黃揚(yáng)東，劉三梅，張漫霞，夏云，黃躍昭，謝斌，周炯斌

（1.揭西縣氣象局，廣東揭西 515400；2.廣東省氣候中心，廣東廣州 510640；3.惠來縣氣象局，廣東惠來 515200；4.揭陽市氣象局，廣東揭陽 515500）

雷電災(zāi)害屬于聯(lián)合國公布的10大最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。長期以來，揭陽市雷電防御工作只側(cè)重于工程防護(hù)，而對于雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布研究工作比較滯后。揭陽市“一城兩園”位于廣東省惠來縣，規(guī)劃總面積146.6 km2，其中“一城”由惠來老城、粵東新城組成，面積78.9 km2，“兩園”包括大南海石化工業(yè)區(qū)42.4 km2、惠來臨港產(chǎn)業(yè)園25.3 km2，同時(shí)還包括高鐵、高速、高校、石化、海上風(fēng)電、LNG天然氣等一大批重要重點(diǎn)項(xiàng)目。揭陽市并未做過雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究，所以非常有必要進(jìn)行該方面的研究。

對于雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究，國內(nèi)外專家學(xué)者從雷電機(jī)理、雷電活動(dòng)特征、雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與評估、雷災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警和防雷工程等方面進(jìn)行卓有成效的研究［1－2］，如劉三梅等［3］對廣東省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究；程麗丹等［4］對河南省雷電災(zāi)害易損性分析及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究；程萌等［5］對菏澤市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究；呂海勇等［6］對廣東省雷電災(zāi)害易損性分析與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究。揭陽在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方面研究較少，本研究也算填補(bǔ)揭陽在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究方面的空白。

以往關(guān)于雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究多以雷暴日資料為基礎(chǔ)，僅考慮致災(zāi)因子與承載體的影響對區(qū)域雷電災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。本研究將以閃電定位儀資料為基礎(chǔ)，從孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體和防災(zāi)能力4個(gè)方面全面分析區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；選取適當(dāng)?shù)睦纂姙?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)，采用GIS技術(shù)繪制“一城兩園”地區(qū)雷電密度和強(qiáng)度分布圖，并繪制揭陽市“一城兩園”雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，旨在充實(shí)揭陽氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃內(nèi)容，為揭陽氣象災(zāi)害防御規(guī)劃的編制奠定基礎(chǔ)，為揭陽市雷電風(fēng)險(xiǎn)評估和雷電預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究主要采用雷暴日數(shù)據(jù)、雷電數(shù)據(jù)、雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，其中雷暴日數(shù)據(jù)來自惠來國家氣象站1956—2013年的數(shù)據(jù)；雷電數(shù)據(jù)來自廣東省雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)（2011—2020年）［7］；雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)來自于廣東省雷電災(zāi)害實(shí)例匯編（2011—2020年），包括雷災(zāi)起數(shù)、人身事故、建筑物受損、經(jīng)濟(jì)損失等；經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自惠來統(tǒng)計(jì)局年鑒2020年數(shù)據(jù)。

1.2 方法

本研究利用地閃定位數(shù)據(jù)，提取近10年的揭陽市雷電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)，采用歸一處理法［8］、層次分析法［6］，結(jié)合揭陽市“一城兩園”地區(qū)地形地貌、雷暴日分布、雷電災(zāi)害分布、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)因素，探討相互之間的影響關(guān)系；選擇評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)確定權(quán)重比例因子，建立雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分模型［9］，并把模型進(jìn)行數(shù)學(xué)公式化，形成一個(gè)加權(quán)函數(shù)的數(shù)學(xué)公式，借助GIS中的空間分析模塊和插值原理，按照氣象等級分類進(jìn)行分層設(shè)色，并制作揭陽市“一城兩園”地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布圖，得出低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷電活動(dòng)時(shí)空分布

1）雷暴日分布。

雷暴日表征不同地區(qū)雷電活動(dòng)的頻繁程度，是在指定區(qū)域內(nèi)一年四季所發(fā)生雷電放電的天數(shù)，用td表示。不同年份雷暴日數(shù)也是不同，可能變化較大，因此采用多年的平均值。相對雷暴日多的地區(qū)，遭受雷擊的可能性也較大。

