基于ArcGIS的新疆雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究

王延慧，張建濤，葉文軍，黃曉露，錢 勇，周 斌

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，新疆 烏魯木齊830002）

雷電是雷暴云中發(fā)生的劇烈放電現(xiàn)象，破壞力巨大，是一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣[1]。雷電災(zāi)害是全球發(fā)生頻率高、影響嚴(yán)重的災(zāi)害類型，雷電常造成人員傷亡、農(nóng)田受災(zāi)、漁業(yè)損失，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球平均每分鐘發(fā)生雷暴天氣達(dá)兩千次，每年雷電災(zāi)害造成數(shù)萬人身傷亡案例，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億美元。隨著高新技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是電子技術(shù)，雷電對電子信息系統(tǒng)的危害越來越嚴(yán)重，造成的損失和影響也越來越大，雷電災(zāi)害已被國際電工委員會(huì)（IEC），稱為“電子時(shí)代的一大公害”[2]。

為了減輕雷電災(zāi)害造成的損失，需要了解區(qū)域雷電活動(dòng)規(guī)律以及雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布情況。災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)始于20 世紀(jì)30 年代，由美國田納西河流域管理局提出洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論方法[3]。隨著風(fēng)險(xiǎn)分析理論的成熟和應(yīng)用，風(fēng)險(xiǎn)分析也被引入雷電等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。近年來，我國氣象學(xué)者在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃方面進(jìn)行了諸多研究。徐瑞利[4]、朱涯[5]、吳安坤[6-7]、黃肖寒[8]、張雷[9]、程萌[10]、顧麗華[11]、程向陽[12]、程麗丹[13]等眾多學(xué)者基于風(fēng)險(xiǎn)分析理論，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、承災(zāi)體、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力分布等特點(diǎn)若干個(gè)方面入手，采用雷暴日、雷電、地理信息及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建雷電綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，得到了魯東南山區(qū)、玉溪市、貴州省、河池市、福建省、菏澤市、德清縣和安徽省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

目前國內(nèi)各省已經(jīng)相繼開展了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型的研究，但新疆地區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究卻相對缺乏，由于地域差異，現(xiàn)有的評(píng)價(jià)模型、方法不適宜高海拔地區(qū)。新疆地理?xiàng)l件復(fù)雜，地形起伏很大，山脈與盆地相間排列盆地與高山環(huán)抱[14-15]，受地理地形等因素影響，夏季午后至傍晚最易發(fā)生強(qiáng)烈的對流天氣過程，并伴隨著閃電活動(dòng)。閃電不僅干擾通訊系統(tǒng)、電力設(shè)施和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的安全運(yùn)行，有時(shí)還擊毀石油化工設(shè)施，造成人畜傷亡，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)和人民的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的危害。為避免和減少因雷電而造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，本文利用新疆地閃、雷電災(zāi)情、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及地理信息數(shù)據(jù)，對新疆地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和區(qū)劃研究，以期為新疆的防雷安全監(jiān)管、雷電監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)和防雷減災(zāi)提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說明

地閃資料來源于新疆2013 年1 月1 日00：00（北 京 時(shí) 間BT）—2017 年12 月31 日00：00 的ADTD 地閃定位監(jiān)測系統(tǒng)的探測資料，新疆閃電定位監(jiān)測網(wǎng)于2011 年7 月—2012 年11 月安裝完成，至今共布設(shè)了49 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)（圖1），探測范圍可覆蓋新疆全境及周邊地區(qū)，布設(shè)基線距離300 km，可以提供每次雷擊的時(shí)間、經(jīng)緯度、雷電流幅值、陡度和定位方式等參數(shù)[16]；雷電災(zāi)情資料來源于新疆氣象局統(tǒng)計(jì)上報(bào)的2005—2017 年各縣市雷電災(zāi)害次數(shù)、傷亡人口和經(jīng)濟(jì)損失數(shù)據(jù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料來源于新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局編著的《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒2017》中2016年各縣地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）、年末耕地面積、土地面積和年末人口等數(shù)據(jù)[17]；地理信息資料來源于從新疆氣象局科技預(yù)報(bào)處申請的2016 版新疆縣級(jí)以上行政區(qū)劃及邊界矢量數(shù)據(jù)、2008 年新疆90m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)和2010 年新疆30 m 分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)。

