雷電強度等級空間分布及其與土地利用類型關系

雒新萍

（陜西省突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，西安 710014）

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，對人類社會產(chǎn)生重要影響。隨著現(xiàn)代科學技術、經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，在一定區(qū)域內雷暴現(xiàn)象會對周圍居民造成嚴重影響。與此同時，地形地貌、氣候等多種因素造成地表形態(tài)變化劇烈，降水集中分布不均且缺乏規(guī)律性而引發(fā)地災頻發(fā)，人類活動使環(huán)境惡化導致水土流失加劇，擴大了雷暴現(xiàn)象的影響程度。

我國幅員遼闊、人口基數(shù)巨大等特點決定中國國土面積廣闊且分布不均（除少數(shù)特殊城市外），加上地形地貌復雜多樣使不同地區(qū)之間存在著差異性和復雜性，受自然條件及人為因素影響較大，導致災害頻發(fā)。因此，研究雷電天氣在一定區(qū)域內的時空演變規(guī)律及其與土地利用類型關系是有一定意義的。

1 國內外研究現(xiàn)狀

雷電是一種大氣放電現(xiàn)象，根據(jù)不同的氣象條件、地形地貌和雷暴活動特征等因素對人類造成很大影響。

國外對雷電分布特征和影響因素進行大量分析，并根據(jù)其特點提出合理化建議，主要集中在以下幾個方面：一是關于雷電災害與利用區(qū)位條件之間的關系問題；二是基于氣象要素、地形地貌條件等建立空間格局指數(shù)體系；三是針對雷擊天氣下，災害頻發(fā)區(qū)域面積變化規(guī)律及雷電活動強度、頻率分布情況等進行研究、分析和探討，并提出相應的對策建議。

我國在雷電災害與利用區(qū)位條件、氣象要素和地形地貌等因素之間存在著相互作用關系，在雷擊天氣下，不同區(qū)域間會形成明顯差異性的土地利用類型及分布特征。目前國內對雷擊災害研究較多，但大多數(shù)只是針對氣象條件下進行，并未考慮到地形地貌等因素，主要集中在2個方面：一是關于空間分布格局與土地利用類型關系分析方法的相關文獻；二是針對雷擊災害引起土地資源破壞問題進行深入探討。我國對于雷電防護技術的研究有一定進展，但總體仍處于初級階段，而基于GIS地理信息系統(tǒng)（RS）功能的應用系統(tǒng)還未真正建立，因此對雷電災害的防范和治理仍處于起步階段。

2 雷電強度等級

2.1 雷電強度等級及分布

雷電強度等級是根據(jù)雷電活動所引起的危害程度來判定的。在研究中，主要針對的是高電壓、大電流的雷鳴和直擊閃電等現(xiàn)象。雷電強度等級的研究主要是為了確定不同區(qū)域之間大氣雷云和地面空間電荷分布情況，以及在該區(qū)域內建筑物、道路等因素作用下，是否具有足夠數(shù)量、質量好壞和程度高低的電流電荷分布情況。

雷電強度等級分布是指根據(jù)不同的氣象條件、地形地貌等因素，利用GIS軟件中提供的空間分析功能，對研究區(qū)內主要建筑物進行分區(qū)，同時對各區(qū)域內雷擊災害和雷暴類型做詳細地描述。不同類型空間分布特征不相同：①低頻區(qū)。主要集中出現(xiàn)在我國東部地區(qū)和中部城市群；②次強帶區(qū)。主要有北京—太原市及陜西寶雞市2個區(qū)域；③中頻區(qū)。主要集中于西部地區(qū)及南部的部分城市，如成都、重慶等地，但在平原地區(qū)是相對較小的一個片區(qū)，在其他地區(qū)也有分布。

2.2 雷電強度等級時間序列

雷電強度等級的時間序列是對分布圖進行分析，根據(jù)雷云放電時不同階段所對應的電壓，計算各雷電活動時刻下各個雷暴站所在區(qū)域內平均風速和最大干谷降水量，也可通過建立一個模型來確定該地區(qū)在一定范圍內閃電持續(xù)時間。

從理論上講，當某地區(qū)出現(xiàn)高頻率、低幅度及強幅值等特征變化時，雷電活動的強弱和持續(xù)時間不同，雷云放電強度就會隨之變化，因此可以通過建立相應的數(shù)學模型來確定該地區(qū)在一定范圍內平均風速，以及高頻率、小幅度及強幅值所對應時間段下閃電的強度等級。雷暴期間，在不同利用類型上，由于地形地貌等條件差異性影響引起的放電時強弱電平變化也各不相同。

