贺 姗，郑琦玉，余田野，张科杰

（湖北省防雷中心，武汉 430074）

雷电是对流性天气伴随的一种天气现象，由于时空尺度小、突发性强，难以预报和预测，故当对其估计不足时，会造成较大危害。统计湖北省雷电灾害可知，在2007—2016 年共有580 余起雷击事故发生，这些事故导致了180 余人的伤亡以及超过5 300万元的财产损失。雷电危害带来的影响引起了国内外学者对雷电致灾因子的大量探索，也得出了一些有益的结论，江崟等［1］、冯桂力等［2］分别揭示了深圳、山东等地地闪频次、强度的时空分布特征。李家启等［3，4］探索得出了重庆的正、负闪电幅值和陡度的分布特征。朱浩等［5］研究了安徽省2010—2015 年地闪密度和1961—2015 年雷暴日的关系。郭润霞等［6］研究了一次典型大雹天气不同极性闪电频次、雷电流强度变化特征。徐鸣一等［7］研究发现江苏地闪密度呈东北部少，西南部多这一明显的地域差异特征。这些研究多是采用不同地方的闪电定位系统所获得的具体闪电资料，针对单个或两个雷电致灾因子进行的时空特征分析。雷电的致灾因子不少，有的专家认为衡量某地雷电危害大小的重要指标是该地的地闪密度大小［8］，而有的则认为雷电流幅值才是雷电致灾强弱的关键［9］。王学良等［10-12］根据湖北省不同时间的闪电数据资料，研究了地闪电频次、雷电流幅值和波头陡度的变化特征，认为雷电流幅值和陡度、小电流均与雷电危害密切相关。邹善勇等［13］选择雷暴日数、雷电强度、密度、频度等作为大连市雷电危险度的评估指标。王巨丰等［14］指出雷电流陡度与雷电反击密切相关，它是反映雷电特性的重要指标之一。

上述专家指出了闪电频次（密度）、雷电流陡度和小电流等因子对雷电危害强度的影响，但是鲜见综合3 个因子对雷电危害强度进行的分析研究，而评判雷电危害强度仅使用闪电频次或雷电流陡度，存在一定的片面性。当闪电频次或雷电流陡度很大，若在空旷无人地带发生时，其带来的雷电危害可能很小；当闪电频次或雷电流陡度较小时，若发生在经济发达、人口密集的地方，却可能带来严重的经济损失或人员伤亡；而当雷电流幅值较小时，可能会发生绕击，造成较大的雷电危害，故使用单一的因子去分析雷电危害强度是不科学的。为此本研究利用2007—2016 年湖北省雷电资料，综合闪电频次、雷电流陡度和小电流百分比3 个因子建立雷电危害强度的概念，用来表征雷电危害的强弱。利用投影寻踪聚类方法和自然断点法，对雷电危害强度进行等级划分并绘制全省的等级分布图，揭示湖北省不同地区雷电危害强弱的规律，以期为雷电灾害分析和风险区划等工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

湖北省雷电监测定位系统是结合时差定位和磁定向的方法来探测云地闪，全省一共设有13 个子站（图1），其探测半径约为150 km［15］，子站组网后的时间精度优于 10-7s，定位精度优于 300 m［16，17］。选取了全省2007—2016 年共10 年的雷电监测资料，主要筛选了地闪发生的时间和地点、极性以及电流幅值和陡度等参数，为了排除误差，剔除了其中一些失效的数据，如雷电流陡度或幅值是0 的数据等。

图1 湖北省13 个子站分布

1.2 方法

主要选用了投影寻踪方法，即把高维的样本数据，运用投影函数转换到低维的空间上，通过寻找投影函数的最佳投影方向来分析样本数据的特征［18-20］。在对雷电危害强度等级划分时，关键是确定所选取的各因子的权重，因子的权重是指每个评价因子在综合评价里的重要性，根据该方法能比较科学地确定各因子的权重。投影寻踪方法具体操作步骤如下。

首先，对所选用的样本数据进行去量纲化；当存在多个评价因子时，常常遇到不同因子量纲不相同，为了对这些因子进行归一化处理，故需要利用式（1）先消除每个不同因子的量纲化影响。

式中，L*(i,j)表示分析数据样本集，i∈( )1,n,j∈(1,k)（其中，n表示分析样本数，k表示评价因子数），即第j个因子的实际数值；L(i,j)为因子去量纲后的值表示第j个因子的最大值表示第j个因子的最小值。

其次，进行线性投影并创建函数；将去量纲后的数据样本L(i,j)从不同的方向进行投影，观测投影值［式中，a(j)为单位投影向量］，寻找最合适的投影方向。根据z(i)特点，可以创建出投影函数P(a) =SzDz［式中，Sz、Dz分别为z(i)的标准方差和局部密度］。

