陳柳彤，龍 爽，俞海洋，李 倩，陳笑娟，王 瑛,4，許映軍,4

(1.環(huán)境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京100875; 2. 北京師范大學 地理科學學部 減災與應急管理研究院，北京100875; 3.河北省氣象災害防御中心，河北 石家莊050021; 4. 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京100875)

雷電災害是指雷雨云中電能釋放，擊中物體或形成強烈電磁輻射而造成損失的災害現象[1]。雷電災害是“國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一[2]。雷電與全球氣候系統(tǒng)有著內在聯(lián)系。全球變暖及干燥將導致雷電活動增加[3-6]。雷電災害涉及面廣，突發(fā)性強，危害范圍大，影響深遠。隨著中國社會經濟的快速發(fā)展、城市化進程的積極推進以及現代化水平的不斷提高, 雷電災害的危害程度和造成的經濟損失及社會影響越來越大[7]。

風險區(qū)劃作為風險管理的重要手段之一，對于區(qū)域防災減災工作以及發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。近年來雷電災害風險區(qū)劃相關研究備受關注[8-11]。劉垚等人將地閃密度與最大地閃強度作為主要評價指標，形成杭州市雷電災害風險區(qū)劃[12]。程向陽等人選用致災因子、孕災環(huán)境、承災體等因子對安徽省雷電災害進行風險區(qū)劃分析[13]。層次分析法在雷電災害風險區(qū)劃研究中也較為常見，趙偉等人通過雷災承災體易損性分析及對雷電致災危險性評估，采用層次分析法確定各指標的權重系數，得到浙江省雷電災害風險區(qū)劃圖[14]。于東海等人選取雷電災害頻數、地閃密度、人口密度、單位面積上的工農業(yè)總產值作為評估指標，基于層次分析模型完成了江門市新會區(qū)的雷電災害風險區(qū)劃[15]。程萌等綜合考慮了致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性和防災減災能力4個評價指標，采用層次分析法以及加權綜合評價法得出菏澤市雷電災害風險區(qū)劃圖[16]。有一部分學者基于雷電災害承災體易損性分析進行了區(qū)劃研究[17-21]。另外，也有部分外國學者也展開了雷電災害風險區(qū)劃的相關研究[22-25]。隨著GIS技術的發(fā)展，Arcgis空間分析為雷電災害風險區(qū)劃提供了更為精細化的表達工具。

河北省位于華北平原，處于內陸與沿海的交匯地帶，其地勢呈西北高、東南低的態(tài)勢，地貌類型復雜多樣，這就使得河北省各地雷電分布不均一，加劇了河北省雷電災害時空分布的復雜性。在區(qū)位上河北省地處環(huán)京津、環(huán)渤海經濟圈，其經濟區(qū)位十分重要[26]。河北省2003-2009年間雷電災害造成經濟損失6,000多萬元，傷亡人數將近300人，2013年經濟損失達到了1 260萬元[27]?！秶揖C合防災減災規(guī)劃(2016-2020年)》[28]將加強區(qū)域和城鄉(xiāng)基層的防災減災救災能力建設作為任務之一?！吨泄仓醒雵鴦赵宏P于推進防災減災救災體制機制改革的意見》[29]中將開展以縣為單位的全國自然災害綜合風險與減災能力調查，提升災害風險預警能力，加強災害風險評估、隱患排查治理作為改革事項的重要舉措之一。2018年10月10日中央財經委員會第三次會議專門研究全面提升我國自然災害防治能力問題，強調“要實施災害風險調查和重點隱患排查工程，掌握風險隱患底數”。這就對河北省防雷減災工作提出了更高要求。目前河北省雷電災害區(qū)劃分析的相關研究較為鮮見。本文基于災害區(qū)劃角度，開展河北省雷電災害分布規(guī)律研究，期以能為相關部門防雷減災工作提供借鑒。

1 數據與方法

本文在選取數據指標及數據處理方法時主要借鑒2017年中國氣象局頒布的雷電災害風險區(qū)劃技術指南[30]。

1.1 數據來源

本文使用的河北省數據資料包括：(1)地閃數據源于2010-2016中國氣象局閃電監(jiān)測網ADTD資料；(2)地理信息數據包括數字地面高程數據(DEM)、行政區(qū)劃、土壤電導率等數據；(3)社會經濟數據包括2015年統(tǒng)計年鑒中各縣市的人口、GDP、城鎮(zhèn)化率及面積數據[31]。

1.2 方法

1.2.1 數據標準化

在對各指標進行計算時，為消除指標間的量綱差異將其進行歸一化處理，計算公式為：

(1)

