濟(jì)南地區(qū)雷電活動(dòng)的時(shí)空分布特征分析及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究

夏一楠魏光龍

(1.濟(jì)南市章丘區(qū)氣象局，山東 濟(jì)南 370114；2.淄博市氣象局，山東 淄博 255000)

濟(jì)南市簡(jiǎn)稱“濟(jì)”，別稱“泉城”，是山東省省會(huì)，全國(guó)15個(gè)副省級(jí)城市之一，也是環(huán)渤海地區(qū)南翼的中心城市，是山東省的政治中心、文化中心、教育中心以及科技中心等。濟(jì)南市位于N36°39′03″，E117°06′50″，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢(shì)南高北低[1]，屬于大陸溫帶季風(fēng)氣候，一年四季分明,陽(yáng)光照射充沛，年平均氣溫13℃左右，冬季1月最冷，平均氣溫-2℃左右，夏季7月最熱，平均氣溫27℃左右。年平均降雨量614mm。冬季，濟(jì)南為極地大陸氣團(tuán)控制，受到來(lái)自西伯利亞的干冷氣團(tuán)的侵襲，盛行東北風(fēng)、北風(fēng)、西北風(fēng)，出現(xiàn)降水較少、溫度較低的干冷天氣；夏季，受到熱帶和副熱帶海洋氣團(tuán)控制[2]，盛行東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)，出現(xiàn)潮濕悶熱、多雷陣雨天氣。而春、秋兩季分屬冬、夏季風(fēng)的過(guò)渡季節(jié)，此時(shí)風(fēng)向較為復(fù)雜、變化頻繁。

近年來(lái)，災(zāi)害性天氣呈多發(fā)態(tài)勢(shì)，具有種類多、頻率高、影響大的特點(diǎn)[3]。其中，雷電天氣屬于破壞力極強(qiáng)、活動(dòng)規(guī)律復(fù)雜多變的災(zāi)害性天氣類型。根據(jù)天氣學(xué)原理和大氣物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)，雷電多發(fā)生于空氣垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展旺盛、上升氣流速度極大的積雨云中，是強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)生和持續(xù)發(fā)展的結(jié)果，因此常伴有雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、局地冰雹甚至是龍卷等較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害天氣類型。雷電嚴(yán)重威脅著人們生命健康安全、可能帶來(lái)直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也對(duì)糧食作物和經(jīng)濟(jì)種植作物的品質(zhì)及產(chǎn)量、關(guān)鍵農(nóng)事季節(jié)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生了極大影響和風(fēng)險(xiǎn)，阻礙了農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和農(nóng)民的創(chuàng)收及發(fā)展，不利于鄉(xiāng)村振興。受天氣氣候特征、地理位置條件等綜合因素的影響，濟(jì)南地區(qū)雷暴天氣發(fā)生頻率居高不下，年平均雷暴日數(shù)高達(dá)26.4d·a-1，給農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成了較大的影響和損失。因此，對(duì)濟(jì)南地區(qū)雷電的時(shí)空分布等特征進(jìn)行深入研究，得出并掌握濟(jì)南地區(qū)的雷電天氣活動(dòng)規(guī)律，對(duì)于為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)提供氣象服務(wù)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及推動(dòng)防雷減災(zāi)、災(zāi)前預(yù)防工作具備十分重要的意義。本文利用濟(jì)南地區(qū)2000—2016年的雷電天氣相關(guān)氣象資料，統(tǒng)計(jì)計(jì)算濟(jì)南地區(qū)雷電的時(shí)空分布等特征，分析其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的影響，提出有針對(duì)性的、適用本地的農(nóng)業(yè)雷電防御措施，以此對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)避免或減輕雷電天氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成災(zāi)害的目的。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2000—2016年雷暴日數(shù)資料來(lái)源于濟(jì)南市氣象臺(tái)。雷暴日數(shù)是表征不同地區(qū)雷電活動(dòng)頻繁程度的重要參數(shù)。雷暴日是指國(guó)家地面氣象觀測(cè)站在1d中，只要聽(tīng)到雷聲或者看見(jiàn)閃電(不計(jì)次數(shù)、不計(jì)時(shí)長(zhǎng))即算作1個(gè)雷暴日。月平均雷暴日數(shù)是指氣象觀測(cè)站多年月雷暴日數(shù)的平均。

