浙江省地閃特征及致災危險性分析

顧媛 張衛斌 崔雪東

(浙江省氣象安全技術中心，杭州 310008)

引言

作為最嚴重的10種自然災害之一，雷電災害的發生頻次、損失程度與地閃活動成正相關[1-2]，對地閃特征規律的研究是一項基礎性的、有意義的工作。我國不同地區的地閃活動既有共性規律，如夏季高發、日變化明顯等特征，又有個性差異，如各地的正地閃比例、密度分布及雷電流幅值等不盡相同[3-5]。浙江地處東南沿海，地閃活動頻繁，劉巖等[6]分析了2007年浙江地區梅雨期的閃電分布特征，指出地閃頻數與降雨量的日變化之間存在一致性。潘婭英等[7]分析了2007—2009年浙江省地閃頻數的時空分布和密度特征，童杭偉等[8]和趙偉等[9]利用電力部門的地閃資料分別對浙江省2004—2007年和2005—2011年地閃活動特征進行分析，但主要集中于地閃頻數、密度和雷暴日的研究。對浙江地區的地閃特征研究雖然已取得一些成果，但基于氣象部門連續的、長期的地閃監測資料分析較少，對地閃強度的時空特征和地域分布研究較為缺乏。

在地閃特征研究的基礎上，許多學者從致災因子入手，進行雷電災害風險分析。早期由于觀測手段有限，多將人工觀測雷暴日作為致災因子進行雷電災害危險性計算[10]。近年來，隨著閃電定位技術的發展，更多采用區域地閃頻數或密度作為致災因子[11-13]。趙偉等[14]和李浩等[15]均利用地閃密度分析浙江省雷電災害危險性，但地閃密度并不是雷電致災的唯一判據[9]，包括雷電電磁輻射引起的雷電災害均與雷電流幅值密切相關[16-18]，地閃強度對致災危險性的影響不容忽視。

本文利用浙江省2007—2018年閃電定位資料，在分析全省地閃時空分布特征的基礎上，將地閃密度和強度作為致災要素，進一步探究其地域性差異，并對全省致災危險性作出評估，以期較為全面、準確地反映浙江省地閃活動規律及致災特征，為區域雷擊風險評估、雷電災害防御、強對流天氣短時預報等業務工作提供參考依據，提高氣象防災減災工作效率。

1 資料與方法

本文閃電定位資料來源于浙江省ADTD型閃電定位系統2007—2018年的探測數據，該閃電定位系統由長興、平湖、淳安、諸暨、定海、江山、永康、寧海、洪家、龍泉和平陽共11個探測子站組成(圖1)，數據包含地閃的發生時間、二維空間信息、定位方式、雷電流幅值和陡度等信息。該系統的探測效率為80%～90%，平均探測范圍為300 km，側向誤差為0.5°[19]。與電力部門閃電定位系統[20]、雷擊跳閘數據對比分析[21]，以及與雷達回波對比分析[22]均表明該系統探測精度較好。為進一步保證數據可靠性，本文研究時剔除定位方式為二站振幅的數據以及地閃強度小于5 kA或大于500 kA的異常閃電記錄[8,23-24]。本文雷電災害資料來源于《全國雷電災害匯編》，資料年限為2013—2018年。

圖1 浙江省ADTD閃電定位站點分布

本文空間分析中均采用網格法進行計算，即分辨率0.01°×0.01°的固定網格，按照地閃數據的二維空間信息將其賦予網格化屬性，并對每個網格內地閃頻次、雷電流幅值等信息進行統計分析。本文對小時地閃的定義為整點時刻后1 h內發生的地閃；落雷日數表示某區域一定時間內發生地閃的天數，落雷面積表示一定時間內發生地閃的網格面積總和。

2 結果與分析

2.1 地閃年際變化

2007—2018年浙江省共監測到地閃3837493次，其中正地閃155862次，負地閃3681631次，正地閃占比4.06%。正地閃平均強度為44.99 kA，負地閃平均強度為34.26 kA。表1給出了地閃參數年際變化，2010年地閃次數最多，達492931次，2008年最少，僅180356次。2008—2015年地閃頻次呈現單峰波動，2016—2018年地閃頻次出現攀升趨勢。正地閃年平均強度均大于負地閃，且波動幅度更大：正地閃強度2008年最高(62.45 kA)，2018年最低(36.67 kA)；負地閃平均強度在30～40 kA之間波動。落雷日數與地閃頻次的年際變化無明顯相關性，相關系數僅為0.12，年落雷日數和正地閃比例均呈增長趨勢。

