2010—2019年青海省雷電災(zāi)害綜合風(fēng)險區(qū)劃

李文輝，劉 鑫，吳 讓，鐘元龍，買永瑞，王 軍，韓炳宏

(1.青海省共和縣氣象局，青海 共和 813000；2.青海省興?？h氣象局，青海 興海 813300；3.青海省海南藏族自治州氣象局，青海 共和 813000；4.青海省雷電災(zāi)害防御中心，青海 西寧 810001；5.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

引 言

雷電是發(fā)生于大氣中的一種瞬時高電壓、大電流、強(qiáng)電磁輻射災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。雷電災(zāi)害泛指雷擊或雷電電磁脈沖入侵和影響造成人員傷亡或物體受損，其部分或全部功能喪失，釀成不良的社會和經(jīng)濟(jì)后果的事件[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，雷電常造成人員和牲畜傷亡、導(dǎo)致農(nóng)田及漁業(yè)損失，嚴(yán)重制約社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2-4]。據(jù)統(tǒng)計，全球平均每分鐘發(fā)生雷暴天氣2.0×103次，每年雷電災(zāi)害造成數(shù)萬人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億美元[5]。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)害是聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一[6]。

目前，雷電災(zāi)害研究主要基于人工觀測資料及雷電災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失等[7-10]基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析雷電災(zāi)害的時間變化[11-13]和活動規(guī)律[14-17]，但人工觀測數(shù)據(jù)空間分辨率較低，難以滿足雷電災(zāi)害風(fēng)險的精細(xì)化需求。近年來，隨著閃電定位技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，雷電觀測由人工觀測轉(zhuǎn)為自動觀測。有關(guān)雷電災(zāi)害研究更多地開始采用閃電定位監(jiān)測資料[18-19]，并在雷電災(zāi)害風(fēng)險評估等方面得到較好的應(yīng)用[20]。目前，我國關(guān)于雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的研究較多，主要集中在新疆[5]、內(nèi)蒙古[6]、山東[21]、貴州[20]、浙江[22]、安徽[23]、河北[24-25]、河南[26]等地，然而有關(guān)高海拔地區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃的研究鮮見報道。

青海省地處青藏高原東北部，境內(nèi)分布有我國乃至亞洲面積最大的青海湖和海拔較高的昆侖山、念青唐古拉山、祁連山、巴顏喀拉山和阿尼瑪卿雪山等山脈，因其地理位置的特殊性，青海冬季在蒙古冷高壓控制下漫長而寒冷，夏季因極度起伏的地表和強(qiáng)烈的加熱作用，局部強(qiáng)對流天氣頻發(fā)[3]。另外青南牧區(qū)水汽輸送過程中動量和熱量的迅速轉(zhuǎn)移及高原北部地形云(orographic cloud)的發(fā)展活躍[27]，是該地區(qū)極易形成局地強(qiáng)對流和雷暴大風(fēng)天氣的重要因素之一。近10 a來，青海大部極端天氣強(qiáng)度增強(qiáng)、發(fā)生頻次增多[4]，省內(nèi)頻繁出現(xiàn)干旱、雪災(zāi)、大風(fēng)、寒潮、冰雹、低溫凍害和雷電災(zāi)害[28-31]，嚴(yán)重阻礙人們的生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。加之青海新一代天氣雷達(dá)探測存在盲區(qū)，且受探測距離限制，不能全面、及時、有效地對局地強(qiáng)對流天氣進(jìn)行探測。隨著ADTD閃電定位監(jiān)測網(wǎng)的建成，閃電定位儀可以連續(xù)監(jiān)測雷電活動，確定雷電活動的區(qū)域、特點(diǎn)、強(qiáng)度和路徑等。因此，本文通過對青海省閃電定位監(jiān)測資料和雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，旨在厘清該地區(qū)雷電活動規(guī)律及分布特征，以期為相關(guān)部門提高防雷減災(zāi)管理水平及雷電預(yù)警預(yù)報水平等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源及處理

