2010-2019年深圳市雷电灾害风险区划研究*

郭秀峰 张超凡 赖华扬 赵敏晶 崔杰豪 罗毫勇

（1.无锡学院大气与遥感学院 无锡 214105）（2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室 北京 100081）

1 引言

雷电是雷暴天气的重要组成部分，是发生于大气中的一种瞬时大电流、高电压、强电磁辐射的灾害性天气现象，会对自然环境和人民财产产生严重的损坏。近年，深圳市的经济发展迅速，电子技术水平也处于高速发展，如何尽量避免雷电的危害显得格外重要，高新电子仪器的精细化发展也对雷电防护措施提出了更高的要求，唯有对深圳市的雷电进行更细致的分析才能更好地为未来的电子技术发展奠定良好的保障，雷电灾害风险区划研究可以为深圳市雷电防护提供一个参考。

目前，雷电灾害研究多是对闪电定位资料、当地的自然环境、经济情况以及雷灾损失进行分析，归纳出闪电密度、闪电强度、生命损失指数、经济损失指数等作为雷电灾害风险区划的各项指标再进行加权分析得到雷电灾害风险区划模型。刘三梅等开展了广东省雷电风险区划的研究［1］，李文辉等对2010-2019年青海省雷电灾害风险进行了分析［2］，李家启对重庆市雷电活动规律及其风险评估做了研究［3］，何桂霞等研究了宣城市闪电特征及闪电易发区划分［4］，程丽丹等开展了对河南省雷电灾害易损性分析及风险区划的研究［5］。

研究基于2018年实施的雷电灾害风险区划技术指南（QX/T 405-2017），采用GIS分析地闪密度、地闪强度、土壤导电率、海拔高度、地形起伏、年均人口密度、年均GDP密度、生命损失指数、经济损失指数、防护能力指数，将这十个因素归一化处理，采用层次分析法确定各项指标权重，得到雷电灾害风险区划模型，最终运用自然断点法划分5个风险区划等级。研究旨在对各个区域进行更准确的风险等级划分，为雷电防护、科学规划及决策提供精确服务。

2 资料与方法

2.1 资料来源

地闪定位数据来源于地基ADTD（Advanced Time of Arrival and Direction）雷电探测系统2010-2019年的闪电数据；雷电灾害数据来自广东省雷电灾害实例汇编（2011-2019）；人口密度及城市经济数据来自深圳统计年鉴（2010-2019）；土地利用类型数据来自GlobeLand30 2020版。

2.2 处理方法

2.2.1 地闪强度

闪电定位数据中剔除了雷电流幅值在0KA-2kA和200kA以上的数据，并对雷电流幅值进行了分级处理，百分位数在60%以下的为1级；在60%～80%为2级；在80%～90%为3级；在90%～95%为4级；在95%以上为5级。计算各格网内的地闪强度，形成地闪强度栅格数据，计算公式如下：

式中：Ln是地闪强度；Fi是雷电流幅值为i等级的地闪频次的归一化值。

2.2.2 防护能力指数

防护能力指数是根据GB/T21010-2017表A.1的标准对土地利用类型数据分为三类，建设用地赋值为1；农用地赋值为0.6；未利用第赋值为0.5。

2.2.3 数据归一化

为了消除各指标之间量纲的差异，运用归一化的方法，将有量纲的数值经过变换，化为无量纲的数值。计算公式为

式中：Dij是j站（格）点第i个指标的归一化值；Aij是j站（格）点第i个指标值；分别是第i个指标的最大值和最小值。

2.2.4 指标权重确定方法

研究采用层次分析法来确定各个指标之间的权重，表1给出各个指标的权重大小。

表1 深圳市雷电灾害风险区划各指标的分级权重

2.2.5 风险指标体系构建

风险指标体系包括了致灾因子危险性分析和承灾体易损性分析，承载体易损性分析包含承灾体脆弱性分析和承灾体暴露度分析。以下是对各指标的具体分析方法，计算的权重均来自于表1。

1）致灾因子危险性分析

致灾因子是可能造成财产损失、人员伤亡、资源与环境破坏、社会系统混乱等的异变因子，是分析自然灾害灾情大小的重要指标。研究中的雷电灾害致灾因子包括地闪密度、地闪强度、土壤导电率、海拔高度以及地形起伏。致灾因子危险性的计算公式为

