浙江省雷電災害與區域地閃關系分析*

顧 媛 史海鋒 張衛斌 張 祎

(浙江省氣象安全技術中心,浙江 杭州 310008)

0 引 言

作為“最嚴重的10種自然災害之一”[1],雷電災害對人類生活構成嚴重威脅。浙江省是雷電災害頻發的地區,雷電災害造成的損失及影響巨大[2]。隨著經濟社會的不斷發展,各類電子器件、精密儀器廣泛應用,雷電災害分布于交通、電力、通信、金融各類行業及高新技術領域,雷電對人民生命安全及社會經濟發展的危害不容忽視。認識雷電災害的特征規律、探究地閃活動與雷災的關系具有重要意義。

關于雷電災害已經開展了較為廣泛的研究,主要包括對雷電災害的災情信息、時空分布特征進行分析[2-4],對各地雷暴活動及災情相關性進行研究[5-7],利用各種災害評估模型對雷電災害風險評估及易損度區劃等方法進行探討[8-11]。雖然以上研究指出,雷電災害與地閃活動具有比較一致的月際變化、日變化以及地域分布特征,地閃頻次和地閃強度均對雷電災害產生影響[12-14],但對雷電災害與區域地閃頻次、強度的量化研究較為缺乏,對雷災周邊區域的地閃活動特征分析研究得較少。

2013—2018年浙江省雷電災害事例充足、資料全面[2],本文利用該時間范圍內的雷災數據,并基于2013—2018年浙江省地閃監測數據,對雷電災害區域地閃頻次、強度進行統計,分析雷電災害與區域地閃特征參量間的關系,以期進一步了解區域地閃活動對雷電災害的致災作用,為雷電災害風險評估和雷電防護等工作提供科學依據,進一步提升防雷減災工作效率。

1 資料方法

地閃數據來源于浙江省氣象局ADTD閃電定位系統2013—2018年監測資料,該系統由11個探測站點組成,實時、連續記錄地閃發生的時間、二維空間信息、定位方式、雷電流幅值和陡度等信息,系統理論探測效率為80%～90%,平均探測范圍為300 km,定向誤差為0.5°[7]。在閃電定位資料中，小幅值地閃通常被認為是系統對云閃的誤判[15],本文剔除地閃強度小于5 kA的數據進行統計分析。雷電災害數據來源于浙江省雷災信息庫,包含災害發生的日期、地點、災害詳情、受損類別及損失情況等,本文選取2013—2018年包含經緯度信息的雷電災害共1333起。各地雷電災害資料收集手段、上報機制等不同,雷電災害記錄的完整性也不同,本文給出的是雷電災害不完全統計結果。

本文在空間分析中,單位區域是以雷電災害點為圓心、5 km為半徑范圍的區域,共1333個區域范圍，對每個區域范圍對應雷災發生當日的區域地閃進行頻次、雷電流幅值特征統計,分別得到1333個區域雷災日地閃頻次和區域雷災日地閃強度最大值;對每個區域范圍的地閃頻次、雷電流幅值特征進行逐日統計,分別得到204946個非零值的區域日地閃頻次和非零值的區域日地閃強度最大值。

按式(1)計算區域日地閃頻次與雷災統計概率的關系:

(1)

Pi為區域日地閃頻次大于i時雷災發生的統計概率,ni為區域雷災日地閃頻次大于i的樣本數,Ni為區域日地閃頻次大于i的樣本數。

按式(2)計算區域日地閃強度最大值與雷災統計概率的關系:

(2)

Pj為區域日地閃強度最大值大于j時雷災發生的統計概率,nj為區域雷災日地閃強度最大值大于j的樣本數,Nj為區域日地閃強度最大值大于j的樣本數。

2 結果分析

2.1 雷電災情

2013—2018年浙江省發生的1333起雷電災害共造成直接經濟損失5843.44萬元,間接經濟損失1823.33萬元。其中32起人員傷亡事故,共造成22人死亡、33人受傷。1236起電子電氣設備受損事故,占雷災總數的92.72%,130起建筑物損毀事故,占雷災總數的9.75%。雷電災害空間分布如圖1所示,杭州市雷電災害數量最多,經濟損失也居全省首位,尤其是杭州東北部雷災密度較高;另外，寧波、衢州和金華的部分地區雷災密度較高,從人員傷亡事故分布來看,除舟山外各市(縣、區)均有人員傷亡事故發生,其中溫州人員傷亡事故數最多,寧波的傷亡人員總數最多。由此可見,雷電災害具有顯著的空間分布差異,不同類型的雷電災害又各有特征,為探究雷電災害分布與地閃特征的空間關系,下文將對雷電災害周邊區域的地閃特征進行統計分析。

圖1 2013—2018年浙江省雷電災害分布圖(審圖號:浙S(2020)17號)

2.2 雷電災害的區域地閃特征

2.2.1 地閃頻次特征

根據1333個雷電災害事件,按照前文所述方法,對區域雷災日地閃頻次進行統計,結果如圖2所示,區域雷災日地閃頻次主要集中在100次以下,累積概率達88.60%,其中51.16%的區域雷災日地閃頻次小于15次,28.66%的區域雷災日地閃頻次小于5次。由此可見,在半徑為5 km范圍內,只要有區域地閃發生,就有發生雷電災害的可能性。在雷電災害預警等工作中,可以將半徑為5 km范圍有地閃發生作為預警判定指標之一,提高雷電災害預警的準確性。

