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        基于GIS與AHP的黑龍江大興安嶺森林雷擊火危險性劃分

        2021-12-08 05:03:12周長明齊海超陸明明
        黑龍江氣象 2021年3期
        關(guān)鍵詞:柵格數(shù)據(jù)大興安嶺危險性

        周長明,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),對黑龍江大興安嶺森林雷擊火的危險性進(jìn)行相關(guān)分析研究。通過分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點的云地閃密度、云地閃強度、地形、植被、土壤電阻率特征,為雷擊火危險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)計方法和層次分析法(AHP)對黑龍江大興安嶺森林雷擊火危險性進(jìn)行劃分,能夠進(jìn)一步明確各區(qū)域的危險等級,提高黑龍江大興安嶺森林雷擊火防范的針對性。

        2 雷擊火起火點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,對近15 a黑龍江閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到的云地閃數(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 雷擊火起火點云地閃密度直方圖

        將云地閃數(shù)據(jù)的雷電強度按百分位數(shù)法劃分5個等級,利用Kriging插值法得到不同雷電流等級的地閃頻次,提取分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點不同雷電流等級的地閃頻次,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 雷擊火起火點海拔高度直方圖

        地形起伏度是描述一個區(qū)域地形特征的一個宏觀性的指標(biāo),通過DEM柵格數(shù)據(jù)求得雷擊火起火點的地形起伏度,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),提取雷擊火起火點的植被情況,分類統(tǒng)計如表1所示。

        表1 雷擊火起火點植被分類統(tǒng)計表

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

        表2 雷擊火起火點土壤分類統(tǒng)計表

        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%,同時石塊較多,電阻率近似值約為300Ω·m[4]。

        3 雷擊火危險性劃分

        對黑龍江大興安嶺云地閃密度數(shù)據(jù)、云地閃強度數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)通過正態(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。按照雷擊火起火點的植被類型百分比,并通過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于上一層次的各要素進(jìn)行兩兩比較判斷,得出相對重要程度的比較權(quán)重,建立判斷矩陣,計算最大特征根以及相對應(yīng)的特征向量,進(jìn)行層次單排序,得到各層要素相對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),對本層次各要素的相對權(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)因子危險性按式(3)計算:

        式中:

        RH——致災(zāi)因子危險性;Ld——地閃密度;

        wd——地閃密度權(quán)重;Ln——地閃強度;

        wn——地閃強度權(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)危險性指數(shù)大小,采用自然斷點法,將雷擊森林火災(zāi)危險性劃分為極高風(fēng)險等級、高風(fēng)險等級、一般風(fēng)險等級,分別用不同灰度顏色標(biāo)示,黑龍江大興安嶺雷擊火危險性劃分如圖4所示。

        圖4 黑龍江大興安嶺雷擊森林火災(zāi)危險性劃分

        4 小結(jié)

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

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