城市效應對區(qū)域雷電活動影響分析與災害防御

張科杰，成 勤

（1湖北省防雷中心，武漢430074；2宜昌市氣象局，湖北宜昌443000）

0 引言

雷電是雷暴天氣中發(fā)生的一種長距離瞬時放電現(xiàn)象，云體對大地放電，被稱為云地閃，云地閃在放電過程中會產(chǎn)生大電流、高溫、強電磁輻射和沖擊波等物理效應[1]，對人類的生產(chǎn)生活環(huán)境產(chǎn)生了影響。城市是人口和建筑密集集中區(qū)域，據(jù)中國社科院發(fā)布的《中國城市發(fā)展報告No.2》統(tǒng)計，百萬人口以上城市達118座[2]。城市的建設(shè)改變了該區(qū)域原有的下墊面特征，原有的自然土壤、植被、水域等被眾多低反射率高吸熱性的建筑、道路所取代。城市在結(jié)構(gòu)形態(tài)上，密集的建筑物降低街區(qū)天穹可見度，使白天進入城市的短波輻射通過多次反射使城市內(nèi)部存儲更多熱量[3]。鋼筋混凝土的建筑和硬化的路面比非城區(qū)的土壤和植被吸熱更快，同時城市消耗的大量能源使大氣增加了一定數(shù)量人為熱，這些人為的活動改變了城市近地層的大氣結(jié)構(gòu)[4]，形成了以城市效應為主的局地氣候，如城市熱島效應、城市雨島效應、城市混濁島效應。隨著城市的快速擴展和城市人口的日益增多，城區(qū)及其周邊地區(qū)的天氣和氣候條件發(fā)生了顯著改變[5-6]。多種綜合因素形成了城市效應，這種效應影響著人類的生活，因此城市氣候效應受到廣泛關(guān)注。同時，城市化的建設(shè)對周邊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境也有著不同程度的影響。諺語有云：雷雨發(fā)莊稼，雷電能使空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化成硝酸，即植物生長需要的氮肥，能對作物的生長起到良性的效果。

長期以來，國內(nèi)外一些學者對城市氣候以及雷電發(fā)生的機制和時空分布特征的研究付出了大量的精力，如李瑞芳等[7]采用廣東省雷電資料，利用Arc Map對地域及氣候?qū)纂妳?shù)的影響作出了一定的分析；高磊等[8]對上海市城區(qū)與郊區(qū)不同地形地貌下云地閃分布規(guī)律作了初步研究；胡艷等[9]利用上海市雷暴資料分析得出雷電呈現(xiàn)市區(qū)少、郊區(qū)多的特點；而NtelekosAA[10]對美國Baltimore的雷暴研究發(fā)現(xiàn)，城區(qū)會比同樣位置的完全沒有城市建筑的地域多吸引30%的雷雨天氣；Rozoff C M[11]得出城市熱島效應在一定程度上增加了城區(qū)及城鄉(xiāng)交界區(qū)域雷暴發(fā)生的頻數(shù)的結(jié)論；江平等[12]對江漢平原近十年的雷電活動進行了分析，得出了以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主的區(qū)域雷電活動的規(guī)律。在上述研究成果中，多數(shù)學者只是對單一樣本或區(qū)域的雷暴活動作出了分析，而且根據(jù)上述研究筆者發(fā)現(xiàn)，選取地域不一樣，導致研究結(jié)論各異。