圖1 地閃定位監(jiān)測站點(diǎn)

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 地閃資料處理方法

從地閃定位系統(tǒng)監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)中分別提取了地閃的發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度及電流強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。首先，剔除了疆外無意義的數(shù)據(jù)；其次，剔除雷電流幅值為0～2 kA 和200 kA 以上的地閃的數(shù)據(jù)[18]；最后，將前后時(shí)間隔間在0.5 s 內(nèi)和距離＜10 km 的多次回?fù)暨^程，歸為一次閃電[19-20]，同時(shí)把繼后回?fù)魟h除，將首次回?fù)舯Ａ粝聛淼馁Y料作為該次閃電的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.2 歸一化處理方法

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估用到多類指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合，為了消除各指標(biāo)的量綱差異，對每一個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理。歸一化是將有量綱的數(shù)值經(jīng)過變換，化為無量綱的數(shù)值，進(jìn)而消除各指標(biāo)的量綱差異。計(jì)算公式為：

式中Dij是j 站（格）點(diǎn)第i 個(gè)指標(biāo)的歸一化值；Aij是j 站（格）點(diǎn)第i 個(gè)指標(biāo)值；maxi、mini分別是第i個(gè)指標(biāo)值中的最大值和最小值。

1.2.3 加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法

各評(píng)價(jià)因子指數(shù)的計(jì)算采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法[21]，它是綜合考慮各個(gè)指標(biāo)對總體對象（因子）的影響程度，采用以下計(jì)算公式：

式中：Vj是評(píng)價(jià)因子的總值，Wi是指標(biāo)i 的權(quán)重，Dij是對于因子j 的指標(biāo)i 的歸一化值，n 是評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.2.4 自然斷點(diǎn)法

自然斷點(diǎn)法（Jenks natural breaks method）是一種地圖分級(jí)算法。該算法認(rèn)為數(shù)據(jù)本身有斷點(diǎn)，可利用數(shù)據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)。算法原則是一個(gè)小聚類，聚類結(jié)束條件是組間方差最大、組內(nèi)方差最小。計(jì)算方法見式（3）：

式中：SSDi為方差；i、j 為第i、j 個(gè)元素；A 是長度為N 的數(shù)組；k 為i、j 中間的數(shù)，表示A 組中的第k 個(gè)元素。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃體系流程

本文基于自然災(zāi)害系統(tǒng)理論和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，認(rèn)為形成雷電災(zāi)害必須具有以下條件：首先，致災(zāi)因子，誘發(fā)雷電災(zāi)害的因素，主要由雷電活動(dòng)規(guī)模、活動(dòng)頻次等決定；其次，孕災(zāi)環(huán)境，形成雷電災(zāi)害的環(huán)境，主要由下墊面的性質(zhì)等決定，包括土地覆蓋類型、地形海拔變化；最后，承災(zāi)體，雷電影響的人類活動(dòng)、社會(huì)財(cái)產(chǎn)等，直接作用于當(dāng)?shù)氐娜丝?、?jīng)濟(jì)情況。因此，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃體系從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體易損性3 個(gè)方面選取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)構(gòu)流程（圖2）。

