北京市門頭溝區(qū)雷暴氣候變化特征及災害防御

曹久才　賈良　房志玲

摘要 研究北京市門頭溝區(qū)雷電的特征變化及活動規(guī)律，加強雷電災害防御、防雹增雨，對門頭溝區(qū)的雷電災害進行風險區(qū)劃及分析，提出合理的防范措施與建議，提高風險管理的能力，力求減少雷電災害造成的損失，對促進經(jīng)濟、社會的協(xié)調(diào)發(fā)展等十分重要。本文利用1980—2013年門頭溝區(qū)氣象臺及齋堂觀測站常規(guī)地面觀測資料，分析門頭溝區(qū)雷暴變化的氣候特征及風險區(qū)劃。結果表明：門頭溝區(qū)氣象臺及齋堂站年平均雷暴日數(shù)分別為36、41 d。20世紀90年代初期至2013年雷暴日數(shù)呈逐漸下降趨勢，并有明顯的季、月變化；5—6月迅速增多，7—9月變化逐漸減少。雷暴13：00—20：00發(fā)生頻率最高。雷暴日出現(xiàn)最多的年份在1986年齋堂（58 d），最少的年份為2013年門頭溝城區(qū)（24 d）。門頭溝區(qū)雷電災害總體表現(xiàn)：一是雷電災害多呈周期性和季節(jié)性；二是由于山區(qū)地形復雜，局地小氣候特征明顯，極易發(fā)生局地強天氣；三是由于山區(qū)交通不便，居民防災減災意識相對淡薄，極易導致嚴重的人員生命財產(chǎn)損失。因此，對門頭溝區(qū)進行雷電特征分析及區(qū)劃具有重要意義。

關鍵詞 雷暴；氣候變化特征；災害防御；北京門頭溝

中圖分類號 P446 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）03-0189-04

Abstract The paper studied the change characteristics and rules of thunder in Mentougou District of Beijing City，strengthened thunder protection and hail precipitation，conducted the risk zoning and assessment of lightning disaster in Mentougou area，put forward reasonable suggestions and preventive measures，in order to improve the ability of risk management，reduce the losses caused by thunder disaster，which was very important to promote harmonious development of economic and society. The ground observation data of Mentougou Meteorological Observatory and Zhaitang Station during 1980-2013 was used to analyze the thunderstorm climate characteristics and risk zoning. The results showed that average annual number of thunderstorm days of Mentougou Meteorological Observatory and Zhaitang Station were 36 days and 41 days，respectively. From early 1990s to 2013，the number of thunderstorm days decreased gradually，and showed obvious seasonal and monthly change. The changes increased rapidly from May to June，and reduced gradually from July to September. At 13：00 and 20：00，the thunderstorm occurrence frequency was the highest. The most annual thunderstorm days appeared at Zhaitang in 1986（58 d），and the least annual thunderstorm days appeared at Mentougou District in 2013（24 d）.The characteristics of lightning disaster in Mentougou District were as follows：firstly，the thunder disaster changed cyclically and seasonally；secondly，the terrain in mountainous area was complex，and the local microclimate characteristics was obvious，which led to local strony weather easily；thirdly，due to the traffic inconvenience in mountainous area，residents′ consciousness of disaster prevention and reduction was relatively weak，it was easily lead to serious loss of life and property. Therefore，thunder characteristic analysis and risk zoning in Mentougou District is important.

Key words thunderstorm；climate change characteristics；disaster prevention；Mentougou Beijing

雷暴過程是一個非常嚴重的災害類型，常會對人身安全和生產(chǎn)生活造成嚴重的危害。雷電災害造成的損失通常分為兩大類：一類為直接雷擊災害，會直接擊死、擊傷人畜，擊壞輸電線、建筑物，甚至引發(fā)火災；另一類為感應雷擊災害，不易被察覺，通常以電磁感應和過電壓波等形式對微電子設備構成危害[1]。盡管表現(xiàn)形式不同，2種形式的雷擊均帶來了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

