浙江省地闪特征及致灾危险性分析

顾媛 张卫斌 崔雪东

(浙江省气象安全技术中心，杭州 310008)

引言

作为最严重的10种自然灾害之一，雷电灾害的发生频次、损失程度与地闪活动成正相关[1-2]，对地闪特征规律的研究是一项基础性的、有意义的工作。我国不同地区的地闪活动既有共性规律，如夏季高发、日变化明显等特征，又有个性差异，如各地的正地闪比例、密度分布及雷电流幅值等不尽相同[3-5]。浙江地处东南沿海，地闪活动频繁，刘岩等[6]分析了2007年浙江地区梅雨期的闪电分布特征，指出地闪频数与降雨量的日变化之间存在一致性。潘娅英等[7]分析了2007—2009年浙江省地闪频数的时空分布和密度特征，童杭伟等[8]和赵伟等[9]利用电力部门的地闪资料分别对浙江省2004—2007年和2005—2011年地闪活动特征进行分析，但主要集中于地闪频数、密度和雷暴日的研究。对浙江地区的地闪特征研究虽然已取得一些成果，但基于气象部门连续的、长期的地闪监测资料分析较少，对地闪强度的时空特征和地域分布研究较为缺乏。

在地闪特征研究的基础上，许多学者从致灾因子入手，进行雷电灾害风险分析。早期由于观测手段有限，多将人工观测雷暴日作为致灾因子进行雷电灾害危险性计算[10]。近年来，随着闪电定位技术的发展，更多采用区域地闪频数或密度作为致灾因子[11-13]。赵伟等[14]和李浩等[15]均利用地闪密度分析浙江省雷电灾害危险性，但地闪密度并不是雷电致灾的唯一判据[9]，包括雷电电磁辐射引起的雷电灾害均与雷电流幅值密切相关[16-18]，地闪强度对致灾危险性的影响不容忽视。

本文利用浙江省2007—2018年闪电定位资料，在分析全省地闪时空分布特征的基础上，将地闪密度和强度作为致灾要素，进一步探究其地域性差异，并对全省致灾危险性作出评估，以期较为全面、准确地反映浙江省地闪活动规律及致灾特征，为区域雷击风险评估、雷电灾害防御、强对流天气短时预报等业务工作提供参考依据，提高气象防灾减灾工作效率。

1 资料与方法

本文闪电定位资料来源于浙江省ADTD型闪电定位系统2007—2018年的探测数据，该闪电定位系统由长兴、平湖、淳安、诸暨、定海、江山、永康、宁海、洪家、龙泉和平阳共11个探测子站组成(图1)，数据包含地闪的发生时间、二维空间信息、定位方式、雷电流幅值和陡度等信息。该系统的探测效率为80%～90%，平均探测范围为300 km，侧向误差为0.5°[19]。与电力部门闪电定位系统[20]、雷击跳闸数据对比分析[21]，以及与雷达回波对比分析[22]均表明该系统探测精度较好。为进一步保证数据可靠性，本文研究时剔除定位方式为二站振幅的数据以及地闪强度小于5 kA或大于500 kA的异常闪电记录[8,23-24]。本文雷电灾害资料来源于《全国雷电灾害汇编》，资料年限为2013—2018年。

图1 浙江省ADTD闪电定位站点分布

本文空间分析中均采用网格法进行计算，即分辨率0.01°×0.01°的固定网格，按照地闪数据的二维空间信息将其赋予网格化属性，并对每个网格内地闪频次、雷电流幅值等信息进行统计分析。本文对小时地闪的定义为整点时刻后1 h内发生的地闪；落雷日数表示某区域一定时间内发生地闪的天数，落雷面积表示一定时间内发生地闪的网格面积总和。

2 结果与分析

2.1 地闪年际变化

2007—2018年浙江省共监测到地闪3837493次，其中正地闪155862次，负地闪3681631次，正地闪占比4.06%。正地闪平均强度为44.99 kA，负地闪平均强度为34.26 kA。表1给出了地闪参数年际变化，2010年地闪次数最多，达492931次，2008年最少，仅180356次。2008—2015年地闪频次呈现单峰波动，2016—2018年地闪频次出现攀升趋势。正地闪年平均强度均大于负地闪，且波动幅度更大：正地闪强度2008年最高(62.45 kA)，2018年最低(36.67 kA)；负地闪平均强度在30～40 kA之间波动。落雷日数与地闪频次的年际变化无明显相关性，相关系数仅为0.12，年落雷日数和正地闪比例均呈增长趋势。

