基于GIS的滄州市雷暴氣象災害風險評估

王文韜 高操 韓典辰 李連祥

摘要?基于自然災害風險評估理論，建立以致災因素危險性、孕災環境敏感性、災害承受體脆弱性和防災抗災能力為主的評估體系，選取2010—2018年雷暴頻次、極大雷電活動頻次、自然環境和社會經濟等指標，利用GIS分析技術和加權綜合評價方法，對滄州市雷暴氣象災害風險進行了評估。結果表明，大面積的雷暴災害高風險區主要分布在任丘地區、滄州市區、海興北部地區和黃驊市東南部地區，主要是由于雷暴致災因子危險性較大;中西部環境敏感性和承載體易損性相對低，導致雷暴災害發生的風險較低;滄州市區的承載體易損性特別高，市區東部承災體易損性也較差，導致滄州市區東部的雷暴災害發生風險高于東部。

關鍵詞?雷暴氣象災害;GIS分析技術;風險區劃;加權綜合評價方法;滄州市

中圖分類號?P446文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）07-0229-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.065

Risk?Assessment?of?Meteorological?Disasters?in?Heavy?Thunderstorm?in?Cangzhou?City?Based?on?GIS

WANG?Wentao1，?GAO?Cao1，?HAN?Dianchen2?et?al

（1.?Limited?Company?of?State?Power?Environmental?Protection?Research?Institute，?Nanjing，?Jiangsu?210031;2.?Collaborative?Innovation?Center?on?Forecast?and?Evaluation?of?Meteorological?Disasters/Jiangsu?Key?Laboratory?of?Agricultural?Meteorology，?Nanjing?University?of?Information?Science?&?Technology，?Nanjing，?Jiangsu?210044）

Abstract?Based?on?the?risk?assessment?theory?of?natural?disasters，?an?assessment?system?is?established，?which?mainly?includes?the?risk?of?disastercausing?factors，?the?sensitivity?of?disasterpregnant?environment，?the?vulnerability?of?disasterbearing?bodies?and?the?ability?of?disaster?prevention?and?resistance.?The?risk?of?thunderstorm?meteorological?disasters?in?Cangzhou?City?is?evaluated?by?using?the?index?of?light?frequency，?maximum?thunderstorm?speed，?natural?environment?and?social?economy?from?2010?to?2018，?using?GIS?analysis?technology?and?weighted?comprehensive?evaluation?method.?The?results?show?that?the?high?risk?areas?of?thunderstorm?disasters?in?large?areas?are?mainly?located?in?Renqiu，?Cangzhou，?north?Haixing?and?southeast?Huanghua，?mainly?due?to?the?high?risk?of?galeinduced?disasters.?The?environmental?sensitivity?and?carrier?vulnerability?in?the?westcentral?region?lead?to?a?lower?risk?of?gale?disasters.?The?vulnerability?of?the?bearing?body?in?Cangzhou?City?is?particularly?high，?and?the?vulnerability?of?the?disasterbearing?body?in?the?eastern?part?of?the?city?is?also?poor，?resulting?in?higher?risk?of?gale?disasters?in?the?eastern?part?of?Cangzhou?City?than?in?the?eastern?part.

Key?words?Thunderstorm?meteorological?disasters;GIS?analysis?technology;Risk?zoning;Weighted?comprehensive?evaluation?method;Cangzhou?City

基金項目?淮河流域氣象開放研究基金項目（HRM201804）;中國氣象局氣候變化專項（CCSF201809）。

作者簡介?王文韜（1983—），男，江蘇南京人，中級工程師，碩士，從事大氣與環境評估研究。通信作者。

收稿日期?2019-09-11

雷暴是由旺盛積雨云所引起的伴有閃電、雷鳴和強降雨的局地風暴。通常把只伴有降雨的雷暴稱為“一般雷暴”，把伴有雷雨、大風、冰雹、龍卷風等嚴重災害性天氣現象之一的雷暴稱為“強雷暴”。而自然災害是人類依賴的自然界中所發生的異常現象，它具有自然和社會兩重屬性，是人類一直以來面臨的重大挑戰[1-4]。當雷暴給人類社會帶來危害時，即構成雷暴災害。它能迅速影響人類社會中電力、通訊、網絡等方面，對人的生命安全以及城市建設構成威脅，嚴重阻礙城市發展[5-9]。因此在全球變暖、氣候變化速率加快以及極端天氣事件頻發的背景下[10]，對當地雷災進行區劃評估有著重要的現實意義。

