雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布及其與土地利用類型關(guān)系

雒新萍

（陜西省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，西安 710014）

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生重要影響。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，在一定區(qū)域內(nèi)雷暴現(xiàn)象會(huì)對(duì)周圍居民造成嚴(yán)重影響。與此同時(shí)，地形地貌、氣候等多種因素造成地表形態(tài)變化劇烈，降水集中分布不均且缺乏規(guī)律性而引發(fā)地災(zāi)頻發(fā)，人類活動(dòng)使環(huán)境惡化導(dǎo)致水土流失加劇，擴(kuò)大了雷暴現(xiàn)象的影響程度。

我國幅員遼闊、人口基數(shù)巨大等特點(diǎn)決定中國國土面積廣闊且分布不均（除少數(shù)特殊城市外），加上地形地貌復(fù)雜多樣使不同地區(qū)之間存在著差異性和復(fù)雜性，受自然條件及人為因素影響較大，導(dǎo)致災(zāi)害頻發(fā)。因此，研究雷電天氣在一定區(qū)域內(nèi)的時(shí)空演變規(guī)律及其與土地利用類型關(guān)系是有一定意義的。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

雷電是一種大氣放電現(xiàn)象，根據(jù)不同的氣象條件、地形地貌和雷暴活動(dòng)特征等因素對(duì)人類造成很大影響。

國外對(duì)雷電分布特征和影響因素進(jìn)行大量分析，并根據(jù)其特點(diǎn)提出合理化建議，主要集中在以下幾個(gè)方面：一是關(guān)于雷電災(zāi)害與利用區(qū)位條件之間的關(guān)系問題；二是基于氣象要素、地形地貌條件等建立空間格局指數(shù)體系；三是針對(duì)雷擊天氣下，災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域面積變化規(guī)律及雷電活動(dòng)強(qiáng)度、頻率分布情況等進(jìn)行研究、分析和探討，并提出相應(yīng)的對(duì)策建議。

我國在雷電災(zāi)害與利用區(qū)位條件、氣象要素和地形地貌等因素之間存在著相互作用關(guān)系，在雷擊天氣下，不同區(qū)域間會(huì)形成明顯差異性的土地利用類型及分布特征。目前國內(nèi)對(duì)雷擊災(zāi)害研究較多，但大多數(shù)只是針對(duì)氣象條件下進(jìn)行，并未考慮到地形地貌等因素，主要集中在2個(gè)方面：一是關(guān)于空間分布格局與土地利用類型關(guān)系分析方法的相關(guān)文獻(xiàn)；二是針對(duì)雷擊災(zāi)害引起土地資源破壞問題進(jìn)行深入探討。我國對(duì)于雷電防護(hù)技術(shù)的研究有一定進(jìn)展，但總體仍處于初級(jí)階段，而基于GIS地理信息系統(tǒng)（RS）功能的應(yīng)用系統(tǒng)還未真正建立，因此對(duì)雷電災(zāi)害的防范和治理仍處于起步階段。

2 雷電強(qiáng)度等級(jí)

2.1 雷電強(qiáng)度等級(jí)及分布

雷電強(qiáng)度等級(jí)是根據(jù)雷電活動(dòng)所引起的危害程度來判定的。在研究中，主要針對(duì)的是高電壓、大電流的雷鳴和直擊閃電等現(xiàn)象。雷電強(qiáng)度等級(jí)的研究主要是為了確定不同區(qū)域之間大氣雷云和地面空間電荷分布情況，以及在該區(qū)域內(nèi)建筑物、道路等因素作用下，是否具有足夠數(shù)量、質(zhì)量好壞和程度高低的電流電荷分布情況。

雷電強(qiáng)度等級(jí)分布是指根據(jù)不同的氣象條件、地形地貌等因素，利用GIS軟件中提供的空間分析功能，對(duì)研究區(qū)內(nèi)主要建筑物進(jìn)行分區(qū)，同時(shí)對(duì)各區(qū)域內(nèi)雷擊災(zāi)害和雷暴類型做詳細(xì)地描述。不同類型空間分布特征不相同：①低頻區(qū)。主要集中出現(xiàn)在我國東部地區(qū)和中部城市群；②次強(qiáng)帶區(qū)。主要有北京—太原市及陜西寶雞市2個(gè)區(qū)域；③中頻區(qū)。主要集中于西部地區(qū)及南部的部分城市，如成都、重慶等地，但在平原地區(qū)是相對(duì)較小的一個(gè)片區(qū)，在其他地區(qū)也有分布。

