城市效應對區域雷電活動影響分析與災害防御

張科杰，成 勤

（1湖北省防雷中心，武漢430074；2宜昌市氣象局，湖北宜昌443000）

0 引言

雷電是雷暴天氣中發生的一種長距離瞬時放電現象，云體對大地放電，被稱為云地閃，云地閃在放電過程中會產生大電流、高溫、強電磁輻射和沖擊波等物理效應[1]，對人類的生產生活環境產生了影響。城市是人口和建筑密集集中區域，據中國社科院發布的《中國城市發展報告No.2》統計，百萬人口以上城市達118座[2]。城市的建設改變了該區域原有的下墊面特征，原有的自然土壤、植被、水域等被眾多低反射率高吸熱性的建筑、道路所取代。城市在結構形態上，密集的建筑物降低街區天穹可見度，使白天進入城市的短波輻射通過多次反射使城市內部存儲更多熱量[3]。鋼筋混凝土的建筑和硬化的路面比非城區的土壤和植被吸熱更快，同時城市消耗的大量能源使大氣增加了一定數量人為熱，這些人為的活動改變了城市近地層的大氣結構[4]，形成了以城市效應為主的局地氣候，如城市熱島效應、城市雨島效應、城市混濁島效應。隨著城市的快速擴展和城市人口的日益增多，城區及其周邊地區的天氣和氣候條件發生了顯著改變[5-6]。多種綜合因素形成了城市效應，這種效應影響著人類的生活，因此城市氣候效應受到廣泛關注。同時，城市化的建設對周邊的農業生產環境也有著不同程度的影響。諺語有云：雷雨發莊稼，雷電能使空氣中的氮氣轉化成硝酸，即植物生長需要的氮肥，能對作物的生長起到良性的效果。

長期以來，國內外一些學者對城市氣候以及雷電發生的機制和時空分布特征的研究付出了大量的精力，如李瑞芳等[7]采用廣東省雷電資料，利用Arc Map對地域及氣候對雷電參數的影響作出了一定的分析；高磊等[8]對上海市城區與郊區不同地形地貌下云地閃分布規律作了初步研究；胡艷等[9]利用上海市雷暴資料分析得出雷電呈現市區少、郊區多的特點；而NtelekosAA[10]對美國Baltimore的雷暴研究發現，城區會比同樣位置的完全沒有城市建筑的地域多吸引30%的雷雨天氣；Rozoff C M[11]得出城市熱島效應在一定程度上增加了城區及城鄉交界區域雷暴發生的頻數的結論；江平等[12]對江漢平原近十年的雷電活動進行了分析，得出了以農業經濟為主的區域雷電活動的規律。在上述研究成果中，多數學者只是對單一樣本或區域的雷暴活動作出了分析，而且根據上述研究筆者發現，選取地域不一樣，導致研究結論各異。

城市化的建設會對城區和周邊農村地區雷電產生何種影響，目前尚無相關研究。因此，為了研究湖北地區城市效應對雷電產生的影響，根據湖北省雷電監測資料，對湖北幾個較大城市的城區和非城區的云地閃活動狀況做出了統計分析，旨在揭示自然環境的改變對雷電活動規律產生的變化，對不同區域雷電防護重點提供理論依據，以期為城區和周邊農村地區雷電防護工程設計提供理論依據，為減少雷電災害發生提供數據參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文中所用的云地閃電資料來源于湖北省ADTD雷電定位監測系統，該系統是采用磁向(MDF)和時差(TOA)聯合法(IMPACT)進行雷電探測的第2代云地閃定位系統[13-14]。湖北省ADTD雷電探測系統于2006年建成，包含13個探測子站，在全國范圍內屬較早組網并投入業務運行的省份[15]。本研究選取的資料年限范圍為2007年1月1日—2016年12月31日，本研究所述的云地閃電數據為回擊數據。在數據處理時，將數據庫中的雷電流強度絕對值大于500 kA的異常閃電記錄剔除[16]。選取研究樣本的中心經緯度來源于谷歌地球定位數據。