表1 2007—2018年浙江省地闪年际变化特征

2.2 地闪季节性变化

地闪具有明显的季节性变化[7-8]，选取春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—10月)日地闪频次不小于50次的数据(共1205天)，以日为单位统计地闪活动特征，包括日地闪的频次、落雷面积、小时数、正地闪比例、网格密度极大值、平均强度及峰值时段等。浙江冬季地闪极少发生(仅占全年地闪频次的0.82%)，故不作讨论。

春季日地闪频次大于10000次的占比3.10%，90%的日落雷面积小于3000 km2；夏季日地闪频次大于10000次的占比11.44%，极大值为45761次，日落雷面积的极大值为20281 km2，约占全省面积的19%；秋季日地闪频次和落雷面积的均值与夏季基本持平，但异常高值已明显减少(图2a)。日地闪小时数在夏季分布最为集中，春秋分布零散。正地闪比例春季最高，夏季最低，两季的均值分别为28.27%和4.68%(图2b)。密度极大值与频数的季节特征相似，平均地闪强度春季较高(图2c)。从日地闪峰值时段的季节性变化来看，在春季，日地闪峰值时段介于15:00—23:00之间的天数占春季地闪日数的57.75%，另有29.07%的日地闪峰值时段介于00:00—05:00时之间；夏季有85.64%的日地闪峰值时段介于12:00—20：00之间，秋季有77.50%的日地闪峰值时段介于14:00—21:00之间(图2d)。

图2 2007—2018年浙江省日地闪特征季节性变化: (a)日地闪频次、日落雷面积,(b)日地闪小时数、日正地闪比例, (c)日地闪密度极大值、日地闪平均强度,(d)日地闪峰值时段

从空间分布来看，各季节的地闪密度呈片状分布，与地形关系密切。春季浙西南地闪密度相对较高，多发于千里岗和仙霞岭山脉地区(图3a)。夏季地闪密度显著升高，高值区范围扩大，全省平均密度为2.54次/(km2·a)，其中宁波、台州部分地区地闪密度大于5次/(km2·a)(图3b)。秋季地闪密度高值区进一步东移，主要分布于浙东沿海丘陵地带(图3c)。总体而言，地闪密度相对高值区随季节演变而自西向东移动。

图3 2007—2018年浙江省地闪密度季节变化: (a)春季,(b)夏季,(c)秋季

2.3 地闪年、日变化

以往的特征研究中通常对地闪月际变化和日变化分别统计，本文对地闪频次和强度的年、日分布特征进行关联分析。正地闪频次的年、日分布呈现两个中心区，主要中心区为6—9月的12:00—20:00，占总频次的51.27%；次要中心区为2—5月的00:00—04:00(图4a)。负地闪频次分布则十分集中，76.82%发生于6—9月的12:00—20:00(图4b)。从地闪强度来看，1月正、负地闪强度均显著偏高；正地闪强度在6—9月普遍较低，其余月份的日变化波动频繁(图4c)；负地闪强度的日分布在2—11月均表现为中午(12:00)前高于中午后，其中3—7月负地闪强度水平又整体高于8—11月(图4d)。

图4 2007—2018年浙江省地闪年、日分布特征: (a)正地闪频次，(b)负地闪频次，(c)正地闪强度，(d)负地闪强度

2.4 致灾因子特征分析

如前文所述，浙江省地闪活动的地域分布差异显著，本文选取地闪密度和强度作为雷电灾害致灾因子的要素。地闪密度是最直观的致灾影响因子，它能够准确表征地面落雷的频繁程度，是衡量地闪对人类活动危害的重要参数。浙江省年平均地闪密度总体呈现中部多南北少的分布特征(图5)，地闪的高密度区(>4次/( km2·a))呈多片状分布，主要位于宁波—台州—温州一线地形过渡带、浙西山区以及浙江中部地区，舟山、浙北及浙南地区的地闪密度普遍较低。

图5 2007—2018年浙江省平均地闪密度分布

雷电流幅值是建筑物及电子电气系统防雷设计的重要依据，雷电流幅值越大，雷电的能量越高，对生命财产构成的威胁也越大。浙江省地闪雷电流幅值分布具有地域性差异(图6)，舟山、嘉兴和湖州的幅值分布重心位于20～45 kA，均值分别为44.49 kA、42.83 kA和38.90 kA，位列全省前3；杭州地闪雷电流幅值集中分布于15～40 kA，其余地区集中分布于15～35 kA，其中台州的幅值均值全省最低(32.69 kA)。由此可见，地闪密度大的地区，雷电流幅值并不一定高；部分地区地闪密度较小，但雷电流的能量反而较高。

