城市效应对区域雷电活动影响分析与灾害防御

张科杰，成 勤

（1湖北省防雷中心，武汉430074；2宜昌市气象局，湖北宜昌443000）

0 引言

雷电是雷暴天气中发生的一种长距离瞬时放电现象，云体对大地放电，被称为云地闪，云地闪在放电过程中会产生大电流、高温、强电磁辐射和冲击波等物理效应[1]，对人类的生产生活环境产生了影响。城市是人口和建筑密集集中区域，据中国社科院发布的《中国城市发展报告No.2》统计，百万人口以上城市达118座[2]。城市的建设改变了该区域原有的下垫面特征，原有的自然土壤、植被、水域等被众多低反射率高吸热性的建筑、道路所取代。城市在结构形态上，密集的建筑物降低街区天穹可见度，使白天进入城市的短波辐射通过多次反射使城市内部存储更多热量[3]。钢筋混凝土的建筑和硬化的路面比非城区的土壤和植被吸热更快，同时城市消耗的大量能源使大气增加了一定数量人为热，这些人为的活动改变了城市近地层的大气结构[4]，形成了以城市效应为主的局地气候，如城市热岛效应、城市雨岛效应、城市混浊岛效应。随着城市的快速扩展和城市人口的日益增多，城区及其周边地区的天气和气候条件发生了显著改变[5-6]。多种综合因素形成了城市效应，这种效应影响着人类的生活，因此城市气候效应受到广泛关注。同时，城市化的建设对周边的农业生产环境也有着不同程度的影响。谚语有云：雷雨发庄稼，雷电能使空气中的氮气转化成硝酸，即植物生长需要的氮肥，能对作物的生长起到良性的效果。

长期以来，国内外一些学者对城市气候以及雷电发生的机制和时空分布特征的研究付出了大量的精力，如李瑞芳等[7]采用广东省雷电资料，利用Arc Map对地域及气候对雷电参数的影响作出了一定的分析；高磊等[8]对上海市城区与郊区不同地形地貌下云地闪分布规律作了初步研究；胡艳等[9]利用上海市雷暴资料分析得出雷电呈现市区少、郊区多的特点；而NtelekosAA[10]对美国Baltimore的雷暴研究发现，城区会比同样位置的完全没有城市建筑的地域多吸引30%的雷雨天气；Rozoff C M[11]得出城市热岛效应在一定程度上增加了城区及城乡交界区域雷暴发生的频数的结论；江平等[12]对江汉平原近十年的雷电活动进行了分析，得出了以农业经济为主的区域雷电活动的规律。在上述研究成果中，多数学者只是对单一样本或区域的雷暴活动作出了分析，而且根据上述研究笔者发现，选取地域不一样，导致研究结论各异。

城市化的建设会对城区和周边农村地区雷电产生何种影响，目前尚无相关研究。因此，为了研究湖北地区城市效应对雷电产生的影响，根据湖北省雷电监测资料，对湖北几个较大城市的城区和非城区的云地闪活动状况做出了统计分析，旨在揭示自然环境的改变对雷电活动规律产生的变化，对不同区域雷电防护重点提供理论依据，以期为城区和周边农村地区雷电防护工程设计提供理论依据，为减少雷电灾害发生提供数据参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

文中所用的云地闪电资料来源于湖北省ADTD雷电定位监测系统，该系统是采用磁向(MDF)和时差(TOA)联合法(IMPACT)进行雷电探测的第2代云地闪定位系统[13-14]。湖北省ADTD雷电探测系统于2006年建成，包含13个探测子站，在全国范围内属较早组网并投入业务运行的省份[15]。本研究选取的资料年限范围为2007年1月1日—2016年12月31日，本研究所述的云地闪电数据为回击数据。在数据处理时，将数据库中的雷电流强度绝对值大于500 kA的异常闪电记录剔除[16]。选取研究样本的中心经纬度来源于谷歌地球定位数据。

