揭阳市“一城两园”雷电灾害风险区划

黄扬东，刘三梅，张漫霞，夏云，黄跃昭，谢斌，周炯斌

（1.揭西县气象局，广东揭西 515400；2.广东省气候中心，广东广州 510640；3.惠来县气象局，广东惠来 515200；4.揭阳市气象局，广东揭阳 515500）

雷电灾害属于联合国公布的10大最严重的灾害之一。长期以来，揭阳市雷电防御工作只侧重于工程防护，而对于雷电灾害风险分布研究工作比较滞后。揭阳市“一城两园”位于广东省惠来县，规划总面积146.6 km2，其中“一城”由惠来老城、粤东新城组成，面积78.9 km2，“两园”包括大南海石化工业区42.4 km2、惠来临港产业园25.3 km2，同时还包括高铁、高速、高校、石化、海上风电、LNG天然气等一大批重要重点项目。揭阳市并未做过雷电灾害风险区划的研究，所以非常有必要进行该方面的研究。

对于雷电灾害风险区划的研究，国内外专家学者从雷电机理、雷电活动特征、雷灾风险区划与评估、雷灾监测与预警和防雷工程等方面进行卓有成效的研究［1－2］，如刘三梅等［3］对广东省雷电灾害风险区划研究；程丽丹等［4］对河南省雷电灾害易损性分析及风险区划研究；程萌等［5］对菏泽市雷电灾害风险区划研究；吕海勇等［6］对广东省雷电灾害易损性分析与风险区划研究。揭阳在雷电灾害风险区划方面研究较少，本研究也算填补揭阳在雷电灾害风险区划研究方面的空白。

以往关于雷电灾害风险区划的研究多以雷暴日资料为基础，仅考虑致灾因子与承载体的影响对区域雷电灾害进行风险区划。本研究将以闪电定位仪资料为基础，从孕灾环境、致灾因子、承灾体和防灾能力4个方面全面分析区域雷电灾害风险；选取适当的雷电灾害风险评价指标，采用GIS技术绘制“一城两园”地区雷电密度和强度分布图，并绘制揭阳市“一城两园”雷电灾害风险区划图，旨在充实揭阳气象灾害综合风险区划内容，为揭阳气象灾害防御规划的编制奠定基础，为揭阳市雷电风险评估和雷电预报预警提供技术支撑和科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

本研究主要采用雷暴日数据、雷电数据、雷电灾害数据和经济数据，其中雷暴日数据来自惠来国家气象站1956—2013年的数据；雷电数据来自广东省雷电监测定位系统（2011—2020年）［7］；雷电灾害数据来自于广东省雷电灾害实例汇编（2011—2020年），包括雷灾起数、人身事故、建筑物受损、经济损失等；经济数据来自惠来统计局年鉴2020年数据。

1.2 方法

本研究利用地闪定位数据，提取近10年的揭阳市雷电监测定位数据，采用归一处理法［8］、层次分析法［6］，结合揭阳市“一城两园”地区地形地貌、雷暴日分布、雷电灾害分布、城市经济发展等相关因素，探讨相互之间的影响关系；选择评价指标，根据指标确定权重比例因子，建立雷电风险区域划分模型［9］，并把模型进行数学公式化，形成一个加权函数的数学公式，借助GIS中的空间分析模块和插值原理，按照气象等级分类进行分层设色，并制作揭阳市“一城两园”地区雷电灾害风险分布图，得出低风险区、次低风险区、中等风险区、次高风险区和高风险区。

2 结果与分析

2.1 雷电活动时空分布

1）雷暴日分布。

雷暴日表征不同地区雷电活动的频繁程度，是在指定区域内一年四季所发生雷电放电的天数，用td表示。不同年份雷暴日数也是不同，可能变化较大，因此采用多年的平均值。相对雷暴日多的地区，遭受雷击的可能性也较大。

地区雷暴日等级根据年平均雷暴日数划分为少雷区、中雷区、多雷区和强雷区。根据惠来县1956—2013年雷暴日数资料统计可知，惠来县年平均雷暴日数为55.1 d，属于多雷区。

2）雷电空间分布。

（1）地闪密度分布。

地闪密度指每平方公里年地面落雷次数，用Ng表示。地闪密度直接体现了该地区雷电分布情况，值越大，分布越密集；值越小，分布越稀疏［3］。地闪密度还体现了地区遭受雷击的可能性，值越大，遭受雷击的可能性越大，存在的雷电风险就越大。

图1为惠来县2011—2020年地闪密度空间分布情况。

图1 惠来县2011—2020年地闪密度空间分布

由图1可知，惠来县粤东新城地闪密度大部分在6.6～7.9次／（km2·年）区域，少部分处在8.0～9.3次／（km2·年）区域，大南海石化区地闪密度相对较高，有部分地闪密度在10.8～12.1次／（km2·年）范围内，临港产业园地闪密度则相对较低。

（2）雷电流分布。

95%雷电流处于0～50 kA之间，多年来，雷电流均值处于比较平稳阶段，没有明显增强趋势。在雷电活动特征分析时，它是一个重要参数，雷电流越大，造成的危险越严重，特别是极大值，一些重大雷灾事故发生都由极大值造成。