城市化的建設(shè)會對城區(qū)和周邊農(nóng)村地區(qū)雷電產(chǎn)生何種影響，目前尚無相關(guān)研究。因此，為了研究湖北地區(qū)城市效應對雷電產(chǎn)生的影響，根據(jù)湖北省雷電監(jiān)測資料，對湖北幾個較大城市的城區(qū)和非城區(qū)的云地閃活動狀況做出了統(tǒng)計分析，旨在揭示自然環(huán)境的改變對雷電活動規(guī)律產(chǎn)生的變化，對不同區(qū)域雷電防護重點提供理論依據(jù)，以期為城區(qū)和周邊農(nóng)村地區(qū)雷電防護工程設(shè)計提供理論依據(jù)，為減少雷電災害發(fā)生提供數(shù)據(jù)參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文中所用的云地閃電資料來源于湖北省ADTD雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用磁向(MDF)和時差(TOA)聯(lián)合法(IMPACT)進行雷電探測的第2代云地閃定位系統(tǒng)[13-14]。湖北省ADTD雷電探測系統(tǒng)于2006年建成，包含13個探測子站，在全國范圍內(nèi)屬較早組網(wǎng)并投入業(yè)務運行的省份[15]。本研究選取的資料年限范圍為2007年1月1日—2016年12月31日，本研究所述的云地閃電數(shù)據(jù)為回擊數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理時，將數(shù)據(jù)庫中的雷電流強度絕對值大于500 kA的異常閃電記錄剔除[16]。選取研究樣本的中心經(jīng)緯度來源于谷歌地球定位數(shù)據(jù)。

1.2 統(tǒng)計方法

考慮到地形對云地閃電產(chǎn)生的影響，本研究樣本選取了1個特大城市武漢，以及2個平原城市荊州、襄陽和2個山區(qū)城市宜昌、十堰做綜合分析。選取樣本城市的閃電探測效率均在90%以上，如圖1所示?？紤]到城市發(fā)展的差異，武漢市選取的城區(qū)統(tǒng)計半徑為10 km，其余城市選取的城區(qū)統(tǒng)計半徑為5 km。為避免城市邊界層效應對云地閃造成的影響[17]，在統(tǒng)計非城區(qū)云地閃時，選取的地域范圍為剔除城區(qū)2倍半徑的圓形區(qū)域后，再往外擴展相同半徑范圍的1個環(huán)狀區(qū)域。在季節(jié)劃分上，采用按照月份劃分的方式，即春季為3—5月；夏季為6—8月；秋季為9—11月；冬季為12月以及1月、2月。根據(jù)所選城市和區(qū)域，分別統(tǒng)計以上述區(qū)域內(nèi)的閃電強度、閃電頻次、發(fā)生的時間等參數(shù)，并將城區(qū)和非城區(qū)兩類數(shù)據(jù)做出對比。

2 城區(qū)與非城區(qū)云地閃電特征對比分析

2.1 密度特征

圖2為5個城市城區(qū)和非城區(qū)云地閃密度對比圖，圖中主縱坐標軸為城區(qū)和非城區(qū)的云地閃密度刻度值，副縱坐標軸為城區(qū)和非城區(qū)云地閃密度差異比刻度值。從圖2中可以看出，相同城市城區(qū)云地閃密度均小于非城區(qū)云地閃密度。其中，十堰市的差異最大，同比非城區(qū)比城區(qū)云地閃密度高出70.26%；宜昌市的差異最小，同比非城區(qū)比城區(qū)云地閃密度僅高5.69%。同時，由圖2可知，云地閃密度越大的城市，城區(qū)和非城區(qū)的差異越小，云地閃密度越小的城市，城區(qū)和非城區(qū)差異越大。5個城市中，山區(qū)和平原城市在一定范圍內(nèi)云地閃密度未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的變化，即地形的變化未對雷電頻次產(chǎn)生決定性的干擾。已有研究顯示，高層建筑會對其周邊的雷電頻次增多[18-19]，而本研究分析的5個城市，非城區(qū)云地閃密度均大于城區(qū)。由于城市的建筑和道路具有吸熱大特點，熱島效應顯著，溫度較非城區(qū)高，城市中主要以上升氣流為主[19]，熱島效應產(chǎn)生的局地的氣候環(huán)境，可能是造成這一差異的主要成因。

