摘要：基于海珠区2013-2019年闪电监测资料和2003-2019年雷电灾害资料，分析了雷击大地密度的空间分布和雷电灾害频度特征，并以广州市海珠区18个行政街为评估单元，结合人口密度、GDP等特征，选取雷击大地密度NG、雷电灾害频度P、人口密度指标L和经济指标D这4个参数作为雷电灾害风险评估指标，利用层次分析法确定评估指标权重，建立雷电灾害风险评估模型，对海珠区雷电灾害易损性进行分析，从而得到海珠区雷电灾害易损度区划，为防御和减低雷电损失的规划提供了科学依据。
关键字：海珠区；雷电灾害；层次分析；区划
1引言
雷电灾害风险区划就是通过科学、系统的评估计算，根据风险值的大小得到所研究范围内的风险区划，为区域的防灾减灾规划提供科学依据。近年来，我国对雷电灾害风险区划以省（市）级研究为主，地级市特别是区县级行政区雷电灾害风险区划研究相对薄弱。
海珠区地处广州市区南部，其中2/3的面积属于珠江三角洲冲积平原，其余1/3为低丘、台地。从广东省雷电灾害实例汇编中分析得到，2003-2019年海珠区发生人员伤亡或经济损失的雷电灾害共23起，造成人员伤亡共6人，直接经济损失高达95万元。因此，从灾害易损性角度出发，对海珠区雷电灾害进行易损性分析评估和易损度区划，同时考虑致灾体雷电和承灾体人类社会两方面，将灾害防御管理提高到风险管理的程度，对于防灾减灾具有一定的指导意义。文中以广州市海珠区18个行政街为评估单元，考虑人口密度以及经济发展因素，选取雷击大地密度、雷电灾害频度、人口密度指标、经济（GDP）指标作为评估指标，利用层次分析模型，对该区域进行雷电灾害风险区划，旨在为区域性雷电防护业务提供参考。
2资料和方法
2.1资料来源
文中使用的资料包括：
1）雷电监测预警服务平台上关于海珠区各街道的地闪统计数据，该雷电数据从广东省气象局气象通用数据接口中获取。
2）广州市海珠区2003年-2019年的雷电灾害统计资料，记录了雷电灾害发生的时间，地点和受损情况等，由广州市防雷减灾管理办公室提供。
3）人口和经济特征资料来自广州市海珠区政府地方志办公室编写的《海珠年鉴2018》提供的各街道的人口密度、GDP生产总值、街道区域面积等数据。
2.2资料处理和计算方法
层次分析法（AHP）的基本思路是把复杂的问题分解成各个因素，将各个因素按照支配关系分组，形成有层次的结构，通过两两比较的方式确定层次中诸要素的相对重要性，然后综合判断以决定诸因素相对重要性的总顺序。该方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂提出的，是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场所。
本文通过深入研究致灾体、孕灾环境和承灾体三方面特征来合理选取灾害风险评估指标。经对比分析后，选取雷击大地密度（NG）、雷电灾害频度（P）、人口密度指标（L）、经济（GDP）指标（D）等4个指标分析评估海珠区雷电灾害易损性。采用层次分析法（AHP）选取计算指标权重，建立雷电灾害风险评估模型，并且以行政街为统计单元的指标值分别进行归一化处理，作为雷电灾害风险评估的初始值，进而分析海珠区雷电灾害易损性和易损区划。其分析步骤如下：
2.2.1建立层次结构模型
根据实际情况，在海珠区的雷电灾害风险评估过程中，将层次分析模型分为3层：第一层是雷电灾害危险度的目标层，第二层为影响区域雷电灾害风险度的指标层，第三层为分析对象的因素层。
2.2.2构造比较判断矩阵
判断矩阵表示针对上一层的某因素，本层次与之有关的各因素之间相对重要性的比较。依据选用的评估指标和层次模型，建立判断矩阵T:
.png)
2.2.3计算出各指标的权重值
对于构造出的成对比较矩阵用Matlab软件求出最大特征根λmax和特征向量W，对特征向量归一化处理后即为各指标的权重。
2.2.4比较矩阵的一次性检验
用平均随机一致性指标（R.I.）对各指标重要程度比较链上的相容性进行检验，当成对比较得出的判断矩阵的阶数大于或等于3时，则需要进行一致性检验。一致性指标C.I.=(λmax-n)/(n-1)，其中n为判断矩阵的阶数，然后查找平均随机一致性指标R.I.（表2），最后计算一致性比例C.R.=C.I./R.I.，当C.R.≤0.1时，通常可以认为此判断矩阵的一致性是符合要求的。若检验通过，特征向量归一化后即为权向量；若不通过，就要对判断矩阵做适当的修正，直到计算出符合一致性要求的C.R.值。
