宣城市雷電活動(dòng)特征及區(qū)域易損性研究

何桂霞 胡文運(yùn) 胡星月

摘 要：利用宣城市50年雷暴日資料，采用EOF分解方法，對(duì)宣城市雷電時(shí)空分布特征進(jìn)行分析研究，并在此基礎(chǔ)上，利用氣象資料、地理信息數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，從致災(zāi)因子、承災(zāi)體方面，研究探討宣城市雷電災(zāi)害易損區(qū)域，為災(zāi)情調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雷電特征;EOF分解;易損區(qū)域

中圖分類號(hào) P429文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）19-0146-04

Study on Lightning Activity Characteristics and Regional Vulnerability in Xuancheng City

He Guixia1 et al.

Abstract：Using the data of thunderstorm xuan city 50 years，the use of EOF decomposition method，the lightning spatial and temporal distribution characteristics of Xuancheng city analysis，on this basis，using the meteorological data，geographical information data，social and economic data，and so on，from the disaster factor，disaster bearing body，study Xuancheng city lightning disaster vulnerability areas，which will provide a scientific basis for the disaster investigation and disaster prevention and mitigation.

Key words：Lightning characteristics;EOF decomposition;Vulnerable areas

安徽省宣城市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冷暖空氣頻繁交匯，地形以山區(qū)和丘陵為主，復(fù)雜的氣候條件和特殊的地形導(dǎo)致雷電頻繁發(fā)生。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電子信息設(shè)備的廣泛使用，雷電造成的危害越來越嚴(yán)重。如何科學(xué)防雷、經(jīng)濟(jì)防雷顯得越來越重要。因此，分析雷電活動(dòng)特征，對(duì)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行分析研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-5]。

1 資料來源與處理方法

1.1 資料來源 雷暴日資料來源于宣城市氣象局提供的7個(gè)地面氣象臺(tái)站1961—2010年共50年的觀測(cè)數(shù)據(jù);閃電定位資料為宣城市氣象局2006—2011年共6年LD-Ⅱ型閃電定位儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為宣城市2017年各縣市區(qū)的行政面積、人口、國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）。

1.2 處理方法 將雷暴日數(shù)據(jù)按EOF方法展開，利用展開后的特征向量場(chǎng)進(jìn)行年際雷電變化的空間分布分析，相應(yīng)的主分量用于表示時(shí)間變化[6-7]。通過對(duì)近50年來全市7個(gè)站點(diǎn)的雷暴進(jìn)行分析，得出雷電的氣候變化特征。

年雷暴日矩陣為X（i，j），i為年序號(hào)，j為站點(diǎn)序號(hào)。EOF展開式表示為：X=V*T，X是7*50標(biāo)準(zhǔn)雷暴日矩陣，V是7*7空間特征向量矩陣，T是7*50時(shí)間系數(shù)矩陣。

在對(duì)雷電災(zāi)害易損性區(qū)域進(jìn)行研究時(shí)，首先對(duì)用到的各指標(biāo)進(jìn)行分析、處理，得到每個(gè)指標(biāo)的強(qiáng)弱分布圖，然后，對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合。為了消除指標(biāo)的量綱差異，每個(gè)指標(biāo)的值都被歸一化處理。計(jì)算公式：

[Dij=Aijmaxi] （1）

式（1）中i表示雷暴日、雷電密度、經(jīng)濟(jì)、人口、雷電流強(qiáng)度中的任意一項(xiàng)指標(biāo)，j表示具體區(qū)域（包括縣界為單位的區(qū)域和閃電密度等項(xiàng)目每km2的柵格區(qū)域）。Aij表示各個(gè)區(qū)域的對(duì)應(yīng)項(xiàng)目指標(biāo)值。對(duì)以上各個(gè)區(qū)域的各個(gè)指標(biāo)值按照項(xiàng)目的重要性進(jìn)行加權(quán)疊加，計(jì)算公式為：

[Vj=∑n1Wi·Dij] （2）

式（2）中：Vj是評(píng)估因子的總值，Wi是指數(shù)i的權(quán)重，Dij是因子j的指數(shù)i的歸一化值，n是評(píng)估指標(biāo)的數(shù)量，最后根據(jù)加權(quán)出來的值將雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域按不同等級(jí)進(jìn)行劃分。

閃電定位數(shù)據(jù)分析方法：通過Arcgis軟件對(duì)宣城市2006—2011年閃電定位資料按照1×1km的格距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了各網(wǎng)格的雷電密度和平均強(qiáng)度，再對(duì)閃電密度和電流強(qiáng)度按照2∶1進(jìn)行加權(quán)得到宣城市雷電致災(zāi)因子的區(qū)劃圖。

