2010-2019年深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究*

郭秀峰 張超凡 賴華揚 趙敏晶 崔杰豪 羅毫勇

（1.無錫學(xué)院大氣與遙感學(xué)院 無錫 214105）（2.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室 北京 100081）

1 引言

雷電是雷暴天氣的重要組成部分，是發(fā)生于大氣中的一種瞬時大電流、高電壓、強電磁輻射的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，會對自然環(huán)境和人民財產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。近年，深圳市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，電子技術(shù)水平也處于高速發(fā)展，如何盡量避免雷電的危害顯得格外重要，高新電子儀器的精細(xì)化發(fā)展也對雷電防護(hù)措施提出了更高的要求，唯有對深圳市的雷電進(jìn)行更細(xì)致的分析才能更好地為未來的電子技術(shù)發(fā)展奠定良好的保障，雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究可以為深圳市雷電防護(hù)提供一個參考。

目前，雷電災(zāi)害研究多是對閃電定位資料、當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、經(jīng)濟(jì)情況以及雷災(zāi)損失進(jìn)行分析，歸納出閃電密度、閃電強度、生命損失指數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)等作為雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的各項指標(biāo)再進(jìn)行加權(quán)分析得到雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃模型。劉三梅等開展了廣東省雷電風(fēng)險區(qū)劃的研究［1］，李文輝等對2010-2019年青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了分析［2］，李家啟對重慶市雷電活動規(guī)律及其風(fēng)險評估做了研究［3］，何桂霞等研究了宣城市閃電特征及閃電易發(fā)區(qū)劃分［4］，程麗丹等開展了對河南省雷電災(zāi)害易損性分析及風(fēng)險區(qū)劃的研究［5］。

研究基于2018年實施的雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)指南（QX/T 405-2017），采用GIS分析地閃密度、地閃強度、土壤導(dǎo)電率、海拔高度、地形起伏、年均人口密度、年均GDP密度、生命損失指數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)、防護(hù)能力指數(shù)，將這十個因素歸一化處理，采用層次分析法確定各項指標(biāo)權(quán)重，得到雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃模型，最終運用自然斷點法劃分5個風(fēng)險區(qū)劃等級。研究旨在對各個區(qū)域進(jìn)行更準(zhǔn)確的風(fēng)險等級劃分，為雷電防護(hù)、科學(xué)規(guī)劃及決策提供精確服務(wù)。

2 資料與方法

2.1 資料來源

地閃定位數(shù)據(jù)來源于地基ADTD（Advanced Time of Arrival and Direction）雷電探測系統(tǒng)2010-2019年的閃電數(shù)據(jù)；雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)來自廣東省雷電災(zāi)害實例匯編（2011-2019）；人口密度及城市經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自深圳統(tǒng)計年鑒（2010-2019）；土地利用類型數(shù)據(jù)來自GlobeLand30 2020版。

2.2 處理方法

2.2.1 地閃強度

閃電定位數(shù)據(jù)中剔除了雷電流幅值在0KA-2kA和200kA以上的數(shù)據(jù)，并對雷電流幅值進(jìn)行了分級處理，百分位數(shù)在60%以下的為1級；在60%～80%為2級；在80%～90%為3級；在90%～95%為4級；在95%以上為5級。計算各格網(wǎng)內(nèi)的地閃強度，形成地閃強度柵格數(shù)據(jù)，計算公式如下：

式中：Ln是地閃強度；Fi是雷電流幅值為i等級的地閃頻次的歸一化值。

2.2.2 防護(hù)能力指數(shù)

防護(hù)能力指數(shù)是根據(jù)GB/T21010-2017表A.1的標(biāo)準(zhǔn)對土地利用類型數(shù)據(jù)分為三類，建設(shè)用地賦值為1；農(nóng)用地賦值為0.6；未利用第賦值為0.5。