圖2 區域雷災日地閃頻次統計

根據損害類型的不同,將雷災事件分為造成人員傷亡、電子電氣設備受損和建筑物損毀3類,分別統計不同類型的區域雷災日地閃頻次,結果如圖3所示。各類雷災的地閃頻次平均水平相當,但高值分布差異較大，造成人員傷亡的區域雷災日地閃頻次最大值為281次,87.5%的傷亡雷災日地閃頻次小于100次;造成電子電氣設備受損的區域雷災日地閃頻次分布跨度最大,頻次最大值為636次,但主要集中于80次以下;造成建筑物損毀的區域雷災日地閃頻次大于50次的占26.15%,大于100次的占16.15%。相較于其他兩類雷災而言,造成建筑物損毀的地閃頻次高值事件占比較大,原因可能是建筑物的防直擊雷裝置安裝相對比較普遍、完善,防雷減災能力相對較強。而電子電氣設備受損情況普遍,反映出間接雷擊的防御能力相對較弱,存在防雷安全隱患。造成人員傷亡的區域雷災地閃頻次普遍較低,這是由于該類雷災的承災體脆弱性較高。浙江省人員傷亡雷災事故大部分發生在農田、水邊、涼亭、山地及其他曠野地帶[2],在無防護措施的情況下,人員遭受雷擊并致災的可能性大。

圖3 不同類型的區域雷災日地閃頻次分布

2.2.2 地閃強度特征

為進一步探究區域雷災日地閃的雷電流幅值特征,對區域雷災日地閃進行雷電流幅值分布統計,如圖4所示。區域雷災日地閃的雷電流幅值主要分布于100 kA以下,累積概率達99.08%,84.86%的雷電流幅值分布在10～50 kA,其中20～25 kA和26～30 kA的雷電流幅值分布最多,概率分別為16.42%、16.28%。在人員傷亡、電子電氣設備受損和建筑物損毀3類雷災中,雷電流幅值分布在20 kA以下的概率分別為31.95%、16.94%和18.56%,雷電流幅值分布在50～100 kA的概率分別為7.07%、13.31%和14.02%。不同災害類型的雷電流幅值分布具有差異,總體而言,在造成人員傷亡的區域雷災日地閃中,小幅值雷電流比重較大,造成建筑物損毀的雷電流幅值相對較高。由此可見,不同災害類型對地閃強度的敏感性不同,人員最易受到傷害,而雷擊建筑物產生物理損害則需要相對更強的地閃能量。

圖4 區域雷災日地閃的雷電流幅值分布

2.3 雷災概率與地閃的關系

2.3.1 雷災概率與地閃頻次的關系

由前文對雷災區域的日地閃特征分析可知,雷災發生區域當日的地閃頻次從數次至數百次不等,按照前文所述方法統計分析雷災概率與區域日地閃頻次的關系,如圖5所示。隨著區域日地閃頻次的增加,發生雷電災害的概率呈指數遞增，當區域日地閃頻次大于5次時,發生雷災的概率為1.29%;當區域日地閃頻次大于180次時,發生雷災的概率為10.17%;當區域日地閃頻次大于315次時,發生雷災的概率為20.00%;當區域日地閃頻次大于500次時,發生雷災的概率為40.54%。正如前文所述,區域內只要有地閃發生,就有發生雷災的可能性,雷災發生概率隨著區域日地閃頻次的增加而顯著增大。圖5給出了雷災概率與區域日地閃頻次的指數擬合曲線,擬合優度為0.98,指數函數可以很好地表征雷災概率與地閃頻次之間的關系。

圖5 雷災概率與區域日地閃頻次的關系

2.3.2 雷災概率與地閃強度的關系

按照前文所述方法,統計分析雷災概率與區域日地閃強度最大值的關系,如圖6所示。當區域日地閃強度的最大值小于100 kA時,雷災概率隨地閃強度的增加而線性遞增,雷災概率分別在地閃強度最大值為40～45 kA和70～80 kA時，升至0.52%和1.26%;當地閃強度最大值超過100 kA時,雷災概率不再隨地閃強度線性遞增,概率維持在1.2%左右。由此可見,不同于地閃頻次對雷災概率的決定性作用,地閃強度只在一定程度上影響雷電災害發生的概率,但地閃強度越大,雷電流的破壞性越強,正如前文分析所述,地閃強度對雷電損害方式有影響。

圖6 雷災概率與區域日地閃強度最大值的關系

3 結 語

(1)雷電災害當日半徑為5 km區域地閃呈以下特征:地閃頻次主要集中在100次以下,其中51.16%的雷災事件區域日地閃頻次小于15次;雷電流幅值主要分布在10～50 kA之間。不同類型雷災的區域日地閃特征不同，電子電氣設備受損的區域，雷災的地閃頻次、雷電流幅值跨度最大;人員傷亡的區域，雷災地閃頻次普遍較低,小幅值雷電流比重較大;造成建筑物損毀的區域，地閃頻次高值事件比重更大,雷電流幅值相對較高。綜合反映了人員傷亡的承災體脆弱性較高,建筑物對直接雷擊的防御能力相對較強,對間接雷擊的防御能力相對較弱。

(2)隨著區域日地閃頻次的增加,發生雷電災害的概率呈指數遞增,當區域日地閃頻次大于180次時,發生雷災的概率為10.17%;當區域日地閃頻次大于315次時,發生雷災的概率為20.00%。當區域日地閃強度的最大值小于100 kA時,雷災概率隨地閃強度的增加而線性遞增,當地閃強度最大值超過100 kA時,雷災概率不會隨著強度的增加而持續升高。區域日地閃頻次對雷電災害的發生具有決定性作用,地閃強度對雷電損害方式有影響,可作為雷電災害風險評估的依據。