廣州市雷電災害易損性分析評估和易損度區劃

張春燕，鐘博宏，張宇飛

(廣州市氣象公共服務中心，廣州 511400)

廣州市雷電災害易損性分析評估和易損度區劃

張春燕，鐘博宏，張宇飛

(廣州市氣象公共服務中心，廣州 511400)

基于廣州市2013—2015年閃電監測資料和2010—2015年雷電災害資料，分析了雷擊大地密度的空間分布和雷電災害頻度特征；并結合廣州市人口密度、GDP等特征，選取雷擊大地密度NG、雷電災害頻度P、生命易損模數L和經濟易損模數D這4個參數作為雷電災害風險評估指標，利用層次分析法確定評估指標權重，建立了雷電災害風險評估方程式，對廣州市雷電災害易損性進行分析，從而形成雷電災害易損度區劃。結果表明:天河為極高風險區，海珠、蘿崗、番禺和花都為高風險區，越秀、荔灣、黃埔和白云為中風險區，從化、增城和南沙為低風險區。研究結果可為廣州市雷電災害易損度區劃提供技術支撐。

雷電災害；評估指標；層次分析；易損度區劃；廣州

廣州地處珠江三角洲核心區域，屬于丘陵地帶，亞熱帶季風氣候。據2008—2012年廣東省雷電災害分布統計[1]，廣州發生雷電災害共502起，在粵排名第二；人員傷亡數位列第1，其中有20人死亡、14人受傷；造成的直接經濟損失達到2 916.19萬元，居粵之首。因此，從災害易損性角度出發，對廣州市雷電災害進行易損性分析評估和易損度區劃，同時考慮致災體雷電和承災體人類社會兩方面，將災害防御管理提高到風險管理的程度，對于防災減災具有一定的指導意義。

近年來，雷電防御科研人員在雷電災害易損性分析評估與區劃方面取得了不少有意義的研究成果。李家啟等[2]分析了重慶市雷電災害的易損性，形成重慶市雷電災害易損度區劃。嚴春銀[3]對江西省雷災易損性進行綜合評估，形成江西省雷災易損性區劃。呂海勇等[4]基于GIS技術，從不同側面研究了廣東省雷電災害易損性與風險區劃。馬遠飛等[5]利用雷暴日、雷災資料，對延安市雷電災害進行了易損性分析及易損度區劃。在前人的研究中，綜合易損度的計算沒有考慮各指標的權重差別，而災害風險評估的關鍵是合理確定評估指標的權重[6]。確定指標權重的方法目前主要有“經驗法”、“專家打分”和“層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)”。扈海波等[7]認為，AHP適用于城市氣象災害風險評估，個例應用也表明該方法確定的權重值能保證評估結果的合理性和正確性。采用AHP確定雷電災害風險評估指標權重，建立雷電災害風險評估模型，分析了廣州市雷電災害易損性和易損度區劃，為預防、減少區域的雷電災害提供理論和技術支持。

1 資料和方法

1.1 資料來源

2013—2015年閃電資料來源于粵港澳閃電監測網，包括：閃電出現的時間、經緯度，雷電流強度，雷電閃型。雷電災害資料記錄了雷電災害發生的時間、地點和受損情況等。雷電災害資料來源于廣州市各轄區的雷電災害報告，由廣州市防雷減災管理辦公室提供，資料年限為2010—2015年。人口和經濟特征資料來自廣州市統計局2016年發布的普查數據。

廣州市現轄11個行政區，由于統計資料是將黃埔區和蘿崗區分開統計的，因此仍將黃埔、蘿崗分開，按12個區(越秀、天河、海珠、荔灣、蘿崗、黃埔、從化、增城、番禺、南沙、白云和花都)統計分析。

1.2 資料處理和計算方法

通過深入研究致災體、孕災環境和承災體三方面特征來合理選取災害風險評估指標。首先，采用AHP確定指標權重，建立雷電災害風險評估模型，進而分析廣州市雷電災害易損性和易損度區劃。通過比對分析，選取雷擊大地密度(NG)、雷電災害頻度(P)、生命易損模數(L)、經濟(GDP)易損模數(D)等4個指標分析評估廣州市雷電災害易損性。

2 雷電災害易損性分析

2.1 雷電災害易損性概念

雷電災害易損性是指人身財產受到雷電損害的程度，致災體是雷電，承災體是地面上的人和物，它反映了人身財產在遭受雷電襲擊時的脆弱性。災害的發生是由致災體的危險性和承災體的脆弱性共同決定的[8]。致災體是客觀存在的，要人為改變非常困難，而承災體受損害程度，除了與致災體有關外，還與人為因素作用有關，同種強度的同一災種在不同承災體上造成的損害程度是不相同的。對于雷電這種致災因子，目前的科技水平還無法消除，但可通過防御措施來減少損失。因此，通過增強承災體的承受能力，降低易損性，是減輕雷電損害的關鍵。

