袁湘玲,王振會,肖穩(wěn)安,束 玉

(1.南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044;2.齊齊哈爾市氣象局,黑龍江齊齊哈爾 161006;3.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇南京 210044;4.黑龍江省氣象局防雷中心,黑龍江哈爾濱 151000)

0 引言

雷電災害是聯(lián)合國“國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一[1],其對人民生命財產安全和社會發(fā)展構成了嚴重威脅。據(jù)保守估計,我國每年因雷電災害造成的直接經濟損失達數(shù)億元,而由此造成的間接經濟損失則難以估計,產生的社會影響也越來越大[2]。

我國很多專業(yè)技術人員在雷暴的氣候特征方面進行了大量研究[3-5]。張騰飛等[3]對2007年5-8月云南省雷電活動特點及災害成因進行了分析;陳紅等[4]對黑龍江省1971-2000年雷暴時空特征進行了分析,形成雷暴概率區(qū)劃圖;周筠珺等[5]利用2004年京、津、冀地區(qū)的地閃定位資料,對地閃特征進行了統(tǒng)計分析。而在科學研究的基礎上對自然災害進行風險區(qū)劃分析,能將災害防御管理提高到風險管理的程度,對于減災和救災有十分重要的指導意義[6]。由于我國幅員遼闊,氣候差異很大,雷電災害過程也不盡相同,故深入開展區(qū)域性雷電災害易損性分析與研究很有必要。郭虎等[7-8]在災情網絡分析的基礎上,建立了北京市雷電災害的災情評估指標體系,并對北京市進行了雷電災害易損性分析,形成北京市雷電災害易損度區(qū)劃;尹娜等[9]對廣東省雷電災害的脆弱性和易損性進行了綜合評估,形成了廣東省各地易損性結構和雷災易損度區(qū)劃;蔣勇軍等[10]對重慶市進行了雷電災害易損性分析及易損度區(qū)劃;嚴春銀[11]對江西省各設區(qū)市的雷災易損性進行了綜合評估,形成了江西省雷災易損性區(qū)劃;殷嫻等[12]分析了江蘇省的雷電災害分布特征,生成了江蘇省的雷災易損度區(qū)域劃分圖。

本文依據(jù)雷暴日數(shù)、雷電災害頻度、人身損失及經濟損失情況,以黑龍江省為例,提出雷電災害的潛在易損性和現(xiàn)實易損性概念,對黑龍江省進行區(qū)域雷電災害易損性分析及易損度區(qū)劃,以便為黑龍江省防災、減災規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 資料說明和易損性指標計算

雷暴日數(shù)能代表一個區(qū)域內雷暴活動的頻繁程度,表征該區(qū)域雷電災害的孕災危險程度。本文所用雷暴日資料來源于黑龍江省氣象信息中心提供的1959-2008年80個氣象觀測站的雷暴日資料,將12個地市各個縣氣象站的年平均雷暴日數(shù)合計并進行平均得到各市雷暴日數(shù)(因雷電災害資料不包括大慶市雷電災害信息,故本文僅對黑龍江省除大慶外12個地市的雷電災害易損性進行綜合評估)。

雷電災害信息來源于中國氣象局雷電防護管理辦公室、中國氣象學會雷電防護研究會編寫的《全國雷電災害匯編》(內部資料)及黑龍江省防雷中心收集整理的雷電災害資料,資料時間為1999

-2008年。人口和經濟特征資料使用《黑龍江統(tǒng)計年鑒2009》發(fā)布的2008年統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

承災體易損性,包括自然易損性、經濟易損性和社會易損性等各方面的內容[9]。由于地理環(huán)境、人文環(huán)境以及經濟狀況等的不平衡性,相同烈度的雷電災害在不同的區(qū)域造成的災害損失嚴重程度有著很大差異[8]。黑龍江省雷電災害易損性反映了黑龍江省各地市面對雷電災害時的敏感度,與各地市自然雷暴的氣候背景有關,也與遭受雷電災害地市的經濟總量、人口密度特征等有關。本文將與前者相聯(lián)系的易損性稱之為“潛在易損性”,而與后者相聯(lián)系的易損性稱之為“現(xiàn)實易損性”。