式中：Dij指j站(格)點第i格指標的歸一化值；Aij指j站(格)點第i格指標值； maxi、mini指分別是第i個指標中的最小值和最大值。

1.2.2 等級劃分方法

本文中各項評價指標均選用自然斷點法進行等級劃分。自然斷點法是一種地圖分級算法，該算法認為數據本身有斷點，可利用數據這一特征進行分級。

(2)

式中：SSD指方差；i、j指第i、j個元素；A指長度為N的數組；K指i、j中間的數表示A組中的第K個元素。

1.2.3雷電災害風險評估指標

根據雷電災害分析原理及雷電災害風險區(qū)劃技術指南，選擇雷電災害風險分析的指標，形成評價指標體系[30](表1)。

表1 雷電災害風險概念框架及評價指標

(1)地閃密度。地閃密度指單位面積上年平均地閃次數，通過統(tǒng)計各縣域地閃頻次，除以統(tǒng)計資料年限，最終得到各縣域的地閃密度。

(2)地閃強度。地閃強度指按百分位數法將地閃放電的雷電流幅值分級后加權平均的強度。其計算公式為：

(3)

式中：Ln指地閃強度；i指雷電流幅值等級；Fi指雷電流幅值為i等級的地閃頻次歸一化。

根據雷電流幅值等級[30](表2)對雷電流幅值進行等級劃分，將劃分結果代入地閃強度公式(3)中進行計算。

表2 雷電流幅值等級

(3)致災因子危險性。將致災因子中的各項指標進行歸一化處理，代入致災因子危險性計算公式(式4)，為形成致災因子危險性區(qū)劃，結合自然斷點法將致災因子危險性劃分為5個等級。

(4)

式中:RH指致災因子危險性；Ld指地閃密度；wd指地閃密度權重；Ln指地閃強度；wn指地閃強度權重；Sc指土壤導電率；ws指土壤導電率權重；Eh指海拔高程；we指海拔高度權重；Tr指地形起伏；wt指地形起伏權重。

(4)承災體暴露度。承災體暴露度以人口密度和GDP密度作為主要評價指標。將兩個指標數據進行歸一化后，通過式(5)進行暴露度計算，運用自然斷點法將暴露度劃分為5個等級。等級越高說明承災體受到影響的數量和價值量越大。

(5)

式中：RE指承災體暴露度；Pd指人口密度；wp指人口密度權重；Gd指GDP密度；wg指GDP密度權重。

(5)承災體脆弱性。通過地區(qū)城鎮(zhèn)化率及防護能力來分析承災體脆弱性。運用遙感影像解譯將河北省土地利用類型劃分為農用地、建設用地、未利用地3大類，根據防護能力指數賦值標準[30](表3)對不同土地利用類型進行賦值，用于表示地區(qū)防護能力的差異。

表3 防護能力指數賦值標準

將河北省防護能力和城鎮(zhèn)化率數據進行歸一化處理，代入公式(6)，運用自然斷點法進行脆弱性等級劃分，承災體受到的不利影響或趨勢越大，其脆弱性等級越高。

(6)

式中：RF指脆弱性；Ur指城鎮(zhèn)化率；wu指城鎮(zhèn)化率權重；Pt指防護能力指數；wp指防護能力指數。

基于雷電災害指數(LDRI)，結合自然斷點法將風險等級分為極高風險、高風險、一般風險三個等級，形成河北省雷電災害風險區(qū)劃。根據致災因子危險性和承災體易損性得到的雷電災害指數，是對雷電災害風險進行量化標準的評定。

LDRI= (RHwh)×(REwe×RFwf) 。

1.1.1 診斷標準 西醫(yī)診斷標準參照《婦產科學》[14]復發(fā)性流產診斷標準。黃體功能不全的診斷標準：①月經周期縮短(≤21 d)；②基礎體溫雙相型，但高溫相<11 d；③子宮內膜活檢顯示分泌反應至少落后2 d；④排卵后6 d血清孕酮<10 ng/ml。

(7)

式中：LDRI指雷電災害風險指數；RH指致災因子危險性；wh指致災因子危險性權重；RE指承災體暴露度；we指承災體暴露度權重；RF指承災體脆弱性；wf指承災體脆弱性權重。

2 結果與分析

2.1 致災因子危險性區(qū)劃與分析

由河北省地閃密度分布圖(圖1)可知，秦皇島市與唐山市交界處的盧龍縣、遷安市、灤縣年平均地閃次數較多且集中于唐山市，張家口市萬全縣為該地區(qū)地閃次數的高值中心，保定市與石家莊市交界也存在著地閃次數的高值區(qū)。承德市、廊坊市及邯鄲市地閃次數較低。從地閃密度分布區(qū)域看，河北省雷暴多發(fā)區(qū)主要集中于平原地區(qū)。

