玉溪市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究*

朱 涯， 魯韋坤， 余凌翔， 朱 勇 ， 胡雪瓊※

(1.云南省大氣探測技術(shù)保障中心,昆明 650034， 2.云南省氣候中心,昆明 650034)

0 引言

雷電災(zāi)害是指雷雨云中的電能釋放，擊中物體或因形成的強烈電磁輻射而造成損失的災(zāi)害現(xiàn)象，通常由于云地閃造成，即發(fā)生在云體與地面之間的大氣放電現(xiàn)象，也稱地閃。雷電災(zāi)害是聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一[1]。雷電災(zāi)害的涉及面廣、突發(fā)性強、災(zāi)害范圍大，影響深遠，得到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-3]。

玉溪地處低緯高原，屬中亞熱帶半濕潤季風(fēng)氣候，境內(nèi)山脈縱橫，河湖眾多，山地、峽谷、湖泊、盆地相間，海拔高低懸殊，地貌極其復(fù)雜，氣候類型多樣。特殊的地理氣候環(huán)境致使玉溪為雷電災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，玉溪也是云南傳統(tǒng)煙區(qū)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟均較發(fā)達，一旦發(fā)生雷擊災(zāi)害，造成的損失較大，雷電災(zāi)害風(fēng)險受到各相關(guān)部門的重視。

近年來，隨著閃電定位系統(tǒng)的使用，雷電活動的研究進入新的階段，與常規(guī)雷暴觀測資料相比，閃電定位資料具有高時間分辨率和空間分辨率的優(yōu)勢，得到廣泛的使用[2， 4-6]。目前已有一些針對云南地區(qū)的雷電活動規(guī)律及分布特征、災(zāi)害風(fēng)險方面的研究成果，但多使用雷電人工觀測資料，該數(shù)據(jù)不夠規(guī)范客觀[7]； 隨著風(fēng)險分析理論的成熟和應(yīng)用，風(fēng)險分析也被引入雷電等災(zāi)害風(fēng)險評價，并取得了不少成果[8-16]。

文章基于閃電定位儀的雷電監(jiān)測資料，引入風(fēng)險評估理論，采用ArcGIS 空間分析技術(shù)，對玉溪地區(qū)雷電風(fēng)險進行精細化分析，以期得出有借鑒價值的研究結(jié)論。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料

采用2010～2014年玉溪市閃電定位儀所獲取的雷電資料； 地理信息數(shù)據(jù)為玉溪市數(shù)字地面高程(DEM)、行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)； 社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)為玉溪市統(tǒng)計年鑒中的各市縣的面積、人口等社會經(jīng)濟資料； 歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)來自災(zāi)害普查數(shù)據(jù)庫災(zāi)情數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除各指標(biāo)的量綱差異，對每一個指標(biāo)值進行歸一化處理，各個指標(biāo)歸一化計算公式為：

(1)

式(1)中，vij是j站(格點)第i個指標(biāo)的歸一化值；dij是j站(格點)第i個指標(biāo)的值；dimax是第i個指標(biāo)的最大值；dimin是第i個指標(biāo)的最小值。

1.2.2 自然災(zāi)害風(fēng)險分析方法

該文依據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險分析原理，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體3個方面分析雷電風(fēng)險。

雷電致災(zāi)因子危險性由歸一化后的地閃密度和地閃強度等權(quán)重集合而成。采用閃電定位儀所獲取的雷電資料，考慮地閃密度和地閃強度兩個因子，地閃密度是指每年每平方千米的地閃數(shù)[單位：次/(km2·年)]，對每個網(wǎng)格的地閃密度分別統(tǒng)計，可反映該網(wǎng)格點遭受雷電災(zāi)害的頻次大小。地閃強度統(tǒng)計每個網(wǎng)格內(nèi)的平均地閃強度(kA)。

孕災(zāi)環(huán)境考慮高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差、土地利用情況。地勢越高、高差越大，越容易孕育雷災(zāi)。土地利用類型不同，雷電風(fēng)險也不同：河邊、湖邊、海邊、低洼地區(qū)和地下水位高的地方，都是容易遭受雷擊的地方，比較空曠的地方有突出物體也易發(fā)生雷擊[8]。高程標(biāo)準(zhǔn)差的計算：

設(shè)有一組數(shù)：x1，x2…，xn，標(biāo)準(zhǔn)差σ的計算公式為：

(2)

孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險：

ev=h×0.25+σ×0.25+lan×0.5

(3)

式(3)中，ev為孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險；h為高程；σ為地形標(biāo)準(zhǔn)差；lan為土地利用賦值；高程、地形標(biāo)準(zhǔn)差均已進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

承災(zāi)體風(fēng)險使用人口密度來評價，人口密度大的地方，出現(xiàn)雷擊造成的損失也越大，采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的夜間燈光亮度反衍出的人口密度pd。

