基于ArcGIS的新疆雷電災害風險區劃研究

王延慧，張建濤，葉文軍，黃曉露，錢 勇，周 斌

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象災害防御技術中心，新疆 烏魯木齊830002）

雷電是雷暴云中發生的劇烈放電現象，破壞力巨大，是一種嚴重的災害性天氣[1]。雷電災害是全球發生頻率高、影響嚴重的災害類型，雷電常造成人員傷亡、農田受災、漁業損失，嚴重制約了社會經濟發展。據統計，全球平均每分鐘發生雷暴天氣達兩千次，每年雷電災害造成數萬人身傷亡案例，直接經濟損失達數十億美元。隨著高新技術的迅速發展，尤其是電子技術，雷電對電子信息系統的危害越來越嚴重，造成的損失和影響也越來越大，雷電災害已被國際電工委員會（IEC），稱為“電子時代的一大公害”[2]。

為了減輕雷電災害造成的損失，需要了解區域雷電活動規律以及雷電災害風險分布情況。災害風險評價始于20 世紀30 年代，由美國田納西河流域管理局提出洪水災害風險評價理論方法[3]。隨著風險分析理論的成熟和應用，風險分析也被引入雷電等災害風險評價。近年來，我國氣象學者在雷電災害風險評估與區劃方面進行了諸多研究。徐瑞利[4]、朱涯[5]、吳安坤[6-7]、黃肖寒[8]、張雷[9]、程萌[10]、顧麗華[11]、程向陽[12]、程麗丹[13]等眾多學者基于風險分析理論，從致災因子危險性、孕災環境風險、承災體、暴露性、脆弱性和防災減災能力分布等特點若干個方面入手，采用雷暴日、雷電、地理信息及社會經濟等數據，構建雷電綜合風險指標，得到了魯東南山區、玉溪市、貴州省、河池市、福建省、菏澤市、德清縣和安徽省雷電災害風險區劃。

目前國內各省已經相繼開展了雷電災害風險區劃模型的研究，但新疆地區雷災風險區劃的研究卻相對缺乏，由于地域差異，現有的評價模型、方法不適宜高海拔地區。新疆地理條件復雜，地形起伏很大，山脈與盆地相間排列盆地與高山環抱[14-15]，受地理地形等因素影響，夏季午后至傍晚最易發生強烈的對流天氣過程，并伴隨著閃電活動。閃電不僅干擾通訊系統、電力設施和計算機網絡等的安全運行，有時還擊毀石油化工設施，造成人畜傷亡，對當地的經濟建設和人民的生產生活造成嚴重的危害。為避免和減少因雷電而造成的經濟損失和社會影響，本文利用新疆地閃、雷電災情、社會經濟及地理信息數據，對新疆地區雷電災害風險進行評估和區劃研究，以期為新疆的防雷安全監管、雷電監測預警預報和防雷減災提供理論指導和科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料說明

地閃資料來源于新疆2013 年1 月1 日00：00（北 京 時 間BT）—2017 年12 月31 日00：00 的ADTD 地閃定位監測系統的探測資料，新疆閃電定位監測網于2011 年7 月—2012 年11 月安裝完成，至今共布設了49 個監測站點（圖1），探測范圍可覆蓋新疆全境及周邊地區，布設基線距離300 km，可以提供每次雷擊的時間、經緯度、雷電流幅值、陡度和定位方式等參數[16]；雷電災情資料來源于新疆氣象局統計上報的2005—2017 年各縣市雷電災害次數、傷亡人口和經濟損失數據；社會經濟資料來源于新疆維吾爾自治區統計局編著的《新疆統計年鑒2017》中2016年各縣地區生產總值（GDP）、年末耕地面積、土地面積和年末人口等數據[17]；地理信息資料來源于從新疆氣象局科技預報處申請的2016 版新疆縣級以上行政區劃及邊界矢量數據、2008 年新疆90m 分辨率DEM 數據和2010 年新疆30 m 分辨率地表覆蓋數據。

圖1 地閃定位監測站點

1.2 數據處理方法

1.2.1 地閃資料處理方法

從地閃定位系統監測的原始數據中分別提取了地閃的發生時間、經緯度及電流強度等數據。首先，剔除了疆外無意義的數據；其次，剔除雷電流幅值為0～2 kA 和200 kA 以上的地閃的數據[18]；最后，將前后時間隔間在0.5 s 內和距離＜10 km 的多次回擊過程，歸為一次閃電[19-20]，同時把繼后回擊刪除，將首次回擊保留下來的資料作為該次閃電的信息進行統計分析。