2007年青海境內(nèi)的閃電定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建成，閃電定位資料來源于青海省33個自動閃電定位監(jiān)測站，其探測范圍為150 km，覆蓋48個縣(市、區(qū))(圖1)。閃電定位儀設(shè)備型號為ADTD(平均探測效率：90%；觀測頻段：1～450 kHz；探測范圍：0～150 km；測向精度：理論隨機(jī)誤差0.5°；回?fù)舴直媛剩涸频亻W3 ms；時間接收源精度：相對世界時間為130 ns，相鄰探測儀間的時間接受精度<50 ns；工作環(huán)境溫度：-40～60 ℃；環(huán)境相對濕度：0～100%)，閃電中心采用時差測向聯(lián)合定位算法，從而保證其精度。前期因儀器斷電、網(wǎng)絡(luò)問題、通信線纜中斷及NPORT損壞等，導(dǎo)致2007—2009年的閃電監(jiān)測資料不連續(xù)且穩(wěn)定性差，故選取2010—2019年閃電定位監(jiān)測資料(數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定且具有代表性)，所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2007和ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行整理統(tǒng)計和處理分析。

圖1 青海省閃電定位儀分布Fig.1 Distribution of lightning locator sited in Qinghai Province

文中附圖涉及地圖均是基于青海省測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1.2 方 法

1.2.1 數(shù)據(jù)均一化

為消除各指標(biāo)之間的量綱差異，對參與柵格計算的每一個指標(biāo)進(jìn)行均一化處理，具體公式[32]如下：

(1)

式中：Xi是第i個指標(biāo)的均一化值；Mi是第i個指標(biāo)的值；Mimax是第i個指標(biāo)數(shù)據(jù)集中的最大值；Mimin是第i個指標(biāo)數(shù)據(jù)集中的最小值。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

目前國內(nèi)大多研究均采用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定[6,33-34]，但層次分析法受主觀因素影響較大，忽略了不同地區(qū)誘發(fā)雷電形成的指標(biāo)不同，研究結(jié)果難以真實(shí)反映各地雷電災(zāi)害的實(shí)際情況。因此，本文前期通過對青海省各市(州)氣象部門調(diào)研，向從事防雷減災(zāi)工作的一線業(yè)務(wù)人員發(fā)放調(diào)查問卷6000余份，實(shí)收調(diào)查問卷5841份，通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)查問卷和數(shù)據(jù)分析獲得各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，表1列出統(tǒng)計結(jié)果。

表1 青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指標(biāo)的分級權(quán)重Tab.1 Classification weights of lightning disaster risk zoning indexes in Qinghai Province

1.2.3 風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建

(1)致災(zāi)因子危險性

致災(zāi)因子是可能造成財產(chǎn)損失和人員傷亡的各種自然現(xiàn)象，是綜合反映某一區(qū)域?yàn)?zāi)害程度的重要指標(biāo)。誘發(fā)高海拔地區(qū)雷電災(zāi)害的因子較多，主要表現(xiàn)為雷電活動范圍和強(qiáng)度等，具體有閃電次數(shù)、正負(fù)閃電流強(qiáng)度和雷暴日數(shù)。致災(zāi)因子危險性具體計算公式[33]如下：

H=0.20NG+0.14FA+0.06ZA+0.10LR

(2)

式中：H為致災(zāi)因子危險性；NG(次)為閃電次數(shù)；ZA、FA(kA)分別為正、負(fù)閃電強(qiáng)度；LR(d)為雷暴日數(shù)。

(2)孕災(zāi)環(huán)境敏感性

孕災(zāi)環(huán)境是指人類所處的自然地質(zhì)地理環(huán)境，包括地形地勢、海拔高度、山川水系分布及地質(zhì)地貌等。雷電災(zāi)害的形成環(huán)境較為復(fù)雜，主要由地形、地貌特征以及所處環(huán)境的氣候條件決定，包括海拔和地形起伏度。孕災(zāi)環(huán)境敏感性具體計算公式[33]如下：

E=0.14 DEM+0.14 SLOPE

(3)

