陳 琳，陳彩珠，胡雅君，楊秀敏，朱亞飛

(1.廈門市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象局，福建 廈門 361012；3.廈門市氣象臺，福建 廈門 361012；4.廈門市氣象服務(wù)中心，福建 廈門 361012)

引言

閃電已被列入“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的十種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，被國家電工委員會稱為“電子時代的一大公害”［1-3］。雷電閃擊、雷電反擊、雷電電磁脈沖、雷電波侵入等各種形式的雷擊傷害，給雷電安全防護(hù)帶來了新的考驗，給人身安全和經(jīng)濟(jì)社會帶來巨大損失［4-9］。我國作為全世界最大的工業(yè)化國家，全社會電子電氣設(shè)備普及快速發(fā)展，隨之而來的雷電損失也相應(yīng)的呈現(xiàn)多樣化趨勢［10-13］。因此，研究區(qū)域雷災(zāi)特征和區(qū)域閃電環(huán)境，對于區(qū)域雷電災(zāi)害防御工作具有實際應(yīng)用價值。

很多學(xué)者利用多種方式對雷電災(zāi)害風(fēng)險評價等級開展研究［14-15］。黃肖寒［16］、劉曉東［17］、劉平英［18］、劉垚［19］、李彩蓮［20］、朱浩［21］、程向陽［22］等分別對河池市、內(nèi)蒙古、云南、杭州市、陜西等地利用不同評價模型選取不同參數(shù)對所在區(qū)域進(jìn)行了雷電災(zāi)害風(fēng)險等級評估，上述研究對區(qū)域雷電災(zāi)害綜合防御具有實際應(yīng)用價值。但各地區(qū)氣候、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、雷災(zāi)具體情況等方面存在明顯區(qū)別，造成評價結(jié)果明顯不同。福建省位于我國東南沿海，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，東部沿海，有少量平原，西部和中部地區(qū)為山區(qū)，受地形及氣候影響，福建省雷暴天氣多，閃電頻發(fā)，受雷擊侵害事故較多，同時，福建東部沿海和內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)有明顯不同，雷災(zāi)損失特點也有不同［23-25］。曾金全等［24］采引入雷電風(fēng)險、地域風(fēng)險和承災(zāi)體風(fēng)險作為評估指標(biāo)，對福建省進(jìn)行了區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估。張雷等［26］基于層次分析法對福建省進(jìn)行了雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。安徽、蒙古、湖南等省市以雷災(zāi)數(shù)據(jù)為評價因子，采用熵權(quán)綜合評價模型［11-22］，在雷災(zāi)評估中取得較好評估結(jié)果。該模型在地震、水利、氣象等多種自然災(zāi)害風(fēng)險得以充分驗證，能有效評價自然災(zāi)害風(fēng)險［27-29］。

首次以福建省具體雷災(zāi)事故、損失類型、損失強度建立熵權(quán)綜合評價模型，以雷災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的雷災(zāi)頻數(shù)、人員傷亡和經(jīng)濟(jì)傷亡為指標(biāo)對福建省68個縣市級區(qū)域雷災(zāi)情況進(jìn)行評價，對各地市具體行業(yè)雷災(zāi)受災(zāi)原因進(jìn)行了具體分析，其評價結(jié)果和雷災(zāi)行業(yè)分析對福建省雷災(zāi)安全防御具有實際的指導(dǎo)意義。

1 資料和方法

1.1 資料來源及處理

雷災(zāi)資料來源：中國氣象局防雷減災(zāi)辦公室2012—2017 年匯編出版的《全國雷電災(zāi)害匯編》。該資料由全國各地氣象部門通過中國氣象局綜合信息網(wǎng)每月上報，資料包括雷災(zāi)發(fā)生的時間、地點以及人員傷亡、設(shè)備設(shè)施損壞、經(jīng)濟(jì)損失以及行業(yè)場所等損失類型資料。災(zāi)情漏報在文中不予考慮。

閃電定位資料來源：福建省ADTD 閃電定位系統(tǒng)2012—2017 年監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在福建省內(nèi)設(shè)有福州、廈門等10 個子站，系統(tǒng)可以監(jiān)測到閃電發(fā)生的時間、經(jīng)緯度、波頭陡度、電流強度、正負(fù)閃等多項參數(shù)。經(jīng)多年實踐運行和監(jiān)測結(jié)果分析，各項監(jiān)測參數(shù)基本準(zhǔn)確，具有實際運用價值［24］。