.png)
2.2.5雷电灾害风险值计算
通过层次结构分析法，利用选定的雷电灾害风险评估指标得到指标体系矩阵Q，再计算出各指标的权重系数W，即可得到雷电灾害风险评估模型R=W. Q，依据此公式，计算出各街道的雷电风险值。
3海珠区雷电灾害风险评估指标分析
3.1雷击大地密度指标
雷击大地密度是指每年每平方公里雷击大地的次数（NG=N/S，单位为次.km-2.a-1，N为地闪次数，S为区域面积），该指标表征该街道地闪分布特征和活动规律，是反映雷电致灾环境的一个重要指标。某地地闪密度大，说明该区域雷电灾害概率较大，承灾体受损可能性增大，也就说易损性大。
利用2013—2019年观测到的闪电资料，根据海珠区各街道的行政区划边界，统计得到各街道的雷击大地密度值如表3所示。分析发现，沙园、海幢、赤岗、南石头雷击大地密度均值较大，江南中、龙凤、昌岗低于10次.km-2.a-1水平，多数街道处于10次.km-2.a-1至20次.km-2.a-1之间。
表3 广州市海珠区各街道平均雷击大地密度
.png)
3.2雷电灾害频度指标
雷电灾害频度是指在海珠辖区内2003—2019年共17年平均雷电灾害次数（P=N/n，单位为次.a-1，N为雷电灾害的总次数，n为年数）。该指标表征区域内灾害发生频率的高低，反映了本区域的易损性情况。
表4给出了2003—2019海珠区各街道雷击灾害频度。分析发现，南洲街道平均雷电灾害频数为0.325次/a，为全区最高，赤岗街与新港街分别为0.176次/a和0.117次/a，其它街道只发生过一次甚至无发生过雷击灾害。
表4 2003-2019广州市海珠区各街道雷击灾害频度
.png)
3.3人口密度指标
人口密度指标表征单位面积内的人口数量（L=Ls/S，单位为人.km-2,Ls为常住人口，S为面积），该指标反映了区域发生雷电灾害时，单位面积上受危害的人数。
表5给出了海珠区各街道2017年底的人口密度。分析发现，凤阳街道、昌岗街道、南华西街道和海幢街道人口密度较大，均超过50000人.km-2，琶洲街道、华洲街道、南洲街道和琶洲街道人口密度较小，均低于10000人.km-2，其它街道均处于10000人.km-2至50000人.km-2之间。
表5 2017年底广州市海珠区各街道人口密度
.png)
3.4经济（GDP）指标
选取各街道单位面积上的生产总值作为经济参考指标（D=Ds/S，单位为万元.km-2，Ds为所选区域GDP生产总值，S为区域面积），该指标表征街道遭受雷击后单位面积上可能的经济损失，也可以间接反映各街道抵御雷电灾害的能力及灾后恢复能力。
表6给出了海珠区各街道的生产总值指标。分析发现，素社街道、江南中街道、龙凤街道、昌岗街道、海幢街道、赤岗街道单位面积生产总值较高，均超过了300000万元.km-2，遭受雷电灾害后可能导致的经济损失较大。
表6 2017年底广州市海珠区各街道单位面积生产总值
.png)
4雷电灾害风险评估模型
4.1建立风险评估模型
采用层次分析法（AHP），先利用选定的雷电灾害风险评估指标得到指标体系矩阵Q=[NG P L D]，再按照Saaty标度方法，建立雷电灾害风险评估判断矩阵T，判断矩阵T及权重分布见表7，再计算出指标权重W，即可得到雷电灾害风险评估模型R=W. Q，最后，再对矩阵进行一致性检验。
利用Matlab计算得出：判断矩阵T的最大特征值λmax=4.031，特征向量归一化后指标权重W=[0.4673 0.2772 0.1601 0.0954]T，一致性指标C.I.=(4.031-4)/(4-1)=0.0103，则一致性比例C.R.为0.0114。由于C.R.<0.1，判断矩阵T通过了一次性检验。将计算得到的W和Q代入雷电灾害风险评估模型中，即可得到海珠区雷电灾害风险评估模型R=0.4673NG+0.2772P+0.1601L+0.0954D。
表7 雷电灾害风险评估判断矩阵T及权重分布
.png)
