浙江省地閃特征及致災(zāi)危險性分析

顧媛 張衛(wèi)斌 崔雪東

(浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008)

引言

作為最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一，雷電災(zāi)害的發(fā)生頻次、損失程度與地閃活動成正相關(guān)[1-2]，對地閃特征規(guī)律的研究是一項基礎(chǔ)性的、有意義的工作。我國不同地區(qū)的地閃活動既有共性規(guī)律，如夏季高發(fā)、日變化明顯等特征，又有個性差異，如各地的正地閃比例、密度分布及雷電流幅值等不盡相同[3-5]。浙江地處東南沿海，地閃活動頻繁，劉巖等[6]分析了2007年浙江地區(qū)梅雨期的閃電分布特征，指出地閃頻數(shù)與降雨量的日變化之間存在一致性。潘婭英等[7]分析了2007—2009年浙江省地閃頻數(shù)的時空分布和密度特征，童杭偉等[8]和趙偉等[9]利用電力部門的地閃資料分別對浙江省2004—2007年和2005—2011年地閃活動特征進(jìn)行分析，但主要集中于地閃頻數(shù)、密度和雷暴日的研究。對浙江地區(qū)的地閃特征研究雖然已取得一些成果，但基于氣象部門連續(xù)的、長期的地閃監(jiān)測資料分析較少，對地閃強度的時空特征和地域分布研究較為缺乏。

在地閃特征研究的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者從致災(zāi)因子入手，進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險分析。早期由于觀測手段有限，多將人工觀測雷暴日作為致災(zāi)因子進(jìn)行雷電災(zāi)害危險性計算[10]。近年來，隨著閃電定位技術(shù)的發(fā)展，更多采用區(qū)域地閃頻數(shù)或密度作為致災(zāi)因子[11-13]。趙偉等[14]和李浩等[15]均利用地閃密度分析浙江省雷電災(zāi)害危險性，但地閃密度并不是雷電致災(zāi)的唯一判據(jù)[9]，包括雷電電磁輻射引起的雷電災(zāi)害均與雷電流幅值密切相關(guān)[16-18]，地閃強度對致災(zāi)危險性的影響不容忽視。

本文利用浙江省2007—2018年閃電定位資料，在分析全省地閃時空分布特征的基礎(chǔ)上，將地閃密度和強度作為致災(zāi)要素，進(jìn)一步探究其地域性差異，并對全省致災(zāi)危險性作出評估，以期較為全面、準(zhǔn)確地反映浙江省地閃活動規(guī)律及致災(zāi)特征，為區(qū)域雷擊風(fēng)險評估、雷電災(zāi)害防御、強對流天氣短時預(yù)報等業(yè)務(wù)工作提供參考依據(jù)，提高氣象防災(zāi)減災(zāi)工作效率。

1 資料與方法

本文閃電定位資料來源于浙江省ADTD型閃電定位系統(tǒng)2007—2018年的探測數(shù)據(jù)，該閃電定位系統(tǒng)由長興、平湖、淳安、諸暨、定海、江山、永康、寧海、洪家、龍泉和平陽共11個探測子站組成(圖1)，數(shù)據(jù)包含地閃的發(fā)生時間、二維空間信息、定位方式、雷電流幅值和陡度等信息。該系統(tǒng)的探測效率為80%～90%，平均探測范圍為300 km，側(cè)向誤差為0.5°[19]。與電力部門閃電定位系統(tǒng)[20]、雷擊跳閘數(shù)據(jù)對比分析[21]，以及與雷達(dá)回波對比分析[22]均表明該系統(tǒng)探測精度較好。為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)可靠性，本文研究時剔除定位方式為二站振幅的數(shù)據(jù)以及地閃強度小于5 kA或大于500 kA的異常閃電記錄[8,23-24]。本文雷電災(zāi)害資料來源于《全國雷電災(zāi)害匯編》，資料年限為2013—2018年。

圖1 浙江省ADTD閃電定位站點分布

本文空間分析中均采用網(wǎng)格法進(jìn)行計算，即分辨率0.01°×0.01°的固定網(wǎng)格，按照地閃數(shù)據(jù)的二維空間信息將其賦予網(wǎng)格化屬性，并對每個網(wǎng)格內(nèi)地閃頻次、雷電流幅值等信息進(jìn)行統(tǒng)計分析。本文對小時地閃的定義為整點時刻后1 h內(nèi)發(fā)生的地閃；落雷日數(shù)表示某區(qū)域一定時間內(nèi)發(fā)生地閃的天數(shù)，落雷面積表示一定時間內(nèi)發(fā)生地閃的網(wǎng)格面積總和。