根據(jù)風(fēng)險評估理論，綜合考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體3方面的因素，構(gòu)建雷電災(zāi)害綜合風(fēng)險區(qū)劃指標(biāo)：

risk=re×0.5+ev×0.4+pd×0.1

(4)

式(4)中，risk為雷電災(zāi)害綜合風(fēng)險指標(biāo);re為致災(zāi)因子風(fēng)險;ev為孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險;pd為人口密度風(fēng)險。

1.2.3 精細化計算方法

通過GIS平臺，將玉溪市劃分成0.01°×0.01°的網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格的災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)各因子進行計算，各分項指標(biāo)采用加權(quán)綜合評價法得到雷電災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，并在GIS 平臺中利用自然斷點分級法劃分雷電災(zāi)害風(fēng)險為不同等級。

1.2.4 等級劃分方法

目前，自然斷點法被較多的應(yīng)用到區(qū)劃的等級劃分中，自然斷點法基于數(shù)據(jù)中固有的差異，進行最恰當(dāng)?shù)胤纸M，并可使各個類之間的差異最大化，是一種較客觀的分類方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 致災(zāi)因子危險性分析

雷電致災(zāi)因子危險性考慮了地閃密度和地閃強度2個因子，反映該網(wǎng)格點遭受雷電災(zāi)害的頻次大小及強度。按自然斷點法劃分各因子等級(圖1～2)。從圖1可見，玉溪的雷電密度在紅塔區(qū)北部、江川西北部、易門東北部、峨山中部、澄江北部、華寧中部等為高值區(qū)，雷電密度10～27次/(km2·年)，新平、元江中部則雷電密度較低，不足4次/(km2·年)。從地閃密度的分布來看，玉溪市雷暴多發(fā)區(qū)與地形及地面覆蓋物有關(guān)，水域周圍或山體向陽坡地、東向坡地地閃密度較大。

從圖2可看出，雷電強度則呈現(xiàn)大致相反的趨勢：新平、元江平均雷電強度較高，達35～76kA，易門東部、峨山、紅塔區(qū)、江川、澄江、華寧等市大部平均雷電強度較低，不足30.0kA。

由歸一化后的地閃密度和地閃強度等權(quán)重集合計算雷電致災(zāi)因子風(fēng)險，雷電致災(zāi)因子風(fēng)險分布情況(圖3)顯示：雷電致災(zāi)因子風(fēng)險在紅塔區(qū)中北部、易門北部、江川西北部、峨山西部、通海西部、澄江北部等地很高； 而在易門大部、峨山大部、紅塔區(qū)大部、江川西部、澄江大部、華寧中部等較高； 新平、元江、華寧南部等則雷電致災(zāi)因子風(fēng)險較低。

2.2 孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險

孕災(zāi)環(huán)境考慮高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差、土地利用情況。地勢越高、高差越大，越容易孕育雷災(zāi)。土地利用類型不同，雷電風(fēng)險也不同：河邊、湖邊、海邊、低洼地區(qū)和地下水位高的地方，都是容易遭受雷擊的地方，比較空曠的地方有突出物體也易發(fā)生雷擊。

圖1 玉溪市雷電密度分布情況 圖2 玉溪市雷電強度分布情況

圖3 玉溪市雷電致災(zāi)因子風(fēng)險分布情況 圖4 玉溪市高程標(biāo)準(zhǔn)差分布情況

圖5 玉溪市土地利用風(fēng)險分布情況 圖6 玉溪市雷電孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險分布情況

圖7 玉溪市人口密度分布 圖8 玉溪市雷電綜合風(fēng)險區(qū)劃

高程標(biāo)準(zhǔn)差的計算結(jié)果見圖4，玉溪各地高程標(biāo)準(zhǔn)差變化較大，近0～700m，中東部高程標(biāo)準(zhǔn)差較小，西南部元江河谷一帶地形起伏劇烈，高程標(biāo)準(zhǔn)差較大，因而由于高程標(biāo)準(zhǔn)差導(dǎo)致的孕災(zāi)環(huán)境雷電風(fēng)險在新平、元江縣的河谷地帶的西部很高； 在新平、元江兩縣的大部區(qū)域均較高； 在紅塔區(qū)、江川、通海北部、峨山西南部等地勢平緩地帶最低。

因玉溪高程的不同而導(dǎo)致的雷電風(fēng)險各地也不同。玉溪市西部邊緣、易門中部、紅塔區(qū)北部、華寧中部、澄江北部等較高海拔地區(qū)雷電孕災(zāi)風(fēng)險較高，而新平中部、元江中部等河谷地帶孕災(zāi)風(fēng)險較小。