圖2 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)流程

2.2 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)權(quán)重的確定

層次分析法[22-24]（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是一種主觀賦值法，是對一些較為復(fù)雜、模糊的問題作出決策的方法，即將復(fù)雜問題分解為多個(gè)組成因素，并將這些因素按支配關(guān)系進(jìn)一步分解，形成多目標(biāo)、多層次的的有序的遞階層次結(jié)構(gòu)。通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性。具體步驟：首先，要建立層次結(jié)構(gòu)模型；其次，通過元素之間的成對比較和比較尺度構(gòu)造判斷矩陣；然后根據(jù)判斷矩陣計(jì)算各指標(biāo)相對權(quán)重，并做一致性檢驗(yàn)；最后，計(jì)算合成權(quán)重。本文通過AHP 法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，采用流行的yaahp 軟件，構(gòu)造判斷矩陣來確定雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重，各指標(biāo)的權(quán)重如表1 所示。

表1 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃各指標(biāo)的權(quán)重

2.3 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)分析

2.3.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)則是研究給定地理區(qū)域內(nèi)一定時(shí)間段內(nèi)雷電的致災(zāi)因子發(fā)生的可能性，包括分析其時(shí)、空、強(qiáng)的致災(zāi)特征及發(fā)生規(guī)律。本文主要考慮了地閃密度和地閃強(qiáng)度兩個(gè)方面的因素。地閃密度反映了研究區(qū)遭受雷電災(zāi)害的可能性問題。地閃強(qiáng)度反映了研究區(qū)遭受雷電災(zāi)害的概率大小問題，地閃強(qiáng)度越大，密度越高，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)越大。采用2013 年1 月—2017 年12 月新疆ADTD 型地閃定位儀所獲取的地閃資料，經(jīng)過質(zhì)量控制后，利用提取的近5 a 的地閃強(qiáng)度數(shù)據(jù)，按照百分位數(shù)法，將雷電流幅值分為5 級(jí)（表2）。根據(jù)雷電流幅值等級(jí)越高，對雷災(zāi)形成所起的作用越大的原則，確定地閃致災(zāi)因子權(quán)重，將按照0.01°×0.01°的網(wǎng)格格點(diǎn)化后的數(shù)據(jù)，按照雷電流幅值從5 級(jí)到1 級(jí)分別取其權(quán)重，即按照公式（4）計(jì)算，并進(jìn)行歸一化處理，形成地閃強(qiáng)度柵格數(shù)據(jù)：

式中：Ln 為地閃強(qiáng)度；i 為雷電流幅值等級(jí)；Fi為雷電流幅值為i 等級(jí)的地閃頻次的歸一化值。

表2 雷電流幅值等級(jí)

由圖3a 可知，地閃強(qiáng)度低值區(qū)主要位于南疆的喀什、和田和克州地區(qū)，其數(shù)值低于0.51，這些地區(qū)高建筑物較少、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低；地閃強(qiáng)度高值區(qū)基本分布在北疆的阿勒泰、塔城地區(qū)和博州、伊犁州及克拉瑪依市、烏蘇、奎屯、沙灣、瑪納斯、呼圖壁和昌吉一線的中北部的水域山體坡地，其數(shù)值在0.51～0.60。這些地區(qū)人口及旅客集中、各類電器電子設(shè)備使用較多、聚集各類石油化工企業(yè)。

圖3 新疆地閃強(qiáng)度（a），地閃密度（b）及致災(zāi)因子危險(xiǎn)性（c）分布

另外，將提取的近5 a 地閃經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，劃分為0.01°×0.01°的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格內(nèi)的地閃頻次，除以資料年限，得到各網(wǎng)格內(nèi)的年平均地閃密度，并進(jìn)行歸一化處理，再通過ArcGIS 中的克里金插值形成地閃密度柵格數(shù)據(jù)。從圖3b 可見，地閃密度低值區(qū)分布在南疆、東疆的沙漠、平原、人煙稀少、高建筑物較少的郊區(qū)；地閃密度高值區(qū)主要分布在新疆的偏西偏北地區(qū)的阿克蘇地區(qū)、伊犁州、博州、塔城地區(qū)中西部、阿勒泰地區(qū)中南部及烏蘇、奎屯、克拉瑪依、沙灣、石河子、瑪納斯一線；地閃密度極高值區(qū)則主要分布在北疆的布爾津縣、哈巴河縣、阿勒泰市、福?？h、富蘊(yùn)縣的東部和吉木乃縣、和布克賽爾蒙古自治縣、額敏縣、托里縣的大部地區(qū)以及博樂市、霍城縣、昭蘇縣的中部。