2 結(jié)果與分析

2.1 地閃年際變化

2007—2018年浙江省共監(jiān)測到地閃3837493次，其中正地閃155862次，負(fù)地閃3681631次，正地閃占比4.06%。正地閃平均強度為44.99 kA，負(fù)地閃平均強度為34.26 kA。表1給出了地閃參數(shù)年際變化，2010年地閃次數(shù)最多，達(dá)492931次，2008年最少，僅180356次。2008—2015年地閃頻次呈現(xiàn)單峰波動，2016—2018年地閃頻次出現(xiàn)攀升趨勢。正地閃年平均強度均大于負(fù)地閃，且波動幅度更大：正地閃強度2008年最高(62.45 kA)，2018年最低(36.67 kA)；負(fù)地閃平均強度在30～40 kA之間波動。落雷日數(shù)與地閃頻次的年際變化無明顯相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)僅為0.12，年落雷日數(shù)和正地閃比例均呈增長趨勢。

表1 2007—2018年浙江省地閃年際變化特征

2.2 地閃季節(jié)性變化

地閃具有明顯的季節(jié)性變化[7-8]，選取春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—10月)日地閃頻次不小于50次的數(shù)據(jù)(共1205天)，以日為單位統(tǒng)計地閃活動特征，包括日地閃的頻次、落雷面積、小時數(shù)、正地閃比例、網(wǎng)格密度極大值、平均強度及峰值時段等。浙江冬季地閃極少發(fā)生(僅占全年地閃頻次的0.82%)，故不作討論。

春季日地閃頻次大于10000次的占比3.10%，90%的日落雷面積小于3000 km2；夏季日地閃頻次大于10000次的占比11.44%，極大值為45761次，日落雷面積的極大值為20281 km2，約占全省面積的19%；秋季日地閃頻次和落雷面積的均值與夏季基本持平，但異常高值已明顯減少(圖2a)。日地閃小時數(shù)在夏季分布最為集中，春秋分布零散。正地閃比例春季最高，夏季最低，兩季的均值分別為28.27%和4.68%(圖2b)。密度極大值與頻數(shù)的季節(jié)特征相似，平均地閃強度春季較高(圖2c)。從日地閃峰值時段的季節(jié)性變化來看，在春季，日地閃峰值時段介于15:00—23:00之間的天數(shù)占春季地閃日數(shù)的57.75%，另有29.07%的日地閃峰值時段介于00:00—05:00時之間；夏季有85.64%的日地閃峰值時段介于12:00—20：00之間，秋季有77.50%的日地閃峰值時段介于14:00—21:00之間(圖2d)。

圖2 2007—2018年浙江省日地閃特征季節(jié)性變化: (a)日地閃頻次、日落雷面積,(b)日地閃小時數(shù)、日正地閃比例, (c)日地閃密度極大值、日地閃平均強度,(d)日地閃峰值時段

從空間分布來看，各季節(jié)的地閃密度呈片狀分布，與地形關(guān)系密切。春季浙西南地閃密度相對較高，多發(fā)于千里崗和仙霞嶺山脈地區(qū)(圖3a)。夏季地閃密度顯著升高，高值區(qū)范圍擴大，全省平均密度為2.54次/(km2·a)，其中寧波、臺州部分地區(qū)地閃密度大于5次/(km2·a)(圖3b)。秋季地閃密度高值區(qū)進(jìn)一步東移，主要分布于浙東沿海丘陵地帶(圖3c)?？傮w而言，地閃密度相對高值區(qū)隨季節(jié)演變而自西向東移動。