閃電資料處理：利用軟件UEDIT64 對閃電原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取閃電發(fā)生時間、經(jīng)緯度、閃電強度資料，并對資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)格式化處理。利用ARCGIS10.2.2 軟件對標(biāo)準(zhǔn)格式化數(shù)據(jù)進(jìn)行福建省閃電數(shù)據(jù)提取，并對閃電密度和閃電強度作圖分析。

綜合資料處理：利用MATLAB7.0 軟件，對熵權(quán)綜合評價模型中年平均傷亡人數(shù)M、年平均雷災(zāi)次數(shù)N 和年平均經(jīng)濟(jì)損失E 三個評價因子進(jìn)行權(quán)重計算。

1.2 主要研究方法

對福建省區(qū)域雷災(zāi)災(zāi)情評估采用的是熵權(quán)綜合評價模型［21］。

設(shè)該災(zāi)情評價共有n 個評價指標(biāo)，m 個評價對象，其計算模型為：

其中Gi為每個對象的災(zāi)情綜合評價指數(shù)，bij為將評價指標(biāo)歸一化后第j 個指標(biāo)的無量綱化值，wj為第j 個指標(biāo)的權(quán)重值；bij和wj的計算方法如下：

將n 個評價指標(biāo)和m 個評價對象構(gòu)造總評價矩陣對矩陣R 進(jìn)行歸一化處理，得到無量綱化值bij，

利用熵權(quán)值對每個評價指標(biāo)的權(quán)重值wj 計算為

2 福建省雷災(zāi)分布特征

根據(jù)雷災(zāi)資料統(tǒng)計，福建省2012—2017 年共發(fā)生雷災(zāi)833 起。其中，人員傷亡61 人，死亡41 人，受傷20 人，雷擊致死率達(dá)67.2%，致死率較高，造成經(jīng)濟(jì)損失近4000 萬元。

2.1 雷災(zāi)的時間分布特征

2.1.1 年分布特征

從圖1 可以看出，福建省年雷災(zāi)次數(shù)存在明顯的快速下降趨勢，并以2015 年為界限，存在明顯的落差。2012—2014 年雷災(zāi)次數(shù)均在150 次以上，其中2012 年達(dá)316 次；2015 年之后，降至100 次以下，在2017 年達(dá)到最低，只有18 次，較2012 年最高值316 次，降幅達(dá)94%。閃電次數(shù)則處于波動狀態(tài)，無明顯趨勢。

圖1 2012—2017 年福建省雷災(zāi)和閃電次數(shù)分布圖

2015 年以后雷災(zāi)次數(shù)的減少，一方面是通過多年科普和防雷監(jiān)管，顯著提高了民眾和各行各業(yè)的防雷安全意識；另一方面，從受災(zāi)行業(yè)原始數(shù)據(jù)分析(見表1)，受災(zāi)主要行業(yè)為民用、石化、工業(yè)等方面，其中，工業(yè)、石化等場所多為一、二類防雷場所，每年需要進(jìn)行一至二次防雷檢測，經(jīng)過多年監(jiān)管部門的安全檢查和防雷安全工作制度化、防雷技術(shù)規(guī)范化的提升，全社會整體防雷安全有了極大提升。人員傷亡等受災(zāi)雖然有一定的降低，但仍然有出現(xiàn)雷擊傷亡情況，一是人員受災(zāi)主要在戶外，不可控因素較多；二是偏遠(yuǎn)地區(qū)和部分群眾雷災(zāi)意識淡薄，仍需加強雷電安全科普宣傳。

表1 2012—2017 年福建省9 個地級市不同行業(yè)雷災(zāi)次數(shù)

2.1.2 各月分布特征

由圖2 可知，雷災(zāi)頻數(shù)與閃電次數(shù)月分布百分比整體呈現(xiàn)較好的一致性。夏季居多，冬季和春季較少。10 月至次年2 月，雷災(zāi)和閃電發(fā)生達(dá)到極低，均在3 月開始發(fā)展，至6 月達(dá)到最高值，9 月迅速下降。全省雷災(zāi)主要發(fā)生在4—8 月，占總雷災(zāi)次數(shù)的85.6%，其中6 月份最多，占21.2%；12 月最低，發(fā)生雷災(zāi)次數(shù)為0。全省閃電主要發(fā)生在6—8 月，8 月最高，達(dá)25.6%；5 月和9 月占比處于第二高發(fā)月，月均占比高于11%；1—4 月和10—12 月閃電次數(shù)較少，1 月最低，為0.02%。

