青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

王治邦，蔡永祥，羅少輝，蔡忠周

(青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西寧 810000)

雷電災(zāi)害泛指因雷擊或雷電電磁脈沖入侵造成人員傷亡或物體受損、物體部分或全部功能喪失，釀成不良的社會和經(jīng)濟后果的災(zāi)害[1-2]，且隨著全球氣候的變暖，極端氣候事件增多，影響越來越復(fù)雜，應(yīng)對難度越來越大。雷電災(zāi)害已逐漸成為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”[3]。在我國由此造成的間接經(jīng)濟損失則難以估計，產(chǎn)生的社會影響也越來越大[4]。青海省也是雷電災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，開展雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃以及評估方面的研究，是減少或避免雷電災(zāi)害帶來的損失及人員傷亡的有效途徑。氣象災(zāi)害風(fēng)險評估和區(qū)劃是當(dāng)前研究熱點，開展雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的學(xué)者也比較多，前期學(xué)者們基于聚類分析[5]、層次分析模型[6]、GIS網(wǎng)格化[7]等方法對雷電災(zāi)害風(fēng)險進行了區(qū)劃和評估研究。IPCC在第五次評估報告(AR5)[8]中也提出了最新的風(fēng)險計算公式，指出風(fēng)險評估基礎(chǔ)和先決條件是致災(zāi)因子的危險性、承災(zāi)體的脆弱性、承災(zāi)體的暴露度。史培軍[9]、劉家福等[10]和張繼權(quán)等[11]通過對自然災(zāi)害的深入研究提出了自然災(zāi)害風(fēng)險評估理論，與IPCC報告中給出的公式基本一致，這為雷電災(zāi)害風(fēng)險評估和區(qū)劃工作的開展提供了理論基礎(chǔ)。

青海省深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，地處青藏高原東北部，境內(nèi)地形地貌復(fù)雜，天氣氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，復(fù)雜多樣的天氣狀況和氣候類型使得青海省成為全國氣象災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一[12]。青海省夏季多強對流天氣，雷電災(zāi)害頻發(fā)，且隨著人口增多和經(jīng)濟增長，雷電災(zāi)害帶來的風(fēng)險也越來越高。雷電監(jiān)測和評估工作已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前的服務(wù)需求，需加強雷電災(zāi)害的風(fēng)險區(qū)劃和評估研究，尤其是目前青海雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃和評估方面的研究工作還較少。本文主要基于自然災(zāi)害風(fēng)險評估理論，并利用GIS等工具，對青海省雷電災(zāi)害的風(fēng)險進行區(qū)劃和評估，為該省的雷電災(zāi)害防御提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省位于中國西部，青藏高原東北部，東西長約1 200 km，南北寬約800 km，總面積為72.23萬km2，介于東經(jīng)89°35′～103°04′，北緯31°40′～39°19′之間，全省的平均海拔高度在3 000 m以上，地勢特征總體呈現(xiàn)出西高東低，南北高中部低的態(tài)勢(見圖1)。

圖1 青海省高程圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1)氣象數(shù)據(jù)：氣象數(shù)據(jù)為青海省43個國家基本站1961—2017年閃電日數(shù)，數(shù)據(jù)源自青海省氣象信息中心。

(2)地理信息數(shù)據(jù)：地理信息數(shù)據(jù)為國家氣象信息中心下發(fā)的1:50 000 GIS地圖中提取的地形高程和行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

(3)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)為青海各州(市)、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的國土面積、GDP狀況及人口數(shù)量等，數(shù)據(jù)來源自《中國縣域統(tǒng)計年鑒·2018(鄉(xiāng)鎮(zhèn)卷)》[13]。

1.3 研究方法

結(jié)合青海省雷電災(zāi)害影響的實際情況，選擇地閃密度、地閃強度、海拔高度、土壤電導(dǎo)率、地形起伏作為致災(zāi)因子評估指標(biāo)；選取人口密度、GDP密度作為承災(zāi)體的評估指標(biāo)；選取生命損失指數(shù)、經(jīng)濟損失指數(shù)、防護能力指數(shù)作為承災(zāi)體暴露度評估指標(biāo)。首先對各指標(biāo)進行歸一化處理以消除各指標(biāo)之間的量綱差異[14]。對于雷電災(zāi)害的危險性、暴露性和脆弱性所包含的各個指標(biāo)歸一化計算公式為

