DB43_T+2133-2021雷电致灾风险区划技术规范.docx

ICS 07.060CCS A 4743湖南省地方标准DB43/T 21332021雷电致灾风险区划技术规范Technical specification for lightning disaster risk zoning2021- 08 - 03 发布2021- 10 - 03 实施湖南省市场监督管理局发 布目次前言1 范围 12 规范性引用文件13 术语和定义 14 区划流程 25 资料收集 26 资料处理 37 区划模型和方法4附录 A（资料性） 归一化方法 7附录 B（资料性） 雷电落点误差计算 8附录 C（资料性） 权重大小确定方法 10附录 D（资料性） 自然断点法 13参考文献14前言本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由湖南省气象局提出。本文件由湖南省气象标准化技术委员会归口。本文件起草单位：长沙市气象局、怀化市气象局、湖南省气象灾害防御技术中心。本文件主要起草人：钟金莲、薛志明、邓战满、黄柱坚、薛明、刘越屿、周璐、薛德锋、唐瑶、陈梦醒、杨加艳、黄钰杰、谢露、黄正才、吴琏、吴瑕、卢荣琼、邱庆栋、陈力强、汤光玉。雷电致灾风险区划技术规范1 范围本文件给出了雷电致灾风险区划的流程、资料收集与处理、区划模型和方法。本文件适用于雷电致灾风险区划。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件， 仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 370472018 基于雷电定位系统（LLS）的地闪密度 总则QX/T 4052017 雷电灾害风险区划技术指南DB43/T 21342021 地闪等级划分3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1雷电致灾风险 Risk of lightning disaster雷电灾害发生的可能性。3.2致灾因子 hazard可能造成人员伤亡、财产损失、资源与环境破坏、社会系统混乱等的异变因子。QX/T 4052017，定义 3.23.3雷电致灾风险指数 lightning disaster risk index根据致灾因子危险性对雷电致灾风险进行评定的量化指标。3.4雷电致灾风险区划 lightning disaster risk zoning根据雷电致灾风险指数大小，对雷电致灾风险的空间范围进行区域划分。3.5地 闪 cloud-to-ground lightning；CG雷暴云与大地之间的放电现象。GB/T 370472018,定义 3.1.13.6雷电定位系统 lightning location system；LLS由多个雷电传感器组成的用于监测和定位其覆盖区域内雷电事件的探测网。雷电定位系统又称闪电定位系统。GB/T 370472018,定义 3.1.103.7地闪密度 ground flash density单位面积、单位时间的平均地闪次数。注：单位为次每平方千米年次/(km2a)。GB/T 370472018,定义 3.1.73.8地闪日数 lightning days 网格内年平均地闪日数。注：单位为天每网格年。3.9雷电强度 lightning Intensity按地闪等级划分中的地闪强度等级加权平均得到的强度。注：单位为千安培（kA）。4 区划流程地理信息资料灾情资料雷电资料归一化处理归一化处理栅格化处理GIS 数据库雷电致灾风险区划模型雷电致灾风险区划结果雷电致灾风险区划流程，见图 1。资料收集资料处理风险区划图 1 雷电致灾风险区划流程5 资料收集5.1 雷电资料宜收集 5 年以上的雷电定位系统资料，包括雷击的时间、地理位置、雷电流幅值、陡度值等资料。5.2 地理信息资料按 QX/T 4052017 规定，收集分辨率不低于 1250000 的数字高程模型（DEM）数据。5.3 灾情资料宜收集 5 年以上雷灾起数。6 资料处理6.1 处理方法6.1.1 归一化处理参照 QX/T 4052017 给出的方法，对收集的资料进行归一化处理，归一化处理方法参见附录 A。