2009—2017年上海市雷電活動及災害時空特征研究

（1 北京師范大學地理科學學部環(huán)境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875；2 北京師范大學應急管理部-教育部減災與應急管理研究院，北京 100875；3 上海市氣象災害防御技術中心，上海 200030）

0 引言

雷電是雷云之間或雷云與地面之間產(chǎn)生放電，同時伴隨著強烈的電光和聲音的一種自然現(xiàn)象。雷電可分為云閃和地閃，其中云閃包括云內(nèi)閃、云間閃和云-空氣閃，地閃是指發(fā)生在云體與地面之間的對地放電過程。地閃對地面物體會造成很大威脅，文中所研究的雷電過程主要指地閃。雷電具有大電流、高電壓、強電磁輻射等特征，是聯(lián)合國國際減災十年委員會（IDNDR）公布的全球最嚴重的10種自然災害之一[1]。雷電過程造成災害的主要形式為“直接雷擊”和“感應雷擊”[2]。

國內(nèi)外已開展了一些關于雷電活動和雷電災情的相關研究。Elson[3]對英國雷電災情數(shù)據(jù)進行分析時發(fā)現(xiàn)，英國在一個半世紀里雷災人員傷亡數(shù)有明顯的下降趨勢。劉佼等[4]對1998—2008年中國雷電災害的時空特征、行業(yè)影響和人員傷亡等進行了統(tǒng)計分析，指出每年6—8月為雷災的高發(fā)月份，電力為全國雷災影響最為嚴重的行業(yè)；馬明等[5]根據(jù)1997—2006年全國雷電災害數(shù)據(jù)庫和星載閃電探測數(shù)據(jù)，分析了我國雷電災害的分布特征，認為我國雷災和閃電活動的時間特征是緊密相關的；林建等[6]根據(jù)全國847站逐日雷暴日資料分析，認為全國雷電高發(fā)于每年的4—9月的午后至深夜；景元書等[7]利用歷年雷暴統(tǒng)計資料，計算了江蘇省各地區(qū)的雷暴可能初終日等時空特征；易燕明[8]等分析了珠江三角洲雷電災害的損失及基本特征，指出雷電災害已成為影響珠江三角洲地區(qū)的第四大自然災害；高燚等[9]分析了海南省1999—2011年雷電災害特征，認為海南島的雷災空間分布與雷暴活動的空間分布不是很一致。陳宇等[10]研究了大連市地閃分布特征并在此基礎上研究了雷電危險度等級。綜上，雷電活動的發(fā)生具有較為明顯的規(guī)律，但各地時空分布特征均有差異，分析某個地區(qū)的雷電活動及雷電災害分布對當?shù)胤罏臏p災工作具有指導意義。

上海市地處30°—32°N，是我國乃至國際重要的經(jīng)濟、金融、貿(mào)易、航運和科技創(chuàng)新中心，也是我國雷電多發(fā)區(qū)。根據(jù)《中國氣象災害大典上海卷》[2]記載，20世紀90年代以前，上海市重大雷擊災害多由“直接雷擊”引發(fā)火災造成，而在20世紀90年代以后，“感應雷擊”上升為重要的雷擊災害。為了更好地監(jiān)測上海市地閃分布情況，上海市氣象局目前已建立起全國第1套TS7 /8000 全雷電探測系統(tǒng)[11]。李京校等[12]通過對雷擊風險特征，分析了雷電監(jiān)測預警對人身傷亡風險和經(jīng)濟損失風險的影響。文中基于2009—2017年間上海市全雷電網(wǎng)監(jiān)測的地閃回擊數(shù)據(jù)和接警平臺等多渠道收集到雷電災情數(shù)據(jù)，探究雷電災害致災因子（地閃回擊）和災情的時空分布特征，旨在為上海市防雷減災工作提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

涉及的數(shù)據(jù)主要包括雷電災害致災因子（地閃回擊）和災情兩類數(shù)據(jù)。其中，致災因子數(shù)據(jù)來自上海市氣象災害防御技術中心的維薩拉閃電定位系統(tǒng)，數(shù)據(jù)時間段為2009年1月—2017年12月。上海市維薩拉閃電定位系統(tǒng)建于2008年，由金壇、啟東、紹興、馬跡山四個探測站組成，采用3站定位，平均距離為178 km。采用的閃電定位法為MDF（磁定向法）和TOA（時間到達法）聯(lián)合的時差側(cè)向法。

所使用的雷電災情數(shù)據(jù)為上海市110指揮中心接警平臺報災、區(qū)縣上報等多途徑收集的2009年1月—2017年12月上海市雷電災害災情數(shù)據(jù)，其中大部分數(shù)據(jù)來自于110接警平臺，該數(shù)據(jù)來源于上海市居民因雷電導致受災后報警，數(shù)據(jù)均由上海市氣象災害防御技術中心提供。

