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在变化的气候下雷电对人类社会的危害
约阿夫.亚伊尔
可持续发展学院,跨学科中心,以色列 赫兹利亚
摘要：闪电是一种自然灾害, 在较短的时间尺度上具有杀伤力和破坏性, 并在较长的时间尺度上产生重要的气候影响(通过氮氧化物和森林火灾)。闪电的出现伴随着恶劣的天气、冰雹和山洪暴发, 往往会造成经济损失。它还对航空安全和风力涡轮机的可再生能源生产构成威胁, 并对电力设施和输电线路造成负面影响。目前，城市化、土地使用和能源生产的全球化趋势通过几个情景与气候变化相关联, 这些情景与未来温室气体在大气中的浓度有关（代表性浓度路径；2013年联合国政府间气候变化专门委员会，2013年气候变化：物理科学基础。第一工作组向联合国政府间气候变化专门委员会提交的第五份评估报告（剑桥：剑桥大学出版社）第1535页)对通过的能源政策和国际协定的贡献。这些情景预测了地球表面附近的大气变暖程度，这在地球上许多地区提供了显著不同的气候状况，也影响了大气自然灾害（如热带风暴）的强度和频率。尽管很难准确预测未来的闪电分布的情况，但大城市地区、人口增长和气候变暖的共同作用几乎肯定会加剧人类遭受闪电的危险。我们对人口、城市化和技术使用的近期趋势进行了评估，并对其在不同情况下对未来闪电活动的耐受性进行了评估。
关键词:闪电、可持续性、气候变化、城市化、自然灾害
1.闪电对人类社会的影响
我们简要地调查了闪电对人类社会的直接影响。在强风暴中伴随雷暴的相关影响有各个方面, 其中包括龙卷风、冰雹和山洪（Price et al 2011），但在这里我们只关注与实际的闪电中云对地冲程直接相关的影响。
1.1死亡和伤害
闪电仍然是最致命的自然现象之一，在全球范围内，每年夺走数百人的生命。全国每年的人员死亡和受伤人数呈现病态的统计信息；它反映了一种持续的、通常还没有得到充分报道的社会危害(Curran et al 2000, Holle et al 2005)，其规模尚不清楚。Holle(2016)对来自23个国家的平均持续时间为10年的闪电死亡人数报告进行了全面比较，该文件表1详细列出了许多国家不同时期每年的死亡人数。国家报告在闪电伤亡人数和趋势方面对发达国家和发展中国家作了明确区分。在美国，雷击死亡人数从20世纪的每百万人中的6人稳步下降到目前的0.1人，而在马拉维是84人，斯威士兰15.5人，津巴布韦14-21人，印度2人；更低的数值被报道，澳大利亚0.1人，加拿大和法国 0.2人，土耳其 0.4人和巴西0.8人。这些数字既反映了雷暴的频率（热带地区与中纬度地区），也反映了人口分布、经济和人民生活方式的现实，以及对闪电危险的认识。人们应该考虑到，国家报告只反映了范围更广的伤亡人数的下限。因为在农村和农业地区，与闪电有关的伤亡往往只发生在社区内，很少被报道，而官方医院的记录也不容易获得。这些因素限制了对全球每年几百到几千不等的伤亡人数的可靠时间序列和综合图片的建立。
雷暴对公众健康的间接影响，在闪电安全文献中并不明显，有时是由云演化的成熟和衰变阶段的下行气流引起的。在强烈的下行风（下击暴流或强烈且短时的下沉气流）和降水到达地表，由此产生的会将大量的花粉和灰尘颗粒喷入空气中，释放出小于2.5微米大小范围的过敏原。这些颗粒可吸入呼吸系统，引起急性过敏反应。如果发生在特定植物的开花季节，这可能导致“雷雨哮喘”(Wardman et al 2002, Dales et al 2003, Drsquo;Amato et al 2016，2017)，这被表述为严重的呼吸道问题，特别是在敏感人群中（婴儿，老人）。有记录以来最极端的病例发生在2016年11月在澳大利亚墨尔本(Thien et al 2018)，当时雷雨引起的阵风天气后出现了雷雨哮喘疫情，导致8000多人因过敏和呼吸道疾病被送往医院治疗，造成10人死亡。虽然不是由闪电作为电现象直接引起的，但人群的过敏反应是伴随着（或被引起）雷暴动力开始的链式反应。
1.2 森林火灾