地區(qū)雷暴日等級根據(jù)年平均雷暴日數(shù)劃分為少雷區(qū)、中雷區(qū)、多雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)。根據(jù)惠來縣1956—2013年雷暴日數(shù)資料統(tǒng)計(jì)可知，惠來縣年平均雷暴日數(shù)為55.1 d，屬于多雷區(qū)。

2）雷電空間分布。

（1）地閃密度分布。

地閃密度指每平方公里年地面落雷次數(shù)，用Ng表示。地閃密度直接體現(xiàn)了該地區(qū)雷電分布情況，值越大，分布越密集；值越小，分布越稀疏［3］。地閃密度還體現(xiàn)了地區(qū)遭受雷擊的可能性，值越大，遭受雷擊的可能性越大，存在的雷電風(fēng)險(xiǎn)就越大。

圖1為惠來縣2011—2020年地閃密度空間分布情況。

圖1 惠來縣2011—2020年地閃密度空間分布

由圖1可知，惠來縣粵東新城地閃密度大部分在6.6～7.9次／（km2·年）區(qū)域，少部分處在8.0～9.3次／（km2·年）區(qū)域，大南海石化區(qū)地閃密度相對較高，有部分地閃密度在10.8～12.1次／（km2·年）范圍內(nèi)，臨港產(chǎn)業(yè)園地閃密度則相對較低。

（2）雷電流分布。

95%雷電流處于0～50 kA之間，多年來，雷電流均值處于比較平穩(wěn)階段，沒有明顯增強(qiáng)趨勢。在雷電活動(dòng)特征分析時(shí)，它是一個(gè)重要參數(shù)，雷電流越大，造成的危險(xiǎn)越嚴(yán)重，特別是極大值，一些重大雷災(zāi)事故發(fā)生都由極大值造成。

由圖2可知，揭陽“一城兩園”平均雷電流大多在30 kA左右，其中粵東新城達(dá)到35 kA以上，雷電流相對較大，造成的危險(xiǎn)也較為嚴(yán)重，所以更要重視。

圖2 惠來縣2011—2020年平均雷電流分布

2.2 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及分析

1）雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制。

從災(zāi)害學(xué)的角度出發(fā)，形成雷電災(zāi)害必須具有以下條件：（1）形成雷電災(zāi)害的環(huán)境（孕災(zāi)環(huán)境）；（2）存在誘發(fā)雷電災(zāi)害的因素（致災(zāi)因子）；（3）雷電災(zāi)害的作用對象（承災(zāi)體）；（4）致災(zāi)因子與承災(zāi)體的相互作用。雷電的作用方式主要是通過直擊雷、雷電感應(yīng)、雷電波侵入和雷擊電磁脈沖4種形式來對承災(zāi)體產(chǎn)生直接或者間接影響。

2）雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是指在孕災(zāi)環(huán)境敏感性、致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力等因子進(jìn)行定量分析評價(jià)的基礎(chǔ)上，為了反映氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布的地區(qū)差異，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)度指數(shù)的大小，對風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分為若干個(gè)等級?？紤]到各評價(jià)因子對風(fēng)險(xiǎn)的構(gòu)成起作用并不完全相同，本研究采納氣象、氣候、電力等相關(guān)專家的建議，將雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)所涉及的因子權(quán)重系數(shù)加以匯總，如圖3所示，然后根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)公式求算雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，具體計(jì)算公式為

圖3 揭陽市“一城兩園”雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃權(quán)重分布示意圖（括號(hào)中數(shù)據(jù)為權(quán)重）

其中，TRI（typhoon risk index）為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，用于表示風(fēng)險(xiǎn)程度，其值越大，則災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度越大；H、S、V、R分別表示風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型中的致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境的敏感性、承災(zāi)體的易損性和防災(zāi)抗災(zāi)能力各評價(jià)因子指數(shù)；α、β、δ、γ分別是各評價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)，α＋β＋δ＋γ＝1，權(quán)重系數(shù)的大小依據(jù)各因子對雷電災(zāi)害的影響程度大小，主要采取層次分析法取得，適當(dāng)根據(jù)專家建議，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況討論確定。

