顧 媛 史海鋒 張衛(wèi)斌 張 祎

(浙江省氣象安全技術(shù)中心,浙江 杭州 310008)

0 引 言

作為“最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一”[1],雷電災(zāi)害對人類生活構(gòu)成嚴(yán)重威脅。浙江省是雷電災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū),雷電災(zāi)害造成的損失及影響巨大[2]。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展,各類電子器件、精密儀器廣泛應(yīng)用,雷電災(zāi)害分布于交通、電力、通信、金融各類行業(yè)及高新技術(shù)領(lǐng)域,雷電對人民生命安全及社會經(jīng)濟發(fā)展的危害不容忽視。認(rèn)識雷電災(zāi)害的特征規(guī)律、探究地閃活動與雷災(zāi)的關(guān)系具有重要意義。

關(guān)于雷電災(zāi)害已經(jīng)開展了較為廣泛的研究,主要包括對雷電災(zāi)害的災(zāi)情信息、時空分布特征進(jìn)行分析[2-4],對各地雷暴活動及災(zāi)情相關(guān)性進(jìn)行研究[5-7],利用各種災(zāi)害評估模型對雷電災(zāi)害風(fēng)險評估及易損度區(qū)劃等方法進(jìn)行探討[8-11]。雖然以上研究指出,雷電災(zāi)害與地閃活動具有比較一致的月際變化、日變化以及地域分布特征,地閃頻次和地閃強度均對雷電災(zāi)害產(chǎn)生影響[12-14],但對雷電災(zāi)害與區(qū)域地閃頻次、強度的量化研究較為缺乏,對雷災(zāi)周邊區(qū)域的地閃活動特征分析研究得較少。

2013—2018年浙江省雷電災(zāi)害事例充足、資料全面[2],本文利用該時間范圍內(nèi)的雷災(zāi)數(shù)據(jù),并基于2013—2018年浙江省地閃監(jiān)測數(shù)據(jù),對雷電災(zāi)害區(qū)域地閃頻次、強度進(jìn)行統(tǒng)計,分析雷電災(zāi)害與區(qū)域地閃特征參量間的關(guān)系,以期進(jìn)一步了解區(qū)域地閃活動對雷電災(zāi)害的致災(zāi)作用,為雷電災(zāi)害風(fēng)險評估和雷電防護等工作提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)一步提升防雷減災(zāi)工作效率。

1 資料方法

地閃數(shù)據(jù)來源于浙江省氣象局ADTD閃電定位系統(tǒng)2013—2018年監(jiān)測資料,該系統(tǒng)由11個探測站點組成,實時、連續(xù)記錄地閃發(fā)生的時間、二維空間信息、定位方式、雷電流幅值和陡度等信息,系統(tǒng)理論探測效率為80%～90%,平均探測范圍為300 km,定向誤差為0.5°[7]。在閃電定位資料中，小幅值地閃通常被認(rèn)為是系統(tǒng)對云閃的誤判[15],本文剔除地閃強度小于5 kA的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)來源于浙江省雷災(zāi)信息庫,包含災(zāi)害發(fā)生的日期、地點、災(zāi)害詳情、受損類別及損失情況等,本文選取2013—2018年包含經(jīng)緯度信息的雷電災(zāi)害共1333起。各地雷電災(zāi)害資料收集手段、上報機制等不同,雷電災(zāi)害記錄的完整性也不同,本文給出的是雷電災(zāi)害不完全統(tǒng)計結(jié)果。

本文在空間分析中,單位區(qū)域是以雷電災(zāi)害點為圓心、5 km為半徑范圍的區(qū)域,共1333個區(qū)域范圍，對每個區(qū)域范圍對應(yīng)雷災(zāi)發(fā)生當(dāng)日的區(qū)域地閃進(jìn)行頻次、雷電流幅值特征統(tǒng)計,分別得到1333個區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次和區(qū)域雷災(zāi)日地閃強度最大值;對每個區(qū)域范圍的地閃頻次、雷電流幅值特征進(jìn)行逐日統(tǒng)計,分別得到204946個非零值的區(qū)域日地閃頻次和非零值的區(qū)域日地閃強度最大值。

按式(1)計算區(qū)域日地閃頻次與雷災(zāi)統(tǒng)計概率的關(guān)系:

(1)

Pi為區(qū)域日地閃頻次大于i時雷災(zāi)發(fā)生的統(tǒng)計概率,ni為區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次大于i的樣本數(shù),Ni為區(qū)域日地閃頻次大于i的樣本數(shù)。

按式(2)計算區(qū)域日地閃強度最大值與雷災(zāi)統(tǒng)計概率的關(guān)系:

(2)