圖3 2007—2018年浙江省地閃密度季節(jié)變化: (a)春季,(b)夏季,(c)秋季

2.3 地閃年、日變化

以往的特征研究中通常對地閃月際變化和日變化分別統(tǒng)計，本文對地閃頻次和強度的年、日分布特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。正地閃頻次的年、日分布呈現(xiàn)兩個中心區(qū)，主要中心區(qū)為6—9月的12:00—20:00，占總頻次的51.27%；次要中心區(qū)為2—5月的00:00—04:00(圖4a)。負(fù)地閃頻次分布則十分集中，76.82%發(fā)生于6—9月的12:00—20:00(圖4b)。從地閃強度來看，1月正、負(fù)地閃強度均顯著偏高；正地閃強度在6—9月普遍較低，其余月份的日變化波動頻繁(圖4c)；負(fù)地閃強度的日分布在2—11月均表現(xiàn)為中午(12:00)前高于中午后，其中3—7月負(fù)地閃強度水平又整體高于8—11月(圖4d)。

圖4 2007—2018年浙江省地閃年、日分布特征: (a)正地閃頻次，(b)負(fù)地閃頻次，(c)正地閃強度，(d)負(fù)地閃強度

2.4 致災(zāi)因子特征分析

如前文所述，浙江省地閃活動的地域分布差異顯著，本文選取地閃密度和強度作為雷電災(zāi)害致災(zāi)因子的要素。地閃密度是最直觀的致災(zāi)影響因子，它能夠準(zhǔn)確表征地面落雷的頻繁程度，是衡量地閃對人類活動危害的重要參數(shù)。浙江省年平均地閃密度總體呈現(xiàn)中部多南北少的分布特征(圖5)，地閃的高密度區(qū)(>4次/( km2·a))呈多片狀分布，主要位于寧波—臺州—溫州一線地形過渡帶、浙西山區(qū)以及浙江中部地區(qū)，舟山、浙北及浙南地區(qū)的地閃密度普遍較低。

圖5 2007—2018年浙江省平均地閃密度分布

雷電流幅值是建筑物及電子電氣系統(tǒng)防雷設(shè)計的重要依據(jù)，雷電流幅值越大，雷電的能量越高，對生命財產(chǎn)構(gòu)成的威脅也越大。浙江省地閃雷電流幅值分布具有地域性差異(圖6)，舟山、嘉興和湖州的幅值分布重心位于20～45 kA，均值分別為44.49 kA、42.83 kA和38.90 kA，位列全省前3；杭州地閃雷電流幅值集中分布于15～40 kA，其余地區(qū)集中分布于15～35 kA，其中臺州的幅值均值全省最低(32.69 kA)。由此可見，地閃密度大的地區(qū)，雷電流幅值并不一定高；部分地區(qū)地閃密度較小，但雷電流的能量反而較高。

圖6 2007—2018年浙江省地閃雷電流幅值分布

2.5 致災(zāi)危險性評估

雷電災(zāi)害的致災(zāi)危險性主要受到地閃密度的影響，同時，地閃強度越大，發(fā)生雷電災(zāi)害的可能性和損失程度也隨之增加[18]。地閃密度和強度二者關(guān)聯(lián)影響致災(zāi)危險性，因此，本文綜合考慮了不同強度區(qū)間的地閃頻數(shù)對致災(zāi)危險性的影響。依據(jù)前文分析得到的浙江省地閃雷電流幅值概率分布，采用對稱不等間隔分割法[11]將地閃強度分為4級，依據(jù)地閃強度越大，致災(zāi)危險性越大的原則，確定各幅值等級的強度系數(shù)(表2)。

表2 地閃強度等級劃分

按照式(1)計算全省0.01°×0.01°每個格點致災(zāi)危險性指數(shù)，將浙江省雷電災(zāi)害致災(zāi)危險性劃分為低、中、高、極高4個等級，從低至極高各等級所占百分比分別為20%、30%、30%和20%。

(1)

式中，F(xiàn)i為第i格點的致災(zāi)危險性指數(shù)，fj為強度系數(shù)，dij為第i格點雷電流幅值為j等級的地閃密度。

從致災(zāi)危險性等級的空間分布來看(圖7)，危險性極高的區(qū)域在浙東沿海一帶呈片狀分布，主要位于寧波中部和臺州中南部，另在杭州-紹興交界呈片狀分布，在溫州西北部、浙中和浙西地區(qū)呈絮狀分布，杭州中西部、麗水南部及舟山等地的致災(zāi)危險性較低。