2.3 雷電強度等級的衰減

雷電強度等級的衰減是由在雷擊跳至地面時，大氣中大量物質粒子和電荷分布不均勻導致的電位升高引起的。在雷暴日數(shù)變化不大且無明顯規(guī)律性的情況下，雷電響應特征包括以下2點：①在雷云落點附近主要以高電導率、低密度為主要特點；②在氣象條件及其他因素影響下造成雷暴閃絡現(xiàn)象的發(fā)生。雨天大氣中大量粒子和電荷分布不均導致雷云落點處的電荷分布不均勻，引起了高電導率、低密度的雷暴現(xiàn)象。

2.4 雷電強度等級分布結果

雷電強度等級分布與雷電流幅值大小有一定關系，雷擊脈沖的持續(xù)時間和頻率會影響雷電強度等級，雷暴期越長，閃電次數(shù)就越大。

當陰天出現(xiàn)高電閃時，由于陽極放電導致電壓峰值較低從而引起高電閃現(xiàn)象；中緯度地區(qū)地熱條件比海拔更甚，發(fā)生地面雷擊脈沖數(shù)也更高。因此雷電強度等級越高造成的雷暴期越長，隨時間不斷增加直至高點后逐漸降低；當陰天出現(xiàn)高電閃時，雷電強度等級與雷暴期成反比關系。

在雷電脈沖強度等級的分布上，雷電流幅值和頻率均與雷暴期呈正相關關系。從雷擊脈沖的持續(xù)時間來看，雷擊中沿不同路徑產(chǎn)生的次數(shù)有一定差別。其中在中緯度地區(qū)發(fā)生地面直擊、側向感應和間歇性地源電壓峰值為正數(shù)倍相；而在海拔較低一些區(qū)域，如云貴高原地帶出現(xiàn)高電閃和雷電沖擊波時，雷暴期與高電閃相比降低了很多。

3 雷電強度等級空間分布及影響因素分析

3.1 雷電強度等級特征

雷電活動強度是指每秒鐘在不同頻率的雷云上發(fā)生的能量交換現(xiàn)象，并且隨著時間增加，其持續(xù)時間也不斷增長，從而達到了對雷暴區(qū)進行劃分的目的。

根據(jù)《雷電和防護及排雷工程管理》和相關資料顯示可知：雷電活動主要集中于低緯度地區(qū)，雷電活動強度分布在高海拔地區(qū)，而中海拔區(qū)域則是由于地形地貌條件限制或人類活動強度大導致雷峰期及高峰時段較多且持續(xù)時間不長，呈現(xiàn)出波動性變化；低海拔區(qū)域則是由于雷電活動強度大，持續(xù)時間多，持續(xù)時間短，其特點主要表現(xiàn)在雷峰的雷暴時間長、高頻率。

雷電活動強度的空間分布與土地利用類型有密切聯(lián)系，不同地區(qū)在雷峰頻發(fā)時間上存在較大差異，但受地形地貌因素、氣象條件及人類活動等影響導致雷電活動強度頻率呈現(xiàn)出一定規(guī)律，雷電活動強度對雷雨形成時間和頻率產(chǎn)生影響，并在不同尺度上存在著明顯差異。

3.2 雷電強度等級影響因子

雷電活動對土地利用類型的影響因子主要分為3類。

一是直擊雷效應：即在地面形成強大電流，當高于大氣電場強度時電荷從附近向鄰近區(qū)域擴散。其特征在于，首先是能量密度高，地表的云量與云層厚度成反比；其次是雷暴閃絡放電引起了大量降水和熱量集中；最后是會產(chǎn)生電磁輻射、熱對流及光散射等作用，降低空氣中的溫度及濕度變化，從而影響土地利用類型使其呈現(xiàn)出多種多樣的分布特征。

二是地形地貌效應：地形地勢高低起伏變化、土壤性質差異和氣候條件不同導致地表植被覆蓋度不均勻或分布不均，局部地區(qū)降水集中程度不一致，雨水滲入形成大范圍徑流，對土地資源利用產(chǎn)生不利影響。

三是熱效應：在云量高時，電場強度大，輻射作用強，土地利用類型呈多分散狀態(tài)；相反地，區(qū)內電荷聚集程度低、密度小、無變化或有少量變化，總體未產(chǎn)生較大影響且具有一定規(guī)律性，會出現(xiàn)具有顯著差異性的局部現(xiàn)象。

