云南省雷电活动分布特征及对农村地区的影响分析*

杨宗凯，刘平英，胡 颖，周清倩，庄 嘉

(云南省气象灾害防御技术中心，昆明 650034)

0 引言

云南省地处低纬高原地区，全省94%的面积为山区、半山区，广大农村地区雷电灾害频发多发，因雷击造成的人员伤亡和经济损失严重。分析农村雷电灾害分布特征和致灾成因，能够为确定雷击防护重点提供参考依据。近年来，相关学者围绕雷电活动规律及农村雷电防御工作进行了深入研究，张腾飞等[1]分析雷电灾害与局地气候、地形及地貌的相关性； 钱慕晖等[2]统计多年雷电灾害损失资料，分析雷灾分布特点； 田艳婷、吴安坤等[3-4]从易损性分析角度出发，选取雷电灾害频数、经济和生命易损模数等评估指标对雷电灾害易损性进行评估； 扈海波等[5]研究雷电灾情综合评估方法，分析雷电活动规律与雷电灾害的相关性； 朱涯[6]综合分析高程数据、地形地貌、土地利用情况及人口密度等因子对雷电致灾的影响； 张烨方、盛梅等[7-8]提出了基于地理信息处理技术的网格化雷电灾害风险分析技术，实现了闪电数据与地理信息的叠加与实践应用； 彭启洋、李霞等[9-10]分析农村地区雷电灾害现状和特征，提出农村雷灾防御措施及建议。文章基于以上研究成果，分析云南省雷电活动时空分布特征，探讨雷电活动对农村地区的影响，归纳农村雷电灾害的损失类型和分布特点，确定雷电防护重点，提出防御措施及建议，以期为加强农村地区雷电灾害风险管理提供参考依据。

1 资料来源和分析方法

根据2013—2017年云南省闪电定位监测数据，运用ArcGIS空间分析功能和自然断点法确定各地区雷电易发等级程度，掌握全省地闪活动规律和演变特征。雷电灾害资料来源于近5年云南省各州(市)气象部门上报的统计报告，通过分析农村雷电灾害损失类型，比较不同孕灾环境下雷灾次数和人员伤亡的分布情况，确定各地区的雷电风险等级和灾害防御重点，研究农村地区雷电致灾成因机制，提出相应的防范措施及建议。

2 雷电致灾因子的分布特点

2.1 云南省雷电易发区域划分

基于ArcGIS中的自然断点法对闪电数据进行分级，主要依据为各地年平均地闪密度，该参数反映了地闪活动的频繁程度，数值越高，说明区域遭受雷击的可能性越大。自然断点法原理是一个小聚类，聚类结束条件是组间方差最大、组内方差最小，计算方式如式(1)所示，将雷电易发等级划分为极高、高、较高、中、一般共5级，形成2013—2017年云南省雷电易发区域(图1)。雷电极高易发区主要分布在滇中、滇西南等地区，涉及昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、红河、丽江等地，该等级区域约占云南省总面积的3.53%，这些地区年平均地闪密度都在1.50次/(km2·年)以上，雷电活动频繁密集，雷击风险隐患较大； 雷电高易发区面积所占比例为12.22%，涉及昆明、楚雄、玉溪、曲靖、丽江、西双版纳、文山、红河、普洱等州(市)； 较高易发区所占比例为21.81%，集中在滇中、滇东南及滇西南等地区； 中易发区所占比例为29.88%； 一般易发区所占比例为32.56%，主要分布于滇东北及滇西北，涉及迪庆、怒江、昭通等州(市)，这些地区年平均地闪密度均在0.5次/(km2·年)以下，雷电活动较弱，区域遭受雷击的程度较其他地区更低。

(1)

式(1)中，SSD为方差；i、j为第i、j个元素；A为长度为N的数组；k为i、j中间的数，表示A组中的第k个元素。

2.2 地闪强度的空间分布特征

近5年云南省地闪强度的空间分布(图2)可看出，地闪强度的高值区主要分布在昭通市及迪庆州，在地闪活动较为频繁的滇中、滇西南等地区，地闪强度却相对较小，地闪强度的空间分布呈现北高南低的特征，正地闪平均电流强度为52.43kA，负地闪平均电流强度为-36.29kA，正、负地闪电流强度的绝对值主要集中在15～45kA。