對雷電災害易損性及易損性區(qū)劃的研究,經常采用4個指標[8-10],即:雷暴日數(shù)M,雷電災害頻度P,經濟(GDP)易損模數(shù)D,生命易損模數(shù)L。雷電災害頻度P(單位:次/a)是指各地市年平均發(fā)生雷電災害的次數(shù),它客觀地反映過去一段時期內各地市發(fā)生雷電災害的實際情況。經濟易損模數(shù)D(D=Ds/S,單位:萬元/km2)表示區(qū)域內發(fā)生雷電災害時,單位面積上的經濟損失。其中Ds為各地市的GDP生產總值,S為各地市的行政面積。該指標既可以反映區(qū)域單位面積上的經濟損失,還可以間接反映各地市抵抗雷電災害的能力及災后恢復能力。生命易損模數(shù)L(L=Ls/S,單位:人/km2)表示區(qū)域發(fā)生雷電災害時單位面積上受危害的人口數(shù)量。其中Ls為各地市常住人口,S為各地市的行政面積。該指標反映了區(qū)域生命對災害的敏感性。上述前兩項指標著重于雷電及雷電災害發(fā)生頻率和次數(shù)評價,反映承災體遭受災害的可能性程度,因此在本研究中用于“潛在易損性”分析;后兩項指標則側重于雷電災害損失的評估,反映承災體面對雷電災害時的受損程度,因此在本研究中用于“現(xiàn)實易損性”分析。

黑龍江省處于中緯度歐亞大陸東沿,太平洋西岸,北面臨近寒冷的西伯利亞,南北跨中溫帶與寒溫帶,具有明顯的季風氣候特征。由西北到東南為山地貫穿,松花江由西而東切穿兩大山地,西南和東北是廣闊的平原。復雜的地形地貌、南北氣候的差異,使黑龍江省成為我國北方雷暴的多發(fā)區(qū)[13]。根據(jù)1959-2008年雷暴日資料,計算出12個地市的年平均雷暴日數(shù)。根據(jù)1999-2008年雷電災害統(tǒng)計資料,以12個地市為基本分析單元,統(tǒng)計各地市的雷擊事件,計算出各地市雷電災害頻度。通過各地市的生產總值(GDP)、人口和行政面積資料,計算出各地市的經濟易損模數(shù)和生命易損模數(shù)。統(tǒng)計結果見表1。

表1 黑龍江省12個地市雷電災害易損性分析指標

2 結果分析

2.1 雷暴日和雷電災害頻度特征分析

由表1中第1列數(shù)據(jù)可以制作1959-2008年黑龍江省50年平均雷暴日分布圖(圖1)。從圖1可以看出黑龍江省的雷暴日分布具有明顯的區(qū)域特征。位于中部的哈爾濱、綏化、伊春為黑龍江省年平均雷暴日最多的區(qū)域。哈爾濱東南臨張廣才嶺支脈丘陵,北部為小興安嶺山區(qū),中部有松花江通過,復雜的地形地貌使得哈爾濱成為黑龍江省雷暴日最多的區(qū)域,全市年平均雷暴日為32.5 d。綏化、伊春年平均雷暴日在31 d以上。其次是大興安嶺地區(qū)年平均雷暴日相對較多,為30.3 d。齊齊哈爾、黑河年平均雷暴日為27～29 d。鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺河、牡丹江、雞西年平均雷暴日較少,在25～27 d之間。從整個區(qū)域范圍來看,黑龍江省的年平均雷暴日分布具有中部多,東部少的特征。

圖1 黑龍江省1959-2008年年平均雷暴日分布圖(單位:d)

