基于信息擴散論的貴州省雷暴活動強度分析

吳安坤，丁 旻，張淑霞，楊 群，冉啟林

(1.貴州省防雷減災中心，貴州貴陽 550002;2.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225)

0 引言

雷電因其強大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波和強烈的電磁輻射等物理效應而能夠在瞬間產生巨大的破壞作用，直接影響著人身安全、經濟建設、信息安全、航天安全、軍事安全、交通安全、生態安全及體育活動安全［1］。近年來，對于某個區域雷電災害風險的評價，大多數建立在選取孕災體、致災體和承災體所涉及的因子，將多變量指標轉化為單一指標，從危險性和脆弱性兩個方面對雷電災害風險進行易損性區劃［2－7］。然而，雷電災害作為常見的自然災害之一，可認為是隨機發生的風險事件，具有可被測量的不確定性［8］。為此，黃崇福教授提出基于信息擴散理論的自然災害風險評估方法［9］，并廣泛的用于臺風暴潮、草原火災、地震、暴雨、干旱等［10－15］自然災害風險評估。近年來，國內諸多學者也將信息擴散論引入雷電災害風險研究中。王春揚等［16］將應用模糊數學理論模型的信息擴散技術，對閩南地區3 地市重大雷災進行分析，并對其出現的可能性作出雷災風險預測。欒健等［17］利用信息擴散論方法，分季節提取社會公眾對雷電天氣的關注度，劃分關注度風險等級，為決策者了解社會公眾對雷電天氣事件關注程度，并為相應決策提供依據和理論參考。

貴州省地處云貴高原東側，地勢由西部海拔2400m 以上降到中部 1200～ 1400m、東部 500～800m，呈現梯級狀大斜坡，屬是典型的山區省份。全省年平均雷暴日為51天，屬多雷暴區［18］;2000年至今，雷電傷亡人數達800 多人，雷電活動頻繁、災情嚴重。本文將從概率論的角度，基于信息擴散的模糊數學理論，采用貴州84個區縣地面氣象臺站1986—2010年的雷暴日觀測數據，進行相應雷暴活動強度分級［19］，分析各區縣的雷暴活動強度等級分布，力求得到較為符合實際的評價結果，以獲得不同強度等級的概率分布特征及重現率，為當地防雷安全工程設計提供參考依據。

1 方法及指標等級的選取

信息擴散是一種對樣本進行集值化的模糊數學處理方法，它可以將單值樣本變成集值樣本，最簡單的模型是一維線性信息分配模型［9］。最原始的形式是信息分配方法，最簡單的信息擴散函數是正態擴散函數。將一個分明值的樣本點，變成一個模糊集或者說，是把單值樣本點，變成集值樣本點。具體如下:

設Xi為雷暴發生的樣本，某區縣m年內實際記錄為x1、x2、x3、…xm，則Xi= {x1、x2、x3、…xm}，X為記錄樣本集合，Xi為樣本到實際觀測值。

設研究樣本指標論域為:

單值觀測樣本點x其所攜帶的信息按照式(1)依次擴散到集合U中:

其中h稱為擴散系數?？筛鶕颖咀畲笾礲和最小值a及樣本點個數m來確定。公式為:

令:

相應的模糊子集的隸屬函數:

稱φxi(uj)為樣本點Xi的歸一化信息分布，對其進行處理，便可得到一種效果較好的風險評估結果。

令:

其物理意義是:由{x1、x2、x3、…xm}，經信息擴散推斷出，如果災害觀測值只能取u1、u2、u3、…un中的一個，在將xi均看作是樣本點代表時，觀測值為φj的樣本點個數ω(uj)。顯然ω(uj)通常不是一個正整數，但一定是一個不小于零的數。

易知樣本點落在uj處的頻率值:

對于Xi= {x1、x2、x3、…xm}，xj取為論域U中的某一個元素uj。顯然，超越uj的概率值應為

本文根據GB50343，雷暴活動強度等級劃分標準如表1:

