我国雷电灾害的时空分布特征

我国雷电灾害的时空分布特征

1环境对雷灾的影响长期以来，雷雷雨引发了严重的人员伤亡和经济损失。估计全世界每年有几千人死于雷击,全球每年的雷击受伤人数可能是雷击死亡人数的5～10倍,具有大电流、高电压、强电磁辐射特征的闪电对人类社会的威胁性在日益加大,雷电灾害已经被联合国有关部门列为“最严重的10种自然灾害之一”,它也是大气灾害学的一部分。依据自然灾害系统原理,雷电灾情是由孕灾环境、致灾因子、承灾体之间相互作用形成的。雷电灾害的自然孕灾环境就是雷暴天气、气候和地理背景等,自然致灾因子就是闪电,承灾体一般划分为人类、财产和自然资源。这3种因素在不同时空条件下,对灾情形成的作用会发生改变。对自然致灾因子来说,观测发现当今全球每一秒钟平均发生46次闪电,而我国平均每一分钟发生77次闪电。对承灾体来说,由于人口从农村到城市迁移以及防雷和医疗急救的进步,英国在一个半世纪里雷灾人员伤亡数有明显的下降趋势,峰值从19世纪70年代的23人下降到20世纪90年代的3人。美国用1900—1991年的雷灾统计资料,在考虑人口权重后雷灾人员死伤率在逐渐下降,其指数下降的趋势与美国人口从农村向城市迁移的变化趋势是相类似的,而且雷击伤亡人数的变化有20年或30年的波动变化,这种波动变化与雷暴日、地面平均气温的波动变化是类似的,可以看到雷击伤亡人数具有气候学波动,这说明了孕灾环境的影响。马明等在“1997—2006年我国雷电灾情特征”里主要给出了1997—2006年我国雷电灾害(简称雷灾)造成的人员死伤数、财产损失情况的分布特征。为了更好地揭示雷灾的时空分布规律和成因机制过程,找到防雷减灾的主要方向,制定更好的雷电防护技术路线,进一步提高全民防雷减灾意识,本文将对我国雷灾及相关因素进行分析研究,重点分析雷灾的致灾因子,闪电活动的特征及其相关的雷电灾情,以及研究雷灾人员伤亡事件和重大雷灾事件的特征。2区域雷灾特征统计本文雷灾资料取自全国雷灾数据库,该数据库是中国气象科学研究院“雷电物理和防护工程实验室”以中国气象局雷电防护管理办公室编写的《1997—2006年全国雷电灾害汇编》为基础建立的,数据库里每个雷灾事件记录了雷灾发生情况、背景,受损的财物,受伤害的人员情况等,如雷灾发生的时间、地点,受损部门行业、受损财物类型,死伤人员的人数、性别、职业、雷击地点等。由于资料本身的问题,可能在部分年份的部分地区缺失雷灾记录,同时由于部分雷灾报告记载不规范的原因,也存在缺失一些雷灾统计信息的情况。因此本文得到的是全国雷灾特征的不完全统计结果。本文使用的闪电资料来自美国的全球水文资源中心,是由卫星探测器光学瞬态探测器(OTD)、闪电成像传感器(LIS)观测获取的,该资料是经过仔细订正的总闪信息资料,不区分云闪和云地闪。该闪电资料集包括OTD观测的在1995年4月至2000年3月期间全球80°S～80°N之间的闪电资料,以及LIS观测的1997年12月至2005年12月期间全球37°S～37°N之间的闪电资料,该资料集给出了分辨率为0.5°×0.5°的闪电密度时空分布。闪电密度定义为:每年每平方公里发生的总闪电次数(包括云闪和云地闪),单位是次/(km2·a),该值能够较精确地反映全年雷电活动的多少。3时间特征的相关分析3.1与其他等级的地区对应表1给出了我国各地区雷电灾情(1997—2006年)以及雷灾致灾因子、承灾体的部分参数,包括雷灾事故数、人员死伤总数、财产损失/人员死伤雷灾比,平均闪电密度、人口数(2000年全国第五次人口普查资料)、乡村占人口比例、土地面积、人均GDP(取2002年值)。