云南省雷電活動分布特征及對農村地區的影響分析*

楊宗凱，劉平英，胡 穎，周清倩，莊 嘉

(云南省氣象災害防御技術中心，昆明 650034)

0 引言

云南省地處低緯高原地區，全省94%的面積為山區、半山區，廣大農村地區雷電災害頻發多發，因雷擊造成的人員傷亡和經濟損失嚴重。分析農村雷電災害分布特征和致災成因，能夠為確定雷擊防護重點提供參考依據。近年來，相關學者圍繞雷電活動規律及農村雷電防御工作進行了深入研究，張騰飛等[1]分析雷電災害與局地氣候、地形及地貌的相關性； 錢慕暉等[2]統計多年雷電災害損失資料，分析雷災分布特點； 田艷婷、吳安坤等[3-4]從易損性分析角度出發，選取雷電災害頻數、經濟和生命易損模數等評估指標對雷電災害易損性進行評估； 扈海波等[5]研究雷電災情綜合評估方法，分析雷電活動規律與雷電災害的相關性； 朱涯[6]綜合分析高程數據、地形地貌、土地利用情況及人口密度等因子對雷電致災的影響； 張燁方、盛梅等[7-8]提出了基于地理信息處理技術的網格化雷電災害風險分析技術，實現了閃電數據與地理信息的疊加與實踐應用； 彭啟洋、李霞等[9-10]分析農村地區雷電災害現狀和特征，提出農村雷災防御措施及建議。文章基于以上研究成果，分析云南省雷電活動時空分布特征，探討雷電活動對農村地區的影響，歸納農村雷電災害的損失類型和分布特點，確定雷電防護重點，提出防御措施及建議，以期為加強農村地區雷電災害風險管理提供參考依據。

1 資料來源和分析方法

根據2013—2017年云南省閃電定位監測數據，運用ArcGIS空間分析功能和自然斷點法確定各地區雷電易發等級程度，掌握全省地閃活動規律和演變特征。雷電災害資料來源于近5年云南省各州(市)氣象部門上報的統計報告，通過分析農村雷電災害損失類型，比較不同孕災環境下雷災次數和人員傷亡的分布情況，確定各地區的雷電風險等級和災害防御重點，研究農村地區雷電致災成因機制，提出相應的防范措施及建議。

2 雷電致災因子的分布特點

2.1 云南省雷電易發區域劃分

基于ArcGIS中的自然斷點法對閃電數據進行分級，主要依據為各地年平均地閃密度，該參數反映了地閃活動的頻繁程度，數值越高，說明區域遭受雷擊的可能性越大。自然斷點法原理是一個小聚類，聚類結束條件是組間方差最大、組內方差最小，計算方式如式(1)所示，將雷電易發等級劃分為極高、高、較高、中、一般共5級，形成2013—2017年云南省雷電易發區域(圖1)。雷電極高易發區主要分布在滇中、滇西南等地區，涉及昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、紅河、麗江等地，該等級區域約占云南省總面積的3.53%，這些地區年平均地閃密度都在1.50次/(km2·年)以上，雷電活動頻繁密集，雷擊風險隱患較大； 雷電高易發區面積所占比例為12.22%，涉及昆明、楚雄、玉溪、曲靖、麗江、西雙版納、文山、紅河、普洱等州(市)； 較高易發區所占比例為21.81%，集中在滇中、滇東南及滇西南等地區； 中易發區所占比例為29.88%； 一般易發區所占比例為32.56%，主要分布于滇東北及滇西北，涉及迪慶、怒江、昭通等州(市)，這些地區年平均地閃密度均在0.5次/(km2·年)以下，雷電活動較弱，區域遭受雷擊的程度較其他地區更低。

(1)

式(1)中，SSD為方差；i、j為第i、j個元素；A為長度為N的數組；k為i、j中間的數，表示A組中的第k個元素。

2.2 地閃強度的空間分布特征

近5年云南省地閃強度的空間分布(圖2)可看出，地閃強度的高值區主要分布在昭通市及迪慶州，在地閃活動較為頻繁的滇中、滇西南等地區，地閃強度卻相對較小，地閃強度的空間分布呈現北高南低的特征，正地閃平均電流強度為52.43kA，負地閃平均電流強度為-36.29kA，正、負地閃電流強度的絕對值主要集中在15～45kA。

