慶陽市閃電活動與雷電災(zāi)害特征分析

徐 耕，白 鐸，焦美玲，張?zhí)旆?，何樹?/p>

(1.慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000；2.武山縣氣象局，甘肅武山 741300 )

閃電是大自然中一種較為復(fù)雜的物理現(xiàn)象，指的是帶電荷的云層內(nèi)部、云層與大地或云層與云層之間產(chǎn)生的一種距離較長的瞬時放電現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為電壓高、電流大、電磁輻射強，具有三維性、瞬時性、突發(fā)性及破壞性等特點。隨著社會經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷電的發(fā)生頻率更是居高不下，造成的經(jīng)濟損失相當(dāng)多，嚴重時甚至還會造成人員傷亡。雷電災(zāi)害屬于聯(lián)合國公布的十大最嚴重的災(zāi)害之一，全球每年由雷擊災(zāi)害造成的人員傷亡數(shù)量在1萬人以上，由此引發(fā)的通信中斷、電力線路故障、火災(zāi)、爆炸等事故頻發(fā)。因此，如何做好雷電災(zāi)害的防御工作成為相關(guān)工作人員及廣大民眾普遍關(guān)注的熱點問題。全國氣象部門也建立了閃電監(jiān)測網(wǎng)，它為研究閃電活動分布規(guī)律提供了基礎(chǔ)[1-4]。利用該閃電監(jiān)測系統(tǒng)提供的閃電數(shù)據(jù)，可以有效地分析閃電頻次的分布特征，掌握雷電的活動規(guī)律。目前，國內(nèi)已經(jīng)開展了較多的關(guān)于閃電活動特征的研究[5-10]，酈嘉誠利用2006—2010年江蘇省氣象部門閃電定位系統(tǒng)觀測資料，探討了江蘇各地閃電分布差異和閃電活動特征[11]，鄧德文利用2008—2014年ADTD雷電探測定位系統(tǒng)所觀測到的資料，分析了江西省雷電活動的時空分布特征[12]。本文重點探討慶陽市2014—2019年閃電活動及雷電災(zāi)害特征，以期為掌握慶陽市雷電的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，進而為做好雷電災(zāi)害的防御工作提供一定的借鑒與參考。

1 資料來源與區(qū)域概況

1.1 資料來源

所使用的研究數(shù)據(jù)來源于慶陽市2014—2019年8縣區(qū)閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)與中國氣象局氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)的雷災(zāi)統(tǒng)計資料。利用MATLAB軟件，采用數(shù)理統(tǒng)計法針對該地區(qū)閃電監(jiān)測資料及雷電災(zāi)害特征進行分析。

1.2 研究區(qū)概況

慶陽市位于甘肅最東部(106°20′E～108°45′E，35°15′N～37°10′N)，其東部靠近子午嶺，西部連接六盤山，北部臨近羊圈山，全市總面積為27 119 km2，境內(nèi)包括高原、河谷、平川、丘陵等多種地貌類型，地勢整體呈現(xiàn)出由北向南逐漸傾斜的變化趨勢。慶陽市位于大陸性氣候區(qū)，表現(xiàn)出氣候溫和、光照充沛、降水較少等特點。受到氣候、地形等多種因素的影響，慶陽市災(zāi)害性天氣現(xiàn)象發(fā)生頻率較高，其中雷電作為慶陽市最為常見的氣象災(zāi)害之一，造成的影響及危害相當(dāng)嚴峻。據(jù)統(tǒng)計，2014—2019年慶陽市年平均出現(xiàn)22次雷電過程，年均直接經(jīng)濟損失達23 607.66萬元。

2 閃電活動特征分析

2.1 時間分布

2.1.1 年變化 統(tǒng)計2014—2019年慶陽市正負閃電頻次(見表1)情況，總地閃頻次以2018年最高，2019年最少，分別為5 717次、2 616次。慶陽市年平均出現(xiàn)閃電3 746次，年均出現(xiàn)正地閃603次，負地閃3 143次。閃電活動負地閃為主，占年均82.5%左右，年均負地閃出現(xiàn)頻次約為正地閃的5倍，這與雷暴云中電荷結(jié)構(gòu)呈上正下負分布有關(guān)，負電荷接近地面更易于對地進行放電。