式中：E為孕災(zāi)環(huán)境敏感性；DEM(m)為海拔高度；SLOPE(°)為坡度。

(3)承災(zāi)體脆弱性

承災(zāi)體是指直接受到災(zāi)害影響和損害的人類社會主體，主要包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、建筑業(yè)、交通、通信、教育、文化、娛樂、各種減災(zāi)工程設(shè)施及生產(chǎn)、生活服務(wù)設(shè)施等[35]，是衡量災(zāi)害后直接或間接損失評估的重要對象。雷電活動影響人們的生命財產(chǎn)和生產(chǎn)生活水平，本文主要選取青海省的土地利用類型和人口密度進(jìn)行承災(zāi)體脆弱性分析，具體計算公式[33]如下：

S=0.072 LUT+0.048P

(4)

式中：S為承災(zāi)體脆弱性；LUT為土地利用類型；P(人)為人口密度。

(4)防災(zāi)減災(zāi)能力

防災(zāi)減災(zāi)能力是指受災(zāi)當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)應(yīng)急處置部門災(zāi)前對災(zāi)種的科學(xué)預(yù)警研判及災(zāi)后的應(yīng)急處置、綜合評估和恢復(fù)能力，主要包括氣象部門的天氣預(yù)報及預(yù)警預(yù)測、資金投放和醫(yī)療條件等方面(1)中華人民共和國國務(wù)院新聞辦公室.《中國的減災(zāi)行動》白皮書——國家綜合減災(zāi)“十一五”規(guī)劃. 2009.。通過一系列具體的工程和非工程措施對雷電災(zāi)害進(jìn)行前期防御，災(zāi)后應(yīng)急處置和恢復(fù)能力，包括災(zāi)前防雷電知識的科普與宣傳及災(zāi)后地方資金的投入和醫(yī)療處置工作。防災(zāi)減災(zāi)能力具體計算公式[33]如下：

R=0.065 GDP+0.035M

(5)

式中：R為防災(zāi)減災(zāi)能力；GDP(元)為地均GDP；M為醫(yī)療水平。

1.2.4 雷電災(zāi)害風(fēng)險模型

在李衣長等[33]構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出本文的風(fēng)險模型，并用統(tǒng)計學(xué)中的分位數(shù)分組法[29]進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險等級的劃分(表2)。風(fēng)險模型的計算公式[33]如下：

(6)

表2 青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險等級劃分Tab.2 Grades classification of lightning disaster risk in Qinghai Province

式中：F為雷電災(zāi)害風(fēng)險值；a,b,c,d,e,f,g,h,i,j為各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，分別表示致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境因子、承災(zāi)體因子以及防災(zāi)減災(zāi)能力對雷電災(zāi)害風(fēng)險值的貢獻(xiàn)程度。

2 結(jié)果分析

2.1 致災(zāi)因子危險性

圖2為2010—2019年青海省閃電次數(shù)、負(fù)閃強(qiáng)度、正閃強(qiáng)度、雷暴日數(shù)及致災(zāi)因子危險性等級的空間分布?？梢钥闯?，青海省閃電次數(shù)、正閃強(qiáng)度和負(fù)閃強(qiáng)度的空間分布表現(xiàn)為“區(qū)域一致性”，閃電次數(shù)較多、正負(fù)閃電流強(qiáng)度較強(qiáng)的地區(qū)主要分布于青海省中東部。其中，閃電次數(shù)以德令哈、烏蘭、天峻、興海、瑪沁和雜多縣最高；正、負(fù)閃電流強(qiáng)度高值區(qū)主要位于德令哈、烏蘭、都蘭、瑪多、達(dá)日、稱多、曲麻萊、玉樹、雜多和囊謙等地。青海省雷暴日數(shù)高值區(qū)主要分布在祁連山區(qū)局地和青海省南部。從致災(zāi)因子危險性等級分布可以看出，青海省中東部及南部致災(zāi)因子危險性較高，西部地區(qū)較低。

圖2 2010—2019年青海省閃電次數(shù)(a)、負(fù)閃強(qiáng)度(b)、正閃強(qiáng)度(c)、雷暴日數(shù)(d)及致災(zāi)因子危險性等級(e)的空間分布Fig.2 The spatial distribution of lightning numbers (a), the negative CG lightning intensity (b), the positive CG lightning intensity (c), thunderstorm days (d) and risk level of hazard factors (e) in Qinghai Province during 2010-2019