2000—2016年地閃頻數(shù)和閃電定位資料來(lái)源于山東省氣象局氣象災(zāi)害防御和技術(shù)中心。地閃是雷暴云內(nèi)的荷電中心和大地或地物二者之間的放電過(guò)程，地閃是引發(fā)雷電災(zāi)害主要原因，根據(jù)定義地閃又被稱作直擊雷，具備極強(qiáng)的破壞性。

2 濟(jì)南地區(qū)雷電活動(dòng)時(shí)空分布特征分析

2.1 濟(jì)南地區(qū)雷電活動(dòng)時(shí)間分布特征

2.1.1 雷電活動(dòng)的月際變化特征

如圖1所示，濟(jì)南地區(qū)的雷電活動(dòng)呈明顯季節(jié)性變化規(guī)律，一年當(dāng)中雷電活動(dòng)只出現(xiàn)于2—11月。雷電活動(dòng)從春季3月開(kāi)始明顯增多，至夏季7月達(dá)到一年當(dāng)中的峰值，而后開(kāi)始逐月減少，8—9月存在一明顯的下降跳變。夏季6—8月是雷電活動(dòng)的多發(fā)期，其中7月出現(xiàn)的雷電活動(dòng)最多，近17a 7月總雷暴日數(shù)為136d，約占近17a總雷暴日數(shù)的33%；8月次之，8月總雷暴日數(shù)為108d，約占總雷暴日數(shù)的25%；6月相對(duì)較少，約占總雷暴總?cè)諗?shù)的20%；春季平均雷暴日數(shù)為3.9d，占一年四季的1/7；夏季平均雷暴日數(shù)為18.6d，占一年四季的3/4；秋季平均雷暴日數(shù)為2.1d，占一年四季的1/10；冬季2月雷電活動(dòng)出現(xiàn)的次數(shù)最少，近17a只出現(xiàn)了1d雷暴日。濟(jì)南地區(qū)的雷電活動(dòng)主要集中出現(xiàn)在夏季，這與夏季對(duì)流云系發(fā)展旺盛，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程頻發(fā)存在緊密聯(lián)系，故月平均雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)主要受到夏季氣候背景和天氣過(guò)程發(fā)生發(fā)展的影響。

圖1 2000—2016年濟(jì)南雷暴月際變化

2.1.2 雷電活動(dòng)的日際變化特征

根據(jù)2000—2016年山東閃電定位系統(tǒng)導(dǎo)出的濟(jì)南地區(qū)地閃頻數(shù)數(shù)據(jù)，制作濟(jì)南地區(qū)地閃活動(dòng)的24h變化折線圖，如圖2所示。濟(jì)南地區(qū)的地閃電活動(dòng)變化規(guī)律表現(xiàn)為多峰型，即2個(gè)次高峰時(shí)段、1個(gè)主高峰時(shí)段，15∶00—20∶00是全天地閃活動(dòng)最主要集中發(fā)生時(shí)段，涵蓋了全天總地閃頻數(shù)的39.68%，其中，16∶00—17∶00地閃活動(dòng)的頻數(shù)迎來(lái)了1d中的峰值；01∶00—04∶00、06∶00—09∶00為濟(jì)南地區(qū)地閃活動(dòng)的2個(gè)次高峰時(shí)段，分別占全天總地閃頻數(shù)的12.55%和15.02%。08∶00—15∶00以及其它剩余時(shí)段地閃活動(dòng)發(fā)生的頻率均較低。

圖2 2000—2016年濟(jì)南地閃活動(dòng)日分布圖

2.2 濟(jì)南地區(qū)雷電活動(dòng)空間分布特征

2.2.1 雷暴大風(fēng)主要來(lái)向

繪制出2000—2016年濟(jì)南地區(qū)雷暴大風(fēng)的風(fēng)向頻率玫瑰圖，如圖3所示。由圖3可知，濟(jì)南地區(qū)近17a盛行雷暴大風(fēng)風(fēng)向主要為西(W)，其次為西南(SW)。

