基于GIS與AHP的黑龍江大興安嶺森林雷擊火危險(xiǎn)性劃分

周長(zhǎng)明,齊海超,魏 帥,陸明明

（黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

隨著氣候的異常變化，雷電活動(dòng)逐步增多，雷擊森林火災(zāi)發(fā)生的比率不斷上升。黑龍江大興安嶺林區(qū)因受極地冷空氣和異常天氣的影響[1]，干雷暴天氣頻發(fā)，統(tǒng)計(jì)分析近15 a黑龍江省森林雷擊火數(shù)據(jù)，大興安嶺林區(qū)發(fā)生次數(shù)占全省95%以上。森林燃燒性顯著增強(qiáng)也是造成森林雷擊火災(zāi)的重要因素[2]。本文利用全省閃電定位系統(tǒng)近15 a云地閃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地理數(shù)據(jù)空間云的10 m精度DEM柵格數(shù)據(jù)、1 km×1 km黑龍江省植被數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，對(duì)黑龍江大興安嶺森林雷擊火的危險(xiǎn)性進(jìn)行相關(guān)分析研究。通過(guò)分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點(diǎn)的云地閃密度、云地閃強(qiáng)度、地形、植被、土壤電阻率特征，為雷擊火危險(xiǎn)性劃分中影響因子的確定提供依據(jù)。采用GIS空間分析統(tǒng)計(jì)方法和層次分析法（AHP）對(duì)黑龍江大興安嶺森林雷擊火危險(xiǎn)性進(jìn)行劃分，能夠進(jìn)一步明確各區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)，提高黑龍江大興安嶺森林雷擊火防范的針對(duì)性。

2 雷擊火起火點(diǎn)云地閃及下墊面特征

云地閃是引發(fā)森林雷擊火的直接原因，對(duì)近15 a黑龍江閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的云地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除0 kA-2 kA和200 kA以上的數(shù)據(jù)。

利用Kriging插值法得到雷擊點(diǎn)密度數(shù)據(jù)，提取分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點(diǎn)的云地閃密度值，其符合偏度0.573、峰度-0.467的正態(tài)分布，如圖1所示。

圖1 雷擊火起火點(diǎn)云地閃密度直方圖

將云地閃數(shù)據(jù)的雷電強(qiáng)度按百分位數(shù)法劃分5個(gè)等級(jí)，利用Kriging插值法得到不同雷電流等級(jí)的地閃頻次，提取分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點(diǎn)不同雷電流等級(jí)的地閃頻次，均滿足正態(tài)分布。

根據(jù)黑龍江省10 m精度DEM柵格數(shù)據(jù)，提取分析雷擊火起火點(diǎn)的海拔高度，其符合偏度0.283、峰度-0.614正態(tài)分布，如圖2所示。

圖2 雷擊火起火點(diǎn)海拔高度直方圖

地形起伏度是描述一個(gè)區(qū)域地形特征的一個(gè)宏觀性的指標(biāo)，通過(guò)DEM柵格數(shù)據(jù)求得雷擊火起火點(diǎn)的地形起伏度，其符合指數(shù)分布，如圖3所示。

圖3 雷擊火起火點(diǎn)地形起伏度直方圖

利用1 km×1 km黑龍江省植被數(shù)據(jù)，提取雷擊火起火點(diǎn)的植被情況，分類統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 雷擊火起火點(diǎn)植被分類統(tǒng)計(jì)表

利用1km×1km黑龍江省土壤數(shù)據(jù)，提取雷擊火起火點(diǎn)的土壤類型情況，分類統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 雷擊火起火點(diǎn)土壤分類統(tǒng)計(jì)表

