2009—2017年上海市雷電活動及災害時空特征研究

（1 北京師范大學地理科學學部環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875；2 北京師范大學應急管理部-教育部減災與應急管理研究院，北京 100875；3 上海市氣象災害防御技術中心，上海 200030）

0 引言

雷電是雷云之間或雷云與地面之間產生放電，同時伴隨著強烈的電光和聲音的一種自然現象。雷電可分為云閃和地閃，其中云閃包括云內閃、云間閃和云-空氣閃，地閃是指發生在云體與地面之間的對地放電過程。地閃對地面物體會造成很大威脅，文中所研究的雷電過程主要指地閃。雷電具有大電流、高電壓、強電磁輻射等特征，是聯合國國際減災十年委員會（IDNDR）公布的全球最嚴重的10種自然災害之一[1]。雷電過程造成災害的主要形式為“直接雷擊”和“感應雷擊”[2]。

國內外已開展了一些關于雷電活動和雷電災情的相關研究。Elson[3]對英國雷電災情數據進行分析時發現，英國在一個半世紀里雷災人員傷亡數有明顯的下降趨勢。劉佼等[4]對1998—2008年中國雷電災害的時空特征、行業影響和人員傷亡等進行了統計分析，指出每年6—8月為雷災的高發月份，電力為全國雷災影響最為嚴重的行業；馬明等[5]根據1997—2006年全國雷電災害數據庫和星載閃電探測數據，分析了我國雷電災害的分布特征，認為我國雷災和閃電活動的時間特征是緊密相關的；林建等[6]根據全國847站逐日雷暴日資料分析，認為全國雷電高發于每年的4—9月的午后至深夜；景元書等[7]利用歷年雷暴統計資料，計算了江蘇省各地區的雷暴可能初終日等時空特征；易燕明[8]等分析了珠江三角洲雷電災害的損失及基本特征，指出雷電災害已成為影響珠江三角洲地區的第四大自然災害；高燚等[9]分析了海南省1999—2011年雷電災害特征，認為海南島的雷災空間分布與雷暴活動的空間分布不是很一致。陳宇等[10]研究了大連市地閃分布特征并在此基礎上研究了雷電危險度等級。綜上，雷電活動的發生具有較為明顯的規律，但各地時空分布特征均有差異，分析某個地區的雷電活動及雷電災害分布對當地防災減災工作具有指導意義。

上海市地處30°—32°N，是我國乃至國際重要的經濟、金融、貿易、航運和科技創新中心，也是我國雷電多發區。根據《中國氣象災害大典上海卷》[2]記載，20世紀90年代以前，上海市重大雷擊災害多由“直接雷擊”引發火災造成，而在20世紀90年代以后，“感應雷擊”上升為重要的雷擊災害。為了更好地監測上海市地閃分布情況，上海市氣象局目前已建立起全國第1套TS7 /8000 全雷電探測系統[11]。李京校等[12]通過對雷擊風險特征，分析了雷電監測預警對人身傷亡風險和經濟損失風險的影響。文中基于2009—2017年間上海市全雷電網監測的地閃回擊數據和接警平臺等多渠道收集到雷電災情數據，探究雷電災害致災因子（地閃回擊）和災情的時空分布特征，旨在為上海市防雷減災工作提供參考依據。

1 數據和方法

1.1 數據

涉及的數據主要包括雷電災害致災因子（地閃回擊）和災情兩類數據。其中，致災因子數據來自上海市氣象災害防御技術中心的維薩拉閃電定位系統，數據時間段為2009年1月—2017年12月。上海市維薩拉閃電定位系統建于2008年，由金壇、啟東、紹興、馬跡山四個探測站組成，采用3站定位，平均距離為178 km。采用的閃電定位法為MDF（磁定向法）和TOA（時間到達法）聯合的時差側向法。

所使用的雷電災情數據為上海市110指揮中心接警平臺報災、區縣上報等多途徑收集的2009年1月—2017年12月上海市雷電災害災情數據，其中大部分數據來自于110接警平臺，該數據來源于上海市居民因雷電導致受災后報警，數據均由上海市氣象災害防御技術中心提供。