图1给出我国大陆31个省、直辖市、自治区的雷灾死伤人员数排名的等级情况,根据四分法,以1～8名为第一等级,9～16名为第二等级,17～24名为第三等级,25～31为第四等级,其中广东省最严重,雷灾造成1434人死伤,排名第一,云南省次之,雷灾人员伤亡严重的还有贵州、江西、广西、湖北、湖南、山东等地区,而上海、山西、北京、甘肃、新疆、宁夏、天津则处于第四等级。图2给出了卫星观测得到的我国闪电密度分布的情况,华南地区和西南部分地区是我国闪电密度高值区,尤其广东省和海南省,华东、华北、东北地区是闪电密度的次高值区,西北地区是闪电密度的最低值区,青藏高原地区则为闪电密度的次低值区。更多我国闪电密度地理分布特征详见文献。图1和图2比较,两者在4个等级上的地区对应还是相当一致的,高闪电密度地区也是雷灾高等级区,如华南地区,华东和华北的大部分地区也处于第二等级,西北毫无例外的都落在第四等级上。可见各地区的雷灾死伤人员数与当地的闪电活动情况密切相关。我国闪电密度平均值为4.22次/(km2·a),结合OTD/LIS资料与美国闪电探测站网的定位资料得到的美国Z值分布表明,25～48°N范围内Z平均值为2.64～2.94,我们分析安徽省闪电定位站网地闪定位资料,经过探测效率修正,得到在115～120°E,30～35°N区域内云地闪密度为1.80次/(km2·a),而卫星观测得到的此地区闪电密度平均值为7.26次/(km2·a),相应Z值为3.03,大体与美国地区平均值接近。这里取我国平均Z值为3,可以得到我国云地闪电密度平均值大概为1.06次/(km2·a),马明等估计我国年平均雷击造成1334人死伤,包括667人死亡,667人受伤。据此估计我国约7600次云地闪对应1人伤亡,而美国每86000次云地闪造成1人伤亡。如果只考虑死亡人数,美国是345000次对应1人,而我国是15000次对应1人,考虑我国人口2006年为13.6亿,而美国人口2006年为3亿,中美国民被雷击死亡概率比约为5∶1,相差较大,这可能与承灾体差异有关,包括人口组成结构和个人防雷意识以及急救医疗水平。表2考察了雷电灾情与各种因素的相关程度,表2的数值是两者的相关系数,y说明在可信度95%下线性相关,n表示没有明显相关。通过表1～2、图1～2,可以研究我国各地区雷灾相关因素的关系。(1)就雷灾事故数而言,雷灾事件多发生在我国东部沿海地区和南部地区,在我国西部地区相对较少发生,可见雷灾事故发生频次与中国不同地区的致灾因子(闪电活动)、承灾体(人口数和经济发展现况)成正相关。(2)就雷灾造成人员伤亡数而言,可见雷灾人员伤亡数与中国不同地区的闪电活动、人口数和经济发展现况成正相关。(3)就考虑人口权重的伤亡率而言,人口基数少的地区,像海南省、西藏自治区、青海省成为高伤亡率地区。表2中,伤亡率(人口权重)与各种参数之间没有明显的相关,说明影响人口权重的伤亡数的因素比较复杂,如青藏高原地区当地的平均闪电密度较低,但闪电活动分布不平均,有些地方年雷暴日超过80天,局地的雷暴活动还是很频繁,但每次雷暴产生的闪电频次较少,造成平均闪电密度较低。(4)就考虑面积权重的伤亡率而言,面积小的上海市、海南省、北京市成为高伤亡率地区。