圖1 云南省雷電易發區域劃分 圖2 云南省地閃強度的空間分布特征

2.3 地閃活動的時空分布特征

2.3.1 地閃次數的時間分布

如圖3所示， 2013—2017年云南省共發生地閃活動283.654 1萬次， 4月份以后，地閃活動增強，集中發生在6—9月，該時段累計地閃次數達223.401 0萬次，占全年總地閃次數的78.8%， 8月份地閃次數達到峰值， 10月份以后，全省閃電活動減弱，地閃次數的逐月分布呈單峰型分布。地閃次數逐時分布如圖4所示，午后到傍晚是地閃活動的高發時段，峰值出現在17：00～18： 00。由于午后強烈的太陽輻射，下墊面溫度升高，形成熱力對流和抬升條件，對流不穩定能量逐漸累積，地閃活動增強，夜間由于熱力條件降低，閃電活動減弱。

圖3 近5年云南省地閃次數的逐月變化特征 圖4 近5年云南省地閃活動的逐時變化

3 農村雷電災害分布特征

3.1.1 農村雷電災害占比情況

從表1中可看出， 2013—2017年云南省共發生雷電災害229起，其中農村雷電災害93起，占總雷災起數的40.61%，損壞電氣系統及電子設備900余件，損壞農村建筑物43間，雷擊共造成116名農村人員傷亡，占雷擊傷亡總人數的78.38%。

表1 2013—2017年云南省農村雷電災害損失及占比情況

3.1.2 農村雷電災害的時空分布分析

將圖5與云南省雷電易發區域進行對比可看出，在地閃活動頻繁的昆明、曲靖、玉溪、普洱、西雙版納、麗江等雷電易發地區，雷電災害發生密集，在怒江、迪慶等地閃活動較弱地區，雷電災害相對較少。在地閃活動強度較大的昭通地區，農村雷電災害也頻發多發。如圖6所示，農村雷電災害集中發生在5—9月， 8月份農村雷電災害最多，這主要是由于5月份以后，閃電活動逐漸增強，農民群眾處于農田、山坡等戶外區域從事農事勞作，遭受直擊雷的概率增大，雷擊人身傷亡事件增多。

圖5 農村雷電災害的空間分布 圖6 農村雷電災害的逐月分布

圖7 農村雷電災害損失類型分析 圖8 雷擊人員傷亡場所分布

3.1.3 農村雷電災害損失類型及雷擊人員傷亡的場所分布

如圖7所示，農村雷災損失類型主要表現為雷擊人身傷亡，占農村雷災總數的49.55%，其次為雷擊造成的電器電子設備損失，占28.83%，雷擊導致農村建(構)筑物受損及牲畜傷亡事件所占比重也較大。由圖8可看出，發生在農田的雷擊人身傷亡事件的比重在50%以上，村民在樹下、山坡、水域附近及路邊等空曠野外區域容易遭受直擊雷侵襲。閃電活動具有隨機性和突發性，雷雨天氣下，若農民群眾防御措施不當，田間地頭缺乏安全有效的雷電防御應急避險場所，增大了人員遭受雷擊的風險隱患。

4 云南省農村雷電致災成因分析

4.1 低緯高原地區雷電致災因子的危險性

云南省地處低緯高原地區，地形地貌和地理位置特殊，是全國雷暴高發區之一，全省地閃密度較高的地區主要分布在滇中、滇西南等地區，昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、紅河、西雙版納、麗江的大部分區域雷電易發程度都在高等級以上，這些地區農村雷電災害發生頻數也較高，雷電活動發生頻繁的地區，農村雷電災害也頻發多發。此外，昭通市雖然地閃密度值較小，但其地閃強度較大，該地區山區面積占72.5%，居住在鄉村的人口數量所占比重較大，農村雷電災害也發生頻繁。怒江、迪慶所處緯度較高，地閃活動較少，加上地廣人稀，其雷電災害發生頻數較低，由此可見，農村雷電災害的時空分布與地閃活動致災因子存在較好的對應關系。

4.2 農村地區雷電孕災環境的敏感性

除地閃活動外，云地閃分布還受下墊面地形地貌的影響[11-12]，云南地形地貌復雜，滇西北山巒起伏，地勢險峻，不利于冷空氣侵入，滇中地形波狀起伏，滇南地區地勢較低。地形條件有利于南部來的暖濕氣流和北部來的冷空氣在滇中、滇東及以南區域交匯，暖濕空氣自南向北隨著地形升高，逐漸抬升，形成對流不穩定，容易產生雷暴天氣。云南省94%的面積為山區、半山區，廣大山區農村是雷電災害防御的薄弱區。山區基礎設施的防雷裝置不完善，田間地頭缺乏雷電防護應急避險場所，在雷電高發時段，處于農田、山坡、樹下、水域等戶外區域的農民群眾易遭受直擊雷侵襲，當農民群眾處于樹下避雨時，頭頂與等高度的樹干之間的電位差超過空氣的擊穿強度時，雷電流可通過空氣間隙向人體放電，當人員處于山地時，由于山坡地形陡峭，因跨步電壓也可導致人員傷亡。水域附近的土壤電阻率較小，巖石和土壤交界處的土壤電阻率變化明顯，處于這些區域的人員也容易遭受雷擊。

