宣城市雷電活動特征及區域易損性研究

何桂霞 胡文運 胡星月

摘 要：利用宣城市50年雷暴日資料，采用EOF分解方法，對宣城市雷電時空分布特征進行分析研究，并在此基礎上，利用氣象資料、地理信息數據、社會經濟數據等，從致災因子、承災體方面，研究探討宣城市雷電災害易損區域，為災情調查、防災減災等提供科學依據。

關鍵詞：雷電特征;EOF分解;易損區域

中圖分類號 P429文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）19-0146-04

Study on Lightning Activity Characteristics and Regional Vulnerability in Xuancheng City

He Guixia1 et al.

Abstract：Using the data of thunderstorm xuan city 50 years，the use of EOF decomposition method，the lightning spatial and temporal distribution characteristics of Xuancheng city analysis，on this basis，using the meteorological data，geographical information data，social and economic data，and so on，from the disaster factor，disaster bearing body，study Xuancheng city lightning disaster vulnerability areas，which will provide a scientific basis for the disaster investigation and disaster prevention and mitigation.

Key words：Lightning characteristics;EOF decomposition;Vulnerable areas

安徽省宣城市屬亞熱帶季風氣候，冷暖空氣頻繁交匯，地形以山區和丘陵為主，復雜的氣候條件和特殊的地形導致雷電頻繁發生。隨著國民經濟的快速發展，電子信息設備的廣泛使用，雷電造成的危害越來越嚴重。如何科學防雷、經濟防雷顯得越來越重要。因此，分析雷電活動特征，對雷電災害風險性進行分析研究具有重要的現實意義[1-5]。

1 資料來源與處理方法

1.1 資料來源 雷暴日資料來源于宣城市氣象局提供的7個地面氣象臺站1961—2010年共50年的觀測數據;閃電定位資料為宣城市氣象局2006—2011年共6年LD-Ⅱ型閃電定位儀監測數據;社會經濟數據為宣城市2017年各縣市區的行政面積、人口、國民生產總值（GDP）。

1.2 處理方法 將雷暴日數據按EOF方法展開，利用展開后的特征向量場進行年際雷電變化的空間分布分析，相應的主分量用于表示時間變化[6-7]。通過對近50年來全市7個站點的雷暴進行分析，得出雷電的氣候變化特征。

年雷暴日矩陣為X（i，j），i為年序號，j為站點序號。EOF展開式表示為：X=V*T，X是7*50標準雷暴日矩陣，V是7*7空間特征向量矩陣，T是7*50時間系數矩陣。

在對雷電災害易損性區域進行研究時，首先對用到的各指標進行分析、處理，得到每個指標的強弱分布圖，然后，對多個指標進行加權綜合。為了消除指標的量綱差異，每個指標的值都被歸一化處理。計算公式：

[Dij=Aijmaxi] （1）

式（1）中i表示雷暴日、雷電密度、經濟、人口、雷電流強度中的任意一項指標，j表示具體區域（包括縣界為單位的區域和閃電密度等項目每km2的柵格區域）。Aij表示各個區域的對應項目指標值。對以上各個區域的各個指標值按照項目的重要性進行加權疊加，計算公式為：

[Vj=∑n1Wi·Dij] （2）

式（2）中：Vj是評估因子的總值，Wi是指數i的權重，Dij是因子j的指數i的歸一化值，n是評估指標的數量，最后根據加權出來的值將雷電災害風險區域按不同等級進行劃分。

閃電定位數據分析方法：通過Arcgis軟件對宣城市2006—2011年閃電定位資料按照1×1km的格距進行統計分析，得到了各網格的雷電密度和平均強度，再對閃電密度和電流強度按照2∶1進行加權得到宣城市雷電致災因子的區劃圖。

承災體易損性分析方法：分行政縣市區輸入各鄉鎮經濟數據、分等級用不同色標表示不同的經濟密度（GDP/行政面積）;分行政縣市區輸入各鄉鎮人口數據，分等級用不同色標表示不同的人口密度（人口/行政面積），并綜合人口、經濟因子，得到宣城市承災體易損性區劃圖。

宣城市雷電災害易損區域研究方法：將宣城市的雷電密度、雷電強度、人口密度、經濟密度4要素進行多種權重組合并繪制出相應的宣城市雷電災害易損性區域分布圖。

2 雷電活動時空分布特征

2.1 特征向量分析 將50年雷暴日資料利用EOF展開，經分解后，各向量的方差貢獻率和累積方差貢獻率如表1所示。其中第1向量占80.9%，從第2特征向量開始的方差貢獻明顯減小。因此，可以認為第1特征向量在雷電活動的空間分布中起著最重要的作用。

