湖南省雷電活動及雷災(zāi)特征分析

（湖南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，長沙 410007）

0 引言

雷電是大氣中強(qiáng)烈的超長距離放電過程，通常伴隨著強(qiáng)對流天氣過程而發(fā)生，是一種常見的自然現(xiàn)象。雷電因其強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、強(qiáng)烈的電磁輻射以及猛烈的沖擊波等物理效應(yīng)能夠在瞬間產(chǎn)生巨大的破壞作用[1-3]，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。湖南位于長江中游之間、南嶺以北，地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山地向江漢平原的過渡地帶，春季冷暖空氣交綏頻繁而劇烈，夏季晴熱高溫，多午后局地?zé)釋α鳎@些氣候特點(diǎn)加之復(fù)雜的地形地貌使其雷暴活動較多，是全國多雷暴的省份之一，造成的雷電災(zāi)害事故列全國第八位[4]。

近年來，國內(nèi)對雷電活動和雷電災(zāi)害特征的研究越來越多。黃肖寒、王學(xué)良、朱浩[5-7]等眾多學(xué)者分析了廣西、湖北、安徽等地雷暴氣候的統(tǒng)計特征，總結(jié)了雷電活動的年際變化、季節(jié)變化及空間分布等特征；陳濤等[8]學(xué)者利用湖南省地面觀測得到的雷暴資料（1971—2005年）及ADTD閃電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)（2006年4月—2007年7月），研究了全省雷暴及閃電活動特征，然而其歷史資料時序性較短。為此，本文基于全省97個地面氣象觀測站1956—2013年雷暴日觀測資料、2008—2017年ADTD閃電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)及2002—2017年雷電災(zāi)害資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法分析了湖南省雷電時空分布及雷電災(zāi)害特征，同時對造成全省農(nóng)村雷電災(zāi)害的成因進(jìn)行了總結(jié)分析，旨在能為以后的農(nóng)村防雷提供參考。

1 數(shù)據(jù)和處理

雷暴日資料來源于湖南省97個地面氣象觀測站的1956—2013年（共58 a）雷暴觀測數(shù)據(jù)。在研究中，即在一天內(nèi)（20時至次日20時），只要聽到1次或1次以上的雷聲就算是1個雷暴日，而不論該天雷暴發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)時間[9]。湖南省年均雷暴日數(shù)為全省97個臺站歷年平均雷暴日數(shù)的均值。

雷電災(zāi)害資料記錄了每次雷災(zāi)發(fā)生的時段、地點(diǎn)、雷災(zāi)起數(shù)、人員傷亡及財產(chǎn)損失情況，以及引起雷災(zāi)的主要原因等。由于資料本身不全，如在某年部分區(qū)域缺失雷災(zāi)記錄，同時某些農(nóng)村地區(qū)存在封建迷信的思想和交通信息閉塞，還有部分雷災(zāi)未上報，因此本研究得到的是雷災(zāi)特征的不完全統(tǒng)計結(jié)果。

閃電監(jiān)測資料源于湖南省ADTD型閃電監(jiān)測網(wǎng)，該監(jiān)測網(wǎng)由安裝在長沙、常德、邵陽、永州及郴州等地的10臺閃電定位儀組成，于2008年投入使用，監(jiān)測覆蓋全省，能夠全天候、連續(xù)記錄雷電發(fā)生的時間、位置、強(qiáng)度、極性等參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]結(jié)論：云閃中具有小峰值電流（＜10 kA）可滿足云地閃探測標(biāo)準(zhǔn)而被閃電定位儀接受，故導(dǎo)致閃電定位儀探測記錄的閃電數(shù)量增多，因此要把電流強(qiáng)度小于10 kA的正地閃回?fù)羧サ簟?/p>

2 湖南省雷電活動特征

2.1 雷暴日特征

據(jù)湖南省1956—2013年雷暴日觀測資料，年均雷暴日數(shù)為49.9 d，運(yùn)用最小二乘法計算年雷暴日數(shù)的趨勢定量變化，得出其一次線性方程為y=-3.493x-0.621，其中氣候傾向率為-3.493 d /10a，表明從1956年開始，湖南省年均雷暴日數(shù)在總體上呈現(xiàn)出緩慢的遞減趨勢，每10年減少約3.493 d。