由表1中第2列數(shù)據(jù)可以制作出1999-2008年黑龍江省雷電災害頻度分布圖(圖2)。從圖2可以看出哈爾濱是黑龍江省雷電災害最嚴重的地區(qū)。哈爾濱是黑龍江省政治、經濟、文化和交通中心,高樓林立,電子儀器設備眾多,人口稠密,既是黑龍江省雷暴日最多的區(qū)域,也是雷電災害頻度最大的區(qū)域,其雷電災害頻度達14.4次/a。其次是齊齊哈爾市,雷電災害頻度為4.5次/a。齊齊哈爾市雷暴日數(shù)相對較少,但由于齊齊哈爾是黑龍江省西部地區(qū)的政治、經濟、科技、文化教育、商貿和交通的中心,高層建筑物眾多,人口密集,也是黑龍江省雷電災害較多的區(qū)域。伊春雖然是雷暴日最多的區(qū)域,但由于電子儀器設備和人口密度相對較小,雷電災害頻度也較少。大興安嶺、黑河、伊春、雞西、牡丹江的雷電災害頻度在2.0～4.0次/a。綏化、鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺河的雷電災害頻度在0.0～2.0次/a。七臺河市雷暴日相對較少,也是雷電災害最少的區(qū)域,雷電災害頻度為0.7次/a。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)黑龍江省各地市的雷電災害既與自然雷電活動的分布有一定的關系,但又不完全由雷電活動的頻繁程度所決定,而與人口密度、經濟特征等多方面因素有關,自然雷電活動只是雷電災害的致災因子之一。

圖2 黑龍江省1999-2008年雷電災害頻度分布圖(單位:次/a)

2.2 雷電災害易損性指標的分級

表1中各地市的雷電災害易損性指標,主要體現(xiàn)該區(qū)域發(fā)生雷電災害時在某一方面可能造成損失量的大小,尚不能給出雷災易損性大小的直觀概念。為給出雷災易損性大小的直觀表述,將表1中的雷電災害易損性指標用極高、高、中、低4個級別來描述,按照災害學通常方法[8-10],并結合黑龍江省雷電災害的實際情況,賦予各等級如下的定值:極高為1.0,高為0.8,中為0.5,低為0.2。分級方法采用氣象學統(tǒng)計分析中的分級統(tǒng)計方法[14],其核心思想是:首先將12個地市的某個指標值從小到大按順序排列,并按每組3個記錄的方法分為4組數(shù)據(jù)。第n組中的最大值和第n+1組中的最小值的平均值作為第n級的最大值和第n+1級的最小值。黑龍江省4個雷電災害易損性指標分級標準如表2所示。

表2 黑龍江省雷電災害易損性指標的等級標準

按照表2分級,判斷各地市每個指標的所屬級別,獲取相應指標值(下稱級別指標值)如表3前4列所示?？梢?哈爾濱4個指標一致為1,雙鴨山4個指標一致較小,而伊春、佳木斯等地的4個指標差異較大。其原因為伊春位于小興安嶺山區(qū)雷暴多,但由于電子儀器設備和人口密度相對較小,經濟和人口易損模數(shù)小。佳木斯地處三江平原腹地雷暴少,而由于是黑龍江省東部地區(qū)的經濟、文化中心和重要的交通樞紐,電子儀器設備和人口密度相對較大,經濟和人口易損模數(shù)較大。

表3 黑龍江省12個地市雷電災害綜合易損度評估結果

2.3 雷電災害易損度區(qū)劃

由表3前兩項指標值加權平均作為潛在易損度,后兩項指標值加權平均作為現(xiàn)實易損度。指標權重的確定方法主要有“經驗法”、“專家打分”及“層次分析模型”。扈海波[15]等認為層次分析模型適用于城市氣象災害風險評估,個例應用也基本表明該方法確定的權重值能保證評估結果的合理和正確性。本文參考樊運曉[16]等人的研究采用層次分析法,建立判斷矩陣T見表4。對于構造出的判斷矩陣用Matlab軟件求出最大特征根λmax和特征向量W,對特征向量進行歸一化后,得到各指標相對權重見表4中“指標權重”一欄。綜合易損度=潛在易損度+現(xiàn)實易損度。計算結果見表3最后三列。