最后，优化投影方向并综合评价；根据上述分析可知最佳投影方向就是P(a)为最大值的方向。根据最佳投影方向的确定，则可以计算各评价因子的投影特征值z(i)，根据z(i)差异水平即可以确定所选取的各因子权重。

雷电危害强度等级的划分需要确定分析模型，目前的分析模型有聚类法、自然断点法、层次分析法等［21-24］，本研究选取了自然间断点分级法（简称自然断点法），即利用数据样本本身存在的断点来对其进行的自然分级。主要做法是先识别数据样本的间隔，然后在间隔较大的位置设边界，使得各级数据之间的差异最大，做到对样本数据最合适的分级，简而言之，就是使各级间的方差最大，级内的方差最小。利用该方法即能对雷电危害强度等级进行自然划分。

2 各因子的选取和特征

2.1 各因子的选取

为了客观地分析雷电危害强度，采用以下3 个致灾因子评估雷电危害强度：地闪密度、雷电流陡度以及小电流百分比。

地闪密度是指在单位时间单位面积内发生的地闪次数，能够最直接地反映雷电活动强弱和致灾环境。本研究利用雷电监测资料所得的湖北省各地10 年的年平均地闪频次除以当地面积来表示各地的地闪密度，能较好地克服运用雷暴日换算时存在的不足［9］。

雷电流陡度是指在一定的时间间隔内雷电流随时间变化的平均变化率。其反映了电磁场的强弱，雷电流陡度越大，则产生的电磁脉冲越强，感应也越强，其造成的危害也越大。利用湖北省各地10 年的年平均雷电流陡度来表征当地的雷电流陡度。

现在大多数建构筑物均有比较完善的雷电防护装置，故直接遭受雷电袭击危害的可能性较小，但是当雷电流幅值较小时，雷电可能发生绕击，当雷电流幅值过大时可能造成雷电反击，均可能带来雷电灾危害。在GB50057—2010 规范中给出的第三类防雷建筑物绕击电流为15.8 kA，反击电流为100 kA，为了便于统计，本研究选取小于20 kA 的雷电流为小电流，表示绕击可能带来的雷电危害。但是统计发现近10 年湖北省大于100 kA 的雷电流不足2%，其造成的影响极小，故未选取反击电流作为等级划分因子。即选用了10 年来湖北省各地发生小电流（＜20 kA）的频次占当地总闪电频次的百分比（即小电流百分比）作为第三个因子。

2.2 各因子的特征

统计2007—2016 年湖北省17 个地市州的年平均地闪密度（次/（km2·年）），得到各地年平均地闪密度分布见图2，各地地闪密度差异性较大，全省平均值为2.802 次/（km2·年）。其中，鄂州市的地闪密度最大，为5.777 次/（km2·年），是全省年平均地闪密度的2 倍。整体而言，鄂东地区地闪密度较高，其平均地闪密度为3.570 次/（km2·年），其中鄂东南地区的地闪密度尤其高，均远大于全省的年平均地闪密度。江汉平原年平均地闪密度为2.710 次/（km2·年），除荆门市以外，其他江汉平原地区地闪密度都比较低，略低于全省的年平均地闪密度。而鄂西地区的地闪密度整体偏低，其平均地闪密度仅为1.810次/（km2·年），除宜昌外的其他鄂西地区地闪密度远低于全省年平均地闪密度，地闪密度最小的是十堰市，为1.072 次/（km2·年），仅为地闪密度最大地区的18.6%。

图2 2007—2016 年湖北省各地年平均地闪密度分布

各地年平均雷电流陡度（kA/μs）情况如图3 所示，由图3 可知，湖北省各地雷电流陡度波动较大，在5.234～13.321 kA/μs。雷电流陡度最大的是荆州市，最小的是神农架，全省雷电流陡度年平均值为11.198 kA/μs。就全省雷电流陡度而言，存在两个高值区域，一个位于江汉平原的仙桃、荆州和潜江一带，另一个则位于鄂东地区的黄石、随州、武汉和孝感一带。鄂东地区雷电流陡度略低于江汉平原，前者年平均雷电流陡度为12.320 kA/μs，后者为12.390 kA/μs，两者均高于全省年平均雷电流陡度。鄂西地区雷电流陡度远小于其他地区，仅为8.440 kA/μs，除襄阳外的其他鄂西地区雷电流陡度远小于全省年平均雷电流陡度。

