浙江省雷电灾害与区域地闪关系分析*

顾 媛 史海锋 张卫斌 张 祎

(浙江省气象安全技术中心,浙江 杭州 310008)

0 引 言

作为“最严重的10种自然灾害之一”[1],雷电灾害对人类生活构成严重威胁。浙江省是雷电灾害频发的地区,雷电灾害造成的损失及影响巨大[2]。随着经济社会的不断发展,各类电子器件、精密仪器广泛应用,雷电灾害分布于交通、电力、通信、金融各类行业及高新技术领域,雷电对人民生命安全及社会经济发展的危害不容忽视。认识雷电灾害的特征规律、探究地闪活动与雷灾的关系具有重要意义。

关于雷电灾害已经开展了较为广泛的研究,主要包括对雷电灾害的灾情信息、时空分布特征进行分析[2-4],对各地雷暴活动及灾情相关性进行研究[5-7],利用各种灾害评估模型对雷电灾害风险评估及易损度区划等方法进行探讨[8-11]。虽然以上研究指出,雷电灾害与地闪活动具有比较一致的月际变化、日变化以及地域分布特征,地闪频次和地闪强度均对雷电灾害产生影响[12-14],但对雷电灾害与区域地闪频次、强度的量化研究较为缺乏,对雷灾周边区域的地闪活动特征分析研究得较少。

2013—2018年浙江省雷电灾害事例充足、资料全面[2],本文利用该时间范围内的雷灾数据,并基于2013—2018年浙江省地闪监测数据,对雷电灾害区域地闪频次、强度进行统计,分析雷电灾害与区域地闪特征参量间的关系,以期进一步了解区域地闪活动对雷电灾害的致灾作用,为雷电灾害风险评估和雷电防护等工作提供科学依据,进一步提升防雷减灾工作效率。

1 资料方法

地闪数据来源于浙江省气象局ADTD闪电定位系统2013—2018年监测资料,该系统由11个探测站点组成,实时、连续记录地闪发生的时间、二维空间信息、定位方式、雷电流幅值和陡度等信息,系统理论探测效率为80%～90%,平均探测范围为300 km,定向误差为0.5°[7]。在闪电定位资料中，小幅值地闪通常被认为是系统对云闪的误判[15],本文剔除地闪强度小于5 kA的数据进行统计分析。雷电灾害数据来源于浙江省雷灾信息库,包含灾害发生的日期、地点、灾害详情、受损类别及损失情况等,本文选取2013—2018年包含经纬度信息的雷电灾害共1333起。各地雷电灾害资料收集手段、上报机制等不同,雷电灾害记录的完整性也不同,本文给出的是雷电灾害不完全统计结果。

本文在空间分析中,单位区域是以雷电灾害点为圆心、5 km为半径范围的区域,共1333个区域范围，对每个区域范围对应雷灾发生当日的区域地闪进行频次、雷电流幅值特征统计,分别得到1333个区域雷灾日地闪频次和区域雷灾日地闪强度最大值;对每个区域范围的地闪频次、雷电流幅值特征进行逐日统计,分别得到204946个非零值的区域日地闪频次和非零值的区域日地闪强度最大值。

按式(1)计算区域日地闪频次与雷灾统计概率的关系:

(1)

Pi为区域日地闪频次大于i时雷灾发生的统计概率,ni为区域雷灾日地闪频次大于i的样本数,Ni为区域日地闪频次大于i的样本数。

按式(2)计算区域日地闪强度最大值与雷灾统计概率的关系:

(2)

Pj为区域日地闪强度最大值大于j时雷灾发生的统计概率,nj为区域雷灾日地闪强度最大值大于j的样本数,Nj为区域日地闪强度最大值大于j的样本数。

2 结果分析

2.1 雷电灾情

2013—2018年浙江省发生的1333起雷电灾害共造成直接经济损失5843.44万元,间接经济损失1823.33万元。其中32起人员伤亡事故,共造成22人死亡、33人受伤。1236起电子电气设备受损事故,占雷灾总数的92.72%,130起建筑物损毁事故,占雷灾总数的9.75%。雷电灾害空间分布如图1所示,杭州市雷电灾害数量最多,经济损失也居全省首位,尤其是杭州东北部雷灾密度较高;另外，宁波、衢州和金华的部分地区雷灾密度较高,从人员伤亡事故分布来看,除舟山外各市(县、区)均有人员伤亡事故发生,其中温州人员伤亡事故数最多,宁波的伤亡人员总数最多。由此可见,雷电灾害具有显著的空间分布差异,不同类型的雷电灾害又各有特征,为探究雷电灾害分布与地闪特征的空间关系,下文将对雷电灾害周边区域的地闪特征进行统计分析。

图1 2013—2018年浙江省雷电灾害分布图(审图号:浙S(2020)17号)

2.2 雷电灾害的区域地闪特征

2.2.1 地闪频次特征

根据1333个雷电灾害事件,按照前文所述方法,对区域雷灾日地闪频次进行统计,结果如图2所示,区域雷灾日地闪频次主要集中在100次以下,累积概率达88.60%,其中51.16%的区域雷灾日地闪频次小于15次,28.66%的区域雷灾日地闪频次小于5次。由此可见,在半径为5 km范围内,只要有区域地闪发生,就有发生雷电灾害的可能性。在雷电灾害预警等工作中,可以将半径为5 km范围有地闪发生作为预警判定指标之一,提高雷电灾害预警的准确性。

