蘇州市雷電災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性區(qū)域差異研究

徐沈 王金虎 王宇豪 周緯昕 許俊輝

（1 南通氣象科技有限公司，南通 226001；2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；4 南京信大安全應(yīng)急管理研究院，南京 210044）

0 引言

雷電災(zāi)害是指對(duì)流云中電能對(duì)物體作用或形成電流輻射擊中物體從而造成損失的現(xiàn)象[1]。在2019年聯(lián)合國(guó)減災(zāi)大會(huì)上公布雷電災(zāi)害為世界十大嚴(yán)重自然災(zāi)害之一[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)平均每年因雷電造成人員傷亡達(dá)3000～4000人，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)50億～100億元，對(duì)雷電災(zāi)害的防治工作刻不容緩[3]。

早期關(guān)于雷電的研究主要基于人工觀測(cè)獲得的雷暴日資料[4-6]，隨著閃電定位系統(tǒng)的普及，閃電定位資料逐漸被廣泛使用。王學(xué)良等[7]通過(guò)閃電定位資料利用二元法計(jì)算出年雷暴日數(shù)，與人工觀測(cè)雷暴日數(shù)相比，平均差異為7.4%；陳綠文等[8]對(duì)比分析了閃電定位資料與人工引雷觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相比于雷暴日數(shù)，地閃密度與地閃強(qiáng)度更能準(zhǔn)確系統(tǒng)地表征區(qū)域受災(zāi)嚴(yán)重性。雷電的危險(xiǎn)性評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是重要的風(fēng)險(xiǎn)管理手段，有利于區(qū)域性防災(zāi)減災(zāi)工作的規(guī)劃和開(kāi)展。近年來(lái)，眾多氣象學(xué)者利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析在雷電災(zāi)害領(lǐng)域取得了諸多成果，如劉垚等[9]利用GIS空間分析技術(shù)與概率統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，以地閃密度和地閃強(qiáng)度的疊置作為雷電風(fēng)險(xiǎn)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成杭州市雷電災(zāi)害致災(zāi)危險(xiǎn)性區(qū)劃；程萌等[10]統(tǒng)籌考慮雷電災(zāi)害形成的致災(zāi)、孕災(zāi)、承災(zāi)和防災(zāi)相關(guān)因素，建立了菏澤市雷電災(zāi)害區(qū)劃模型；陳柳彤等[11]根據(jù)閃電定位數(shù)據(jù)選取危險(xiǎn)性指標(biāo)，并融合人口、GDP、防護(hù)能力以及城鎮(zhèn)化率4個(gè)指標(biāo)分析承災(zāi)體易損性，計(jì)算雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，得到河北省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；吳彬等[12]利用內(nèi)江市閃電定位資料，對(duì)雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露性進(jìn)行綜合評(píng)估；方文海等[13]建立灰類白化權(quán)函數(shù)分析模型，確定雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，對(duì)珠海高新區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估；張琨等[14]以全國(guó)災(zāi)害普查技術(shù)方案為標(biāo)準(zhǔn)建立了四川省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。以上研究多利用GIS空間分析技術(shù)疊加相應(yīng)指標(biāo)得到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，但指標(biāo)權(quán)重的確定、指標(biāo)的選取沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

蘇州地區(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，人口稠密，因此一旦發(fā)生雷電危害造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響較大。蘇州古城歷史悠久，其作為江南地區(qū)文化中心，是五千多年的中國(guó)農(nóng)耕文化土壤，三千年的吳文化根基，兩千五百年的春秋故都，古建筑極易遭受雷電災(zāi)害的侵襲[15]。掌握該地區(qū)的雷電發(fā)生規(guī)律，對(duì)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)差異化分級(jí)，可以為防雷工作人員保護(hù)古建筑群、制定防雷設(shè)計(jì)方案提供參考。本文以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范計(jì)算危險(xiǎn)性指數(shù)，用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)蘇州市雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域差異進(jìn)行劃分，為蘇州市雷電災(zāi)害防御提供參考。

1 資料與方法

資料與方法的選取主要依據(jù)2018年出臺(tái)的《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》（QX/T 85—2018）[16]。

