基于GIS的滄州市雷暴氣象災害風險評估

王文韜 高操 韓典辰 李連祥

摘要?基于自然災害風險評估理論，建立以致災因素危險性、孕災環(huán)境敏感性、災害承受體脆弱性和防災抗災能力為主的評估體系，選取2010—2018年雷暴頻次、極大雷電活動頻次、自然環(huán)境和社會經濟等指標，利用GIS分析技術和加權綜合評價方法，對滄州市雷暴氣象災害風險進行了評估。結果表明，大面積的雷暴災害高風險區(qū)主要分布在任丘地區(qū)、滄州市區(qū)、海興北部地區(qū)和黃驊市東南部地區(qū)，主要是由于雷暴致災因子危險性較大;中西部環(huán)境敏感性和承載體易損性相對低，導致雷暴災害發(fā)生的風險較低;滄州市區(qū)的承載體易損性特別高，市區(qū)東部承災體易損性也較差，導致滄州市區(qū)東部的雷暴災害發(fā)生風險高于東部。

關鍵詞?雷暴氣象災害;GIS分析技術;風險區(qū)劃;加權綜合評價方法;滄州市

中圖分類號?P446文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）07-0229-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.065

Risk?Assessment?of?Meteorological?Disasters?in?Heavy?Thunderstorm?in?Cangzhou?City?Based?on?GIS

WANG?Wentao1，?GAO?Cao1，?HAN?Dianchen2?et?al

（1.?Limited?Company?of?State?Power?Environmental?Protection?Research?Institute，?Nanjing，?Jiangsu?210031;2.?Collaborative?Innovation?Center?on?Forecast?and?Evaluation?of?Meteorological?Disasters/Jiangsu?Key?Laboratory?of?Agricultural?Meteorology，?Nanjing?University?of?Information?Science?&?Technology，?Nanjing，?Jiangsu?210044）

Abstract?Based?on?the?risk?assessment?theory?of?natural?disasters，?an?assessment?system?is?established，?which?mainly?includes?the?risk?of?disastercausing?factors，?the?sensitivity?of?disasterpregnant?environment，?the?vulnerability?of?disasterbearing?bodies?and?the?ability?of?disaster?prevention?and?resistance.?The?risk?of?thunderstorm?meteorological?disasters?in?Cangzhou?City?is?evaluated?by?using?the?index?of?light?frequency，?maximum?thunderstorm?speed，?natural?environment?and?social?economy?from?2010?to?2018，?using?GIS?analysis?technology?and?weighted?comprehensive?evaluation?method.?The?results?show?that?the?high?risk?areas?of?thunderstorm?disasters?in?large?areas?are?mainly?located?in?Renqiu，?Cangzhou，?north?Haixing?and?southeast?Huanghua，?mainly?due?to?the?high?risk?of?galeinduced?disasters.?The?environmental?sensitivity?and?carrier?vulnerability?in?the?westcentral?region?lead?to?a?lower?risk?of?gale?disasters.?The?vulnerability?of?the?bearing?body?in?Cangzhou?City?is?particularly?high，?and?the?vulnerability?of?the?disasterbearing?body?in?the?eastern?part?of?the?city?is?also?poor，?resulting?in?higher?risk?of?gale?disasters?in?the?eastern?part?of?Cangzhou?City?than?in?the?eastern?part.

Key?words?Thunderstorm?meteorological?disasters;GIS?analysis?technology;Risk?zoning;Weighted?comprehensive?evaluation?method;Cangzhou?City

基金項目?淮河流域氣象開放研究基金項目（HRM201804）;中國氣象局氣候變化專項（CCSF201809）。

作者簡介?王文韜（1983—），男，江蘇南京人，中級工程師，碩士，從事大氣與環(huán)境評估研究。通信作者。

收稿日期?2019-09-11

雷暴是由旺盛積雨云所引起的伴有閃電、雷鳴和強降雨的局地風暴。通常把只伴有降雨的雷暴稱為“一般雷暴”，把伴有雷雨、大風、冰雹、龍卷風等嚴重災害性天氣現象之一的雷暴稱為“強雷暴”。而自然災害是人類依賴的自然界中所發(fā)生的異常現象，它具有自然和社會兩重屬性，是人類一直以來面臨的重大挑戰(zhàn)[1-4]。當雷暴給人類社會帶來危害時，即構成雷暴災害。它能迅速影響人類社會中電力、通訊、網絡等方面，對人的生命安全以及城市建設構成威脅，嚴重阻礙城市發(fā)展[5-9]。因此在全球變暖、氣候變化速率加快以及極端天氣事件頻發(fā)的背景下[10]，對當地雷災進行區(qū)劃評估有著重要的現實意義。