2.2 雷電強(qiáng)度等級(jí)時(shí)間序列

雷電強(qiáng)度等級(jí)的時(shí)間序列是對(duì)分布圖進(jìn)行分析，根據(jù)雷云放電時(shí)不同階段所對(duì)應(yīng)的電壓，計(jì)算各雷電活動(dòng)時(shí)刻下各個(gè)雷暴站所在區(qū)域內(nèi)平均風(fēng)速和最大干谷降水量，也可通過建立一個(gè)模型來確定該地區(qū)在一定范圍內(nèi)閃電持續(xù)時(shí)間。

從理論上講，當(dāng)某地區(qū)出現(xiàn)高頻率、低幅度及強(qiáng)幅值等特征變化時(shí)，雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱和持續(xù)時(shí)間不同，雷云放電強(qiáng)度就會(huì)隨之變化，因此可以通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來確定該地區(qū)在一定范圍內(nèi)平均風(fēng)速，以及高頻率、小幅度及強(qiáng)幅值所對(duì)應(yīng)時(shí)間段下閃電的強(qiáng)度等級(jí)。雷暴期間，在不同利用類型上，由于地形地貌等條件差異性影響引起的放電時(shí)強(qiáng)弱電平變化也各不相同。

2.3 雷電強(qiáng)度等級(jí)的衰減

雷電強(qiáng)度等級(jí)的衰減是由在雷擊跳至地面時(shí)，大氣中大量物質(zhì)粒子和電荷分布不均勻?qū)е碌碾娢簧咭鸬?。在雷暴日?shù)變化不大且無明顯規(guī)律性的情況下，雷電響應(yīng)特征包括以下2點(diǎn)：①在雷云落點(diǎn)附近主要以高電導(dǎo)率、低密度為主要特點(diǎn)；②在氣象條件及其他因素影響下造成雷暴閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生。雨天大氣中大量粒子和電荷分布不均導(dǎo)致雷云落點(diǎn)處的電荷分布不均勻，引起了高電導(dǎo)率、低密度的雷暴現(xiàn)象。

2.4 雷電強(qiáng)度等級(jí)分布結(jié)果

雷電強(qiáng)度等級(jí)分布與雷電流幅值大小有一定關(guān)系，雷擊脈沖的持續(xù)時(shí)間和頻率會(huì)影響雷電強(qiáng)度等級(jí)，雷暴期越長，閃電次數(shù)就越大。

當(dāng)陰天出現(xiàn)高電閃時(shí)，由于陽極放電導(dǎo)致電壓峰值較低從而引起高電閃現(xiàn)象；中緯度地區(qū)地?zé)釛l件比海拔更甚，發(fā)生地面雷擊脈沖數(shù)也更高。因此雷電強(qiáng)度等級(jí)越高造成的雷暴期越長，隨時(shí)間不斷增加直至高點(diǎn)后逐漸降低；當(dāng)陰天出現(xiàn)高電閃時(shí)，雷電強(qiáng)度等級(jí)與雷暴期成反比關(guān)系。

在雷電脈沖強(qiáng)度等級(jí)的分布上，雷電流幅值和頻率均與雷暴期呈正相關(guān)關(guān)系。從雷擊脈沖的持續(xù)時(shí)間來看，雷擊中沿不同路徑產(chǎn)生的次數(shù)有一定差別。其中在中緯度地區(qū)發(fā)生地面直擊、側(cè)向感應(yīng)和間歇性地源電壓峰值為正數(shù)倍相；而在海拔較低一些區(qū)域，如云貴高原地帶出現(xiàn)高電閃和雷電沖擊波時(shí)，雷暴期與高電閃相比降低了很多。

3 雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布及影響因素分析

3.1 雷電強(qiáng)度等級(jí)特征

雷電活動(dòng)強(qiáng)度是指每秒鐘在不同頻率的雷云上發(fā)生的能量交換現(xiàn)象，并且隨著時(shí)間增加，其持續(xù)時(shí)間也不斷增長，從而達(dá)到了對(duì)雷暴區(qū)進(jìn)行劃分的目的。

