基于多源數(shù)據(jù)的深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

楊?lèi)傂?郭宏博 秦子龍 蘇琳智 羅欣

（1 深圳市氣象公共安全技術(shù)支持中心，深圳 518040；2 香港理工大學(xué)，香港）

0 引言

近年來(lái)，雷電災(zāi)害的科學(xué)防護(hù)越來(lái)越受到重視[1]，許多地區(qū)都開(kāi)展了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度和特點(diǎn)等進(jìn)行的地域劃分，更加清晰地反映雷電災(zāi)害的空間分布規(guī)律與地區(qū)差異。其作用是雷電敏感行業(yè)（如爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所）在城鄉(xiāng)規(guī)劃和工程建設(shè)、區(qū)域開(kāi)發(fā)時(shí)，避開(kāi)氣象災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；對(duì)已決策或已處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)又難以搬遷的雷電敏感行業(yè)，為其防災(zāi)工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。其技術(shù)核心在于構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和賦予權(quán)重。黃崇福等[2]提出了自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖的潛在發(fā)展方向。程向陽(yáng)等[3]采用專(zhuān)家打分法研究雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃方法；高燚[4]利用聚類(lèi)分析方法研究雷電災(zāi)害易損度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；趙偉[5]利用遙感夜間燈光數(shù)據(jù)、植被指數(shù)和DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建人居指數(shù)，進(jìn)行柵格尺度上的雷災(zāi)承災(zāi)體易損性分析；崔遜[6]使用組合評(píng)價(jià)法研究雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；楊天琦[7]考慮雷電流強(qiáng)度的影響，運(yùn)用層次分析法對(duì)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提出了管理方法；陳廣昌[8]采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析致災(zāi)因子權(quán)重，構(gòu)建雷電災(zāi)害危險(xiǎn)度指數(shù)模型。呂海勇等[9]利用閃電定位、雷災(zāi)和GDP數(shù)據(jù)，用分級(jí)法結(jié)合GIS進(jìn)行了廣東省雷電災(zāi)害易損性分析與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的方法多種多樣，所研究指標(biāo)應(yīng)該具有廣泛性，盡可能選取較多與雷電災(zāi)害相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)，這是很多研究人員的共識(shí)，然而衡量指標(biāo)權(quán)重的方法可能更為關(guān)鍵，熵值法是一種定量的客觀的評(píng)價(jià)方法，根據(jù)指標(biāo)變異程度大小決定指標(biāo)權(quán)重，是一種科學(xué)的災(zāi)情評(píng)價(jià)方法。其原理是：假設(shè)有m個(gè)待評(píng)方案，n項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，組成一個(gè)m行、n列的原始指標(biāo)矩陣。若某項(xiàng)指標(biāo)中，指標(biāo)值之間的差異越大，該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于整個(gè)綜合評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)越大，賦予的權(quán)重越大；反之，若某項(xiàng)指標(biāo)值差異很小，甚至差異為零，即全部指標(biāo)值相等，則該項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)中起不到作用。通過(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算差異系數(shù)為各項(xiàng)指標(biāo)賦予權(quán)值，最后計(jì)算綜合風(fēng)險(xiǎn)值，劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

深圳地屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季長(zhǎng)冬季暖，雨量充沛，靠山面海，地勢(shì)東高西低，北方冷空氣翻越南嶺侵入，在當(dāng)?shù)爻渑娴臒崃l件配合下，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流天氣；熱帶天氣系統(tǒng)的登陸影響，也會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)的對(duì)流天氣；另外，本地水汽充沛，局地的熱力或動(dòng)力擾動(dòng)同樣會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的雷暴天氣。深圳是一個(gè)創(chuàng)新之都、科技之都，同時(shí)也是一個(gè)人口密度和GDP密度很高的城市，雷電災(zāi)害會(huì)間接影響社會(huì)的方方面面，尤其對(duì)于易燃易爆等場(chǎng)所的雷災(zāi)防御和選址決策等，需要科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄗ鳛榧夹g(shù)支撐，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃不僅可以在宏觀上將城市的雷電風(fēng)險(xiǎn)劃分出不同的等級(jí)，作為城市防雷減災(zāi)及重大工程選址等的重要決策依據(jù)，而且可以根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果對(duì)雷電災(zāi)害防御單位提供更有針對(duì)性的雷電預(yù)警戒備服務(wù)，減少雷電災(zāi)害的發(fā)生[10]。