通過以上對致災(zāi)因子各影響因素的分析，并結(jié)合各種影響因子對新疆致災(zāi)因子的不同貢獻(xiàn)程度，運(yùn)用AHP 法得出相應(yīng)的權(quán)重值，采用GIS 的柵格計(jì)算工具，將地閃密度和強(qiáng)度特征信息作為疊加圖層，計(jì)算致災(zāi)因子危險(xiǎn)性，最后利用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí)，得到雷電災(zāi)害致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性分布。由圖3c可見，致災(zāi)因子極高危險(xiǎn)性區(qū)域主要集中在阿爾泰山一線的哈巴河、布爾津、福海、富蘊(yùn)、青河縣和阿勒泰市的北部；吉木乃、和布克賽爾、托里和額敏縣的大部。高危險(xiǎn)區(qū)分布在阿勒泰地區(qū)南部、塔城地區(qū)東部、伊犁和阿克蘇地區(qū)的大部以及人口稠密、經(jīng)濟(jì)集中發(fā)展的沿天山經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)的中北部。經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展迅速，對電子信息技術(shù)的依賴性日益增強(qiáng)，高層建筑和高集成電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，如計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備及工業(yè)自控系統(tǒng)等，這些集成電路的耐過壓、過電流能力極其脆弱，電子計(jì)算機(jī)和微電子設(shè)備對雷電電磁脈沖較常敏感，此經(jīng)濟(jì)帶的雷電災(zāi)害較為集中，經(jīng)濟(jì)損失也越來越大。

2.3.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性分析

孕災(zāi)環(huán)境是指雷電災(zāi)害現(xiàn)場的局地自然環(huán)境和人類環(huán)境對雷電災(zāi)害形成和發(fā)展的貢獻(xiàn)程度。從廣義角度來看，孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定程度是標(biāo)定區(qū)域孕災(zāi)環(huán)境的定量指標(biāo)，孕災(zāi)環(huán)境對氣象災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜程度、強(qiáng)度、災(zāi)情程度以及災(zāi)害系統(tǒng)的群聚與群發(fā)特征起決定性作用。孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃中較為重要的一部分，根據(jù)災(zāi)害類型、致災(zāi)強(qiáng)度和次數(shù)選擇合適的孕災(zāi)環(huán)境因子，建立合理優(yōu)化的指標(biāo)組合和權(quán)重。對于雷電災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展特性，孕災(zāi)環(huán)境敏感性主要與地形起伏、海拔高度、地表覆蓋類型等因子相關(guān)[25]。

對2008 年新疆90 m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣分析，得出新疆0.01°×0.01°的海拔高度分布（圖4a），可以看出，新疆山脈與盆地相間排列盆地與高山環(huán)抱，亦稱“三山夾二盆”。北部阿爾泰山，南部為昆侖山系；天山橫亙于新疆中部，把新疆分為南北兩半，南部是塔里木盆地，北部是準(zhǔn)噶爾盆地。

利用GIS 空間分析工具，對2008 年新疆90 m分辨率DEM 數(shù)據(jù)，進(jìn)行重采樣和鄰域分析，提取了0.01°×0.01°的地形起伏柵格圖層，如圖4b 所示，新疆三大山脈地區(qū)的地形起伏變化較大，最大達(dá)2.941 km，兩個(gè)盆地地形起伏變化較小，因而由于地形起伏導(dǎo)致的孕災(zāi)環(huán)境雷電風(fēng)險(xiǎn)在阿勒泰地區(qū)東部的阿勒泰山、沿天山一帶和昆侖山很高；在古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠等地勢平緩地帶最低。