6.1.2 栅格化处理按 2000 国家大地坐标参数，将区域划分为 5 km5 km 的网格。6.2 地闪资料对收集的雷电资料进行落点误差计算，剔除雷电最大落点误差大于 2 倍网格边长的数据，雷电落点误差计算参见附录 B。6.2.2 陡度值处理雷电定位系统数据中，当陡度值大于雷电流幅值时，陡度值取雷电流幅值。6.2.3 地闪强度等级划分根据雷电流幅值、陡度值大小，参照 DB43/T 21342021 给出的方法，按表 1 将地闪强度划分为 4 个等级。表 1 地闪强度等级6.2.4 地闪日数统计各网格内地闪强度 2 级（含）以上地闪日数，除以资料年限，得到各网格内的年地闪日数，并进行归一化处理，形成地闪日数栅格数据。6.2.5 地闪密度6.2.1 落点误差处理等级等级名称地闪强度（kA）条件关系地闪陡度（kA/S）1级弱雷电0，15)或52级中等雷电15，25)且53级强雷电25，50)且54级超强雷电50且5统计各网格内地闪强度 2 级（含）以上地闪频次，除以资料年限，得到各网格内的年地闪密度，并进行归一化处理，形成地闪密度栅格数据。6.2.6 雷电强度根据表 1，按式（1）计算各网格内的地闪强度 2 级（含）以上雷电强度并形成栅格数据。L = 4 ( i F )（1）式中：nii =2 9Ln雷电强度；i地闪强度等级；Fi地闪强度为i 等级的地闪频次的归一化值。6.3 地理信息资料6.3.1 土壤电导率对土壤电导率资料进行归一化处理，形成归一化的土壤电导率栅格数据。6.3.2 海拨高度对数字高程模型（DEM）资料进行归一化处理，形成归一化的海拨高度栅格数据。计算以目标栅格为中心、大小为所定栅格大小的正方形范围内高程的标准差，并进行归一化处理，形成归一化的地形起伏栅格数据。6.4 致灾等级参照雷灾起数，按表 2 统计栅格面积上雷电致灾等级，并进行归一化处理, 形成归一化的雷电致灾等级栅格数据。表 2 雷电致灾等级表6.5 建立数据库将地闪资料、灾情资料和地理信息资料处理成相同空间分辨率和空间投影坐标系统，建立地理信息系统（GIS）风险区划数据库。7 区划模型和方法7.1 区划模型雷电致灾风险区划模型由地闪因子和触发因子数据组成。区划模型见图 2。6.3.3 地形起伏雷灾起数（起）1-1011-2021雷电致灾等级（级）123雷电致灾风险区划模型雷电致灾风险指数 RH雷电致灾风险等级划分地闪因子触发因子地闪日数Lr地闪密度Ld雷电强度Ln致灾等级Cl土壤电导率Sc海拨高度Es地形起伏Tr极高风险等级高风险等级一般风险等级图 2 雷电致灾风险区划模型7.2 区划方法7.2.1 雷电致灾风险指数计算雷电致灾因子危险性按式（2）计算：RH = (Lwr + Lwd + Lwn) (Cwc + Sws + Ewe + T wt )（2）rdnlchr式中：RH 雷电致灾因子危险性；Lr地闪日数；wr地闪日数权重；Ld地闪密度；wd地闪密度权重；Ln雷电强度；wn雷电强度权重；Cl致灾等级；wc致灾等级权重；Sc土壤电导率；ws土壤电导率权重；Eh海拨高度；we海拨高度权重；Tr地形起伏；wt地形起伏权重。各权重的计算参见附录C。7.2.2 雷电致灾风险等级划分依据雷电致灾风险大小，采用自然断点法，将雷电致灾风险等级划分为极高风险等级（级）、高风险等级（级）、和一般风险等级（级）。自然断点法参见附录 D。附 录 A（资料性） 归一化方法归一化是将有量纲的数值经过变换，化为无量纲的数值，进而消除各指标的量纲差异。计算公式为：Dij= 0.5 + 0.5Aij - mini max - min（A.1）ii式中：DijAijmini 、 maxij 站（格）点第 i 个指标的归一化值；j 站（格）点第 i 个指标值；分别是第 i 个指标值中的最小值和最大值。附 录 B（资料性） 雷电落点误差计算B.1 前言雷电落点探测误差直接影响雷电灾害的定位确定。雷电位置是根据定位方式原理确定的，雷电定位方式包含时差定位和磁方向定位。雷电定位方式包含二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法四类， 不同的定位方式可产生不同的定位误差。通过对湖南雷电数据的落点分析，雷电落点误差主要来自于二站振幅。