Pj為區(qū)域日地閃強度最大值大于j時雷災(zāi)發(fā)生的統(tǒng)計概率,nj為區(qū)域雷災(zāi)日地閃強度最大值大于j的樣本數(shù),Nj為區(qū)域日地閃強度最大值大于j的樣本數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 雷電災(zāi)情

2013—2018年浙江省發(fā)生的1333起雷電災(zāi)害共造成直接經(jīng)濟損失5843.44萬元,間接經(jīng)濟損失1823.33萬元。其中32起人員傷亡事故,共造成22人死亡、33人受傷。1236起電子電氣設(shè)備受損事故,占雷災(zāi)總數(shù)的92.72%,130起建筑物損毀事故,占雷災(zāi)總數(shù)的9.75%。雷電災(zāi)害空間分布如圖1所示,杭州市雷電災(zāi)害數(shù)量最多,經(jīng)濟損失也居全省首位,尤其是杭州東北部雷災(zāi)密度較高;另外，寧波、衢州和金華的部分地區(qū)雷災(zāi)密度較高,從人員傷亡事故分布來看,除舟山外各市(縣、區(qū))均有人員傷亡事故發(fā)生,其中溫州人員傷亡事故數(shù)最多,寧波的傷亡人員總數(shù)最多。由此可見,雷電災(zāi)害具有顯著的空間分布差異,不同類型的雷電災(zāi)害又各有特征,為探究雷電災(zāi)害分布與地閃特征的空間關(guān)系,下文將對雷電災(zāi)害周邊區(qū)域的地閃特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。

圖1 2013—2018年浙江省雷電災(zāi)害分布圖(審圖號:浙S(2020)17號)

2.2 雷電災(zāi)害的區(qū)域地閃特征

2.2.1 地閃頻次特征

根據(jù)1333個雷電災(zāi)害事件,按照前文所述方法,對區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如圖2所示,區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次主要集中在100次以下,累積概率達(dá)88.60%,其中51.16%的區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次小于15次,28.66%的區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次小于5次。由此可見,在半徑為5 km范圍內(nèi),只要有區(qū)域地閃發(fā)生,就有發(fā)生雷電災(zāi)害的可能性。在雷電災(zāi)害預(yù)警等工作中,可以將半徑為5 km范圍有地閃發(fā)生作為預(yù)警判定指標(biāo)之一,提高雷電災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性。

圖2 區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次統(tǒng)計

根據(jù)損害類型的不同,將雷災(zāi)事件分為造成人員傷亡、電子電氣設(shè)備受損和建筑物損毀3類,分別統(tǒng)計不同類型的區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次,結(jié)果如圖3所示。各類雷災(zāi)的地閃頻次平均水平相當(dāng),但高值分布差異較大，造成人員傷亡的區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次最大值為281次,87.5%的傷亡雷災(zāi)日地閃頻次小于100次;造成電子電氣設(shè)備受損的區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次分布跨度最大,頻次最大值為636次,但主要集中于80次以下;造成建筑物損毀的區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次大于50次的占26.15%,大于100次的占16.15%。相較于其他兩類雷災(zāi)而言,造成建筑物損毀的地閃頻次高值事件占比較大,原因可能是建筑物的防直擊雷裝置安裝相對比較普遍、完善,防雷減災(zāi)能力相對較強。而電子電氣設(shè)備受損情況普遍,反映出間接雷擊的防御能力相對較弱,存在防雷安全隱患。造成人員傷亡的區(qū)域雷災(zāi)地閃頻次普遍較低,這是由于該類雷災(zāi)的承災(zāi)體脆弱性較高。浙江省人員傷亡雷災(zāi)事故大部分發(fā)生在農(nóng)田、水邊、涼亭、山地及其他曠野地帶[2],在無防護措施的情況下,人員遭受雷擊并致災(zāi)的可能性大。

圖3 不同類型的區(qū)域雷災(zāi)日地閃頻次分布

2.2.2 地閃強度特征

為進(jìn)一步探究區(qū)域雷災(zāi)日地閃的雷電流幅值特征,對區(qū)域雷災(zāi)日地閃進(jìn)行雷電流幅值分布統(tǒng)計,如圖4所示。區(qū)域雷災(zāi)日地閃的雷電流幅值主要分布于100 kA以下,累積概率達(dá)99.08%,84.86%的雷電流幅值分布在10～50 kA,其中20～25 kA和26～30 kA的雷電流幅值分布最多,概率分別為16.42%、16.28%。在人員傷亡、電子電氣設(shè)備受損和建筑物損毀3類雷災(zāi)中,雷電流幅值分布在20 kA以下的概率分別為31.95%、16.94%和18.56%,雷電流幅值分布在50～100 kA的概率分別為7.07%、13.31%和14.02%。不同災(zāi)害類型的雷電流幅值分布具有差異,總體而言,在造成人員傷亡的區(qū)域雷災(zāi)日地閃中,小幅值雷電流比重較大,造成建筑物損毀的雷電流幅值相對較高。由此可見,不同災(zāi)害類型對地閃強度的敏感性不同,人員最易受到傷害,而雷擊建筑物產(chǎn)生物理損害則需要相對更強的地閃能量。

