上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

樊蘊(yùn)馨，徐 偉，顧宇丹

(1.上海市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，上海 200030；2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部環(huán)境演變 與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.北京師范大學(xué) 應(yīng)急管理部-教育部 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875)

0 引言

雷電活動(dòng)是與強(qiáng)對(duì)流天氣有關(guān)的一種強(qiáng)烈放電現(xiàn)象。雷電活動(dòng)可導(dǎo)致人員傷亡、引起油庫森林火災(zāi)、造成電力系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)故障、對(duì)高技術(shù)裝備也具有重大威脅[1]。我國是雷電災(zāi)害高發(fā)的國家，每年因雷電導(dǎo)致的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。如1989年8月19日黃島油庫雷擊事故，造成19人死亡，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億計(jì)[2]；2005年東溪化工4·21雷擊特大爆炸事件，造成12人死亡，7人失蹤[3]；2010年4月13日，上海市東方明珠電視塔因雷擊起火，引起廣泛關(guān)注[4]。田德寶[5]等在對(duì)全國雷電災(zāi)害事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，雷電災(zāi)害事故總體呈東部沿海地區(qū)和南部地區(qū)多，西部地區(qū)少的區(qū)域特征。因此，在上海這樣一個(gè)東部濱海超大城市，開展雷電活動(dòng)的危險(xiǎn)性研究十分必要。

雷電的觀測探測發(fā)展至今，已經(jīng)形成了一套完整的體系，地基閃電定位系統(tǒng)是目前國內(nèi)外使用最為廣泛的雷電探測方法[6-7]，一般采用多站定位的方式來探測閃電[8]。上海市目前共有3套閃電定位系統(tǒng)，顧宇丹[9]等對(duì)這3套閃電定位系統(tǒng)運(yùn)行情況作了對(duì)比分析，得出維薩拉閃電定位系統(tǒng)運(yùn)行效率最高。目前國內(nèi)外專家學(xué)者多開展雷電參數(shù)的單要素特征研究，比如雷電日數(shù)、雷暴小時(shí)數(shù)、雷擊密度、雷電流極性、雷電流幅值、雷電流等值波形、雷電流陡度等[10-11]。部分專家將雷電活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行復(fù)合計(jì)算，開展相關(guān)研究。陳廣昌等[12]以雷電災(zāi)害為基礎(chǔ)，選取閃電次數(shù)、總閃電強(qiáng)度和最大閃電強(qiáng)度為主要致災(zāi)因子，再使用灰色關(guān)聯(lián)分析法構(gòu)建江蘇省雷電災(zāi)害危險(xiǎn)度指數(shù)模型。王秀英等[13]利用模糊隸屬度分析方法，將區(qū)域內(nèi)一小時(shí)地閃數(shù)和一小時(shí)電流最大值視為主要參考因子，分別計(jì)算隸屬度和權(quán)重，并利用模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算，計(jì)算雷電危險(xiǎn)度綜合指數(shù)。馬保成[14]在對(duì)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定義及表征方法展開討論時(shí)指出，衡量致災(zāi)因子的危險(xiǎn)度需要考慮強(qiáng)度和概率兩個(gè)因素，繪制強(qiáng)度-概率擬合曲線，可以對(duì)不同概率下的強(qiáng)度開展定量、定性分析。

選取多種雷電活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行復(fù)合計(jì)算，可以更好地表征出雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度的特征。上海市作為雷電活動(dòng)高發(fā)區(qū)域，雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度的研究較少。本文結(jié)合前人研究，通過對(duì)上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度進(jìn)行定義和分級(jí)，從時(shí)間和空間角度探究上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度分布特征，以期為后期城市精細(xì)化治理、防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