門頭溝區(qū)地處北京市西部，海拔一般在90～2 303 m之間，位于東經(jīng)115°25′00″～116°10′07″，北緯39°48′34″～40°10′37″之間，分深山區(qū)、淺山區(qū)、平原。地處華北平原向蒙古高原過渡地帶，地勢西北高、東南低，屬中緯度大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥，西部山區(qū)與東部平原氣候呈明顯差異。最高山峰為西部的靈山，海拔2 303 m，山地面積占98.5%，是北京市唯一的純山區(qū)，屬太行山余脈，地勢險要，“東望都邑，西走塞上而通大漠”，自古為兵家必爭之地。本文首先對近34年門頭溝區(qū)及齋堂站雷暴統(tǒng)計資料進行分析，找出雷暴出現(xiàn)的氣候特征以及雷暴出現(xiàn)天氣背景和雷暴發(fā)生的一般規(guī)律，結合當前防雷存在的一些問題，提出防御雷電的若干對策，以期達到防御雷電災害及防雹增雨的目的。然后，對門頭溝區(qū)的雷電變化特征和雷電災害進行風險區(qū)劃及分析，提出合理的防范措施與建議，提高風險管理的能力，力求減少雷電災害造成的損失。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文選取門頭溝區(qū)氣象臺及齋堂觀測站1980—2013年34年雷暴日資料，分析其不同時段的變化特征，用線性擬合方法分析其變化趨勢。在進行雷電災害風險評估及區(qū)劃研究時采用的2001—2010年北京地區(qū)雷擊災情資料。

1.2 研究方法

按照地面氣象觀測規(guī)范的規(guī)定，在1 d內(nèi)（20：00至次日20：00）氣象臺只要聽到1次以上雷聲，就統(tǒng)計為1個雷暴日，雷暴日數(shù)統(tǒng)計以地面觀測記錄為準，年雷暴日數(shù)為全年各月雷暴日數(shù)總和，年平均雷暴日數(shù)是指本站多年雷暴日數(shù)的平均值。采用數(shù)理統(tǒng)計、線性趨勢估計、氣候傾向率等方法對門頭溝區(qū)氣象臺及齋堂觀測站雷暴日數(shù)及初雷日、終雷日等進行氣候統(tǒng)計分析。根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》（GB 50343—2012）規(guī)定[2]，25 d<年平均雷暴日數(shù)≤40 d的地區(qū)屬于中雷區(qū)。雷暴日以T表示，是指1年中有雷電的天數(shù)。計算公式如下[3]：

N=K×Ng×Ae，Ng=0.1×Td

式中，N為建筑物年預計雷計次數(shù)（次/年）；K為校正系數(shù)；Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/（km2·年）]；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）；Td為年平均雷暴日（d/年）。

2 雷暴日數(shù)的分析

2.1 雷暴日數(shù)的空間變化特征

雷暴產(chǎn)生受盛行氣流、天氣系統(tǒng)、地形和下墊面等多種因素制約。地形產(chǎn)生的熱力效應使低層大氣中存在氣旋性輻合，水汽和熱量集中時易形成不穩(wěn)定層結，利于垂直環(huán)流的不穩(wěn)定發(fā)展[4]。其中，地形的抬升作用及其引發(fā)的熱力效應也是很重要的一個方面，地形的抬升作用可導致地形附近出現(xiàn)積云，能使垂直上升氣流速度比無地形時增加10 m/s，促進較強的對流云展[5]。

門頭溝區(qū)境內(nèi)地勢呈東低西高走向，雷暴產(chǎn)生在空間分布上呈現(xiàn)出自西部向東部逐漸遞減的特征，地形特點決定了雷暴的空間變化特征[6]。當冷鋒越山時，若山后低層為暖空氣控制，則由于山后低層暖空氣之上有冷平流疊置，使不穩(wěn)定度大為增強，因而常在山后造成大片雷暴區(qū)。山地迎風坡的抬升作用也很大。因此，山地是雷暴的重要源地，當山脈風速越大，風向越垂直于山脊，或者山坡越陡，則地形抬升作用引起的空氣上升運動越強，雷暴發(fā)生的可能性越大。

2.2 雷暴日數(shù)的時間變化特征

2.2.1 雷暴日數(shù)年際變化。雷暴作為一種天氣現(xiàn)象在門頭溝區(qū)每年均有發(fā)生，34年平均雷暴日數(shù)為37 d。從圖1門頭溝區(qū)及齋堂年雷暴日數(shù)的距平曲線圖可見，1986年、1990年雷暴活動異常偏多，其中1986年齋堂站出現(xiàn)雷暴日的天數(shù)最多，達到58 d；2010年門頭溝區(qū)雷暴活動異常偏少，為24 d。由圖1雷暴日數(shù)的年際變化及其趨勢變化特征曲線可見，20世紀80年代中期至90年代初期雷暴日數(shù)變化較大，說明在此期間的雷暴活動相對于其他年代比較頻繁；90年代中期至2013年為一個緩慢下降階段。1980—2013年年平均雷暴日數(shù)線性傾向率齋堂站為-0.5 d/10年，門頭溝區(qū)為 -0.4 d/10年，表明門頭溝區(qū)及齋堂站雷暴日數(shù)的年變化總體為下降趨勢。這與張敏鋒等[7]指出的“東北地區(qū)20世紀80年代平均雷暴日有增加的趨勢，在波動中呈平穩(wěn)發(fā)展，我國大部分地區(qū)年平均雷暴30年來總體有減少的趨勢”的結論是一致。

