雷电强度等级空间分布及其与土地利用类型关系

雒新萍

（陕西省突发事件预警信息发布中心，西安 710014）

雷电是一种常见的自然现象，对人类社会产生重要影响。随着现代科学技术、经济建设的快速发展，人民生活水平不断提高，在一定区域内雷暴现象会对周围居民造成严重影响。与此同时，地形地貌、气候等多种因素造成地表形态变化剧烈，降水集中分布不均且缺乏规律性而引发地灾频发，人类活动使环境恶化导致水土流失加剧，扩大了雷暴现象的影响程度。

我国幅员辽阔、人口基数巨大等特点决定中国国土面积广阔且分布不均（除少数特殊城市外），加上地形地貌复杂多样使不同地区之间存在着差异性和复杂性，受自然条件及人为因素影响较大，导致灾害频发。因此，研究雷电天气在一定区域内的时空演变规律及其与土地利用类型关系是有一定意义的。

1 国内外研究现状

雷电是一种大气放电现象，根据不同的气象条件、地形地貌和雷暴活动特征等因素对人类造成很大影响。

国外对雷电分布特征和影响因素进行大量分析，并根据其特点提出合理化建议，主要集中在以下几个方面：一是关于雷电灾害与利用区位条件之间的关系问题；二是基于气象要素、地形地貌条件等建立空间格局指数体系；三是针对雷击天气下，灾害频发区域面积变化规律及雷电活动强度、频率分布情况等进行研究、分析和探讨，并提出相应的对策建议。

我国在雷电灾害与利用区位条件、气象要素和地形地貌等因素之间存在着相互作用关系，在雷击天气下，不同区域间会形成明显差异性的土地利用类型及分布特征。目前国内对雷击灾害研究较多，但大多数只是针对气象条件下进行，并未考虑到地形地貌等因素，主要集中在2个方面：一是关于空间分布格局与土地利用类型关系分析方法的相关文献；二是针对雷击灾害引起土地资源破坏问题进行深入探讨。我国对于雷电防护技术的研究有一定进展，但总体仍处于初级阶段，而基于GIS地理信息系统（RS）功能的应用系统还未真正建立，因此对雷电灾害的防范和治理仍处于起步阶段。

2 雷电强度等级

2.1 雷电强度等级及分布

雷电强度等级是根据雷电活动所引起的危害程度来判定的。在研究中，主要针对的是高电压、大电流的雷鸣和直击闪电等现象。雷电强度等级的研究主要是为了确定不同区域之间大气雷云和地面空间电荷分布情况，以及在该区域内建筑物、道路等因素作用下，是否具有足够数量、质量好坏和程度高低的电流电荷分布情况。

雷电强度等级分布是指根据不同的气象条件、地形地貌等因素，利用GIS软件中提供的空间分析功能，对研究区内主要建筑物进行分区，同时对各区域内雷击灾害和雷暴类型做详细地描述。不同类型空间分布特征不相同：①低频区。主要集中出现在我国东部地区和中部城市群；②次强带区。主要有北京—太原市及陕西宝鸡市2个区域；③中频区。主要集中于西部地区及南部的部分城市，如成都、重庆等地，但在平原地区是相对较小的一个片区，在其他地区也有分布。

2.2 雷电强度等级时间序列

雷电强度等级的时间序列是对分布图进行分析，根据雷云放电时不同阶段所对应的电压，计算各雷电活动时刻下各个雷暴站所在区域内平均风速和最大干谷降水量，也可通过建立一个模型来确定该地区在一定范围内闪电持续时间。

从理论上讲，当某地区出现高频率、低幅度及强幅值等特征变化时，雷电活动的强弱和持续时间不同，雷云放电强度就会随之变化，因此可以通过建立相应的数学模型来确定该地区在一定范围内平均风速，以及高频率、小幅度及强幅值所对应时间段下闪电的强度等级。雷暴期间，在不同利用类型上，由于地形地貌等条件差异性影响引起的放电时强弱电平变化也各不相同。

2.3 雷电强度等级的衰减

雷电强度等级的衰减是由在雷击跳至地面时，大气中大量物质粒子和电荷分布不均匀导致的电位升高引起的。在雷暴日数变化不大且无明显规律性的情况下，雷电响应特征包括以下2点：①在雷云落点附近主要以高电导率、低密度为主要特点；②在气象条件及其他因素影响下造成雷暴闪络现象的发生。雨天大气中大量粒子和电荷分布不均导致雷云落点处的电荷分布不均匀，引起了高电导率、低密度的雷暴现象。

2.4 雷电强度等级分布结果

雷电强度等级分布与雷电流幅值大小有一定关系，雷击脉冲的持续时间和频率会影响雷电强度等级，雷暴期越长，闪电次数就越大。

当阴天出现高电闪时，由于阳极放电导致电压峰值较低从而引起高电闪现象；中纬度地区地热条件比海拔更甚，发生地面雷击脉冲数也更高。因此雷电强度等级越高造成的雷暴期越长，随时间不断增加直至高点后逐渐降低；当阴天出现高电闪时，雷电强度等级与雷暴期成反比关系。