圖7 浙江省雷電災(zāi)害致災(zāi)危險性等級空間分布

致災(zāi)危險性等級的空間分布特征與地閃密度分布特征相似，反映了評估模型的合理性，但危險性高值區(qū)較地閃密度高值區(qū)范圍有所擴大。為進(jìn)一步檢驗致災(zāi)危險性評估模型，本文統(tǒng)計了2013—2018年浙江省各市雷電災(zāi)害及其損失情況(表3)，災(zāi)情的地區(qū)差異較大。寧波、金華和衢州的地閃致災(zāi)危險性均較高，歷史雷電災(zāi)情也較為嚴(yán)重。其中，寧波市共發(fā)生雷電災(zāi)害196起，直接經(jīng)濟損失860.06萬元，共計20人因災(zāi)受傷或死亡，是人員傷亡最嚴(yán)重的地區(qū)，該市地閃致災(zāi)危險性極高等級和高等級的面積占比分別為39.54%和38.21%；金華和衢州的歷史雷電災(zāi)害分別為163起和143起，位列全省第3、第4，金華地閃致災(zāi)危險性極高等級和高等級的面積占比分別為28.77%和42.65%，衢州地閃致災(zāi)危險性極高等級和高等級的面積占比分別為18.22%和38.79%。臺州市地閃致災(zāi)危險性極高等級和高等級的面積占比分別為31.93%和30.20%，該市共計11人因雷電災(zāi)害受傷或死亡，人員傷亡的嚴(yán)重程度僅次于寧波。杭州市歷史雷電災(zāi)害共計519起，直接經(jīng)濟損失3186.11萬元，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，一方面是由于杭州東北部和西南部地閃致災(zāi)危險性高，另一方面與其地域面積廣、人口密度大、經(jīng)濟相對發(fā)達(dá)以及雷災(zāi)收集手段完善有關(guān)。嘉興、湖州和舟山的雷電災(zāi)害和人員傷亡均較少，與這些地區(qū)地閃致災(zāi)危險性相對較低的情況相吻合。從統(tǒng)計結(jié)果來看，雷電災(zāi)害危險性與歷史雷災(zāi)個數(shù)、人員傷亡總數(shù)具有較為一致的空間分布特征，直接經(jīng)濟損失由于受到受災(zāi)行業(yè)和受損類別的影響而具有差異化分布。

表3 2013—2018年各市雷電災(zāi)害及損失

3 結(jié)論與討論

本文利用浙江省2007—2018年ADTD閃電監(jiān)測資料，進(jìn)行該區(qū)域地閃特征的時空分析，并選取地閃密度和強度兩個致災(zāi)要素，進(jìn)行致災(zāi)因子分析及危險性評估，結(jié)論如下：

(1)地閃頻次的年際波動明顯，落雷日數(shù)和正地閃比例的年際變化均呈增長趨勢；春季正地閃比例高，地閃多發(fā)于傍晚和夜間，夏季日地閃落雷面積廣、密度極值高，午后雷暴占主導(dǎo)地位。全年正、負(fù)地閃集中發(fā)生于6—9月的12:00—20:00，此外，2—5月的00:00—04:00正地閃相對高發(fā)；正地閃強度在6—9月相對較低，負(fù)地閃強度的日變化表現(xiàn)為中午(12:00)前高于中午后。

(2)地閃密度相對高值區(qū)隨季節(jié)演變而自西向東移動，年平均地閃密度總體呈浙中多南北少的分布特征，高密度區(qū)域主要位于浙東沿海地形過渡帶、浙西山區(qū)以及浙江中部地區(qū)。雷電流幅值主要分布于15～45 kA，地閃強度平均值舟山(44.49 kA)最高，臺州(32.69 kA)最低，地閃密度和強度的空間分布特征各異。

(3)將雷電災(zāi)害致災(zāi)危險性劃分為低、中、高和極高4個等級，極高等級區(qū)域集中在寧波中部和臺州中南部，另在杭州—紹興交界呈片狀分布，在溫州西北部、浙中和浙西地區(qū)呈絮狀分布；致災(zāi)危險性等級與歷史雷災(zāi)個數(shù)、人員傷亡總數(shù)具有較為一致的空間分布特征。

(4)由于雷電災(zāi)害是致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體共同作用的結(jié)果，本文僅對致災(zāi)危險性進(jìn)行分析討論，未來將繼續(xù)對孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體易損性開展分析研究，從而完善雷電災(zāi)害風(fēng)險評估工作。