1.2 方法

采取的主要方法是ArcGIS空間分析技術和數(shù)理統(tǒng)計方法。利用ArcGIS軟件對地閃數(shù)據(jù)和災情數(shù)據(jù)進行了區(qū)域分類，同時對地閃回擊數(shù)據(jù)的密度進行了計算。利用數(shù)理統(tǒng)計方法對雷電致災因子的年、月、日活動特征、天氣背景特征，雷電災害的時空分布特征以及承災體分布進行了統(tǒng)計分析。

2 上海市雷電致災因子時空分布

2.1 上海市雷電活動時間分布特征

圖1 上海市2009—2017年地閃回擊活動時間分布特征：（a）逐年，（b）逐月，（c）逐時Fig. 1 Temporal characteristics of lightning strokes during 2009-2017 in Shanghai

2009—2017年，上海市全雷電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)共監(jiān)測到地閃回擊數(shù)據(jù)約40萬條，分別從年、月、小時3個時間尺度對上海市雷電致災因子（地閃回擊）進行統(tǒng)計分析（圖1）。從圖1a來看，上海市地閃回擊活動年際差別明顯。從圖1b來看，上海市雷電活動大多發(fā)生在6—9月，其中以8月最密集，占全年總地閃的55.9%。其主要原因可能是夏季熱力條件和動力條件好，易導致強對流發(fā)生發(fā)展。從小時分布情況來看，上海市閃電活動主要活躍于12—17時，這和鄭淋淋等[13]對全國雷暴日的統(tǒng)計分析結(jié)論基本一致。其主要原因可能是午后升溫較快，易堆積不穩(wěn)定能量。

2.2 上海市雷電活動空間分布特征

根據(jù)2009—2017年的40萬條地閃回擊數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息，在ArcGIS軟件中通過空間統(tǒng)計得到各區(qū)的地閃回擊數(shù)（表1），同時采用點密度分析方法，生成1 km×1 km的點密度（圖2），可以看出，上海市地閃回擊密度總體為西北高東南低，其中又以黃浦江和長江交匯處的中心城區(qū)、寶山區(qū)、浦東新區(qū)北部較為密集。特別是長江入?？诘貐^(qū)，密度最高處平均每年約20 個/km2。這和楊露華等[14]在探究1994—2004年上海地區(qū)強對流特征時得出的結(jié)論基本一致，上海本地產(chǎn)生的強對流云團易發(fā)生在黃浦江沿岸及長江沿岸。

表1 上海市各區(qū)2009—2017年地閃回擊數(shù)Table 1 Number and density of lightning strokes in different districts during 2009-2017 in Shanghai

圖2上海市2009—2017地閃回擊密度圖Fig. 2 Density of lightning strokes during 2009-2017 in Shanghai

2.3 上海市雷電活動天氣分布類型

雷電活動通常不是單一的天氣過程，往往是有復雜的天氣背景場造成的，陳雷等[16]在對2004—2013年長三角地區(qū)雷暴天氣進行統(tǒng)計分析時，根據(jù)天氣特征將雷暴天氣分為“槽前型”“副高邊緣型”“槽后冷渦型”“副高熱對流型”和“東風波型”這5種類型。為了進一步探究上海市雷電活動的特征，在此基礎上對上海市雷電進行天氣特征分類。為了方便統(tǒng)計，將“副高邊緣型”和“副高熱對流型”統(tǒng)一為“副高影響型”，將“東風波”型和其他天氣背景場統(tǒng)一歸為“其他”型。通過對40萬條地閃數(shù)據(jù)發(fā)生日數(shù)的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)過去9年中，維薩拉閃電定位系統(tǒng)共有551 d監(jiān)測到地閃回擊。其中“槽前型”天氣系統(tǒng)影響194 d，“槽后冷渦型”天氣系統(tǒng)影響153 d，“副高影響型”天氣系統(tǒng)100 d，“其他型”天氣系統(tǒng)104 d（表2）。從統(tǒng)計結(jié)果看來，2009—2017年，“槽前型”天氣背景帶來的強對流天氣最為明顯。

表2 上海市強對流天氣系統(tǒng)對2009—2017年雷電致災因子的影響Table 2 The influence of strong convection types on lighting and associated disasters during 2009-2017 in Shanghai

3 上海市雷電災情時空特征

2009年1月—2017年12月，上海市氣象災害防御技術中心通過上海市110接警中心接報和各區(qū)上報等多種手段，累計收集到雷電災害594起。為了進一步研究雷電災害和地閃回擊的相關關系，利用皮爾森相關系數(shù)對兩者的年、月數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)地閃回擊和雷電災害年分布相關系數(shù)為0.717（p＜0.05）；月分布相關系數(shù)為0.953（p＜0.05）。從計算結(jié)果可知，上海市地閃回擊和地閃回擊數(shù)據(jù)有著較強的相關關系，且月分布相關關系更為明顯。