表2中,伤亡率(面积权重)与闪电密度、人口密度、人均GDP成正相关,而与乡村人口比例和地区面积成负相关,因为我国西部地区,地广人稀且农民比例高,造成该地区低的伤亡率(面积权重)对应高的乡村人口比例和地区面积。(5)就雷灾财产损失事故/雷灾伤亡事故的比值而言,可以发现几大直辖市该比值很高。表2中该比值与城镇人口、GDP总量、人均GDP量成正相关,说明城市地区、经济发达的地区,财产损失雷灾相对较多,该比值高;该比值与乡村人口比例成负相关,说明农民比例高的地区,雷灾伤亡事故相对较多,该比值低;这说明了雷电灾情的不同类型与承灾体类型有密切关系。3.2我国各地区雷灾的年变化与日变化特征马明等指出10月到3月我国雷灾发生较少,6～8月为高值,7月达到峰值,9月则相对有明显的降低。我国人员伤亡雷灾数的日变化曲线呈现典型的单峰型,曲线从午后13时开始快速上升,15～17时达到高值,0时为谷底,而财产损失雷灾的曲线除了在14～17时的高值区外,在01～04时相对有次峰出现。可以得到闪电活动年变化曲线与人员伤亡雷灾数、财产损失雷灾数、雷灾事故数以及雷灾死亡人数、受伤人数、死伤总人数这六者的年变化曲线的相关系数都为0.99。闪电活动日变化曲线与人员伤亡雷灾数、财产损失雷灾数、雷灾事故数这三者的日变化曲线的相关系数分别为0.85、0.92、0.92,闪电活动与雷灾死亡人数、受伤人数、死伤总人数日变化曲线的相关系数分别为0.85、0.82、0.82,闪电活动与财产损失雷灾日变化曲线的相关系数要高于闪电活动与人员伤亡雷灾的相关系数。可见我国雷电灾情和闪电活动的时间特征是紧密相关的。由于我国气候类型多样,依据我国的行政规划图,本文给出以下地区雷灾的年变化和日变化特征。华南地区包括广东、广西、海南;西南地区包括云南、贵州、四川、重庆;青藏高原地区包括青海和西藏;西北地区包括新疆、甘肃、宁夏和陕西;华北和东北地区包括北京、天津、河北、山东、山西、内蒙古和东北三省,我国大陆其它地区为华东地区。图3给出了我国六大区域雷电灾情和闪电频次的年变化特征,包括雷灾事故数、雷灾死伤人员数和闪电频次的相关系数R,从R值(可信度取99%)来看,我国各地区雷灾与闪电活动的年变化特征密切相关。华南地区的闪电频次呈现出明显的双峰结构,两峰值幅度相当,分别位于5月和8月,由此带来的雷电灾害的高发时期为每年的4～9月,其中6月的雷灾事故最多,而7月的雷击死伤人员数最多。在华东地区,闪电活动的主峰位于7～8月,次峰位于5月。相同纬度的西南地区的年变化特征与之相似。这两个地区的雷电灾害情况也类似,都是从4月迅速升高,在7～8月达到最大,9月迅速降低。这3个地区都是在7月雷击死伤人员数最多,而7月的当地闪电活动都不是全年最高月,这可能与7月是该地区的农忙季节有关,此时农民经常处于室外甚至雨中,导致雷击概率加大,说明雷电灾情的时间特征与人们的农忙时间有关。华北、东北地区和西北地区、青藏地区的闪电年变化特征是单峰型,高值位于6～8月,在7月达到最大。对应的华北和东北地区雷电灾情的高发时期为每年的5～8月,其中6月的雷电灾情最多;西北地区雷电灾情的高发时期为每年的4～8月;青藏高原地区雷电灾情的高发时期为每年的5～9月。图4给出了我国六大区域雷电灾情和闪电频次的日变化特征,从R值(可信度取99%)来看,我国各地区雷灾与闪电活动的日变化特征密切相关,其中雷灾事故数的相关系数要好于雷灾人员死伤数的相关系数。对闪电活动的日变化而言,双峰结构的是:华南地区主峰在16时,在02时有次峰,谷值在09时;西南地区在16时和22时达到幅度相当的2个峰值,谷值在09时。