陳廣昌，崔 遜，田心如

(1. 江蘇省防雷中心，江蘇 南京 210009；2.江蘇省氣象臺，江蘇 南京 210008)

江蘇省雷電災(zāi)害危險性定量化評估及區(qū)劃

陳廣昌1，崔 遜1，田心如2

(1. 江蘇省防雷中心，江蘇 南京 210009；2.江蘇省氣象臺，江蘇 南京 210008)

為探討雷電災(zāi)害定量化風險評估方法，從而為防災(zāi)減災(zāi)提供更加科學的決策依據(jù)，利用2013-2014年的無錫市三維閃電定位系統(tǒng)資料和詳細的雷電災(zāi)情資料，經(jīng)歸一化處理后，采用相關(guān)法，選取了相關(guān)顯著的閃電次數(shù)、總閃電強度和最大閃電強度作為雷電災(zāi)害的致災(zāi)因子。然后采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，定量化得到三個致災(zāi)因子權(quán)重，構(gòu)建雷電災(zāi)害危險度指數(shù)模型。以雷電災(zāi)害危險度定量表征危險性。近似認為全省雷電災(zāi)害防御水平相當，把此模型應(yīng)用于江蘇全省，借助于GIS分析工具，進行了1 km×1 km分辨率的江蘇省雷電災(zāi)害危險度區(qū)劃。區(qū)劃結(jié)果表明：雷電災(zāi)害危險度的空間分布特征與閃電密度分布特征相似，并且危險度高值區(qū)和閃電密度高值區(qū)的分布也較為一致，不同的是，危險度高值區(qū)較閃電密度高值區(qū)的范圍有所擴大，危險度評估結(jié)果與實際貼合，又更加細化，依此方法及長年代雷電及災(zāi)情資料做出的雷電災(zāi)害風險評估，可更加科學、客觀地指導雷電防災(zāi)減災(zāi)工作。

雷電災(zāi)害；危險性；灰色關(guān)聯(lián)度；定量；區(qū)劃；江蘇

江蘇省屬于雷電活動較頻繁的省份，隨著社會經(jīng)濟、信息技術(shù)特別是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，雷電危害造成的損失也越來越大，雷電防護也成為一項越來越重要的工作。雷擊風險分析是合理規(guī)劃科學防雷的基礎(chǔ)，也是重大建設(shè)項目防雷設(shè)計之前最重要的環(huán)節(jié)。

目前較新的災(zāi)害風險評估方法，多選取致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力等四個因子作為指標，其中致災(zāi)因子危險性被作為最重要的因子[1-5]。在雷電特征分析或風險評估中，通常把雷暴日數(shù)、閃電頻數(shù)、閃電強度等要素作為致災(zāi)因子進行討論[4,6-7]。

在閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料未系統(tǒng)使用前，對雷電特征及風險的研究，仍限于對人工觀測的雷暴日資料進行分析，如劉梅[8-9]、朱飆[10]、馮民學等[11]用江蘇省多年雷暴資料，統(tǒng)計分析了江蘇省雷暴日數(shù)的時、空分布特征及變化趨勢。馮民學等[12]通過與江蘇省電力部門閃電定位資料的對比， 發(fā)現(xiàn)省氣象局閃電定位系統(tǒng)的探測效率為91%，是合理的；王學良等[13]利用雷電定位系統(tǒng)資料，采用二元法計算的2007-2012年湖北省25個測站平均年雷暴日數(shù)與人工觀測相等，平均差異為7.4%，說明雷電定位系統(tǒng)資料是可靠的。此后，多人陸續(xù)使用閃電定位資料進行了閃電分布特征分析、風險區(qū)劃及雷暴預(yù)警的研究[3，14-16]。與雷暴日數(shù)相比，閃電次數(shù)能代表一個區(qū)域內(nèi)雷暴活動的頻繁程度，而閃電強度也是導致受災(zāi)嚴重與否的一個關(guān)鍵因子。馮民學等[3]用歷年人工島內(nèi)發(fā)生地閃次數(shù)作為氣象指標，對洋口港區(qū)人工島進行雷擊風險計算和雷擊風險區(qū)等級劃分，但未能考慮閃電強度，分析不夠全面；劉垚等[4]雖然從地閃密度和地閃強度兩個方面分析雷電致災(zāi)因子的風險，但是兩因子權(quán)重的賦值較為主觀。本文以詳實的雷電災(zāi)情資料為基礎(chǔ)，利用相關(guān)方法選出致災(zāi)因子。采用灰色關(guān)聯(lián)度方法，定量化得出雷電致災(zāi)因子權(quán)重，從而得出危險度指數(shù)模型。用危險度定量化表征危險性，依此做出的雷電災(zāi)害風險評估，可更加科學、客觀地指導雷電防災(zāi)減災(zāi)工作。