图1 云南省雷电易发区域划分 图2 云南省地闪强度的空间分布特征

2.3 地闪活动的时空分布特征

2.3.1 地闪次数的时间分布

如图3所示， 2013—2017年云南省共发生地闪活动283.654 1万次， 4月份以后，地闪活动增强，集中发生在6—9月，该时段累计地闪次数达223.401 0万次，占全年总地闪次数的78.8%， 8月份地闪次数达到峰值， 10月份以后，全省闪电活动减弱，地闪次数的逐月分布呈单峰型分布。地闪次数逐时分布如图4所示，午后到傍晚是地闪活动的高发时段，峰值出现在17：00～18： 00。由于午后强烈的太阳辐射，下垫面温度升高，形成热力对流和抬升条件，对流不稳定能量逐渐累积，地闪活动增强，夜间由于热力条件降低，闪电活动减弱。

图3 近5年云南省地闪次数的逐月变化特征 图4 近5年云南省地闪活动的逐时变化

3 农村雷电灾害分布特征

3.1.1 农村雷电灾害占比情况

从表1中可看出， 2013—2017年云南省共发生雷电灾害229起，其中农村雷电灾害93起，占总雷灾起数的40.61%，损坏电气系统及电子设备900余件，损坏农村建筑物43间，雷击共造成116名农村人员伤亡，占雷击伤亡总人数的78.38%。

表1 2013—2017年云南省农村雷电灾害损失及占比情况

3.1.2 农村雷电灾害的时空分布分析

将图5与云南省雷电易发区域进行对比可看出，在地闪活动频繁的昆明、曲靖、玉溪、普洱、西双版纳、丽江等雷电易发地区，雷电灾害发生密集，在怒江、迪庆等地闪活动较弱地区，雷电灾害相对较少。在地闪活动强度较大的昭通地区，农村雷电灾害也频发多发。如图6所示，农村雷电灾害集中发生在5—9月， 8月份农村雷电灾害最多，这主要是由于5月份以后，闪电活动逐渐增强，农民群众处于农田、山坡等户外区域从事农事劳作，遭受直击雷的概率增大，雷击人身伤亡事件增多。

图5 农村雷电灾害的空间分布 图6 农村雷电灾害的逐月分布

图7 农村雷电灾害损失类型分析 图8 雷击人员伤亡场所分布

3.1.3 农村雷电灾害损失类型及雷击人员伤亡的场所分布

如图7所示，农村雷灾损失类型主要表现为雷击人身伤亡，占农村雷灾总数的49.55%，其次为雷击造成的电器电子设备损失，占28.83%，雷击导致农村建(构)筑物受损及牲畜伤亡事件所占比重也较大。由图8可看出，发生在农田的雷击人身伤亡事件的比重在50%以上，村民在树下、山坡、水域附近及路边等空旷野外区域容易遭受直击雷侵袭。闪电活动具有随机性和突发性，雷雨天气下，若农民群众防御措施不当，田间地头缺乏安全有效的雷电防御应急避险场所，增大了人员遭受雷击的风险隐患。

4 云南省农村雷电致灾成因分析

4.1 低纬高原地区雷电致灾因子的危险性

云南省地处低纬高原地区，地形地貌和地理位置特殊，是全国雷暴高发区之一，全省地闪密度较高的地区主要分布在滇中、滇西南等地区，昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、红河、西双版纳、丽江的大部分区域雷电易发程度都在高等级以上，这些地区农村雷电灾害发生频数也较高，雷电活动发生频繁的地区，农村雷电灾害也频发多发。此外，昭通市虽然地闪密度值较小，但其地闪强度较大，该地区山区面积占72.5%，居住在乡村的人口数量所占比重较大，农村雷电灾害也发生频繁。怒江、迪庆所处纬度较高，地闪活动较少，加上地广人稀，其雷电灾害发生频数较低，由此可见，农村雷电灾害的时空分布与地闪活动致灾因子存在较好的对应关系。

4.2 农村地区雷电孕灾环境的敏感性

除地闪活动外，云地闪分布还受下垫面地形地貌的影响[11-12]，云南地形地貌复杂，滇西北山峦起伏，地势险峻，不利于冷空气侵入，滇中地形波状起伏，滇南地区地势较低。地形条件有利于南部来的暖湿气流和北部来的冷空气在滇中、滇东及以南区域交汇，暖湿空气自南向北随着地形升高，逐渐抬升，形成对流不稳定，容易产生雷暴天气。云南省94%的面积为山区、半山区，广大山区农村是雷电灾害防御的薄弱区。山区基础设施的防雷装置不完善，田间地头缺乏雷电防护应急避险场所，在雷电高发时段，处于农田、山坡、树下、水域等户外区域的农民群众易遭受直击雷侵袭，当农民群众处于树下避雨时，头顶与等高度的树干之间的电位差超过空气的击穿强度时，雷电流可通过空气间隙向人体放电，当人员处于山地时，由于山坡地形陡峭，因跨步电压也可导致人员伤亡。水域附近的土壤电阻率较小，岩石和土壤交界处的土壤电阻率变化明显，处于这些区域的人员也容易遭受雷击。