雷暴災害風險區(qū)劃大體可以分為災情統計模型、簡單因子疊加模型和概率分布模型，眾多專家學者對其進行了大量研究，選擇從雷暴災害災度方面，重點突出了雷暴災害發(fā)生后所造成的經濟損失和人口傷亡等，并根據災害后果進行雷暴災害風險區(qū)劃[11]。但是對防災減災能力的研究評估尚有不足，增加了防雷救災方面的投入與不確定性，阻礙了災害防御的進展[12]。目前有關滄州市雷暴成災原因、災害分布、防災抗災等方面的研究還存有一定空白。為此，筆者從致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性、防災減災能力4因子出發(fā)，加權綜合評估了滄州市雷暴氣象災害的分布。

1?資料與方法

1.1?資料來源

氣象資料來源于河北省滄州市2010—2018年192個區(qū)域自動站和14個國家自動站的逐日雷暴資料。自然地理數據來自中國科學院地理科學與資源研究所，包括滄州市1∶50?000縣行政邊界（圖1）、土地利用數據、河網密度、河流水系數據、數字高程模型（DEM）數據等。社會統計數據來自于滄州市統計部門，包括滄州市6個縣的人口密度、國民生產總值（GDP）、地均GDP、耕地比重等。

1.2?研究方法

根據自然災害風險形成機理[13-15]，滄州市雷暴災害風險區(qū)劃綜合考慮致災因子危險性（VE）、孕災環(huán)境敏感性（VS）、承災體易損性（VH）和防災減災能力（VR），制定滄州市雷暴災害風險指標體系（圖2），采用加權綜合評價法[16]來評估雷暴氣象災害風險（V），即：

V=VE×WE+VS×WS+VH×WH+VR×WR（1）

式（1）中，V越大，則表明該地區(qū)發(fā)生災害的可能性越大，其中Wx表示權重，采用層次熵權分析法[14，17]確定。由于各指標量綱不同，故對各指標值進行歸一化處理，即：

Dij=0.5+0.5×Aij-AminAimax-Aimin（2）

式（2）中，Dij為因子j的第i個指標的歸一化值，Aij為因子j的第i個指標值，Aimin和Aimax分別是第i個指標值當中的最小值和最大值。

2?雷暴災害風險評估

2.1?致災因子危險性

由災害學的觀點可知，致災因子為表明一切可能引起人員傷亡、財產損失以及資源破壞的自然和人文變異因素，它是多種事故甚至災害的危險源頭[18]。極大雷電活動頻次是形成雷暴災害的主要因素，具有瞬時性和破壞性等特點。因此，筆者利用雷暴觀測站在定時天氣觀測時次任意一天聽到1次以上的雷聲就算1個雷暴日;利用滄州市雷暴資料，計算雷暴頻率，利用百分位法將其分為5個等級，作為致災因子危險性的判定指標[19]。

由圖3可知，滄州市雷暴致災因子危險性風險較高，接近1/2的地區(qū)處在次高風險區(qū)及以上水平，只有少數地區(qū)屬

于次低風險區(qū)以及低風險區(qū)。黃驊西南部地區(qū)、海興西北部地區(qū)屬于致災因子危險性高風險區(qū)，任丘中南部地區(qū)、河間中部地區(qū)、獻縣中北部地區(qū)、滄州市區(qū)、滄縣東南部地區(qū)、泊頭東部地區(qū)、南皮西北部地區(qū)、青縣東南部地區(qū)、孟村及鹽山東北部地區(qū)、黃驊北部與海興東南部地區(qū)屬于次高風險區(qū)，發(fā)生雷暴氣象災害時，強大的雷電波能產生巨大的破壞力和很強的電磁干擾，對建筑物、電力、通訊、計算機、網絡等設備造成重大破壞，對當地經濟建設造成極大威脅。任丘中北部地區(qū)、河間東部及西部地區(qū)、肅寧、獻縣與泊頭東部地區(qū)、東光東北部地區(qū)、滄縣西北部地區(qū)、南皮東南部地區(qū)、青縣北部地區(qū)、孟村與鹽山西南部地區(qū)、黃驊北部地區(qū)、海興東部地區(qū)屬于中等風險區(qū)。滄州市縣界行政區(qū)劃圖外圈地區(qū)屬于次低風險區(qū)及低風險區(qū)，雷暴氣象災害發(fā)生頻次較少，同時極大雷電活動的頻次較低。

2.2?承災體易損性

承災體易損性是指受災期間發(fā)生雷暴氣象災害的環(huán)境破壞程度。損害程度一般取決于該地區(qū)的人口密度、經濟和土地利用類型[16]。耕地面積分布反映了一個地區(qū)的農業(yè)發(fā)展水平[14]，當災害影響到大面積的耕地時，由農業(yè)產生的連鎖反應會輻射到城市發(fā)展的方方面面，嚴重制約城市化發(fā)展。該研究主要考慮人口密度、GDP密度和耕地占比3個指標，計算公式如下：