1 資料和方法

1.1 資料

2013年前，江蘇氣象部門閃電定位系統(tǒng)使用的是ADTD閃電探測儀，采用定向時差聯(lián)合法對地閃進行定位。2012年底布設(shè)了三維閃電定位系統(tǒng)，采用IMPACT(磁定向-時差法)方法實現(xiàn)對閃電進行實時觀測，該系統(tǒng)共由16個三維閃電定位儀和一個處理中心組成，三維閃電定位儀分別設(shè)在徐州、沛縣、邳州、贛榆、濱海、宿遷、淮安、盱眙、建湖、大豐、揚州、浦口、高淳、江陰、啟東、東山，閃電監(jiān)測網(wǎng)單站的探測范圍約為600 km，有效覆蓋全省。經(jīng)中國氣象局氣象探測中心評估，江蘇三維閃電定位系統(tǒng)定位誤差較小，閃電數(shù)據(jù)大幅增加，精度極大提高，與國家雷電監(jiān)測網(wǎng)具有良好的數(shù)據(jù)一致性，并且通過與雷達圖、衛(wèi)星云圖的疊加分析，進一步證明數(shù)據(jù)是可信的。為保證資料連續(xù)性，本文采用2013-2014年三維閃電定位系統(tǒng)資料進行研究。使用1 km×1 km的正方形網(wǎng)格提取全省閃電，用每個正方形的地閃次數(shù)及強度進行雷電災(zāi)害危險度區(qū)劃。無錫市地閃次數(shù)為其所轄行政區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格地閃次數(shù)之和。

分析江蘇省防雷中心2013-2014年的雷電災(zāi)情監(jiān)測報告，發(fā)現(xiàn)全省13個地級市中，無錫市災(zāi)情上報數(shù)據(jù)最為詳細、樣本數(shù)最多，因而選取該市進行雷電致災(zāi)因子權(quán)重分析，全省其它地區(qū)取相同權(quán)重系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理及分析方法

1.2.1 歸一化

為使數(shù)據(jù)無量綱，從而消除自變量的單位對因變量的影響，采用最大最小值法進行數(shù)據(jù)歸一化：

(1)

1.2.2 相關(guān)分析

在雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)中，因為經(jīng)濟損失值和受損物體的價值有關(guān)，隨機性較大，與之相比，辦公電子電器設(shè)備受損件數(shù)和家用電子電器設(shè)備受損件數(shù)更能反映雷電的自然影響程度，取二者之和作為因變量。自變量則選取閃電發(fā)生當日的閃電次數(shù)、閃電總強度、平均閃電強度、日最大閃電強度等因子。把雷電災(zāi)情資料和歸一化后的閃電資料作相關(guān)分析，從而選出雷災(zāi)致災(zāi)因子。

1.2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

關(guān)聯(lián)度是事物之間、因素之間關(guān)聯(lián)性的量度。灰色關(guān)聯(lián)度方法具有計算量小、不要求樣本數(shù)量和服從一定分布規(guī)律的特點，是一種使用簡便、可行性強的定量風險評估方法。

灰色關(guān)聯(lián)度分析的步驟[17-18]如下：

(1)把歸一化后的雷災(zāi)受損序列作為原始數(shù)據(jù)列，為

X0={X0(1),X0(2),…,X0(n)}。

(2)

三個因子序列作為比較數(shù)據(jù)列，為

Xi={Xi(1),Xi(2),…,Xi(n)},i=1,2,…,m。

(3)

(2)分別計算三個比較數(shù)列與原始數(shù)列的差值數(shù)列。

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|,k=1,2,…,n。

(4)

取兩極最大差與最小差。

(5)

(6)

(3)取分辨系數(shù)ρ=0.5，計算各比較數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)。

k=1,2,…,n; i=1,2,…,m。

(7)

(4)計算關(guān)聯(lián)度γi。取ξi(k)的算術(shù)平均值。

(5)根據(jù)關(guān)聯(lián)度γi，可計算出第i個影響因子的權(quán)重，即每個區(qū)劃指標的權(quán)重Ri。

(8)

1.2.4 雷電災(zāi)害危險性評估模型

雷電災(zāi)害危險性評價指數(shù)的數(shù)學模型為:

(9)