2.2.2 雷暴日數(shù)的月變化。門頭溝區(qū)及齋堂站的雷暴日數(shù)具有明顯的年內(nèi)變化，由圖2可以看出，各月平均雷暴日年內(nèi)呈單峰型變化，4—6月雷暴日迅速增多，門頭溝區(qū)7—9月迅速下降，齋堂站7—8月緩慢下降，9—10月迅速減少，兩站12月至次年2月均無雷暴。齋堂站峰值出現(xiàn)在6月，年平均達11 d，門頭溝區(qū)峰值出現(xiàn)在7月，年平均達10 d。夏季（6—8月）雷暴日數(shù)最多，占全年總數(shù)的66%～68%。

2.2.3 雷暴初終日的變化。從門頭溝區(qū)及齋堂站雷暴初、終日期統(tǒng)計資料來看，門頭溝區(qū)雷暴初日最早出現(xiàn)在1990年3月30日，最晚出現(xiàn)在2013年6月5日。終日最早出現(xiàn)在2005年8月28日，最晚出現(xiàn)在2004年和2009年的11月9日。齋堂站雷暴初日最早出現(xiàn)在1990年3月12日，最晚出現(xiàn)在1982年5月21日。終日最早出現(xiàn)在1980年9月10日，最晚出現(xiàn)在2009年和2011年的11月11日。圖3、4分析了3—5月雷暴初日資料。門頭溝區(qū)及齋堂站雷暴初日4月最多，分別為71%、65%；5月次之，分別為21%、29%。從曲線變化來看，門頭溝區(qū)1993年、2013年雷暴初日發(fā)生變化幅度大，2004—2010年終日變化幅度較大。

3 雷電災害風險評估區(qū)劃

3.1 地閃密度的分布

雷電災害的易發(fā)區(qū)域主要集中在山前至平原一帶地區(qū)[8-11]，發(fā)生地閃的高頻地區(qū)主要集中在妙峰山、雁翅、百花山一帶，地閃密度值在2.1 fl/（km2·年）以上，這一帶地區(qū)雷電災害較為活躍，自然閃電的發(fā)生頻率最高，很容易造成直接的自然災害。門城地區(qū)（龍泉鎮(zhèn)、永定鎮(zhèn)）位于全區(qū)的中心地段，是全區(qū)的次高風險區(qū)域，一旦發(fā)生災害，造成的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡將是比較嚴重的。下面從雷電災害脆弱性、人員傷亡、受雷擊脅迫下的財產(chǎn)損失風險區(qū)劃圖3個方面來進行分析，圖5給出的是門頭溝區(qū)分區(qū)地閃密度的分布圖。

3.2 雷電的裸風險區(qū)劃

雷電災害的裸風險，即災害的脆弱度，指災害帶來的人員和財產(chǎn)的傷害或損失程度，某一地區(qū)的人口和經(jīng)濟越集中，對災害的脆弱度越高，可能造成的潛在損失越大，災害的風險也就越大。圖6給出了門頭溝地區(qū)雷電災害裸風險的區(qū)劃圖，災害裸風險的高值中心主要分布在雁翅鎮(zhèn)與大臺街道辦事處的交界處、田莊、百花山等地區(qū)，范圍值在9.85～25.35次/（km2·年），這與圖5門頭溝區(qū)的地閃密度分布是相對應的，地閃密集地區(qū)的雷電災害裸風險較大。

3.3 雷電災害人員傷亡風險區(qū)劃

雷電災害帶來最慘痛的代價就是人員的傷亡。由圖7門頭溝區(qū)雷電災害人員傷亡風險區(qū)劃圖可以看出，各鎮(zhèn)、街道的中心地段是人口較為密集的地區(qū)，雷電災害造成的人員傷亡風險也較高。門城地區(qū)、大臺街道辦事處的人員傷亡風險全區(qū)最大，達到0.08～0.14人/（km2·年），其次像雁翅鎮(zhèn)、齋堂鎮(zhèn)、清水鎮(zhèn)等地區(qū)是人員傷亡的次高風險區(qū)，風險值都在0.05人/（km2·年）以上。