圖1 湖北地區(qū)閃電理論探測效率示意圖

圖2 云地閃密度對比

2.2 日變化對比

2.2.1 分時頻度對比 圖3給出了2007—2016年云地閃頻次日變化規(guī)律對比圖，圖中橫坐標0代表0—1時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以此類推。由于采用分時段統(tǒng)計時，單個城市樣本單時段的閃電樣本偏少，數(shù)據(jù)容易因極端個別事件對結(jié)果產(chǎn)生偏差，故分析日頻度時，將5個城市的城區(qū)和非城區(qū)云地閃頻次分別作了疊加，減小數(shù)據(jù)發(fā)生偏差的風險。同時，對比分析時采用的相同半徑和擴展圓弧不同區(qū)域面積，云地閃頻次受到統(tǒng)計面積差異的影響，不能反應兩者之間的變化規(guī)律，故對日頻度變化分析時，采用逐小時云地閃頻次占全天云地閃頻次百分比來反應變化率。

圖3 云地閃頻次日變化對比

由圖3可以看出，城區(qū)波動幅度比郊區(qū)大，且一天之中占比最大和最小的值均出現(xiàn)在城區(qū)中。其中，城區(qū)云地閃發(fā)生最弱的時段為9—10時，該時段云地閃僅占比0.94%；云地閃發(fā)生最強的時段為18—19時，該時段云地閃僅占比13.52%。非城區(qū)云地閃發(fā)生最弱的時段為8—9時，該時段云地閃僅占比1.69%；云地閃發(fā)生最強的時段為18—19時，該時段發(fā)生的云地閃僅占比10.72%。城區(qū)和郊區(qū)云地閃發(fā)生最多的時段相同，最少的時段相近，云地閃活動最頻繁時段均為14—20時，這一研究結(jié)果與文獻[16]結(jié)果吻合。

2.2.2 分時強度對比 通過對分時段城區(qū)和非城區(qū)的閃電強度統(tǒng)計，筆者發(fā)現(xiàn)，城區(qū)逐小時的正云地閃平均強度分布在23～62 kA之間，負云地閃分布在29～45 kA之間，總閃強度分布在29～45 kA之間；非城區(qū)正云地閃平均強度分布在32～50 kA之間，負云地閃分布在31～40 kA之間，總閃強度分布在32～40 kA之間。從幅值分布跨度上看，城區(qū)正、負、總閃的跨度值分別為39、16、16 kA，非城區(qū)正、負、總閃的跨度值分別為18、9、8 kA。城區(qū)跨度值明顯大于非城區(qū)跨度值。

為了更加直觀的表現(xiàn)城區(qū)與非城區(qū)逐小時閃電強度的差異，筆者將城區(qū)和非城區(qū)逐小時對應的強度數(shù)據(jù)做了差值處理，用城區(qū)閃電強度值減去非城區(qū)閃電強度值，作出圖4。由圖4可以看出，正閃差值上下波動較大，無明顯變化規(guī)律。其原因可能是由于在自然界中，正閃占比相對較小，且雷電流幅值較大，造成偏差的因素較多造成的。負閃和總閃的差值多數(shù)時段均為正，說明城區(qū)閃電強度多數(shù)時段大于非城區(qū)閃電強度，全天共6個時段的負閃和總閃強度非城區(qū)比城區(qū)大，其有4個時段出現(xiàn)在午后，而此時間段正是一天之中氣溫最高的時段。6—11時，是城區(qū)和非城區(qū)差值最大的時段。由于城區(qū)和非城區(qū)一天之中溫度變化趨勢一致，城區(qū)溫度各時段均大于郊區(qū)[20]，說明雷電流強度的差異受溫度的影響顯著。

圖4 城區(qū)與非城區(qū)云地閃電強度差值

2.3 月變化對比

2.3.1 月頻度對比 通過對城區(qū)和非城區(qū)的閃電數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，城區(qū)云地閃6月和7月最多，約64.04%的云地閃出現(xiàn)在這2個月；1月和12月是云地閃頻次最少的月份，只有約0.02%的云地閃在這2個月發(fā)生。非城區(qū)云地閃最多的月份和最少的月份和城區(qū)相同，但占比有所區(qū)別。非城區(qū)約71.06%的云地閃出現(xiàn)在6月和7月，只有約0.01%的云地閃出現(xiàn)在1月和12月。