1.2 統計方法

考慮到地形對云地閃電產生的影響，本研究樣本選取了1個特大城市武漢，以及2個平原城市荊州、襄陽和2個山區城市宜昌、十堰做綜合分析。選取樣本城市的閃電探測效率均在90%以上，如圖1所示。考慮到城市發展的差異，武漢市選取的城區統計半徑為10 km，其余城市選取的城區統計半徑為5 km。為避免城市邊界層效應對云地閃造成的影響[17]，在統計非城區云地閃時，選取的地域范圍為剔除城區2倍半徑的圓形區域后，再往外擴展相同半徑范圍的1個環狀區域。在季節劃分上，采用按照月份劃分的方式，即春季為3—5月；夏季為6—8月；秋季為9—11月；冬季為12月以及1月、2月。根據所選城市和區域，分別統計以上述區域內的閃電強度、閃電頻次、發生的時間等參數，并將城區和非城區兩類數據做出對比。

2 城區與非城區云地閃電特征對比分析

2.1 密度特征

圖2為5個城市城區和非城區云地閃密度對比圖，圖中主縱坐標軸為城區和非城區的云地閃密度刻度值，副縱坐標軸為城區和非城區云地閃密度差異比刻度值。從圖2中可以看出，相同城市城區云地閃密度均小于非城區云地閃密度。其中，十堰市的差異最大，同比非城區比城區云地閃密度高出70.26%；宜昌市的差異最小，同比非城區比城區云地閃密度僅高5.69%。同時，由圖2可知，云地閃密度越大的城市，城區和非城區的差異越小，云地閃密度越小的城市，城區和非城區差異越大。5個城市中，山區和平原城市在一定范圍內云地閃密度未發現規律性的變化，即地形的變化未對雷電頻次產生決定性的干擾。已有研究顯示，高層建筑會對其周邊的雷電頻次增多[18-19]，而本研究分析的5個城市，非城區云地閃密度均大于城區。由于城市的建筑和道路具有吸熱大特點，熱島效應顯著，溫度較非城區高，城市中主要以上升氣流為主[19]，熱島效應產生的局地的氣候環境，可能是造成這一差異的主要成因。

圖1 湖北地區閃電理論探測效率示意圖

圖2 云地閃密度對比

2.2 日變化對比

2.2.1 分時頻度對比 圖3給出了2007—2016年云地閃頻次日變化規律對比圖，圖中橫坐標0代表0—1時的統計數據，以此類推。由于采用分時段統計時，單個城市樣本單時段的閃電樣本偏少，數據容易因極端個別事件對結果產生偏差，故分析日頻度時，將5個城市的城區和非城區云地閃頻次分別作了疊加，減小數據發生偏差的風險。同時，對比分析時采用的相同半徑和擴展圓弧不同區域面積，云地閃頻次受到統計面積差異的影響，不能反應兩者之間的變化規律，故對日頻度變化分析時，采用逐小時云地閃頻次占全天云地閃頻次百分比來反應變化率。

圖3 云地閃頻次日變化對比

由圖3可以看出，城區波動幅度比郊區大，且一天之中占比最大和最小的值均出現在城區中。其中，城區云地閃發生最弱的時段為9—10時，該時段云地閃僅占比0.94%；云地閃發生最強的時段為18—19時，該時段云地閃僅占比13.52%。非城區云地閃發生最弱的時段為8—9時，該時段云地閃僅占比1.69%；云地閃發生最強的時段為18—19時，該時段發生的云地閃僅占比10.72%。城區和郊區云地閃發生最多的時段相同，最少的時段相近，云地閃活動最頻繁時段均為14—20時，這一研究結果與文獻[16]結果吻合。

2.2.2 分時強度對比 通過對分時段城區和非城區的閃電強度統計，筆者發現，城區逐小時的正云地閃平均強度分布在23～62 kA之間，負云地閃分布在29～45 kA之間，總閃強度分布在29～45 kA之間；非城區正云地閃平均強度分布在32～50 kA之間，負云地閃分布在31～40 kA之間，總閃強度分布在32～40 kA之間。從幅值分布跨度上看，城區正、負、總閃的跨度值分別為39、16、16 kA，非城區正、負、總閃的跨度值分別為18、9、8 kA。城區跨度值明顯大于非城區跨度值。