圖3 2000—2016年濟(jì)南年風(fēng)向頻率玫瑰圖

2.2.2 雷電易發(fā)區(qū)域劃分

采用山東省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心閃電定位系統(tǒng)2000—2016年的監(jiān)測(cè)資料，篩選出濟(jì)南市各區(qū)縣的年平均地閃密度，并依此劃分出不同等級(jí)的濟(jì)南地區(qū)雷電災(zāi)害易發(fā)區(qū)。地閃密度代表單位面積單位時(shí)間地閃活動(dòng)出現(xiàn)的次數(shù)，單位常以次·km-2·a-1表示，地閃密度的值越大，代表單位面積上發(fā)生地閃的次數(shù)越多，單位時(shí)間內(nèi)地閃活動(dòng)越頻繁。

采取緯度0.05°×經(jīng)度0.05°網(wǎng)格尺寸對(duì)濟(jì)南地區(qū)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格化劃分，計(jì)算出各單元網(wǎng)格的年平均地閃密度值，通過(guò)自然斷點(diǎn)法將濟(jì)南地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)準(zhǔn)確的劃分為3個(gè)級(jí)別：低發(fā)區(qū)(Ⅲ級(jí))、中發(fā)區(qū)(Ⅱ級(jí))、易發(fā)區(qū)(Ⅰ級(jí))，雷電活動(dòng)發(fā)生的可能性依次增大。如表1所示。

表1 濟(jì)南地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)域劃分

圖4 濟(jì)南地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)域分布圖

3 雷電天氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響

夏季6—8月為濟(jì)南地區(qū)雷電活動(dòng)頻發(fā)的時(shí)期，雷電天氣中雷電本身破壞性極強(qiáng)，通常伴有雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹甚至是龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣，這些天氣會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、關(guān)鍵農(nóng)事季節(jié)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的不良影響。雷電活動(dòng)進(jìn)行時(shí)，由于雷電自身的高電流、過(guò)電壓等特性，常對(duì)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施造成直擊雷、靜電感應(yīng)以及電磁脈沖等不同形式的損害，這些受損對(duì)象包括各類功能領(lǐng)先、技術(shù)先進(jìn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)儀器設(shè)施等，如農(nóng)田小氣候觀測(cè)站、自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站、各類設(shè)施農(nóng)業(yè)觀測(cè)儀器以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力機(jī)械設(shè)備等。

雷電活動(dòng)常會(huì)伴隨大風(fēng)天氣，雷暴大風(fēng)災(zāi)害常導(dǎo)致糧食作物、經(jīng)濟(jì)種植作物等大面積倒伏的現(xiàn)象，各類農(nóng)作物生長(zhǎng)前期植株相對(duì)矮小，即使風(fēng)力較大，大風(fēng)災(zāi)害產(chǎn)生的影響也相對(duì)較小，但農(nóng)產(chǎn)品在生長(zhǎng)發(fā)育后期若受雷暴大風(fēng)的影響則會(huì)導(dǎo)致根莖折損、葉片開(kāi)裂等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，給農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)帶來(lái)較為嚴(yán)重的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。2003年10月11日，濟(jì)南市章丘區(qū)在一次雷暴大風(fēng)天氣過(guò)程后，近66.67hm2章丘大蔥被摧折，產(chǎn)量銳減過(guò)半數(shù)。

雷電活動(dòng)伴隨的短時(shí)強(qiáng)降水天氣(1h降水量超過(guò)20mm)會(huì)引發(fā)暴雨洪澇、農(nóng)田積澇、山體崩坍、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等次生災(zāi)害，對(duì)橋梁、農(nóng)業(yè)水利灌溉設(shè)施等造成沖擊。加之主汛期(7—8月)雨水較多，正值部分農(nóng)作物移栽期或緩苗期，植株生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，根系尚不夠發(fā)達(dá)穩(wěn)固。此時(shí)若經(jīng)歷短時(shí)強(qiáng)降水或是局地暴雨，農(nóng)田得不到及時(shí)排水，發(fā)生農(nóng)田漬澇的可能性大大增加，漬水會(huì)引發(fā)農(nóng)作物爛根等系列問(wèn)題，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育造成較大損傷，農(nóng)作物的品質(zhì)因此下降，嚴(yán)重時(shí)甚至大幅減產(chǎn)。