二站混合虽有一定误差，但比二站振幅小很多，且影响范围较小，基本可以接受。三站混合或四站算法误差极小，可以忽略。故本文件中只对二站振幅落点进行误差计算。B.2 原理简介图 B.1 二站振幅误差计算示意图B.3 计算方法设 H（H,H）点为闪电落点，M（M,M）,N（N,N）为二个探测站点，三点组成的HMN 对边设为 h、m、n， 为误差角，MHN 设为 ，利用经纬坐标差计算各边距离。h = dx (lM - lN )2 cos2 FM + (FM - FN )2(1- f )2)1/ 2 ； m = dx (lH - lN )2 cos2 FH + (FH - FN )2(1- f )2)1/ 2 ； n = dx (lM - lH )2 cos2 FM + (FM - FN )2(1- f )2)1/ 2 。磁定向法（MDF）是多站定位法中的一种。MDF 是利用两个相互正交且垂直的环（平面分别指向东西向和南北向）测量来自近似垂直的闪电回击通道的辐射磁场，每个环上的感应电压与回击磁场的强度和入射方向有关，通过比较两个环上的感应电压，来确定闪电辐射源的方向。某次闪电被二个测站同时探测到，则二个测站磁方向的交点就是闪电落点。事实上，磁方向并不是一条线，而是存在一个误差角（一般小于 1），两个测站 M、N 以误差角方向与地面的交叉区域（图 B.1 中 HABC 所围成部分）不是唯一的一个点，而是一个面，所以磁定向法普遍存在一定误差。式中：dx = 2pRd / 360赤道上相距一个经度的距离；Rd地球赤道半径；f地球扁率。应用余弦定理计算角值：应用正弦定理：cosb =n2 + m2 - h22mn n2 + m2 - h2b； = arccos。2mn 在HMC 中， HC = n sinq / sin(b + q ) ；在HAN 中， HA = m sinq / sin(b + q ) 。应用余弦定理：AC2 = HC2 + HA2 - 2HC HAcosb ；AC = sinq(m2 + n2 - 2m ncosb )1/ 2 = hsinq（B.1）sin(b + q )sin(b + q )因误差角为 1或 0.5，将四边形 HABC 视为近似平行四边形，则：HAN=HCM = x587; 𝜋 - ,HA BC，有：HB2 = HC2 + HA2 + 2HC HAcosb ；HB = sinq(m2 + n2 + 2m ncosb )1/ 2 = sinq(2m2 + 2n2 - h2 )1/ 2（B.2）sin(b + q )sin(b + q )选择 AC、HB 中的最大值作为二站振幅定位方式可能的雷电落点最大误差，并用（B.3）式表示：z2g = 1 (max(abs( AC),abs(HB)（B.3）附 录 C（资料性） 权重大小确定方法C.1 熵值法C.1.1 原理熵是系统无序程度的度量，可用于度量已知数据所包含的有效信息量和确定权重。通过对熵的计算确定权重，即根据各项指标值的差异程度，确定各指标的权重。当评价对象的某项指标值相差较大时， 熵值较小，说明指标提供的有效量较大，其权重也应较大；反之，若某项指标值相差较小，熵值较大， 说明该指标提供的信息量较小，其权重也应较小。当各被评价对象的某项指标值完全相同时，熵值达到最大，意味着该指标无有用信息，可以从评价指标体系中去除。C.1.2 步骤C.1.2.1 原始数据矩阵归一化r =aij - minjaij ijmax a - min a （C.1）jijjij式中：rijj 站（格）点第 i 个指标的归一化值；aijj 站（格）点第 i 个指标值。对小者为优的评价指标，归一化公式为：r =maxj aij - aijijmax a - min a （C.2）jijjij式中：rijj 站（格）点第 i 个指标的归一化值；aijj 站（格）点第 i 个指标值。C.1.2.2 定义熵在有 m 个评价指标 i、n 个被评价对象 j 的评估案例中，第 i 个评价指标的熵的计算公式为：hi = -k fij lnfij（C.3）j =1m式中：hi第 i 个评价指标的熵；k与样本 m 有关的常数，一般为 1/lnm；fij第 j 项评价指标下第 i 个评估方案占该评价指标的比重，计算公式见（C.4）。