承災(zāi)體易損性分析方法：分行政縣市區(qū)輸入各鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、分等級(jí)用不同色標(biāo)表示不同的經(jīng)濟(jì)密度（GDP/行政面積）;分行政縣市區(qū)輸入各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)，分等級(jí)用不同色標(biāo)表示不同的人口密度（人口/行政面積），并綜合人口、經(jīng)濟(jì)因子，得到宣城市承災(zāi)體易損性區(qū)劃圖。

宣城市雷電災(zāi)害易損區(qū)域研究方法：將宣城市的雷電密度、雷電強(qiáng)度、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度4要素進(jìn)行多種權(quán)重組合并繪制出相應(yīng)的宣城市雷電災(zāi)害易損性區(qū)域分布圖。

2 雷電活動(dòng)時(shí)空分布特征

2.1 特征向量分析 將50年雷暴日資料利用EOF展開，經(jīng)分解后，各向量的方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率如表1所示。其中第1向量占80.9%，從第2特征向量開始的方差貢獻(xiàn)明顯減小。因此，可以認(rèn)為第1特征向量在雷電活動(dòng)的空間分布中起著最重要的作用。

2.2 空間分布特征 從表2可知，它們的第1特點(diǎn)是同為負(fù)值，表明宣城市雷電活動(dòng)具有同步性;第2特點(diǎn)是寧國(guó)、旌德、績(jī)溪為高值區(qū)，即宣城市南部山區(qū)雷電相對(duì)較多。

2.3 年際變化特征 圖1給出了宣城市雷暴日數(shù)第1特征向量的時(shí)間系數(shù)序列，并對(duì)其進(jìn)行了EOF分析，圖中的粗線是時(shí)間系數(shù)演變的趨勢(shì)線?？梢钥闯鲂鞘欣纂娀顒?dòng)總體呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代早期和中期雷電活動(dòng)多，1963年為雷電活動(dòng)異常多年，從20世紀(jì)60年代末至70年代減少較快，到了80年代，雷電活動(dòng)穩(wěn)步下降，90年代則是雷電活動(dòng)相對(duì)較低的時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)后雷電活動(dòng)有緩慢回升的趨勢(shì)。

2.4 月際變化特征 從圖2可以看出，宣城市各地逐月平均雷暴日數(shù)變化趨勢(shì)相同，即3—9月為雷電活動(dòng)多發(fā)期，占全年的96.7%，其中以7—8月雷暴日數(shù)最多，占全年的52.3%。10—2月雷電活動(dòng)很少。

3 雷電災(zāi)害易損性區(qū)域分析

3.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析 通常雷電災(zāi)害的致災(zāi)因子主要考慮雷電密度和雷電強(qiáng)度，雷電強(qiáng)度越大，密度越高，風(fēng)險(xiǎn)就越大[8-10]。雷電密度是指單位面積內(nèi)所發(fā)生的雷擊大地的年平均次數(shù)。某一地區(qū)的雷電密度越大，該地區(qū)的致災(zāi)因子就越活躍，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性越大。其計(jì)算公式為[11]：

D=0.1Td （3）

式中D表示雷電密度（次/km2.a），Td為雷暴日數(shù)。

對(duì)宣城市7個(gè)氣象站1961—2010年50年雷暴日資料利用克里金插值方法計(jì)算出各縣市區(qū)的雷電密度，得到雷電密度分布圖。通過Arcgis軟件對(duì)宣城市2006—2011年閃電資料按照1×1km的格距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到基于閃電定位資料的雷電密度分布圖和雷電強(qiáng)度分布圖（圖3）?？紤]到人工觀測(cè)的雷暴日，觀測(cè)范圍具有局限性，但有50年的資料，時(shí)間長(zhǎng)，具有一定的代表性，閃電定位資料在一定程度上會(huì)有誤差和干擾，且觀測(cè)資料只有6年，時(shí)間比較短，代表性較弱。因此，將2種方法所得的雷電密度權(quán)重取為50∶6，進(jìn)行加權(quán)分析，得到加權(quán)后的雷電密度分布圖（圖4）。

從穩(wěn)定性和可靠性方面考慮，將雷電密度和雷電強(qiáng)度權(quán)重取值設(shè)定為2∶1，將其歸一化再加權(quán)綜合，得出雷電災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布圖（圖5）。

3.2 承災(zāi)體易損性分析 災(zāi)害的發(fā)生是由環(huán)境的危害性和承災(zāi)體的脆弱性共同決定的[12-15]。宣城市雷電災(zāi)害的脆弱性反映了該地區(qū)對(duì)雷電發(fā)生的敏感性，這與雷電的氣候背景、人口密度和經(jīng)濟(jì)密度有關(guān)。人口密度表示發(fā)生災(zāi)害時(shí)，單位面積上受危害的人口數(shù)量，這一指標(biāo)可以反映出某一地區(qū)生命對(duì)災(zāi)害的敏感度。經(jīng)濟(jì)密度表示發(fā)生災(zāi)害時(shí)單位面積的經(jīng)濟(jì)損失程度。