為了更加直觀的表現城區與非城區逐小時閃電強度的差異，筆者將城區和非城區逐小時對應的強度數據做了差值處理，用城區閃電強度值減去非城區閃電強度值，作出圖4。由圖4可以看出，正閃差值上下波動較大，無明顯變化規律。其原因可能是由于在自然界中，正閃占比相對較小，且雷電流幅值較大，造成偏差的因素較多造成的。負閃和總閃的差值多數時段均為正，說明城區閃電強度多數時段大于非城區閃電強度，全天共6個時段的負閃和總閃強度非城區比城區大，其有4個時段出現在午后，而此時間段正是一天之中氣溫最高的時段。6—11時，是城區和非城區差值最大的時段。由于城區和非城區一天之中溫度變化趨勢一致，城區溫度各時段均大于郊區[20]，說明雷電流強度的差異受溫度的影響顯著。

圖4 城區與非城區云地閃電強度差值

2.3 月變化對比

2.3.1 月頻度對比 通過對城區和非城區的閃電數據統計得知，城區云地閃6月和7月最多，約64.04%的云地閃出現在這2個月；1月和12月是云地閃頻次最少的月份，只有約0.02%的云地閃在這2個月發生。非城區云地閃最多的月份和最少的月份和城區相同，但占比有所區別。非城區約71.06%的云地閃出現在6月和7月，只有約0.01%的云地閃出現在1月和12月。

為了直觀反映各月城區與非城區云地閃頻次占比的差異，圖5繪制了城區與非城區總閃、正閃和負閃頻次分月占比差值對比圖。圖5中比例為正對應為當月城區占其全年比例高于非城區，其整體差異在-4%～2%以內浮動。由于不論是城區還是非城區，負閃頻次占全年閃電頻次的90%以上，總閃頻次各月占比分布曲線的90%權重來源于負閃，故總閃趨勢與負閃趨勢幾乎相同。由圖5可知，全年正閃頻次占比城區均大于非城區，負閃差值和總閃差值1—6月（4月除外）隨著溫度的升高差異逐漸變大，城區大于非城區；6—7月有一個反轉，從7月開始，云地閃電頻次月占比變為非城區大于城區，且隨著月份的推移差值逐漸變小。差異極值均出現在7月，其中正閃頻次占比城區大于非城區，負閃和總閃占比非城區大于城區。

圖5 總閃、正閃頻次月變化比例分布對比差值

2.3.2 月強度對比 表1給出了城區和非城區全年各月平均閃電強度的極值出現的時間及量級。由表1可知，除正閃外，城區負閃、總閃月平均強度的極小值和極大值均明顯小于非城區。極值出現的月份均在氣溫不高、閃電活動不多的月份。

通過對逐月城區和非城區閃電強度的差值處理，得出圖6。由圖6可以看出，1月和12月城區和非城區云地閃強度差異最大。但在樣本統計范圍內，城區累計發生云地閃2次，占全年比例為0.02%；非城區累計發生云地閃9次，占全年比例為0.01%。由于統計樣本中云地閃頻次過少，故此兩個月的云地閃差值狀況不具代表性。從2—11月閃電強度差值來看，正閃強度差值波動較大，負閃、總閃強度差值相對較為一致，除9月以外，其余月份城區閃電強度均大于非城區。閃電強度差值的極小值出現在8月，該月閃電強度差值不到1 kA。整體數據，環境氣溫越高，對于閃電強度的影響越不明顯。

表1 月閃電平均強度極值及出現時間 kA

圖6 閃電強度幅值差值

2.4 季節對比

2.4.1 季頻次對比 表2給出了不同季節城區和非城區云地閃頻次對比數據，表中頻次數據為5個城市樣本的和值。四季之中，夏季雷電活動最頻繁，冬季雷電活動最弱，雷電受季節因素的影響較為顯著，城區和非城區在季節分布上呈現一致性。在同季對比中，夏季的云地閃頻次占比城區與非城區差異最大，冬季差異最小，同季節溫差對雷電的影響是顯著的。這一統計結論進一步說明了城市熱島效應在減弱城區雷電活動的效應，與單個城市密度對比結論吻合。