雷暴災害風險區劃大體可以分為災情統計模型、簡單因子疊加模型和概率分布模型，眾多專家學者對其進行了大量研究，選擇從雷暴災害災度方面，重點突出了雷暴災害發生后所造成的經濟損失和人口傷亡等，并根據災害后果進行雷暴災害風險區劃[11]。但是對防災減災能力的研究評估尚有不足，增加了防雷救災方面的投入與不確定性，阻礙了災害防御的進展[12]。目前有關滄州市雷暴成災原因、災害分布、防災抗災等方面的研究還存有一定空白。為此，筆者從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性、防災減災能力4因子出發，加權綜合評估了滄州市雷暴氣象災害的分布。

1?資料與方法

1.1?資料來源

氣象資料來源于河北省滄州市2010—2018年192個區域自動站和14個國家自動站的逐日雷暴資料。自然地理數據來自中國科學院地理科學與資源研究所，包括滄州市1∶50?000縣行政邊界（圖1）、土地利用數據、河網密度、河流水系數據、數字高程模型（DEM）數據等。社會統計數據來自于滄州市統計部門，包括滄州市6個縣的人口密度、國民生產總值（GDP）、地均GDP、耕地比重等。

1.2?研究方法

根據自然災害風險形成機理[13-15]，滄州市雷暴災害風險區劃綜合考慮致災因子危險性（VE）、孕災環境敏感性（VS）、承災體易損性（VH）和防災減災能力（VR），制定滄州市雷暴災害風險指標體系（圖2），采用加權綜合評價法[16]來評估雷暴氣象災害風險（V），即：

V=VE×WE+VS×WS+VH×WH+VR×WR（1）

式（1）中，V越大，則表明該地區發生災害的可能性越大，其中Wx表示權重，采用層次熵權分析法[14，17]確定。由于各指標量綱不同，故對各指標值進行歸一化處理，即：

Dij=0.5+0.5×Aij-AminAimax-Aimin（2）

式（2）中，Dij為因子j的第i個指標的歸一化值，Aij為因子j的第i個指標值，Aimin和Aimax分別是第i個指標值當中的最小值和最大值。

2?雷暴災害風險評估

2.1?致災因子危險性

由災害學的觀點可知，致災因子為表明一切可能引起人員傷亡、財產損失以及資源破壞的自然和人文變異因素，它是多種事故甚至災害的危險源頭[18]。極大雷電活動頻次是形成雷暴災害的主要因素，具有瞬時性和破壞性等特點。因此，筆者利用雷暴觀測站在定時天氣觀測時次任意一天聽到1次以上的雷聲就算1個雷暴日;利用滄州市雷暴資料，計算雷暴頻率，利用百分位法將其分為5個等級，作為致災因子危險性的判定指標[19]。

由圖3可知，滄州市雷暴致災因子危險性風險較高，接近1/2的地區處在次高風險區及以上水平，只有少數地區屬

于次低風險區以及低風險區。黃驊西南部地區、海興西北部地區屬于致災因子危險性高風險區，任丘中南部地區、河間中部地區、獻縣中北部地區、滄州市區、滄縣東南部地區、泊頭東部地區、南皮西北部地區、青縣東南部地區、孟村及鹽山東北部地區、黃驊北部與海興東南部地區屬于次高風險區，發生雷暴氣象災害時，強大的雷電波能產生巨大的破壞力和很強的電磁干擾，對建筑物、電力、通訊、計算機、網絡等設備造成重大破壞，對當地經濟建設造成極大威脅。任丘中北部地區、河間東部及西部地區、肅寧、獻縣與泊頭東部地區、東光東北部地區、滄縣西北部地區、南皮東南部地區、青縣北部地區、孟村與鹽山西南部地區、黃驊北部地區、海興東部地區屬于中等風險區。滄州市縣界行政區劃圖外圈地區屬于次低風險區及低風險區，雷暴氣象災害發生頻次較少，同時極大雷電活動的頻次較低。

