濟南地區(qū)雷電活動的時空分布特征分析及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究

夏一楠魏光龍

(1.濟南市章丘區(qū)氣象局，山東 濟南 370114；2.淄博市氣象局，山東 淄博 255000)

濟南市簡稱“濟”，別稱“泉城”，是山東省省會，全國15個副省級城市之一，也是環(huán)渤海地區(qū)南翼的中心城市，是山東省的政治中心、文化中心、教育中心以及科技中心等。濟南市位于N36°39′03″，E117°06′50″，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢南高北低[1]，屬于大陸溫帶季風氣候，一年四季分明,陽光照射充沛，年平均氣溫13℃左右，冬季1月最冷，平均氣溫-2℃左右，夏季7月最熱，平均氣溫27℃左右。年平均降雨量614mm。冬季，濟南為極地大陸氣團控制，受到來自西伯利亞的干冷氣團的侵襲，盛行東北風、北風、西北風，出現(xiàn)降水較少、溫度較低的干冷天氣；夏季，受到熱帶和副熱帶海洋氣團控制[2]，盛行東南風、南風、西南風，出現(xiàn)潮濕悶熱、多雷陣雨天氣。而春、秋兩季分屬冬、夏季風的過渡季節(jié)，此時風向較為復雜、變化頻繁。

近年來，災害性天氣呈多發(fā)態(tài)勢，具有種類多、頻率高、影響大的特點[3]。其中，雷電天氣屬于破壞力極強、活動規(guī)律復雜多變的災害性天氣類型。根據(jù)天氣學原理和大氣物理學的相關知識，雷電多發(fā)生于空氣垂直對流運動發(fā)展旺盛、上升氣流速度極大的積雨云中，是強對流天氣過程發(fā)生和持續(xù)發(fā)展的結(jié)果，因此常伴有雷雨大風、短時強降水、局地冰雹甚至是龍卷等較為嚴重的自然災害天氣類型。雷電嚴重威脅著人們生命健康安全、可能帶來直接和間接經(jīng)濟損失，同時也對糧食作物和經(jīng)濟種植作物的品質(zhì)及產(chǎn)量、關鍵農(nóng)事季節(jié)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生了極大影響和風險，阻礙了農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和農(nóng)民的創(chuàng)收及發(fā)展，不利于鄉(xiāng)村振興。受天氣氣候特征、地理位置條件等綜合因素的影響，濟南地區(qū)雷暴天氣發(fā)生頻率居高不下，年平均雷暴日數(shù)高達26.4d·a-1，給農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成了較大的影響和損失。因此，對濟南地區(qū)雷電的時空分布等特征進行深入研究，得出并掌握濟南地區(qū)的雷電天氣活動規(guī)律，對于為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動提供氣象服務、指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以及推動防雷減災、災前預防工作具備十分重要的意義。本文利用濟南地區(qū)2000—2016年的雷電天氣相關氣象資料，統(tǒng)計計算濟南地區(qū)雷電的時空分布等特征，分析其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的影響，提出有針對性的、適用本地的農(nóng)業(yè)雷電防御措施，以此對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動進行科學指導，最終實現(xiàn)避免或減輕雷電天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成災害的目的。

1 數(shù)據(jù)來源

2000—2016年雷暴日數(shù)資料來源于濟南市氣象臺。雷暴日數(shù)是表征不同地區(qū)雷電活動頻繁程度的重要參數(shù)。雷暴日是指國家地面氣象觀測站在1d中，只要聽到雷聲或者看見閃電(不計次數(shù)、不計時長)即算作1個雷暴日。月平均雷暴日數(shù)是指氣象觀測站多年月雷暴日數(shù)的平均。

2000—2016年地閃頻數(shù)和閃電定位資料來源于山東省氣象局氣象災害防御和技術中心。地閃是雷暴云內(nèi)的荷電中心和大地或地物二者之間的放電過程，地閃是引發(fā)雷電災害主要原因，根據(jù)定義地閃又被稱作直擊雷，具備極強的破壞性。