图6 2007—2018年浙江省地闪雷电流幅值分布

2.5 致灾危险性评估

雷电灾害的致灾危险性主要受到地闪密度的影响，同时，地闪强度越大，发生雷电灾害的可能性和损失程度也随之增加[18]。地闪密度和强度二者关联影响致灾危险性，因此，本文综合考虑了不同强度区间的地闪频数对致灾危险性的影响。依据前文分析得到的浙江省地闪雷电流幅值概率分布，采用对称不等间隔分割法[11]将地闪强度分为4级，依据地闪强度越大，致灾危险性越大的原则，确定各幅值等级的强度系数(表2)。

表2 地闪强度等级划分

按照式(1)计算全省0.01°×0.01°每个格点致灾危险性指数，将浙江省雷电灾害致灾危险性划分为低、中、高、极高4个等级，从低至极高各等级所占百分比分别为20%、30%、30%和20%。

(1)

式中，Fi为第i格点的致灾危险性指数，fj为强度系数，dij为第i格点雷电流幅值为j等级的地闪密度。

从致灾危险性等级的空间分布来看(图7)，危险性极高的区域在浙东沿海一带呈片状分布，主要位于宁波中部和台州中南部，另在杭州-绍兴交界呈片状分布，在温州西北部、浙中和浙西地区呈絮状分布，杭州中西部、丽水南部及舟山等地的致灾危险性较低。

图7 浙江省雷电灾害致灾危险性等级空间分布

致灾危险性等级的空间分布特征与地闪密度分布特征相似，反映了评估模型的合理性，但危险性高值区较地闪密度高值区范围有所扩大。为进一步检验致灾危险性评估模型，本文统计了2013—2018年浙江省各市雷电灾害及其损失情况(表3)，灾情的地区差异较大。宁波、金华和衢州的地闪致灾危险性均较高，历史雷电灾情也较为严重。其中，宁波市共发生雷电灾害196起，直接经济损失860.06万元，共计20人因灾受伤或死亡，是人员伤亡最严重的地区，该市地闪致灾危险性极高等级和高等级的面积占比分别为39.54%和38.21%；金华和衢州的历史雷电灾害分别为163起和143起，位列全省第3、第4，金华地闪致灾危险性极高等级和高等级的面积占比分别为28.77%和42.65%，衢州地闪致灾危险性极高等级和高等级的面积占比分别为18.22%和38.79%。台州市地闪致灾危险性极高等级和高等级的面积占比分别为31.93%和30.20%，该市共计11人因雷电灾害受伤或死亡，人员伤亡的严重程度仅次于宁波。杭州市历史雷电灾害共计519起，直接经济损失3186.11万元，远高于其他地区，一方面是由于杭州东北部和西南部地闪致灾危险性高，另一方面与其地域面积广、人口密度大、经济相对发达以及雷灾收集手段完善有关。嘉兴、湖州和舟山的雷电灾害和人员伤亡均较少，与这些地区地闪致灾危险性相对较低的情况相吻合。从统计结果来看，雷电灾害危险性与历史雷灾个数、人员伤亡总数具有较为一致的空间分布特征，直接经济损失由于受到受灾行业和受损类别的影响而具有差异化分布。

表3 2013—2018年各市雷电灾害及损失

3 结论与讨论

本文利用浙江省2007—2018年ADTD闪电监测资料，进行该区域地闪特征的时空分析，并选取地闪密度和强度两个致灾要素，进行致灾因子分析及危险性评估，结论如下：

(1)地闪频次的年际波动明显，落雷日数和正地闪比例的年际变化均呈增长趋势；春季正地闪比例高，地闪多发于傍晚和夜间，夏季日地闪落雷面积广、密度极值高，午后雷暴占主导地位。全年正、负地闪集中发生于6—9月的12:00—20:00，此外，2—5月的00:00—04:00正地闪相对高发；正地闪强度在6—9月相对较低，负地闪强度的日变化表现为中午(12:00)前高于中午后。

(2)地闪密度相对高值区随季节演变而自西向东移动，年平均地闪密度总体呈浙中多南北少的分布特征，高密度区域主要位于浙东沿海地形过渡带、浙西山区以及浙江中部地区。雷电流幅值主要分布于15～45 kA，地闪强度平均值舟山(44.49 kA)最高，台州(32.69 kA)最低，地闪密度和强度的空间分布特征各异。

(3)将雷电灾害致灾危险性划分为低、中、高和极高4个等级，极高等级区域集中在宁波中部和台州中南部，另在杭州—绍兴交界呈片状分布，在温州西北部、浙中和浙西地区呈絮状分布；致灾危险性等级与历史雷灾个数、人员伤亡总数具有较为一致的空间分布特征。

(4)由于雷电灾害是致灾因子、孕灾环境和承灾体共同作用的结果，本文仅对致灾危险性进行分析讨论，未来将继续对孕灾环境敏感性和承灾体易损性开展分析研究，从而完善雷电灾害风险评估工作。