對新疆30 m 分辨率地表覆蓋類型，進(jìn)行了重采樣，形成了0.01°×0.01°的柵格數(shù)據(jù)（圖4c）。地表覆蓋類型多樣，有耕地、草地、森林、水體、裸地等多種類型，地表覆蓋類型不一，雷電風(fēng)險(xiǎn)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[2]，因此對不同的地表覆蓋類型導(dǎo)致的雷電風(fēng)險(xiǎn)按表3 進(jìn)行賦值[5]，并處理成歸一化的地表覆蓋類型柵格數(shù)據(jù)。

表3 地表覆蓋類型風(fēng)險(xiǎn)賦值標(biāo)準(zhǔn)（lan）

將海拔高度、地形起伏和地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，綜合孕災(zāi)環(huán)境敏感性各因子的影響，依據(jù)AHP 層次分析法，按照其權(quán)重疊加計(jì)算，得到新疆雷電災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃圖4d。新疆地形海拔較高，起伏度大；極高敏感區(qū)主要分布在阿勒泰山、天山、昆侖山一線和烏倫古湖、艾比湖、賽里木湖等水庫湖泊附近；高敏感區(qū)主要集中在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶、額爾齊斯河、伊犁河、葉爾羌河和塔里木河等附近。

2.3.3 承災(zāi)體易損性分析

根據(jù)新疆歷次雷電災(zāi)損類型與雷電因子的關(guān)聯(lián)度分析，選擇能夠反映區(qū)域?yàn)?zāi)損敏度的人口密度、地均GDP、耕地比重、生命和經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)等因子作為易損性評(píng)價(jià)因素。一般人口密度大、產(chǎn)業(yè)活動(dòng)頻繁、耕地分布集中、生命和經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重的區(qū)域，易損性等級(jí)也較高。利用2005—2017 年近13 a 的雷災(zāi)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)單位面積上的年平均雷電災(zāi)害次數(shù)（單位為次/km2）與單位面積上的雷擊造成人員傷亡數(shù)（單位人/km2），并進(jìn)行歸一化。按照公式（5）計(jì)算生命損失指數(shù)，經(jīng)過要素轉(zhuǎn)柵格處理，形成0.01°×0.01°的生命損失指數(shù)柵格數(shù)據(jù)。

圖4 新疆海拔高度（a）、地形起伏（b）、地表蓋類型（c）及孕災(zāi)環(huán)境敏感性（d）分布

式中：Cl為生命損失指數(shù)，F(xiàn) 為年平均雷電災(zāi)害次數(shù)的歸一化值，C 是年平均雷擊造成人員傷亡數(shù)的歸一化值。

該指標(biāo)比較客觀反映區(qū)域內(nèi)雷電災(zāi)害造成人員傷亡的程度（生命易損性），也體現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)人員防御雷電災(zāi)害的能力。從生命損失指數(shù)分布（圖5a）來看，高值區(qū)主要分布在喀什市、石河子市、鞏留縣、昭蘇縣、霍城縣和察布查爾錫伯自治縣等天山山脈附近的區(qū)域。其次，北疆大部和南疆的偏西地區(qū)的生命損失指數(shù)也比較高。同上生命損失指數(shù)處理方法一致，得出新疆經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)分布（圖5b），從圖中可以看出：新疆經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)高值區(qū)主要集中在石河子市、喀什市、瑪納斯縣、克拉瑪依市，其次分布在鞏留縣、霍城縣、察布查爾錫伯自治縣、阿勒泰市、新源縣和阜康市等北疆地區(qū)。

圖5 新疆生命損失指數(shù)（a）、經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)（b）、人口密度（c）、地均GDP（d）、耕地比重（e）及承災(zāi)體易損性（f）分布