2 濟南地區(qū)雷電活動時空分布特征分析

2.1 濟南地區(qū)雷電活動時間分布特征

2.1.1 雷電活動的月際變化特征

如圖1所示，濟南地區(qū)的雷電活動呈明顯季節(jié)性變化規(guī)律，一年當中雷電活動只出現(xiàn)于2—11月。雷電活動從春季3月開始明顯增多，至夏季7月達到一年當中的峰值，而后開始逐月減少，8—9月存在一明顯的下降跳變。夏季6—8月是雷電活動的多發(fā)期，其中7月出現(xiàn)的雷電活動最多，近17a 7月總雷暴日數(shù)為136d，約占近17a總雷暴日數(shù)的33%；8月次之，8月總雷暴日數(shù)為108d，約占總雷暴日數(shù)的25%；6月相對較少，約占總雷暴總?cè)諗?shù)的20%；春季平均雷暴日數(shù)為3.9d，占一年四季的1/7；夏季平均雷暴日數(shù)為18.6d，占一年四季的3/4；秋季平均雷暴日數(shù)為2.1d，占一年四季的1/10；冬季2月雷電活動出現(xiàn)的次數(shù)最少，近17a只出現(xiàn)了1d雷暴日。濟南地區(qū)的雷電活動主要集中出現(xiàn)在夏季，這與夏季對流云系發(fā)展旺盛，強對流天氣過程頻發(fā)存在緊密聯(lián)系，故月平均雷暴日數(shù)的變化趨勢主要受到夏季氣候背景和天氣過程發(fā)生發(fā)展的影響。

圖1 2000—2016年濟南雷暴月際變化

2.1.2 雷電活動的日際變化特征

根據(jù)2000—2016年山東閃電定位系統(tǒng)導出的濟南地區(qū)地閃頻數(shù)數(shù)據(jù)，制作濟南地區(qū)地閃活動的24h變化折線圖，如圖2所示。濟南地區(qū)的地閃電活動變化規(guī)律表現(xiàn)為多峰型，即2個次高峰時段、1個主高峰時段，15∶00—20∶00是全天地閃活動最主要集中發(fā)生時段，涵蓋了全天總地閃頻數(shù)的39.68%，其中，16∶00—17∶00地閃活動的頻數(shù)迎來了1d中的峰值；01∶00—04∶00、06∶00—09∶00為濟南地區(qū)地閃活動的2個次高峰時段，分別占全天總地閃頻數(shù)的12.55%和15.02%。08∶00—15∶00以及其它剩余時段地閃活動發(fā)生的頻率均較低。

圖2 2000—2016年濟南地閃活動日分布圖

2.2 濟南地區(qū)雷電活動空間分布特征

2.2.1 雷暴大風主要來向

繪制出2000—2016年濟南地區(qū)雷暴大風的風向頻率玫瑰圖，如圖3所示。由圖3可知，濟南地區(qū)近17a盛行雷暴大風風向主要為西(W)，其次為西南(SW)。

圖3 2000—2016年濟南年風向頻率玫瑰圖

2.2.2 雷電易發(fā)區(qū)域劃分

采用山東省氣象災害防御技術中心閃電定位系統(tǒng)2000—2016年的監(jiān)測資料，篩選出濟南市各區(qū)縣的年平均地閃密度，并依此劃分出不同等級的濟南地區(qū)雷電災害易發(fā)區(qū)。地閃密度代表單位面積單位時間地閃活動出現(xiàn)的次數(shù)，單位常以次·km-2·a-1表示，地閃密度的值越大，代表單位面積上發(fā)生地閃的次數(shù)越多，單位時間內(nèi)地閃活動越頻繁。

采取緯度0.05°×經(jīng)度0.05°網(wǎng)格尺寸對濟南地區(qū)進行細網(wǎng)格化劃分，計算出各單元網(wǎng)格的年平均地閃密度值，通過自然斷點法將濟南地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)準確的劃分為3個級別：低發(fā)區(qū)(Ⅲ級)、中發(fā)區(qū)(Ⅱ級)、易發(fā)區(qū)(Ⅰ級)，雷電活動發(fā)生的可能性依次增大。如表1所示。

