)害時(shí)單位面積上受危害的人口數(shù)量，該指標(biāo)反映了生命對(duì)雷電災(zāi)害的敏感度；經(jīng)濟(jì)易損模數(shù)(D=Ds/S，單位為萬(wàn)元·km-2，Ds為所選區(qū)域GDP生產(chǎn)總值，S為區(qū)域面積)表示發(fā)生雷電災(zāi)害時(shí)單位面積上的直接經(jīng)濟(jì)損失。

3 地閃密度空間分布和雷電災(zāi)害頻度特征

3.1 雷擊大地密度空間分布特征

廣州地形復(fù)雜，地勢(shì)自北向南降低，東北部為中低山區(qū)，中部為丘陵盆地，南部為沿海沖積平原。圖1給出了2013—2015年廣州雷擊大地密度空間分布圖。由圖1可見(jiàn)，雷擊大地密度空間分布具有明顯的區(qū)域性。雷擊大地密度大值區(qū)偏西，主要位于廣州中心城區(qū)以及白云、花都的部分區(qū)域，其中最大值在越秀區(qū)(31.81次·km-2·a-1)；最小值在從化區(qū)(7.99次·km-2·a-1)；廣州地閃年平均值17.61次·km-2·a-1。廣州雷擊大地密度出現(xiàn)這樣的分布狀況，與城市粗糙度增大造成氣流流經(jīng)城市上空的阻滯和抬升，以及夏季影響廣州的天氣系統(tǒng)大多是自西面或西南面東移的天氣系統(tǒng)有關(guān)，氣流在西面、西南面遇城市粗糙下墊面，造成氣流抬升而增強(qiáng)了對(duì)流，從而使該區(qū)域閃電密度大于其它地區(qū)[9]。

圖1 2013—2015年廣州市雷擊大地密度空間分布特征(單位：次·km-2·a-1)

3.2 雷電災(zāi)害頻度特征

圖2為2010—2015年廣州市各行政區(qū)雷電災(zāi)害事故、直接經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡比例。由圖2可知，2010—2015年期間，廣州市有具體地址記錄的雷電災(zāi)害事故共發(fā)生352起(其中造成人員傷亡18起)，花都區(qū)發(fā)生雷電災(zāi)害事故最多，達(dá)到19.7次·a-1；其次為番禺區(qū)(13次·a-1)；雷電災(zāi)害事故最少的區(qū)域是荔灣和增城區(qū)，均只有0.8次·a-1。經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重的同樣為花都區(qū)和番禺區(qū)，分別占總損失的31%和21.3%；經(jīng)濟(jì)損失最低的則是越秀區(qū)，占總損失的0.5%。人員傷亡主要發(fā)生在白云區(qū)(6次)和番禺區(qū)(4次)，分別占人員傷亡總數(shù)的33.3%和22.2%。

表1給出了2010—2015年廣州市各行政區(qū)年度雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)情況。2012年之前，從化、增城、番禺雷電災(zāi)害出現(xiàn)較多，2012年后花都區(qū)雷電災(zāi)害突增。通過(guò)對(duì)比表1與圖1可以看出，雷電災(zāi)害頻度分布與地閃空間分布并不成明顯的比例關(guān)系，說(shuō)明雷電災(zāi)害的發(fā)生，不僅與自然界雷電活動(dòng)分布有關(guān)系，也與承災(zāi)體特征(如：建筑規(guī)模、人口密度、雷電防護(hù)情況等)有關(guān)。

圖2 2010—2015年廣州市各行政區(qū)雷電災(zāi)害比例圖

行政區(qū)2010年2011年2012年2013年2014年2015年合計(jì)越秀區(qū)1410006天河區(qū)3121018海珠區(qū)2110228荔灣區(qū)2210005蘿崗區(qū)197135237黃浦區(qū)29000011從化區(qū)131052101151增城區(qū)2300005番禺區(qū)201519611778南沙區(qū)101000011白云區(qū)15111514花都區(qū)81224372017118

4 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

參考樊運(yùn)曉等[6]的研究，采用AHP，先利用選定的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)得到指標(biāo)體系矩陣Q，再計(jì)算出指標(biāo)權(quán)重W，即可得到雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型R=W·Q。

利用選定的4個(gè)廣州市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)得到指標(biāo)體系矩陣Q=[NGPLD]。在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重W時(shí)，首先，按照Saaty標(biāo)度方法[6],建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估判斷矩陣T，判斷矩陣T及權(quán)重分布見(jiàn)表2；其次，對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。利用Matlab計(jì)算得出：判斷矩陣T的最大特征值λ=4.051，特征向量(即指標(biāo)權(quán)重)W=[0.472 85 0.284 38 0.169 92 0.072 85]T，一致性指標(biāo)CR=(4.05 11-4)/3=0.017。由于CRlt;0.1，判斷矩陣T通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。將計(jì)算得到的W和Q代入雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中，即可得到廣州市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

R=0.472 85NG+0.284 38P+
0.169 92L+0.072 85D。

(1)

表2 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估判斷矩陣T及權(quán)重分布

注：B1、B2、B3、B4分別代表雷擊大地密度、雷電災(zāi)害頻度、生命損失模數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失模數(shù)。