3.3 雷電強度等級空間分布定量估算

雷電強度等級的定量評估主要是利用統(tǒng)計軟件建立二維網(wǎng)格，然后根據(jù)不同類型、不同時間段雷云電荷分布特征進行計算。

在確定雷電鋒位后通過查閱文獻資料和相關氣象數(shù)據(jù)得到以下幾方面結論：①雷擊災害頻發(fā)時間短且持續(xù)時間長；②雷暴峰值具有一定的空間自相關性，并且雷電強度等級分值也隨季節(jié)、年際變化明顯不同。

3.4 雷電強度等級指數(shù)

雷電強度等級分布與地形地貌、氣象因素和人類活動密切相關，在不同的地區(qū)，其閃電特性及雷暴日數(shù)都會有所不同。雷云放電時，大氣離子濃度增加引起能量衰減。當雷電擊中地面物質層時會產(chǎn)生強烈的感應電荷，因此對地表附近環(huán)境造成一定影響；同時隨著時間推移、空間尺度的變化等也可能使周圍區(qū)域形成大量雷害事件，導致災害頻發(fā)和損失較大。雷暴日數(shù)越多，雷害事件的影響越大，持續(xù)時間越長。

地形地貌對雷電強度等級分布的影響主要表現(xiàn)在地形差異性、植被斑塊變化及不同高度下雷害發(fā)生時的持續(xù)時間等方面。根據(jù)相關規(guī)程中給出的雷暴日數(shù)，將其分為3類：第一大類為年平均雷暴日；第二大類是年均最高潮天和最低潮次數(shù)；第三大類是每年最大風暴時間或峰值頻率。

3.5 雷電強度等級空間分布與整理

在空間分布上，雷電具有明顯的時域特征，對其進行分析，可以得到以下結論。

1）雷云與不同類型地物之間存在著相互影響關系。當雷電擊中某些區(qū)域后會引起地面閃絡放電強度下降，隨著時間的推移，能量從高到低依次是大氣中帶電部分和地熱，不同地物對能量的承受力不同，在接受雷擊時，受害程度不同。

2）雷電活動與地形地貌之間存在著明顯相關關系。地形地貌對帶電部分的影響主要是由大氣環(huán)流形成，并在雷暴日前后會出現(xiàn)高幅值，不同區(qū)域間也存在差異性，導致雷暴發(fā)生時，雷電強度不同。

3）雷擊災害與地形分布之間沒有明顯相關關系。雷擊災害的主要分布區(qū)域是丘陵，而地形地貌對雷電活動影響不大。

3.6 雷電強度等級空間分布的對策建議

1）科學合理制定雷電活動強度標準。根據(jù)雷擊災害的類型、影響因素和頻度進行分級。為了避免對雷暴區(qū)造成嚴重干擾，可適當增加其頻率。同時在雷云形成時可能會產(chǎn)生高熱值及強對流效應，可采取以下措施：一是加強氣象監(jiān)測與預報工作；二是建立相應的防潮設施或避雨棚等；三是加強對雷電的監(jiān)測與預報工作。

2）合理規(guī)劃用地，減少不合理的開發(fā)利用。由于雷云形成區(qū)主要集中在山區(qū)和丘陵地區(qū)，可適當將部分地區(qū)劃分為自然保護區(qū)、農(nóng)田保護區(qū)等進行保護，以達到避雷針或其他設施有效使用面積最大化的目的。同時應注意避免建設中產(chǎn)生大量耕地被占用或破壞生態(tài)環(huán)境情況出現(xiàn)在城市居民住宅區(qū)內。

3）加強對雷電活動強度的研究及分析。

4）提高雷電防護意識，加強對居民的安全教育。在雷云形成區(qū)，應加大防護力度；對于易受災害影響地區(qū)要做好防避電措施，結合當?shù)氐匦蔚孛?、植被等因素綜合考慮防雷措施。

