2010-2019年深圳市雷電災害風險區劃研究*

郭秀峰 張超凡 賴華揚 趙敏晶 崔杰豪 羅毫勇

（1.無錫學院大氣與遙感學院 無錫 214105）（2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室 北京 100081）

1 引言

雷電是雷暴天氣的重要組成部分，是發生于大氣中的一種瞬時大電流、高電壓、強電磁輻射的災害性天氣現象，會對自然環境和人民財產產生嚴重的損壞。近年，深圳市的經濟發展迅速，電子技術水平也處于高速發展，如何盡量避免雷電的危害顯得格外重要，高新電子儀器的精細化發展也對雷電防護措施提出了更高的要求，唯有對深圳市的雷電進行更細致的分析才能更好地為未來的電子技術發展奠定良好的保障，雷電災害風險區劃研究可以為深圳市雷電防護提供一個參考。

目前，雷電災害研究多是對閃電定位資料、當地的自然環境、經濟情況以及雷災損失進行分析，歸納出閃電密度、閃電強度、生命損失指數、經濟損失指數等作為雷電災害風險區劃的各項指標再進行加權分析得到雷電災害風險區劃模型。劉三梅等開展了廣東省雷電風險區劃的研究［1］，李文輝等對2010-2019年青海省雷電災害風險進行了分析［2］，李家啟對重慶市雷電活動規律及其風險評估做了研究［3］，何桂霞等研究了宣城市閃電特征及閃電易發區劃分［4］，程麗丹等開展了對河南省雷電災害易損性分析及風險區劃的研究［5］。

研究基于2018年實施的雷電災害風險區劃技術指南（QX/T 405-2017），采用GIS分析地閃密度、地閃強度、土壤導電率、海拔高度、地形起伏、年均人口密度、年均GDP密度、生命損失指數、經濟損失指數、防護能力指數，將這十個因素歸一化處理，采用層次分析法確定各項指標權重，得到雷電災害風險區劃模型，最終運用自然斷點法劃分5個風險區劃等級。研究旨在對各個區域進行更準確的風險等級劃分，為雷電防護、科學規劃及決策提供精確服務。

2 資料與方法

2.1 資料來源

地閃定位數據來源于地基ADTD（Advanced Time of Arrival and Direction）雷電探測系統2010-2019年的閃電數據；雷電災害數據來自廣東省雷電災害實例匯編（2011-2019）；人口密度及城市經濟數據來自深圳統計年鑒（2010-2019）；土地利用類型數據來自GlobeLand30 2020版。

2.2 處理方法

2.2.1 地閃強度

閃電定位數據中剔除了雷電流幅值在0KA-2kA和200kA以上的數據，并對雷電流幅值進行了分級處理，百分位數在60%以下的為1級；在60%～80%為2級；在80%～90%為3級；在90%～95%為4級；在95%以上為5級。計算各格網內的地閃強度，形成地閃強度柵格數據，計算公式如下：

式中：Ln是地閃強度；Fi是雷電流幅值為i等級的地閃頻次的歸一化值。

2.2.2 防護能力指數

防護能力指數是根據GB/T21010-2017表A.1的標準對土地利用類型數據分為三類，建設用地賦值為1；農用地賦值為0.6；未利用第賦值為0.5。

2.2.3 數據歸一化

為了消除各指標之間量綱的差異，運用歸一化的方法，將有量綱的數值經過變換，化為無量綱的數值。計算公式為

式中：Dij是j站（格）點第i個指標的歸一化值；Aij是j站（格）點第i個指標值；分別是第i個指標的最大值和最小值。

2.2.4 指標權重確定方法

研究采用層次分析法來確定各個指標之間的權重，表1給出各個指標的權重大小。

表1 深圳市雷電災害風險區劃各指標的分級權重

2.2.5 風險指標體系構建

風險指標體系包括了致災因子危險性分析和承災體易損性分析，承載體易損性分析包含承災體脆弱性分析和承災體暴露度分析。以下是對各指標的具體分析方法，計算的權重均來自于表1。

1）致災因子危險性分析

致災因子是可能造成財產損失、人員傷亡、資源與環境破壞、社會系統混亂等的異變因子，是分析自然災害災情大小的重要指標。研究中的雷電災害致災因子包括地閃密度、地閃強度、土壤導電率、海拔高度以及地形起伏。致災因子危險性的計算公式為