(1)

Dij是j站點第i個指標(biāo)的歸一化值；Aij是j站點第i個指標(biāo)值；Amini和Amaxi分別代表的是第i個指標(biāo)值里的最小值和最大值。

采用專家打分法以及層次分析法[15-16]確定雷電災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)以及致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體暴露度、承災(zāi)體脆弱性等的權(quán)重。

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險評估原理及評價指標(biāo)體系，利用加權(quán)綜合評價法，建立雷電災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)模型，計算公式為

LDRI=(RHωh)×(REωe×RFωf)。

(3)

式中：LDRI為雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的綜合指數(shù)，用來表示雷電災(zāi)害風(fēng)險的程度，LDRI越大，表明該區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險的程度就越大；RH、RE、RF的值分別表示雷電災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)的致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體暴露度、承災(zāi)體脆弱性，ωh、ωe、ωf是各評價因子的權(quán)重。

2 結(jié)果分析

2.1 雷電災(zāi)害時空分布特征

從1961—2017年青海省年平均閃電日數(shù)的年際變化曲線(見圖2)，可以看出，年平均閃電日數(shù)隨時間變化呈明顯減少的趨勢，平均每10 a減少約2.2 d。青海省年平均閃電日數(shù)年際變化大致可以分為兩個主要的階段，1960—2013年(人工觀測雷暴時期)為相對多雷電期，年平均閃電日數(shù)達到62.0 d。由于2014—2017年(閃電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測時期)取消了人工觀測閃電日數(shù)，采用閃電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測閃電日數(shù)，年平均閃電日數(shù)逐年增加，達到70.2 d，兩個階段年平均閃電日數(shù)相差8.2 d。青海省閃電天氣多出現(xiàn)于春、夏、秋三季，以夏季(6—8月)最多。雷電災(zāi)害的日變化，春季以夜間居多，夏季和秋季以午后居多。青海省1—12月各月平均閃電日數(shù)的變化呈單峰型，峰值出現(xiàn)在8月；1—8月閃電日數(shù)隨時間逐漸遞增，8月達到峰值；9—12月閃電日數(shù)表現(xiàn)為逐月減少。全年8月的閃電日數(shù)最多，平均為10.1 d，約占全年閃電日數(shù)的69.1%。其中全省平均初雷暴日為4月16日，最早初雷暴日為1月9日(1964年瑪沁)；平均終雷暴日為9月15日，最晚終雷暴日為11月28日(1986囊謙)。11月—次年2月，除個別年份個別站發(fā)生過雷電外，基本上無雷電發(fā)生。

圖2 1961—2017年青海省閃電日數(shù)年際變化

《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343—2012規(guī)定，將年平均雷暴日數(shù)在25 d及以下的地區(qū)定義為少雷區(qū)；大于25 d，不超過40 d的地區(qū)定義為中雷區(qū)；大于40 d，不超過90 d的地區(qū)定義為多雷區(qū)；超過90 d的地區(qū)定義為強雷區(qū)。利用青海省各氣象站1961—2017年年均閃電日數(shù)統(tǒng)計分析青海省雷電的空間分布(見圖3)，表明青海省年雷電日數(shù)的空間分布基本呈南多北少的緯向分布，但祁連山附近地區(qū)存在一個50～60 d的高值區(qū)。雷電多發(fā)中心地帶在青海南部地區(qū)的囊謙縣、雜多縣一帶，年均閃電日數(shù)在110 d左右，其中雜多縣年均閃電日數(shù)達118.9 d，屬于強雷區(qū)；另一中心在祁連山附近地區(qū)、其中包括門源、剛察、大通、互助等地，年均閃電日數(shù)在70～80 d之間，屬于多雷區(qū)；柴達木盆地是青海雷電最少的地區(qū)，年均閃電日數(shù)在10 d以下，其中大柴旦、茫崖、諾木洪、冷湖、小灶火等地少于8 d，屬于少雷區(qū)。東部農(nóng)業(yè)區(qū)的黃河、湟水谷地也是一個低值中心，年均閃電日數(shù)在40～50 d之間。