為了直觀反映各月城區(qū)與非城區(qū)云地閃頻次占比的差異，圖5繪制了城區(qū)與非城區(qū)總閃、正閃和負閃頻次分月占比差值對比圖。圖5中比例為正對應為當月城區(qū)占其全年比例高于非城區(qū)，其整體差異在-4%～2%以內(nèi)浮動。由于不論是城區(qū)還是非城區(qū)，負閃頻次占全年閃電頻次的90%以上，總閃頻次各月占比分布曲線的90%權(quán)重來源于負閃，故總閃趨勢與負閃趨勢幾乎相同。由圖5可知，全年正閃頻次占比城區(qū)均大于非城區(qū)，負閃差值和總閃差值1—6月（4月除外）隨著溫度的升高差異逐漸變大，城區(qū)大于非城區(qū)；6—7月有一個反轉(zhuǎn)，從7月開始，云地閃電頻次月占比變?yōu)榉浅菂^(qū)大于城區(qū)，且隨著月份的推移差值逐漸變小。差異極值均出現(xiàn)在7月，其中正閃頻次占比城區(qū)大于非城區(qū)，負閃和總閃占比非城區(qū)大于城區(qū)。

圖5 總閃、正閃頻次月變化比例分布對比差值

2.3.2 月強度對比 表1給出了城區(qū)和非城區(qū)全年各月平均閃電強度的極值出現(xiàn)的時間及量級。由表1可知，除正閃外，城區(qū)負閃、總閃月平均強度的極小值和極大值均明顯小于非城區(qū)。極值出現(xiàn)的月份均在氣溫不高、閃電活動不多的月份。

通過對逐月城區(qū)和非城區(qū)閃電強度的差值處理，得出圖6。由圖6可以看出，1月和12月城區(qū)和非城區(qū)云地閃強度差異最大。但在樣本統(tǒng)計范圍內(nèi)，城區(qū)累計發(fā)生云地閃2次，占全年比例為0.02%；非城區(qū)累計發(fā)生云地閃9次，占全年比例為0.01%。由于統(tǒng)計樣本中云地閃頻次過少，故此兩個月的云地閃差值狀況不具代表性。從2—11月閃電強度差值來看，正閃強度差值波動較大，負閃、總閃強度差值相對較為一致，除9月以外，其余月份城區(qū)閃電強度均大于非城區(qū)。閃電強度差值的極小值出現(xiàn)在8月，該月閃電強度差值不到1 kA。整體數(shù)據(jù)，環(huán)境氣溫越高，對于閃電強度的影響越不明顯。

表1 月閃電平均強度極值及出現(xiàn)時間 kA

圖6 閃電強度幅值差值

2.4 季節(jié)對比

2.4.1 季頻次對比 表2給出了不同季節(jié)城區(qū)和非城區(qū)云地閃頻次對比數(shù)據(jù)，表中頻次數(shù)據(jù)為5個城市樣本的和值。四季之中，夏季雷電活動最頻繁，冬季雷電活動最弱，雷電受季節(jié)因素的影響較為顯著，城區(qū)和非城區(qū)在季節(jié)分布上呈現(xiàn)一致性。在同季對比中，夏季的云地閃頻次占比城區(qū)與非城區(qū)差異最大，冬季差異最小，同季節(jié)溫差對雷電的影響是顯著的。這一統(tǒng)計結(jié)論進一步說明了城市熱島效應在減弱城區(qū)雷電活動的效應，與單個城市密度對比結(jié)論吻合。

2.4.2 季強度對比 由圖7可知，除夏季和秋季的正閃強度差值外，春冬兩季的正、負、總閃，夏秋兩季的負閃和總閃平均強度城區(qū)均大于非城區(qū)。由此可見，城區(qū)和非城區(qū)各季雷電流幅值差異明顯，云地閃強度在更大時間尺度的差異較日均變化和月均變化更為顯著。

表2 城區(qū)和非城區(qū)云地閃頻次占比季節(jié)分布

圖7 不同季節(jié)閃電強度差值

3 災害防御

馬明等[21]統(tǒng)計分析了32071例雷災事件，得出了雷災中受傷害的農(nóng)民占總死傷人數(shù)的93%，城市人員僅占7%的統(tǒng)計結(jié)論。城市雷電災害通常以電子設(shè)備損壞為主，而農(nóng)村地區(qū)的雷電災害常常造成人員傷亡。