图3 2007—2016 年湖北省各地年平均雷电流陡度

统计湖北省各地小电流（＜20 kA）占当地总闪电频次的百分比得到图4，分析图4 可知，全省小电流百分比年平均值为19.84%，但是各地存在较大差异，百分比最高的为神农架林区，即过去10 年间该地发生的雷电中高达43.02%均为小电流雷电，最低的为随州市，仅为8.80%，小电流百分比最高地区约为最低地区的5 倍。鄂西地区小电流百分比平均值为23.99%，远大于江汉平原和鄂东地区，其中十堰、神农架和宜昌的小电流百分比均大于20%。江汉平原小电流百分比平均值为20.20%，除荆州以外的其他江汉平原地区小电流百分比均大于全省平均值。鄂东地区小电流百分比平均值为16.62%，除鄂州外的其他鄂东地区小电流百分比远低于全省年平均值。

图4 2007—2016 年湖北省各地小电流百分比

3 雷电危害强度等级划分及分析

3.1 雷电危害强度等级划分

根据上述投影寻踪方法分析可知，湖北省17 个地市州即为分析样本，则式（1）中i= 17，选取了3 个评价因子，则j=3，分别用表示地闪密度、雷电流陡度以及小电流百分比。由图2 至图4 可知，地闪密度的最大值、最小值分别为5.777、1.072 次/（km2·年）；雷电流陡度的最大值为13.321 kA/μs，最小值为5.234 kA/μs；小电流百分比的最大值为43.02%，最小值为8.80%。根据式（1）进行去量纲处理，即可得到处理后的17 个地市州3 个因子（分别为L1、L2、L3）的样本数据，详见表1。

表1 各地区雷电危害强度因子去量纲

基于遗传算法［19］，运用 Matlab 软件对处理后的各地区样本数据从不同方向进行投影，得到最合适的投影向量（0.494 7，0.489 3，0.016 0），投影向量中每个分量值为各评价因子的权重系数，即L1、L2、L3的权重系数分别为0.494 7、0.489 3、0.016 0，根据不同因子的权重构建湖北省雷电危害强度的模型为：

由式（2）得出湖北省各地雷电危害强度值，根据自然断点法利用ArcGIS 对这些雷电危害强度值进行分级处理得到图5。

图5 湖北省雷电危害强度自然断点分布

由图5 可以看出，雷电危害强度的自然断点分别为 0.199、0.549、0.664。由这 3 个自然断点，可以把湖北省雷电危害强度划分成4 个等级：Ⅰ级（弱）为 0 ≤z(i)＜0.199，Ⅱ级（中等）为 0.199 ≤z(i)＜0.549、Ⅲ级（强）为0.549 ≤z(i)＜0.664、Ⅳ级（极强）为z(i)≥ 0.664。

3.2 雷电危害强度等级分析

根据湖北省雷电危害强度等级划分标准，进而绘制出全省分布图（图6）。由图6 可知，①从全省范围来观察，雷电危害强度大致呈从西北向东南逐级增强的分布，鄂西地区的雷电危害强度要明显低于鄂东地区。鄂东地区的雷电危害强度最大，为0.695；江汉平原与其差距较小，为0.611；而鄂西地区雷电危害强度最弱，仅有0.279。②Ⅰ级主要位于西北山区，即十堰和神农架林区的雷电危害强度较弱；Ⅱ级仍位于鄂西地区，即宜昌、襄阳以及恩施的雷电危害强度为中等；Ⅲ级雷电危害较强，主要位于咸宁、随州、黄冈、孝感以及3 个直管市等；Ⅳ级雷电危害最大，主要集中在武汉、黄石、荆州和鄂州。在雷电危害的4 个等级中，Ⅲ级占全省面积比例最大，为35.16%，其次为Ⅱ级，占比为34.89%，两者共占全省总面积的70.00%以上。

图6 湖北省雷电危害强度等级分布

4 结论

根据湖北省2007—2016 年的雷电监测资料，选取了雷电危害强度分级因子，并分析了各因子的特征，对雷电危害强度进行了等级划分，主要得出以下结论。

1）选取了地闪密度、雷电流陡度和小电流百分比3 个因子来分析雷电危害强度，综合这3 个因子建立了雷电危害强度模型，利用投影寻踪解决了3 个因子的权重问题，得到了3 个因子的权重系数分别为0.494 7、0.489 3、0.016 0。

2）根据湖北省雷电危害强度的模型计算不同地方雷电危害强度值，得到雷电危害强度的自然断点分别为 0.199、0.549、0.664。利用 3 个自然断点，将湖北省雷电危害强度划分为Ⅰ级（弱）、Ⅱ级（中等）、Ⅲ级（强）、Ⅳ级（极强），并基于ArcGIS 给出了湖北省雷电危害强度等级分布图。整体而言，湖北省雷电危害强度大致从西北向东南逐级增强，鄂东地区危害强度明显高于鄂西地区。这能为雷电灾害防御以及评估、雷暴及其伴随的天气现象的监测和预报提供参考。