2.2 雷電災害易損性評估指標

采用4個雷電災害風險評估指標：雷擊大地密度NG、雷電災害頻度P、生命易損模數L、直接經濟(GDP)易損模數D。其中，雷擊大地密度(NG=N/S，單位為次·km-2·a-1，N為地閃次數，S為區域面積)是指每年每平方公里雷擊大地的次數，該指標表征了雷電活動的頻繁程度；雷電災害頻度(P=N/n，單位為次·a-1，N為雷電災害的總次數，n為年數)是指年平均雷電災害次數，該指標表示過去一段時期內發生雷電災害的情況；生命易損模數(L=Ls/S，單位為人·km-2，Ls為常住人口，S為面積)表示發生雷電災害時單位面積上受危害的人口數量，該指標反映了生命對雷電災害的敏感度；經濟易損模數(D=Ds/S，單位為萬元·km-2，Ds為所選區域GDP生產總值，S為區域面積)表示發生雷電災害時單位面積上的直接經濟損失。

3 地閃密度空間分布和雷電災害頻度特征

3.1 雷擊大地密度空間分布特征

廣州地形復雜，地勢自北向南降低，東北部為中低山區，中部為丘陵盆地，南部為沿海沖積平原。圖1給出了2013—2015年廣州雷擊大地密度空間分布圖。由圖1可見，雷擊大地密度空間分布具有明顯的區域性。雷擊大地密度大值區偏西，主要位于廣州中心城區以及白云、花都的部分區域，其中最大值在越秀區(31.81次·km-2·a-1)；最小值在從化區(7.99次·km-2·a-1)；廣州地閃年平均值17.61次·km-2·a-1。廣州雷擊大地密度出現這樣的分布狀況，與城市粗糙度增大造成氣流流經城市上空的阻滯和抬升，以及夏季影響廣州的天氣系統大多是自西面或西南面東移的天氣系統有關，氣流在西面、西南面遇城市粗糙下墊面，造成氣流抬升而增強了對流，從而使該區域閃電密度大于其它地區[9]。

圖1 2013—2015年廣州市雷擊大地密度空間分布特征(單位：次·km-2·a-1)

3.2 雷電災害頻度特征

圖2為2010—2015年廣州市各行政區雷電災害事故、直接經濟損失和人身傷亡比例。由圖2可知，2010—2015年期間，廣州市有具體地址記錄的雷電災害事故共發生352起(其中造成人員傷亡18起)，花都區發生雷電災害事故最多，達到19.7次·a-1；其次為番禺區(13次·a-1)；雷電災害事故最少的區域是荔灣和增城區，均只有0.8次·a-1。經濟損失嚴重的同樣為花都區和番禺區，分別占總損失的31%和21.3%；經濟損失最低的則是越秀區，占總損失的0.5%。人員傷亡主要發生在白云區(6次)和番禺區(4次)，分別占人員傷亡總數的33.3%和22.2%。

表1給出了2010—2015年廣州市各行政區年度雷電災害統計情況。2012年之前，從化、增城、番禺雷電災害出現較多，2012年后花都區雷電災害突增。通過對比表1與圖1可以看出，雷電災害頻度分布與地閃空間分布并不成明顯的比例關系，說明雷電災害的發生，不僅與自然界雷電活動分布有關系，也與承災體特征(如：建筑規模、人口密度、雷電防護情況等)有關。

圖2 2010—2015年廣州市各行政區雷電災害比例圖

行政區2010年2011年2012年2013年2014年2015年合計越秀區1410006天河區3121018海珠區2110228荔灣區2210005蘿崗區197135237黃浦區29000011從化區131052101151增城區2300005番禺區201519611778南沙區101000011白云區15111514花都區81224372017118

4 雷電災害風險評估模型

參考樊運曉等[6]的研究，采用AHP，先利用選定的雷電災害風險評估指標得到指標體系矩陣Q，再計算出指標權重W，即可得到雷電災害風險評估模型R=W·Q。

利用選定的4個廣州市雷電災害風險評估指標得到指標體系矩陣Q=[NGPLD]。在計算指標權重W時，首先，按照Saaty標度方法[6],建立雷電災害風險評估判斷矩陣T，判斷矩陣T及權重分布見表2；其次，對矩陣進行一致性檢驗。利用Matlab計算得出：判斷矩陣T的最大特征值λ=4.051，特征向量(即指標權重)W=[0.472 85 0.284 38 0.169 92 0.072 85]T，一致性指標CR=(4.05 11-4)/3=0.017。由于CRlt;0.1，判斷矩陣T通過了一致性檢驗。將計算得到的W和Q代入雷電災害風險評估模型中，即可得到廣州市雷電災害風險評估模型

R=0.472 85NG+0.284 38P+
0.169 92L+0.072 85D。

(1)