华东、青藏高原、西北、华北/东北这些地区多是单峰型,峰值分别在17时、15时、13时、16时,都是在下午,谷值分别是10时、07时、06时、09时,都是在早晨。对于雷灾事故数来说,其日变化曲线和闪电活动很类似,峰值多在下午的15～17时,西北地区的高值在16～18时,青藏高原地区的高值在16～18时、20时,但要考虑到图4采用的是北京时间,西部地区的当地太阳时要晚于北京时间。对于雷灾人员死伤数而言,各地区表现为更集中在午后这段时间里,在夜晚和凌晨相对雷灾数更少。因为大部分的雷灾人员死伤事件发生在室外,在晚上人们多在建筑物内休憩,相对白天劳作时较少直接暴露在闪电下,一定程度上减少了雷电伤害的概率。可见受承灾体类型的影响,雷电灾情的时间特征与人们的作息时间相关。4雷灾风险分析马明等给出我国因雷击死伤人员中农民占93%,说明就承灾体的脆弱性而言,农民相对城镇人员要更脆弱。表3给出了不同雷击环境下的死伤人员情况,可以分析承灾体和孕灾环境的影响,对于人员伤亡雷灾事件数,发生在农田的最多为32%,其次是建构筑物(主要是民居、窝棚)为23%,以下依次为开阔地、水域、树下、山地、有线相连和厂矿仓库;雷灾死亡人数的分布类似雷灾事件数;雷灾受伤人数则发生在建构筑物的最多占45%,农田第二为15%;在雷灾死伤总人数上,建构筑物就以32%占第一,农田第二为24%;对于雷灾死伤人员数/雷灾事件数比值,最高的是厂矿仓库的2.88,然后就是建构筑物的2.74,树下的2.36,而在室外的农田、水域、开阔地都较低,最低的农田仅为1.49;再看雷灾中受伤人员数/死亡人员数,最高的是建构筑物的1.81,厂矿仓库和有线连接也较高,而室外的地点都较低,最低的农田仅为0.39。由表3可见雷击环境的影响,在农田、开阔地、水域,人们往往单独劳作或行动,而且地势平坦,相对而言人可能因为较高,更容易被雷直接击中,由于直接雷击时电流很大,可能导致心脏停止跳动或呼吸停止,相对容易造成雷击人员死亡;而当人员正接触电话线或者金属管线时,当雷电电流经过管线时,人员会因为接触电压而中电,这种雷灾多1人遭灾;在树下,当一颗树遭受雷击时,雷电流在这段树干上产生的电位降瞬间可达到几万甚至几十万伏以上,人头顶与等高度的树干之间的电位差超过空气的击穿强度时,雷电流通过这段空气间隙向人体放电,我们称之为旁侧闪击,由于人们有时在树下成群避雨,而旁侧闪击不局限1个人,可能导致多人死伤;在建构筑物和厂矿仓库,一般人员比较密集,雷击伤亡形式也多种多样,可能直接雷击、跨步电压、旁侧闪击、接触电压,也可能因为雷击造成的其它后果伤亡,如火灾、爆炸、重物砸落等,因此相对更容易导致人员受伤。从表3可以看到,当人们处于不同的环境时,应该采用不同的防护措施来抵御雷电的威胁。从概率上讲,在雷电发生时,野外没有绝对安全的地方,应及时躲入有防雷装置的建筑物、相对安全的封闭式汽车。表4给出了每次雷灾中死伤人员数的百分比分布,从上报的4287件雷灾人员伤亡事故来看,其中涉及人员死亡的事故为3509件,占事故总数的82%,在这里雷灾只造成1人死亡的事件占死亡事件的83%,2人死亡的占死亡事件的12%,超过2人的只占5%;涉及人员受伤的事故数为1745件,占事故总数的41%,其中雷灾只造成1人受伤的事件占死亡事件的53%,2人受伤的占受伤事件的21%,超过2人的占26%,显然雷灾中多人受伤的概率要高于死亡的。