表1 雷暴活動強度等級劃分標準Tab.1 Grade standard of the thunderstorm activity intensity

2 雷暴活動強度等級分析

本文選取貴州省84個區縣氣象臺站1986—2010年雷暴日觀測資料為樣本，根據雷暴日數的變化范圍，把一維實數空間上的集合［5，100］轉變為離散論域?？紤]到實際分布情況，構建離散論域 U = {20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100}。各區縣擴散系數按h=2.6851(b－a)/(m－1)確定，其中樣本點個數m均為25，最大值b 和最小值a 在樣本值中逐一確定。根據式(1)～(7)計算，結合雷暴活動強度等級劃分標準，分析不同強度等級出現概率(圖1)及重現率(表2)。

全省雷暴活動強度分布情況表現為:少雷暴、中雷暴、多雷暴、強雷暴的發生概率分別為低于10.78%、低于61.82%、介于29.42%至99.85之間、低于6.10%，雷暴活動強度大小分布集中在多雷暴區，即雷暴日主要分布在40 至90天。雷暴活動強度區域分布隨緯度變化，西南強、北部弱，呈現逐層遞增(遞減)變化。全省大部分雷暴活動強度屬于中、多雷暴區。

其中少雷暴發生呈現北高南低，主要分布在中北部的遵義地區。仁懷、赤水高于5.9%，息烽、金沙、遵義(縣)、甕安、綏陽、桐梓、習水、務川、道真、沿河等地高于1.3%。雷暴日不大于25天最可能發生在北部仁懷、赤水、務川等地，呈現10～20a 一遇。

中雷暴發生分布與少雷暴大致一致，有中北部向南部發展。其中金沙、仁懷、遵義(縣)、習水、赤水、務川、道真等地在50%左右，正安、桐梓、綏陽、德江、沿河、鳳岡、思南、印江、石阡、赫章、大方、黔西、清鎮、花溪、開陽、平塘等中部大部分地區在18.2～40.19%之間，多雷暴發生分布與前兩者相反，南高北低，除赤水、習水、仁懷、金沙、遵義(縣)、道真等地外，全省發生多雷暴的概率均在50%以上。高值區主要分布在南部、西南部及東北部分區域，包括黔西南、六盤水及畢節、黔南、黔東南、銅仁的部分區縣，其發生概率值高于86.51%。

強雷暴發生主要集中在貴州的西南部，集中在安龍、興仁、盤縣三地，大約20a 一遇。晴隆約30a 一遇，水城約60a 一遇，全省絕大部分區域為百年難遇(表2)。

圖1 貴州省雷暴活動強度分布概率圖Fig.1 The thunderstorm activity intensity probability distribution of Guizhou province

表2 貴州省不同雷暴活動強度發生的重現率Tab.2 Recurrence rate of different thunderstorm activity intensity in Guizhou Province

注:500年以上的表中未列出，用“—”表示

3 結論

本文基于信息擴散的模糊數學理論，根據規范GB50343 劃分雷暴活動強度等級，分析各區縣雷暴活動強度等級分布情況，為防雷工程的合理化設計提供依據。

(1)全省各區縣雷暴活動強度以中、多雷暴區為主，少、中、多、強雷暴的發生概率分別為低于10.78%、低于61.82%、介于29.42%至99.85%之間、低于6.10%;雷暴活動強度區域分布大致隨緯度變化，強雷暴、多雷暴、中雷暴、少雷暴頻發區呈現由西南向北分布。

(2)西南部安龍、興仁、盤縣等地屬全省強雷暴頻發區，雷暴日高于90天的可能性高于其他區域，約為20a 一遇;雷暴日不大于25天最可能發生在北部仁懷、赤水、務川等地，呈現10～20a一遇。

(3)防雷工程設計過程中，各區縣可參照其不同等級雷暴活動強度的重現率，提出符合建設項目實際情況的防雷安全設計，力求最大化的保障生命財產安全。

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