上海市地處中國東部，位于長江入?？冢偯娣e約6340km2，下屬16個(gè)區(qū)、共有215個(gè)街道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，2019年末總?cè)丝诩s2428萬人。上海市屬于雷電高發(fā)區(qū)域，根據(jù)《中國氣象災(zāi)害大典上海卷》[15]，20世紀(jì)90年代以前，上海市重大雷電災(zāi)害多為“直接雷擊”引發(fā)火災(zāi)造成，而在20世紀(jì)90年代以后，“感應(yīng)雷擊”上升為重要的雷擊災(zāi)害。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文采用的數(shù)據(jù)資料主要包括兩部分：一是雷電數(shù)據(jù)，使用2009—2017年上海市維薩拉閃電定位系統(tǒng)獲取的上海市地閃回?fù)魯?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)字段包括雷電流強(qiáng)度，雷擊時(shí)間、雷擊經(jīng)緯度等，數(shù)據(jù)總量約為40萬條；二是上海市各街道(鄉(xiāng)鎮(zhèn))圖層數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間為2013年。兩類數(shù)據(jù)均由上海市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心提供。

1.3 雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度計(jì)算

一小時(shí)雷電流峰值P和一小時(shí)雷電密度M是表征雷電活動(dòng)的兩個(gè)主要參數(shù)，其中P是指在自然一小時(shí)內(nèi)某地區(qū)發(fā)生的地閃回?fù)魪?qiáng)度最大值，M是指自然一小時(shí)內(nèi)某地區(qū)發(fā)生的地閃回?fù)舸螖?shù)。本文結(jié)合前人研究結(jié)論[13-16]，采用模糊數(shù)學(xué)法復(fù)合計(jì)算P和M兩個(gè)指標(biāo)，定義雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度：

D=VP×WP+VM×WM

(1)

式中，D為區(qū)域雷電危險(xiǎn)度，VP為該區(qū)域一小時(shí)雷電流峰值P的隸屬度，WP為區(qū)域一小時(shí)雷電流峰值P的權(quán)重，VM為區(qū)域一小時(shí)雷電密度M的隸屬度，WM為區(qū)域一小時(shí)雷電密度M的權(quán)重。危險(xiǎn)度D為一無量綱常數(shù)，取值[0,4]之間，值為0時(shí)表征無雷電活動(dòng)發(fā)生，數(shù)值越大，說明雷電危險(xiǎn)度越高。為了更好地描述上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度特征，將危險(xiǎn)度按值均勻分為四級(jí)，見表1。

表1 上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度分級(jí)表

某一區(qū)域雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度具體計(jì)算步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)篩選：將該區(qū)域內(nèi)P值和M值匯總，分別從小到大排序并進(jìn)行概率密度統(tǒng)計(jì)，只保存前98%的數(shù)據(jù)為新的XP數(shù)組、XM數(shù)組。

(2)數(shù)據(jù)分級(jí)：利用自然斷點(diǎn)法根據(jù)概率密度將兩個(gè)數(shù)組平均分為四級(jí)，其中數(shù)組[0，xp1]為一級(jí)，(xp1，xp2]為二級(jí)，(xp2，xp3]為三級(jí)，(xp3，xp4]為四級(jí)。同理對(duì)XM數(shù)組進(jìn)行分類。

(3)隸屬度計(jì)算：XP數(shù)組中任意p值隸屬度VP，XM數(shù)組中任意m值隸屬度VM計(jì)算方法如下：

(2)

(3)

(4)權(quán)重計(jì)算與歸一化：XP數(shù)組中任意p值權(quán)重Wp，XM數(shù)組中任意m值權(quán)重Wm計(jì)算方法如下：

(4)

(5)

將p值和m值的權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，一小時(shí)峰值P歸一化公式如公式6所示，一小時(shí)地閃密度值M歸一化公式如公式7所示：

(6)

(7)

2 上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度時(shí)間分布特征

本文使用Python語言，根據(jù)式(1)～式(7)，對(duì)上海市2009—2017年一個(gè)小時(shí)雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度DS進(jìn)行計(jì)算，得出9年間每小時(shí)上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度值后進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，并從年、月、時(shí)分布探究上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度特征。

