基于雷電易發(fā)評價體系下的廣西雷電區(qū)劃

郭 媛，盧炳夫，黃伊曼

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022）

引言

廣西是我國雷電高發(fā)區(qū)之一，根據(jù)多年人工觀測雷暴日數(shù)據(jù)和不完全雷災(zāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每年平均雷暴日在60～90d 之間，沿海地區(qū)例如防城港東興市高達(dá)105d，內(nèi)陸地區(qū)例如河池市的天峨縣約為51d。廣西也屬于雷災(zāi)頻發(fā)的省份之一，自2000 年以來，廣西共發(fā)生2 600 余起雷災(zāi)事件，400 余起雷擊人員傷亡事件，造成人員傷亡800 余人。

雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃是通過科學(xué)、系統(tǒng)的評估計算，根據(jù)風(fēng)險值的大小判斷一定區(qū)域范圍內(nèi)的雷電災(zāi)害風(fēng)險等級，為區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃是相關(guān)法律法規(guī)賦予氣象部門的職責(zé)，《氣象災(zāi)害防御條例》、《國務(wù)院關(guān)于優(yōu)化建設(shè)工程防雷許可的決定》以及《廣西區(qū)政府關(guān)于優(yōu)化建設(shè)工程防雷許可的意見》 等文件都對雷電區(qū)劃（包括雷電易發(fā)和雷電災(zāi)害風(fēng)險）提出了相關(guān)要求。

近些年來，國內(nèi)學(xué)者［1-15］對很多省區(qū)的雷電災(zāi)害易損性評估與易發(fā)區(qū)域劃分已經(jīng)做了相關(guān)的研究，研究成果為當(dāng)?shù)刈龊美纂姙?zāi)害防御提供了一定的科學(xué)理論支撐。但目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，造成雷電區(qū)劃結(jié)果不統(tǒng)一。雷電易發(fā)和雷電災(zāi)害風(fēng)險概念的混淆，讓雷電區(qū)劃在實(shí)際工作開展中存在一定難度，氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)指南》（QX／T 405-2017）在2018 年4 月開始實(shí)施，但對于雷電易發(fā)區(qū)域的概念，目前沒有明確的定義。

本文基于廣西雷暴觀測資料、多維雷電監(jiān)測定位資料，以閃電密度為評估要素，通過層次分析模型，以及廣西地理信息數(shù)據(jù)、雷災(zāi)數(shù)據(jù)、人口和GDP統(tǒng)計資料，推算廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險值，在此基礎(chǔ)上，采用自然斷點(diǎn)法，進(jìn)行廣西雷電風(fēng)險區(qū)域，以期為廣西雷電災(zāi)害防御提供參考依據(jù)。

1 資料與和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用了廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心提供的1960 年—2013 年廣西地面觀測雷暴資料；廣西壯族自治區(qū)防雷中心提供的2009 年—2018 年二維閃電監(jiān)測定位資料、2016 年—2018 年三維閃電監(jiān)測定位資料、2000 年—2019 年雷災(zāi)資料；廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計局網(wǎng)站2005 年—2018 年年鑒的人口和GDP資料；中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：／ ／www.resdc.cn）下載的廣西DEM 1km 高程數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 研究方法

以廣西111 個區(qū)縣行政區(qū)域和1276 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)域?yàn)樵u估單元，進(jìn)行廣西雷電易發(fā)區(qū)域劃分和廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。采用層次分析法進(jìn)行風(fēng)險分析，采用自然斷點(diǎn)法、模糊C-均值聚類算法進(jìn)行風(fēng)險等級劃分。雷電易發(fā)區(qū)域劃分只使用雷電觀測資料，包括地面雷暴觀測資料、二維雷電監(jiān)測定位資料、三維雷電定位監(jiān)測資料。雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃除使用雷電觀測資料外，增加環(huán)境高程數(shù)據(jù)、雷災(zāi)數(shù)據(jù)、人口資料、GDP 資料。

1.2.2 模型建立—層次分析法

（1）雷電易發(fā)區(qū)劃評價指標(biāo)體系

廣西雷電易發(fā)風(fēng)險的分析中，選取閃電密度（二維閃電數(shù)據(jù)D1，三維閃電數(shù)據(jù)D2）、人工觀測雷暴日（D3）3 個指標(biāo)描述雷電災(zāi)害的外動力特征。

（2）雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃評價指標(biāo)體系

廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險的分析中，選取閃電密度（D）、雷災(zāi)頻度（T）、環(huán)境高程（H）、人口密度（P）及GDP 密度（G）5 個指標(biāo)描述雷電災(zāi)害的外動力、致災(zāi)敏感性、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體特征。