表1 2007—2018年浙江省地閃年際變化特征

2.2 地閃季節性變化

地閃具有明顯的季節性變化[7-8]，選取春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—10月)日地閃頻次不小于50次的數據(共1205天)，以日為單位統計地閃活動特征，包括日地閃的頻次、落雷面積、小時數、正地閃比例、網格密度極大值、平均強度及峰值時段等。浙江冬季地閃極少發生(僅占全年地閃頻次的0.82%)，故不作討論。

春季日地閃頻次大于10000次的占比3.10%，90%的日落雷面積小于3000 km2；夏季日地閃頻次大于10000次的占比11.44%，極大值為45761次，日落雷面積的極大值為20281 km2，約占全省面積的19%；秋季日地閃頻次和落雷面積的均值與夏季基本持平，但異常高值已明顯減少(圖2a)。日地閃小時數在夏季分布最為集中，春秋分布零散。正地閃比例春季最高，夏季最低，兩季的均值分別為28.27%和4.68%(圖2b)。密度極大值與頻數的季節特征相似，平均地閃強度春季較高(圖2c)。從日地閃峰值時段的季節性變化來看，在春季，日地閃峰值時段介于15:00—23:00之間的天數占春季地閃日數的57.75%，另有29.07%的日地閃峰值時段介于00:00—05:00時之間；夏季有85.64%的日地閃峰值時段介于12:00—20：00之間，秋季有77.50%的日地閃峰值時段介于14:00—21:00之間(圖2d)。

圖2 2007—2018年浙江省日地閃特征季節性變化: (a)日地閃頻次、日落雷面積,(b)日地閃小時數、日正地閃比例, (c)日地閃密度極大值、日地閃平均強度,(d)日地閃峰值時段

從空間分布來看，各季節的地閃密度呈片狀分布，與地形關系密切。春季浙西南地閃密度相對較高，多發于千里崗和仙霞嶺山脈地區(圖3a)。夏季地閃密度顯著升高，高值區范圍擴大，全省平均密度為2.54次/(km2·a)，其中寧波、臺州部分地區地閃密度大于5次/(km2·a)(圖3b)。秋季地閃密度高值區進一步東移，主要分布于浙東沿海丘陵地帶(圖3c)。總體而言，地閃密度相對高值區隨季節演變而自西向東移動。

圖3 2007—2018年浙江省地閃密度季節變化: (a)春季,(b)夏季,(c)秋季

2.3 地閃年、日變化

以往的特征研究中通常對地閃月際變化和日變化分別統計，本文對地閃頻次和強度的年、日分布特征進行關聯分析。正地閃頻次的年、日分布呈現兩個中心區，主要中心區為6—9月的12:00—20:00，占總頻次的51.27%；次要中心區為2—5月的00:00—04:00(圖4a)。負地閃頻次分布則十分集中，76.82%發生于6—9月的12:00—20:00(圖4b)。從地閃強度來看，1月正、負地閃強度均顯著偏高；正地閃強度在6—9月普遍較低，其余月份的日變化波動頻繁(圖4c)；負地閃強度的日分布在2—11月均表現為中午(12:00)前高于中午后，其中3—7月負地閃強度水平又整體高于8—11月(圖4d)。

圖4 2007—2018年浙江省地閃年、日分布特征: (a)正地閃頻次，(b)負地閃頻次，(c)正地閃強度，(d)負地閃強度

2.4 致災因子特征分析

如前文所述，浙江省地閃活動的地域分布差異顯著，本文選取地閃密度和強度作為雷電災害致災因子的要素。地閃密度是最直觀的致災影響因子，它能夠準確表征地面落雷的頻繁程度，是衡量地閃對人類活動危害的重要參數。浙江省年平均地閃密度總體呈現中部多南北少的分布特征(圖5)，地閃的高密度區(>4次/( km2·a))呈多片狀分布，主要位于寧波—臺州—溫州一線地形過渡帶、浙西山區以及浙江中部地區，舟山、浙北及浙南地區的地閃密度普遍較低。

圖5 2007—2018年浙江省平均地閃密度分布

雷電流幅值是建筑物及電子電氣系統防雷設計的重要依據，雷電流幅值越大，雷電的能量越高，對生命財產構成的威脅也越大。浙江省地閃雷電流幅值分布具有地域性差異(圖6)，舟山、嘉興和湖州的幅值分布重心位于20～45 kA，均值分別為44.49 kA、42.83 kA和38.90 kA，位列全省前3；杭州地閃雷電流幅值集中分布于15～40 kA，其余地區集中分布于15～35 kA，其中臺州的幅值均值全省最低(32.69 kA)。由此可見，地閃密度大的地區，雷電流幅值并不一定高；部分地區地閃密度較小，但雷電流的能量反而較高。