2.2 空間分布特征 從表2可知，它們的第1特點是同為負值，表明宣城市雷電活動具有同步性;第2特點是寧國、旌德、績溪為高值區，即宣城市南部山區雷電相對較多。

2.3 年際變化特征 圖1給出了宣城市雷暴日數第1特征向量的時間系數序列，并對其進行了EOF分析，圖中的粗線是時間系數演變的趨勢線。可以看出宣城市雷電活動總體呈下降趨勢，20世紀60年代早期和中期雷電活動多，1963年為雷電活動異常多年，從20世紀60年代末至70年代減少較快，到了80年代，雷電活動穩步下降，90年代則是雷電活動相對較低的時期，進入21世紀后雷電活動有緩慢回升的趨勢。

2.4 月際變化特征 從圖2可以看出，宣城市各地逐月平均雷暴日數變化趨勢相同，即3—9月為雷電活動多發期，占全年的96.7%，其中以7—8月雷暴日數最多，占全年的52.3%。10—2月雷電活動很少。

3 雷電災害易損性區域分析

3.1 致災因子危險性分析 通常雷電災害的致災因子主要考慮雷電密度和雷電強度，雷電強度越大，密度越高，風險就越大[8-10]。雷電密度是指單位面積內所發生的雷擊大地的年平均次數。某一地區的雷電密度越大，該地區的致災因子就越活躍，雷電災害風險性越大。其計算公式為[11]：

D=0.1Td （3）

式中D表示雷電密度（次/km2.a），Td為雷暴日數。

對宣城市7個氣象站1961—2010年50年雷暴日資料利用克里金插值方法計算出各縣市區的雷電密度，得到雷電密度分布圖。通過Arcgis軟件對宣城市2006—2011年閃電資料按照1×1km的格距進行統計分析，得到基于閃電定位資料的雷電密度分布圖和雷電強度分布圖（圖3）。考慮到人工觀測的雷暴日，觀測范圍具有局限性，但有50年的資料，時間長，具有一定的代表性，閃電定位資料在一定程度上會有誤差和干擾，且觀測資料只有6年，時間比較短，代表性較弱。因此，將2種方法所得的雷電密度權重取為50∶6，進行加權分析，得到加權后的雷電密度分布圖（圖4）。

從穩定性和可靠性方面考慮，將雷電密度和雷電強度權重取值設定為2∶1，將其歸一化再加權綜合，得出雷電災害致災因子危險性分布圖（圖5）。

3.2 承災體易損性分析 災害的發生是由環境的危害性和承災體的脆弱性共同決定的[12-15]。宣城市雷電災害的脆弱性反映了該地區對雷電發生的敏感性，這與雷電的氣候背景、人口密度和經濟密度有關。人口密度表示發生災害時，單位面積上受危害的人口數量，這一指標可以反映出某一地區生命對災害的敏感度。經濟密度表示發生災害時單位面積的經濟損失程度。

將人口密度、經濟密度2項指標等權重相加得到各地的承災體易損性分布圖（圖6）。

3.3 雷電災害易損性區劃 將宣城市的雷電密度、雷電強度、人口密度、經濟密度4個因素進行多種權重組合并繪出宣城市雷電災害區域易損性分布圖（圖7）。

4 結論

（1）宣城市1—12月都有雷電活動，具有明顯的季節變化特征，主要表現為：夏季多，春季次之，冬季最少。3—9月為雷電活動活躍期，其中7—8月雷暴日數最多，占全年的52.3%。

（2）宣城市雷電活動1960年以來總體呈下降趨勢，但2000年以后雷電活動緩慢回升。

（3）宣城市的北部，即宣州區城區、水陽、貍橋、朱橋、沈村、五星，寧國的港口、梅林和郎溪的大部分地區為雷電災害高易損區域;宣城市中部、東北部、西北部，即宣州區的孫埠、水東、洪林、新田，涇縣的云嶺、黃村、丁家橋、蔡村，廣德、寧國的大部分地區為雷電災害次高易損區域;宣州區的古泉、文昌、楊柳、黃渡，廣德、寧國、涇縣的大部分地區，績溪、旌德的部分地區為雷電災害中易損區域;其它地區為雷電災害低易損區域。

（4）雷電災害的形成是一個非常復雜的過程，其影響因素很多。目前，對宣城市雷電易發地區進行全面、準確的定量分析還有困難。在指標選擇、權重確定、評估模型等方面還需要進一步的研究和優化。

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（責編：楊 林）