1.2 方法

采取的主要方法是ArcGIS空間分析技術和數理統計方法。利用ArcGIS軟件對地閃數據和災情數據進行了區域分類，同時對地閃回擊數據的密度進行了計算。利用數理統計方法對雷電致災因子的年、月、日活動特征、天氣背景特征，雷電災害的時空分布特征以及承災體分布進行了統計分析。

2 上海市雷電致災因子時空分布

2.1 上海市雷電活動時間分布特征

圖1 上海市2009—2017年地閃回擊活動時間分布特征：（a）逐年，（b）逐月，（c）逐時Fig. 1 Temporal characteristics of lightning strokes during 2009-2017 in Shanghai

2009—2017年，上海市全雷電網監測系統共監測到地閃回擊數據約40萬條，分別從年、月、小時3個時間尺度對上海市雷電致災因子（地閃回擊）進行統計分析（圖1）。從圖1a來看，上海市地閃回擊活動年際差別明顯。從圖1b來看，上海市雷電活動大多發生在6—9月，其中以8月最密集，占全年總地閃的55.9%。其主要原因可能是夏季熱力條件和動力條件好，易導致強對流發生發展。從小時分布情況來看，上海市閃電活動主要活躍于12—17時，這和鄭淋淋等[13]對全國雷暴日的統計分析結論基本一致。其主要原因可能是午后升溫較快，易堆積不穩定能量。

2.2 上海市雷電活動空間分布特征

根據2009—2017年的40萬條地閃回擊數據的經緯度信息，在ArcGIS軟件中通過空間統計得到各區的地閃回擊數（表1），同時采用點密度分析方法，生成1 km×1 km的點密度（圖2），可以看出，上海市地閃回擊密度總體為西北高東南低，其中又以黃浦江和長江交匯處的中心城區、寶山區、浦東新區北部較為密集。特別是長江入海口地區，密度最高處平均每年約20 個/km2。這和楊露華等[14]在探究1994—2004年上海地區強對流特征時得出的結論基本一致，上海本地產生的強對流云團易發生在黃浦江沿岸及長江沿岸。

表1 上海市各區2009—2017年地閃回擊數Table 1 Number and density of lightning strokes in different districts during 2009-2017 in Shanghai

圖2上海市2009—2017地閃回擊密度圖Fig. 2 Density of lightning strokes during 2009-2017 in Shanghai

2.3 上海市雷電活動天氣分布類型

雷電活動通常不是單一的天氣過程，往往是有復雜的天氣背景場造成的，陳雷等[16]在對2004—2013年長三角地區雷暴天氣進行統計分析時，根據天氣特征將雷暴天氣分為“槽前型”“副高邊緣型”“槽后冷渦型”“副高熱對流型”和“東風波型”這5種類型。為了進一步探究上海市雷電活動的特征，在此基礎上對上海市雷電進行天氣特征分類。為了方便統計，將“副高邊緣型”和“副高熱對流型”統一為“副高影響型”，將“東風波”型和其他天氣背景場統一歸為“其他”型。通過對40萬條地閃數據發生日數的統計，發現過去9年中，維薩拉閃電定位系統共有551 d監測到地閃回擊。其中“槽前型”天氣系統影響194 d，“槽后冷渦型”天氣系統影響153 d，“副高影響型”天氣系統100 d，“其他型”天氣系統104 d（表2）。從統計結果看來，2009—2017年，“槽前型”天氣背景帶來的強對流天氣最為明顯。

表2 上海市強對流天氣系統對2009—2017年雷電致災因子的影響Table 2 The influence of strong convection types on lighting and associated disasters during 2009-2017 in Shanghai

3 上海市雷電災情時空特征

2009年1月—2017年12月，上海市氣象災害防御技術中心通過上海市110接警中心接報和各區上報等多種手段，累計收集到雷電災害594起。為了進一步研究雷電災害和地閃回擊的相關關系，利用皮爾森相關系數對兩者的年、月數據進行分析，發現地閃回擊和雷電災害年分布相關系數為0.717（p＜0.05）；月分布相關系數為0.953（p＜0.05）。從計算結果可知，上海市地閃回擊和地閃回擊數據有著較強的相關關系，且月分布相關關系更為明顯。