將人口密度、經(jīng)濟(jì)密度2項(xiàng)指標(biāo)等權(quán)重相加得到各地的承災(zāi)體易損性分布圖（圖6）。

3.3 雷電災(zāi)害易損性區(qū)劃 將宣城市的雷電密度、雷電強(qiáng)度、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度4個(gè)因素進(jìn)行多種權(quán)重組合并繪出宣城市雷電災(zāi)害區(qū)域易損性分布圖（圖7）。

4 結(jié)論

（1）宣城市1—12月都有雷電活動(dòng)，具有明顯的季節(jié)變化特征，主要表現(xiàn)為：夏季多，春季次之，冬季最少。3—9月為雷電活動(dòng)活躍期，其中7—8月雷暴日數(shù)最多，占全年的52.3%。

（2）宣城市雷電活動(dòng)1960年以來總體呈下降趨勢(shì)，但2000年以后雷電活動(dòng)緩慢回升。

（3）宣城市的北部，即宣州區(qū)城區(qū)、水陽、貍橋、朱橋、沈村、五星，寧國(guó)的港口、梅林和郎溪的大部分地區(qū)為雷電災(zāi)害高易損區(qū)域;宣城市中部、東北部、西北部，即宣州區(qū)的孫埠、水東、洪林、新田，涇縣的云嶺、黃村、丁家橋、蔡村，廣德、寧國(guó)的大部分地區(qū)為雷電災(zāi)害次高易損區(qū)域;宣州區(qū)的古泉、文昌、楊柳、黃渡，廣德、寧國(guó)、涇縣的大部分地區(qū)，績(jī)溪、旌德的部分地區(qū)為雷電災(zāi)害中易損區(qū)域;其它地區(qū)為雷電災(zāi)害低易損區(qū)域。

（4）雷電災(zāi)害的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其影響因素很多。目前，對(duì)宣城市雷電易發(fā)地區(qū)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的定量分析還有困難。在指標(biāo)選擇、權(quán)重確定、評(píng)估模型等方面還需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]劉欣.南京市雷電活動(dòng)特征及雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2016.

[2]程向陽，謝五三，王凱，等.雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方法研究及其在安徽省的應(yīng)用[J].氣象科學(xué)，2012，32（1）：80-85.

[3]程麗丹，張永剛，楊美榮，等.河南省雷電災(zāi)害易損性分析及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2011，34（3）：50-55.

[4]卜俊偉.基于閃電定位資料的四川省雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析[J].高原山地氣象研究，2014，34（2）：86-89.

[5]宋喃喃，劉邕.基于天津各行政區(qū)的雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃初探[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（4）：206-208，311.

[6]鄭淋淋，孫建華，衛(wèi)捷.1980～2008年我國(guó)強(qiáng)對(duì)流天氣的統(tǒng)計(jì)特征[C].第27屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)，2010.

[7]李翠華，李陽斌，羅律.清遠(yuǎn)地區(qū)近52年的雷暴氣候特征及環(huán)流背景[J].廣東氣象，2015，37（4）：15-18.

[8]尹娜，肖穩(wěn)安.區(qū)域雷災(zāi)易損性分析、評(píng)估及易損度區(qū)劃[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2005，21（4）：441-448.

[9]田艷婷，吳孟恒，史鋒旗，等.河北省雷電災(zāi)害易損性綜合評(píng)估與區(qū)劃[J].氣象科技，2012，40（3）：507-512.

[10]張義軍，陶善昌，馬明，等.雷電災(zāi)害[M].北京：氣象出版社，2009：36-38.

[11]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057-2010[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：59-61.

[12]郭虎，熊亞軍，扈海波，等.北京市雷電災(zāi)害災(zāi)情綜合評(píng)估模式[J].災(zāi)害學(xué)，2008，23（1）：41-44.

[13]蔣勇軍，況明生，匡鴻海，等.區(qū)域易損性分析、評(píng)估及易損度區(qū)劃—以重慶市為例[J].災(zāi)害學(xué)，2001，16（3）：59-64.

[14]嚴(yán)春銀.江西省雷電災(zāi)害易損性分析及其區(qū)劃[J].江西科學(xué)，2006，24（2）：131-135.

[15]張騰飛，尹麗云，許迎杰，等.2007年5—8月云南省雷電活動(dòng)特點(diǎn)和致災(zāi)因子分析[J].災(zāi)害學(xué)，2009，24（1）：73-79.

（責(zé)編：楊 林）