5 雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃

雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃的第一步是計(jì)算雷電災(zāi)害易損性分析指標(biāo)，即：以廣州市12個(gè)行政區(qū)為基本分析單元，根據(jù)閃電定位資料計(jì)算各區(qū)年平均雷擊大地密度NG；根據(jù)雷災(zāi)資料計(jì)算各區(qū)雷電災(zāi)害頻度P；再結(jié)合GDP、人口和國(guó)土面積資料，計(jì)算各行政區(qū)的生命易損模數(shù)L和直接經(jīng)濟(jì)損失模數(shù)D。表3為計(jì)算得到的廣州市各行政區(qū)雷電災(zāi)害易損性分析指標(biāo)值，主要體現(xiàn)了各行政區(qū)發(fā)生雷電災(zāi)害時(shí)在不同方面可能造成的損失量大小。

表3給出的各行政區(qū)雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)值無(wú)法體現(xiàn)出每個(gè)行政區(qū)總體的雷電災(zāi)害易損性大小。為了體現(xiàn)雷電災(zāi)害易損性大小的總體性，并方便比較，將雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)分成極高、高、中、低4個(gè)級(jí)別，按照災(zāi)害學(xué)通常方法，結(jié)合廣州市雷電災(zāi)害實(shí)情，賦予各等級(jí)如下的定值：極高為1.0、高為0.8、中為0.5、低為0.2[10-12]。通過(guò)參照已有的雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[11-13],即將每個(gè)指標(biāo)值從小到大排列，分成四組，每組3個(gè)記錄，將第n(n=1，2，3)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(jí)的最大值和第n+1級(jí)的最小值，制定廣州市雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表4)。

表3 廣州市各行政區(qū)域雷電災(zāi)害易損性分析指標(biāo)值

表4 廣州市雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

按照表4給出的雷電災(zāi)害易損性指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)判斷各行政區(qū)每個(gè)指標(biāo)所屬的等級(jí)并賦予相應(yīng)的等級(jí)指標(biāo)值，再將某個(gè)行政區(qū)的4個(gè)指標(biāo)的等級(jí)指標(biāo)值帶入雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方程式(1)，則可計(jì)算出該行政區(qū)雷電災(zāi)害易損度R(表5)。從表5可以看出：雷擊大地密度較大的區(qū)域有越秀、天河、荔灣等中心城區(qū)；雷電災(zāi)害頻度較高的區(qū)域在從化、番禺、花都等郊區(qū)；生命易損指數(shù)較高的是天河、海珠和白云；經(jīng)濟(jì)易損指數(shù)較高的區(qū)域是天河、番禺和花都；雷電災(zāi)害易損度較高的地區(qū)既有雷暴活動(dòng)頻繁區(qū)域(天河、海珠、蘿崗)，也有金融中心或人口密度較高的區(qū)域(天河、海珠、番禺、花都)。

表5 廣州市各行政區(qū)域雷電災(zāi)害易損度評(píng)估結(jié)果

同樣采用4級(jí)分區(qū)法，將12個(gè)行政區(qū)的雷電災(zāi)害易損度的評(píng)估結(jié)果劃分為雷電災(zāi)害極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)4個(gè)等級(jí)，各等級(jí)雷電災(zāi)害綜合易損度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：低易損區(qū)(R≤0.50)，中易損區(qū)(0.50lt;R≤0.61)，高易損區(qū)(0.61lt;R≤0.74)，極高易損區(qū)(Rgt;0.74)，最終得到廣州市雷電災(zāi)害易損性區(qū)劃結(jié)果，如表6所示。

表6 廣州市雷災(zāi)易損性區(qū)劃結(jié)果

6 結(jié)論和討論

利用廣州市閃電和雷災(zāi)資料，分析了雷擊大地密度的空間分布和雷電災(zāi)害頻度特征，結(jié)合層次分析法建立了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方程式，對(duì)各行政區(qū)雷電災(zāi)害易損性進(jìn)行了分析與區(qū)劃，得出了以下結(jié)論和相關(guān)討論。

(1)廣州市地閃空間分布具有明顯的區(qū)域性，雷擊大地密度大值區(qū)偏西，主要位于廣州中心城區(qū)以及白云、花都的部分區(qū)域，其中最大值在越秀區(qū)(31.81次·km-2·a-1)，最小值在從化區(qū)(7.99次·km-2·a-1)，年平均值17.61次·km-2·a-1。

(2)2010—2015年期間，廣州市記錄具體地址的雷電災(zāi)害事故共發(fā)生352起，以花都區(qū)發(fā)生雷電災(zāi)害事故最多，達(dá)到19.7次·a-1，其次為番禺區(qū)(13次·a-1)；經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重的同樣為花都區(qū)和番禺區(qū)，分別占總損失的31%和21.3%；人員傷亡主要發(fā)生在白云區(qū)(6次)和番禺區(qū)(4次)，分別占人員傷亡總數(shù)的33.3%和22.2%。

(4)廣州市雷電災(zāi)害易損區(qū)可劃分為：天河為極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，海珠、蘿崗、番禺和花都為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，越秀、荔灣、黃埔和白云為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，從化、增城和南沙為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

(5)研究結(jié)果可為廣州市防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供參考，對(duì)城市防災(zāi)減災(zāi)有著重要的實(shí)際意義。但由于雷災(zāi)資料年限較短，樣本代表性有限，可能影響雷電災(zāi)害易損性區(qū)劃的可靠性；由于只選取了4個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)數(shù)量較少，也可能影響到區(qū)劃的可信度；另外,如何確定恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)權(quán)重,還有待進(jìn)一步研究。

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1006-4354(2017)06-0023-06

2017-06-16

張春燕(1983—)，女，漢族，江蘇淮安人，碩士，工程師，從事雷電監(jiān)測(cè)與防御、氣象公共服務(wù)工作。

廣東省氣象局科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2016B35)