式中:W為危險度指數(shù)，m為評估指標總數(shù)，R(i)為各評估因子的權(quán)重值，X(i)為因子的歸一化指數(shù)值。同時依據(jù)一定的評判標準，可將雷電災(zāi)害的危險性程度依指數(shù)大小劃分等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷電災(zāi)害危險度相關(guān)氣象因子

2013-2014年，閃電定位儀觀測到無錫市共出現(xiàn)31個有閃電定位及災(zāi)情記錄的雷暴日。通過雷電災(zāi)情資料和歸一化后的日閃電次數(shù)、閃電總強度、平均閃電強度、日最大閃電強度作相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)日閃電次數(shù)、閃電總強度以及日最大閃電強度與設(shè)備受損件數(shù)呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.6912、0.6570、0.3063，分別通過了α=0.001、α=0.001、α=0.10的顯著性檢驗。平均閃電強度相關(guān)不顯著。

圖1 江蘇省2013-2014年平均閃電密度分布(a)及雷電災(zāi)害危險度區(qū)劃(b)

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度法求取各致災(zāi)因子權(quán)重

計算閃電發(fā)生日閃電次數(shù)、閃電總強度以及最大閃電強度與設(shè)備受損件數(shù)的關(guān)聯(lián)度γi，結(jié)果見表1。從表1可以看出，閃電次數(shù)和閃電總強度和雷災(zāi)損失的關(guān)聯(lián)度相同，且大于最大閃電強度。根據(jù)公式8，求取以上三個致災(zāi)因子的權(quán)重系數(shù)Ri，結(jié)果見表2。

表1 雷災(zāi)損失與氣象致災(zāi)因子的關(guān)聯(lián)度

表2 各氣象致災(zāi)因子的權(quán)重系數(shù)

2.3 江蘇省雷電災(zāi)害危險性區(qū)劃及模型檢驗

2006年以前，江蘇經(jīng)濟發(fā)展以蘇南地區(qū)為主，2006年中共江蘇省第十一次代表大會明確提出了區(qū)域經(jīng)濟共同發(fā)展的要求，蘇北地區(qū)正式進入了“飛地”經(jīng)濟時代，全省經(jīng)濟發(fā)展踏上了新臺階，可以近似認為，目前全省對雷災(zāi)的防御水平相當，因而可以將無錫市雷電災(zāi)害危險度評估模型(公式(9))應(yīng)用于全省。采用表2中各因子的權(quán)重系數(shù)計算全省1 km×1 km每個格點危險度指數(shù)W，指數(shù)計算結(jié)果分成5個等級(表3)，利用GIS 對危險度指數(shù)做空間分析，得出江蘇省雷電災(zāi)害危險度區(qū)劃圖。

表3 雷電災(zāi)害危險度等級劃分標準

圖1a為江蘇省2013-2014年平均地閃密度分布圖。從圖1a中可以看出，全省閃電密度分布不均，沿江蘇南明顯多于江淮之間和淮北地區(qū)，沿江蘇南大部及淮北北部的部分地區(qū)閃電密度在5次/(km2·年)以上。高值區(qū)主要在南京市北部、揚州市西南部、鎮(zhèn)江市西南部、南通市西南部、泰州市南部、常州市西南和東部、無錫市中部、蘇州市北部及徐州市西北部等的部分地區(qū)，閃電密度在8次/(km2·年)以上，最高可達到20次/(km2·年)。這些地區(qū)或湖泊河流眾多，水氣資源充沛，或多低山丘陵，地形條件使得不穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)容易發(fā)生，雷電發(fā)生頻次高。另外，連云港市北部、宿遷市南部、淮安市南部、鹽城市西北部的局部地區(qū)閃電密度在5次/(km2·年)以上，最高可達到12次/(km2·年)。

雷電災(zāi)害危險度(圖1b)的空間分布特征與閃電密度分布特征相似，即沿江蘇南地區(qū)重于江淮之間及淮北地區(qū)，并且危險度高值區(qū)和閃電密度高值區(qū)的分布也較為一致，從而檢驗了評估模型的合理性。不同的是，危險度高值區(qū)較閃電密度高值區(qū)的范圍有所擴大。沿江蘇南地區(qū)、江淮之間南部和中西部及淮北北部部分地區(qū)的危險度較高，在中度以上，重度地區(qū)集中在南京市中北部、揚州市西南部、鎮(zhèn)江市西部、常州西南部和東部、無錫市中部、蘇州市北部及南通市西南部部分地區(qū)，無錫市局部達到嚴重程度，這可能是這兩年無錫雷電災(zāi)情較重的直接原因。