1 資料及數(shù)據(jù)處理

本文依據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析原理，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體暴露度和承災(zāi)體脆弱性三方面，通過(guò)建模得到雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果。主要用到的資料包括氣象資料、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口資料、雷電災(zāi)情資料、地理環(huán)境資料等數(shù)據(jù)。氣象資料包括地閃密度和地閃強(qiáng)度，為深圳市2013—2017年的Vaisala TS8000閃電定位網(wǎng)探測(cè)的數(shù)據(jù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口資料來(lái)源于中國(guó)千米網(wǎng)格 GDP 分布數(shù)據(jù)集和中國(guó)千米網(wǎng)格人口分布數(shù)據(jù)集（2015年）；雷電災(zāi)情資料來(lái)源于《1992—2017年深圳市雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》；地理環(huán)境資料包括深圳市數(shù)字地面高程（DEM）、地形起伏和實(shí)測(cè)土壤電導(dǎo)率。所有數(shù)據(jù)都按照1 km×1 km網(wǎng)格歸一化后處理成相應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)。

地閃密度是指單位面積內(nèi)所發(fā)生的雷擊大地年平均次數(shù)，反映了雷電活動(dòng)的自然規(guī)律，地閃密度越大說(shuō)明致災(zāi)因子越活躍。深圳市地閃密度分布呈現(xiàn)出西部高、東部低的特點(diǎn)，與地閃強(qiáng)度分布差異較大，地閃強(qiáng)度分布為東部強(qiáng)、西部弱（圖1）。分析該原因可能與地形分布有較大的關(guān)系，深圳西部海拔低、土壤電導(dǎo)率高、土壤容易導(dǎo)電；東部多山區(qū)，海拔高，土壤電導(dǎo)率低，土壤不易導(dǎo)電。因此雷暴云容易在西部形成對(duì)地閃擊，地閃密度較高，而雷暴云的能量相對(duì)固定的情況下，地閃密度高的則平均雷電流就更小。地形起伏即地形標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越大說(shuō)明高差越大，當(dāng)?shù)匦纹鸱酱髸r(shí)，雷暴云在局部地區(qū)形成了畸變的空間電場(chǎng)越大，越容易發(fā)生對(duì)地雷擊，因此深圳地閃密度最高的區(qū)域在梧桐山一帶。人口的分布也是西部密度高于東部，GDP分布則相對(duì)分散，西部略高于東部。雷災(zāi)數(shù)據(jù)顯示，深圳因雷擊導(dǎo)致人員傷亡的情況非常少，雷電災(zāi)害生命損失指數(shù)沒(méi)有明顯的特點(diǎn)，因雷擊導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失總體還是西部高于東部。

圖1 深圳市地閃密度（a）和地閃強(qiáng)度（b）分布 Fig. 1 The distribution of cloud-ground flash density (a)and intensity in Shenzhen (b)

2 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃建模

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是將氣象資料、社會(huì)經(jīng)濟(jì)人口資料、雷電災(zāi)情資料、地理環(huán)境資料進(jìn)行歸一化處理，并把所有數(shù)據(jù)在GIS平臺(tái)上進(jìn)行柵格化，柵格數(shù)據(jù)以1 km2為單元，利用熵值法得到各項(xiàng)因子的權(quán)重，從而計(jì)算得出風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LDRI，本文參照自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論的方法進(jìn)行區(qū)劃建模（圖2）[11-13]。

圖2 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型 Fig. 2 Zoning model of lightning disaster risk

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性RH和承災(zāi)體易損性RV組成，而易損性又包括暴露度RE與脆弱性RF，各因子的權(quán)重均由熵值法得出。對(duì)于某一指標(biāo)，當(dāng)其在GIS上呈現(xiàn)差異性越大時(shí)，則該指標(biāo)權(quán)重越高，差異性越小，則認(rèn)為該指標(biāo)對(duì)結(jié)果的貢獻(xiàn)越小，權(quán)重就越低。區(qū)劃模型求風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LDRI的計(jì)算公式為：