2.2?承災體易損性

承災體易損性是指受災期間發生雷暴氣象災害的環境破壞程度。損害程度一般取決于該地區的人口密度、經濟和土地利用類型[16]。耕地面積分布反映了一個地區的農業發展水平[14]，當災害影響到大面積的耕地時，由農業產生的連鎖反應會輻射到城市發展的方方面面，嚴重制約城市化發展。該研究主要考慮人口密度、GDP密度和耕地占比3個指標，計算公式如下：

VS=VSP×WP+VSG×WG+VSC×WC（3）

式（3）中，VS、VSP分別代表總易損性、人口易損性，VSG和VSC分別代表經濟易損性和耕地面積易損性。

48卷7期?王文韜等?基于GIS的滄州市雷暴氣象災害風險評估

由圖4可見，雷暴氣象災害承災體易損性因子對滄州市影響程度相差不大，除任丘市中部地區及滄州市區外，其他地區人口密度、GDP的發展和耕地占比情況相近，多屬于低風險區，若發生雷暴氣象災害，單位面積上的經濟損失與受災人口較少;任丘市外圍屬于次低風險區，中部地區屬于次高風險區，風險高于全市大部分地區。由于任丘市人口密度與GDP發展屬滄州市前列，故雷暴災害發生時所造成的人員傷亡以及社會財產的損失都要比其他大部分地區嚴重;滄州市區中的運河區與新華區屬于高風險區，是全市范圍內風險最高的地區，由于市區中城市人口偏多，分布較為密集，城市化水平較高，社會經濟發展狀況好，所以一旦雷暴災害發生，就會給當地的社會經濟建設以及人們的人身安全造成極大的威脅。

2.3?孕災環境敏感性

孕災環境敏感性是指雷暴災害承災體外部環境對損害的敏感性。地形和水體結構是敏感性的主要影響因素[18]。地形主要考慮高程和地形變化（以高程標準差表示），并采用不同的值組合[20]（表1）。考慮水系對氣象災害地區造成的影響，將河流緩沖區分為2級（6、10?km），分別賦值0.9、0.8，非緩沖區取0.5。經歸一化后，孕災環境敏感性（VH）計算公式如下：

VH=VHDEM×WD+WHRI×RI（4）

式（4）中，VHDEM和VHRI分別代表因地形原因造成的影響和因水系結構與分布造成的影響，WD和WRI分別為兩者權重。根據層次熵權分析法[21-22]，WD和WRI分別賦值0.6、0.4，水系數據考慮河網密度和河流水系。采用加權綜合評價法[23]，繪制滄州市孕災環境敏感區劃圖（圖5）。

由圖5可以看出，滄州市孕災環境危險性總體表現出由西南向東北地區逐步上升趨勢。高風險區主要分布在黃驊、青縣、海興地區的東北部。次高風險區分布在青縣和黃驊、海興地區的西南部以及任丘、滄縣、鹽山地區的東北部，其中黃驊市地區高風險區面積最大、危險程度最高，吳橋地區低風險區面積最大、危險程度最小。其主要原因可能是滄州市位于冀中平原東部，整體地勢較為平坦，地形類型較少，多以平原為主，且變化起伏較小，自西南向東北傾斜，高風險區在發生雷暴災害時，平坦的地勢不易使雷電減小，災害對農業、交通業造成很大威脅。所以在這些風險較高區域，建議加強城市綠化作業，使得城市抗雷能力有所加強。

2.4?防災減災能力

防災減災能力體現了一個地區在受災后的承載能力大小與災后重建能力的強弱，是除去自然災害形成因子之外的重要因素，對氣象災害風險評估有著很大作用。防災減災能力包括工程措施和非工程措施，與當地的經濟發展水平密切相關，所以筆者主要采用人均GDP和耕地面積2個指標來反映這一地區的防災減災能力。