圖6 2007—2018年浙江省地閃雷電流幅值分布

2.5 致災危險性評估

雷電災害的致災危險性主要受到地閃密度的影響，同時，地閃強度越大，發生雷電災害的可能性和損失程度也隨之增加[18]。地閃密度和強度二者關聯影響致災危險性，因此，本文綜合考慮了不同強度區間的地閃頻數對致災危險性的影響。依據前文分析得到的浙江省地閃雷電流幅值概率分布，采用對稱不等間隔分割法[11]將地閃強度分為4級，依據地閃強度越大，致災危險性越大的原則，確定各幅值等級的強度系數(表2)。

表2 地閃強度等級劃分

按照式(1)計算全省0.01°×0.01°每個格點致災危險性指數，將浙江省雷電災害致災危險性劃分為低、中、高、極高4個等級，從低至極高各等級所占百分比分別為20%、30%、30%和20%。

(1)

式中，Fi為第i格點的致災危險性指數，fj為強度系數，dij為第i格點雷電流幅值為j等級的地閃密度。

從致災危險性等級的空間分布來看(圖7)，危險性極高的區域在浙東沿海一帶呈片狀分布，主要位于寧波中部和臺州中南部，另在杭州-紹興交界呈片狀分布，在溫州西北部、浙中和浙西地區呈絮狀分布，杭州中西部、麗水南部及舟山等地的致災危險性較低。

圖7 浙江省雷電災害致災危險性等級空間分布

致災危險性等級的空間分布特征與地閃密度分布特征相似，反映了評估模型的合理性，但危險性高值區較地閃密度高值區范圍有所擴大。為進一步檢驗致災危險性評估模型，本文統計了2013—2018年浙江省各市雷電災害及其損失情況(表3)，災情的地區差異較大。寧波、金華和衢州的地閃致災危險性均較高，歷史雷電災情也較為嚴重。其中，寧波市共發生雷電災害196起，直接經濟損失860.06萬元，共計20人因災受傷或死亡，是人員傷亡最嚴重的地區，該市地閃致災危險性極高等級和高等級的面積占比分別為39.54%和38.21%；金華和衢州的歷史雷電災害分別為163起和143起，位列全省第3、第4，金華地閃致災危險性極高等級和高等級的面積占比分別為28.77%和42.65%，衢州地閃致災危險性極高等級和高等級的面積占比分別為18.22%和38.79%。臺州市地閃致災危險性極高等級和高等級的面積占比分別為31.93%和30.20%，該市共計11人因雷電災害受傷或死亡，人員傷亡的嚴重程度僅次于寧波。杭州市歷史雷電災害共計519起，直接經濟損失3186.11萬元，遠高于其他地區，一方面是由于杭州東北部和西南部地閃致災危險性高，另一方面與其地域面積廣、人口密度大、經濟相對發達以及雷災收集手段完善有關。嘉興、湖州和舟山的雷電災害和人員傷亡均較少，與這些地區地閃致災危險性相對較低的情況相吻合。從統計結果來看，雷電災害危險性與歷史雷災個數、人員傷亡總數具有較為一致的空間分布特征，直接經濟損失由于受到受災行業和受損類別的影響而具有差異化分布。

表3 2013—2018年各市雷電災害及損失

3 結論與討論

本文利用浙江省2007—2018年ADTD閃電監測資料，進行該區域地閃特征的時空分析，并選取地閃密度和強度兩個致災要素，進行致災因子分析及危險性評估，結論如下：

(1)地閃頻次的年際波動明顯，落雷日數和正地閃比例的年際變化均呈增長趨勢；春季正地閃比例高，地閃多發于傍晚和夜間，夏季日地閃落雷面積廣、密度極值高，午后雷暴占主導地位。全年正、負地閃集中發生于6—9月的12:00—20:00，此外，2—5月的00:00—04:00正地閃相對高發；正地閃強度在6—9月相對較低，負地閃強度的日變化表現為中午(12:00)前高于中午后。

(2)地閃密度相對高值區隨季節演變而自西向東移動，年平均地閃密度總體呈浙中多南北少的分布特征，高密度區域主要位于浙東沿海地形過渡帶、浙西山區以及浙江中部地區。雷電流幅值主要分布于15～45 kA，地閃強度平均值舟山(44.49 kA)最高，臺州(32.69 kA)最低，地閃密度和強度的空間分布特征各異。

(3)將雷電災害致災危險性劃分為低、中、高和極高4個等級，極高等級區域集中在寧波中部和臺州中南部，另在杭州—紹興交界呈片狀分布，在溫州西北部、浙中和浙西地區呈絮狀分布；致災危險性等級與歷史雷災個數、人員傷亡總數具有較為一致的空間分布特征。

(4)由于雷電災害是致災因子、孕災環境和承災體共同作用的結果，本文僅對致災危險性進行分析討論，未來將繼續對孕災環境敏感性和承災體易損性開展分析研究，從而完善雷電災害風險評估工作。