1.1 資料

地閃數(shù)據(jù)源于2016—2020年中國(guó)氣象局閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)ADTD資料。ADTD型閃電定位系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院研發(fā)，組網(wǎng)后的雷電探測(cè)系統(tǒng)定位精度理論上可達(dá)0.5°，探測(cè)效率可達(dá)80%～90%，雷電強(qiáng)度、陡度值測(cè)量誤差小于15%，落雷位置精度小于500 m。經(jīng)質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)主要包括雷電發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度、位置、電荷能量等，每隔6 min可記錄1次雷電發(fā)生信息[17-18]。

地理信息數(shù)據(jù)包括蘇州地區(qū)1：100萬(wàn)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程（DEM）、土壤電導(dǎo)率等柵格數(shù)據(jù)。具體來(lái)源如表1所示。

表1 雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源Table 1 Data source of lightning disaster risk assessment

1.2 方法

1.2.1 技術(shù)路線

如圖1可知，根據(jù)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，閃電定位資料取值范圍在2～200 kA，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的結(jié)果與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合，層次分析法確定權(quán)重，通過(guò)柵格化疊加，最終得到雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)差異分區(qū)圖。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

1.2.2 數(shù)據(jù)歸一化

數(shù)據(jù)歸一化旨在消除數(shù)據(jù)之間量綱差異，把有量綱的數(shù)據(jù)變?yōu)闊o(wú)量綱，利于后續(xù)圖層疊加，公式如下：

1.2.3 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法

自然斷點(diǎn)法可以減少同一級(jí)中差異，增級(jí)間差異，利用統(tǒng)計(jì)公式確定聚類的方法。本文對(duì)雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性各指標(biāo)采用自然斷點(diǎn)法分級(jí)，計(jì)算公式如下：

式中，SSD代表自然斷點(diǎn)法的每一級(jí)的數(shù)值，A是一個(gè)數(shù)組（數(shù)組長(zhǎng)度為N），meani-j是每個(gè)等級(jí)中的平均值，自然斷點(diǎn)法數(shù)值可由ArcGIS分級(jí)工具計(jì)算得到。

為了明確雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性的等級(jí)特征，采用《第一次全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范》（FXPC/QX P-04）[19]中的標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)方法對(duì)危險(xiǎn)性劃分為5個(gè)等級(jí)，計(jì)算方法如表2所示。

表2 雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification criteria for lightning disaster risk

1.2.4 雷電災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)

1）地閃密度：?jiǎn)挝幻娣e、單位時(shí)間的平均雷擊點(diǎn)個(gè)數(shù)（個(gè)/km2）。利用ArcGIS建立格網(wǎng)工具，將蘇州地區(qū)劃分為1 km×1 km格網(wǎng)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)雷擊發(fā)生次數(shù)，除以資料年限得到每個(gè)格網(wǎng)中地閃密度，接著對(duì)每個(gè)格網(wǎng)插值處理，最后歸一化得到地閃密度柵格數(shù)據(jù)。

2）地閃強(qiáng)度：利用百分位數(shù)法對(duì)雷電流幅值分級(jí)（表3），將分級(jí)后數(shù)據(jù)加權(quán)平均得到強(qiáng)度。在建立的1 km×1 km格網(wǎng)中，統(tǒng)計(jì)各格網(wǎng)內(nèi)不同等級(jí)雷電流幅值強(qiáng)度的雷擊發(fā)生次數(shù)并進(jìn)行歸一化處理，按照公式（3）計(jì)算各網(wǎng)格內(nèi)的地閃強(qiáng)度，形成地閃強(qiáng)度柵格數(shù)據(jù)。

表3 雷電流幅值等級(jí)Table 3 Lightning current amplitude level

式中，Ln為地閃強(qiáng)度，F(xiàn)i為第i級(jí)閃電。

致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，RH為致災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)，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。

1.2.5 指標(biāo)權(quán)重

致災(zāi)因子指標(biāo)的權(quán)重由Delphi法（專家打分）與AHP法（層次分析）[20]共同確定，按照《C-07 全國(guó)氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范—雷電》5.2.3規(guī)定的方法進(jìn)行權(quán)重分配。具體指標(biāo)權(quán)重如表4所示。

表4 蘇州市雷電災(zāi)害致災(zāi)因子指標(biāo)權(quán)重Table 4 Index weight of lightning disaster-causing factors in Suzhou City

2 結(jié)果與分析

地閃密度分布結(jié)果（圖2a）表明，2016—2020年年平均地閃次數(shù)較多集中于常熟市東部、太倉(cāng)市西北部、吳中區(qū)東北部和吳江區(qū)西部，低值區(qū)主要分布在張家港市和昆山市的東南部。