2.2.3 數(shù)據(jù)歸一化

為了消除各指標(biāo)之間量綱的差異，運用歸一化的方法，將有量綱的數(shù)值經(jīng)過變換，化為無量綱的數(shù)值。計算公式為

式中：Dij是j站（格）點第i個指標(biāo)的歸一化值；Aij是j站（格）點第i個指標(biāo)值；分別是第i個指標(biāo)的最大值和最小值。

2.2.4 指標(biāo)權(quán)重確定方法

研究采用層次分析法來確定各個指標(biāo)之間的權(quán)重，表1給出各個指標(biāo)的權(quán)重大小。

表1 深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃各指標(biāo)的分級權(quán)重

2.2.5 風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建

風(fēng)險指標(biāo)體系包括了致災(zāi)因子危險性分析和承災(zāi)體易損性分析，承載體易損性分析包含承災(zāi)體脆弱性分析和承災(zāi)體暴露度分析。以下是對各指標(biāo)的具體分析方法，計算的權(quán)重均來自于表1。

1）致災(zāi)因子危險性分析

致災(zāi)因子是可能造成財產(chǎn)損失、人員傷亡、資源與環(huán)境破壞、社會系統(tǒng)混亂等的異變因子，是分析自然災(zāi)害災(zāi)情大小的重要指標(biāo)。研究中的雷電災(zāi)害致災(zāi)因子包括地閃密度、地閃強度、土壤導(dǎo)電率、海拔高度以及地形起伏。致災(zāi)因子危險性的計算公式為

式中：RH是致災(zāi)因子危險性；Ld是地閃密度；Ln是地閃強度；Sc是土壤導(dǎo)電率；Eh海拔高度；Tr是地形起伏。

2）承災(zāi)體暴露度分析

暴露度是指承災(zāi)體受到雷電災(zāi)害影響的數(shù)量和價值量，范圍越大或數(shù)量越多，暴露度越大。雷電災(zāi)害會影響城市經(jīng)濟(jì)和居民生活，研究用城市GDP密度和人口密度來分析承災(zāi)體暴露度。計算公式如下：

式中：RE是承災(zāi)體脆弱性；Pd是年均人口密度；Gd是年均GDP密度。

3）承災(zāi)體脆弱性分析

脆弱性是指承災(zāi)體收到不利影響的趨勢和傾向，是承災(zāi)體的內(nèi)在屬性，其大小取決于承災(zāi)體對致災(zāi)因子不利影響的敏感程度及其自身的應(yīng)對能力，敏感程度越高或應(yīng)對能力越弱，脆弱性就越大。研究用生命損失指數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)及防護(hù)能力指數(shù)來衡量承災(zāi)體脆弱性。計算公式如下：

式中：RF是承災(zāi)體脆弱性；CL是生命損失指數(shù)；ML是經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)；PC是防護(hù)能力指數(shù)。

生命損失指數(shù)計算公式為

式中：F為年平均雷電災(zāi)害次數(shù)的歸一化值；C為年平均雷電造成傷亡數(shù)的歸一化值。

經(jīng)濟(jì)損失指數(shù)計算公式為

式中：M為年平均雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失的歸一化值。

2.2.6 雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃模型

雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃模型由雷電災(zāi)害風(fēng)險因子以及雷電災(zāi)害風(fēng)險等級組成，雷電災(zāi)害風(fēng)險因子包括致災(zāi)因子危險性和承災(zāi)體易損性。承載體易損性又包括承載體暴露度和承載體脆弱性。各項指標(biāo)權(quán)重來自于表1，區(qū)劃模型如圖1。

圖1 雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃模型

雷電災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)的計算方法如下：

式中：LDRI是雷電災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)；RV是承載體易損性。

承載體易損性的計算方法如下：

雷電災(zāi)害風(fēng)險等級劃分采用自然斷點法，區(qū)別于QX/T 405-2017將雷電災(zāi)害風(fēng)險劃分三個風(fēng)險區(qū)：極高風(fēng)險等級、高風(fēng)險等級、一般風(fēng)險等級，為了更精細(xì)化的表示雷電風(fēng)險級別，研究劃分5個風(fēng)險區(qū)：高風(fēng)險等級、較高風(fēng)險等級、一般風(fēng)險等級、較低風(fēng)險區(qū)、低風(fēng)險區(qū)。

