慶陽市閃電活動與雷電災害特征分析

徐 耕，白 鐸，焦美玲，張?zhí)旆澹螛渲?/p>

(1.慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000；2.武山縣氣象局，甘肅武山 741300 )

閃電是大自然中一種較為復雜的物理現象，指的是帶電荷的云層內部、云層與大地或云層與云層之間產生的一種距離較長的瞬時放電現象，主要表現為電壓高、電流大、電磁輻射強，具有三維性、瞬時性、突發(fā)性及破壞性等特點。隨著社會經濟與科學技術的飛速發(fā)展，雷電的發(fā)生頻率更是居高不下，造成的經濟損失相當多，嚴重時甚至還會造成人員傷亡。雷電災害屬于聯(lián)合國公布的十大最嚴重的災害之一，全球每年由雷擊災害造成的人員傷亡數量在1萬人以上，由此引發(fā)的通信中斷、電力線路故障、火災、爆炸等事故頻發(fā)。因此，如何做好雷電災害的防御工作成為相關工作人員及廣大民眾普遍關注的熱點問題。全國氣象部門也建立了閃電監(jiān)測網，它為研究閃電活動分布規(guī)律提供了基礎[1-4]。利用該閃電監(jiān)測系統(tǒng)提供的閃電數據，可以有效地分析閃電頻次的分布特征，掌握雷電的活動規(guī)律。目前，國內已經開展了較多的關于閃電活動特征的研究[5-10]，酈嘉誠利用2006—2010年江蘇省氣象部門閃電定位系統(tǒng)觀測資料，探討了江蘇各地閃電分布差異和閃電活動特征[11]，鄧德文利用2008—2014年ADTD雷電探測定位系統(tǒng)所觀測到的資料，分析了江西省雷電活動的時空分布特征[12]。本文重點探討慶陽市2014—2019年閃電活動及雷電災害特征，以期為掌握慶陽市雷電的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，進而為做好雷電災害的防御工作提供一定的借鑒與參考。

1 資料來源與區(qū)域概況

1.1 資料來源

所使用的研究數據來源于慶陽市2014—2019年8縣區(qū)閃電監(jiān)測數據與中國氣象局氣象災害管理系統(tǒng)的雷災統(tǒng)計資料。利用MATLAB軟件，采用數理統(tǒng)計法針對該地區(qū)閃電監(jiān)測資料及雷電災害特征進行分析。

1.2 研究區(qū)概況

慶陽市位于甘肅最東部(106°20′E～108°45′E，35°15′N～37°10′N)，其東部靠近子午嶺，西部連接六盤山，北部臨近羊圈山，全市總面積為27 119 km2，境內包括高原、河谷、平川、丘陵等多種地貌類型，地勢整體呈現出由北向南逐漸傾斜的變化趨勢。慶陽市位于大陸性氣候區(qū)，表現出氣候溫和、光照充沛、降水較少等特點。受到氣候、地形等多種因素的影響，慶陽市災害性天氣現象發(fā)生頻率較高，其中雷電作為慶陽市最為常見的氣象災害之一，造成的影響及危害相當嚴峻。據統(tǒng)計，2014—2019年慶陽市年平均出現22次雷電過程，年均直接經濟損失達23 607.66萬元。

2 閃電活動特征分析

2.1 時間分布

2.1.1 年變化 統(tǒng)計2014—2019年慶陽市正負閃電頻次(見表1)情況，總地閃頻次以2018年最高，2019年最少，分別為5 717次、2 616次。慶陽市年平均出現閃電3 746次，年均出現正地閃603次，負地閃3 143次。閃電活動負地閃為主，占年均82.5%左右，年均負地閃出現頻次約為正地閃的5倍，這與雷暴云中電荷結構呈上正下負分布有關，負電荷接近地面更易于對地進行放電。

表1 2014—2019年慶陽市閃電頻次及所占比例

2.1.2 月變化 慶陽市2014—2019年，除12—2月無閃電活動外，其余各月均有閃電活動。以負地閃為主，正地閃為輔(圖1)。閃電活動主要集中在6—8月，7月最為頻繁。6—8月各月的總閃頻次分別占年總閃電頻次的15%、46%及26%。所以，6—8月是慶陽市防御雷電災害的關鍵時期。

圖1 2014—2019年慶陽市閃電頻次月變化

2.1.3 日變化 慶陽市閃電的日變化(圖2)顯示，每個時刻均有閃電發(fā)生，負地閃頻次與總閃電頻次的日變化趨勢基本一致，為單峰單谷型。閃電活動頻次較低的時段為08—11時，10時達到最小值；11時開始呈現上升趨勢，16時達到一天的最大值。相對比而言，正地閃頻次的日變化趨勢較為平緩，頻次最高的時刻為15時。整體而言，午后與傍晚時間段閃電出現頻次較高，而夜晚及上午發(fā)生閃電活動概率較低。主要因為午后至傍晚受到太陽輻射的加熱作用，這一時間段內大氣溫度與地表溫度都比較高，致使靠近地面的大氣獲取較多的能量而輻合抬升，進而易形成對流云，引發(fā)閃電活動。

圖2 2014—2019年慶陽市閃電頻次日變化

由圖3可見，慶陽市各時次正地閃強度的平均值位于53～100 kA之間，00時正地閃強度最小，在04時強度達到最大,而負地閃強度的平均值位于33～54 kA之間，10時的負地閃強度達到最大，最小值出現在19時。整體而言，慶陽市各時刻正地閃的強度高于負地閃強度，但兩者呈反相變化 。