根據(jù)《雷電和防護(hù)及排雷工程管理》和相關(guān)資料顯示可知：雷電活動(dòng)主要集中于低緯度地區(qū)，雷電活動(dòng)強(qiáng)度分布在高海拔地區(qū)，而中海拔區(qū)域則是由于地形地貌條件限制或人類活動(dòng)強(qiáng)度大導(dǎo)致雷峰期及高峰時(shí)段較多且持續(xù)時(shí)間不長，呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化；低海拔區(qū)域則是由于雷電活動(dòng)強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間多，持續(xù)時(shí)間短，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在雷峰的雷暴時(shí)間長、高頻率。

雷電活動(dòng)強(qiáng)度的空間分布與土地利用類型有密切聯(lián)系，不同地區(qū)在雷峰頻發(fā)時(shí)間上存在較大差異，但受地形地貌因素、氣象條件及人類活動(dòng)等影響導(dǎo)致雷電活動(dòng)強(qiáng)度頻率呈現(xiàn)出一定規(guī)律，雷電活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)雷雨形成時(shí)間和頻率產(chǎn)生影響，并在不同尺度上存在著明顯差異。

3.2 雷電強(qiáng)度等級(jí)影響因子

雷電活動(dòng)對(duì)土地利用類型的影響因子主要分為3類。

一是直擊雷效應(yīng)：即在地面形成強(qiáng)大電流，當(dāng)高于大氣電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)電荷從附近向鄰近區(qū)域擴(kuò)散。其特征在于，首先是能量密度高，地表的云量與云層厚度成反比；其次是雷暴閃絡(luò)放電引起了大量降水和熱量集中；最后是會(huì)產(chǎn)生電磁輻射、熱對(duì)流及光散射等作用，降低空氣中的溫度及濕度變化，從而影響土地利用類型使其呈現(xiàn)出多種多樣的分布特征。

二是地形地貌效應(yīng)：地形地勢(shì)高低起伏變化、土壤性質(zhì)差異和氣候條件不同導(dǎo)致地表植被覆蓋度不均勻或分布不均，局部地區(qū)降水集中程度不一致，雨水滲入形成大范圍徑流，對(duì)土地資源利用產(chǎn)生不利影響。

三是熱效應(yīng)：在云量高時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度大，輻射作用強(qiáng)，土地利用類型呈多分散狀態(tài)；相反地，區(qū)內(nèi)電荷聚集程度低、密度小、無變化或有少量變化，總體未產(chǎn)生較大影響且具有一定規(guī)律性，會(huì)出現(xiàn)具有顯著差異性的局部現(xiàn)象。

3.3 雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布定量估算

雷電強(qiáng)度等級(jí)的定量評(píng)估主要是利用統(tǒng)計(jì)軟件建立二維網(wǎng)格，然后根據(jù)不同類型、不同時(shí)間段雷云電荷分布特征進(jìn)行計(jì)算。

在確定雷電鋒位后通過查閱文獻(xiàn)資料和相關(guān)氣象數(shù)據(jù)得到以下幾方面結(jié)論：①雷擊災(zāi)害頻發(fā)時(shí)間短且持續(xù)時(shí)間長；②雷暴峰值具有一定的空間自相關(guān)性，并且雷電強(qiáng)度等級(jí)分值也隨季節(jié)、年際變化明顯不同。

3.4 雷電強(qiáng)度等級(jí)指數(shù)

雷電強(qiáng)度等級(jí)分布與地形地貌、氣象因素和人類活動(dòng)密切相關(guān)，在不同的地區(qū)，其閃電特性及雷暴日數(shù)都會(huì)有所不同。雷云放電時(shí)，大氣離子濃度增加引起能量衰減。當(dāng)雷電擊中地面物質(zhì)層時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的感應(yīng)電荷，因此對(duì)地表附近環(huán)境造成一定影響；同時(shí)隨著時(shí)間推移、空間尺度的變化等也可能使周圍區(qū)域形成大量雷害事件，導(dǎo)致災(zāi)害頻發(fā)和損失較大。雷暴日數(shù)越多，雷害事件的影響越大，持續(xù)時(shí)間越長。

地形地貌對(duì)雷電強(qiáng)度等級(jí)分布的影響主要表現(xiàn)在地形差異性、植被斑塊變化及不同高度下雷害發(fā)生時(shí)的持續(xù)時(shí)間等方面。根據(jù)相關(guān)規(guī)程中給出的雷暴日數(shù)，將其分為3類：第一大類為年平均雷暴日；第二大類是年均最高潮天和最低潮次數(shù)；第三大類是每年最大風(fēng)暴時(shí)間或峰值頻率。