3 結(jié)論與討論

(1)本文以雷電災(zāi)情資料為基礎(chǔ)，采用相關(guān)法，選取致災(zāi)因子，然后采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，定量化得到三個致災(zāi)因子權(quán)重，構(gòu)建雷電災(zāi)害危險度指數(shù)模型，依此進行危險度等級劃分，研究思路清晰，技術(shù)方法可行，避免了人為的主觀任意性，解決了當前災(zāi)害風險評估過程中權(quán)重的分配多依靠專家打分的弊端。

(2)在致災(zāi)因子選取上，除閃電密度外，還增加了閃電總強度和最大閃電強度，較以往研究更加全面。

(3)借助GIS技術(shù)繪制1km×1km分辨率雷電災(zāi)害危險度區(qū)劃圖，結(jié)果表明，雷電災(zāi)害危險度的空間分布特征與閃電密度分布特征相似，并且危險度高值區(qū)和閃電密度高值區(qū)的分布也較為一致，不同的是，危險度高值區(qū)較閃電密度高值區(qū)的范圍有所擴大，進一步說明危險度評估結(jié)果與實際貼合，又更加細化。

(4)本文探討了一種可行的雷電災(zāi)害危險性定量評估方法，隨著雷電3D資料及雷電災(zāi)情資料的延長，運用長年代資料及本文方法做出的區(qū)劃結(jié)果會更加客觀，依此做出的雷電災(zāi)害風險評估，可更加科學地指導雷電防災(zāi)減災(zāi)工作。

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Quantitative Assessment and Zoning of Lightning Hazard in Jiangsu Province

CHEN Guangchang1, CUI Xun1and TIAN Xinru2

(1.JiangsuLightningProtectionCenter,Nanjing210009,China; 2.JiangsuMeteorologicalObservatory,Nanjing210008,China)

Inordertoexplorethequantitativeriskassessmentmethodsoflightningdisaster,sothentoprovidemorescientificdecision-makingbasisfordisasterpreventionandmitigation,normalizingtheThree-DimensionallightninglocationsystemdataanddetailedlightningdisasterdataofWuxifrom2013to2014,usingthecorrelationmethodtochoosethreerelevantsignificantindexessuchasthenumberoflightning,theintensityoftotallightningandthemaximumintensityoflightning.Byadoptingthegreyrelationalanalysis,theweightsofthreedisaster-causingfactorswerecalculatedquantitatively,andthelightningdisasterriskindexmodelwasconstructed.Thelightninghazardwasdescribedquantitativelybyendangersdegree.ApproximativelythinkthatthepreventionleveloflightningdisasterinJiangsuprovincewasnearlysame,thismodelwasappliedinJiangsuregion,andtheJiangsuprovincewasdividedintomanygridsof1km× 1kmresolutionwiththehelpofGISanalysistool.Differentgridcolorsrepresentdifferentendangersdegreesoflightningdisaster.Thezonationresultsshowedthatthespatialdistributioncharacteristicsoflightningendangersdegreeweresimilarwiththelightningdensity,andthehighdegreeareawasalsomoreconsistentwiththehighvalueareaoflightningdensity,thedifferencewasthatthehighendangersdegreearearangewasgreaterthanthehighvalueareaoflightningdensity,theevaluationresultsweremoredetailedandconsistentwiththefact,theassessmentoflightningdisasterriskusingthesemethodsandlong-yearslightninganddisasterinformationcanbemorescientificandobjectiveforlightningdisasterpreventionandmitigation.

lightningdisaster;hazard;greyrelationalanalysis;quantitation;zonation;Jiangsu

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.007.]

2016-05-20

2016-08-03

江蘇省科技廳項目(BE2013728)

陳廣昌(1971-) ，男，江蘇東海人，工程師，主要從事雷電科學與防護技術(shù)研究與應(yīng)用. E-mail: cgctafl@163.com

田心如(1970-)，女，江蘇沛縣人，高級工程師，主要從事氣象災(zāi)害和應(yīng)用氣象服務(wù)研究.E-mail:tianxr4858@sina.com

P463.3；X43

A

1000-811X(2017)01-0032-04

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.007

陳廣昌，崔遜， 田心如. 江蘇省雷電災(zāi)害危險性定量化評估及區(qū)劃 [J]. 災(zāi)害學，2017，32(1)：32-35. [CHEN Guangchang, CUI Xun and TIAN Xinru. Quantitative assessment and zoning of lightning hazard in Jiangsu Province[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(1)：32-35.