云南省雷電活動分布特征及對農(nóng)村地區(qū)的影響分析*

楊宗凱，劉平英，胡 穎，周清倩，莊 嘉

(云南省氣象災害防御技術(shù)中心，昆明 650034)

0 引言

云南省地處低緯高原地區(qū)，全省94%的面積為山區(qū)、半山區(qū)，廣大農(nóng)村地區(qū)雷電災害頻發(fā)多發(fā)，因雷擊造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失嚴重。分析農(nóng)村雷電災害分布特征和致災成因，能夠為確定雷擊防護重點提供參考依據(jù)。近年來，相關(guān)學者圍繞雷電活動規(guī)律及農(nóng)村雷電防御工作進行了深入研究，張騰飛等[1]分析雷電災害與局地氣候、地形及地貌的相關(guān)性； 錢慕暉等[2]統(tǒng)計多年雷電災害損失資料，分析雷災分布特點； 田艷婷、吳安坤等[3-4]從易損性分析角度出發(fā)，選取雷電災害頻數(shù)、經(jīng)濟和生命易損模數(shù)等評估指標對雷電災害易損性進行評估； 扈海波等[5]研究雷電災情綜合評估方法，分析雷電活動規(guī)律與雷電災害的相關(guān)性； 朱涯[6]綜合分析高程數(shù)據(jù)、地形地貌、土地利用情況及人口密度等因子對雷電致災的影響； 張燁方、盛梅等[7-8]提出了基于地理信息處理技術(shù)的網(wǎng)格化雷電災害風險分析技術(shù)，實現(xiàn)了閃電數(shù)據(jù)與地理信息的疊加與實踐應用； 彭啟洋、李霞等[9-10]分析農(nóng)村地區(qū)雷電災害現(xiàn)狀和特征，提出農(nóng)村雷災防御措施及建議。文章基于以上研究成果，分析云南省雷電活動時空分布特征，探討雷電活動對農(nóng)村地區(qū)的影響，歸納農(nóng)村雷電災害的損失類型和分布特點，確定雷電防護重點，提出防御措施及建議，以期為加強農(nóng)村地區(qū)雷電災害風險管理提供參考依據(jù)。

1 資料來源和分析方法

根據(jù)2013—2017年云南省閃電定位監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用ArcGIS空間分析功能和自然斷點法確定各地區(qū)雷電易發(fā)等級程度，掌握全省地閃活動規(guī)律和演變特征。雷電災害資料來源于近5年云南省各州(市)氣象部門上報的統(tǒng)計報告，通過分析農(nóng)村雷電災害損失類型，比較不同孕災環(huán)境下雷災次數(shù)和人員傷亡的分布情況，確定各地區(qū)的雷電風險等級和災害防御重點，研究農(nóng)村地區(qū)雷電致災成因機制，提出相應的防范措施及建議。

2 雷電致災因子的分布特點

2.1 云南省雷電易發(fā)區(qū)域劃分

基于ArcGIS中的自然斷點法對閃電數(shù)據(jù)進行分級，主要依據(jù)為各地年平均地閃密度，該參數(shù)反映了地閃活動的頻繁程度，數(shù)值越高，說明區(qū)域遭受雷擊的可能性越大。自然斷點法原理是一個小聚類，聚類結(jié)束條件是組間方差最大、組內(nèi)方差最小，計算方式如式(1)所示，將雷電易發(fā)等級劃分為極高、高、較高、中、一般共5級，形成2013—2017年云南省雷電易發(fā)區(qū)域(圖1)。雷電極高易發(fā)區(qū)主要分布在滇中、滇西南等地區(qū)，涉及昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、紅河、麗江等地，該等級區(qū)域約占云南省總面積的3.53%，這些地區(qū)年平均地閃密度都在1.50次/(km2·年)以上，雷電活動頻繁密集，雷擊風險隱患較大； 雷電高易發(fā)區(qū)面積所占比例為12.22%，涉及昆明、楚雄、玉溪、曲靖、麗江、西雙版納、文山、紅河、普洱等州(市)； 較高易發(fā)區(qū)所占比例為21.81%，集中在滇中、滇東南及滇西南等地區(qū)； 中易發(fā)區(qū)所占比例為29.88%； 一般易發(fā)區(qū)所占比例為32.56%，主要分布于滇東北及滇西北，涉及迪慶、怒江、昭通等州(市)，這些地區(qū)年平均地閃密度均在0.5次/(km2·年)以下，雷電活動較弱，區(qū)域遭受雷擊的程度較其他地區(qū)更低。