VS=VSP×WP+VSG×WG+VSC×WC（3）

式（3）中，VS、VSP分別代表總易損性、人口易損性，VSG和VSC分別代表經濟易損性和耕地面積易損性。

48卷7期?王文韜等?基于GIS的滄州市雷暴氣象災害風險評估

由圖4可見，雷暴氣象災害承災體易損性因子對滄州市影響程度相差不大，除任丘市中部地區(qū)及滄州市區(qū)外，其他地區(qū)人口密度、GDP的發(fā)展和耕地占比情況相近，多屬于低風險區(qū)，若發(fā)生雷暴氣象災害，單位面積上的經濟損失與受災人口較少;任丘市外圍屬于次低風險區(qū)，中部地區(qū)屬于次高風險區(qū)，風險高于全市大部分地區(qū)。由于任丘市人口密度與GDP發(fā)展屬滄州市前列，故雷暴災害發(fā)生時所造成的人員傷亡以及社會財產的損失都要比其他大部分地區(qū)嚴重;滄州市區(qū)中的運河區(qū)與新華區(qū)屬于高風險區(qū)，是全市范圍內風險最高的地區(qū)，由于市區(qū)中城市人口偏多，分布較為密集，城市化水平較高，社會經濟發(fā)展狀況好，所以一旦雷暴災害發(fā)生，就會給當地的社會經濟建設以及人們的人身安全造成極大的威脅。

2.3?孕災環(huán)境敏感性

孕災環(huán)境敏感性是指雷暴災害承災體外部環(huán)境對損害的敏感性。地形和水體結構是敏感性的主要影響因素[18]。地形主要考慮高程和地形變化（以高程標準差表示），并采用不同的值組合[20]（表1）。考慮水系對氣象災害地區(qū)造成的影響，將河流緩沖區(qū)分為2級（6、10?km），分別賦值0.9、0.8，非緩沖區(qū)取0.5。經歸一化后，孕災環(huán)境敏感性（VH）計算公式如下：

VH=VHDEM×WD+WHRI×RI（4）

式（4）中，VHDEM和VHRI分別代表因地形原因造成的影響和因水系結構與分布造成的影響，WD和WRI分別為兩者權重。根據層次熵權分析法[21-22]，WD和WRI分別賦值0.6、0.4，水系數據考慮河網密度和河流水系。采用加權綜合評價法[23]，繪制滄州市孕災環(huán)境敏感區(qū)劃圖（圖5）。

由圖5可以看出，滄州市孕災環(huán)境危險性總體表現出由西南向東北地區(qū)逐步上升趨勢。高風險區(qū)主要分布在黃驊、青縣、海興地區(qū)的東北部。次高風險區(qū)分布在青縣和黃驊、海興地區(qū)的西南部以及任丘、滄縣、鹽山地區(qū)的東北部，其中黃驊市地區(qū)高風險區(qū)面積最大、危險程度最高，吳橋地區(qū)低風險區(qū)面積最大、危險程度最小。其主要原因可能是滄州市位于冀中平原東部，整體地勢較為平坦，地形類型較少，多以平原為主，且變化起伏較小，自西南向東北傾斜，高風險區(qū)在發(fā)生雷暴災害時，平坦的地勢不易使雷電減小，災害對農業(yè)、交通業(yè)造成很大威脅。所以在這些風險較高區(qū)域，建議加強城市綠化作業(yè)，使得城市抗雷能力有所加強。

2.4?防災減災能力

防災減災能力體現了一個地區(qū)在受災后的承載能力大小與災后重建能力的強弱，是除去自然災害形成因子之外的重要因素，對氣象災害風險評估有著很大作用。防災減災能力包括工程措施和非工程措施，與當地的經濟發(fā)展水平密切相關，所以筆者主要采用人均GDP和耕地面積2個指標來反映這一地區(qū)的防災減災能力。