3 結(jié)果分析

采用GIS空間分析的方法對致災(zāi)因子危險性和承災(zāi)體易損性進(jìn)行分析，得到各指標(biāo)的空間分布圖。下面是對各指標(biāo)的結(jié)果分析。

3.1 致災(zāi)因子危險性

圖3～4為2010-2019年深圳市地閃密度和雷電流幅值的空間分布圖，可以看出，深圳市地閃密度最高的地區(qū)集中在轄區(qū)中上部最高有23次/（km2·a），地閃密度最低的是大鵬新區(qū)、以及南山區(qū)南部、及深圳市轄區(qū)邊緣地帶。雷電流幅值與海拔高度在空間分布上有很大的相似度，地閃強度最高的地區(qū)主要分布在大鵬新區(qū)、南山區(qū)、鹽田區(qū)中部、福田區(qū)、寶安區(qū)邊緣區(qū)域、龍崗區(qū)中部，坪山區(qū)的西部，雷電流平均幅值在20KA～60KA，其余地區(qū)雷電流平均幅值在20KA～40KA，在極少地區(qū)雷電流平均幅值可達(dá)70KA～120KA，地閃強度的空間分布與海拔高度的空間分布基本相吻合，在海拔高度高的地方地閃強度也相對較大。以50m為步長統(tǒng)計每個海拔區(qū)間內(nèi)的雷電流幅值均值。在對其進(jìn)行線性擬合，體現(xiàn)出了很好的線性上升關(guān)系，pearson′s的相關(guān)系數(shù)r=0.99055，相關(guān)度很強。

圖2 海拔高度、雷電流幅值線性擬合圖

圖3 2010-2019年深圳市地閃密度空間分布

圖4 2010-2019年深圳市雷電流幅值空間分布

式 中：截 距a：30.95196±0.22371；斜 率b：0.01221±4.36635E

圖5是致災(zāi)因子危險性等級的空間分布圖，從中可以看到危險性高的區(qū)域集中在深圳市中部地區(qū)有福田區(qū)、羅湖區(qū)、鹽田區(qū)、南山區(qū)北部、光明區(qū)東部，危險性低的地方分布在深圳市邊緣地帶。致災(zāi)因子危險性空間分布與雷電流幅值和海拔高度的空間分布在深圳市中部地區(qū)較為相似，在大鵬新區(qū)的差異較大。

圖5 2010-2019年深圳市致災(zāi)因子危險性空間分布

3.2 承載體易損性

承災(zāi)體易損性與其本身的暴露性和脆弱性有關(guān)，研究從單位平方公里人口密度和GDP密度這兩個指標(biāo)來衡量暴露度。脆弱性是由其本身的自然屬性所決定的，研究從歷史雷電災(zāi)情次數(shù)、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失情況這3個方面來衡量其脆弱性。

3.2.1 承載體暴露度

圖6為2010-2019年深圳市承載體暴露度等級空間分布圖。承載體暴露度高的地區(qū)有福田區(qū)和羅湖區(qū)，較高的地區(qū)有龍華區(qū)和南山區(qū)，這些區(qū)域人口密度和GDP密度比較高，城市化水平較高，如果受到雷電災(zāi)害，產(chǎn)生的影響會較大，對雷電防護(hù)工作的要求更加嚴(yán)格。承災(zāi)體暴露度低的地區(qū)為大鵬新區(qū)，較低等級的區(qū)域為鹽田區(qū)和光明區(qū)，其人口密度和GDP密度較低。

圖6 2010-2019年深圳市承載體暴露度

3.2.2 承載體脆弱性

圖7是2011-2019年深圳市承載體脆弱性等級空間分布圖，承災(zāi)體脆弱性的空間分布受土地防護(hù)能力指數(shù)的影響較大，從圖中可以看出，大鵬新區(qū)以及光明區(qū)東部、寶安區(qū)東部、南山區(qū)北部、羅湖區(qū)東部、坪山區(qū)南部、龍崗區(qū)西北部處于高脆弱性地區(qū)未利用地占比較大，土地防護(hù)能力指數(shù)較低，風(fēng)險較高。其余地區(qū)多為低脆弱性區(qū)域，建筑用地占比較大，土地防護(hù)能力指數(shù)較高。

