周長(zhǎng)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)
隨著氣候的異常變化,雷電活動(dòng)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(jì)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(qiáng)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(cè)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(duì)黑龍江大興安嶺森林雷擊火的危險(xiǎn)性進(jìn)行相關(guān)分析研究。通過(guò)分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點(diǎn)的云地閃密度、云地閃強(qiáng)度、地形、植被、土壤電阻率特征,為雷擊火危險(xiǎn)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(jì)方法和層次分析法(AHP)對(duì)黑龍江大興安嶺森林雷擊火危險(xiǎn)性進(jìn)行劃分,能夠進(jìn)一步明確各區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí),提高黑龍江大興安嶺森林雷擊火防范的針對(duì)性。
云地閃是引發(fā)森林雷擊火的直接原因,對(duì)近15 a黑龍江閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)云地閃密度直方圖
將云地閃數(shù)據(jù)的雷電強(qiáng)度按百分位數(shù)法劃分5個(gè)等級(jí),利用Kriging插值法得到不同雷電流等級(jí)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(diǎn)不同雷電流等級(jí)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(diǎn)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(diǎn)海拔高度直方圖
地形起伏度是描述一個(gè)區(qū)域地形特征的一個(gè)宏觀性的指標(biāo),通過(guò)DEM柵格數(shù)據(jù)求得雷擊火起火點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的植被情況,分類統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1 雷擊火起火點(diǎn)植被分類統(tǒng)計(jì)表
利用1km×1km黑龍江省土壤數(shù)據(jù),提取雷擊火起火點(diǎn)的土壤類型情況,分類統(tǒng)計(jì)如表2所示。
表2 雷擊火起火點(diǎn)土壤分類統(tǒng)計(jì)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(shí)石塊較多,電阻率近似值約為300Ω·m[4]。
對(duì)黑龍江大興安嶺云地閃密度數(shù)據(jù)、云地閃強(qiáng)度數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(diǎn)的植被類型百分比,并通過(guò)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(duì)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(duì)于上一層次的各要素進(jìn)行兩兩比較判斷,得出相對(duì)重要程度的比較權(quán)重,建立判斷矩陣,計(jì)算最大特征根以及相對(duì)應(yīng)的特征向量,進(jìn)行層次單排序,得到各層要素相對(duì)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(duì)本層次各要素的相對(duì)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(duì)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(qiáng)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(xiǎn)性按式(3)計(jì)算:
式中:
RH——致災(zāi)因子危險(xiǎn)性;Ld——地閃密度;
wd——地閃密度權(quán)重;Ln——地閃強(qiáng)度;
wn——地閃強(qiáng)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(xiǎn)性指數(shù)大小,采用自然斷點(diǎn)法,將雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、一般風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),分別用不同灰度顏色標(biāo)示,黑龍江大興安嶺雷擊火危險(xiǎn)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(xiǎn)性劃分
從黑龍江大興安嶺雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性劃分可以看出部分地點(diǎn)的雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性遠(yuǎn)超毗鄰區(qū)域,大興安嶺地區(qū)各個(gè)縣區(qū)雷擊森林火災(zāi)危險(xiǎn)性狀況有很大不同,漠河、塔河、呼中、新林大部分區(qū)域危險(xiǎn)性較高,呼瑪中部危險(xiǎn)性較高,加格達(dá)奇危險(xiǎn)性較低。