(1)

式(1)中，SSD為方差；i、j為第i、j個元素；A為長度為N的數(shù)組；k為i、j中間的數(shù)，表示A組中的第k個元素。

2.2 地閃強度的空間分布特征

近5年云南省地閃強度的空間分布(圖2)可看出，地閃強度的高值區(qū)主要分布在昭通市及迪慶州，在地閃活動較為頻繁的滇中、滇西南等地區(qū)，地閃強度卻相對較小，地閃強度的空間分布呈現(xiàn)北高南低的特征，正地閃平均電流強度為52.43kA，負地閃平均電流強度為-36.29kA，正、負地閃電流強度的絕對值主要集中在15～45kA。

圖1 云南省雷電易發(fā)區(qū)域劃分 圖2 云南省地閃強度的空間分布特征

2.3 地閃活動的時空分布特征

2.3.1 地閃次數(shù)的時間分布

如圖3所示， 2013—2017年云南省共發(fā)生地閃活動283.654 1萬次， 4月份以后，地閃活動增強，集中發(fā)生在6—9月，該時段累計地閃次數(shù)達223.401 0萬次，占全年總地閃次數(shù)的78.8%， 8月份地閃次數(shù)達到峰值， 10月份以后，全省閃電活動減弱，地閃次數(shù)的逐月分布呈單峰型分布。地閃次數(shù)逐時分布如圖4所示，午后到傍晚是地閃活動的高發(fā)時段，峰值出現(xiàn)在17：00～18： 00。由于午后強烈的太陽輻射，下墊面溫度升高，形成熱力對流和抬升條件，對流不穩(wěn)定能量逐漸累積，地閃活動增強，夜間由于熱力條件降低，閃電活動減弱。

圖3 近5年云南省地閃次數(shù)的逐月變化特征 圖4 近5年云南省地閃活動的逐時變化

3 農(nóng)村雷電災害分布特征

3.1.1 農(nóng)村雷電災害占比情況

從表1中可看出， 2013—2017年云南省共發(fā)生雷電災害229起，其中農(nóng)村雷電災害93起，占總雷災起數(shù)的40.61%，損壞電氣系統(tǒng)及電子設(shè)備900余件，損壞農(nóng)村建筑物43間，雷擊共造成116名農(nóng)村人員傷亡，占雷擊傷亡總?cè)藬?shù)的78.38%。

表1 2013—2017年云南省農(nóng)村雷電災害損失及占比情況

3.1.2 農(nóng)村雷電災害的時空分布分析

將圖5與云南省雷電易發(fā)區(qū)域進行對比可看出，在地閃活動頻繁的昆明、曲靖、玉溪、普洱、西雙版納、麗江等雷電易發(fā)地區(qū)，雷電災害發(fā)生密集，在怒江、迪慶等地閃活動較弱地區(qū)，雷電災害相對較少。在地閃活動強度較大的昭通地區(qū)，農(nóng)村雷電災害也頻發(fā)多發(fā)。如圖6所示，農(nóng)村雷電災害集中發(fā)生在5—9月， 8月份農(nóng)村雷電災害最多，這主要是由于5月份以后，閃電活動逐漸增強，農(nóng)民群眾處于農(nóng)田、山坡等戶外區(qū)域從事農(nóng)事勞作，遭受直擊雷的概率增大，雷擊人身傷亡事件增多。

圖5 農(nóng)村雷電災害的空間分布 圖6 農(nóng)村雷電災害的逐月分布

圖7 農(nóng)村雷電災害損失類型分析 圖8 雷擊人員傷亡場所分布

3.1.3 農(nóng)村雷電災害損失類型及雷擊人員傷亡的場所分布

如圖7所示，農(nóng)村雷災損失類型主要表現(xiàn)為雷擊人身傷亡，占農(nóng)村雷災總數(shù)的49.55%，其次為雷擊造成的電器電子設(shè)備損失，占28.83%，雷擊導致農(nóng)村建(構(gòu))筑物受損及牲畜傷亡事件所占比重也較大。由圖8可看出，發(fā)生在農(nóng)田的雷擊人身傷亡事件的比重在50%以上，村民在樹下、山坡、水域附近及路邊等空曠野外區(qū)域容易遭受直擊雷侵襲。閃電活動具有隨機性和突發(fā)性，雷雨天氣下，若農(nóng)民群眾防御措施不當，田間地頭缺乏安全有效的雷電防御應急避險場所，增大了人員遭受雷擊的風險隱患。