圖3 2014—2019年慶陽市正負地閃強度日變化

2.2 空間分布

2.2.1 閃電頻次 分析慶陽市閃電頻次的空間分布特征(圖4，見第43頁)可以發(fā)現，全市閃電活動較頻繁。總的來說，南部地區(qū)的閃電頻次明顯多于北部地區(qū)，東部地區(qū)出現閃電的頻次多于西部地區(qū)。對于正地閃而言，高頻區(qū)位于慶陽市中南部與南部，北部及西北部較少；而對于負地閃，高頻區(qū)位于慶陽市的東部，其余地區(qū)相對較少。慶陽市閃電頻次空間分布特征與地理位置、海拔高度及氣候特征有很大的關系，慶陽市位于甘肅省最東部，東南部地區(qū)植被覆蓋面大，海拔高度從西北至東南呈遞減趨勢。氣候類型為大陸性氣候，夏季強對流天氣較多，尤其林區(qū)強對流天氣更易形成，雷電活動頻發(fā)。因此慶陽市東南部地區(qū)閃電頻次高于西北地區(qū)。

2.2.2 閃電強度 圖5(見第43頁)為慶陽市閃電強度的的區(qū)域分布特征。從正地閃強度區(qū)域分布可以看出，慶陽市西北部和東南角閃電強度較大，最大值出現在東南部與西北部邊緣地區(qū)，平均閃電強度達到了70 kA以上。對負地閃而言，中部偏北地區(qū)負地閃強度較大，負地閃的平均強度達到了40 kA以上，東部及西北部負地閃強度較小。總體表現為：慶陽市中部和西北部閃電強度較大，最大閃電強度為東南角，慶陽市邊界地區(qū)閃電強度相對較小。

3 雷電災害特征分析

3.1 時間變化特征

慶陽市雷電災害主要出現在每年的6—10月(圖6，見第43頁)，其中以6月雷電災害頻次最多，共計65次；7月次之，共出現33次。慶陽市雷電災害發(fā)生時間與閃電活動多發(fā)時間基本一致。統(tǒng)計近6年慶陽市雷電災害情況(表2)，平均每年發(fā)生22次雷電災害事故，受災人數達176 035人，造成的經濟損失主要為農業(yè)損失。2016年出現雷電災害頻次最多，2018年最少，分別為47次和5次。經濟損失最為慘重的年份為2016年，2015年受災人數最多，達377 273人。由此可見，雷電災害表現出兩個特點，一是雷電災害發(fā)生頻率較高，二是雷電災害造成的經濟損失尤其是農業(yè)損失是巨大的。

表2 2014—2019年慶陽市雷電災害統(tǒng)計

3.2 空間分布特征

根據文獻[13]中的方法對慶陽市雷電災害風險等級進行劃分，將雷電災害風險分為高、較高、中、低等4個等級，得到慶陽市雷電災害風險等級空間分布(圖7，見第43頁)。由圖7可以看出，慶陽市大部分地區(qū)出現雷電災害的風險等級較低，東部雷電災害的等級高于西部地區(qū)，南部高于北部。與慶陽市閃電空間分布特征(圖4、圖5)對比，發(fā)現慶陽市雷電災害風險等級與慶陽市閃電頻次、強度存在相關性。慶陽市閃電活動主要以負地閃為主，正地閃為輔。在雷電災害風險等級高的地區(qū)閃電活動頻次及強度遠高于等級低的地區(qū)，正地閃強度高于負地閃。雷電災害等級低的地區(qū)正、負地閃強度差異較小。可以得出慶陽市雷電災害多數由負地閃引發(fā)，但較重的雷電災害事故為正地閃造成。

圖4 2014—2019年慶陽市閃電頻次區(qū)域分布(單位：次/(km2·a))(文見第42頁)

圖5 2014—2019年慶陽市閃電強度區(qū)域分布(文見第42頁)

圖6 2014—2019年慶陽市雷電災害頻次與閃電頻次月對比(文見第42頁)

圖7 2014—2019年慶陽市雷電災害風險等級空間分布(文見第42頁)

4 結論

(1)慶陽市年平均出現閃電3 746次，年均正地閃603次，年均負地閃3 143次，東南部地區(qū)出現閃電的頻次高于西北部。閃電活動主要集中在每年的4—8月，其中7月閃電頻次最多，其余月份較少。西北部、北部和東南部正地閃強度較大，峰值出現在東南部，中部地區(qū)正地閃強度較小。中部及中偏西北部地區(qū)負地閃強度較大，東南及西北部負地閃強度較小。

(2)慶陽市閃電活動主要集中在午后及傍晚，負地閃頻次與總閃電頻次的日變化趨勢保持一致，均呈現出單峰單谷的變化，其峰值出現在16時，10時最少。正地閃頻次的日變化相對平緩，最高在15時。各個時刻正地閃的強度都高于負地閃強度，但兩者的呈反相變化。

(3)慶陽市雷電災害出現在每年的6—10月，其中以6月出現雷電災害頻次最多，7月次之。東部雷電災害的風險等級高于西部地區(qū)，南部高于北部。雷電災害多數由負地閃引發(fā)，但雷電災害事故情節(jié)較為嚴重的由正地閃造成。