對于危險(xiǎn)性，由于雷電密度和雷電流對雷電風(fēng)險(xiǎn)影響最大，賦值0.35；雷暴日對雷電風(fēng)險(xiǎn)有一定的影響，賦值0.20；雷電災(zāi)害頻次相對來說，對雷電風(fēng)險(xiǎn)的影響小一些，賦值0.10。

從雷電災(zāi)害形成的原因和數(shù)據(jù)的可得性，雷電災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境主要考慮地形等因子對雷電災(zāi)害形成的綜合影響。地勢高，其雷電災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性越高。同時(shí)，雷擊區(qū)與該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，在電阻率小的地區(qū)，雷擊的幾率較大，一般水的電阻率比陸地要小，因此離水體越近的地區(qū)越是容易出現(xiàn)雷擊。選擇地形地貌和水體密度作為雷電災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性指標(biāo)，分別給予權(quán)重為0.7和0.3。

承災(zāi)體的易損性包括物理暴露度和脆弱性，而暴露度和脆弱性通過地均人口、地均GDP和耕地比重等體現(xiàn)，分別給予權(quán)重為0.40、0.20和0.40。

防災(zāi)抗災(zāi)能力是受災(zāi)區(qū)對氣象災(zāi)害的抵御和恢復(fù)程度，是為應(yīng)對雷電災(zāi)害所造成的損害而進(jìn)行的工程和非工程措施?？紤]到這些措施和工程的建設(shè)必須要有當(dāng)?shù)卣慕?jīng)濟(jì)支持，主要考慮了人均GDP和防雷面積比例，權(quán)重分別為0.40和0.60。

各風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和評價(jià)因子的確定如圖3所示的有關(guān)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重分布系數(shù)。

采用雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型計(jì)算各地雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，利用GIS中自然斷點(diǎn)分級法將雷電風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)按5個(gè)等級分區(qū)劃分（高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)）［10］，并基于GIS繪制揭陽市“一城兩園”雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖（圖4）。

圖4 揭陽市“一城兩園”雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

正確合理地劃分揭陽市“一城兩園”雷電風(fēng)險(xiǎn)分布圖，需要做到幾點(diǎn)：①空間上要求區(qū)域單元格式合理、面積大小合適，與地圖及雷電定位系統(tǒng)的精度相符合；②等級劃分上，范圍覆蓋完整，能包括揭陽市“一城兩園”的雷電密度，界限分明，并具有可操作性；③風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分布圖層次清晰，可在地圖上明確標(biāo)出，且直觀明了便于使用。5種顏色代表著5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3 結(jié)論

通過以上分析可以看出，惠來縣粵東新城雷電風(fēng)險(xiǎn)處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，是雷電災(zāi)害防御的重點(diǎn)區(qū)域，所以應(yīng)該重視和加強(qiáng)防雷減災(zāi)工作；惠來臨港產(chǎn)業(yè)園處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及以上，大南海石化區(qū)風(fēng)險(xiǎn)相對低點(diǎn)，但是大部分也處于次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以上，有部分地方也處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，所以在進(jìn)行雷電災(zāi)害防御時(shí)應(yīng)采取科學(xué)、合理的預(yù)防措施，避免和減輕雷災(zāi)事故的發(fā)生。

本研究得出的揭陽市“一城兩園”雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，給揭陽市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估和雷電預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支持，也給主管部門決策提供依據(jù)。而雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃最為關(guān)鍵的是選取合理的評估指標(biāo)及確定權(quán)重。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響指標(biāo)和權(quán)重也是動(dòng)態(tài)變化的，但是受資料和數(shù)據(jù)等條件限制，本研究選取的指標(biāo)及確定的權(quán)重可能有一定局限性，還需要進(jìn)一步探討和研究，以期為社會(huì)提供更準(zhǔn)確的決策防雷服務(wù)和公眾防雷服務(wù)。