從地閃強度(圖2)可以看出，承德市豐寧滿族自治縣及圍場滿族蒙古自治縣地閃強度較強，張家口市宣化縣與蔚縣，以及保定市阜縣存在著高值中心，石家莊東北部地閃強度也較強。除承德市外，都存在著地閃強度較低值的分布。從地閃強度分布區(qū)域看，河北省地閃強度高值區(qū)主要分布于地形較高區(qū)域，低值區(qū)主要分布在東部平原地區(qū)。

河北省高程變化如圖3所示，河北省的各地高程變化較大，西北部地形起伏較大，由西北部向東南部遞減，唐山市和秦皇島市位于地勢過渡地區(qū)，衡水市、滄州市、廊坊市大部分屬于地勢平坦區(qū)。海拔高度和地形起伏的差異使得各地所面臨的雷電災害風險不同。

土壤電導率是表征土壤導電能力強弱的指標，它是孕育雷電災害的另一要素[32-34]。河北省土壤電導率(圖4)高值出現在了地形起伏大，地勢較高的地區(qū)，如張家口市西北部，唐山市東南部，滄州市東部。而中部大部分地區(qū)屬于土壤導電率較低值區(qū)。

圖1 河北省地閃密度分布圖

圖2 河北省地閃強度分布圖

圖3 河北省地形高程變化

圖4 河北省土壤導電率分布狀況

圖5 致災因子危險性區(qū)劃圖

圖6 人口密度分布圖

圖7 GDP密度分布圖

圖8 承災體暴露度區(qū)劃圖

圖9 河北省防護能力狀況分布圖

圖10 河北省城鎮(zhèn)化率分布圖

從致災因子危險性區(qū)劃圖(圖5)中可以看出，較高危險等級區(qū)分布在張家口市西北部，秦皇島市南部，唐山市南部，保定市西南部，衡水市中部以及滄州市東部和北部。其中在張家口市及唐山市有極高危險等級區(qū)分布。在唐山市東南部有少部分的較低危險性分布。從致災因子看，河北省除上述地區(qū)外，大部分屬于中度危險區(qū)，如邯鄲、邢臺、承德等。

2.2 承災體暴露度區(qū)劃與分析

從人口密度分布圖(圖6)中可以看出，河北省人口大多數分布于地勢平坦地區(qū)，集中于東部及東南部地區(qū)。每個地級市中都存在人口密度的高值中心，如石家莊市裕華區(qū)、滄州市運河區(qū)以及張家口市橋東區(qū)等。河北省西北部城市的人口較少，人口主要集中在張家口市的西南部、承德市的東部和南部。從GDP密度分布圖(圖7)中可以發(fā)現，GDP密度的分布與人口密度具有一定的相似性，人口密度越大的地區(qū)其GDP密度越高，如石家莊市、唐山市和廊坊市。

承災體暴露度區(qū)劃圖(圖8)中，每一個地級市中都存在著一個高值中心，這些區(qū)域都分布在中心城區(qū)，符合于一般認知規(guī)律。石家莊市危險等級極高，如若發(fā)生雷電災害，石家莊會面臨極大的損失，唐山市、廊坊市的暴露度等級為中至高等級。河北省西北部城市人口較少，人口主要集中于承德市雙橋區(qū)，以及張家口市萬全縣與橋西區(qū)，同時GDP高值也在此處集中。如若發(fā)生雷電災害，會給上述地區(qū)帶來極大損失?？傮w上來看，河北省西北部地區(qū)的暴露度等級比東北部的暴露度等級低。

2.3 承災體脆弱性區(qū)劃與分析

在地區(qū)防護能力狀況分布圖(圖9)中可以看到，每個地級市中都存在著防護能力的高值中心，防護能力都達到了1，這些地區(qū)都屬于城鎮(zhèn)建設用地密集區(qū)，如石家莊市裕華區(qū)，唐山市的高值區(qū)分布于東南部的曹妃甸區(qū)，黃驊市的東部也有高值區(qū)的分布。圖9中還存在著大部分的碎片區(qū)域，這些區(qū)域都屬于農業(yè)用地。西北部地區(qū)地勢較高存在著大面積的未利用地，防護能力多為0.5。

從河北省脆弱性區(qū)劃圖(圖11)中可以看出，在每個地級市中都存在著極高風險區(qū)的分布。而這些極高風險區(qū)主要分布于城鎮(zhèn)中心，雷電災害給這些區(qū)域帶去不利影響的傾向極大，較為明顯的是石家莊市，唐山市，廊坊市，承德市東部和南部，滄州市等。因此需要加強對這些地區(qū)的有效防護。河北省東部的大部分地區(qū)脆弱性在中至高危險等級，說明雷電災害對其影響相對較大。