在雷电脉冲强度等级的分布上，雷电流幅值和频率均与雷暴期呈正相关关系。从雷击脉冲的持续时间来看，雷击中沿不同路径产生的次数有一定差别。其中在中纬度地区发生地面直击、侧向感应和间歇性地源电压峰值为正数倍相；而在海拔较低一些区域，如云贵高原地带出现高电闪和雷电冲击波时，雷暴期与高电闪相比降低了很多。

3 雷电强度等级空间分布及影响因素分析

3.1 雷电强度等级特征

雷电活动强度是指每秒钟在不同频率的雷云上发生的能量交换现象，并且随着时间增加，其持续时间也不断增长，从而达到了对雷暴区进行划分的目的。

根据《雷电和防护及排雷工程管理》和相关资料显示可知：雷电活动主要集中于低纬度地区，雷电活动强度分布在高海拔地区，而中海拔区域则是由于地形地貌条件限制或人类活动强度大导致雷峰期及高峰时段较多且持续时间不长，呈现出波动性变化；低海拔区域则是由于雷电活动强度大，持续时间多，持续时间短，其特点主要表现在雷峰的雷暴时间长、高频率。

雷电活动强度的空间分布与土地利用类型有密切联系，不同地区在雷峰频发时间上存在较大差异，但受地形地貌因素、气象条件及人类活动等影响导致雷电活动强度频率呈现出一定规律，雷电活动强度对雷雨形成时间和频率产生影响，并在不同尺度上存在着明显差异。

3.2 雷电强度等级影响因子

雷电活动对土地利用类型的影响因子主要分为3类。

一是直击雷效应：即在地面形成强大电流，当高于大气电场强度时电荷从附近向邻近区域扩散。其特征在于，首先是能量密度高，地表的云量与云层厚度成反比；其次是雷暴闪络放电引起了大量降水和热量集中；最后是会产生电磁辐射、热对流及光散射等作用，降低空气中的温度及湿度变化，从而影响土地利用类型使其呈现出多种多样的分布特征。

二是地形地貌效应：地形地势高低起伏变化、土壤性质差异和气候条件不同导致地表植被覆盖度不均匀或分布不均，局部地区降水集中程度不一致，雨水渗入形成大范围径流，对土地资源利用产生不利影响。

三是热效应：在云量高时，电场强度大，辐射作用强，土地利用类型呈多分散状态；相反地，区内电荷聚集程度低、密度小、无变化或有少量变化，总体未产生较大影响且具有一定规律性，会出现具有显著差异性的局部现象。

3.3 雷电强度等级空间分布定量估算

雷电强度等级的定量评估主要是利用统计软件建立二维网格，然后根据不同类型、不同时间段雷云电荷分布特征进行计算。

在确定雷电锋位后通过查阅文献资料和相关气象数据得到以下几方面结论：①雷击灾害频发时间短且持续时间长；②雷暴峰值具有一定的空间自相关性，并且雷电强度等级分值也随季节、年际变化明显不同。

3.4 雷电强度等级指数

雷电强度等级分布与地形地貌、气象因素和人类活动密切相关，在不同的地区，其闪电特性及雷暴日数都会有所不同。雷云放电时，大气离子浓度增加引起能量衰减。当雷电击中地面物质层时会产生强烈的感应电荷，因此对地表附近环境造成一定影响；同时随着时间推移、空间尺度的变化等也可能使周围区域形成大量雷害事件，导致灾害频发和损失较大。雷暴日数越多，雷害事件的影响越大，持续时间越长。

地形地貌对雷电强度等级分布的影响主要表现在地形差异性、植被斑块变化及不同高度下雷害发生时的持续时间等方面。根据相关规程中给出的雷暴日数，将其分为3类：第一大类为年平均雷暴日；第二大类是年均最高潮天和最低潮次数；第三大类是每年最大风暴时间或峰值频率。

3.5 雷电强度等级空间分布与整理

在空间分布上，雷电具有明显的时域特征，对其进行分析，可以得到以下结论。

1）雷云与不同类型地物之间存在着相互影响关系。当雷电击中某些区域后会引起地面闪络放电强度下降，随着时间的推移，能量从高到低依次是大气中带电部分和地热，不同地物对能量的承受力不同，在接受雷击时，受害程度不同。

2）雷电活动与地形地貌之间存在着明显相关关系。地形地貌对带电部分的影响主要是由大气环流形成，并在雷暴日前后会出现高幅值，不同区域间也存在差异性，导致雷暴发生时，雷电强度不同。

3）雷击灾害与地形分布之间没有明显相关关系。雷击灾害的主要分布区域是丘陵，而地形地貌对雷电活动影响不大。

3.6 雷电强度等级空间分布的对策建议

1）科学合理制定雷电活动强度标准。根据雷击灾害的类型、影响因素和频度进行分级。为了避免对雷暴区造成严重干扰，可适当增加其频率。同时在雷云形成时可能会产生高热值及强对流效应，可采取以下措施：一是加强气象监测与预报工作；二是建立相应的防潮设施或避雨棚等；三是加强对雷电的监测与预报工作。