1.2.2 歸一化處理方法

雷電災害風險評估用到多類指標進行加權綜合，為了消除各指標的量綱差異，對每一個指標值進行歸一化處理。歸一化是將有量綱的數值經過變換，化為無量綱的數值，進而消除各指標的量綱差異。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；maxi、mini分別是第i個指標值中的最大值和最小值。

1.2.3 加權綜合評價法

各評價因子指數的計算采用加權綜合評價法[21]，它是綜合考慮各個指標對總體對象（因子）的影響程度，采用以下計算公式：

式中：Vj是評價因子的總值，Wi是指標i 的權重，Dij是對于因子j 的指標i 的歸一化值，n 是評價指標個數。

1.2.4 自然斷點法

自然斷點法（Jenks natural breaks method）是一種地圖分級算法。該算法認為數據本身有斷點，可利用數據這一特點進行分級。算法原則是一個小聚類，聚類結束條件是組間方差最大、組內方差最小。計算方法見式（3）：

式中：SSDi為方差；i、j 為第i、j 個元素；A 是長度為N 的數組；k 為i、j 中間的數，表示A 組中的第k 個元素。

2 結果與分析

2.1 雷電災害風險區劃體系流程

本文基于自然災害系統理論和風險評估理論，認為形成雷電災害必須具有以下條件：首先，致災因子，誘發雷電災害的因素，主要由雷電活動規模、活動頻次等決定；其次，孕災環境，形成雷電災害的環境，主要由下墊面的性質等決定，包括土地覆蓋類型、地形海拔變化；最后，承災體，雷電影響的人類活動、社會財產等，直接作用于當地的人口、經濟情況。因此，雷電災害風險區劃體系從致災因子危險性、孕災環境敏感性和承災體易損性3 個方面選取相應的評價指標，建立雷電災害風險區劃結構流程（圖2）。

圖2 雷電災害風險區劃技術流程

2.2 雷電災害風險區劃指標權重的確定

層次分析法[22-24]（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是一種主觀賦值法，是對一些較為復雜、模糊的問題作出決策的方法，即將復雜問題分解為多個組成因素，并將這些因素按支配關系進一步分解，形成多目標、多層次的的有序的遞階層次結構。通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性。具體步驟：首先，要建立層次結構模型；其次，通過元素之間的成對比較和比較尺度構造判斷矩陣；然后根據判斷矩陣計算各指標相對權重，并做一致性檢驗；最后，計算合成權重。本文通過AHP 法和統計學方法，采用流行的yaahp 軟件，構造判斷矩陣來確定雷電災害風險評價指標體系的權重，各指標的權重如表1 所示。

表1 雷電災害風險區劃各指標的權重

2.3 雷電災害風險區劃指標分析

2.3.1 致災因子危險性分析

雷電災害危險性評價則是研究給定地理區域內一定時間段內雷電的致災因子發生的可能性，包括分析其時、空、強的致災特征及發生規律。本文主要考慮了地閃密度和地閃強度兩個方面的因素。地閃密度反映了研究區遭受雷電災害的可能性問題。地閃強度反映了研究區遭受雷電災害的概率大小問題，地閃強度越大，密度越高，雷電災害風險越大。采用2013 年1 月—2017 年12 月新疆ADTD 型地閃定位儀所獲取的地閃資料，經過質量控制后，利用提取的近5 a 的地閃強度數據，按照百分位數法，將雷電流幅值分為5 級（表2）。根據雷電流幅值等級越高，對雷災形成所起的作用越大的原則，確定地閃致災因子權重，將按照0.01°×0.01°的網格格點化后的數據，按照雷電流幅值從5 級到1 級分別取其權重，即按照公式（4）計算，并進行歸一化處理，形成地閃強度柵格數據：

式中：Ln 為地閃強度；i 為雷電流幅值等級；Fi為雷電流幅值為i 等級的地閃頻次的歸一化值。

表2 雷電流幅值等級

由圖3a 可知，地閃強度低值區主要位于南疆的喀什、和田和克州地區，其數值低于0.51，這些地區高建筑物較少、經濟發展水平較低；地閃強度高值區基本分布在北疆的阿勒泰、塔城地區和博州、伊犁州及克拉瑪依市、烏蘇、奎屯、沙灣、瑪納斯、呼圖壁和昌吉一線的中北部的水域山體坡地，其數值在0.51～0.60。這些地區人口及旅客集中、各類電器電子設備使用較多、聚集各類石油化工企業。