闪电是造成树木和森林破坏的主要原因，它可以直接杀死被击中的树木，也可以在条件有利于野火蔓延的情况下引发火灾并焚烧大量树木(Latham and Williams 2001)。森林火灾通过复杂的反馈作用影响碳循环，由于森林的固碳能力发生变化，挥发性有机化合物和二氧化碳的直接排放（这些进而影响云和降水）以及燃烧区域反照率的大规模降低。雷电频率、火灾发生频率和燃烧区域之间的确切关系很难确定，因为有几个因素会影响云对地闪电事件的结果，如地形、树木密度、降雨量和燃料利用率。Abatzoglou和Williams(2016)研究了1992-2013年美国西部闪电引发的火灾的年际变异性, 并表明闪电火灾占野火总数的 40%，面积超过0.4 公顷。Veraverbeke(2017)研究了1975-2015年北美东北领土和阿拉斯加内地森林的闪电点火和火灾，并显示这一时间间隔显著增加（图 3）。他们发现，在东北领土面积超过200公顷的火灾中，有76% 以上是由闪电造成的，在阿拉斯加内陆超过405公顷的火灾中，有87% 是由闪电造成的。他们预测，这些地区未来的变暖将影响长期趋势，伴随着点火事件增多和燃烧面积增大。在全球范围内，Krause 等人(2014) 在不同气候情景下请求ECHAM6 GCM模拟野火的未来趋势（引用the Price and Rind 1992，闪电参数化）并发现即使在极端的RCP8.5场景中，即使闪电频率估计增加 21.3%，但全球燃烧面积仅增加3.3%。Jolly等人(2015)利用重新分析数据和各种火灾天气指数分析了全球火灾天气状况。研究表明，在1973-2013年期间，全球平均火灾季节长度明显增加（18.7%），可燃面积增加了一倍（108.1%）。在区域范围内，Abatzoglou和 Williams(2016)表明，在美国西部，人为气候变化导致1984-2015年燃料干旱增加了50% 以上。他们指出，这一趋势很可能在该区域继续下去，预示着燃烧面积的预期增加（已经很明显）。显然，复杂的全球图景是降水量、气温和土壤湿度趋势（确定燃料干燥程度）以及闪电密度（作为点火剂）在区域内的不同反应的结果。
1.3 风力涡轮机的损害
在全球经济逐步向可持续的无碳能源生产过渡的过程中，可再生能源的角色日益重要。风力发电是一项具有显著上升趋势的关键技术，目前在90多个国家累计装机容量为514GW，预计到中世纪将超过5476GW（国际可再生能源局，2018）。涡轮叶片在几百米的高度旋转时，经常受到雷击而损坏转子，需要临时关闭进行部件更换和维修(Rachidi et al 2018)。风力发电场在风易发地区的位置使其成为将照明直接连接到涡轮机叶片上的触发因素。电流的浪涌往往超过安装在风力涡轮机上的防雷系统(Garolera et al 2016)，并导致燃烧、刺穿、尖端损坏和边缘脱胶。因此，能源公司寻求缓解技术，以减少停机时间和经济损失(Shohag et al 2017)。高层建筑防雷是天线和建筑设计中一个著名的工程问题，但转子在风力涡轮机中的运动增加了一个独特的方面。Montanyagrave;等人(2014)使用闪电映射阵列数据来研究西班牙风力涡轮机的雷击发生率，并发现涡轮叶片旋转时每隔3秒产生一次放电，时间从2
分钟到几个小时不等，当时附近出现雷暴天气。结果表明, 旋转的风力涡轮机叶片通常起到触发闪电的作用, 从而增加自身的脆弱性。
光学瞬态探测器(OTD)探测到的闪电密度（单位：次/km2/年）与IATA航空运输路线图的叠加。据预测，亚太地区航空旅行的增加，必然会在海洋大陆烟囱中遇到重大的闪电活动。
1.4航空和其他交通方式
21世纪初航空部门的迅速发展是由于一些经济和管理问题，这些问题将航空旅行转变为社会大众相对容易获得的商品。国际航空运输协会（IATA 2017）最近的一份报告预测，到 2036年，全球航空将有78亿乘客, 而如今为40亿。Lee等人(2009)在温室气体排放和尾迹形成对全球航空辐射的影响时，引用了欧洲制造商空中客车公司的一份报告。该报告预计，到本世纪中叶，现有飞机数量将增加一倍，从2007年的20500架增加近40500架。随着亚洲、非洲和拉丁美洲经济的预期未来增长，这些国家与欧洲、美国和亚洲主要枢纽之间的空中交通量将大幅增加。国际航空运输协会的报告预测，到2036年，中国、美国、印度、印度尼西亚和土耳其将成为领先舰队。亚太地区的出入境交通量预计每年将增长4.6%，客运量将达到35亿人次。由于这些区域与主要的产生闪电的“烟囱”(Williams 2005）重叠，容易受到雷击伤害的飞机数量必然会增加（图 2），尽管很难估计是多少百分比。