式中：RH是致災因子危險性；Ld是地閃密度；Ln是地閃強度；Sc是土壤導電率；Eh海拔高度；Tr是地形起伏。

2）承災體暴露度分析

暴露度是指承災體受到雷電災害影響的數量和價值量，范圍越大或數量越多，暴露度越大。雷電災害會影響城市經濟和居民生活，研究用城市GDP密度和人口密度來分析承災體暴露度。計算公式如下：

式中：RE是承災體脆弱性；Pd是年均人口密度；Gd是年均GDP密度。

3）承災體脆弱性分析

脆弱性是指承災體收到不利影響的趨勢和傾向，是承災體的內在屬性，其大小取決于承災體對致災因子不利影響的敏感程度及其自身的應對能力，敏感程度越高或應對能力越弱，脆弱性就越大。研究用生命損失指數、經濟損失指數及防護能力指數來衡量承災體脆弱性。計算公式如下：

式中：RF是承災體脆弱性；CL是生命損失指數；ML是經濟損失指數；PC是防護能力指數。

生命損失指數計算公式為

式中：F為年平均雷電災害次數的歸一化值；C為年平均雷電造成傷亡數的歸一化值。

經濟損失指數計算公式為

式中：M為年平均雷擊造成的直接經濟損失的歸一化值。

2.2.6 雷電災害風險區劃模型

雷電災害風險區劃模型由雷電災害風險因子以及雷電災害風險等級組成，雷電災害風險因子包括致災因子危險性和承災體易損性。承載體易損性又包括承載體暴露度和承載體脆弱性。各項指標權重來自于表1，區劃模型如圖1。

圖1 雷電災害風險區劃模型

雷電災害風險指數的計算方法如下：

式中：LDRI是雷電災害風險指數；RV是承載體易損性。

承載體易損性的計算方法如下：

雷電災害風險等級劃分采用自然斷點法，區別于QX/T 405-2017將雷電災害風險劃分三個風險區：極高風險等級、高風險等級、一般風險等級，為了更精細化的表示雷電風險級別，研究劃分5個風險區：高風險等級、較高風險等級、一般風險等級、較低風險區、低風險區。

3 結果分析

采用GIS空間分析的方法對致災因子危險性和承災體易損性進行分析，得到各指標的空間分布圖。下面是對各指標的結果分析。

3.1 致災因子危險性

圖3～4為2010-2019年深圳市地閃密度和雷電流幅值的空間分布圖，可以看出，深圳市地閃密度最高的地區集中在轄區中上部最高有23次/（km2·a），地閃密度最低的是大鵬新區、以及南山區南部、及深圳市轄區邊緣地帶。雷電流幅值與海拔高度在空間分布上有很大的相似度，地閃強度最高的地區主要分布在大鵬新區、南山區、鹽田區中部、福田區、寶安區邊緣區域、龍崗區中部，坪山區的西部，雷電流平均幅值在20KA～60KA，其余地區雷電流平均幅值在20KA～40KA，在極少地區雷電流平均幅值可達70KA～120KA，地閃強度的空間分布與海拔高度的空間分布基本相吻合，在海拔高度高的地方地閃強度也相對較大。以50m為步長統計每個海拔區間內的雷電流幅值均值。在對其進行線性擬合，體現出了很好的線性上升關系，pearson′s的相關系數r=0.99055，相關度很強。

圖2 海拔高度、雷電流幅值線性擬合圖

圖3 2010-2019年深圳市地閃密度空間分布

圖4 2010-2019年深圳市雷電流幅值空間分布

式 中：截 距a：30.95196±0.22371；斜 率b：0.01221±4.36635E

圖5是致災因子危險性等級的空間分布圖，從中可以看到危險性高的區域集中在深圳市中部地區有福田區、羅湖區、鹽田區、南山區北部、光明區東部，危險性低的地方分布在深圳市邊緣地帶。致災因子危險性空間分布與雷電流幅值和海拔高度的空間分布在深圳市中部地區較為相似，在大鵬新區的差異較大。

圖5 2010-2019年深圳市致災因子危險性空間分布

3.2 承載體易損性

承災體易損性與其本身的暴露性和脆弱性有關，研究從單位平方公里人口密度和GDP密度這兩個指標來衡量暴露度。脆弱性是由其本身的自然屬性所決定的，研究從歷史雷電災情次數、人員傷亡、經濟損失情況這3個方面來衡量其脆弱性。