圖3 1961—2017年青海省閃電日數(shù)空間分布

2.2 雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險綜合評估模型，計算雷電災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)大小。采用自然斷點法[15]將雷電災(zāi)害風(fēng)險劃分為 5個等級區(qū)，分別為低風(fēng)險區(qū)、較低風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)(見圖4)。從圖4可以看出，雷電災(zāi)害的高風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省東部的西寧、大通、互助、湟源、湟中、剛察、門源、共和，以及青海南部地區(qū)的囊謙、河南、澤庫、興海等區(qū)域，這些區(qū)域的致災(zāi)因子危險性高，同時人口密度大、孕災(zāi)環(huán)境敏感性高，地均GDP高，建筑設(shè)施多且密集，易發(fā)生雷電災(zāi)害；較高風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省東南部地區(qū)的班瑪、久治、達日、雜多、治多、曲麻萊、同德、貴南、循化、民和、平安、尖扎、貴德等地，這些區(qū)域致災(zāi)因子危險性高，承災(zāi)體脆弱性較高，孕災(zāi)環(huán)境為中等脆弱區(qū)；中等風(fēng)險區(qū)主要分布在祁連、野牛溝、同仁、瑪沁、瑪多、玉樹、稱多、天峻、茶卡、德令哈等地，這些區(qū)域致災(zāi)因子危險性處于較高風(fēng)險區(qū)，承災(zāi)體暴露性屬于中等暴露區(qū)，孕災(zāi)環(huán)境處于中等風(fēng)險區(qū)；較低和低風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省西部的烏蘭、都蘭、格爾木、小灶火、茫崖、冷湖、大柴旦、諾木洪、五道梁、沱沱河、托勒等地，這些區(qū)域致災(zāi)因子危險性低，歷史上出現(xiàn)雷暴次數(shù)及閃電日數(shù)較少，同時該地區(qū)人煙稀少，且大部分都屬于無人區(qū)，承災(zāi)體暴露性低，發(fā)生雷電災(zāi)害的風(fēng)險也較低。

圖4 青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

2.3 雷電災(zāi)害防御措施

根據(jù)全省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃情況，將其對應(yīng)的雷電防范等級劃分為五級，根據(jù)雷電防范等級相應(yīng)地開展雷電防護工程建設(shè)、防雷安全監(jiān)督檢查、安裝雷電預(yù)報預(yù)警信息接收系統(tǒng)、開展雷電災(zāi)害防御宣傳教育活動等工作。

青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險重點防御區(qū)主要包括青海省東部和南部地區(qū)。其中東部地區(qū)人口密度大，應(yīng)加強上述地區(qū)的易燃易爆場所、化工場所、人口密集場所的防御雷電措施；青海南部地區(qū)重點要加強防災(zāi)抗災(zāi)能力較差的農(nóng)村和牧區(qū)雷電防御工作，雷電災(zāi)害容易造成人員傷亡，應(yīng)加強防御雷電措施和防雷知識宣傳工作。該區(qū)域應(yīng)采取一級防范措施。處于該區(qū)域的易燃易爆、礦區(qū)、旅游景區(qū)等建設(shè)工程和場所每年應(yīng)對其開展至少一次防雷安全監(jiān)督檢查；對重點單位應(yīng)每隔3～5年進行一次雷電災(zāi)害風(fēng)險評估；區(qū)域內(nèi)的工礦企業(yè)、人員密集場所應(yīng)安裝雷電預(yù)報預(yù)警信息接收系統(tǒng)，每年開展防雷安全生產(chǎn)技術(shù)培訓(xùn)和雷電災(zāi)害防御宣傳教育活動不少于3次，設(shè)置應(yīng)急避險場所。健全防雷安全管理制度。處于該區(qū)域內(nèi)的易燃易爆場所滾球半徑為30 m時按照一類建筑物進行防護，滾球半徑為45 m時按照二類建筑物進行防護，滾球半徑為60 m時按照三類建筑物進行防護。