圖3 新疆地閃強度（a），地閃密度（b）及致災因子危險性（c）分布

另外，將提取的近5 a 地閃經緯度數據，劃分為0.01°×0.01°的網格，統計網格內的地閃頻次，除以資料年限，得到各網格內的年平均地閃密度，并進行歸一化處理，再通過ArcGIS 中的克里金插值形成地閃密度柵格數據。從圖3b 可見，地閃密度低值區分布在南疆、東疆的沙漠、平原、人煙稀少、高建筑物較少的郊區；地閃密度高值區主要分布在新疆的偏西偏北地區的阿克蘇地區、伊犁州、博州、塔城地區中西部、阿勒泰地區中南部及烏蘇、奎屯、克拉瑪依、沙灣、石河子、瑪納斯一線；地閃密度極高值區則主要分布在北疆的布爾津縣、哈巴河縣、阿勒泰市、福海縣、富蘊縣的東部和吉木乃縣、和布克賽爾蒙古自治縣、額敏縣、托里縣的大部地區以及博樂市、霍城縣、昭蘇縣的中部。

通過以上對致災因子各影響因素的分析，并結合各種影響因子對新疆致災因子的不同貢獻程度，運用AHP 法得出相應的權重值，采用GIS 的柵格計算工具，將地閃密度和強度特征信息作為疊加圖層，計算致災因子危險性，最后利用自然斷點法進行分級，得到雷電災害致災因子的危險性分布。由圖3c可見，致災因子極高危險性區域主要集中在阿爾泰山一線的哈巴河、布爾津、福海、富蘊、青河縣和阿勒泰市的北部；吉木乃、和布克賽爾、托里和額敏縣的大部。高危險區分布在阿勒泰地區南部、塔城地區東部、伊犁和阿克蘇地區的大部以及人口稠密、經濟集中發展的沿天山經濟帶地區的中北部。經濟帶發展迅速，對電子信息技術的依賴性日益增強，高層建筑和高集成電子設備的應用越來越廣泛，如計算機、通信設備及工業自控系統等，這些集成電路的耐過壓、過電流能力極其脆弱，電子計算機和微電子設備對雷電電磁脈沖較常敏感，此經濟帶的雷電災害較為集中，經濟損失也越來越大。

2.3.2 孕災環境敏感性分析

孕災環境是指雷電災害現場的局地自然環境和人類環境對雷電災害形成和發展的貢獻程度。從廣義角度來看，孕災環境穩定程度是標定區域孕災環境的定量指標，孕災環境對氣象災害系統的復雜程度、強度、災情程度以及災害系統的群聚與群發特征起決定性作用。孕災環境敏感性評價是雷電災害風險區劃中較為重要的一部分，根據災害類型、致災強度和次數選擇合適的孕災環境因子，建立合理優化的指標組合和權重。對于雷電災害的發生發展特性，孕災環境敏感性主要與地形起伏、海拔高度、地表覆蓋類型等因子相關[25]。

對2008 年新疆90 m 分辨率DEM 數據進行重采樣分析，得出新疆0.01°×0.01°的海拔高度分布（圖4a），可以看出，新疆山脈與盆地相間排列盆地與高山環抱，亦稱“三山夾二盆”。北部阿爾泰山，南部為昆侖山系；天山橫亙于新疆中部，把新疆分為南北兩半，南部是塔里木盆地，北部是準噶爾盆地。

利用GIS 空間分析工具，對2008 年新疆90 m分辨率DEM 數據，進行重采樣和鄰域分析，提取了0.01°×0.01°的地形起伏柵格圖層，如圖4b 所示，新疆三大山脈地區的地形起伏變化較大，最大達2.941 km，兩個盆地地形起伏變化較小，因而由于地形起伏導致的孕災環境雷電風險在阿勒泰地區東部的阿勒泰山、沿天山一帶和昆侖山很高；在古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠等地勢平緩地帶最低。

對新疆30 m 分辨率地表覆蓋類型，進行了重采樣，形成了0.01°×0.01°的柵格數據（圖4c）。地表覆蓋類型多樣，有耕地、草地、森林、水體、裸地等多種類型，地表覆蓋類型不一，雷電風險也不一樣，河邊、湖邊、海邊、低洼地區和地下水位高的地方，都是容易遭受雷擊的地方，比較空曠的地方有突出物體也易發生雷擊[2]，因此對不同的地表覆蓋類型導致的雷電風險按表3 進行賦值[5]，并處理成歸一化的地表覆蓋類型柵格數據。