4 雷電強度等級空間分布與土地利用類型關系

4.1 雷電強度等級空間分布與土地利用類型的選取

根據(jù)研究資料可知，雷電活動強度等級分布與土地利用類型具有一定相關關系，因此可利用其空間分布對雷擊災害進行分類。由于雷暴和雷電是自然現(xiàn)象，在地球表層傳播過程中不可避免地存在著能量物質交換形式，即雨、熱輻射及對流等效應，對地表水、大氣帶或近地面物體造成損壞；通過降水形成，大量的雨水積聚到地下水，導致地下水水位上升或者下降影響到土地利用類型。因此，雷電活動強度等級的選取主要是利用降水、土壤及地表水等因素對雷擊災害進行分類。根據(jù)地形地貌條件及氣象特點可以將雷擊破壞類型分為3種：丘陵型（高寒低熱）土地利用結構、河谷平原和山地生態(tài)用地。

4.2 雷電強度等級空間分布與土地利用類型的關系對比

雷電強度等級的空間分布與土地利用類型之間是否有關，從以下2個方面來分析。

1）雷電流對地形地貌具有一定程度上的影響。在我國大部分山區(qū)和丘陵地區(qū)都是雷暴云多發(fā)地且持續(xù)時間長地區(qū)。高阻雷電是由于大氣電場形成的，產(chǎn)生時主要集中于地表下風向較高處或山谷部分及地面下方風口附近等地方，且隨著海拔高度增加對流感熱和聲輻射強度也有明顯增強變化，雷電流的產(chǎn)生對地形地貌具有一定程度上的影響。

2）雷電強度等級空間分布與土地利用類型之間是否存在某種關系，主要是由其在不同區(qū)域時，所占面積大小決定了雷電強度等級分布，高阻雷區(qū)的面積較大，低阻雷區(qū)和中等耐壓雷暴會產(chǎn)生較多的感應電壓，而在高阻雷區(qū)和中等雷暴地區(qū)，其產(chǎn)生的頻率會比較低，因雷電強度等級分布較為集中，所以雷電流對地形地貌具有一定影響。在地形地貌復雜的山區(qū)和丘陵地區(qū)，雷電流會比較大。

通過對雷電的時空分布特征進行分析，并與土地利用類型聯(lián)系可得：①雷電對不同類型用地影響較大，雷電流幅值、日平均年輸電電壓等因素都會改變。在地形地貌條件允許范圍內時，以雷暴日為一個單位則無明顯規(guī)律可言；當?shù)匦纹教沟貐^(qū)地勢起伏小、不存在有明顯變化趨勢或地形陡峭時，則會導致其易受風力影響而引發(fā)災害。雷峰雖在重要區(qū)域利用價值大，但不宜作為重點保護對象使用，應優(yōu)先考慮雷電對土地資源及生態(tài)環(huán)境帶來的不良影響；②雷電對不同類型用地的影響也存在較大差異。雷雨云中，雷電流幅值變化大、日輸電壓峰值變化小，在地形平坦地區(qū)易產(chǎn)生高分異常和低熱季現(xiàn)象。當雷暴日為一個單位時，時間上的短直擊或感應過電電壓會導致大量閃絡放電形成閃電通道；同時由于我國各地區(qū)雷電活動較頻繁且不規(guī)律等原因使不同類型地區(qū)分布雷害程度較明顯，雷擊災害發(fā)生概率較大。因此在雷電防護中應考慮不同類型地區(qū)分布的位置，并對其進行合理防雷。

5 結束語

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在大雨天氣中，其主要原理是天空中云層之間相互摩擦最終產(chǎn)生放電現(xiàn)象，強大的電流劃破天空，電離周遭的空氣使空氣分子變成空氣離子，發(fā)出耀眼的光芒，最終消散在大地之中。經(jīng)常出現(xiàn)雷電的地區(qū)，其莊稼和作物都有著顯著的增產(chǎn)。但過于頻繁的雷電和強度等級很高的雷電，便會衍生自然災害，例如森林大火，便有可能是由于雷電點燃枯木造成的，這種情況會對自然環(huán)境造成破壞，同時會給人類生存的環(huán)境也會帶來重大的影響，像是在城市或野外布置的電力系統(tǒng)，便很有可能會遭到雷擊，從而被雷電毀壞影響人們的正常生活。

所以此次對雷電強度等級空間分布進行了研究，以此來合理規(guī)劃土地的利用，避免由于過強的雷電對人類活動和城市建筑造成嚴重破壞。通過對當?shù)氐臍夂?、地理、環(huán)境和歷史等因素進行分析，對當?shù)氐睦纂姀姸鹊燃夁M行區(qū)域性的劃分，探討雷電強度等級與土地利用類型的關系，有助于我國對土地資源的合理運用，從而保護人民的生命和財產(chǎn)安全。