圖11 河北省脆弱性區(qū)劃圖

2.4 綜合風險區(qū)劃

從河北省雷電災害風險區(qū)劃圖(圖12a)可以看出，每個地級市中都存在著極高風險區(qū)，而這些區(qū)域位于地級市的中心城區(qū)，如石家莊市的裕華區(qū)、新華區(qū)，唐山市的路南區(qū)、路北區(qū)，承德市的雙橋區(qū)，保定市的南、北市區(qū)等。河北省東部地勢較低地區(qū)存在著大范圍的高風險區(qū)，石家莊市作為河北省省會其風險系數較高，因此其雷電災害防治需要加強。西北部城市有少部分高風險區(qū)分布，張家口市西南部和西部存在著極高風險區(qū)，其他大部分地區(qū)屬于一般風險區(qū)。廊坊市大部分位于高風險區(qū)。處于極高風險區(qū)和高風險的地區(qū)是我們在進行雷電災害防治過程中需要重點關注的對象。

圖12 雷電災害風險區(qū)劃圖

年份石家莊邯鄲衡水保定滄州廊坊唐山秦皇島承德張家口20152.104.2023.727.388.513.213.22016005.17004.07000020170.13.80006.301.20.214總和2.23.89.370214.0727.389.713.427.2

為疏散北京的非首都功能，調整優(yōu)化京津冀城市的布局，2017年4月國家設立雄安新區(qū)。本文基于河北省雷電災害風險區(qū)劃，分析了雷電災害對雄安新區(qū)發(fā)展的可能影響(圖12b)。可以發(fā)現，容城縣高風險分布范圍最為廣泛，雄縣西南部存在著高風險區(qū)，安新縣大部分為一般風險區(qū)。因此，容城縣是雄安新區(qū)在進行雷電災害防治過程中需重點關注的地區(qū)。

為了驗證本文區(qū)劃效果，將區(qū)劃圖與河北省2015-2017年雷電災害直接經濟損失[27](表4)進行了對比。從直接經濟損失統(tǒng)計看，唐山市三年經濟損失最大，其主要在2015年受到雷電災害影響，經濟損失達27萬元。張家口市次之，其在2015年和2017年都受到了雷電災害的影響，經濟損失達27.2萬元。廊坊市三年經濟損失達14萬元，衡水市9萬元，石家莊市2.2萬元，滄州市2萬元。保定市三年雷電災害經濟損失為0，說明其受到雷電災害的影響很小。由此可知本文區(qū)劃結果與河北省2015-2017年雷電災害直接經濟損失較為吻合。

3 討論

本文參照雷電災害風險區(qū)劃技術指南，構建河北省雷電災害風險區(qū)劃指標體系，完成了河北省雷電災害風險區(qū)劃。

(1)致災因子危險性較高的地區(qū)分布于張家口市的西北部、中部、及東南部地區(qū)。其中還存在兩個極高風險的分布區(qū)，分別是張家口中部和唐山市東南部。唐山市東部地區(qū)存在著極低風險分布區(qū)。河北省危險性處于中至高等級的地區(qū)分布較為廣泛。

(2)承災體暴露度在每個市中都存在一個高值中心。石家莊市中心暴露度值屬于極高風險等級，唐山市暴露度風險處于中至高等級，西北部暴露度較高的位于張家口市萬全縣及承德市雙橋區(qū)。

(3)承災體脆弱性呈現出規(guī)律性的分布。雖然城鎮(zhèn)防護能力高，但其經濟量大，所以雷電災害給城鎮(zhèn)帶來的潛在不利影響較高。而鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化率低，大部分屬于農用地，與城鎮(zhèn)相比其受到的不利影響較低。

(4)河北省雷電災害區(qū)劃結果表明高風險區(qū)分布于石家莊市、唐山市東南部、滄州市中東部、承德市東南部、張家口市西南部等地區(qū)。高風險區(qū)大多數分布于河北省東部地區(qū)，同時各個地級市中心存在著極高風險區(qū)，尤其石家莊市、唐山市極高風險分布區(qū)較為廣泛，為雷電災害防治的重點區(qū)域。

(5)雄安新區(qū)容城縣雷電災害風險等級最高，雄縣次之，安新縣大部分為一般風險區(qū)。雄安新區(qū)在進行發(fā)展規(guī)劃時應考慮雷電災害對上述地區(qū)可能造成的影響，以減少不必要的損失。

雷電災害形成受到了眾多因素的影響。本文指標體系清晰，同時各指標數據較為完整，可以為極高風險區(qū)域的雷電災害防治提供參考。本文承災體脆弱性分析缺少生命及經濟損失數據，從而導致分析不夠深入，后續(xù)研究需要考慮相應數據的使用?；趯嶋H災情數據的完備，本文區(qū)劃效果驗證可以改進。