3.4 受雷擊脅迫下的財產(chǎn)損失風險區(qū)劃

雷電災害嚴重威脅人民的財產(chǎn)安全，造成不可避免的財產(chǎn)損失。圖8是門頭溝區(qū)受雷擊脅迫下的財產(chǎn)損失風險區(qū)劃圖，可以看出，門城地區(qū)作為全區(qū)的經(jīng)濟中心，每年雷擊災害造成的財產(chǎn)損失達到30萬元/（km2·年）以上，部分地區(qū)甚至達到100萬元/（km2·年）的經(jīng)濟損失。此外，各鎮(zhèn)、街道的中心地段也是經(jīng)濟損失比較嚴重的地區(qū)。

4 結論與討論

（1）門頭溝區(qū)雷暴在空間分布上呈現(xiàn)從西部向東部城區(qū)遞減的特征，主要與地形有關：西部、北部多為山區(qū)，地勢高，山地的抬升作用有利于對流的發(fā)展。鐘幼軍等[8]分析了黑龍江省雷電活動氣候特征指出：由于山地迎風坡的強迫抬升作用很大，山地是雷暴的重要源地。因此，地形對雷暴影響顯著。

（2）近34年門頭溝區(qū)及齋堂站雷暴日數(shù)總體呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢，平均每10年下降0.5 d左右。雷暴的發(fā)生受多種因素制約。徐桂玉等[9]研究了中國南方雷暴的氣候特征，指出1971—1995年中國南方年雷暴次數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的總趨勢，多雷暴帶與主要山地分布密切相關。城市的發(fā)展以及下墊面氣象條件的改變也是雷暴日數(shù)減少的原因之一。

（3）門頭溝區(qū)及齋堂雷暴日數(shù)有明顯的季、月變化。夏季最多，秋季次之，冬季無雷暴發(fā)生；最大值出現(xiàn)在6—7月，這主要是由季節(jié)的氣候特點決定。

（4）發(fā)生地閃的高頻地區(qū)主要集中在妙峰山、雁翅等一帶；居民點、城鎮(zhèn)用地兩類承災體脆弱性相當，脆弱系數(shù)均較大，對于災害的承受能力較差；災害裸風險的高值中心主要分布在雁翅鎮(zhèn)。因此，應建立科學、規(guī)范、系統(tǒng)和動態(tài)的雷電災害風險評估機制，進一步提高門頭溝區(qū)雷電災害應急管理工作水平，為相關管理機構提供制定應對突發(fā)雷電災害的應急預案和相關應急管理措施的科學依據(jù)。

（5）門頭溝區(qū)雷電災害總體表現(xiàn)如下：一是季節(jié)性特征。雷電災害多呈周期性和季節(jié)性；二是局地性強。由于山區(qū)地形復雜，局地小氣候特征明顯，極易發(fā)生局地強天氣；三是災害帶來的危害大。由于山區(qū)交通不便，居民防災減災意識相對淡薄，極易導致嚴重的人員生命財產(chǎn)損失。

（6）隨著氣象災害研究的不斷深入，災害的風險管理以及防災減災能力的提升得到更為廣泛的重視。通過提高人類生命財產(chǎn)安全對雷電災害風險的承受能力，以及雷電災害的控制能力，可以為災害的預測、損失的評估以及減災決策服務提供更為可靠的依據(jù)，對雷電災害的預防與治理、減災規(guī)劃與措施的制定、災害處置措施的建立等都有重要的意義。

（7）針對門頭溝區(qū)地方氣候特點，要加強對雷電的監(jiān)測，研究雷電形成的機理，提高雷電預警預報的能力，各級政府應加大對雷電防御和科研的投入。通過雷電災害風險評估可為評估對象提供雷電防護的科學設計、災害風險控制、經(jīng)濟投資、應急管理等方面服務。防雷減災仍是現(xiàn)代化氣象服務工作的重點，應該常抓不懈，它關系到每一個人的切身利益，應引起高度關注[10]。

（8）應加大氣象災害防御科普知識的宣傳力度，開展氣象信息和防災減災科普知識普及，增強全社會防災減災意識和自救互救能力，增強公眾從我做起意識，合理躲避雷電災害突發(fā)天氣。通過雷電災害科普宣傳，形成監(jiān)測預警、傳播途徑、防御指南、社會救助等社會響應運行機制。加強雷電防護能力，提高人們的自我保護意識，減少災害帶來的人員傷亡損失，是研究首先要解決的問題，也是最具有現(xiàn)實意義的。

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