2.1 雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度年分布特征

2009—2017年上海市各級(jí)雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度逐年分布如圖1所示，逐年各級(jí)比例見表2。上海市近年雷電次數(shù)呈現(xiàn)先升后降趨勢，在2011年達(dá)到極大值。就不同等級(jí)危險(xiǎn)度的雷電活動(dòng)而言，高等級(jí)危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)占比明顯降低，四級(jí)危險(xiǎn)度雷電占比由2009—2012年的30%以上降低到2013—2017年的25%左右。

圖1 2009—2017年歷年上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度Fig.1 Yearly variation of the risk degree of lightning activities in Shanghai from 2009 to 2017

表2 2009—2017年歷年上海市各級(jí)雷電危險(xiǎn)度占比

2.2 雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度月分布特征

2009—2017年上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度逐月分布如圖2所示，逐月各級(jí)危險(xiǎn)度占比見表3。上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度存在顯著的季節(jié)特征，即6—9月均為高發(fā)期，約有1900次，占年總次數(shù)的81.9%，其中8月份達(dá)到峰值，達(dá)到771次，占年總次數(shù)的33.2%；1、2、10、11和12月為低發(fā)期，每月在50次以下；就不同危險(xiǎn)度等級(jí)的雷電活動(dòng)而言，2—4月發(fā)生的雷電活動(dòng)中，危險(xiǎn)度等級(jí)分布較為平均；6—8月發(fā)生的雷電活動(dòng)中，高等級(jí)危險(xiǎn)度占比高；9月—次年2月發(fā)生的雷電活動(dòng)中，低等級(jí)危險(xiǎn)度占比高，表明上海市夏季易發(fā)生危險(xiǎn)度高的雷電活動(dòng)，而秋冬季易發(fā)生危險(xiǎn)度低的雷電活動(dòng)。

圖2 2009—2017年上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度月變化圖Fig.2 Monthly variation of the risk degree of lightning activities in Shanghai from 2009 to 2017

表3 2009—2017年逐月雷電活動(dòng)各級(jí)危險(xiǎn)度占比

2.3 雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度小時(shí)分布特征

2009—2017年雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度日分布如圖3所示，逐時(shí)雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度占比如表4所示。上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度密集于13—17時(shí)，而上午4—10時(shí)發(fā)生雷電活動(dòng)較少。各級(jí)雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度占比表現(xiàn)出更為明顯的時(shí)間差異特點(diǎn)，其中6—7時(shí)、11—17時(shí)易發(fā)生高危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)，其余時(shí)間易發(fā)生低等級(jí)雷電活動(dòng)。楊露華等[17]人在對(duì)1994—2004年上海市強(qiáng)對(duì)流天氣統(tǒng)計(jì)時(shí)指出，強(qiáng)對(duì)流天氣高發(fā)于午后至上半夜，與本文的研究結(jié)果有一定的差異，這說明近年來上海市的強(qiáng)對(duì)流天氣特征有所轉(zhuǎn)折。

3 上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度空間特征

上海市目前正在開展“兩級(jí)政府，三級(jí)管理，四級(jí)網(wǎng)絡(luò)”的城市管理模式，社區(qū)街道是城市管理的基層，在城市災(zāi)害管理中發(fā)揮越來越重要的作用。以社區(qū)為基本單元開展網(wǎng)格化治理已經(jīng)成為一種趨勢[18]。以街道為基本單元，開展上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度空間特征評(píng)價(jià)十分必要。本文主要研究內(nèi)容為上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度特征，因此不考慮街道的承災(zāi)體屬性，而將街道認(rèn)為一個(gè)個(gè)體，開展上海市各街道雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度分析。

利用ArcGIS軟件選出上海市各街道雷電活動(dòng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)式(1)～式(7)，計(jì)算各街道雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度DJ值，統(tǒng)計(jì)各街道雷電危險(xiǎn)度超越概率后擬合各街道雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度超越概率曲線，并計(jì)算各街道發(fā)生雷電活動(dòng)、各等級(jí)危險(xiǎn)度的超越概率，計(jì)算結(jié)果如組圖4所示。上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度空間分布具有以下特征：