3.1 雷電災情時間分布特征

圖3給出了2009—2017年間上海市雷電災害的時間分布特征，同時與上海市地閃分布特征進行對比。

從圖3a可以看出，2013年以前上海市雷災個數波動較大，2013年以后上海市雷電災害個數總體趨于減少，這和近年來地閃活動趨于減少的趨勢具有一致性。從圖3b可看出，雷電災害的月分布走勢與地閃活動的月特征也具有高度的一致性。其中2—5月，上海市地閃活動次數較少，雷電災害數也極少。6—9月為雷電的高發季節，雷電災害也隨之明顯增多，在8月份達到峰值。11—1月地閃活動很少甚至無地閃活動，9年來未記錄收到有雷電災害發生。近年來雷電災害趨于減少，這和地閃的逐年減少有關，同時也和城市的發展、雷電防護能力的提高以及居民防災減災意識的提升有著很大的關系。

圖3 上海市2009—2017年雷電災害時間特征：（a）年際特征，（b）月際特征Fig. 3 Temporal variations in lighting and associated disasters during 2009-2017 in Shanghai

3.2 雷電災害空間分布特征

為了探究上海市雷電災害的空間分布特征，將上海市雷電災害分區統計，計算出各區的雷電災害密度值，并根據密度值進行分級顯示，結果如圖4所示。可以看出，上海市雷電災害高密度區集中在中心城區、寶山區和浦東新區。上海市雷電災情密度圖和上海市地閃回擊密度圖相似，總體呈現西北高，東南低的特征，這說明雷電災情的發生和致災因子（地閃回擊）有著高度的相關關系。

圖4 上海市2009—2017年雷電災害密度Fig. 4 Density of lighting associated disasters during 2009-2017 in Shanghai

根據上海市的特征以及報災人對雷電災害詳細內容的描述，將收集到的594起雷電災情按照承災體類型分為為“人員傷亡”“電力設施故障”“建筑物損害”“信號燈受損”“車輛受損”和“其他”這6個類型，并分別統計其頻次（表3）。

表3 上海市2009—2017年雷電災害分區統計Table 3 Summary of lighting associated disasters by district during 2009-2017 in Shanghai

從表3可看出，上海市“人員傷亡”最多出現在青浦區，而“信號燈”受損最多出現在中心城區，這是因為中心城區交通密集，“其他”類報警占比最高也是在中心城區，這說明中心城區經濟集中，易受雷電災害影響。除這3種承災體以外，其他承災體各區分布最高的均在浦東新區，這和浦東新區的區域面積大有關。

2009—2017年，上海市共發生雷擊致人員傷亡13起，涉及18人次。從區分布看，人員傷亡大多發生在郊區，這和郊區空曠地域多，雷電防護措施較薄弱有關。從承災體總體分布看來，所有的災害類型中，“電力設施故障”占比最高，為61.4%，這說明雷電過程對上海的“電力設施”影響最為嚴重，這和胡先鋒等[17]在對1998—2004年中國雷電災害進行分析時發現的規律是一致的。

4 結論與討論

1）2009—2017年上海市雷電活動年際差異明顯，近年來呈遞減趨勢。就年內分布而言，多發于6—9月，其中以8月最為密集；就日內分布而言，12時—17時是雷電的高發時段。就空間分布而言，閃電密度總體為西北高東南低，雷電天氣活動最易受“槽前型”天氣背景場的影響。

2）上海市雷電災害災情的時空分布與雷電活動具有高度的一致性：雷電災害數量從2009—2017年也呈現降低的趨勢，6—9月為集中期；就空間而言，中心城區、寶山區和浦東新區為重災區。從損失類型來看，上海市雷電活動對“電力設施”的影響最大。

在對上海市雷電活動研究過程中發現，上海市雷電災害的發生和雷電活動的時空特征有高度的一致性，對雷電災害的討論主要集中在對致災因子的強度分析，未能考慮承災體的脆弱性，如何從災害學的觀點出發，結合雷電活動致災因子（地閃）和承災體的脆弱性，綜合分析雷電災害風險，是后期要研究的重點內容。如何克服現有資料的局限性，定量分析雷電活動和雷電災害的因果關系，以及雷電災害的形成機理，是未來研究工作的一個重點。此外，如何開展雷電災害風險的定量評估，也是未來雷電災害研究的一項重要內容。