表3 地表覆蓋類型風險賦值標準（lan）

將海拔高度、地形起伏和地表覆蓋數據進行歸一化處理后，綜合孕災環境敏感性各因子的影響，依據AHP 層次分析法，按照其權重疊加計算，得到新疆雷電災害孕災環境敏感性區劃圖4d。新疆地形海拔較高，起伏度大；極高敏感區主要分布在阿勒泰山、天山、昆侖山一線和烏倫古湖、艾比湖、賽里木湖等水庫湖泊附近；高敏感區主要集中在天山北坡經濟帶、額爾齊斯河、伊犁河、葉爾羌河和塔里木河等附近。

2.3.3 承災體易損性分析

根據新疆歷次雷電災損類型與雷電因子的關聯度分析，選擇能夠反映區域災損敏度的人口密度、地均GDP、耕地比重、生命和經濟損失指數等因子作為易損性評價因素。一般人口密度大、產業活動頻繁、耕地分布集中、生命和經濟損失嚴重的區域，易損性等級也較高。利用2005—2017 年近13 a 的雷災數據，統計單位面積上的年平均雷電災害次數（單位為次/km2）與單位面積上的雷擊造成人員傷亡數（單位人/km2），并進行歸一化。按照公式（5）計算生命損失指數，經過要素轉柵格處理，形成0.01°×0.01°的生命損失指數柵格數據。

圖4 新疆海拔高度（a）、地形起伏（b）、地表蓋類型（c）及孕災環境敏感性（d）分布

式中：Cl為生命損失指數，F 為年平均雷電災害次數的歸一化值，C 是年平均雷擊造成人員傷亡數的歸一化值。

該指標比較客觀反映區域內雷電災害造成人員傷亡的程度（生命易損性），也體現了區域內人員防御雷電災害的能力。從生命損失指數分布（圖5a）來看，高值區主要分布在喀什市、石河子市、鞏留縣、昭蘇縣、霍城縣和察布查爾錫伯自治縣等天山山脈附近的區域。其次，北疆大部和南疆的偏西地區的生命損失指數也比較高。同上生命損失指數處理方法一致，得出新疆經濟損失指數分布（圖5b），從圖中可以看出：新疆經濟損失指數高值區主要集中在石河子市、喀什市、瑪納斯縣、克拉瑪依市，其次分布在鞏留縣、霍城縣、察布查爾錫伯自治縣、阿勒泰市、新源縣和阜康市等北疆地區。

圖5 新疆生命損失指數（a）、經濟損失指數（b）、人口密度（c）、地均GDP（d）、耕地比重（e）及承災體易損性（f）分布

人是災害影響最重要、最核心承災體，人口密度大的地方，出現雷擊造成的損失也越大。在新疆分縣人口統計數據的基礎上，以人口除以土地面積，得到人口密度，并進行歸一化處理，形成以縣域為單元的矢量數據，并將其轉換為0.01°×0.01°的人口密度柵格數據。從圖5c 可以看出，人口密度大的地方主要在喀什市、石河子市、伊寧市、和田市、澤普縣、奎屯和烏魯木齊市等水源、旅游資源豐富的區域。整體分布趨勢呈現出西部高于東部、西南部高于東南部的形式。新疆人口密度最大、最小區域分別是喀什市、若羌縣，依次為314 9.27、0.17 人/ km2，局部高密度區分布在各地州及縣市行政中心，與其政治、經濟、文化中心的地位密切相關。GDP 指某個地區在一定時期內經濟活動中產生的價值，與人口密度處理方法相同，均以縣級行政單元為基礎進行統計。由圖5d 可知，新疆地均GDP 分布趨勢與人口密度具有很高的一致性，呈現出西部高于東部、西南部高于東南部的形勢。新疆地均GDP 高值區主要集中在喀什、石河子、伊寧、五家渠和烏魯木齊市等人口密集區域。其中最大、最小區域分別是喀什市和民豐縣，依次為803 4.77 萬元/ km2和1.58 萬元/ km2。以年末耕地面積除以土地面積，得到耕地比重，并進行歸一化要素轉柵格處理，形成0.01°×0.01°的耕地比重柵格數據。從圖5e 可得，新疆耕地比重大值區集中在五家渠市、北屯市、石河子市、澤普縣、圖木舒克市、喀什市和塔城市等水源豐富的區域。其次分布在伊犁州、阿克蘇地區、昌吉州等地區。

根據上述指標與雷電災情的相關性，通過加權綜合評價法計算得到承載體易損性（圖5f）。新疆雷電災害承災體易損性極高的地區主要集中在土地面積小、人口較多的石河子市、喀什市、伊寧市等地區；承災體一般易損性地區主要集中在人口密度小、地均GDP 底、耕地比重少以及生命和經濟損失指數小的東疆、和田地區和巴州；而阿勒泰市、塔城地區西北部、沿天山經濟帶、庫爾勒、阿拉爾、阿克蘇市及喀什地區中西部，或人口密度大，或耕地比重集中，這些地方屬于高易損性地區。