表1 濟南地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)域劃分

圖4 濟南地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)域分布圖

3 雷電天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響

夏季6—8月為濟南地區(qū)雷電活動頻發(fā)的時期，雷電天氣中雷電本身破壞性極強，通常伴有雷暴大風、短時強降水、冰雹甚至是龍卷等強對流天氣，這些天氣會對農(nóng)作物生長發(fā)育、關鍵農(nóng)事季節(jié)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生較為嚴重的不良影響。雷電活動進行時，由于雷電自身的高電流、過電壓等特性，常對農(nóng)業(yè)基礎設施造成直擊雷、靜電感應以及電磁脈沖等不同形式的損害，這些受損對象包括各類功能領先、技術先進的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)儀器設施等，如農(nóng)田小氣候觀測站、自動土壤水分觀測站、各類設施農(nóng)業(yè)觀測儀器以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力機械設備等。

雷電活動常會伴隨大風天氣，雷暴大風災害常導致糧食作物、經(jīng)濟種植作物等大面積倒伏的現(xiàn)象，各類農(nóng)作物生長前期植株相對矮小，即使風力較大，大風災害產(chǎn)生的影響也相對較小，但農(nóng)產(chǎn)品在生長發(fā)育后期若受雷暴大風的影響則會導致根莖折損、葉片開裂等農(nóng)業(yè)氣象災害，給農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)帶來較為嚴重的直接和間接經(jīng)濟損失。2003年10月11日，濟南市章丘區(qū)在一次雷暴大風天氣過程后，近66.67hm2章丘大蔥被摧折，產(chǎn)量銳減過半數(shù)。

雷電活動伴隨的短時強降水天氣(1h降水量超過20mm)會引發(fā)暴雨洪澇、農(nóng)田積澇、山體崩坍、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等次生災害，對橋梁、農(nóng)業(yè)水利灌溉設施等造成沖擊。加之主汛期(7—8月)雨水較多，正值部分農(nóng)作物移栽期或緩苗期，植株生長速度相對較慢，根系尚不夠發(fā)達穩(wěn)固。此時若經(jīng)歷短時強降水或是局地暴雨，農(nóng)田得不到及時排水，發(fā)生農(nóng)田漬澇的可能性大大增加，漬水會引發(fā)農(nóng)作物爛根等系列問題，對農(nóng)作物生長發(fā)育造成較大損傷，農(nóng)作物的品質(zhì)因此下降，嚴重時甚至大幅減產(chǎn)。

雷電活動伴隨的冰雹天氣發(fā)生頻數(shù)相對雷暴大風、短時強降水較低，但由于其存在一定的重量和下落末速度，一旦發(fā)生往往對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大危害。由于雹塊直徑在5mm以上，其中大冰雹直徑在2cm以上，伴隨著下落末速度會對農(nóng)民的人身安全構(gòu)成威脅。雷暴天氣常伴隨冰雹，雹塊在下降過程的機械破壞作用，會導致作物莖稈、枝葉及果實等受到機械損傷，在作物成熟階段受災，冰雹可能會導致作物絕收[4]。

4 針對雷電活動特征的防御對策

4.1 針對雷電天氣多發(fā)時段的防御對策

濟南地區(qū)每年夏季6—8月是雷電活動的多發(fā)期，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動和防雷減災工作的關鍵期，農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關工作的人員等均應準確掌握這一氣象規(guī)律，及時關注并接收氣象部門權(quán)威發(fā)布的雷電天氣預報、雷電災害預警信號等氣象服務信息，提前計劃、統(tǒng)籌安排好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，同時加強雷電防御、防范雷暴大風、短時強降水以及冰雹等災害性天氣工作，在雷電活動的高發(fā)期應特別注意禁止開展戶外田間勞作，切實將人員生命安全放在首位[5]。夏季由于天氣炎熱，農(nóng)民在田間勞動往往選擇下午至傍晚前后，而通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，每日16∶00—19∶00易出現(xiàn)強雷暴天氣，發(fā)生雷擊事故引發(fā)人員生命、財產(chǎn)安全損失的概率較高，故各農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體及廣大農(nóng)民應合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動時間，及時關注雷電、雷雨大風等氣象預警信息，有效避開高危險時段，保證自身安全。