式中：RH是致灾因子危险性；Ld是地闪密度；Ln是地闪强度；Sc是土壤导电率；Eh海拔高度；Tr是地形起伏。

2）承灾体暴露度分析

暴露度是指承灾体受到雷电灾害影响的数量和价值量，范围越大或数量越多，暴露度越大。雷电灾害会影响城市经济和居民生活，研究用城市GDP密度和人口密度来分析承灾体暴露度。计算公式如下：

式中：RE是承灾体脆弱性；Pd是年均人口密度；Gd是年均GDP密度。

3）承灾体脆弱性分析

脆弱性是指承灾体收到不利影响的趋势和倾向，是承灾体的内在属性，其大小取决于承灾体对致灾因子不利影响的敏感程度及其自身的应对能力，敏感程度越高或应对能力越弱，脆弱性就越大。研究用生命损失指数、经济损失指数及防护能力指数来衡量承灾体脆弱性。计算公式如下：

式中：RF是承灾体脆弱性；CL是生命损失指数；ML是经济损失指数；PC是防护能力指数。

生命损失指数计算公式为

式中：F为年平均雷电灾害次数的归一化值；C为年平均雷电造成伤亡数的归一化值。

经济损失指数计算公式为

式中：M为年平均雷击造成的直接经济损失的归一化值。

2.2.6 雷电灾害风险区划模型

雷电灾害风险区划模型由雷电灾害风险因子以及雷电灾害风险等级组成，雷电灾害风险因子包括致灾因子危险性和承灾体易损性。承载体易损性又包括承载体暴露度和承载体脆弱性。各项指标权重来自于表1，区划模型如图1。

图1 雷电灾害风险区划模型

雷电灾害风险指数的计算方法如下：

式中：LDRI是雷电灾害风险指数；RV是承载体易损性。

承载体易损性的计算方法如下：

雷电灾害风险等级划分采用自然断点法，区别于QX/T 405-2017将雷电灾害风险划分三个风险区：极高风险等级、高风险等级、一般风险等级，为了更精细化的表示雷电风险级别，研究划分5个风险区：高风险等级、较高风险等级、一般风险等级、较低风险区、低风险区。

3 结果分析

采用GIS空间分析的方法对致灾因子危险性和承灾体易损性进行分析，得到各指标的空间分布图。下面是对各指标的结果分析。

3.1 致灾因子危险性

图3～4为2010-2019年深圳市地闪密度和雷电流幅值的空间分布图，可以看出，深圳市地闪密度最高的地区集中在辖区中上部最高有23次/（km2·a），地闪密度最低的是大鹏新区、以及南山区南部、及深圳市辖区边缘地带。雷电流幅值与海拔高度在空间分布上有很大的相似度，地闪强度最高的地区主要分布在大鹏新区、南山区、盐田区中部、福田区、宝安区边缘区域、龙岗区中部，坪山区的西部，雷电流平均幅值在20KA～60KA，其余地区雷电流平均幅值在20KA～40KA，在极少地区雷电流平均幅值可达70KA～120KA，地闪强度的空间分布与海拔高度的空间分布基本相吻合，在海拔高度高的地方地闪强度也相对较大。以50m为步长统计每个海拔区间内的雷电流幅值均值。在对其进行线性拟合，体现出了很好的线性上升关系，pearson′s的相关系数r=0.99055，相关度很强。

图2 海拔高度、雷电流幅值线性拟合图

图3 2010-2019年深圳市地闪密度空间分布

图4 2010-2019年深圳市雷电流幅值空间分布

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

图5是致灾因子危险性等级的空间分布图，从中可以看到危险性高的区域集中在深圳市中部地区有福田区、罗湖区、盐田区、南山区北部、光明区东部，危险性低的地方分布在深圳市边缘地带。致灾因子危险性空间分布与雷电流幅值和海拔高度的空间分布在深圳市中部地区较为相似，在大鹏新区的差异较大。