雷電活動(dòng)伴隨的冰雹天氣發(fā)生頻數(shù)相對(duì)雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水較低，但由于其存在一定的重量和下落末速度，一旦發(fā)生往往對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大危害。由于雹塊直徑在5mm以上，其中大冰雹直徑在2cm以上，伴隨著下落末速度會(huì)對(duì)農(nóng)民的人身安全構(gòu)成威脅。雷暴天氣常伴隨冰雹，雹塊在下降過(guò)程的機(jī)械破壞作用，會(huì)導(dǎo)致作物莖稈、枝葉及果實(shí)等受到機(jī)械損傷，在作物成熟階段受災(zāi)，冰雹可能會(huì)導(dǎo)致作物絕收[4]。

4 針對(duì)雷電活動(dòng)特征的防御對(duì)策

4.1 針對(duì)雷電天氣多發(fā)時(shí)段的防御對(duì)策

濟(jì)南地區(qū)每年夏季6—8月是雷電活動(dòng)的多發(fā)期，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)和防雷減災(zāi)工作的關(guān)鍵期，農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)工作的人員等均應(yīng)準(zhǔn)確掌握這一氣象規(guī)律，及時(shí)關(guān)注并接收氣象部門權(quán)威發(fā)布的雷電天氣預(yù)報(bào)、雷電災(zāi)害預(yù)警信號(hào)等氣象服務(wù)信息，提前計(jì)劃、統(tǒng)籌安排好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，同時(shí)加強(qiáng)雷電防御、防范雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水以及冰雹等災(zāi)害性天氣工作，在雷電活動(dòng)的高發(fā)期應(yīng)特別注意禁止開(kāi)展戶外田間勞作，切實(shí)將人員生命安全放在首位[5]。夏季由于天氣炎熱，農(nóng)民在田間勞動(dòng)往往選擇下午至傍晚前后，而通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，每日16∶00—19∶00易出現(xiàn)強(qiáng)雷暴天氣，發(fā)生雷擊事故引發(fā)人員生命、財(cái)產(chǎn)安全損失的概率較高，故各農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)主體及廣大農(nóng)民應(yīng)合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)間，及時(shí)關(guān)注雷電、雷雨大風(fēng)等氣象預(yù)警信息，有效避開(kāi)高危險(xiǎn)時(shí)段，保證自身安全。

4.2 針對(duì)雷電天氣主要來(lái)向的防御對(duì)策

濟(jì)南地區(qū)雷暴大風(fēng)天氣系統(tǒng)多來(lái)自西向和西南向。因此，在雷暴大風(fēng)風(fēng)力等級(jí)較大、頻數(shù)較高的上述2個(gè)方向，應(yīng)加大防風(fēng)固沙林以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物保護(hù)林的種植力度，建立起防范雷暴大風(fēng)災(zāi)害的第1層屏障。應(yīng)盡可能選種矮棵糧食作物或經(jīng)濟(jì)種植作物，在雷暴大風(fēng)來(lái)臨前對(duì)農(nóng)作物疏枝進(jìn)行修剪，減少農(nóng)作物受風(fēng)面積，并對(duì)其作加固處理[6]。對(duì)于農(nóng)作物溫室大棚設(shè)施，壓嚴(yán)棚膜是防雷暴大風(fēng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)雷暴大風(fēng)來(lái)臨前，利用壓膜線將大棚棚膜擠壓成波浪式形態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)加固、防止其上下波動(dòng)的效果。當(dāng)雷暴大風(fēng)來(lái)臨時(shí)，對(duì)于門洞設(shè)置于大棚后墻或西側(cè)的，應(yīng)將門洞密封嚴(yán)實(shí)。若大棚配置有卷簾機(jī)，應(yīng)將其停在大棚采光面中間靠上位置，同時(shí)對(duì)卷軸兩頭采取加固措施。若屬新建溫室大棚，建設(shè)時(shí)應(yīng)預(yù)先選擇兼顧防銹功能和具備抗風(fēng)能力的鋼混結(jié)構(gòu)骨架，有效減輕或避免雷暴大風(fēng)對(duì)大棚農(nóng)作物的損害。