（3）評價模型建立

第一步，在雷電風(fēng)險評估過程中，分三層構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)的模型［16］：第一層，雷電危險度目標(biāo)層；第二層，雷電風(fēng)險形成條件準(zhǔn)則層；第三層，影響因素指標(biāo)層。

第二步，根據(jù)雷電風(fēng)險各項評估指標(biāo)的權(quán)重，建立權(quán)重判斷矩陣。求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再加權(quán)和的方法遞階歸并各備擇方案對總目標(biāo)的最終權(quán)重，此最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。利用層次模型和評估指標(biāo)，構(gòu)建判斷矩陣T，兩兩要素采用Saaty 標(biāo)度法相互比較。

第三步，通過一致性檢驗(yàn)。

第四步，計算出評價指標(biāo)的權(quán)重值。對比較矩陣求出最大特征根值rmax 和特征向量W，對特征向量進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理后，即為各指標(biāo)的權(quán)重。

第五步，通過計算出各項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，并得到權(quán)重矩陣（R），結(jié)合風(fēng)險評估歸一化指數(shù)X.得到風(fēng)險評估數(shù)學(xué)模型為W=∑R·X。即為雷電區(qū)劃風(fēng)險值。

1.2.3 等級劃分

（1）自然斷點(diǎn)法（雷電易發(fā)區(qū)劃）

自然斷點(diǎn)法［17］認(rèn)為數(shù)據(jù)本身存在斷點(diǎn)，可利用數(shù)據(jù)的此特點(diǎn)進(jìn)行雷電風(fēng)險分級。聚類是它的算法原理。當(dāng)組間方差最大同時組內(nèi)方差最小，聚類結(jié)束。

（2）模糊C-均值聚類算法（雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃）

模糊C-均值聚類算法［18］fuzzy c-means algorithm（FCMA）或稱（FCM）。它通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)得到每個樣本點(diǎn)對所有類中心的隸屬度，從而決定樣本點(diǎn)的類屬以達(dá)到自動對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的目的。采取迭代的方式求解，直到滿足收斂條件，得到最優(yōu)解。

2 雷電區(qū)劃技術(shù)流程

2.1 廣西雷電易發(fā)區(qū)劃

根據(jù)廣西三維雷電定位資料、ADTD 二維雷電定位資料以及人工雷暴觀測資料綜合劃分（如圖1所示）廣西雷電易發(fā)區(qū)域及其防范等級［19］，根據(jù)表1，對二維閃電密度、三維閃電密度及人工雷暴觀測資料閃電密度進(jìn)行兩兩相互比較?？紤]閃電定位監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列雖然較短（ADTD 二維閃電數(shù)據(jù)為11 年，三維閃電數(shù)據(jù)為3 年），但是較人工雷暴觀測資料其探測精度更高，探測范圍更大，同時受人為因素、地形因素干擾小，更能真實(shí)反映廣西雷電活動的客觀規(guī)律特征，因此，其權(quán)重較人工雷暴觀測數(shù)據(jù)大。而在閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)中，三維閃電監(jiān)測站網(wǎng)更密集（全區(qū)20 個站點(diǎn)），探測精度更高，探測范圍更大，同時還能探測云閃，因此認(rèn)為其權(quán)重較ADTD 二維閃電數(shù)據(jù)也較為重要。通過判斷矩陣賦值，求解得出閃電密度（二維D1，三維D2）、雷暴日（D3）合理權(quán)重系數(shù)：

表1 成對比較矩陣標(biāo)度含義

計算0.01°×0.01°空間分辨率廣西綜合閃電密度Dij，并結(jié)合廣西鄉(xiāng)鎮(zhèn)地圖矢量邊界，計算廣西鄉(xiāng)鎮(zhèn)級平均閃電密度D。

圖1 廣西雷電易發(fā)區(qū)劃技術(shù)流程圖

2.2 廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

依據(jù)廣西雷電的氣候分析，按照雷電災(zāi)害風(fēng)險的程度、易損的影響，不斷充實(shí)評價指標(biāo)（如圖2所示），不斷探索數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，科學(xué)建立評價模型，包含外動力、致災(zāi)敏感性、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體［20-22］，構(gòu)建雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃評估體系，模型第一層為總目標(biāo)層，雷電災(zāi)害風(fēng)險評估值（f）；第二層為影響因子層，包含外動力、致災(zāi)敏感性、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體4 個因素；第三層為影響因子要素層，包含人工雷暴閃電密度（D1）、二維閃電密度（D2）、三維閃電密度（D3）、雷災(zāi)頻度（T）、環(huán)境高程（H）、人口密度（P）及GDP 密度（G）7 個影響要素。