图5 2010-2019年深圳市致灾因子危险性空间分布

3.2 承载体易损性

承灾体易损性与其本身的暴露性和脆弱性有关，研究从单位平方公里人口密度和GDP密度这两个指标来衡量暴露度。脆弱性是由其本身的自然属性所决定的，研究从历史雷电灾情次数、人员伤亡、经济损失情况这3个方面来衡量其脆弱性。

3.2.1 承载体暴露度

图6为2010-2019年深圳市承载体暴露度等级空间分布图。承载体暴露度高的地区有福田区和罗湖区，较高的地区有龙华区和南山区，这些区域人口密度和GDP密度比较高，城市化水平较高，如果受到雷电灾害，产生的影响会较大，对雷电防护工作的要求更加严格。承灾体暴露度低的地区为大鹏新区，较低等级的区域为盐田区和光明区，其人口密度和GDP密度较低。

图6 2010-2019年深圳市承载体暴露度

3.2.2 承载体脆弱性

图7是2011-2019年深圳市承载体脆弱性等级空间分布图，承灾体脆弱性的空间分布受土地防护能力指数的影响较大，从图中可以看出，大鹏新区以及光明区东部、宝安区东部、南山区北部、罗湖区东部、坪山区南部、龙岗区西北部处于高脆弱性地区未利用地占比较大，土地防护能力指数较低，风险较高。其余地区多为低脆弱性区域，建筑用地占比较大，土地防护能力指数较高。

图7 承载体脆弱性空间分布

3.2.3 承载体易损性

图8是由承灾体暴露度和承灾体脆弱性加权得到的承灾体易损性空间分布图。易损性就是用来描述承灾体潜在的损失程度，从图中可以看出承灾体易损性高的区域在福田区和罗湖区东部，表明这两处地点城市化水平高，人口及GDP密度较大，受雷电灾害的潜在损失较大；易损性较高的地区为南山区北部；其余区域易损性等级处于一般及以下的水平，龙华区同样城市化水平高人口及GDP密度较大，但其土地防护能力指数较高，所以表现出易损性低，大鹏新区的土地防护能力指数不高，但其城市化水平、人口及GDP密度都相对较低，受雷电灾害的潜在影响小，同样表现出易损性低。

图8 承灾体易损性空间分布

4 雷电灾害风险区划

图9和10是根据自然断点法分成5等级和3等级的2010-2019年深圳市雷电灾害风险区划图，通过两图对比可以看出图9的一般等级对应图10的高等级，图9的较高和高等级对应图10的极高等级，图9的低和较低等级对应图10的一般等级。图9更具有针对性，从图9中看出处于高风险区的有光明区东部、南山区北、福田区、罗湖区东部、盐田区北部。处于较高风险地区的有南山区北部、坪山区南部、福田区西部、罗湖区西部、宝安区中部、大鹏新区东南部以及深圳市边缘地带的部分地区。低险地区主要位于深圳市边缘地带。

图9 2010-2019年深圳市雷电灾害风险区划（5等级划分法）

图10 2010-2019年深圳市雷电灾害风险区划（3等级划分法）

表2是图9各风险区划等级所占土地面积，一般风险等级的土地面积占比最多达31.15%，处于高等级的土地面积占比最少仅有7.78%。

表2 风险区划等级对应的土地面积

5 结语

研究基于气象行业标准（QX/T 405-2017），建立了深圳市雷电灾害风险区划模型，采用自然断点法对模型划分了5个等级：高风险等级、较高风险等级、一般风险等级、较低风险、低风险区，处于高风险区的有光明区东部、南山区北、福田区、罗湖区东部、盐田区北部。处于较高风险地区的有南山区北部、坪山区南部、福田区西部、罗湖区西部、宝安区中部、大鹏新区东南部以及深圳市边缘地带的部分地区。低险地区主要位于深圳市边缘地带，处于一般风险等级的土地面积占比最多达31.15%，处于高等级的土地面积占比最少仅有7.78%。在雷电致灾因子危险性分析中，发现了深圳市雷电流幅值与海拔高度在空间分布上有很大的相似度，体现在海拔高度高的地方地闪强度也相对较大，在对其进行线性拟合，表现出很好的线性上升关系。在承灾体易损性分析中，福田区、罗湖区东部易损性高，南山区北部较高，抵御雷电灾害的能力较弱，受雷电灾害的潜在影响较大，要加强雷电防护。