玉溪全市土地利用類型多樣，有丘陵、草地、林地、水田等多種類型，土地類型不一，雷電風(fēng)險也不一樣，河邊、湖邊、海邊、低洼地區(qū)和地下水位高的地方，都是容易遭受雷擊的地方，比較空曠的地方有突出物體也易發(fā)生雷擊，因此對不同的土地利用類型導(dǎo)致的雷電風(fēng)險進行賦值(表1)，并對玉溪境內(nèi)土地利用賦值格點化(圖5)，可見元江河谷地帶、撫仙湖及星云湖等水域附近均為高風(fēng)險區(qū)，易門、峨山、華寧多為旱地、灌木林、草地，風(fēng)險中等略高； 新平西部及南部、元江大部多林地，風(fēng)險中等略低； 紅塔區(qū)等城鎮(zhèn)用地雷電風(fēng)險最低。

表1 土地利用類型風(fēng)險賦值(lan)

類型lan類型lan丘陵旱地0 8灘地0 8丘陵水田1 0灌木林0 7中覆蓋度草地0 8疏林地0 7低覆蓋度草地0 8裸土地0 8其他建設(shè)用地0 5裸巖石礫地0 8其他林地0 6高覆蓋度草地0 8農(nóng)村居民點0 6水庫坑塘1 0坡旱地0 8永久性冰川雪地1 0城鎮(zhèn)用地0 5河渠1 0山地旱地0 8湖泊1 0山地水田1 0平原水田1 0平原旱地0 8有林地0 6

表2 2003～2015年玉溪各縣發(fā)生雷電災(zāi)害次數(shù)

縣名雷電次數(shù)縣名雷電次數(shù)澄江6通海13峨山2新平5紅塔4易門2華寧6元江0江川21

孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險綜合考慮高程、地形標(biāo)準(zhǔn)差、土地利用情況，計算結(jié)果見圖6，玉溪市雷電孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險在西部邊緣、元江東南部、易門南部、峨山北部、紅塔區(qū)中部、撫仙湖及星云湖等水域附近、華寧中部最高； 新平中南部、元江北部及西部、紅塔區(qū)西部等雷電孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險較低。

2.3 承災(zāi)體風(fēng)險

承災(zāi)體風(fēng)險使用人口密度來評價，人口密度大的地方，出現(xiàn)雷擊造成的損失也越大，該文采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的夜間燈光亮度反衍出的人口密度pd。

人口密度分布圖(圖7)顯示玉溪市人口密度大、雷電災(zāi)損風(fēng)險高的地方主要在紅塔區(qū)中部城區(qū)、通海北部、江川中部、澄江中部等人口密集區(qū)域。

2.4 雷電災(zāi)害綜合風(fēng)險區(qū)劃

綜合考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體3方面的因素，計算玉溪市雷電綜合風(fēng)險，采用自然斷點法，把玉溪雷電風(fēng)險分為4級，結(jié)果表明：高風(fēng)險區(qū)主要位于澄江中南部、江川中部、紅塔區(qū)中部、通海中部、華寧局部等區(qū)域； 低風(fēng)險區(qū)主要位于元江大部、新平中南部、華寧西南部等區(qū)域； 中風(fēng)險區(qū)的分布與低風(fēng)險區(qū)大致一致，緊鄰低風(fēng)險區(qū)外圍； 次高風(fēng)險區(qū)主要出現(xiàn)在高風(fēng)險區(qū)外圍，此外易門、峨山、新平的東西兩側(cè)次高風(fēng)險分布面積也較大。

根據(jù)玉溪市2003～2015年各縣發(fā)生雷電災(zāi)害的次數(shù)統(tǒng)計(表2)，江川、通海災(zāi)情次數(shù)最多，華寧、澄江次之，峨山、紅塔、新平、易門較少，元江最少，未出現(xiàn)災(zāi)情記錄。雷電災(zāi)情統(tǒng)計結(jié)果與風(fēng)險區(qū)劃分布趨勢大致吻合。

3 結(jié)論

(1)該文采用最新的閃電定位儀資料，分析了云南滇中代表地玉溪市的雷電風(fēng)險。

(2)該文應(yīng)用災(zāi)害風(fēng)險分析理論，系統(tǒng)分析了云南雷電災(zāi)害的致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體與災(zāi)害形成的關(guān)系，構(gòu)建了包含地閃密度和地閃強度、高程、地形標(biāo)準(zhǔn)差、土地利用情況、人口密度等因子的多層次結(jié)構(gòu)的雷電災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，對玉溪雷電風(fēng)險進行了精細化區(qū)劃。

(3)玉溪市雷電災(zāi)情的驗證表明該文所用數(shù)據(jù)及方法符合實際，能應(yīng)用于玉溪地區(qū)的雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。

(4)該文分析結(jié)果表明，玉溪雷電災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)主要位于澄江中南部、江川中部、紅塔區(qū)中部、通海中部、華寧局部等區(qū)域； 低風(fēng)險區(qū)主要位于元江大部、新平中南部、華寧西南部等區(qū)域。

(5)雷電災(zāi)害的成因較為復(fù)雜，該文因子的選取、權(quán)重的取值等不能保證是最優(yōu)的，均需隨著觀測數(shù)據(jù)系列的延長、技術(shù)的進步再進一步訂正。

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