设 m 个评价指标 i、n 个被评价对象 j，构成原始数据矩阵（aij）mn，对其归一化后，对大者为优的评价指标，归一化公式为：fijm= rij / rij （C.4）j =1式中：rij归一化后的值。C.1.2.3 定义熵权定义了第 i 个评价指标的熵之后，按照公式（C.5）可得到第 i 个评价指标的熵权：wi =1 - himm - him(0 wi 1, wi = 1)（C.5）i=1i=1式中：wi第 i 个评价指标的熵权； hi第 i 个评价指标的熵； m评价指标数量。C.2 层次分析法C.2.1 原理并且每一层与上一层的某个指标和下一层的若干指标有着一定的联系，每一个层次之间按照隶属关系组建成一个有序的递阶层次结构模型。在这个层次结构模型中，根据客观事实的判断，通过两两比较判断的方式确定同一层次中每个指标的相对重要性，以数字的方式建立判断矩阵，然后利用向量的计算方法得出同一层次中每个指标的相对重要性权重系数，最后通过组合计算所有层次的相对权重系数得到每个最底层指标相对于目标的重要性权重系数。C.2.2 步骤C.2.2.1 构造判断矩阵采用 19 标度法对各指标进行成对比较，确定各指标间的相对重要性并给出相应的比值，见表 C.1。表 C.1 两两比较赋值表把一个复杂系统中的每个指标都分解为若干个有序层次，每一层次中的元素具有大致相等的地位，标度含义aij =1因素与因素具有相等的重要性aij =3因素比稍显重要aij =5因素比明显重要aij =7因素比强烈重要aij =9因素比极度重要aij =2、4、6、8因素与因素相比，介于结果的中间值倒数aij =1/aij上述过程得出的判断矩阵 A 为：a a11a12.a1n A = (a )= 21a22.a2n （C.6）ij mn . 式中：aij =1，aij =1/aij。a m1am2.amn C.2.2.2 计算相对权重通过求解判断矩阵 A 的最大特征值lmax 及最大特征值对应的特征向量 W，得出同一层次各指标的相对权重系数。C.2.2.3 一致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。根据判断矩阵得出一致性指标（C.I.）：C.I. = lmax - n（C.7）n -1表 C.2 平均随机一致性指标值根据 C.I.和 R.I.的值，计算一致性比例（C.R.）:C.R. = C.I（C.8）R.I.当 C.R.小于等于 0.1 时，则判断矩阵 A 的一致性是符合要求的，反之，需要对判断矩阵 A 的两两比较值作调整，直到计算出符合一致性要求的值。C.2.2.4 计算合成权重当所有层次的相对权重计算得出后，利用各层次指标的层次单排序结果，进一步计算递阶层次结构模型中最底层指标相对于总目标的组合权重，由下而上逐层进行，进行层次总排序。根据判断矩阵阶数，按照表 C.2 找出对应的 R.I.。判断矩阵的阶数R.I.102030.5240.951.1261.2671.36附 录 D（资料性） 自然断点法自然断点法（Jenks natural breaks method）是一种地图分级法。该算法认为数据本身有断点， 可利用数据这一特点进行分级。算法原理是一个小聚类，聚类结束条件是组间方差最大、组内方差最小。计算方法见式（D.1）：jj( Ak )2式中：SSD 方差；i、j 第 i、j 个元素；SSDij=Ak 2 - k=1 （D.1）k=1j - i + 1A长度为 N 的数组；Ki、j 中间的数，表示 A 组中的第 k 个元素。参 考 文 献1 GB/ 500572010 建筑物防雷设计规范2 GB/T 370472018 基于雷电定位系统（LLS）的地闪密度 总则3 QX/T 4052017 雷电灾害风险区划技术指南4 QX/T 792007 闪电监测定位系统 第 1 部分：技术条件5 MZ/T 0272011 自然灾害风险管理基本术语6 DB43/T 18022020 雷电预警等级划分技术规范6 章国材.自然灾害风险评估与区划原理和方法M.北京：气象出版社，20148 刘凤姣,薛明,薛德锋，等.基于闪电数据的雷电风险优化研究模型与应用J.灾害学,2020,35（4）：48-53，84