2.4.2 季強度對比 由圖7可知，除夏季和秋季的正閃強度差值外，春冬兩季的正、負、總閃，夏秋兩季的負閃和總閃平均強度城區均大于非城區。由此可見，城區和非城區各季雷電流幅值差異明顯，云地閃強度在更大時間尺度的差異較日均變化和月均變化更為顯著。

表2 城區和非城區云地閃頻次占比季節分布

圖7 不同季節閃電強度差值

3 災害防御

馬明等[21]統計分析了32071例雷災事件，得出了雷災中受傷害的農民占總死傷人數的93%，城市人員僅占7%的統計結論。城市雷電災害通常以電子設備損壞為主，而農村地區的雷電災害常常造成人員傷亡。

通過本研究對2種不同區域的雷電流特性分析，我們得知了城區受到局地氣候的影響較大，雷電流的波動幅度大，但是雷擊大地密度非城區大于城區，非城區雷擊次數高，是造成雷電災害的一個因素。但是，關鍵因素在于，城區較非城區，有著更為完善的防雷措施。建筑物作為一個天然屏障，防御了大部分的直擊雷，雷電對人體的傷害概率較低。而非城區地域空曠，建筑物的防雷措施不完善，導致了雷電容易對人體造成傷害。結合本研究已得到的數據，筆者認為，城市的雷電防護應加強對電子電氣設備的防護，同時，在防護設計時，提高相應的雷電流防護級別。農村地區應建立完善的直擊雷防御措施，可有效的降低因雷災致死的災情發生，促進農業生產力的發展。

4 結論與討論

本研究利用湖北省5個城市城區和非城區2007—2016年閃電定位資料，對樣本城區和非城區云地閃密度以及日頻、月頻、季節變化進行了對比分析。得出以下主要結論：

（1）5個統計樣本中，城區云地閃密度均小于非城區云地閃密度，云地閃密度越大的城市，城區和非城區的云地閃密度差異越小，反之則越大。云地閃密度受溫度的影響較大，城市熱島效應對同一氣候區域雷電活動影響明顯，其減小了城區雷電發生的概率。

（2）云地閃日頻分布城區波動幅度比非城區大。其中，城區云地閃發生最弱的時段為9—10時，非城區為8—9時，最強的時段均為18—19時，最頻繁時段均為14—20時。平均全天超過80%的時段，云地閃強度城區大于非城區，且分時城區雷電流平均跨度值明顯大于非城區，城區受到局地氣候的影響較大。

（3）全年各月正閃頻次占比城區均大于非城區。負閃差值和總閃差值呈現上下半年規律變化：1—6月（4月除外）城區大于非城區，7—12月，非城區大于城區，氣溫越高的月份差值越小。雷電高發的月份城區云地閃強度均大于非城區。

（4）夏季為雷電活動最頻繁季節，冬季雷電活動最弱，雷電受季節因素的影響明顯。各季城區平均云地閃強度普遍大于非城區。

（5）城市化對雷電的密度、強度產生的影響明顯。整體來看，城市化效應使城區的云地閃密度降低，云地閃強度增加，且呈現出雷電流幅值跨度大等不穩定性，相對于非城區更容易出現極端雷暴事件。

（6）城區的雷電防護重點在于對大電流的應對，農村地區的雷電防護重點在于直擊雷的防護，有針對性的采取防護措施，可有效降低雷電災害的發生。

以上結論是基于湖北省5個城市樣本統計分析出的結論，由于可供選擇數據樣本有限，選取的城市樣本中，只有武漢屬于特大城市，樣本的差異可能會對結果產生直接影響。同時，新的城市群和下墊面特性復雜的城市連綿帶，它們不僅有自身的城市氣候效應分布與變化規律，而且還相互影響和作用，對區域氣候的改變日益顯著[22]。在今后的研究中，將著重于搜集對全國范圍特大城市的雷電資料，以便更好地揭示城市效應對雷電產生的影響。