3.2.1 承載體暴露度

圖6為2010-2019年深圳市承載體暴露度等級空間分布圖。承載體暴露度高的地區有福田區和羅湖區，較高的地區有龍華區和南山區，這些區域人口密度和GDP密度比較高，城市化水平較高，如果受到雷電災害，產生的影響會較大，對雷電防護工作的要求更加嚴格。承災體暴露度低的地區為大鵬新區，較低等級的區域為鹽田區和光明區，其人口密度和GDP密度較低。

圖6 2010-2019年深圳市承載體暴露度

3.2.2 承載體脆弱性

圖7是2011-2019年深圳市承載體脆弱性等級空間分布圖，承災體脆弱性的空間分布受土地防護能力指數的影響較大，從圖中可以看出，大鵬新區以及光明區東部、寶安區東部、南山區北部、羅湖區東部、坪山區南部、龍崗區西北部處于高脆弱性地區未利用地占比較大，土地防護能力指數較低，風險較高。其余地區多為低脆弱性區域，建筑用地占比較大，土地防護能力指數較高。

圖7 承載體脆弱性空間分布

3.2.3 承載體易損性

圖8是由承災體暴露度和承災體脆弱性加權得到的承災體易損性空間分布圖。易損性就是用來描述承災體潛在的損失程度，從圖中可以看出承災體易損性高的區域在福田區和羅湖區東部，表明這兩處地點城市化水平高，人口及GDP密度較大，受雷電災害的潛在損失較大；易損性較高的地區為南山區北部；其余區域易損性等級處于一般及以下的水平，龍華區同樣城市化水平高人口及GDP密度較大，但其土地防護能力指數較高，所以表現出易損性低，大鵬新區的土地防護能力指數不高，但其城市化水平、人口及GDP密度都相對較低，受雷電災害的潛在影響小，同樣表現出易損性低。

圖8 承災體易損性空間分布

4 雷電災害風險區劃

圖9和10是根據自然斷點法分成5等級和3等級的2010-2019年深圳市雷電災害風險區劃圖，通過兩圖對比可以看出圖9的一般等級對應圖10的高等級，圖9的較高和高等級對應圖10的極高等級，圖9的低和較低等級對應圖10的一般等級。圖9更具有針對性，從圖9中看出處于高風險區的有光明區東部、南山區北、福田區、羅湖區東部、鹽田區北部。處于較高風險地區的有南山區北部、坪山區南部、福田區西部、羅湖區西部、寶安區中部、大鵬新區東南部以及深圳市邊緣地帶的部分地區。低險地區主要位于深圳市邊緣地帶。

圖9 2010-2019年深圳市雷電災害風險區劃（5等級劃分法）

圖10 2010-2019年深圳市雷電災害風險區劃（3等級劃分法）

表2是圖9各風險區劃等級所占土地面積，一般風險等級的土地面積占比最多達31.15%，處于高等級的土地面積占比最少僅有7.78%。

表2 風險區劃等級對應的土地面積

5 結語

研究基于氣象行業標準（QX/T 405-2017），建立了深圳市雷電災害風險區劃模型，采用自然斷點法對模型劃分了5個等級：高風險等級、較高風險等級、一般風險等級、較低風險、低風險區，處于高風險區的有光明區東部、南山區北、福田區、羅湖區東部、鹽田區北部。處于較高風險地區的有南山區北部、坪山區南部、福田區西部、羅湖區西部、寶安區中部、大鵬新區東南部以及深圳市邊緣地帶的部分地區。低險地區主要位于深圳市邊緣地帶，處于一般風險等級的土地面積占比最多達31.15%，處于高等級的土地面積占比最少僅有7.78%。在雷電致災因子危險性分析中，發現了深圳市雷電流幅值與海拔高度在空間分布上有很大的相似度，體現在海拔高度高的地方地閃強度也相對較大，在對其進行線性擬合，表現出很好的線性上升關系。在承災體易損性分析中，福田區、羅湖區東部易損性高，南山區北部較高，抵御雷電災害的能力較弱，受雷電災害的潛在影響較大，要加強雷電防護。