由圖6可以看出，防災減災能力危險性對滄州市地區的影響程度較為嚴重，這與滄州市的經濟發展不均衡是密不可分的。其中，河間、獻縣、泊頭、南皮、吳橋、鹽山、海興屬于高風險區，防災減災能力較差，這些地區人均GDP發展水平相對較低，大風災害發生后的承受能力還有很大的提升空間;滄縣、肅寧、青縣、東光、孟村以及黃驊西南部和東北部地區屬于次高風險區，這些地區人均GDP與旱澇保收能力處在中下等發展水平，防災能力比高風險區有一定提升，任丘市外圍、黃驊市中部地區和滄州市區屬于中等風險區，這些地區的經濟發展水平就滄州市而言處于領先水平，但人口密度較大，需要進一步提高群眾防災能力;任丘市中部屬于次低風險區，這是因為任丘市經濟發展處于全市前列，GDP高達641.1億元，同時任丘市中部城市體系較完備，居民防災意識處于全市領先水平。綜上，建議滄州市應大力推動高風險地區的經濟建設，增強居民在面對災害發生時的應變處理能力。同時在公共場地多建立避難設施，提高防災抗災能力。

2.5?雷暴災害風險區劃

綜合上述4因子區劃結果后，將4因子數據進行歸納加權得出雷暴氣象災害風險指數，利用百分位法將災害風險指數劃分為5個等級（高風險區、次高風險區、中等風險區、次低風險區、低風險區），以GIS空間分析技術為支持，繪制雷暴氣象災害風險區劃圖（圖7）。

2.5.1

次高風險區。主要分布在任丘中部地區、黃驊東南部地區、海興中北部地區，滄州市西部地區也屬于氣象災害次高風險區。滄州市區及任丘地區人口密度較大，發展水平處于全市領先位置，一旦發生雷暴氣象災害，對當地經濟發展影響很大，綜合4因子后確定該地區屬于雷暴災害次高風險區;海興北部與黃驊市東南部地區，次高風險區域面積最大，雖然該區域承災體易損性風險較低，但是孕災環境敏感性風險高，災后重建能力還需要進一步提升，綜合4因子后確定該地區屬于雷暴災害次高風險區。

2.5.2?中等風險區。主要分布在高風險區、次高風險區外側還有青縣西南及北部，南皮西部地區、泊頭東部地區、河間中西部地區也屬于中等風險區。其中黃驊北部及海興南部地區，孕災環境敏感性風險較高，綜合4因子考量后確定該地區為雷暴風險中等風險區。

2.5.3?低風險區和次低風險區。主要分布在河間東部地區、東光東部及西部地區、南皮東部地區、鹽山西部地區、青縣北部地區、南排河和臨港及港城區、肅寧、獻縣、滄縣、吳橋和泊頭的大部分地區。其中肅寧、獻縣、泊頭、滄縣、吳橋孕災環境敏感性風險較低，南排河和臨港及港城區地區承災體易損性風險較低，綜合4因子后，確定南排河和臨港及港城區屬于低風險區，肅寧、獻縣、泊頭、滄縣、吳橋地區屬于次低風險區。

3?結論與討論

（1）滄州市雷暴災害分布不均勻，整體來看東部地區和西北部地區雷暴災害風險較高，高風險區外圍地區及南部大部分地區雷暴氣象災害綜合風險級別中等，其大部分地區為次低風險區和低風險區，高風險區面積較小。東部地區及西

北部地區雷暴氣象災害發生頻次較多，災害強度較大。中風險區主要分布在河間、青縣、南皮西部地區、海興西南部地區、鹽山東部地區、黃驊北部地區，其中河間、青縣、南皮、黃驊中風險區域面積最大，致災因子危險性較高，雷暴發生頻次較高，災害強度較大，建議加強這些地區的城市綠化建設，增加災害避難場所，增強對雷暴災害的應對能力。任丘、黃驊地區防災減災能力較差，發生雷暴氣象災害時，難以及時針對災害進行有效應對，災后重建能力較弱，因此出現次高風險區。

（2）城市雷暴災害是一個復雜的系統，風險評估影響因素眾多，筆者僅從有限評價指標對滄州市雷暴氣象災害進行了風險區劃分析，存在一定的局限性，今后在研究風險區劃時，應進一步完善和優化雷暴災害形成機理，建立更加科學合理的城市雷暴氣象災害風險區劃模型。

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