人是災(zāi)害影響最重要、最核心承災(zāi)體，人口密度大的地方，出現(xiàn)雷擊造成的損失也越大。在新疆分縣人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以人口除以土地面積，得到人口密度，并進(jìn)行歸一化處理，形成以縣域?yàn)閱卧氖噶繑?shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為0.01°×0.01°的人口密度柵格數(shù)據(jù)。從圖5c 可以看出，人口密度大的地方主要在喀什市、石河子市、伊寧市、和田市、澤普縣、奎屯和烏魯木齊市等水源、旅游資源豐富的區(qū)域。整體分布趨勢呈現(xiàn)出西部高于東部、西南部高于東南部的形式。新疆人口密度最大、最小區(qū)域分別是喀什市、若羌縣，依次為314 9.27、0.17 人/ km2，局部高密度區(qū)分布在各地州及縣市行政中心，與其政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心的地位密切相關(guān)。GDP 指某個(gè)地區(qū)在一定時(shí)期內(nèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中產(chǎn)生的價(jià)值，與人口密度處理方法相同，均以縣級(jí)行政單元為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由圖5d 可知，新疆地均GDP 分布趨勢與人口密度具有很高的一致性，呈現(xiàn)出西部高于東部、西南部高于東南部的形勢。新疆地均GDP 高值區(qū)主要集中在喀什、石河子、伊寧、五家渠和烏魯木齊市等人口密集區(qū)域。其中最大、最小區(qū)域分別是喀什市和民豐縣，依次為803 4.77 萬元/ km2和1.58 萬元/ km2。以年末耕地面積除以土地面積，得到耕地比重，并進(jìn)行歸一化要素轉(zhuǎn)柵格處理，形成0.01°×0.01°的耕地比重柵格數(shù)據(jù)。從圖5e 可得，新疆耕地比重大值區(qū)集中在五家渠市、北屯市、石河子市、澤普縣、圖木舒克市、喀什市和塔城市等水源豐富的區(qū)域。其次分布在伊犁州、阿克蘇地區(qū)、昌吉州等地區(qū)。

根據(jù)上述指標(biāo)與雷電災(zāi)情的相關(guān)性，通過加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算得到承載體易損性（圖5f）。新疆雷電災(zāi)害承災(zāi)體易損性極高的地區(qū)主要集中在土地面積小、人口較多的石河子市、喀什市、伊寧市等地區(qū)；承災(zāi)體一般易損性地區(qū)主要集中在人口密度小、地均GDP 底、耕地比重少以及生命和經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)小的東疆、和田地區(qū)和巴州；而阿勒泰市、塔城地區(qū)西北部、沿天山經(jīng)濟(jì)帶、庫爾勒、阿拉爾、阿克蘇市及喀什地區(qū)中西部，或人口密度大，或耕地比重集中，這些地方屬于高易損性地區(qū)。

2.4 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)及區(qū)劃結(jié)果分析

根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子及對應(yīng)的權(quán)重，利用自然斷點(diǎn)法[26]，對雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)見表4。

表4 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)

根據(jù)雷電災(zāi)害形成機(jī)理及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，模擬災(zāi)害的形成，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體來選取評(píng)價(jià)因子，建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，見公式（6）：

式中：LDRI 為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，其值越大，則災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度越大；RH、RS、RV 分別表示致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承載體易損性；wh、ws、wv 為各評(píng)價(jià)因子相應(yīng)的權(quán)重。