圖4 區(qū)域雷災(zāi)日地閃的雷電流幅值分布

2.3 雷災(zāi)概率與地閃的關(guān)系

2.3.1 雷災(zāi)概率與地閃頻次的關(guān)系

由前文對雷災(zāi)區(qū)域的日地閃特征分析可知,雷災(zāi)發(fā)生區(qū)域當(dāng)日的地閃頻次從數(shù)次至數(shù)百次不等,按照前文所述方法統(tǒng)計分析雷災(zāi)概率與區(qū)域日地閃頻次的關(guān)系,如圖5所示。隨著區(qū)域日地閃頻次的增加,發(fā)生雷電災(zāi)害的概率呈指數(shù)遞增，當(dāng)區(qū)域日地閃頻次大于5次時,發(fā)生雷災(zāi)的概率為1.29%;當(dāng)區(qū)域日地閃頻次大于180次時,發(fā)生雷災(zāi)的概率為10.17%;當(dāng)區(qū)域日地閃頻次大于315次時,發(fā)生雷災(zāi)的概率為20.00%;當(dāng)區(qū)域日地閃頻次大于500次時,發(fā)生雷災(zāi)的概率為40.54%。正如前文所述,區(qū)域內(nèi)只要有地閃發(fā)生,就有發(fā)生雷災(zāi)的可能性,雷災(zāi)發(fā)生概率隨著區(qū)域日地閃頻次的增加而顯著增大。圖5給出了雷災(zāi)概率與區(qū)域日地閃頻次的指數(shù)擬合曲線,擬合優(yōu)度為0.98,指數(shù)函數(shù)可以很好地表征雷災(zāi)概率與地閃頻次之間的關(guān)系。

圖5 雷災(zāi)概率與區(qū)域日地閃頻次的關(guān)系

2.3.2 雷災(zāi)概率與地閃強度的關(guān)系

按照前文所述方法,統(tǒng)計分析雷災(zāi)概率與區(qū)域日地閃強度最大值的關(guān)系,如圖6所示。當(dāng)區(qū)域日地閃強度的最大值小于100 kA時,雷災(zāi)概率隨地閃強度的增加而線性遞增,雷災(zāi)概率分別在地閃強度最大值為40～45 kA和70～80 kA時，升至0.52%和1.26%;當(dāng)?shù)亻W強度最大值超過100 kA時,雷災(zāi)概率不再隨地閃強度線性遞增,概率維持在1.2%左右。由此可見,不同于地閃頻次對雷災(zāi)概率的決定性作用,地閃強度只在一定程度上影響雷電災(zāi)害發(fā)生的概率,但地閃強度越大,雷電流的破壞性越強,正如前文分析所述,地閃強度對雷電損害方式有影響。

圖6 雷災(zāi)概率與區(qū)域日地閃強度最大值的關(guān)系

3 結(jié) 語

(1)雷電災(zāi)害當(dāng)日半徑為5 km區(qū)域地閃呈以下特征:地閃頻次主要集中在100次以下,其中51.16%的雷災(zāi)事件區(qū)域日地閃頻次小于15次;雷電流幅值主要分布在10～50 kA之間。不同類型雷災(zāi)的區(qū)域日地閃特征不同，電子電氣設(shè)備受損的區(qū)域，雷災(zāi)的地閃頻次、雷電流幅值跨度最大;人員傷亡的區(qū)域，雷災(zāi)地閃頻次普遍較低,小幅值雷電流比重較大;造成建筑物損毀的區(qū)域，地閃頻次高值事件比重更大,雷電流幅值相對較高。綜合反映了人員傷亡的承災(zāi)體脆弱性較高,建筑物對直接雷擊的防御能力相對較強,對間接雷擊的防御能力相對較弱。

(2)隨著區(qū)域日地閃頻次的增加,發(fā)生雷電災(zāi)害的概率呈指數(shù)遞增,當(dāng)區(qū)域日地閃頻次大于180次時,發(fā)生雷災(zāi)的概率為10.17%;當(dāng)區(qū)域日地閃頻次大于315次時,發(fā)生雷災(zāi)的概率為20.00%。當(dāng)區(qū)域日地閃強度的最大值小于100 kA時,雷災(zāi)概率隨地閃強度的增加而線性遞增,當(dāng)?shù)亻W強度最大值超過100 kA時,雷災(zāi)概率不會隨著強度的增加而持續(xù)升高。區(qū)域日地閃頻次對雷電災(zāi)害的發(fā)生具有決定性作用,地閃強度對雷電損害方式有影響,可作為雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的依據(jù)。