由圖6可以看出，防災減災能力危險性對滄州市地區(qū)的影響程度較為嚴重，這與滄州市的經濟發(fā)展不均衡是密不可分的。其中，河間、獻縣、泊頭、南皮、吳橋、鹽山、海興屬于高風險區(qū)，防災減災能力較差，這些地區(qū)人均GDP發(fā)展水平相對較低，大風災害發(fā)生后的承受能力還有很大的提升空間;滄縣、肅寧、青縣、東光、孟村以及黃驊西南部和東北部地區(qū)屬于次高風險區(qū)，這些地區(qū)人均GDP與旱澇保收能力處在中下等發(fā)展水平，防災能力比高風險區(qū)有一定提升，任丘市外圍、黃驊市中部地區(qū)和滄州市區(qū)屬于中等風險區(qū)，這些地區(qū)的經濟發(fā)展水平就滄州市而言處于領先水平，但人口密度較大，需要進一步提高群眾防災能力;任丘市中部屬于次低風險區(qū)，這是因為任丘市經濟發(fā)展處于全市前列，GDP高達641.1億元，同時任丘市中部城市體系較完備，居民防災意識處于全市領先水平。綜上，建議滄州市應大力推動高風險地區(qū)的經濟建設，增強居民在面對災害發(fā)生時的應變處理能力。同時在公共場地多建立避難設施，提高防災抗災能力。

2.5?雷暴災害風險區(qū)劃

綜合上述4因子區(qū)劃結果后，將4因子數據進行歸納加權得出雷暴氣象災害風險指數，利用百分位法將災害風險指數劃分為5個等級（高風險區(qū)、次高風險區(qū)、中等風險區(qū)、次低風險區(qū)、低風險區(qū)），以GIS空間分析技術為支持，繪制雷暴氣象災害風險區(qū)劃圖（圖7）。

2.5.1

次高風險區(qū)。主要分布在任丘中部地區(qū)、黃驊東南部地區(qū)、海興中北部地區(qū)，滄州市西部地區(qū)也屬于氣象災害次高風險區(qū)。滄州市區(qū)及任丘地區(qū)人口密度較大，發(fā)展水平處于全市領先位置，一旦發(fā)生雷暴氣象災害，對當地經濟發(fā)展影響很大，綜合4因子后確定該地區(qū)屬于雷暴災害次高風險區(qū);海興北部與黃驊市東南部地區(qū)，次高風險區(qū)域面積最大，雖然該區(qū)域承災體易損性風險較低，但是孕災環(huán)境敏感性風險高，災后重建能力還需要進一步提升，綜合4因子后確定該地區(qū)屬于雷暴災害次高風險區(qū)。

2.5.2?中等風險區(qū)。主要分布在高風險區(qū)、次高風險區(qū)外側還有青縣西南及北部，南皮西部地區(qū)、泊頭東部地區(qū)、河間中西部地區(qū)也屬于中等風險區(qū)。其中黃驊北部及海興南部地區(qū)，孕災環(huán)境敏感性風險較高，綜合4因子考量后確定該地區(qū)為雷暴風險中等風險區(qū)。

2.5.3?低風險區(qū)和次低風險區(qū)。主要分布在河間東部地區(qū)、東光東部及西部地區(qū)、南皮東部地區(qū)、鹽山西部地區(qū)、青縣北部地區(qū)、南排河和臨港及港城區(qū)、肅寧、獻縣、滄縣、吳橋和泊頭的大部分地區(qū)。其中肅寧、獻縣、泊頭、滄縣、吳橋孕災環(huán)境敏感性風險較低，南排河和臨港及港城區(qū)地區(qū)承災體易損性風險較低，綜合4因子后，確定南排河和臨港及港城區(qū)屬于低風險區(qū)，肅寧、獻縣、泊頭、滄縣、吳橋地區(qū)屬于次低風險區(qū)。

3?結論與討論

（1）滄州市雷暴災害分布不均勻，整體來看東部地區(qū)和西北部地區(qū)雷暴災害風險較高，高風險區(qū)外圍地區(qū)及南部大部分地區(qū)雷暴氣象災害綜合風險級別中等，其大部分地區(qū)為次低風險區(qū)和低風險區(qū)，高風險區(qū)面積較小。東部地區(qū)及西

北部地區(qū)雷暴氣象災害發(fā)生頻次較多，災害強度較大。中風險區(qū)主要分布在河間、青縣、南皮西部地區(qū)、海興西南部地區(qū)、鹽山東部地區(qū)、黃驊北部地區(qū)，其中河間、青縣、南皮、黃驊中風險區(qū)域面積最大，致災因子危險性較高，雷暴發(fā)生頻次較高，災害強度較大，建議加強這些地區(qū)的城市綠化建設，增加災害避難場所，增強對雷暴災害的應對能力。任丘、黃驊地區(qū)防災減災能力較差，發(fā)生雷暴氣象災害時，難以及時針對災害進行有效應對，災后重建能力較弱，因此出現次高風險區(qū)。

（2）城市雷暴災害是一個復雜的系統，風險評估影響因素眾多，筆者僅從有限評價指標對滄州市雷暴氣象災害進行了風險區(qū)劃分析，存在一定的局限性，今后在研究風險區(qū)劃時，應進一步完善和優(yōu)化雷暴災害形成機理，建立更加科學合理的城市雷暴氣象災害風險區(qū)劃模型。

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