圖2 福建省雷災(zāi)和閃電次數(shù)百分比月分布圖

2.2 雷災(zāi)的空間分布特征

2.2.1 地域分布特征

由圖3 可以看出：全省雷災(zāi)次數(shù)分布呈現(xiàn)明顯的北少南多，內(nèi)陸多于沿海，其中以中西南部區(qū)域最高，閩西北部最低?？h市級行政區(qū)域以三明市區(qū)最多，高達(dá)8.33 次·a-1；寧化、平和、尤溪、連城、德化、永安、永定年平均雷災(zāi)次數(shù)超過4 次·a-1，為全省雷災(zāi)高發(fā)地區(qū)。全省縣市級行政區(qū)域絕大部分區(qū)域雷災(zāi)次數(shù)不高于2 次·a-1。

圖3 福建省年平均雷災(zāi)次數(shù)分布圖

對比圖3 和圖4，雷災(zāi)、閃電密度、雷電流強度空間分布特征可直觀分析。利用ARCGIS10.2.2 軟件，以1km×1km 網(wǎng)格對福建省閃電數(shù)據(jù)做點密度分析得到年均雷擊密度空間分布圖(圖4a)，做雷電流幅值分析得到雷電流強度(負(fù)地閃強度取絕對值)的空間分布(圖4b)。由圖4a 可知，省中東部地區(qū)年雷擊密度值較高，少數(shù)柵格數(shù)據(jù)高達(dá)20 次·km-2·a-1以上；省西北、沿海地區(qū)年均雷擊密度值較低，在2 次·km-2·a-1以下；中部地區(qū)高于周邊地區(qū)，達(dá)在2 次·km-2·a-1以上；全省大部分區(qū)域年均雷擊密度值4次·km-2·a-1以下。

圖4 福建省雷擊大地密度(a)和閃電強度(b)分布

將圖4a 與圖3 對比分析可知，雷災(zāi)主要高發(fā)區(qū)域與區(qū)域閃電活動高發(fā)地在省中東部地區(qū)有較好的一致性，但其他區(qū)域的一致性關(guān)系并不明顯。

由表2 可知，2012—2017 年閃電次數(shù)值高達(dá)2719952 次，閃電強度絕大部分集中在4～15kA，占比高達(dá)96%以上，100kA 以上超大強度閃電僅133次，占比不到0.005%，而同期只有833 次雷災(zāi)。由圖4(b)可以看出，閃電強度區(qū)域分布較均衡，這是因為閃電發(fā)生地點具有隨機(jī)性，故閃電強度分布無明顯分布特征，而同期的833 次雷災(zāi)卻有區(qū)域分布特征。由此，尚無證據(jù)表明閃電強度分布和雷災(zāi)事故分布具有明顯相關(guān)性。

表2 閃電強度區(qū)間分布表

由此得知，雷災(zāi)分布與閃電密度有關(guān)，但尚未發(fā)現(xiàn)閃電強度與雷災(zāi)事故分布有關(guān)。

2.3 行業(yè)分布特征

對將雷災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為民用(此處為指民用建筑物、生活設(shè)施以及人員傷亡)、石化、通信、電力、工業(yè)、交通、辦公、水利等8 個行業(yè)進(jìn)行分類統(tǒng)計。