1.2 统计方法

考虑到地形对云地闪电产生的影响，本研究样本选取了1个特大城市武汉，以及2个平原城市荆州、襄阳和2个山区城市宜昌、十堰做综合分析。选取样本城市的闪电探测效率均在90%以上，如图1所示。考虑到城市发展的差异，武汉市选取的城区统计半径为10 km，其余城市选取的城区统计半径为5 km。为避免城市边界层效应对云地闪造成的影响[17]，在统计非城区云地闪时，选取的地域范围为剔除城区2倍半径的圆形区域后，再往外扩展相同半径范围的1个环状区域。在季节划分上，采用按照月份划分的方式，即春季为3—5月；夏季为6—8月；秋季为9—11月；冬季为12月以及1月、2月。根据所选城市和区域，分别统计以上述区域内的闪电强度、闪电频次、发生的时间等参数，并将城区和非城区两类数据做出对比。

2 城区与非城区云地闪电特征对比分析

2.1 密度特征

图2为5个城市城区和非城区云地闪密度对比图，图中主纵坐标轴为城区和非城区的云地闪密度刻度值，副纵坐标轴为城区和非城区云地闪密度差异比刻度值。从图2中可以看出，相同城市城区云地闪密度均小于非城区云地闪密度。其中，十堰市的差异最大，同比非城区比城区云地闪密度高出70.26%；宜昌市的差异最小，同比非城区比城区云地闪密度仅高5.69%。同时，由图2可知，云地闪密度越大的城市，城区和非城区的差异越小，云地闪密度越小的城市，城区和非城区差异越大。5个城市中，山区和平原城市在一定范围内云地闪密度未发现规律性的变化，即地形的变化未对雷电频次产生决定性的干扰。已有研究显示，高层建筑会对其周边的雷电频次增多[18-19]，而本研究分析的5个城市，非城区云地闪密度均大于城区。由于城市的建筑和道路具有吸热大特点，热岛效应显著，温度较非城区高，城市中主要以上升气流为主[19]，热岛效应产生的局地的气候环境，可能是造成这一差异的主要成因。

图1 湖北地区闪电理论探测效率示意图

图2 云地闪密度对比

2.2 日变化对比

2.2.1 分时频度对比 图3给出了2007—2016年云地闪频次日变化规律对比图，图中横坐标0代表0—1时的统计数据，以此类推。由于采用分时段统计时，单个城市样本单时段的闪电样本偏少，数据容易因极端个别事件对结果产生偏差，故分析日频度时，将5个城市的城区和非城区云地闪频次分别作了叠加，减小数据发生偏差的风险。同时，对比分析时采用的相同半径和扩展圆弧不同区域面积，云地闪频次受到统计面积差异的影响，不能反应两者之间的变化规律，故对日频度变化分析时，采用逐小时云地闪频次占全天云地闪频次百分比来反应变化率。

图3 云地闪频次日变化对比

由图3可以看出，城区波动幅度比郊区大，且一天之中占比最大和最小的值均出现在城区中。其中，城区云地闪发生最弱的时段为9—10时，该时段云地闪仅占比0.94%；云地闪发生最强的时段为18—19时，该时段云地闪仅占比13.52%。非城区云地闪发生最弱的时段为8—9时，该时段云地闪仅占比1.69%；云地闪发生最强的时段为18—19时，该时段发生的云地闪仅占比10.72%。城区和郊区云地闪发生最多的时段相同，最少的时段相近，云地闪活动最频繁时段均为14—20时，这一研究结果与文献[16]结果吻合。

2.2.2 分时强度对比 通过对分时段城区和非城区的闪电强度统计，笔者发现，城区逐小时的正云地闪平均强度分布在23～62 kA之间，负云地闪分布在29～45 kA之间，总闪强度分布在29～45 kA之间；非城区正云地闪平均强度分布在32～50 kA之间，负云地闪分布在31～40 kA之间，总闪强度分布在32～40 kA之间。从幅值分布跨度上看，城区正、负、总闪的跨度值分别为39、16、16 kA，非城区正、负、总闪的跨度值分别为18、9、8 kA。城区跨度值明显大于非城区跨度值。