雷暴出現(xiàn)最多的年份是1973年，為71.3 d，出現(xiàn)最少的年份是2011年，30.3 d。1989年之后，除1994年、1997—1998年雷暴日略高于年均雷暴日數(shù)以外，其他年份雷暴日數(shù)均低于年均雷暴日數(shù)（圖1）。

圖1 湖南省1956—2013年雷暴日變化趨勢Fig. 1 The inter-annual variation of thunderstorm days in Hunan from 1956 to 2013

湖南省雷暴日空間分布總體上湘南多于湘北、湘西多于湘東（圖2），湘北最低年均雷暴日為34.3 d，湘南最高達(dá)71.5 d。這種分布特征與地形關(guān)系密切，最強(qiáng)的雷暴活動帶在南嶺北部一線，次強(qiáng)雷暴活動帶與雪峰山脈平行，基本與山脈走向一致。根據(jù)湖南省行政區(qū)域分析，郴州、永州、邵陽及懷化等地雷暴日數(shù)較高，多于全省年均雷暴日數(shù)，常德、益陽、岳陽、湘潭、湘西土家族苗族自治州等地雷暴日數(shù)較低，少于全省年均雷暴日數(shù)。

圖2 湖南省雷暴日空間分布Fig. 2 Spatial distribution of the number of thunderstorm days in Hunan

2.2 閃電活動特征

根據(jù)湖南省2008—2017年的ADTD閃電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)，近10a觀測到的地閃回?fù)纛l次年際變化明顯，全省平均每年觀測到的地閃回?fù)纛l次約34萬次，其中2014年最多，達(dá)59萬次，2009年最少，僅19萬次（圖3），前者比后者的3倍還多。

圖3 湖南省2008—2017年地閃回?fù)纛l次逐年分布Fig. 3 Yearly distribution of CG lightning return strokes in Hunan from 2008 to 2017

每年3月至9月為湖南省汛期，雷電活動較頻繁[11]。據(jù)閃電監(jiān)測資料分析，一年中每個月均有雷電活動發(fā)生，1月、11月和12月發(fā)生最少，2月、10月次之，從3月開始雷電活動逐步加強(qiáng)，4—9月為雷電多發(fā)時段，其中7月、8月是雷電活動高峰期（圖4）。

圖4 湖南省2008—2017年地閃回?fù)纛l次逐月分布Fig. 4 Monthly distribution of CG lightning return strokes in Hunan from 2008 to 2017

氣候定義每年3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季[12]。對不同季節(jié)的閃電進(jìn)行逐時分布統(tǒng)計，結(jié)果表明，春季雷電活動兩個高峰值出現(xiàn)在02時、17時；夏季多集中在15—17時；進(jìn)入秋季后，雷電活動相對于春、夏兩季急劇減少，但9月份仍有雷電活動，高峰期集中在15—17時（圖5）。

圖5 湖南省2008—2017年地閃回?fù)纛l次逐時分布Fig. 5 Hourly distribution of CG lightning return strokes in Hunan from 2008 to 2017

根據(jù)觀測到的地閃回?fù)裘芏确植迹▓D6）可見，湘北多于湘南、湘西多于湘東，常德、婁底、岳陽、邵陽及湘西土家族苗族自治州等地的地閃回?fù)裘芏容^為密集。

對比分析發(fā)現(xiàn)，全省地閃回?fù)裘芏鹊目臻g分布與雷暴活動的空間分布存在較大的差異，造成這一差異的主要原因是兩者的定義有所差別，因為根據(jù)地面觀測規(guī)定，一天內(nèi)（20時至次日20時）只要聽到1次或1次以上的雷聲就算是1個雷暴日，而1個雷暴日中可能有數(shù)次、數(shù)百次甚至數(shù)萬次閃電。

圖6 湖南省地閃回?fù)纛l次空間分布Fig. 6 Spatial distribution of CG lightning return strokes in Hunan