不同形式的土壤其導(dǎo)電性不同，泥炭土、沼澤土、草甸土電阻率近似值約為20Ω·m，粗骨土細(xì)粒物質(zhì)少而砂粒含量尤高電阻率近似值約為400Ω·m。暗棕壤主要分布于山地的緩坡頂部及山腰處，電阻率近似值約為50Ω·m[3]。棕色針葉林土的質(zhì)地大多輕、粗，含砂粒及石礫量多，砂粒含量在30%-85%，同時(shí)石塊較多，電阻率近似值約為300Ω·m[4]。

3 雷擊火危險(xiǎn)性劃分

對(duì)黑龍江大興安嶺云地閃密度數(shù)據(jù)、云地閃強(qiáng)度數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)通過(guò)正態(tài)分布密度函數(shù)公式（1）進(jìn)行歸一化處理，形成3㎞×3㎞的柵格數(shù)據(jù)。

由土壤類型數(shù)據(jù)結(jié)合各類土壤電阻率得到黑龍江大興安嶺電阻率3㎞×3㎞的柵格數(shù)據(jù)，并通過(guò)min-max標(biāo)準(zhǔn)化公式進(jìn)行歸一化處理。按照雷擊火起火點(diǎn)的植被類型百分比，并通過(guò)min-max標(biāo)準(zhǔn)化公式進(jìn)行歸一化處理，形成3㎞×3㎞的植被柵格數(shù)據(jù)。對(duì)地形起伏度按指數(shù)分布函數(shù)公式（2）進(jìn)行歸一化，形成地形起伏度3㎞×3㎞柵格數(shù)據(jù)。

層次分析法（AHP）算法是將每一層次的各要素相對(duì)于上一層次的各要素進(jìn)行兩兩比較判斷，得出相對(duì)重要程度的比較權(quán)重，建立判斷矩陣，計(jì)算最大特征根以及相對(duì)應(yīng)的特征向量，進(jìn)行層次單排序，得到各層要素相對(duì)于上一層某要素的重要性排序，自上而下用上一層各要素的組合權(quán)重為權(quán)數(shù)，對(duì)本層次各要素的相對(duì)權(quán)重向量進(jìn)行加權(quán)求和，進(jìn)行層次總排序，得出各層次要素相對(duì)于系統(tǒng)總體目標(biāo)的組合權(quán)重。將云地閃密度與云地閃強(qiáng)度歸為雷電因素，將海拔高度與地形起伏歸為地形因素，將土壤電阻率及地表植被歸為地表因素，最終進(jìn)行方案排序按照層次分析法（AHP）得到影響因子的加權(quán)系數(shù)，加權(quán)綜合得到致災(zāi)因子指數(shù)。影響因子的權(quán)重如表3所示。

表3 影響因子加權(quán)系數(shù)

致災(zāi)因子危險(xiǎn)性按式（3）計(jì)算：

式中：

RH——致災(zāi)因子危險(xiǎn)性；Ld——地閃密度；

wd——地閃密度權(quán)重；Ln——地閃強(qiáng)度；

wn——地閃強(qiáng)度權(quán)重；Sc——土壤電導(dǎo)率；

ws——土壤電導(dǎo)率權(quán)重；Eh——海拔高度；

we——海拔高度權(quán)重；Tr——地形起伏；

wr——地形起伏權(quán)重；Zl——地表植被；

wz——地表植被權(quán)重；

依據(jù)雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)大小，采用自然斷點(diǎn)法，將雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、一般風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，分別用不同灰度顏色標(biāo)示，黑龍江大興安嶺雷擊火危險(xiǎn)性劃分如圖4所示。

圖4 黑龍江大興安嶺雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性劃分

4 小結(jié)

從黑龍江大興安嶺雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性劃分可以看出部分地點(diǎn)的雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性遠(yuǎn)超毗鄰區(qū)域，大興安嶺地區(qū)各個(gè)縣區(qū)雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性狀況有很大不同，漠河、塔河、呼中、新林大部分區(qū)域危險(xiǎn)性較高，呼瑪中部危險(xiǎn)性較高，加格達(dá)奇危險(xiǎn)性較低。