由图2可知，揭阳“一城两园”平均雷电流大多在30 kA左右，其中粤东新城达到35 kA以上，雷电流相对较大，造成的危险也较为严重，所以更要重视。

图2 惠来县2011—2020年平均雷电流分布

2.2 雷电灾害风险区划及分析

1）雷电灾害风险形成机制。

从灾害学的角度出发，形成雷电灾害必须具有以下条件：（1）形成雷电灾害的环境（孕灾环境）；（2）存在诱发雷电灾害的因素（致灾因子）；（3）雷电灾害的作用对象（承灾体）；（4）致灾因子与承灾体的相互作用。雷电的作用方式主要是通过直击雷、雷电感应、雷电波侵入和雷击电磁脉冲4种形式来对承灾体产生直接或者间接影响。

2）雷电灾害风险区划。

气象灾害风险区划是指在孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力等因子进行定量分析评价的基础上，为了反映气象灾害风险分布的地区差异，根据风险度指数的大小，对风险区划分为若干个等级。考虑到各评价因子对风险的构成起作用并不完全相同，本研究采纳气象、气候、电力等相关专家的建议，将雷电灾害风险所涉及的因子权重系数加以汇总，如图3所示，然后根据雷电灾害风险指数公式求算雷电灾害风险指数，具体计算公式为

图3 揭阳市“一城两园”雷电风险区划权重分布示意图（括号中数据为权重）

其中，TRI（typhoon risk index）为雷电灾害风险指数，用于表示风险程度，其值越大，则灾害风险程度越大；H、S、V、R分别表示风险评价模型中的致灾因子的危险性、孕灾环境的敏感性、承灾体的易损性和防灾抗灾能力各评价因子指数；α、β、δ、γ分别是各评价因子的权重系数，α＋β＋δ＋γ＝1，权重系数的大小依据各因子对雷电灾害的影响程度大小，主要采取层次分析法取得，适当根据专家建议，结合当地实际情况讨论确定。

对于危险性，由于雷电密度和雷电流对雷电风险影响最大，赋值0.35；雷暴日对雷电风险有一定的影响，赋值0.20；雷电灾害频次相对来说，对雷电风险的影响小一些，赋值0.10。

从雷电灾害形成的原因和数据的可得性，雷电灾害孕灾环境主要考虑地形等因子对雷电灾害形成的综合影响。地势高，其雷电灾害孕灾环境敏感性越高。同时，雷击区与该地区地质结构有关，在电阻率小的地区，雷击的几率较大，一般水的电阻率比陆地要小，因此离水体越近的地区越是容易出现雷击。选择地形地貌和水体密度作为雷电灾害孕灾环境敏感性指标，分别给予权重为0.7和0.3。

承灾体的易损性包括物理暴露度和脆弱性，而暴露度和脆弱性通过地均人口、地均GDP和耕地比重等体现，分别给予权重为0.40、0.20和0.40。

防灾抗灾能力是受灾区对气象灾害的抵御和恢复程度，是为应对雷电灾害所造成的损害而进行的工程和非工程措施。考虑到这些措施和工程的建设必须要有当地政府的经济支持，主要考虑了人均GDP和防雷面积比例，权重分别为0.40和0.60。

各风险指数和评价因子的确定如图3所示的有关雷电灾害风险权重分布系数。

采用雷电灾害风险评估模型计算各地雷电灾害风险指数，利用GIS中自然断点分级法将雷电风险指数按5个等级分区划分（高风险区、次高风险区、中等风险区、次低风险区和低风险区）［10］，并基于GIS绘制揭阳市“一城两园”雷电灾害风险区划图（图4）。

图4 揭阳市“一城两园”雷电风险区划图

正确合理地划分揭阳市“一城两园”雷电风险分布图，需要做到几点：①空间上要求区域单元格式合理、面积大小合适，与地图及雷电定位系统的精度相符合；②等级划分上，范围覆盖完整，能包括揭阳市“一城两园”的雷电密度，界限分明，并具有可操作性；③风险区划分布图层次清晰，可在地图上明确标出，且直观明了便于使用。5种颜色代表着5个风险区：低风险区、次低风险区、中等风险区、次高风险区和高风险区。

3 结论

通过以上分析可以看出，惠来县粤东新城雷电风险处于高风险区，是雷电灾害防御的重点区域，所以应该重视和加强防雷减灾工作；惠来临港产业园处于中风险区及以上，大南海石化区风险相对低点，但是大部分也处于次低风险区以上，有部分地方也处于高风险区内，所以在进行雷电灾害防御时应采取科学、合理的预防措施，避免和减轻雷灾事故的发生。

本研究得出的揭阳市“一城两园”雷电风险区划图，给揭阳市雷电灾害风险评估和雷电预报预警提供技术支持，也给主管部门决策提供依据。而雷电灾害风险区划最为关键的是选取合理的评估指标及确定权重。随着社会经济的发展，影响指标和权重也是动态变化的，但是受资料和数据等条件限制，本研究选取的指标及确定的权重可能有一定局限性，还需要进一步探讨和研究，以期为社会提供更准确的决策防雷服务和公众防雷服务。