圖2 蘇州市地閃密度（a）和地閃強(qiáng)度（b）分布Fig.2 Distribution of ground lightning density (a) and ground lightning intensity (b) in Suzhou City

相較地閃密度，地閃強(qiáng)度（圖2b）高值分布更為集中且與地閃密度空間分布趨勢(shì)較為一致。高值區(qū)集中在常熟市東部、太倉(cāng)市西北部；次高值分布在虎丘區(qū)和吳中區(qū)中部；低值區(qū)集中在吳江區(qū)、昆山市和張家港市。

蘇州地區(qū)高程如圖3a所示，結(jié)果表明蘇州地區(qū)整體地勢(shì)較為平坦，高程變化不大，最高值326 m，分布在吳中區(qū)中部，并且地形起伏度較低（圖3b），因此，海拔高度與地形起伏度對(duì)蘇州地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)差異性的影響較小。

圖3 蘇州市高程（a）和地形起伏度（b）分布Fig.3 Distribution of elevation (a) and topographic relief (b) in Suzhou city

土壤電導(dǎo)率是表征土壤導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的指標(biāo)之一，與接地電阻呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，接地電阻越小，越有利于雷電流疏散入地，即電導(dǎo)率值越大，雷電災(zāi)害帶來(lái)的破壞性就越小。圖4所示的結(jié)果表明，土壤電導(dǎo)率的高值區(qū)主要分布在蘇州市中部和西部，如張家港市北部、姑蘇區(qū)、虎丘區(qū)、相城區(qū)，低值區(qū)主要集中在吳中區(qū)。

圖4 蘇州市土壤電導(dǎo)率分布Fig.4 Soil conductivity distribution in Suzhou city

綜合所有致災(zāi)因素，得到致災(zāi)因子危險(xiǎn)性區(qū)域分布如圖5所示。結(jié)果表明，高危險(xiǎn)區(qū)集中在常熟市的東北部，太倉(cāng)市北部；次高危險(xiǎn)區(qū)分布在虎丘區(qū)和吳中區(qū)東部、常熟市東南部、太倉(cāng)市東部、姑蘇區(qū)和昆山市北部、吳江區(qū)西部和吳中區(qū)南部；低值區(qū)集中在吳中區(qū)西部、吳江區(qū)中部和西南部，即太湖地區(qū)。

圖5 蘇州市致災(zāi)因子危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)域分布Fig.5 Risk zoning of disaster-causing factors in Suzhou city

3 結(jié)論

參照《全國(guó)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范（雷電）》構(gòu)建了蘇州市雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性致災(zāi)因子評(píng)估體系，并形成區(qū)域分布圖，得出結(jié)論如下。

1）從層次分析法得到的指標(biāo)權(quán)重可知地閃密度、地閃強(qiáng)度對(duì)蘇州市雷電災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性影響最大。

2）通過(guò)ADTD資料計(jì)算得到的地閃密度與地閃強(qiáng)度分布趨勢(shì)較為一致，高值區(qū)集中在常熟市東部、太倉(cāng)市西北部，太湖地區(qū)地閃密度較低，但地閃強(qiáng)度值較高。

3）綜合地閃強(qiáng)度、地閃密度、海拔高度、地形起伏度、土壤電導(dǎo)率5個(gè)指標(biāo)得到蘇州市雷電災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)域分布：危險(xiǎn)性高值區(qū)集中在蘇州市的東北部，如常熟市東北部、太倉(cāng)市東部、虎丘區(qū)和吳中區(qū)中部，這些地區(qū)需對(duì)雷電災(zāi)害重點(diǎn)防御；中等危險(xiǎn)區(qū)位于蘇州市中部地區(qū)如相城區(qū)和姑蘇區(qū)；低值區(qū)集中于蘇州市西部和東部，如吳江區(qū)和昆山市、太湖地區(qū)（吳中區(qū)西南部）。

由于雷電的形成是較為復(fù)雜的過(guò)程，本文僅從致災(zāi)因子角度探索了雷電發(fā)生的危險(xiǎn)性，未來(lái)需考慮雷電對(duì)人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，進(jìn)一步使區(qū)域差異結(jié)果與實(shí)際更加吻合。