由表1 可以看出，除三明石化行業(yè)明顯不同于其他省市，其他地市雷災(zāi)行業(yè)受損比率較接近，民用、工業(yè)、電力占據(jù)主要受損行業(yè)。從全省來看，民用、石化、電力、工業(yè)、辦公為主要雷災(zāi)損失行業(yè)，合計值為796 次，占比高達(dá)為96%。從局部來看，三明的石油化工行業(yè)，漳州的民用方面，福州、泉州、三明、漳州和廈門的工業(yè)場所，遭受雷災(zāi)次數(shù)比重高于其他地區(qū)，這主要與地區(qū)性的經(jīng)濟(jì)特點、地理位置有關(guān)。三明雷災(zāi)數(shù)據(jù)中，石化行業(yè)主要表現(xiàn)為加油站。三明地處山區(qū)，公路穿山越嶺，沿線加油站往往在半山腰，相對于周邊環(huán)境，加油站為孤立建筑物，容易遭受雷擊。漳州雷災(zāi)數(shù)據(jù)中，人員傷亡相對較多，達(dá)21 次，明顯高于其他地級市，從雷災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)看，主要為農(nóng)民在戶外務(wù)農(nóng)時，遭受雷擊。泉州廈門的港區(qū)，處于海陸交界處，同時港區(qū)往往范圍較大，內(nèi)部又有龍門吊、碼頭吊車等高聳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備，容易遭受雷擊；同時泉州各縣市工業(yè)廠房較多，受損數(shù)量高于其他地市。

因此，有必要加強上述行業(yè)或場所雷電防護(hù)措施。通過行業(yè)分析，各地市可根據(jù)重點行業(yè)、重點場所、易損點進(jìn)行加強防護(hù)。

3 福建省雷電災(zāi)情等級評價

3.1 評價指標(biāo)的選取和指標(biāo)權(quán)重的計算

評價指標(biāo)選?。焊鶕?jù)GB/T 21714.2-2008 規(guī)定和《氣象災(zāi)情收集上報調(diào)查和評估試行規(guī)定》，選取人身傷亡(M)和經(jīng)濟(jì)損失(E)作為損失類型評價指標(biāo)，同時選取年雷災(zāi)次數(shù)(N)為致災(zāi)因子評價指標(biāo)，共3 個評價指標(biāo)［30-36］。

指標(biāo)權(quán)重計算：利用MATLAB7.0 軟件，以文中(2)式計算出3 個評價指標(biāo)權(quán)重；其中，年均雷災(zāi)次數(shù)N 為0.3251，年均傷亡人數(shù)M 為0.3608，年均經(jīng)濟(jì)損失E 為0.3141。將該權(quán)重值與其他省市指標(biāo)權(quán)重對比分析可知，不同省市權(quán)重指標(biāo)明顯不同［17-20］，如朱浩［17］等在開展安徽省雷電災(zāi)害風(fēng)險等級評估中，年均雷災(zāi)次數(shù)N 值權(quán)重高達(dá)0.551，占比超過50%。而福建省評價指標(biāo)中，年均雷災(zāi)次數(shù)N 值權(quán)重為0.3251，差別明顯。福建省三項評價指標(biāo)值非常接近，其中傷亡人數(shù)指標(biāo)較高，經(jīng)濟(jì)損失指標(biāo)較低。在模型評價中，指標(biāo)的權(quán)重值不同，將導(dǎo)致該指標(biāo)參數(shù)的評價計算結(jié)果不同，直接導(dǎo)致各區(qū)域評價最終結(jié)果不同。因而，不同區(qū)域根據(jù)本區(qū)域雷災(zāi)特征開展評價具有實際意義。

3.2 區(qū)域災(zāi)情評價分析

區(qū)域災(zāi)情評價：以福建省68 個縣市級行政區(qū)域為評價對象，將評價對象和評價指標(biāo)構(gòu)成矩陣R，利用文中(1)式計算各評價對象雷災(zāi)綜合評價指數(shù)G。G 值大小表明該區(qū)域雷災(zāi)風(fēng)險系數(shù)高低，各區(qū)域綜合評價指數(shù)見表3。計算結(jié)果表明，全省各區(qū)域雷災(zāi)綜合評價指數(shù)均值為0.1994，表3 顯示共有20 個行政區(qū)域高于該值，比例比29.4%，其中最高為平和縣達(dá)0.7085；最低為泉州市區(qū)、光澤縣等市縣，G 值小于0.0073，最高值約為最低值10 倍之多，全省各區(qū)域G 值分布落差較大。按照等間距法將各行政區(qū)域雷災(zāi)綜合評價指數(shù)G 分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個等級，分別為G 值小于0.2、G 值區(qū)域為0.2～0.4，G 值大于0.4。根據(jù)表1，三個等級占比數(shù)分別為48 個、14 個、6 個，占比為71%、20.1%、8.8%；全省大部分區(qū)域雷災(zāi)評價等級為Ⅰ級，Ⅲ級區(qū)域為平和縣、漳浦縣、大田縣、漳州市區(qū)、連城縣和龍巖市區(qū)等6 個地區(qū)。分析原始數(shù)據(jù)可知，上述6 個縣市，3 項評價指標(biāo)均出現(xiàn)全部或個別較高值，其中最高平和縣年均雷災(zāi)次數(shù)達(dá)6 次/a，年均雷擊傷亡人數(shù)接近1 人/a。