4 云南省農(nóng)村雷電致災成因分析

4.1 低緯高原地區(qū)雷電致災因子的危險性

云南省地處低緯高原地區(qū)，地形地貌和地理位置特殊，是全國雷暴高發(fā)區(qū)之一，全省地閃密度較高的地區(qū)主要分布在滇中、滇西南等地區(qū)，昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、紅河、西雙版納、麗江的大部分區(qū)域雷電易發(fā)程度都在高等級以上，這些地區(qū)農(nóng)村雷電災害發(fā)生頻數(shù)也較高，雷電活動發(fā)生頻繁的地區(qū)，農(nóng)村雷電災害也頻發(fā)多發(fā)。此外，昭通市雖然地閃密度值較小，但其地閃強度較大，該地區(qū)山區(qū)面積占72.5%，居住在鄉(xiāng)村的人口數(shù)量所占比重較大，農(nóng)村雷電災害也發(fā)生頻繁。怒江、迪慶所處緯度較高，地閃活動較少，加上地廣人稀，其雷電災害發(fā)生頻數(shù)較低，由此可見，農(nóng)村雷電災害的時空分布與地閃活動致災因子存在較好的對應關(guān)系。

4.2 農(nóng)村地區(qū)雷電孕災環(huán)境的敏感性

除地閃活動外，云地閃分布還受下墊面地形地貌的影響[11-12]，云南地形地貌復雜，滇西北山巒起伏，地勢險峻，不利于冷空氣侵入，滇中地形波狀起伏，滇南地區(qū)地勢較低。地形條件有利于南部來的暖濕氣流和北部來的冷空氣在滇中、滇東及以南區(qū)域交匯，暖濕空氣自南向北隨著地形升高，逐漸抬升，形成對流不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生雷暴天氣。云南省94%的面積為山區(qū)、半山區(qū)，廣大山區(qū)農(nóng)村是雷電災害防御的薄弱區(qū)。山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的防雷裝置不完善，田間地頭缺乏雷電防護應急避險場所，在雷電高發(fā)時段，處于農(nóng)田、山坡、樹下、水域等戶外區(qū)域的農(nóng)民群眾易遭受直擊雷侵襲，當農(nóng)民群眾處于樹下避雨時，頭頂與等高度的樹干之間的電位差超過空氣的擊穿強度時，雷電流可通過空氣間隙向人體放電，當人員處于山地時，由于山坡地形陡峭，因跨步電壓也可導致人員傷亡。水域附近的土壤電阻率較小，巖石和土壤交界處的土壤電阻率變化明顯，處于這些區(qū)域的人員也容易遭受雷擊。

4.3 農(nóng)村地區(qū)承災體的易損性

承災體發(fā)生雷電災害的頻數(shù)越高，其抵御雷擊的能力也較弱。直擊雷產(chǎn)生強大的機械力及電動力作用，造成建(構(gòu))筑物損壞，雷電流入地過程中形成的電位梯度過大，導致附近人員因跨步電壓或接觸電壓而受到危害。雷擊電磁脈沖產(chǎn)生的暫態(tài)高電位和電磁脈沖以傳導、耦合等方式侵入室內(nèi)家用電器電子設(shè)備，引發(fā)火災、爆炸等次生災害。廣大山區(qū)農(nóng)村的房屋建設(shè)缺乏科學有效的防雷設(shè)計指導，供電、通信線路和家電設(shè)備的防雷設(shè)施建設(shè)滯后，存在防雷安全隱患。農(nóng)民群眾防雷避險意識淡薄，防雷科普程度不高，采取的防雷措施不當，導致雷擊人身傷亡事件發(fā)生普遍。因此，完善農(nóng)村防雷設(shè)施，建立戶外防雷應急避險場所，加強農(nóng)村防雷減災宣傳科普，對提高農(nóng)村地區(qū)雷電災害防御能力至關(guān)重要。