两者结合后,伤亡事故里1人受雷击的占总事件的61%,2人的占19%,超过2人的占20%,说明80%的雷灾人员事故只涉及1～2人的生命安全,同时雷灾发生的地域时间相对比较分散,在公众影响力方面可能不及暴洪和台风;事实上雷电对人们群众生命的威胁上很大。2004年全国因气象灾害死亡2457人,雷电灾害造成770人死亡,占死亡人数的31%。对比美国35年雷灾人员伤亡数据的统计,美国雷灾人员伤亡事故中有86%涉及1～2人的伤亡,比我国的略高,有较大差异的是:美国7181件人员伤亡的雷灾中有73%涉及人员受伤,39%涉及人员死亡,而我国受伤、死亡的数占总事件的比例为41%和82%,在我国可能的因素是,一部分仅造成人员受伤(尤其是轻伤)的雷灾被群众忽视未报,而在上报的一些雷灾中,可能有些人员受轻伤的事实未被认定而被忽略了。虽然表4说明大多数雷灾只涉及1～2人,但还是有些雷灾由于雷电或者雷电引起的次生灾害效果,带来巨大的杀伤效果,经常引起全社会的震动和关注,也值得重点分析。下面给出重大雷灾伤亡事件的定义:一次雷暴过程造成某一区域5人以上死亡或10人以上伤亡。表5给出了我国56例重大雷灾伤亡事件的特征统计。由表5可见,在农村的民居、教室、窝棚、亭子、庙宇、窑洞这些建构筑物里共发生30例重大雷灾伤亡事件,占54%,而这些建构筑物绝大多数没有防雷装置。城镇的民用建构筑物防御雷击的措施相对要好一些,只有3例;爆竹厂、化工厂、炸药仓库,以及厂矿区加起来发生12例,占21%,虽然这些爆炸、火灾危险环境场所地方多数安装了防雷装置,但雷灾事后调查后发现防雷装置往往不符合国家规范或者缺少检修。值得注意的是,发生在旅游景点的4例雷灾,包括2004年数十名在居庸关长城8号敌楼躲雨的游客遭到雷击受伤,考虑我国旅游、室外休闲的人群越来越多,在欧美的雷击死亡中旅游者的比例也在加大,因此也要加强旅游、休闲场所的防雷措施,提高人们的个人防雷意识,加强雷电监测和预警预报工作。表5中的重大雷灾人员死伤原因可见,70%的重大雷灾主要是雷击效应对人员的损伤;但在爆炸、火灾危险环境场所发生的雷灾,多数人员是被雷击火灾、爆炸以及引起的重物砸落所伤害,占雷灾数的21%;由于强大的雷电流本身的热效应和机械效应,雷击可以直接毁伤房屋导致砸死砸伤人员,这部分雷灾也有4例。由表5可见,7例雷灾发生在教室里,占13%,学校是人员密集的地方,但我国很多教室并没有完善的防雷措施,据不完全统计1997—2006年全国因雷击造成学生伤亡达902人,其中死亡364人,占同时期雷灾总死亡人数的8%,同时雷击死伤的学生绝大多数位于农村。如2007年5月23日16时34分,重庆市开县义和镇政府兴业村小学教室遭遇雷电袭击,造成四、六年级学生7人死亡、44人受伤,事后调查该小学无防雷装置,雷电流通过墙壁泄放入地时,由于接触电压、旁侧闪击以及跨步电压作用,导致室内大量人员伤亡。因此加强学生防雷知识教育,加大农村学校教育设施的防雷装置的投入已不容忽视。5我国雷灾事故的主要特征本文在1997—2006年全国雷电灾害数据库和星载OTD/LIS闪电探测数据的基础上,分析研究了雷电灾害及相关因素的特征,包括雷电灾情、孕灾环境(气候、地理等)、致灾因子(闪电活动)、承灾体(人类、财产和自然资源)及其相互作用,得到以下一些结果。雷灾事故发生频次、雷灾人员伤亡数与中国不同地区的致灾因子(闪电活动)、承灾体(人口数和经济发展现况)成正相关;雷电灾情不同类型与承灾体类型