4.3 農村地區承災體的易損性

承災體發生雷電災害的頻數越高，其抵御雷擊的能力也較弱。直擊雷產生強大的機械力及電動力作用，造成建(構)筑物損壞，雷電流入地過程中形成的電位梯度過大，導致附近人員因跨步電壓或接觸電壓而受到危害。雷擊電磁脈沖產生的暫態高電位和電磁脈沖以傳導、耦合等方式侵入室內家用電器電子設備，引發火災、爆炸等次生災害。廣大山區農村的房屋建設缺乏科學有效的防雷設計指導，供電、通信線路和家電設備的防雷設施建設滯后，存在防雷安全隱患。農民群眾防雷避險意識淡薄，防雷科普程度不高，采取的防雷措施不當，導致雷擊人身傷亡事件發生普遍。因此，完善農村防雷設施，建立戶外防雷應急避險場所，加強農村防雷減災宣傳科普，對提高農村地區雷電災害防御能力至關重要。

5 農村地區雷電災害防御措施研究

5.1 組織開展農村防雷減災示范工程，強化雷電災害防御能力

針對云南省農村雷電災害頻發多發實際，云南省氣象部門于2013年組織實施“農村防雷減災示范工程”，選取雷電災害損失嚴重及防雷設施不完善的農村地區作為防雷減災工程建設示范點，開展農村雷電災害風險調查、評估及選點，建設雷電災害應急避險場所，完善農村防雷裝置及防雷科普宣傳，截止2017年底，已完成全省48個農村防雷減災示范工程建設(圖9)，建成144座避雷塔， 18座戶外防雷應急避險亭，及時發布雷電預警信息，開展農村防雷科普宣傳講座，接受農民防雷咨詢解答，有效防御和減少了農村地區雷電災害損失。

圖9 云南省農村防雷減災示范工程實施點分布

5.2 加強農村防雷科普宣傳和技術指導

開展農村防雷安全技術指導，制作防雷避險手冊，加強農村雷電科普知識和防雷減災法律法規宣傳，通過鄉村大喇叭、廣播、電視、報紙、網絡以及手機短信等方式，強化雷電災害防御覆蓋面，實現雷電科普防護知識進村入戶，切實提高農民群眾自我防護和救助能力。

5.3 加強農村雷電預警信息發布和雷災分析研究

加強對農村雷電監測技術、雷電致災機理研究，強化雷電監測網和雷電災害預警預報系統的建設，推進雷電災害易發區的村莊等地點的防御設施建設，為農村雷電防御提供區劃評估依據。暢通農村雷電預警信息發布和雷電災害上報渠道，開展雷電災害風險隱患普查，切實提升農村雷電災害防御水平。

6 結論

(1)雷電活動是影響農村雷電災害發生的主要致災因子，昆明、楚雄、玉溪、普洱、曲靖、紅河、西雙版納、麗江等州(市)的大部分區域的雷電易發程度都在高等級以上，這些地區雷電活動頻繁密集，雷擊導致人身傷亡和經濟損失的風險隱患較大。滇西北及滇東北地閃活動較弱，怒江、迪慶和昭通的地閃活動相對較弱，但地閃強度較大。全省地閃活動主要發生在6—9月，該時段地閃次數占全年總地閃次數的78.8%， 8月份地閃活動最強，午后到傍晚是地閃活動的高發時段。

(2)2013—2017年云南省共發生雷電災害229起，農村雷電災害發生93起，占比達到40.61%，雷擊共造成116名農村人員傷亡，占雷擊傷亡總人數的78.38%。農村雷電災害集中發生在5—9月， 8月份農村雷電災害最多，與雷電活動的時空分布存在較好的對應關系。在地閃活動頻繁、地閃強度較大的地區，雷電災害也發生密集，雷擊對農村造成的損失類型主要表現為人身傷亡，主要分布在農田、樹下、山坡及水域等空曠野外區域。

(3)農村雷電災害與區域孕災環境和承災體防雷設施建設緊密相關，農村地區防雷設施不完善，基礎設施建設缺乏科學的雷電防護設計與指導，導致承災體抵御雷擊的能力薄弱。通過開展農村防雷減災示范工程，加強防雷科普宣傳和技術指導，采用多種渠道加大雷電預警信息覆蓋面等能夠增強農村雷電災害防御能力。