表2 雷電災害風險評估判斷矩陣T及權重分布

注：B1、B2、B3、B4分別代表雷擊大地密度、雷電災害頻度、生命損失模數和經濟損失模數。

5 雷電災害易損度區劃

雷電災害易損度區劃的第一步是計算雷電災害易損性分析指標，即：以廣州市12個行政區為基本分析單元，根據閃電定位資料計算各區年平均雷擊大地密度NG；根據雷災資料計算各區雷電災害頻度P；再結合GDP、人口和國土面積資料，計算各行政區的生命易損模數L和直接經濟損失模數D。表3為計算得到的廣州市各行政區雷電災害易損性分析指標值，主要體現了各行政區發生雷電災害時在不同方面可能造成的損失量大小。

表3給出的各行政區雷電災害易損性指標值無法體現出每個行政區總體的雷電災害易損性大小。為了體現雷電災害易損性大小的總體性，并方便比較，將雷電災害易損性指標分成極高、高、中、低4個級別，按照災害學通常方法，結合廣州市雷電災害實情，賦予各等級如下的定值：極高為1.0、高為0.8、中為0.5、低為0.2[10-12]。通過參照已有的雷電災害易損性指標等級劃分標準[11-13],即將每個指標值從小到大排列，分成四組，每組3個記錄，將第n(n=1，2，3)組中的最大值和第n+1組中的最小值的平均值作為第n級的最大值和第n+1級的最小值，制定廣州市雷電災害易損性指標等級劃分標準(見表4)。

表3 廣州市各行政區域雷電災害易損性分析指標值

表4 廣州市雷電災害易損性指標等級劃分標準

按照表4給出的雷電災害易損性指標等級劃分標準判斷各行政區每個指標所屬的等級并賦予相應的等級指標值，再將某個行政區的4個指標的等級指標值帶入雷電災害風險評估方程式(1)，則可計算出該行政區雷電災害易損度R(表5)。從表5可以看出：雷擊大地密度較大的區域有越秀、天河、荔灣等中心城區；雷電災害頻度較高的區域在從化、番禺、花都等郊區；生命易損指數較高的是天河、海珠和白云；經濟易損指數較高的區域是天河、番禺和花都；雷電災害易損度較高的地區既有雷暴活動頻繁區域(天河、海珠、蘿崗)，也有金融中心或人口密度較高的區域(天河、海珠、番禺、花都)。

表5 廣州市各行政區域雷電災害易損度評估結果

同樣采用4級分區法，將12個行政區的雷電災害易損度的評估結果劃分為雷電災害極高風險區、高風險區、中風險區和低風險區4個等級，各等級雷電災害綜合易損度等級劃分標準為：低易損區(R≤0.50)，中易損區(0.50lt;R≤0.61)，高易損區(0.61lt;R≤0.74)，極高易損區(Rgt;0.74)，最終得到廣州市雷電災害易損性區劃結果，如表6所示。

表6 廣州市雷災易損性區劃結果

6 結論和討論

利用廣州市閃電和雷災資料，分析了雷擊大地密度的空間分布和雷電災害頻度特征，結合層次分析法建立了雷電災害風險評估方程式，對各行政區雷電災害易損性進行了分析與區劃，得出了以下結論和相關討論。

(1)廣州市地閃空間分布具有明顯的區域性，雷擊大地密度大值區偏西，主要位于廣州中心城區以及白云、花都的部分區域，其中最大值在越秀區(31.81次·km-2·a-1)，最小值在從化區(7.99次·km-2·a-1)，年平均值17.61次·km-2·a-1。

(2)2010—2015年期間，廣州市記錄具體地址的雷電災害事故共發生352起，以花都區發生雷電災害事故最多，達到19.7次·a-1，其次為番禺區(13次·a-1)；經濟損失嚴重的同樣為花都區和番禺區，分別占總損失的31%和21.3%；人員傷亡主要發生在白云區(6次)和番禺區(4次)，分別占人員傷亡總數的33.3%和22.2%。

(4)廣州市雷電災害易損區可劃分為：天河為極高風險區，海珠、蘿崗、番禺和花都為高風險區，越秀、荔灣、黃埔和白云為中風險區，從化、增城和南沙為低風險區。

(5)研究結果可為廣州市防災減災規劃提供參考，對城市防災減災有著重要的實際意義。但由于雷災資料年限較短，樣本代表性有限，可能影響雷電災害易損性區劃的可靠性；由于只選取了4個指標，指標數量較少，也可能影響到區劃的可信度；另外,如何確定恰當的指標權重,還有待進一步研究。

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P429

A

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1006-4354(2017)06-0023-06

2017-06-16

張春燕(1983—)，女，漢族，江蘇淮安人，碩士，工程師，從事雷電監測與防御、氣象公共服務工作。

廣東省氣象局科學技術研究項目(2016B35)