3.5 雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布與整理

在空間分布上，雷電具有明顯的時(shí)域特征，對(duì)其進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論。

1）雷云與不同類型地物之間存在著相互影響關(guān)系。當(dāng)雷電擊中某些區(qū)域后會(huì)引起地面閃絡(luò)放電強(qiáng)度下降，隨著時(shí)間的推移，能量從高到低依次是大氣中帶電部分和地?zé)?，不同地物?duì)能量的承受力不同，在接受雷擊時(shí)，受害程度不同。

2）雷電活動(dòng)與地形地貌之間存在著明顯相關(guān)關(guān)系。地形地貌對(duì)帶電部分的影響主要是由大氣環(huán)流形成，并在雷暴日前后會(huì)出現(xiàn)高幅值，不同區(qū)域間也存在差異性，導(dǎo)致雷暴發(fā)生時(shí)，雷電強(qiáng)度不同。

3）雷擊災(zāi)害與地形分布之間沒有明顯相關(guān)關(guān)系。雷擊災(zāi)害的主要分布區(qū)域是丘陵，而地形地貌對(duì)雷電活動(dòng)影響不大。

3.6 雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布的對(duì)策建議

1）科學(xué)合理制定雷電活動(dòng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)雷擊災(zāi)害的類型、影響因素和頻度進(jìn)行分級(jí)。為了避免對(duì)雷暴區(qū)造成嚴(yán)重干擾，可適當(dāng)增加其頻率。同時(shí)在雷云形成時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生高熱值及強(qiáng)對(duì)流效應(yīng)，可采取以下措施：一是加強(qiáng)氣象監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)工作；二是建立相應(yīng)的防潮設(shè)施或避雨棚等；三是加強(qiáng)對(duì)雷電的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)工作。

2）合理規(guī)劃用地，減少不合理的開發(fā)利用。由于雷云形成區(qū)主要集中在山區(qū)和丘陵地區(qū)，可適當(dāng)將部分地區(qū)劃分為自然保護(hù)區(qū)、農(nóng)田保護(hù)區(qū)等進(jìn)行保護(hù)，以達(dá)到避雷針或其他設(shè)施有效使用面積最大化的目的。同時(shí)應(yīng)注意避免建設(shè)中產(chǎn)生大量耕地被占用或破壞生態(tài)環(huán)境情況出現(xiàn)在城市居民住宅區(qū)內(nèi)。

3）加強(qiáng)對(duì)雷電活動(dòng)強(qiáng)度的研究及分析。

4）提高雷電防護(hù)意識(shí)，加強(qiáng)對(duì)居民的安全教育。在雷云形成區(qū)，應(yīng)加大防護(hù)力度；對(duì)于易受災(zāi)害影響地區(qū)要做好防避電措施，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?、植被等因素綜合考慮防雷措施。

4 雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布與土地利用類型關(guān)系

4.1 雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布與土地利用類型的選取

根據(jù)研究資料可知，雷電活動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)分布與土地利用類型具有一定相關(guān)關(guān)系，因此可利用其空間分布對(duì)雷擊災(zāi)害進(jìn)行分類。由于雷暴和雷電是自然現(xiàn)象，在地球表層傳播過程中不可避免地存在著能量物質(zhì)交換形式，即雨、熱輻射及對(duì)流等效應(yīng)，對(duì)地表水、大氣帶或近地面物體造成損壞；通過降水形成，大量的雨水積聚到地下水，導(dǎo)致地下水水位上升或者下降影響到土地利用類型。因此，雷電活動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)的選取主要是利用降水、土壤及地表水等因素對(duì)雷擊災(zāi)害進(jìn)行分類。根據(jù)地形地貌條件及氣象特點(diǎn)可以將雷擊破壞類型分為3種：丘陵型（高寒低熱）土地利用結(jié)構(gòu)、河谷平原和山地生態(tài)用地。

4.2 雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布與土地利用類型的關(guān)系對(duì)比