图2 区域雷灾日地闪频次统计

根据损害类型的不同,将雷灾事件分为造成人员伤亡、电子电气设备受损和建筑物损毁3类,分别统计不同类型的区域雷灾日地闪频次,结果如图3所示。各类雷灾的地闪频次平均水平相当,但高值分布差异较大，造成人员伤亡的区域雷灾日地闪频次最大值为281次,87.5%的伤亡雷灾日地闪频次小于100次;造成电子电气设备受损的区域雷灾日地闪频次分布跨度最大,频次最大值为636次,但主要集中于80次以下;造成建筑物损毁的区域雷灾日地闪频次大于50次的占26.15%,大于100次的占16.15%。相较于其他两类雷灾而言,造成建筑物损毁的地闪频次高值事件占比较大,原因可能是建筑物的防直击雷装置安装相对比较普遍、完善,防雷减灾能力相对较强。而电子电气设备受损情况普遍,反映出间接雷击的防御能力相对较弱,存在防雷安全隐患。造成人员伤亡的区域雷灾地闪频次普遍较低,这是由于该类雷灾的承灾体脆弱性较高。浙江省人员伤亡雷灾事故大部分发生在农田、水边、凉亭、山地及其他旷野地带[2],在无防护措施的情况下,人员遭受雷击并致灾的可能性大。

图3 不同类型的区域雷灾日地闪频次分布

2.2.2 地闪强度特征

为进一步探究区域雷灾日地闪的雷电流幅值特征,对区域雷灾日地闪进行雷电流幅值分布统计,如图4所示。区域雷灾日地闪的雷电流幅值主要分布于100 kA以下,累积概率达99.08%,84.86%的雷电流幅值分布在10～50 kA,其中20～25 kA和26～30 kA的雷电流幅值分布最多,概率分别为16.42%、16.28%。在人员伤亡、电子电气设备受损和建筑物损毁3类雷灾中,雷电流幅值分布在20 kA以下的概率分别为31.95%、16.94%和18.56%,雷电流幅值分布在50～100 kA的概率分别为7.07%、13.31%和14.02%。不同灾害类型的雷电流幅值分布具有差异,总体而言,在造成人员伤亡的区域雷灾日地闪中,小幅值雷电流比重较大,造成建筑物损毁的雷电流幅值相对较高。由此可见,不同灾害类型对地闪强度的敏感性不同,人员最易受到伤害,而雷击建筑物产生物理损害则需要相对更强的地闪能量。

图4 区域雷灾日地闪的雷电流幅值分布

2.3 雷灾概率与地闪的关系

2.3.1 雷灾概率与地闪频次的关系

由前文对雷灾区域的日地闪特征分析可知,雷灾发生区域当日的地闪频次从数次至数百次不等,按照前文所述方法统计分析雷灾概率与区域日地闪频次的关系,如图5所示。随着区域日地闪频次的增加,发生雷电灾害的概率呈指数递增，当区域日地闪频次大于5次时,发生雷灾的概率为1.29%;当区域日地闪频次大于180次时,发生雷灾的概率为10.17%;当区域日地闪频次大于315次时,发生雷灾的概率为20.00%;当区域日地闪频次大于500次时,发生雷灾的概率为40.54%。正如前文所述,区域内只要有地闪发生,就有发生雷灾的可能性,雷灾发生概率随着区域日地闪频次的增加而显著增大。图5给出了雷灾概率与区域日地闪频次的指数拟合曲线,拟合优度为0.98,指数函数可以很好地表征雷灾概率与地闪频次之间的关系。

图5 雷灾概率与区域日地闪频次的关系

2.3.2 雷灾概率与地闪强度的关系

按照前文所述方法,统计分析雷灾概率与区域日地闪强度最大值的关系,如图6所示。当区域日地闪强度的最大值小于100 kA时,雷灾概率随地闪强度的增加而线性递增,雷灾概率分别在地闪强度最大值为40～45 kA和70～80 kA时，升至0.52%和1.26%;当地闪强度最大值超过100 kA时,雷灾概率不再随地闪强度线性递增,概率维持在1.2%左右。由此可见,不同于地闪频次对雷灾概率的决定性作用,地闪强度只在一定程度上影响雷电灾害发生的概率,但地闪强度越大,雷电流的破坏性越强,正如前文分析所述,地闪强度对雷电损害方式有影响。

图6 雷灾概率与区域日地闪强度最大值的关系

3 结 语

(1)雷电灾害当日半径为5 km区域地闪呈以下特征:地闪频次主要集中在100次以下,其中51.16%的雷灾事件区域日地闪频次小于15次;雷电流幅值主要分布在10～50 kA之间。不同类型雷灾的区域日地闪特征不同，电子电气设备受损的区域，雷灾的地闪频次、雷电流幅值跨度最大;人员伤亡的区域，雷灾地闪频次普遍较低,小幅值雷电流比重较大;造成建筑物损毁的区域，地闪频次高值事件比重更大,雷电流幅值相对较高。综合反映了人员伤亡的承灾体脆弱性较高,建筑物对直接雷击的防御能力相对较强,对间接雷击的防御能力相对较弱。

(2)随着区域日地闪频次的增加,发生雷电灾害的概率呈指数递增,当区域日地闪频次大于180次时,发生雷灾的概率为10.17%;当区域日地闪频次大于315次时,发生雷灾的概率为20.00%。当区域日地闪强度的最大值小于100 kA时,雷灾概率随地闪强度的增加而线性递增,当地闪强度最大值超过100 kA时,雷灾概率不会随着强度的增加而持续升高。区域日地闪频次对雷电灾害的发生具有决定性作用,地闪强度对雷电损害方式有影响,可作为雷电灾害风险评估的依据。