4.3 农村地区承灾体的易损性

承灾体发生雷电灾害的频数越高，其抵御雷击的能力也较弱。直击雷产生强大的机械力及电动力作用，造成建(构)筑物损坏，雷电流入地过程中形成的电位梯度过大，导致附近人员因跨步电压或接触电压而受到危害。雷击电磁脉冲产生的暂态高电位和电磁脉冲以传导、耦合等方式侵入室内家用电器电子设备，引发火灾、爆炸等次生灾害。广大山区农村的房屋建设缺乏科学有效的防雷设计指导，供电、通信线路和家电设备的防雷设施建设滞后，存在防雷安全隐患。农民群众防雷避险意识淡薄，防雷科普程度不高，采取的防雷措施不当，导致雷击人身伤亡事件发生普遍。因此，完善农村防雷设施，建立户外防雷应急避险场所，加强农村防雷减灾宣传科普，对提高农村地区雷电灾害防御能力至关重要。

5 农村地区雷电灾害防御措施研究

5.1 组织开展农村防雷减灾示范工程，强化雷电灾害防御能力

针对云南省农村雷电灾害频发多发实际，云南省气象部门于2013年组织实施“农村防雷减灾示范工程”，选取雷电灾害损失严重及防雷设施不完善的农村地区作为防雷减灾工程建设示范点，开展农村雷电灾害风险调查、评估及选点，建设雷电灾害应急避险场所，完善农村防雷装置及防雷科普宣传，截止2017年底，已完成全省48个农村防雷减灾示范工程建设(图9)，建成144座避雷塔， 18座户外防雷应急避险亭，及时发布雷电预警信息，开展农村防雷科普宣传讲座，接受农民防雷咨询解答，有效防御和减少了农村地区雷电灾害损失。

图9 云南省农村防雷减灾示范工程实施点分布

5.2 加强农村防雷科普宣传和技术指导

开展农村防雷安全技术指导，制作防雷避险手册，加强农村雷电科普知识和防雷减灾法律法规宣传，通过乡村大喇叭、广播、电视、报纸、网络以及手机短信等方式，强化雷电灾害防御覆盖面，实现雷电科普防护知识进村入户，切实提高农民群众自我防护和救助能力。

5.3 加强农村雷电预警信息发布和雷灾分析研究

加强对农村雷电监测技术、雷电致灾机理研究，强化雷电监测网和雷电灾害预警预报系统的建设，推进雷电灾害易发区的村庄等地点的防御设施建设，为农村雷电防御提供区划评估依据。畅通农村雷电预警信息发布和雷电灾害上报渠道，开展雷电灾害风险隐患普查，切实提升农村雷电灾害防御水平。

6 结论

(1)雷电活动是影响农村雷电灾害发生的主要致灾因子，昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、红河、西双版纳、丽江等州(市)的大部分区域的雷电易发程度都在高等级以上，这些地区雷电活动频繁密集，雷击导致人身伤亡和经济损失的风险隐患较大。滇西北及滇东北地闪活动较弱，怒江、迪庆和昭通的地闪活动相对较弱，但地闪强度较大。全省地闪活动主要发生在6—9月，该时段地闪次数占全年总地闪次数的78.8%， 8月份地闪活动最强，午后到傍晚是地闪活动的高发时段。

(2)2013—2017年云南省共发生雷电灾害229起，农村雷电灾害发生93起，占比达到40.61%，雷击共造成116名农村人员伤亡，占雷击伤亡总人数的78.38%。农村雷电灾害集中发生在5—9月， 8月份农村雷电灾害最多，与雷电活动的时空分布存在较好的对应关系。在地闪活动频繁、地闪强度较大的地区，雷电灾害也发生密集，雷击对农村造成的损失类型主要表现为人身伤亡，主要分布在农田、树下、山坡及水域等空旷野外区域。

(3)农村雷电灾害与区域孕灾环境和承灾体防雷设施建设紧密相关，农村地区防雷设施不完善，基础设施建设缺乏科学的雷电防护设计与指导，导致承灾体抵御雷击的能力薄弱。通过开展农村防雷减灾示范工程，加强防雷科普宣传和技术指导，采用多种渠道加大雷电预警信息覆盖面等能够增强农村雷电灾害防御能力。