雷電強(qiáng)度等級(jí)的空間分布與土地利用類型之間是否有關(guān)，從以下2個(gè)方面來分析。

1）雷電流對(duì)地形地貌具有一定程度上的影響。在我國大部分山區(qū)和丘陵地區(qū)都是雷暴云多發(fā)地且持續(xù)時(shí)間長地區(qū)。高阻雷電是由于大氣電場(chǎng)形成的，產(chǎn)生時(shí)主要集中于地表下風(fēng)向較高處或山谷部分及地面下方風(fēng)口附近等地方，且隨著海拔高度增加對(duì)流感熱和聲輻射強(qiáng)度也有明顯增強(qiáng)變化，雷電流的產(chǎn)生對(duì)地形地貌具有一定程度上的影響。

2）雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布與土地利用類型之間是否存在某種關(guān)系，主要是由其在不同區(qū)域時(shí)，所占面積大小決定了雷電強(qiáng)度等級(jí)分布，高阻雷區(qū)的面積較大，低阻雷區(qū)和中等耐壓雷暴會(huì)產(chǎn)生較多的感應(yīng)電壓，而在高阻雷區(qū)和中等雷暴地區(qū)，其產(chǎn)生的頻率會(huì)比較低，因雷電強(qiáng)度等級(jí)分布較為集中，所以雷電流對(duì)地形地貌具有一定影響。在地形地貌復(fù)雜的山區(qū)和丘陵地區(qū)，雷電流會(huì)比較大。

通過對(duì)雷電的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，并與土地利用類型聯(lián)系可得：①雷電對(duì)不同類型用地影響較大，雷電流幅值、日平均年輸電電壓等因素都會(huì)改變。在地形地貌條件允許范圍內(nèi)時(shí)，以雷暴日為一個(gè)單位則無明顯規(guī)律可言；當(dāng)?shù)匦纹教沟貐^(qū)地勢(shì)起伏小、不存在有明顯變化趨勢(shì)或地形陡峭時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致其易受風(fēng)力影響而引發(fā)災(zāi)害。雷峰雖在重要區(qū)域利用價(jià)值大，但不宜作為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象使用，應(yīng)優(yōu)先考慮雷電對(duì)土地資源及生態(tài)環(huán)境帶來的不良影響；②雷電對(duì)不同類型用地的影響也存在較大差異。雷雨云中，雷電流幅值變化大、日輸電壓峰值變化小，在地形平坦地區(qū)易產(chǎn)生高分異常和低熱季現(xiàn)象。當(dāng)雷暴日為一個(gè)單位時(shí)，時(shí)間上的短直擊或感應(yīng)過電電壓會(huì)導(dǎo)致大量閃絡(luò)放電形成閃電通道；同時(shí)由于我國各地區(qū)雷電活動(dòng)較頻繁且不規(guī)律等原因使不同類型地區(qū)分布雷害程度較明顯，雷擊災(zāi)害發(fā)生概率較大。因此在雷電防護(hù)中應(yīng)考慮不同類型地區(qū)分布的位置，并對(duì)其進(jìn)行合理防雷。

5 結(jié)束語

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在大雨天氣中，其主要原理是天空中云層之間相互摩擦最終產(chǎn)生放電現(xiàn)象，強(qiáng)大的電流劃破天空，電離周遭的空氣使空氣分子變成空氣離子，發(fā)出耀眼的光芒，最終消散在大地之中。經(jīng)常出現(xiàn)雷電的地區(qū)，其莊稼和作物都有著顯著的增產(chǎn)。但過于頻繁的雷電和強(qiáng)度等級(jí)很高的雷電，便會(huì)衍生自然災(zāi)害，例如森林大火，便有可能是由于雷電點(diǎn)燃枯木造成的，這種情況會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成破壞，同時(shí)會(huì)給人類生存的環(huán)境也會(huì)帶來重大的影響，像是在城市或野外布置的電力系統(tǒng)，便很有可能會(huì)遭到雷擊，從而被雷電毀壞影響人們的正常生活。

所以此次對(duì)雷電強(qiáng)度等級(jí)空間分布進(jìn)行了研究，以此來合理規(guī)劃土地的利用，避免由于過強(qiáng)的雷電對(duì)人類活動(dòng)和城市建筑造成嚴(yán)重破壞。通過對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂?、地理、環(huán)境和歷史等因素進(jìn)行分析，對(duì)當(dāng)?shù)氐睦纂姀?qiáng)度等級(jí)進(jìn)行區(qū)域性的劃分，探討雷電強(qiáng)度等級(jí)與土地利用類型的關(guān)系，有助于我國對(duì)土地資源的合理運(yùn)用，從而保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。