表4 雷電災害指標判斷矩陣及權重分布

根據(jù)表3中的最后一列數(shù)據(jù),同樣采用4級分區(qū)法將黑龍江省12個地市劃分為雷電災害低易損區(qū)、中易損區(qū)、高易損區(qū)和極高易損區(qū)4個不同的易損度區(qū)域。首先將這一列數(shù)據(jù)按從小到大順序分為4組:第1組(0.27,0.32,0.44),第2組(0.52,0.54,0.57),第3組(0.65,0.71,0.75),第4組(0.84,0.87,1.00);然后分別計算第n組中的最大值和第n+1組中的最小值的平均值作為第n級的最大值和第n+1級的最小值。計算的各等級雷電災害綜合易損度值分別為:低易損區(qū)(0.00～0.48),中易損區(qū)(0.49～0.61),高易損區(qū)(0.62～0.78),極高易損區(qū)(0.79～1.00)。最后根據(jù)12個地市的雷電災害綜合易損度值,判斷各自所屬的易損度等級。詳細區(qū)劃結果見圖3a。同理分別根據(jù)表3中“潛在易損度”欄和“現(xiàn)實易損度”欄,得出潛在易損度區(qū)劃(圖3b)和現(xiàn)實易損度區(qū)劃(圖3c)。

從圖3可以看出,哈爾濱、齊齊哈爾和綏化潛在易損度和現(xiàn)實易損度皆高,綜合易損度為極高易損區(qū)。伊春、大興安嶺、黑河潛在易損度高,而現(xiàn)實易損度最低,故綜合易損度為高易損區(qū)。鶴崗、雞西潛在易損度較低、現(xiàn)實易損度較高,綜合易損度為中易損區(qū);七臺河潛在易損度最低,但現(xiàn)實易損度高,綜合易損度同樣為中易損區(qū)。佳木斯、雙鴨山、牡丹江潛在易損度和現(xiàn)實易損度皆低,綜合易損度為低易損區(qū)。

3 個例結果分析

雷電災害易損度與下墊面的經濟發(fā)展程度有正的相關性,這里為了與各地市的實際雷電災害頻度進行對比,用各地市人均GDP乘以綜合易損度來進行風險估算。圖4所示為按各地市人均GDP進行風險估算的結果與1999-2008年10a平均雷電災害頻度對比曲線圖。從圖4可以看出,兩者的趨勢和程度大體相近,其相關系數(shù)達0.92。表明雷電災害易損度區(qū)劃結果與實際情況基本吻合,方法科學實用。

圖3 黑龍江省雷電災害易損度區(qū)劃圖

圖4 黑龍江省各地市雷電災害頻度與風險估算結果對比曲線圖

4 結論

本文提出雷電災害的潛在易損性和現(xiàn)實易損性概念,利用黑龍江省1959-2008年的雷暴日資料及1999-2008年的雷電災害資料,結合黑龍江省的經濟和人口密度特征,提出了雷暴日數(shù)、雷電災害頻度、生命易損模數(shù)及經濟易損模數(shù)作為雷電災害易損性評估指標,然后采用4級區(qū)分法對各指標進行了分級。結果表明:

(1)黑龍江省各地市的雷電災害既與自然雷電活動的分布有一定的關系,也不完全由雷電活動的頻繁程度所決定,而與人口密度、經濟特征等多方面因素有關,自然雷電活動只是雷電災害的致災因子之一。

(2)采用4級分區(qū)法對黑龍江省雷災易損性進行了綜合評估,得出了雷災易損度區(qū)劃圖,哈爾濱、齊齊哈爾和綏化潛在易損度和現(xiàn)實易損度皆高,綜合易損度為極高易損區(qū)。伊春、大興安嶺、黑河潛在易損度很高,而現(xiàn)實易損度最低,故綜合易損度為高易損區(qū)。鶴崗、雞西潛在易損度較低、現(xiàn)實易損度較高,故綜合易損度為中易損區(qū);七臺河潛在易損度最低,但現(xiàn)實易損度高,綜合易損度同樣為中易損區(qū)。佳木斯、雙鴨山、牡丹江潛在易損度和現(xiàn)實易損度皆低,綜合易損度為低易損區(qū)。

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