為了證實(shí)上述推測，本文基于ADTD閃電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)，定義一天內(nèi)（20時至次日20時）只要觀測到1次閃電，就為1個閃電日，進(jìn)而得出閃電日的空間分布（圖7）。通過對比發(fā)現(xiàn)，湖南省雷暴日活動高值區(qū)與閃電日高值區(qū)都集中在永州、郴州及懷化等地，兩者的空間分布規(guī)律總體上比較一致。

圖7 湖南省閃電日空間分布Fig. 7 Spatial distribution of lightning days in Hunan

3 湖南雷電災(zāi)害情況

3.1 湖南雷電災(zāi)害基本情況

據(jù)不完全統(tǒng)計，2002-2017年全省共計發(fā)生雷電災(zāi)害事故2050起，造成人員傷亡共555人（其中城市因雷擊傷亡167人，農(nóng)村因雷擊傷亡388人），直接經(jīng)濟(jì)損失合計達(dá)22457.2萬元。其中2004年發(fā)生雷災(zāi)事故最多，達(dá)288起，共造成65人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失3568.1萬元（圖8）。從全省雷電災(zāi)害變化走勢看，2009年以來，全省因雷電災(zāi)害造成人員傷亡、財產(chǎn)損失明顯減少。

圖8 湖南省2002-2017年雷災(zāi)統(tǒng)計Fig. 8 Cases of lightning disasters in Hunan from 2002 to 2017

湖南省雷電災(zāi)害事故起數(shù)存在著明顯的空間分布不均（圖9），岳陽、長沙、懷化及邵陽等地發(fā)生的雷電災(zāi)害事故偏多，分別為23.7 起/a、15 起/a、11.5 起/a及11.3 起/a；湘潭和湘西土家族苗族自治州發(fā)生的雷電災(zāi)害事故相對較少。這與全省地閃回?fù)裘芏鹊姆植记闆r基本一致。根據(jù)雷災(zāi)事故的發(fā)生地類型統(tǒng)計，雷災(zāi)多發(fā)生在城市，雷災(zāi)起數(shù)及經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)超過農(nóng)村。

圖9 湖南省城市和農(nóng)村雷災(zāi)起數(shù)分布Fig. 9 Distribution of number of lightning disasters in Hunan

但是，通過對全省2002—2017年城市和農(nóng)村雷擊傷亡總?cè)藬?shù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)（圖10），農(nóng)村因雷擊傷亡人數(shù)為388人，占全省雷擊傷亡總?cè)藬?shù)的70%；城市因雷擊傷亡人數(shù)為167人，占全省雷擊傷亡總?cè)藬?shù)的30%。由此可見，農(nóng)村是雷災(zāi)事故中人身傷亡的重災(zāi)區(qū)，也是當(dāng)前防雷減災(zāi)的薄弱環(huán)節(jié)[13]。

圖10 湖南省城市和農(nóng)村雷擊傷亡人數(shù)對比Fig. 10 Comparison of the number of lightning casualties in rural and urban in Hunan

3.2 湖南農(nóng)村雷災(zāi)成因分析

通過對全省農(nóng)村雷電災(zāi)害多發(fā)區(qū)域的走訪、調(diào)查，結(jié)合歷史農(nóng)村發(fā)生的雷災(zāi)事故，分析湖南農(nóng)村雷電事故發(fā)生的原因，主要有以下幾個致災(zāi)因素。

3.2.1 湖南農(nóng)村建筑選址、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與雷災(zāi)的關(guān)系

湖南農(nóng)村建筑的選址上，摸索出了一個適合人們居住的“風(fēng)水寶地”的環(huán)境模式，即以背山面水（或依山傍水），左右兩邊圍護(hù)為理想格局的模式[14]。這種山水相伴的自然環(huán)境里，水汽能源源不斷的從周遭環(huán)境中得到補(bǔ)充，大氣中水汽較周邊環(huán)境更為充足，氣候、氣溫、氣壓又隨著山勢變化顯著，局部大氣對流的強(qiáng)度比較大，對雷雨云的形成提供了足夠多的條件。在湖區(qū)，由于水面的寬闊、平坦，水的良導(dǎo)電性，加大了農(nóng)村民居的雷擊發(fā)生概率；在山區(qū)，獨(dú)有的立體小氣候特征，特別是山地的抬升作用，很容易就導(dǎo)致了局部對流云系的發(fā)展，加大了雷擊發(fā)生的概率。因此，湖南農(nóng)村民居的選址為農(nóng)村地區(qū)雷擊多發(fā)埋下了種子。