为了更加直观的表现城区与非城区逐小时闪电强度的差异，笔者将城区和非城区逐小时对应的强度数据做了差值处理，用城区闪电强度值减去非城区闪电强度值，作出图4。由图4可以看出，正闪差值上下波动较大，无明显变化规律。其原因可能是由于在自然界中，正闪占比相对较小，且雷电流幅值较大，造成偏差的因素较多造成的。负闪和总闪的差值多数时段均为正，说明城区闪电强度多数时段大于非城区闪电强度，全天共6个时段的负闪和总闪强度非城区比城区大，其有4个时段出现在午后，而此时间段正是一天之中气温最高的时段。6—11时，是城区和非城区差值最大的时段。由于城区和非城区一天之中温度变化趋势一致，城区温度各时段均大于郊区[20]，说明雷电流强度的差异受温度的影响显著。

图4 城区与非城区云地闪电强度差值

2.3 月变化对比

2.3.1 月频度对比 通过对城区和非城区的闪电数据统计得知，城区云地闪6月和7月最多，约64.04%的云地闪出现在这2个月；1月和12月是云地闪频次最少的月份，只有约0.02%的云地闪在这2个月发生。非城区云地闪最多的月份和最少的月份和城区相同，但占比有所区别。非城区约71.06%的云地闪出现在6月和7月，只有约0.01%的云地闪出现在1月和12月。

为了直观反映各月城区与非城区云地闪频次占比的差异，图5绘制了城区与非城区总闪、正闪和负闪频次分月占比差值对比图。图5中比例为正对应为当月城区占其全年比例高于非城区，其整体差异在-4%～2%以内浮动。由于不论是城区还是非城区，负闪频次占全年闪电频次的90%以上，总闪频次各月占比分布曲线的90%权重来源于负闪，故总闪趋势与负闪趋势几乎相同。由图5可知，全年正闪频次占比城区均大于非城区，负闪差值和总闪差值1—6月（4月除外）随着温度的升高差异逐渐变大，城区大于非城区；6—7月有一个反转，从7月开始，云地闪电频次月占比变为非城区大于城区，且随着月份的推移差值逐渐变小。差异极值均出现在7月，其中正闪频次占比城区大于非城区，负闪和总闪占比非城区大于城区。

图5 总闪、正闪频次月变化比例分布对比差值

2.3.2 月强度对比 表1给出了城区和非城区全年各月平均闪电强度的极值出现的时间及量级。由表1可知，除正闪外，城区负闪、总闪月平均强度的极小值和极大值均明显小于非城区。极值出现的月份均在气温不高、闪电活动不多的月份。

通过对逐月城区和非城区闪电强度的差值处理，得出图6。由图6可以看出，1月和12月城区和非城区云地闪强度差异最大。但在样本统计范围内，城区累计发生云地闪2次，占全年比例为0.02%；非城区累计发生云地闪9次，占全年比例为0.01%。由于统计样本中云地闪频次过少，故此两个月的云地闪差值状况不具代表性。从2—11月闪电强度差值来看，正闪强度差值波动较大，负闪、总闪强度差值相对较为一致，除9月以外，其余月份城区闪电强度均大于非城区。闪电强度差值的极小值出现在8月，该月闪电强度差值不到1 kA。整体数据，环境气温越高，对于闪电强度的影响越不明显。

表1 月闪电平均强度极值及出现时间 kA

图6 闪电强度幅值差值

2.4 季节对比

2.4.1 季频次对比 表2给出了不同季节城区和非城区云地闪频次对比数据，表中频次数据为5个城市样本的和值。四季之中，夏季雷电活动最频繁，冬季雷电活动最弱，雷电受季节因素的影响较为显著，城区和非城区在季节分布上呈现一致性。在同季对比中，夏季的云地闪频次占比城区与非城区差异最大，冬季差异最小，同季节温差对雷电的影响是显著的。这一统计结论进一步说明了城市热岛效应在减弱城区雷电活动的效应，与单个城市密度对比结论吻合。