圖2 廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)流程圖

根據(jù)表1，對各層次評估指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較并賦值（如表2 所示），構(gòu)造判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。通過雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃評估值（f）的數(shù)學(xué)模型，可計算得到廣西各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估值f。

表2 影響因子層判斷矩陣賦值表

3 結(jié)果與分析

3.1 廣西雷電易發(fā)區(qū)劃

依據(jù)廣西閃電定位系統(tǒng)資料及人工雷暴觀測資料，通過對閃電密度進(jìn)行權(quán)重分析［23］，利用均值聚類法將廣西雷電易發(fā)區(qū)域劃分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中等易發(fā)區(qū)（表3）。

表3 廣西雷電易發(fā)區(qū)劃分級比率

極高易發(fā)區(qū)是雷電活動最頻繁，落雷最為密集的地區(qū)，約為3.87 萬km2，占廣西鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的16.61%；高易發(fā)區(qū)是雷電活動較為頻繁，落雷相對密集的地區(qū)，約為9.31 萬km2，占鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的36.13%；中等易發(fā)區(qū)是雷電活動一般的地區(qū)，約為10.58 萬km2，占鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的47.26%。雷電易發(fā)區(qū)域在廣西全區(qū)呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢，雷電極高易發(fā)區(qū)域主要集中在南寧南部、防城港東南部、欽州西部、貴港東部、梧州中北部、賀州西南部；雷電高易發(fā)區(qū)域集中在北海、玉林、梧州南部、南寧中東部、崇左東部、來賓、百色中部、柳州中部、桂林西南部；雷電中等易發(fā)區(qū)域集中在崇左中北部、百色南部和北部、河池大部、柳州北部和南部、桂林大部（圖3）。

3.2 廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

依據(jù)廣西雷電氣候分析，按照雷電災(zāi)害風(fēng)險程度、雷災(zāi)易損影響和區(qū)縣行政區(qū)劃，采用自然斷點(diǎn)法，中等風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)的中斷值為0.1537，高風(fēng)險區(qū)和極高風(fēng)險區(qū)的中斷值為0.2107。根據(jù)中斷值0.1537 和0.2107 繪制廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖，將廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險劃分為極高風(fēng)險、高風(fēng)險和中等風(fēng)險三個等級［14，24］。廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險處于極高等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占全區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的9.6%，高等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有29.1%，中等風(fēng)險的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占61.3%。其中，防城港、欽州、梧州、貴港、南寧、柳州市處于雷電災(zāi)害風(fēng)險極高等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占比較多；百色、玉林、來賓市處于雷電災(zāi)害風(fēng)險高等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占比較多；整體上，風(fēng)險等級呈沿海向內(nèi)陸遞減的趨勢（圖4）。

圖3 廣西鄉(xiāng)鎮(zhèn)級雷電易發(fā)區(qū)劃圖

4 結(jié)論與討論

依據(jù)廣西雷電數(shù)據(jù)指標(biāo)評價體系，面向不同評估單元和應(yīng)用對象，通過層次分析模型，計算致災(zāi)因子（雷電密度，包括雷暴日和閃電數(shù)據(jù)），將廣西雷電易發(fā)區(qū)域劃分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中等易發(fā)區(qū)；在雷電易發(fā)區(qū)劃的基礎(chǔ)上，通過加載雷災(zāi)頻度、環(huán)境高程、人口密度及GDP 密度等承災(zāi)體及脆弱性特征，將廣西雷電災(zāi)害風(fēng)險劃分為極高風(fēng)險、高風(fēng)險和中等風(fēng)險三個等級，其中極高易發(fā)區(qū)域主要分布在桂南、桂東南及桂東地區(qū)，雷電完善風(fēng)險等級區(qū)劃分布規(guī)律基本一致。鑒于廣西雷電活動的頻繁程度和受災(zāi)影響嚴(yán)重程度，現(xiàn)階段廣西雷電區(qū)劃結(jié)果中，雷電易發(fā)區(qū)劃未設(shè)定低易發(fā)區(qū)，雷電災(zāi)害風(fēng)險未設(shè)定低風(fēng)險等級。

綜合來看，廣西雷電高易發(fā)區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險也相對較大；雷電易發(fā)區(qū)劃能較好地反映廣西雷電活動變化及雷電氣候特征。雷電敏感行業(yè)可以根據(jù)所在區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果，使雷電災(zāi)害風(fēng)險防范措施更有針對性和靶向性。

圖4 廣西鄉(xiāng)鎮(zhèn)級雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