2.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性

圖3為青海省海拔高度、坡度及孕災(zāi)環(huán)境敏感性等級的空間分布。可以看出，孕災(zāi)環(huán)境敏感性等級的空間分布與海拔高度和坡度的空間分布基本一致。海拔高度越高，孕災(zāi)環(huán)境敏感性越高，反之，則敏感性越低。一般情況下，雷電多發(fā)生在高山山頂和川水地區(qū)。青海省孕災(zāi)環(huán)境中、高敏感區(qū)主要位于祁連山、昆侖山、念青唐古拉山、阿尼瑪卿雪山及青海湖南部的青海南山；低敏感區(qū)主要分布在柴達(dá)木盆地、共和盆地及東部農(nóng)業(yè)區(qū)。

圖3 青海省海拔高度(a)、坡度(b)及孕災(zāi)環(huán)境敏感性等級(c)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of elevation (a), slope gradient (b) and pregnancy disaster environment sensitivity level (c) in Qinghai Province

2.3 承災(zāi)體脆弱性

圖4為2010—2019年青海省土地利用類型、人口密度及承災(zāi)體脆弱性等級的空間分布?？梢钥闯觯袨?zāi)體脆弱性較低的區(qū)域主要分布于青海省東部，中等脆弱區(qū)位于環(huán)青海湖流域和青南大部地區(qū)，青海省西北地區(qū)大部承災(zāi)體脆弱性較高。青海省東部人口分布密集，城鎮(zhèn)化水平較高，80%以上的農(nóng)業(yè)種植區(qū)都集中于東部，故上述條件為雷電災(zāi)害的形成創(chuàng)造了有利條件。環(huán)青海湖流域和青南大部地區(qū)主要以牧業(yè)生產(chǎn)為主，且人口分布較為疏散。雖然雷電時常發(fā)生，但不易形成災(zāi)害。青海省西北部人煙稀少，大多數(shù)土地以荒漠和戈壁為主，難以形成災(zāi)害。

圖4 2010—2019年青海省土地利用類型(a)、人口密度(b)及承災(zāi)體脆弱性等級(c)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of land use type (a), population density (b) and vulnerability level of disaster bearing body(c) in Qinghai Province during 2010-2019

2.4 防災(zāi)減災(zāi)能力

圖5為2010—2019年青海省地均GDP、醫(yī)療水平及防災(zāi)減災(zāi)能力的空間分布。可以看出，青海省地均GDP和醫(yī)療水平的空間分布極不均勻，高值區(qū)均集中在高原東部。因此，青海省東部地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力水平較高，西部地區(qū)較低。這與青海省地區(qū)平均收入和醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)量密切相關(guān)，因青海省地均GDP和醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)量自東向西依次減少，故防災(zāi)減災(zāi)能力水平也相應(yīng)呈下降趨勢。

圖5 2010—2019年青海省地均GDP(a)、醫(yī)療水平(b)及防災(zāi)減災(zāi)能力(c)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of GDP (a), medical level (b) and disaster prevention and mitigation capacity (c) in Qinghai Province during 2010-2019

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

圖6為青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃?？梢钥闯?，青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域差異較大。高風(fēng)險和較高風(fēng)險區(qū)主要分布在昆侖山大部、祁連山西部、念青唐古拉山、巴顏喀拉山、阿尼瑪卿雪山、果洛和玉樹大部、昆侖山中部以及祁連山西部地區(qū)。其主要原因是高海拔山脈上空極易產(chǎn)生地形云，地形云是山地上升氣流抬升，水汽凝結(jié)形成的碎積云、積云和濃積云，當(dāng)冷鋒天氣系統(tǒng)過境山區(qū)時，通常會形成積雨云(cumulonimbus，Cb云)，從而促使雷電災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展；另外，高原境內(nèi)山區(qū)有85%以上的天然草場，牧民的經(jīng)濟(jì)收入主要來自畜牧業(yè)生產(chǎn)和冬蟲夏草的采挖。據(jù)近10 a雷災(zāi)統(tǒng)計資料顯示，青海省因雷災(zāi)傷亡的人員主要在野外空曠地帶從事相關(guān)活動，且大多在放牧和采挖蟲草活動中遭受強(qiáng)烈的雷電襲擊。因青海省偏遠(yuǎn)地區(qū)群眾對雷電防護(hù)避險意識欠缺，在雷電發(fā)生時無法及時采取相應(yīng)的防范措施，從而致使雷電傷亡事故頻發(fā)。