2.4 雷電災害風險指數分級及區劃結果分析

根據各風險評價指標因子及對應的權重，利用自然斷點法[26]，對雷電災害風險指數分級見表4。

表4 雷電災害風險指數分級

根據雷電災害形成機理及評價指標體系，模擬災害的形成，從致災因子、孕災環境和承災體來選取評價因子，建立雷電災害風險評價模型，見公式（6）：

式中：LDRI 為雷電災害風險指數，其值越大，則災害風險程度越大；RH、RS、RV 分別表示致災因子危險性、孕災環境敏感性和承載體易損性；wh、ws、wv 為各評價因子相應的權重。

由圖6 可以看出，新疆雷災害風險整體分布態勢呈現出西部高于東部，北部高于南部，綠洲高于沙漠。新疆雷電災害風險極高的地區主要集中在阿勒泰地區的北部、塔城地區大部、博州、伊犁州和喀什市、石河子、五家渠、北屯市及天山北坡經濟帶南部的一些零星地區；因該區地處阿勒泰山和天山山區，地形起伏較大，河網密布，水源較多，人口密集，GDP發展水平高，致災風險較高，雷擊事故造成的人員傷亡和經濟損失較大，因此雷電災害風險極高。雷電災害風險高的地區主要分布在阿勒泰地區的南部、塔城地區東部、昌吉州大部、烏魯木齊中北部、阿克蘇地區、巴州西北部和克州、喀什、和田、巴州南部的昆侖山地區。天山北坡經濟帶是近些年來新疆現代化發展的重點地區，經濟發達，財政收入高，基礎設施完善，防災能力較強，其實際風險等級僅為高風險。昆侖山經濟相對較弱，人類活動較少，人口主要集中在基礎設施良好的城鎮，因此雷電災害風險較阿勒泰山和天山山脈附近低。古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠地區人口稀少，人類活動較少，建筑物稀疏，現代化電子設施少，雷擊事故易造成的經濟損失也少，致災風險較低，屬于一般風險區。根據新疆2005—2017 年各縣發生雷電災害次數的空間分布（圖7）可以看出，阿勒泰市、和布克賽爾蒙古自治縣和富蘊縣災情次數最多，克拉瑪依市、青河和昭蘇縣等次之，于田、民豐、且末和若羌縣等沙漠地區最少，未出現災情記錄。雷電災情次數空間分布與風險區劃分布趨勢大致吻合。

圖6 新疆雷電災害風險區劃

3 結論

圖7 新疆雷電災害次數空間分布

（1）本文基于ArcGIS 技術，采用重采樣、鄰域分析和重分類等方法深入分析了海拔高度、地形起伏、土地覆蓋類型等環境因子對雷電災害的影響。利用空間插值、數據關聯和要素轉柵格等方法實現了地閃資料、雷電災情資料、社會經濟資料和地理信息數據的空間匹配，形成了具有統一數據框架的新疆雷電災害風險區劃GIS 數據庫。

（2）本文根據雷電災害的特征，從致災因子危險性、孕災環境敏感性和承災體易損性3 個方面考慮，確立了以地閃密度、地閃電流強度、地表覆蓋類型、海拔高度、地形起伏、人口密度、地均GDP 密度、生命損失指數、經濟損失指數和耕地比重等10 項參數指標及其權重，構建了雷電災害風險評價指標體系和區劃模型。利用自然斷點法，將繪制的新疆地區雷電災害風險區劃分為一般風險、高風險和極高風險3 個等級。其中，雷電災害風險極高區主要集中在阿勒泰地區北部、塔城地區大部、博州、伊犁州、喀什市和天山北坡經濟帶南部的一些零星地區。

（3）通過與新疆歷史雷電災情數據比較，雷電災情次數空間分布與風險區劃分布趨勢大致吻合，有一定的推廣應用價值。本文中所用資料因有些偏遠山區尚未建站，同時存在雷擊事故上報和統計不完全的現象，導致風險評估過程中可能會產生一些誤差。今后需要加強偏遠地區閃電定位儀的布設和雷電觀測，加強雷電災害鏈研究，綜合精度更高的多源化地閃監測數據和更加詳實的歷史雷災資料，更好地做出雷電災害風險區劃，為當地政府編制精細化氣象災害防御規劃提供決策依據。