注：B1、B2、B3、B4分别代表雷击大地密度、雷电灾害频度、人口密度指标和经济指标。
5海珠区雷灾综合易损性评估
雷灾易损性指标对海珠区各街道未来因雷电造成的可能损失量做出了趋势评估和判断（高、低等）。若某区域未来因雷灾造成的损失量越高，则该区域的雷灾易损性越大。为便于分析、描述以及评估结果的可比性，对雷灾易损性指标进行等级值换算如下：
为了使各指标取统一量纲，对指标进行归一化处理，将值统一转化到[0，1]范围。本文采用归一化函数对各指标进行无量纲化：
.png)
其中，Ri为归一化后的值；xi为各项指标的实际值；ximax为各项指标的最大值；ximin为各项指标的最小值。利用指标归一化结果及推算出的风险评估方程，计算出各街道的风险值（表8）
表8 广州市海珠区各街道雷电灾害风险值
.png)
6海珠区雷灾易损性区划
根据上述综合易损性的评估结果，采用5级分区法，即将风险从小到大排列，分成五组，每组4个记录（最后一组2个记录），将第n（n=1,2,3...）组中的最大值和第n+1组中的最小值的平均值作为第n级的最大值和第n+1级的最小值，通过计算，将海珠区划分为雷电灾害低易损区、较低易损区、中等易损区、较高易损区和高易损区5个不同易损区域。各区域的雷灾综合易损值分别为低易损区（R<0.298），较低易损区（0.298≤R<0.3825），中等易损区（0.3825≤R<0.462），较高易损区（0.462≤R<0.5516），高易损区（R≥0.5516）。从表8中的综合易损度风险值以及各种易损性指标的数值大小，可以分析海珠区各街道雷电灾害的易损性情况，为海珠区各区域防御和减轻雷电灾害，采取有效管理措施提供比较客观的科学依据。最终得到海珠区雷电灾害易损性区划结果，如表9所示，图例见图1。
.png)
图1 广州市海珠区雷电灾害易损性区划示意图
7结论和讨论
利用海珠区闪电和雷灾资料，分析了雷击大地密度的空间分布和雷电灾害频度特征，结合层次分析法建立了雷电灾害风险评估方程式，对各街道雷电灾害易损性进行了分析与区划，得出如下结论和相关讨论。
1）2003-2019年期间，海珠区记录具体地址的雷电灾害事故共发生23起，以南洲街道发生雷电灾害事故最多，达到0.352次/a-1，其次为赤岗街道（0.176次/a-1）；经济损失严重的为赤岗街道和南洲街道，分别占总损失的27.78%和21.67%；人员伤亡主要发生在南洲街道（5人），占人员伤亡总数83.3%。
2）海珠区雷电灾害易损区划分为：海幢街道和赤岗街道为高易损区，沙园街道、江海街道、南华西街道和南洲街道都为较高易损区，凤阳街道、滨江街道、南石头街道和瑞宝街道为中等易损区，龙凤街道、素社街道、琶洲街道和新港街道为较低易损区，昌岗街道、江南中街道、官洲街道和华洲街道为低易损区。
3）研究结果可为海珠区防灾减灾规划提供参考，对市中心城区防灾减灾有着重要的实际意义。但由于雷灾资料统计具有一定片面性，样本代表性有限，可能影响雷电灾害易损性区划的可靠性；由于只选取了4个指标，指标数量较少，也可能影响到区划的可信度；另外，如何确定恰当的指标权重，还有待进一步分析研究。
参考文献
[1]《雷电灾害风险区划技术指南》.QX/T 405-2017
[2]于东海，翟玉泰，杨泽锋.《基于层次分析法的江门市新会区雷电灾害风险区划》.《气象与减灾研究》.2016.6.39（2）:155-160
[3]张春燕，钟博宏，张宇飞.《广州市雷电灾害易损性分析评估和易损度区划》.《陕西气象》.2017（6）：23-28
[4]刘岩，李征，程向阳.《安徽省雷电灾害风险区划》.南京信息工程大学学报：自然科学版.2014，6（2）：163-168
[5]严春银.《江西省雷电灾害易损性分析及其区划》.《江西科学》.2006.4.24（2）：:131-135
[6]马远飞，王文波，雷崇典.《延安市雷电灾害易损性分析及易损度区划》.《陕西气象》.2015（S1）：11-13
[7]尹娜，肖稳安.《区域雷灾易损度分析、评估及易损度区划》.《热带气象学报》.2005.21（4）：:441-449
作者简介：谭惠芬（1983-），女，汉族，工学学士学位，工程师，主要从事雷电防护科学与技术方面研究工作。