2.4.2 季强度对比 由图7可知，除夏季和秋季的正闪强度差值外，春冬两季的正、负、总闪，夏秋两季的负闪和总闪平均强度城区均大于非城区。由此可见，城区和非城区各季雷电流幅值差异明显，云地闪强度在更大时间尺度的差异较日均变化和月均变化更为显著。

表2 城区和非城区云地闪频次占比季节分布

图7 不同季节闪电强度差值

3 灾害防御

马明等[21]统计分析了32071例雷灾事件，得出了雷灾中受伤害的农民占总死伤人数的93%，城市人员仅占7%的统计结论。城市雷电灾害通常以电子设备损坏为主，而农村地区的雷电灾害常常造成人员伤亡。

通过本研究对2种不同区域的雷电流特性分析，我们得知了城区受到局地气候的影响较大，雷电流的波动幅度大，但是雷击大地密度非城区大于城区，非城区雷击次数高，是造成雷电灾害的一个因素。但是，关键因素在于，城区较非城区，有着更为完善的防雷措施。建筑物作为一个天然屏障，防御了大部分的直击雷，雷电对人体的伤害概率较低。而非城区地域空旷，建筑物的防雷措施不完善，导致了雷电容易对人体造成伤害。结合本研究已得到的数据，笔者认为，城市的雷电防护应加强对电子电气设备的防护，同时，在防护设计时，提高相应的雷电流防护级别。农村地区应建立完善的直击雷防御措施，可有效的降低因雷灾致死的灾情发生，促进农业生产力的发展。

4 结论与讨论

本研究利用湖北省5个城市城区和非城区2007—2016年闪电定位资料，对样本城区和非城区云地闪密度以及日频、月频、季节变化进行了对比分析。得出以下主要结论：

（1）5个统计样本中，城区云地闪密度均小于非城区云地闪密度，云地闪密度越大的城市，城区和非城区的云地闪密度差异越小，反之则越大。云地闪密度受温度的影响较大，城市热岛效应对同一气候区域雷电活动影响明显，其减小了城区雷电发生的概率。

（2）云地闪日频分布城区波动幅度比非城区大。其中，城区云地闪发生最弱的时段为9—10时，非城区为8—9时，最强的时段均为18—19时，最频繁时段均为14—20时。平均全天超过80%的时段，云地闪强度城区大于非城区，且分时城区雷电流平均跨度值明显大于非城区，城区受到局地气候的影响较大。

（3）全年各月正闪频次占比城区均大于非城区。负闪差值和总闪差值呈现上下半年规律变化：1—6月（4月除外）城区大于非城区，7—12月，非城区大于城区，气温越高的月份差值越小。雷电高发的月份城区云地闪强度均大于非城区。

（4）夏季为雷电活动最频繁季节，冬季雷电活动最弱，雷电受季节因素的影响明显。各季城区平均云地闪强度普遍大于非城区。

（5）城市化对雷电的密度、强度产生的影响明显。整体来看，城市化效应使城区的云地闪密度降低，云地闪强度增加，且呈现出雷电流幅值跨度大等不稳定性，相对于非城区更容易出现极端雷暴事件。

（6）城区的雷电防护重点在于对大电流的应对，农村地区的雷电防护重点在于直击雷的防护，有针对性的采取防护措施，可有效降低雷电灾害的发生。

以上结论是基于湖北省5个城市样本统计分析出的结论，由于可供选择数据样本有限，选取的城市样本中，只有武汉属于特大城市，样本的差异可能会对结果产生直接影响。同时，新的城市群和下垫面特性复杂的城市连绵带，它们不仅有自身的城市气候效应分布与变化规律，而且还相互影响和作用，对区域气候的改变日益显著[22]。在今后的研究中，将着重于搜集对全国范围特大城市的雷电资料，以便更好地揭示城市效应对雷电产生的影响。