雷電次重點防御區(qū)主要包括較高風(fēng)險區(qū)和中等風(fēng)險區(qū)，主要分布在青海省的南部和北部地區(qū)，本區(qū)域主要經(jīng)濟活動為牧業(yè)生產(chǎn)。該區(qū)域應(yīng)采取二級防范措施。處于該區(qū)域的易燃易爆、礦區(qū)、旅游景區(qū)等建設(shè)工程和場所每年應(yīng)對其開展至少一次防雷安全監(jiān)督檢查；區(qū)域內(nèi)的工礦企業(yè)、人員密集場所應(yīng)安裝雷電預(yù)報預(yù)警信息接收系統(tǒng)，每年開展防雷安全生產(chǎn)技術(shù)培訓(xùn)和雷電災(zāi)害防御宣傳教育活動不少于2次，設(shè)置應(yīng)急避險場所。處于該區(qū)域內(nèi)的易燃易爆場所滾球半徑為30 m時按照一類建筑物進行防護，滾球半徑為45 m時按照二類建筑物進行防護，滾球半徑為60 m時按照三類建筑物進行防護。

雷電災(zāi)害一般防御區(qū)主要為較低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)，主要分布在青海省西部地區(qū)，該區(qū)域雷電發(fā)生次數(shù)少，且人口稀少、經(jīng)濟欠發(fā)達，雷電災(zāi)害造成的損失相對較輕。該區(qū)域應(yīng)采取三級防范措施。處于該區(qū)域的易燃易爆、礦區(qū)、旅游景區(qū)等建設(shè)工程和場所每兩年應(yīng)對其開展至少一次防雷安全監(jiān)督檢查；區(qū)域內(nèi)的工礦企業(yè)、人員密集場所應(yīng)安裝雷電預(yù)報預(yù)警信息接收系統(tǒng)，每年開展防雷安全生產(chǎn)技術(shù)培訓(xùn)和雷電災(zāi)害防御宣傳教育活動不少于1次，設(shè)置應(yīng)急避險場所。

3 結(jié)論與討論

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險評估原理，結(jié)合致災(zāi)因子危險性，孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、承災(zāi)體暴露性，構(gòu)建了青海省雷電災(zāi)害的風(fēng)險評估模型，并基于GIS的空間分析功能開展了雷電災(zāi)害的風(fēng)險評估和區(qū)劃，得出結(jié)論如下。

(1)青海省年平均閃電日數(shù)隨時間變化呈明顯減少趨勢，減少速率為2.2 d/10 a。雷電日數(shù)以夏季(6—8月)居多，且多出現(xiàn)在午后。

(2)平均初雷暴日為4月16日，最早初雷暴日為1月9日(1964年瑪沁)；平均終雷暴日為9月15日，最晚終雷暴日為11月28日(1986年囊謙)。

(3)青海省多雷暴區(qū)分布在三江源地區(qū)大部分地區(qū)、青海高原東北部大部分地區(qū)，兩個高值中心在玉樹州的雜多縣和海南州的共和縣，而柴達木盆地為雷暴低發(fā)區(qū)。

(4)雷電災(zāi)害的高風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省東部以及青海南部地區(qū)，包括西寧、大通、互助、湟源、湟中、剛察、門源、共和、囊謙、河南、澤庫、興海等地，這些區(qū)域的致災(zāi)因子危險性高，同時人口密度大、孕災(zāi)環(huán)境敏感性高，地均GDP高，建筑設(shè)施多且密集，易發(fā)生雷電災(zāi)害。

(5)雷電災(zāi)害風(fēng)險較低和低風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省的西部地區(qū)，主要包括烏蘭、都蘭、格爾木、小灶火、茫崖、冷湖、大柴旦、諾木洪、五道梁、沱沱河、托勒等地，這些區(qū)域致災(zāi)因子危險性低，歷史上出現(xiàn)雷暴次數(shù)及閃電日數(shù)較少，同時該地區(qū)人煙稀少，且大部分都屬于無人區(qū)，承災(zāi)體暴露性低，發(fā)生雷電災(zāi)害的風(fēng)險也較低。

(6)本文中用到的閃電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)只有2014—2017年4年的數(shù)據(jù)，但從這4 a的數(shù)據(jù)可以看出，閃電日數(shù)在快速增長，這可能與閃電監(jiān)測網(wǎng)的高靈敏度有關(guān)。同時，有研究顯示，閃電監(jiān)測網(wǎng)能捕捉到附近飛機、火車等經(jīng)過時產(chǎn)生的電磁信號，并且記錄為雷電信號。關(guān)于這方面會在后續(xù)進行研究。

本研究得出的雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果可以在青海省氣象防災(zāi)減災(zāi)工作中進行應(yīng)用，為雷電災(zāi)害防御提供決策依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。