(1)上海市各街道雷電活動(dòng)發(fā)生的概率差異隨著危險(xiǎn)度的上升而逐漸減小，雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度越高，各街道發(fā)生雷電活動(dòng)的概率越接近。

圖3 2009—2017年上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度小時(shí)變化圖Fig.3 Hourly variation of the risk degree of lightning activities in Shanghai from 2009 to 2017

表4 2009—2017年逐時(shí)雷電活動(dòng)各級(jí)危險(xiǎn)度占比

(2)位于中心城區(qū)的街道發(fā)生低等級(jí)危險(xiǎn)度概率明顯低于其它街道。這是由于在計(jì)算各街道危險(xiǎn)度時(shí)，將每個(gè)街道作為一個(gè)基礎(chǔ)單元而不考慮其面積，中心城區(qū)所屬街道面積小，一小時(shí)雷電活動(dòng)較少，因此雷電活動(dòng)概率低。

(3)當(dāng)危險(xiǎn)度較低時(shí)，上海市南部街道超越概率高于北部，說明南部地區(qū)發(fā)生易發(fā)生雷電活動(dòng)；當(dāng)危險(xiǎn)度達(dá)到三級(jí)及以上時(shí)，中北部街道超越概率高于南部。因此可以初步推斷，上海南部地區(qū)雷電活動(dòng)次數(shù)多，但北部地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)度更高。

圖4 各街道雷電危險(xiǎn)度超越概率圖Fig.4 Exceeding probability chart of lightning hazard in each street

4 結(jié)論與討論

本文基于2009—2017年上海市維薩拉閃電定位系統(tǒng)的地閃數(shù)據(jù)，采用模糊數(shù)學(xué)法定義上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度，并結(jié)合ArcGIS空間分析等，定量評(píng)估了上海市各危險(xiǎn)度等級(jí)的年、月、日分布特征，以及各街道各級(jí)雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度發(fā)生概率，得出上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度時(shí)間和空間分布特征。

在時(shí)間上，上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度年變化表現(xiàn)為近年高等級(jí)危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)占比明顯降低，低等級(jí)危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)占比明顯增多；月變化表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)特征，夏季易發(fā)生高等級(jí)危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)，而秋季易發(fā)生低等級(jí)危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)；日變化表現(xiàn)為6—7點(diǎn)、11—17點(diǎn)易發(fā)生高等級(jí)危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)，其余時(shí)間易發(fā)生低等級(jí)危險(xiǎn)度雷電活動(dòng)。

在空間上，上海市各等級(jí)雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度超越概率空間分布差異明顯，且概率差異隨著危險(xiǎn)度的上升而逐漸減小。危險(xiǎn)度等級(jí)在三級(jí)以下時(shí), 中心城區(qū)發(fā)生雷電活動(dòng)概率要明顯低于周邊其他街道。上海市雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度南北分布有一定的差異。南部地區(qū)發(fā)生雷電活動(dòng)概率高于北部，但北部地區(qū)雷電活動(dòng)更易發(fā)生危險(xiǎn)度等級(jí)高的雷電活動(dòng)。

本文的研究結(jié)果可與上海市防雷減災(zāi)工作有機(jī)結(jié)合，服務(wù)于上海超大城市精細(xì)化治理。本文在定義雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度時(shí)使用雷電活動(dòng)一小時(shí)回?fù)舸螖?shù)和一小時(shí)電流峰值數(shù)據(jù)，在后期的研究過程中，可將其他雷電活動(dòng)參數(shù)輸入，將雷電活動(dòng)危險(xiǎn)度計(jì)算模型精度提高；同時(shí)，在后期研究過程中探可進(jìn)一步考慮各街道的暴露屬性，建立上海市各街道雷電活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)模型。