由圖6 可以看出，新疆雷災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)整體分布態(tài)勢呈現(xiàn)出西部高于東部，北部高于南部，綠洲高于沙漠。新疆雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)極高的地區(qū)主要集中在阿勒泰地區(qū)的北部、塔城地區(qū)大部、博州、伊犁州和喀什市、石河子、五家渠、北屯市及天山北坡經(jīng)濟(jì)帶南部的一些零星地區(qū)；因該區(qū)地處阿勒泰山和天山山區(qū)，地形起伏較大，河網(wǎng)密布，水源較多，人口密集，GDP發(fā)展水平高，致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高，雷擊事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失較大，因此雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)極高。雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高的地區(qū)主要分布在阿勒泰地區(qū)的南部、塔城地區(qū)東部、昌吉州大部、烏魯木齊中北部、阿克蘇地區(qū)、巴州西北部和克州、喀什、和田、巴州南部的昆侖山地區(qū)。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是近些年來新疆現(xiàn)代化發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，財(cái)政收入高，基礎(chǔ)設(shè)施完善，防災(zāi)能力較強(qiáng)，其實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)僅為高風(fēng)險(xiǎn)。昆侖山經(jīng)濟(jì)相對較弱，人類活動(dòng)較少，人口主要集中在基礎(chǔ)設(shè)施良好的城鎮(zhèn)，因此雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較阿勒泰山和天山山脈附近低。古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠地區(qū)人口稀少，人類活動(dòng)較少，建筑物稀疏，現(xiàn)代化電子設(shè)施少，雷擊事故易造成的經(jīng)濟(jì)損失也少，致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較低，屬于一般風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)新疆2005—2017 年各縣發(fā)生雷電災(zāi)害次數(shù)的空間分布（圖7）可以看出，阿勒泰市、和布克賽爾蒙古自治縣和富蘊(yùn)縣災(zāi)情次數(shù)最多，克拉瑪依市、青河和昭蘇縣等次之，于田、民豐、且末和若羌縣等沙漠地區(qū)最少，未出現(xiàn)災(zāi)情記錄。雷電災(zāi)情次數(shù)空間分布與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分布趨勢大致吻合。

圖6 新疆雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

3 結(jié)論

圖7 新疆雷電災(zāi)害次數(shù)空間分布

（1）本文基于ArcGIS 技術(shù)，采用重采樣、鄰域分析和重分類等方法深入分析了海拔高度、地形起伏、土地覆蓋類型等環(huán)境因子對雷電災(zāi)害的影響。利用空間插值、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和要素轉(zhuǎn)柵格等方法實(shí)現(xiàn)了地閃資料、雷電災(zāi)情資料、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料和地理信息數(shù)據(jù)的空間匹配，形成了具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架的新疆雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃GIS 數(shù)據(jù)庫。

（2）本文根據(jù)雷電災(zāi)害的特征，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體易損性3 個(gè)方面考慮，確立了以地閃密度、地閃電流強(qiáng)度、地表覆蓋類型、海拔高度、地形起伏、人口密度、地均GDP 密度、生命損失指數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)和耕地比重等10 項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)及其權(quán)重，構(gòu)建了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和區(qū)劃模型。利用自然斷點(diǎn)法，將繪制的新疆地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分為一般風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)3 個(gè)等級(jí)。其中，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)極高區(qū)主要集中在阿勒泰地區(qū)北部、塔城地區(qū)大部、博州、伊犁州、喀什市和天山北坡經(jīng)濟(jì)帶南部的一些零星地區(qū)。

（3）通過與新疆歷史雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)比較，雷電災(zāi)情次數(shù)空間分布與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分布趨勢大致吻合，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。本文中所用資料因有些偏遠(yuǎn)山區(qū)尚未建站，同時(shí)存在雷擊事故上報(bào)和統(tǒng)計(jì)不完全的現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中可能會(huì)產(chǎn)生一些誤差。今后需要加強(qiáng)偏遠(yuǎn)地區(qū)閃電定位儀的布設(shè)和雷電觀測，加強(qiáng)雷電災(zāi)害鏈研究，綜合精度更高的多源化地閃監(jiān)測數(shù)據(jù)和更加詳實(shí)的歷史雷災(zāi)資料，更好地做出雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，為當(dāng)?shù)卣幹凭?xì)化氣象災(zāi)害防御規(guī)劃提供決策依據(jù)。