圖7 承載體脆弱性空間分布

3.2.3 承載體易損性

圖8是由承災(zāi)體暴露度和承災(zāi)體脆弱性加權(quán)得到的承災(zāi)體易損性空間分布圖。易損性就是用來描述承災(zāi)體潛在的損失程度，從圖中可以看出承災(zāi)體易損性高的區(qū)域在福田區(qū)和羅湖區(qū)東部，表明這兩處地點城市化水平高，人口及GDP密度較大，受雷電災(zāi)害的潛在損失較大；易損性較高的地區(qū)為南山區(qū)北部；其余區(qū)域易損性等級處于一般及以下的水平，龍華區(qū)同樣城市化水平高人口及GDP密度較大，但其土地防護(hù)能力指數(shù)較高，所以表現(xiàn)出易損性低，大鵬新區(qū)的土地防護(hù)能力指數(shù)不高，但其城市化水平、人口及GDP密度都相對較低，受雷電災(zāi)害的潛在影響小，同樣表現(xiàn)出易損性低。

圖8 承災(zāi)體易損性空間分布

4 雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

圖9和10是根據(jù)自然斷點法分成5等級和3等級的2010-2019年深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖，通過兩圖對比可以看出圖9的一般等級對應(yīng)圖10的高等級，圖9的較高和高等級對應(yīng)圖10的極高等級，圖9的低和較低等級對應(yīng)圖10的一般等級。圖9更具有針對性，從圖9中看出處于高風(fēng)險區(qū)的有光明區(qū)東部、南山區(qū)北、福田區(qū)、羅湖區(qū)東部、鹽田區(qū)北部。處于較高風(fēng)險地區(qū)的有南山區(qū)北部、坪山區(qū)南部、福田區(qū)西部、羅湖區(qū)西部、寶安區(qū)中部、大鵬新區(qū)東南部以及深圳市邊緣地帶的部分地區(qū)。低險地區(qū)主要位于深圳市邊緣地帶。

圖9 2010-2019年深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃（5等級劃分法）

圖10 2010-2019年深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃（3等級劃分法）

表2是圖9各風(fēng)險區(qū)劃等級所占土地面積，一般風(fēng)險等級的土地面積占比最多達(dá)31.15%，處于高等級的土地面積占比最少僅有7.78%。

表2 風(fēng)險區(qū)劃等級對應(yīng)的土地面積

5 結(jié)語

研究基于氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QX/T 405-2017），建立了深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃模型，采用自然斷點法對模型劃分了5個等級：高風(fēng)險等級、較高風(fēng)險等級、一般風(fēng)險等級、較低風(fēng)險、低風(fēng)險區(qū)，處于高風(fēng)險區(qū)的有光明區(qū)東部、南山區(qū)北、福田區(qū)、羅湖區(qū)東部、鹽田區(qū)北部。處于較高風(fēng)險地區(qū)的有南山區(qū)北部、坪山區(qū)南部、福田區(qū)西部、羅湖區(qū)西部、寶安區(qū)中部、大鵬新區(qū)東南部以及深圳市邊緣地帶的部分地區(qū)。低險地區(qū)主要位于深圳市邊緣地帶，處于一般風(fēng)險等級的土地面積占比最多達(dá)31.15%，處于高等級的土地面積占比最少僅有7.78%。在雷電致災(zāi)因子危險性分析中，發(fā)現(xiàn)了深圳市雷電流幅值與海拔高度在空間分布上有很大的相似度，體現(xiàn)在海拔高度高的地方地閃強度也相對較大，在對其進(jìn)行線性擬合，表現(xiàn)出很好的線性上升關(guān)系。在承災(zāi)體易損性分析中，福田區(qū)、羅湖區(qū)東部易損性高，南山區(qū)北部較高，抵御雷電災(zāi)害的能力較弱，受雷電災(zāi)害的潛在影響較大，要加強雷電防護(hù)。