圖6 青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃Fig.6 Lightning disaster risk regionalization in Qinghai Province

中等風(fēng)險區(qū)位于陸-氣能量交互活躍的三江源東南部(玉樹市大部、果洛藏族自治州)和格爾木市西北部、青南牧區(qū)東南部、環(huán)青海湖地區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)局地。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是三江源區(qū)東南部下墊面多為高山草甸、亞高山草甸和冰川積雪，水汽含量十分充沛。研究表明，近自然狀態(tài)下的高寒草甸地表土壤水分較農(nóng)田和荒漠高[35]。一方面，在持續(xù)強(qiáng)烈的太陽輻射下，地表大量水汽不斷地向大氣層輸送，由于周圍環(huán)境溫度降低，上升氣流會達(dá)到飽和或過飽和，氣流中的水汽發(fā)生凝結(jié)，若對流運(yùn)動強(qiáng)度足夠大，持續(xù)時間足夠長，便會形成電閃雷鳴的積雨云系統(tǒng)。另一方面，由于上述地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)水平較低、文化教育基礎(chǔ)薄弱、防災(zāi)救災(zāi)資金短缺、醫(yī)療機(jī)構(gòu)和設(shè)施條件較差，當(dāng)發(fā)生雷電災(zāi)害時，難以應(yīng)對受災(zāi)人員的救治和基礎(chǔ)設(shè)施重建與處置工作。

低風(fēng)險和較低風(fēng)險區(qū)主要分布在玉樹西北和北部、共和盆地大部、海西和黃南局地、青南牧區(qū)西部、柴達(dá)木盆地局地及東部農(nóng)業(yè)區(qū)大部。這主要與土地利用類型、人口分布和社會經(jīng)濟(jì)等因素有關(guān)。青海省土地利用類型空間分布差異較大：東部為農(nóng)業(yè)區(qū)，以農(nóng)田為主；中部為半農(nóng)半牧區(qū)；南部和北部為牧區(qū)，主要以天然草原為主；西部偏遠(yuǎn)地帶主要分布有大面積的荒漠和戈壁。且人口密度和社會經(jīng)濟(jì)自東向西依次降低，特別是西部的五道梁和沱沱河地區(qū)海拔較高，氣候條件十分惡劣，不適宜于人類生活居住。故當(dāng)任何氣象災(zāi)害發(fā)生時，均不會有風(fēng)險。東部農(nóng)業(yè)區(qū)人口密度較大，但該區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)量較多、醫(yī)療設(shè)施較為完善，加之防災(zāi)救災(zāi)資金充足，可以滿足該區(qū)域?yàn)?zāi)害應(yīng)急處置工作。

4 結(jié) 論

(1)青海省閃電次數(shù)較多、正負(fù)閃電流強(qiáng)度較強(qiáng)的地區(qū)主要分布于青海省中東部，雷暴日數(shù)高值區(qū)主要分布在祁連山區(qū)局地和青海省南部。

(2)青海省因地形地貌特征復(fù)雜，雷電災(zāi)害風(fēng)險在空間上呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。其中，高風(fēng)險區(qū)主要位于青海省中西部的昆侖山、東南部的巴顏喀拉山、阿尼瑪卿山以及東北部的祁連山脈一帶；中等風(fēng)險區(qū)位于柴達(dá)木盆地西北部、青南牧區(qū)東南部、環(huán)青海湖地區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)局地；低風(fēng)險區(qū)主要分布于青南牧區(qū)西部、柴達(dá)木盆地局地及東部農(nóng)業(yè)區(qū)大部。