表3 68 個縣市級行政單位雷電災(zāi)害綜合評價指數(shù)G

由圖6 可以看出，Ⅰ級主要集中在福建省北部，中西南部，以及北部沿海地帶；Ⅱ級主要分布在福建省中部；Ⅲ級分布在福建省中部、中西部和東南部。結(jié)合圖4(a)和原始數(shù)據(jù)分析不同區(qū)域的主要雷災(zāi)等級權(quán)重因子，福建省中部和西南區(qū)域主要表現(xiàn)為年雷災(zāi)次數(shù)較多，同時經(jīng)濟(jì)損失較大，其中大田縣年均經(jīng)濟(jì)損失最高，為年均損失54 萬元，龍巖和連城同樣主要表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)損失較高，且主要體現(xiàn)在設(shè)備、設(shè)施及通信等領(lǐng)域。西南區(qū)域等級較高主要為人身傷亡較高，其中，2012—2017 年傷亡人數(shù)，平和縣5人，漳州5 人，漳浦3 人，遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。

圖6 福建省68 個縣市行政區(qū)域雷災(zāi)等級分布

4 結(jié)論和討論

(1)2012—2017 年，福建省雷災(zāi)年分布呈現(xiàn)逐年減少趨勢；其中，2012—2014 年較2015—2017 年雷災(zāi)次數(shù)值明顯偏高；2017 年雷災(zāi)次數(shù)為18 次，較2012 年最高值316 次，降幅達(dá)94%。閃電次數(shù)則處于波動狀態(tài)，無明顯趨勢。雷災(zāi)頻數(shù)較多區(qū)域主要集中在閩中部、西部，閩北和沿海地區(qū)較少。全省雷災(zāi)受損行業(yè)比較集中，主要在民用、工業(yè)等5 個方面，占比高達(dá)96%。

(2)雷災(zāi)次數(shù)與閃電頻數(shù)月分布具有較好的一致性，均主要集中在夏季，冬春季較少。雷災(zāi)次數(shù)與雷擊大地密度分布具有較好的一致性。雷擊大地密度高值區(qū)域為福建省中東部，該區(qū)域內(nèi)雷災(zāi)次數(shù)相對較多；而閩北地區(qū)和北部沿海地帶雷擊大地密度和雷災(zāi)次數(shù)均較少。閃電強度分布較為均衡，尚未發(fā)現(xiàn)與雷災(zāi)次數(shù)分布具有相關(guān)性。

(3)福建省雷災(zāi)風(fēng)險等級評價結(jié)果為：閩北及北部沿海地區(qū)等級較低，閩中和閩西南等級較高。等級較高區(qū)域主要表現(xiàn)為人員損失和經(jīng)濟(jì)損失明顯高于其他地區(qū)。風(fēng)險評價結(jié)果與歷史雷災(zāi)對應(yīng)較好，風(fēng)險評價指標(biāo)能有效評估該地區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險，不同地區(qū)可根據(jù)雷災(zāi)風(fēng)險評價等級，制定差異性雷災(zāi)防護(hù)措施以科學(xué)合理降低雷災(zāi)風(fēng)險。

本文雷災(zāi)數(shù)據(jù)僅來源于氣象系統(tǒng)收集，其他雷災(zāi)數(shù)據(jù)收集較少，且雷災(zāi)事故分析較少，雷災(zāi)數(shù)據(jù)信息缺乏詳細(xì)定位等信息，缺乏進(jìn)一步深入分析雷災(zāi)事故原因的基礎(chǔ)。此外，基于現(xiàn)有研究成果，將以廈門等地為試點，對具體雷災(zāi)個案開展分析，進(jìn)一步優(yōu)化完善雷災(zāi)致災(zāi)因子雷災(zāi)評價模型。