3.1 雷電災情時間分布特征

圖3給出了2009—2017年間上海市雷電災害的時間分布特征，同時與上海市地閃分布特征進行對比。

從圖3a可以看出，2013年以前上海市雷災個數(shù)波動較大，2013年以后上海市雷電災害個數(shù)總體趨于減少，這和近年來地閃活動趨于減少的趨勢具有一致性。從圖3b可看出，雷電災害的月分布走勢與地閃活動的月特征也具有高度的一致性。其中2—5月，上海市地閃活動次數(shù)較少，雷電災害數(shù)也極少。6—9月為雷電的高發(fā)季節(jié)，雷電災害也隨之明顯增多，在8月份達到峰值。11—1月地閃活動很少甚至無地閃活動，9年來未記錄收到有雷電災害發(fā)生。近年來雷電災害趨于減少，這和地閃的逐年減少有關，同時也和城市的發(fā)展、雷電防護能力的提高以及居民防災減災意識的提升有著很大的關系。

圖3 上海市2009—2017年雷電災害時間特征：（a）年際特征，（b）月際特征Fig. 3 Temporal variations in lighting and associated disasters during 2009-2017 in Shanghai

3.2 雷電災害空間分布特征

為了探究上海市雷電災害的空間分布特征，將上海市雷電災害分區(qū)統(tǒng)計，計算出各區(qū)的雷電災害密度值，并根據(jù)密度值進行分級顯示，結(jié)果如圖4所示。可以看出，上海市雷電災害高密度區(qū)集中在中心城區(qū)、寶山區(qū)和浦東新區(qū)。上海市雷電災情密度圖和上海市地閃回擊密度圖相似，總體呈現(xiàn)西北高，東南低的特征，這說明雷電災情的發(fā)生和致災因子（地閃回擊）有著高度的相關關系。

圖4 上海市2009—2017年雷電災害密度Fig. 4 Density of lighting associated disasters during 2009-2017 in Shanghai

根據(jù)上海市的特征以及報災人對雷電災害詳細內(nèi)容的描述，將收集到的594起雷電災情按照承災體類型分為為“人員傷亡”“電力設施故障”“建筑物損害”“信號燈受損”“車輛受損”和“其他”這6個類型，并分別統(tǒng)計其頻次（表3）。

表3 上海市2009—2017年雷電災害分區(qū)統(tǒng)計Table 3 Summary of lighting associated disasters by district during 2009-2017 in Shanghai

從表3可看出，上海市“人員傷亡”最多出現(xiàn)在青浦區(qū)，而“信號燈”受損最多出現(xiàn)在中心城區(qū)，這是因為中心城區(qū)交通密集，“其他”類報警占比最高也是在中心城區(qū)，這說明中心城區(qū)經(jīng)濟集中，易受雷電災害影響。除這3種承災體以外，其他承災體各區(qū)分布最高的均在浦東新區(qū)，這和浦東新區(qū)的區(qū)域面積大有關。

2009—2017年，上海市共發(fā)生雷擊致人員傷亡13起，涉及18人次。從區(qū)分布看，人員傷亡大多發(fā)生在郊區(qū)，這和郊區(qū)空曠地域多，雷電防護措施較薄弱有關。從承災體總體分布看來，所有的災害類型中，“電力設施故障”占比最高，為61.4%，這說明雷電過程對上海的“電力設施”影響最為嚴重，這和胡先鋒等[17]在對1998—2004年中國雷電災害進行分析時發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是一致的。

4 結(jié)論與討論

1）2009—2017年上海市雷電活動年際差異明顯，近年來呈遞減趨勢。就年內(nèi)分布而言，多發(fā)于6—9月，其中以8月最為密集；就日內(nèi)分布而言，12時—17時是雷電的高發(fā)時段。就空間分布而言，閃電密度總體為西北高東南低，雷電天氣活動最易受“槽前型”天氣背景場的影響。

2）上海市雷電災害災情的時空分布與雷電活動具有高度的一致性：雷電災害數(shù)量從2009—2017年也呈現(xiàn)降低的趨勢，6—9月為集中期；就空間而言，中心城區(qū)、寶山區(qū)和浦東新區(qū)為重災區(qū)。從損失類型來看，上海市雷電活動對“電力設施”的影響最大。

在對上海市雷電活動研究過程中發(fā)現(xiàn)，上海市雷電災害的發(fā)生和雷電活動的時空特征有高度的一致性，對雷電災害的討論主要集中在對致災因子的強度分析，未能考慮承災體的脆弱性，如何從災害學的觀點出發(fā)，結(jié)合雷電活動致災因子（地閃）和承災體的脆弱性，綜合分析雷電災害風險，是后期要研究的重點內(nèi)容。如何克服現(xiàn)有資料的局限性，定量分析雷電活動和雷電災害的因果關系，以及雷電災害的形成機理，是未來研究工作的一個重點。此外，如何開展雷電災害風險的定量評估，也是未來雷電災害研究的一項重要內(nèi)容。