式中，LDRI為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；RH為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性，wh為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性權(quán)重；RE為承災(zāi)體暴露度，we為承災(zāi)體暴露度權(quán)重；RF為承災(zāi)體脆弱性，wf為承災(zāi)體脆弱性權(quán)重。

上述模型中致災(zāi)因子危險(xiǎn)性RH分別由氣象因子和環(huán)境因子所共同決定：

式中，RH為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性；Ld為地閃密度，wd為地閃密度權(quán)重；Ln為地閃強(qiáng)度，wn為地閃強(qiáng)度權(quán)重；Sc為土壤電導(dǎo)率，ws為土壤電導(dǎo)率權(quán)重；Eh為海拔高度，we為海拔高度權(quán)重；Tr為地形起伏，wt為地形起伏權(quán)重。

承災(zāi)體暴露度RE由生命損失指數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)和防護(hù)能力共同決定：

式中，RE為承災(zāi)體暴露度；Pd為人口密度，wp為人口密度權(quán)重；Gd為GDP密度，wg為GDP密度權(quán)重。根據(jù)熵值法，求得wp和wg分別為0.7009和0.2991。

承災(zāi)體脆弱性RF由人口密度和GDP密度共同決定：

式中，RF為承災(zāi)體脆弱性；Cl為生命損失指數(shù)，wc為生命損失指數(shù)權(quán)重；Ml為經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)，wm為經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)權(quán)重。根據(jù)熵值法，求得wc和wm分別為0.4980和0.5020。

3 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理方法和雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型，分別得到致災(zāi)因子危險(xiǎn)性RH、暴露度RE、脆弱性RF和雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LDRI的分布圖。

3.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性RH

致災(zāi)因子危險(xiǎn)性主要考慮氣象因子（地閃密度與地閃強(qiáng)度）和環(huán)境因子（土壤電導(dǎo)率、海拔高度和地形起伏）兩個(gè)大方面的影響因素，為消除各指標(biāo)的量綱差異，對(duì)每個(gè)影響因子的指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理，求出各影響因子的權(quán)重大小，通過(guò)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性RH公式求解得到深圳市雷電致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布圖，顏色深淺代表致災(zāi)因子危險(xiǎn)的大?。▓D3）[14-15]。

圖3 深圳市雷電致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布圖 Fig. 3 Risk distribution of lightning disaster factors in Shenzhen

由圖3可知，深圳市雷電致災(zāi)因子存在較為明顯的區(qū)域性差異，高危險(xiǎn)區(qū)主要在中南部區(qū)域，結(jié)合上述氣象因子和環(huán)境因子數(shù)據(jù)分布，回?fù)裘芏?、海拔高度和地形起伏?duì)此結(jié)果有較為明顯的作用，環(huán)境因子占93.53%，氣象因子占6.47%。表1給出了根據(jù)熵值法求得各影響因子權(quán)重的大小。

表1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性影響因子權(quán)重大小 Table 1 Weight of the impact factor in hazard factor

3.2 承災(zāi)體易損性RV

承災(zāi)體易損性由其暴露度RE和脆弱性RF組成。暴露度RE主要考慮人口密度和GDP密度兩個(gè)方面的影響因素，為消除各指標(biāo)的量綱差異，對(duì)每個(gè)影響因子的指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理，求出各影響因子的權(quán)重大小，通過(guò)暴露度RE和脆弱度RF公式求解得到深圳市承災(zāi)體暴露度和脆弱度分布圖（圖4和圖5）。由圖可知，深圳市承災(zāi)體暴露度存在較為明顯的區(qū)域性差異，整體表現(xiàn)為中西部區(qū)域的暴露程度大于東部區(qū)域，影響因子為人口密度和GDP密度，其中人口密度權(quán)重為62.64%，GDP密度權(quán)重為37.36%。深圳市承災(zāi)體脆弱性則主要集中于歷史上發(fā)生雷災(zāi)的區(qū)域，影響因子為生命損失指數(shù)，權(quán)重為49.80%；經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)，權(quán)重為50.20%。