通過本研究對2種不同區(qū)域的雷電流特性分析，我們得知了城區(qū)受到局地氣候的影響較大，雷電流的波動幅度大，但是雷擊大地密度非城區(qū)大于城區(qū)，非城區(qū)雷擊次數(shù)高，是造成雷電災害的一個因素。但是，關(guān)鍵因素在于，城區(qū)較非城區(qū)，有著更為完善的防雷措施。建筑物作為一個天然屏障，防御了大部分的直擊雷，雷電對人體的傷害概率較低。而非城區(qū)地域空曠，建筑物的防雷措施不完善，導致了雷電容易對人體造成傷害。結(jié)合本研究已得到的數(shù)據(jù)，筆者認為，城市的雷電防護應加強對電子電氣設(shè)備的防護，同時，在防護設(shè)計時，提高相應的雷電流防護級別。農(nóng)村地區(qū)應建立完善的直擊雷防御措施，可有效的降低因雷災致死的災情發(fā)生，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

本研究利用湖北省5個城市城區(qū)和非城區(qū)2007—2016年閃電定位資料，對樣本城區(qū)和非城區(qū)云地閃密度以及日頻、月頻、季節(jié)變化進行了對比分析。得出以下主要結(jié)論：

（1）5個統(tǒng)計樣本中，城區(qū)云地閃密度均小于非城區(qū)云地閃密度，云地閃密度越大的城市，城區(qū)和非城區(qū)的云地閃密度差異越小，反之則越大。云地閃密度受溫度的影響較大，城市熱島效應對同一氣候區(qū)域雷電活動影響明顯，其減小了城區(qū)雷電發(fā)生的概率。

（2）云地閃日頻分布城區(qū)波動幅度比非城區(qū)大。其中，城區(qū)云地閃發(fā)生最弱的時段為9—10時，非城區(qū)為8—9時，最強的時段均為18—19時，最頻繁時段均為14—20時。平均全天超過80%的時段，云地閃強度城區(qū)大于非城區(qū)，且分時城區(qū)雷電流平均跨度值明顯大于非城區(qū)，城區(qū)受到局地氣候的影響較大。

（3）全年各月正閃頻次占比城區(qū)均大于非城區(qū)。負閃差值和總閃差值呈現(xiàn)上下半年規(guī)律變化：1—6月（4月除外）城區(qū)大于非城區(qū)，7—12月，非城區(qū)大于城區(qū)，氣溫越高的月份差值越小。雷電高發(fā)的月份城區(qū)云地閃強度均大于非城區(qū)。

（4）夏季為雷電活動最頻繁季節(jié)，冬季雷電活動最弱，雷電受季節(jié)因素的影響明顯。各季城區(qū)平均云地閃強度普遍大于非城區(qū)。

（5）城市化對雷電的密度、強度產(chǎn)生的影響明顯。整體來看，城市化效應使城區(qū)的云地閃密度降低，云地閃強度增加，且呈現(xiàn)出雷電流幅值跨度大等不穩(wěn)定性，相對于非城區(qū)更容易出現(xiàn)極端雷暴事件。

（6）城區(qū)的雷電防護重點在于對大電流的應對，農(nóng)村地區(qū)的雷電防護重點在于直擊雷的防護，有針對性的采取防護措施，可有效降低雷電災害的發(fā)生。

以上結(jié)論是基于湖北省5個城市樣本統(tǒng)計分析出的結(jié)論，由于可供選擇數(shù)據(jù)樣本有限，選取的城市樣本中，只有武漢屬于特大城市，樣本的差異可能會對結(jié)果產(chǎn)生直接影響。同時，新的城市群和下墊面特性復雜的城市連綿帶，它們不僅有自身的城市氣候效應分布與變化規(guī)律，而且還相互影響和作用，對區(qū)域氣候的改變?nèi)找骘@著[22]。在今后的研究中，將著重于搜集對全國范圍特大城市的雷電資料，以便更好地揭示城市效應對雷電產(chǎn)生的影響。