5 農(nóng)村地區(qū)雷電災害防御措施研究

5.1 組織開展農(nóng)村防雷減災示范工程，強化雷電災害防御能力

針對云南省農(nóng)村雷電災害頻發(fā)多發(fā)實際，云南省氣象部門于2013年組織實施“農(nóng)村防雷減災示范工程”，選取雷電災害損失嚴重及防雷設(shè)施不完善的農(nóng)村地區(qū)作為防雷減災工程建設(shè)示范點，開展農(nóng)村雷電災害風險調(diào)查、評估及選點，建設(shè)雷電災害應急避險場所，完善農(nóng)村防雷裝置及防雷科普宣傳，截止2017年底，已完成全省48個農(nóng)村防雷減災示范工程建設(shè)(圖9)，建成144座避雷塔， 18座戶外防雷應急避險亭，及時發(fā)布雷電預警信息，開展農(nóng)村防雷科普宣傳講座，接受農(nóng)民防雷咨詢解答，有效防御和減少了農(nóng)村地區(qū)雷電災害損失。

圖9 云南省農(nóng)村防雷減災示范工程實施點分布

5.2 加強農(nóng)村防雷科普宣傳和技術(shù)指導

開展農(nóng)村防雷安全技術(shù)指導，制作防雷避險手冊，加強農(nóng)村雷電科普知識和防雷減災法律法規(guī)宣傳，通過鄉(xiāng)村大喇叭、廣播、電視、報紙、網(wǎng)絡以及手機短信等方式，強化雷電災害防御覆蓋面，實現(xiàn)雷電科普防護知識進村入戶，切實提高農(nóng)民群眾自我防護和救助能力。

5.3 加強農(nóng)村雷電預警信息發(fā)布和雷災分析研究

加強對農(nóng)村雷電監(jiān)測技術(shù)、雷電致災機理研究，強化雷電監(jiān)測網(wǎng)和雷電災害預警預報系統(tǒng)的建設(shè)，推進雷電災害易發(fā)區(qū)的村莊等地點的防御設(shè)施建設(shè)，為農(nóng)村雷電防御提供區(qū)劃評估依據(jù)。暢通農(nóng)村雷電預警信息發(fā)布和雷電災害上報渠道，開展雷電災害風險隱患普查，切實提升農(nóng)村雷電災害防御水平。

6 結(jié)論

(1)雷電活動是影響農(nóng)村雷電災害發(fā)生的主要致災因子，昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、紅河、西雙版納、麗江等州(市)的大部分區(qū)域的雷電易發(fā)程度都在高等級以上，這些地區(qū)雷電活動頻繁密集，雷擊導致人身傷亡和經(jīng)濟損失的風險隱患較大。滇西北及滇東北地閃活動較弱，怒江、迪慶和昭通的地閃活動相對較弱，但地閃強度較大。全省地閃活動主要發(fā)生在6—9月，該時段地閃次數(shù)占全年總地閃次數(shù)的78.8%， 8月份地閃活動最強，午后到傍晚是地閃活動的高發(fā)時段。

(2)2013—2017年云南省共發(fā)生雷電災害229起，農(nóng)村雷電災害發(fā)生93起，占比達到40.61%，雷擊共造成116名農(nóng)村人員傷亡，占雷擊傷亡總?cè)藬?shù)的78.38%。農(nóng)村雷電災害集中發(fā)生在5—9月， 8月份農(nóng)村雷電災害最多，與雷電活動的時空分布存在較好的對應關(guān)系。在地閃活動頻繁、地閃強度較大的地區(qū)，雷電災害也發(fā)生密集，雷擊對農(nóng)村造成的損失類型主要表現(xiàn)為人身傷亡，主要分布在農(nóng)田、樹下、山坡及水域等空曠野外區(qū)域。

(3)農(nóng)村雷電災害與區(qū)域孕災環(huán)境和承災體防雷設(shè)施建設(shè)緊密相關(guān)，農(nóng)村地區(qū)防雷設(shè)施不完善，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)缺乏科學的雷電防護設(shè)計與指導，導致承災體抵御雷擊的能力薄弱。通過開展農(nóng)村防雷減災示范工程，加強防雷科普宣傳和技術(shù)指導，采用多種渠道加大雷電預警信息覆蓋面等能夠增強農(nóng)村雷電災害防御能力。