圖4 深圳市承災(zāi)暴露度分布圖 Fig. 4 Distribution of the exposure of hazardous body in Shenzhen

圖5 深圳市承災(zāi)脆弱性分布圖 Fig. 5 Distribution of vulnerability of hazardous body in Shenzhen

3.3 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LDRI

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LDRI是致災(zāi)因子危險(xiǎn)性RH、承災(zāi)體暴露度RE、承災(zāi)體脆弱性RF三個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，各因子的權(quán)重分別為0.3336、0.3335和0.3328，三個(gè)因子的權(quán)重基本相等，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)LDRI分布圖（圖6）。

圖6 深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布圖 Fig. 6 Distribution of lightning disaster risk index in Shenzhen

3.4 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)劃分是根據(jù)LDRI的分布，按照自然斷點(diǎn)法分為三個(gè)等級(jí)：一般風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（圖7）。極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在深圳中西部，高風(fēng)險(xiǎn)主要分布在寶安區(qū)、龍崗大部份區(qū)域，一般風(fēng)險(xiǎn)主要分布在東部的葵涌、大鵬半島。圖8將歷年雷電災(zāi)害位置與區(qū)劃圖進(jìn)行了疊加，可以看出雷電災(zāi)害主要分布在高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，一般風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的雷災(zāi)相對(duì)較少，由于雷災(zāi)的人員損失和經(jīng)濟(jì)損失本身作為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的因子，最終權(quán)重約占33%，但仍有很好的一致性，說(shuō)明了區(qū)劃的合理性。

4 結(jié)論與討論

圖7 深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖 Fig. 7 Lightning disaster risk zoning map of Shenzhen

圖8 歷年雷電災(zāi)害在區(qū)劃圖上的分布圖Fig. 8 Lightning event on risk zoning map

1）根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論建立了深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型，系統(tǒng)分析了深圳市的地閃密度、地閃強(qiáng)度兩個(gè)氣象因子，以及土壤電導(dǎo)率、海拔高度、地形起伏三個(gè)環(huán)境因子，得到了致災(zāi)因子危險(xiǎn)性。根據(jù)權(quán)重分布可知，環(huán)境因子是影響致災(zāi)因子危險(xiǎn)性的主要因素。分析了人口密度、GDP密度、生命損失和經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)，得到了承災(zāi)體的暴露度和脆弱性，由權(quán)重分布可知，人口密度和經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)占有較大的比重。

2）深圳市雷電極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在深圳中西部，高風(fēng)險(xiǎn)主要分布在寶安區(qū)和龍崗區(qū)的大部分區(qū)域，一般風(fēng)險(xiǎn)主要分布在東部的葵涌、大鵬半島，對(duì)于雷電敏感行業(yè)和易燃易爆場(chǎng)所的規(guī)劃應(yīng)盡可能避開(kāi)極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，對(duì)于已經(jīng)建設(shè)無(wú)法避開(kāi)的場(chǎng)所應(yīng)根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)，對(duì)其采取提高防雷措施等級(jí)和加強(qiáng)防雷安全管理。根據(jù)與歷年雷災(zāi)的疊加分析，雷電災(zāi)害與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型是可靠的。

3）由于缺少深汕合作區(qū)的有關(guān)數(shù)據(jù)，該區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃未能分析，今后在逐步收集其氣象、環(huán)境、承載體易損性等指標(biāo)參數(shù)后，有必要與納入深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃統(tǒng)一考慮。深圳市東西部海區(qū)由于下墊面特殊性不能納入?yún)^(qū)劃考慮，但是根據(jù)深圳市雷電活動(dòng)特點(diǎn)，經(jīng)常發(fā)生由海域向陸域發(fā)展的雷暴過(guò)程，因此對(duì)于海上作業(yè)應(yīng)采取必要的防雷措施，尤其是大型船舶的卸油（氣）更應(yīng)避免在雷暴活動(dòng)時(shí)開(kāi)展。