王治邦，蔡永祥，羅少輝，蔡忠周

(青海省氣象災害防御技術中心，西寧 810000)

雷電災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，影響越來越復雜，應對難度越來越大。雷電災害已逐漸成為“最嚴重的十種自然災害之一”[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]。青海省也是雷電災害的多發(fā)區(qū)，開展雷電災害風險區(qū)劃以及評估方面的研究，是減少或避免雷電災害帶來的損失及人員傷亡的有效途徑。氣象災害風險評估和區(qū)劃是當前研究熱點，開展雷電災害風險評估的學者也比較多，前期學者們基于聚類分析[5]、層次分析模型[6]、GIS網(wǎng)格化[7]等方法對雷電災害風險進行了區(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險計算公式，指出風險評估基礎和先決條件是致災因子的危險性、承災體的脆弱性、承災體的暴露度。史培軍[9]、劉家福等[10]和張繼權等[11]通過對自然災害的深入研究提出了自然災害風險評估理論，與IPCC報告中給出的公式基本一致，這為雷電災害風險評估和區(qū)劃工作的開展提供了理論基礎。

青海省深居內陸，遠離海洋，地處青藏高原東北部，境內地形地貌復雜，天氣氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，復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害最嚴重的省份之一[12]。青海省夏季多強對流天氣，雷電災害頻發(fā)，且隨著人口增多和經(jīng)濟增長，雷電災害帶來的風險也越來越高。雷電監(jiān)測和評估工作已經(jīng)遠遠不能滿足當前的服務需求，需加強雷電災害的風險區(qū)劃和評估研究，尤其是目前青海雷電災害風險區(qū)劃和評估方面的研究工作還較少。本文主要基于自然災害風險評估理論，并利用GIS等工具，對青海省雷電災害的風險進行區(qū)劃和評估，為該省的雷電災害防御提供科學依據(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

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

(1)

Dij是j站點第i個指標的歸一化值；Aij是j站點第i個指標值；Amini和Amaxi分別代表的是第i個指標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]確定雷電災害風險評估指標以及致災因子危險性、承災體暴露度、承災體脆弱性等的權重。

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

LDRI=(RHωh)×(REωe×RFωf)。

(3)

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

2 結果分析

2.1 雷電災害時空分布特征

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 雷電災害風險區(qū)劃

根據(jù)雷電災害風險綜合評估模型，計算雷電災害綜合風險指數(shù)大小。采用自然斷點法[15]將雷電災害風險劃分為 5個等級區(qū)，分別為低風險區(qū)、較低風險區(qū)、中等風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)(見圖4)。從圖4可以看出，雷電災害的高風險區(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)域的致災因子危險性高，同時人口密度大、孕災環(huán)境敏感性高，地均GDP高，建筑設施多且密集，易發(fā)生雷電災害；較高風險區(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)域致災因子危險性高，承災體脆弱性較高，孕災環(huán)境為中等脆弱區(qū)；中等風險區(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)域致災因子危險性處于較高風險區(qū)，承災體暴露性屬于中等暴露區(qū)，孕災環(huán)境處于中等風險區(qū)；較低和低風險區(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)，承災體暴露性低，發(fā)生雷電災害的風險也較低。

圖4 青海省雷電災害風險區(qū)劃

2.3 雷電災害防御措施

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

青海省雷電災害風險重點防御區(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)重點要加強防災抗災能力較差的農(nóng)村和牧區(qū)雷電防御工作，雷電災害容易造成人員傷亡，應加強防御雷電措施和防雷知識宣傳工作。該區(qū)域應采取一級防范措施。處于該區(qū)域的易燃易爆、礦區(qū)、旅游景區(qū)等建設工程和場所每年應對其開展至少一次防雷安全監(jiān)督檢查；對重點單位應每隔3～5年進行一次雷電災害風險評估；區(qū)域內的工礦企業(yè)、人員密集場所應安裝雷電預報預警信息接收系統(tǒng)，每年開展防雷安全生產(chǎn)技術培訓和雷電災害防御宣傳教育活動不少于3次，設置應急避險場所。健全防雷安全管理制度。處于該區(qū)域內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)主要包括較高風險區(qū)和中等風險區(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)等建設工程和場所每年應對其開展至少一次防雷安全監(jiān)督檢查；區(qū)域內的工礦企業(yè)、人員密集場所應安裝雷電預報預警信息接收系統(tǒng)，每年開展防雷安全生產(chǎn)技術培訓和雷電災害防御宣傳教育活動不少于2次，設置應急避險場所。處于該區(qū)域內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。

雷電災害一般防御區(qū)主要為較低風險區(qū)和低風險區(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，雷電災害造成的損失相對較輕。該區(qū)域應采取三級防范措施。處于該區(qū)域的易燃易爆、礦區(qū)、旅游景區(qū)等建設工程和場所每兩年應對其開展至少一次防雷安全監(jiān)督檢查；區(qū)域內的工礦企業(yè)、人員密集場所應安裝雷電預報預警信息接收系統(tǒng)，每年開展防雷安全生產(chǎn)技術培訓和雷電災害防御宣傳教育活動不少于1次，設置應急避險場所。

3 結論與討論

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

(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)雷電災害的高風險區(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)域的致災因子危險性高，同時人口密度大、孕災環(huán)境敏感性高，地均GDP高，建筑設施多且密集，易發(fā)生雷電災害。

(5)雷電災害風險較低和低風險區(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)，承災體暴露性低，發(fā)生雷電災害的風險也較低。

(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。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。關于這方面會在后續(xù)進行研究。

本研究得出的雷電災害風險區(qū)劃結果可以在青海省氣象防災減災工作中進行應用，為雷電災害防御提供決策依據(jù)和技術基礎。