其次，湖南農(nóng)村建筑多為木質(zhì)、磚混、鋼混結(jié)構(gòu)，多數(shù)有屋脊，屋脊部位高聳突出屬于易遭受雷擊部位，在農(nóng)村雷災(zāi)中較為普遍。

3.2.2 農(nóng)村生活習(xí)慣與雷災(zāi)的關(guān)系

湖南農(nóng)村傳統(tǒng)的“日出而作，日落而息”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活方式一直還在延續(xù)，人們大多數(shù)時間在田頭地間、湖泊水邊勞作。據(jù)文中圖5分析，湖南春、夏季節(jié)雷電活動多集中在15—17時，該時段正是農(nóng)民在戶外或田間進(jìn)行勞作的時候，當(dāng)雷雨天氣發(fā)生時，農(nóng)民來不及躲避，或在附近的樹下、野外簡易的工棚及草屋等地躲雨，極易遭受雷擊造成傷亡。

3.2.3 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展與雷災(zāi)的關(guān)系

目前，湖南農(nóng)村開始由“傳統(tǒng)”走向“現(xiàn)代”，農(nóng)村也開始追求“文明、健康、休閑、科學(xué)”的和諧新生活模式，電腦、電視、太陽能熱水器等家用電器進(jìn)入了尋常百姓家，但由于農(nóng)村防雷基礎(chǔ)設(shè)施投入不足，電力線、有線電視線、電話線及網(wǎng)絡(luò)線等都是由較為空曠的農(nóng)田里電桿架空支撐引入，一旦雷電擊中這些架空線纜或是擊中附近區(qū)域，雷電流以及感應(yīng)過電流就會通過線纜引入到室內(nèi)，嚴(yán)重威脅著室內(nèi)電器設(shè)備和人員的安全。

4 小結(jié)

1）湖南年均雷暴日數(shù)為49.9 d，總體上呈現(xiàn)出緩慢的遞減趨勢，每10年減少約3.493 d。

2）湖南近10年觀測到的地閃回?fù)纛l次年際變化明顯，全省每年觀測到的回?fù)纛l次平均約34萬次，其中2014年最多，達(dá)59萬次。

3）每年3月開始雷電活動逐步加強(qiáng)，4月至9月為雷電多發(fā)時段，其中7月、8月是雷電活動高峰期。逐時分布呈現(xiàn)單峰型分布，多發(fā)生在下午時段，具體主要集中在15—17時。

4）通過對比發(fā)現(xiàn)，湖南雷暴活動與地閃回?fù)裘芏鹊目臻g分布存在較大差異，雷暴日空間分布總體上呈現(xiàn)湘南多于湘北、湘西多于湘東；地閃回?fù)裘芏确植伎傮w上呈現(xiàn)湘北多于湘南、湘西多于湘東，常德、婁底、岳陽、邵陽及湘西土家族苗族自治州等地的地閃回?fù)裘芏容^為密集。雷暴日活動和雷電日分布規(guī)律總體上比較一致，高值區(qū)都集中在郴州、永州、邵陽及懷化等地。

5）岳陽、長沙、懷化、邵陽等地發(fā)生的雷電災(zāi)害事故偏多，湘潭和湘西土家族苗族自治州發(fā)生的雷電災(zāi)害事故相對較少。

6）全省因雷擊造成的人員傷亡，大部分發(fā)生在農(nóng)村。其主要原因是，農(nóng)田附近缺乏必要的避險場所，以及農(nóng)村的各類建（構(gòu)）筑物缺少雷電防護(hù)措施 。