4.3 針對(duì)雷電易發(fā)區(qū)的防御對(duì)策

濟(jì)南市雷電災(zāi)害易發(fā)區(qū)分別為商河縣南部、章丘東南部、長(zhǎng)清區(qū)南部以及市區(qū)西部。在上述地區(qū)應(yīng)特別加強(qiáng)雷電防護(hù)工作。應(yīng)加強(qiáng)雷電災(zāi)害防御工作的宣傳教育工作，提升當(dāng)?shù)剞r(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)對(duì)雷電災(zāi)害的思想認(rèn)識(shí)。同時(shí)對(duì)其開(kāi)展防雷相關(guān)技術(shù)知識(shí)培訓(xùn)，提高雷電發(fā)生時(shí)各項(xiàng)防災(zāi)減災(zāi)技能水平；廣泛應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)新媒體，利用智能APP、微信群組和公眾號(hào)、“抖音”等當(dāng)前信息傳播、普及使用率較高的自媒體，加強(qiáng)雷電災(zāi)害預(yù)警信號(hào)及防御措施等信息的推送，提高防雷減災(zāi)信息覆蓋率；建立覆蓋面廣、傳播效率高的雷電天氣預(yù)報(bào)和雷電災(zāi)害預(yù)警信息傳播網(wǎng)絡(luò)。其中，氣象信息電子顯示屏設(shè)備簡(jiǎn)單易用、投入小、效果好，在雷電天氣活動(dòng)來(lái)臨前或臨近時(shí)，氣象部門及時(shí)將相關(guān)服務(wù)信息推送至電子顯示屏，使農(nóng)民、涉農(nóng)企業(yè)能夠第一時(shí)間獲取，并及時(shí)采取相應(yīng)的防范措施。

5 結(jié)論

濟(jì)南地區(qū)雷電活動(dòng)常出現(xiàn)在春、夏、秋3個(gè)季節(jié)，主要發(fā)生在夏季，占全年的75%，冬季雷暴出現(xiàn)極少，季節(jié)性特征表現(xiàn)明顯；雷電活動(dòng)具有明顯的日變化規(guī)律，主要表現(xiàn)為多峰型，即1個(gè)主高峰時(shí)段(15∶00—20∶00)、2個(gè)次高峰時(shí)段(01∶00—04∶00、06∶00—09∶00)；雷暴大風(fēng)常年盛行風(fēng)向?yàn)闁|南偏東(ESE)，其次為東南(SE)；雷電災(zāi)害易發(fā)區(qū)分別為商河縣南部、章丘區(qū)東南部、長(zhǎng)清區(qū)南部以及市區(qū)西部。

雷電活動(dòng)常伴有短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹以及雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，其中，雷電會(huì)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施造成損害、對(duì)農(nóng)民等人身安全造成威脅；暴雨會(huì)引發(fā)暴雨洪澇、農(nóng)田積澇、泥石流、巖溶塌陷等次生災(zāi)害；雷暴大風(fēng)和冰雹會(huì)造成農(nóng)作物的倒伏、機(jī)械性損傷等，情況嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物的絕產(chǎn)絕收。

針對(duì)雷電活動(dòng)的多發(fā)季節(jié)和時(shí)段、雷暴大風(fēng)的主要來(lái)向、雷電災(zāi)害易發(fā)區(qū)等濟(jì)南地區(qū)雷電活動(dòng)的時(shí)空分布特征，提出了指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、避免或減輕雷電災(zāi)害的合理、可行的防御對(duì)策。