表1 2014—2019年慶陽市閃電頻次及所占比例

2.1.2 月變化 慶陽市2014—2019年，除12—2月無閃電活動外，其余各月均有閃電活動。以負地閃為主，正地閃為輔(圖1)。閃電活動主要集中在6—8月，7月最為頻繁。6—8月各月的總閃頻次分別占年總閃電頻次的15%、46%及26%。所以，6—8月是慶陽市防御雷電災(zāi)害的關(guān)鍵時期。

圖1 2014—2019年慶陽市閃電頻次月變化

2.1.3 日變化 慶陽市閃電的日變化(圖2)顯示，每個時刻均有閃電發(fā)生，負地閃頻次與總閃電頻次的日變化趨勢基本一致，為單峰單谷型。閃電活動頻次較低的時段為08—11時，10時達到最小值；11時開始呈現(xiàn)上升趨勢，16時達到一天的最大值。相對比而言，正地閃頻次的日變化趨勢較為平緩，頻次最高的時刻為15時。整體而言，午后與傍晚時間段閃電出現(xiàn)頻次較高，而夜晚及上午發(fā)生閃電活動概率較低。主要因為午后至傍晚受到太陽輻射的加熱作用，這一時間段內(nèi)大氣溫度與地表溫度都比較高，致使靠近地面的大氣獲取較多的能量而輻合抬升，進而易形成對流云，引發(fā)閃電活動。

圖2 2014—2019年慶陽市閃電頻次日變化

由圖3可見，慶陽市各時次正地閃強度的平均值位于53～100 kA之間，00時正地閃強度最小，在04時強度達到最大,而負地閃強度的平均值位于33～54 kA之間，10時的負地閃強度達到最大，最小值出現(xiàn)在19時。整體而言，慶陽市各時刻正地閃的強度高于負地閃強度，但兩者呈反相變化 。

圖3 2014—2019年慶陽市正負地閃強度日變化

2.2 空間分布

2.2.1 閃電頻次 分析慶陽市閃電頻次的空間分布特征(圖4，見第43頁)可以發(fā)現(xiàn)，全市閃電活動較頻繁?？偟膩碚f，南部地區(qū)的閃電頻次明顯多于北部地區(qū)，東部地區(qū)出現(xiàn)閃電的頻次多于西部地區(qū)。對于正地閃而言，高頻區(qū)位于慶陽市中南部與南部，北部及西北部較少；而對于負地閃，高頻區(qū)位于慶陽市的東部，其余地區(qū)相對較少。慶陽市閃電頻次空間分布特征與地理位置、海拔高度及氣候特征有很大的關(guān)系，慶陽市位于甘肅省最東部，東南部地區(qū)植被覆蓋面大，海拔高度從西北至東南呈遞減趨勢。氣候類型為大陸性氣候，夏季強對流天氣較多，尤其林區(qū)強對流天氣更易形成，雷電活動頻發(fā)。因此慶陽市東南部地區(qū)閃電頻次高于西北地區(qū)。

2.2.2 閃電強度 圖5(見第43頁)為慶陽市閃電強度的的區(qū)域分布特征。從正地閃強度區(qū)域分布可以看出，慶陽市西北部和東南角閃電強度較大，最大值出現(xiàn)在東南部與西北部邊緣地區(qū)，平均閃電強度達到了70 kA以上。對負地閃而言，中部偏北地區(qū)負地閃強度較大，負地閃的平均強度達到了40 kA以上，東部及西北部負地閃強度較小。總體表現(xiàn)為：慶陽市中部和西北部閃電強度較大，最大閃電強度為東南角，慶陽市邊界地區(qū)閃電強度相對較小。