2）合理规划用地，减少不合理的开发利用。由于雷云形成区主要集中在山区和丘陵地区，可适当将部分地区划分为自然保护区、农田保护区等进行保护，以达到避雷针或其他设施有效使用面积最大化的目的。同时应注意避免建设中产生大量耕地被占用或破坏生态环境情况出现在城市居民住宅区内。

3）加强对雷电活动强度的研究及分析。

4）提高雷电防护意识，加强对居民的安全教育。在雷云形成区，应加大防护力度；对于易受灾害影响地区要做好防避电措施，结合当地地形地貌、植被等因素综合考虑防雷措施。

4 雷电强度等级空间分布与土地利用类型关系

4.1 雷电强度等级空间分布与土地利用类型的选取

根据研究资料可知，雷电活动强度等级分布与土地利用类型具有一定相关关系，因此可利用其空间分布对雷击灾害进行分类。由于雷暴和雷电是自然现象，在地球表层传播过程中不可避免地存在着能量物质交换形式，即雨、热辐射及对流等效应，对地表水、大气带或近地面物体造成损坏；通过降水形成，大量的雨水积聚到地下水，导致地下水水位上升或者下降影响到土地利用类型。因此，雷电活动强度等级的选取主要是利用降水、土壤及地表水等因素对雷击灾害进行分类。根据地形地貌条件及气象特点可以将雷击破坏类型分为3种：丘陵型（高寒低热）土地利用结构、河谷平原和山地生态用地。

4.2 雷电强度等级空间分布与土地利用类型的关系对比

雷电强度等级的空间分布与土地利用类型之间是否有关，从以下2个方面来分析。

1）雷电流对地形地貌具有一定程度上的影响。在我国大部分山区和丘陵地区都是雷暴云多发地且持续时间长地区。高阻雷电是由于大气电场形成的，产生时主要集中于地表下风向较高处或山谷部分及地面下方风口附近等地方，且随着海拔高度增加对流感热和声辐射强度也有明显增强变化，雷电流的产生对地形地貌具有一定程度上的影响。

2）雷电强度等级空间分布与土地利用类型之间是否存在某种关系，主要是由其在不同区域时，所占面积大小决定了雷电强度等级分布，高阻雷区的面积较大，低阻雷区和中等耐压雷暴会产生较多的感应电压，而在高阻雷区和中等雷暴地区，其产生的频率会比较低，因雷电强度等级分布较为集中，所以雷电流对地形地貌具有一定影响。在地形地貌复杂的山区和丘陵地区，雷电流会比较大。

通过对雷电的时空分布特征进行分析，并与土地利用类型联系可得：①雷电对不同类型用地影响较大，雷电流幅值、日平均年输电电压等因素都会改变。在地形地貌条件允许范围内时，以雷暴日为一个单位则无明显规律可言；当地形平坦地区地势起伏小、不存在有明显变化趋势或地形陡峭时，则会导致其易受风力影响而引发灾害。雷峰虽在重要区域利用价值大，但不宜作为重点保护对象使用，应优先考虑雷电对土地资源及生态环境带来的不良影响；②雷电对不同类型用地的影响也存在较大差异。雷雨云中，雷电流幅值变化大、日输电压峰值变化小，在地形平坦地区易产生高分异常和低热季现象。当雷暴日为一个单位时，时间上的短直击或感应过电电压会导致大量闪络放电形成闪电通道；同时由于我国各地区雷电活动较频繁且不规律等原因使不同类型地区分布雷害程度较明显，雷击灾害发生概率较大。因此在雷电防护中应考虑不同类型地区分布的位置，并对其进行合理防雷。

5 结束语

雷电是一种常见的自然现象，一般出现在大雨天气中，其主要原理是天空中云层之间相互摩擦最终产生放电现象，强大的电流划破天空，电离周遭的空气使空气分子变成空气离子，发出耀眼的光芒，最终消散在大地之中。经常出现雷电的地区，其庄稼和作物都有着显著的增产。但过于频繁的雷电和强度等级很高的雷电，便会衍生自然灾害，例如森林大火，便有可能是由于雷电点燃枯木造成的，这种情况会对自然环境造成破坏，同时会给人类生存的环境也会带来重大的影响，像是在城市或野外布置的电力系统，便很有可能会遭到雷击，从而被雷电毁坏影响人们的正常生活。

所以此次对雷电强度等级空间分布进行了研究，以此来合理规划土地的利用，避免由于过强的雷电对人类活动和城市建筑造成严重破坏。通过对当地的气候、地理、环境和历史等因素进行分析，对当地的雷电强度等级进行区域性的划分，探讨雷电强度等级与土地利用类型的关系，有助于我国对土地资源的合理运用，从而保护人民的生命和财产安全。