4.2 針對雷電天氣主要來向的防御對策

濟南地區(qū)雷暴大風天氣系統(tǒng)多來自西向和西南向。因此，在雷暴大風風力等級較大、頻數(shù)較高的上述2個方向，應加大防風固沙林以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物保護林的種植力度，建立起防范雷暴大風災害的第1層屏障。應盡可能選種矮棵糧食作物或經(jīng)濟種植作物，在雷暴大風來臨前對農(nóng)作物疏枝進行修剪，減少農(nóng)作物受風面積，并對其作加固處理[6]。對于農(nóng)作物溫室大棚設施，壓嚴棚膜是防雷暴大風的關鍵環(huán)節(jié)。當雷暴大風來臨前，利用壓膜線將大棚棚膜擠壓成波浪式形態(tài)，可以實現(xiàn)加固、防止其上下波動的效果。當雷暴大風來臨時，對于門洞設置于大棚后墻或西側(cè)的，應將門洞密封嚴實。若大棚配置有卷簾機，應將其停在大棚采光面中間靠上位置，同時對卷軸兩頭采取加固措施。若屬新建溫室大棚，建設時應預先選擇兼顧防銹功能和具備抗風能力的鋼混結(jié)構(gòu)骨架，有效減輕或避免雷暴大風對大棚農(nóng)作物的損害。

4.3 針對雷電易發(fā)區(qū)的防御對策

濟南市雷電災害易發(fā)區(qū)分別為商河縣南部、章丘東南部、長清區(qū)南部以及市區(qū)西部。在上述地區(qū)應特別加強雷電防護工作。應加強雷電災害防御工作的宣傳教育工作，提升當?shù)剞r(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)對雷電災害的思想認識。同時對其開展防雷相關技術知識培訓，提高雷電發(fā)生時各項防災減災技能水平；廣泛應用網(wǎng)絡新媒體，利用智能APP、微信群組和公眾號、“抖音”等當前信息傳播、普及使用率較高的自媒體，加強雷電災害預警信號及防御措施等信息的推送，提高防雷減災信息覆蓋率；建立覆蓋面廣、傳播效率高的雷電天氣預報和雷電災害預警信息傳播網(wǎng)絡。其中，氣象信息電子顯示屏設備簡單易用、投入小、效果好，在雷電天氣活動來臨前或臨近時，氣象部門及時將相關服務信息推送至電子顯示屏，使農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)能夠第一時間獲取，并及時采取相應的防范措施。

5 結(jié)論

濟南地區(qū)雷電活動常出現(xiàn)在春、夏、秋3個季節(jié)，主要發(fā)生在夏季，占全年的75%，冬季雷暴出現(xiàn)極少，季節(jié)性特征表現(xiàn)明顯；雷電活動具有明顯的日變化規(guī)律，主要表現(xiàn)為多峰型，即1個主高峰時段(15∶00—20∶00)、2個次高峰時段(01∶00—04∶00、06∶00—09∶00)；雷暴大風常年盛行風向為東南偏東(ESE)，其次為東南(SE)；雷電災害易發(fā)區(qū)分別為商河縣南部、章丘區(qū)東南部、長清區(qū)南部以及市區(qū)西部。

雷電活動常伴有短時強降水、冰雹以及雷暴大風等災害性天氣，其中，雷電會農(nóng)業(yè)基礎設施造成損害、對農(nóng)民等人身安全造成威脅；暴雨會引發(fā)暴雨洪澇、農(nóng)田積澇、泥石流、巖溶塌陷等次生災害；雷暴大風和冰雹會造成農(nóng)作物的倒伏、機械性損傷等，情況嚴重時則會導致農(nóng)作物的絕產(chǎn)絕收。

針對雷電活動的多發(fā)季節(jié)和時段、雷暴大風的主要來向、雷電災害易發(fā)區(qū)等濟南地區(qū)雷電活動的時空分布特征，提出了指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、避免或減輕雷電災害的合理、可行的防御對策。