3 雷電災(zāi)害特征分析

3.1 時間變化特征

慶陽市雷電災(zāi)害主要出現(xiàn)在每年的6—10月(圖6，見第43頁)，其中以6月雷電災(zāi)害頻次最多，共計65次；7月次之，共出現(xiàn)33次。慶陽市雷電災(zāi)害發(fā)生時間與閃電活動多發(fā)時間基本一致。統(tǒng)計近6年慶陽市雷電災(zāi)害情況(表2)，平均每年發(fā)生22次雷電災(zāi)害事故，受災(zāi)人數(shù)達176 035人，造成的經(jīng)濟損失主要為農(nóng)業(yè)損失。2016年出現(xiàn)雷電災(zāi)害頻次最多，2018年最少，分別為47次和5次。經(jīng)濟損失最為慘重的年份為2016年，2015年受災(zāi)人數(shù)最多，達377 273人。由此可見，雷電災(zāi)害表現(xiàn)出兩個特點，一是雷電災(zāi)害發(fā)生頻率較高，二是雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失尤其是農(nóng)業(yè)損失是巨大的。

表2 2014—2019年慶陽市雷電災(zāi)害統(tǒng)計

3.2 空間分布特征

根據(jù)文獻[13]中的方法對慶陽市雷電災(zāi)害風(fēng)險等級進行劃分，將雷電災(zāi)害風(fēng)險分為高、較高、中、低等4個等級，得到慶陽市雷電災(zāi)害風(fēng)險等級空間分布(圖7，見第43頁)。由圖7可以看出，慶陽市大部分地區(qū)出現(xiàn)雷電災(zāi)害的風(fēng)險等級較低，東部雷電災(zāi)害的等級高于西部地區(qū)，南部高于北部。與慶陽市閃電空間分布特征(圖4、圖5)對比，發(fā)現(xiàn)慶陽市雷電災(zāi)害風(fēng)險等級與慶陽市閃電頻次、強度存在相關(guān)性。慶陽市閃電活動主要以負地閃為主，正地閃為輔。在雷電災(zāi)害風(fēng)險等級高的地區(qū)閃電活動頻次及強度遠高于等級低的地區(qū)，正地閃強度高于負地閃。雷電災(zāi)害等級低的地區(qū)正、負地閃強度差異較小?？梢缘贸鰬c陽市雷電災(zāi)害多數(shù)由負地閃引發(fā)，但較重的雷電災(zāi)害事故為正地閃造成。

圖4 2014—2019年慶陽市閃電頻次區(qū)域分布(單位：次/(km2·a))(文見第42頁)

圖5 2014—2019年慶陽市閃電強度區(qū)域分布(文見第42頁)

圖6 2014—2019年慶陽市雷電災(zāi)害頻次與閃電頻次月對比(文見第42頁)

圖7 2014—2019年慶陽市雷電災(zāi)害風(fēng)險等級空間分布(文見第42頁)

4 結(jié)論

(1)慶陽市年平均出現(xiàn)閃電3 746次，年均正地閃603次，年均負地閃3 143次，東南部地區(qū)出現(xiàn)閃電的頻次高于西北部。閃電活動主要集中在每年的4—8月，其中7月閃電頻次最多，其余月份較少。西北部、北部和東南部正地閃強度較大，峰值出現(xiàn)在東南部，中部地區(qū)正地閃強度較小。中部及中偏西北部地區(qū)負地閃強度較大，東南及西北部負地閃強度較小。

(2)慶陽市閃電活動主要集中在午后及傍晚，負地閃頻次與總閃電頻次的日變化趨勢保持一致，均呈現(xiàn)出單峰單谷的變化，其峰值出現(xiàn)在16時，10時最少。正地閃頻次的日變化相對平緩，最高在15時。各個時刻正地閃的強度都高于負地閃強度，但兩者的呈反相變化。

(3)慶陽市雷電災(zāi)害出現(xiàn)在每年的6—10月，其中以6月出現(xiàn)雷電災(zāi)害頻次最多，7月次之。東部雷電災(zāi)害的風(fēng)險等級高于西部地區(qū)，南部高于北部。雷電災(zāi)害多數(shù)由負地閃引發(fā)，但雷電災(zāi)害事故情節(jié)較為嚴重的由正地閃造成。