Lee和Collins(2017)对飞机的雷电风险进行了深入分析，并提供了风险评估和监测方法。他们主要关注技术驱动，例如飞机设计中快速转向复合材料(这使得他们更容易受到雷击的伤害)。他们的分析不包括外部风险，例如全球闪电的增加（在第4节中讨论）。虽然飞机在飞行中受到的损坏是已知的，并经过操作上的考虑，但地面部分也会受到雷暴、闪电和有关天气现象的影响，例如冰雹、暴雨、湍流和下击暴流。机场、空中交通管制中心、通信塔和导航信标极易受到雷暴和闪电的袭击。由于世界上最大的航空旅行枢纽位于大城市附近，城市对雷暴事件（在第3.1 节讨论）和闪电发生的影响，必然会对机场运营造成不利影响，航班延误、取消和线路受阻情况会增加。
(上图)全球闪电定位网的2006 - 2015年的闪电密度(次/km2/年为单位)。（下图）请注意2010年从新加坡到中国的直线路径上PM2.5颗粒的浓度，单位为kg/km2/年，分辨率为0.1°。摘自Thornton等人（2017）。版权所有:美国地球物理联合会。
其他交通方式也容易受到雷电灾害增加的影响。Thornton等人(2017)使用了从世界闪电探测网络（WWLLN）获得的闪电数据，并报告说，主要航道上方的闪电率增加了一倍，这可能是由于船舶排放的粒子改变了云特性，因此船只被雷电击中的风险大大增加。随着海洋货物运输量的强劲增长，这一数额预计还会增加（图1）。汽车也容易受到雷击的伤害，尽管由于法拉第笼效应，乘客通常受到保护。Yanagawa等人(2016)研究了179起汽车被闪电击中的事件，结果表明，汽车被闪电击中最多的是天线（15.6%）或车顶（10.6%）。电动汽车比普通汽车更容易遭受雷击(Kanata et al 2012)，因为它们的系统都是电力系统，即使是非直接雷击，也会受到感应电流和过电压的影响。随着电动汽车的数量预计上升，这类对公共安全的风险也预计增加。
2.社会发展趋势推动闪电风险的改变
2.1人口和城市化
目前，世界上大多数人口居住在大城市和城市综合体中，一些大城市人口超过2000万人。五大特大城市是东京（3700万）、新德里（29万）、上海（26万）、圣保罗州和墨西哥城（22万）。预计到21世纪中期，这一趋势将增加，因为社会、政治和经济进程为进入城市创造了动力，从而使农村地区从以前的人口中减少。截至 2018年，世界人口的55% 居住在城市，预计到2050年这一数字将增加到68%。主要城市的城市地区只占地球表面的小部分，但它们对周围环境甚至更远的地方产生了显著而不可忽视的影响。热量、湿度、湍流和颗粒通量改变了边界层的热力学性质，并改变了城市上方和建筑区域顺风区的降水和风向。城市热岛效应(UHI)是最明显的影响,建筑表面的反照率和热容量的差异导致温度和降水状态的明显差异(Arnfield 2003, Sheperd 2005, Orville et al 2001, Naccarato et al 2003, Pinto et al 2004)。
大城市与大气相互作用的一个显著结果是对雷暴和闪电密度的影响。大量证据表明，与乡村环境相比，主要城市地区上空和周围(尤其是下风)的闪电频率发生了相当大的变化。除了城市地区层建筑物和电气设备增加造成的雷击伤害加剧外，城市对闪电的影响有两个不同因素：一个是与不稳定性和差分表面加热有关的热力学成分，另一个是与气溶胶浓度及其对云和充电过程的影响有关的微观物理成分(Yair 2008, Altaratz et al 2017)。这些因素与地形和附近海岸线等当地条件的结合，表现在城市上空发展的雷暴和闪电的性质上却大相径庭。然而，由于导致雷暴和闪电发展的气象条件也有很大的自然变化，因此评估城市效应存在着潜在的困难(Shepherd 2005)。另外，城市的空间范围的定义也随着时间的推移而变化，随着人口的迁移和自然人口的增长，城市变得越来越大，这使得城市边界的实际位置难以确定。因此，在任何试图量化人为影响程度的尝试中，试图将自然变化与人为因素区分开来都是一个关键因素。
3.社会接触
3.1闪电和城市
随着国家闪电探测系统的发展，人们首次获得了大城市周围闪电模式变化的早期迹象。事实证明，国家闪电探测系统在描述闪电分布方面比传统的计算雷电日的方法可靠得多。世界气象组织雷电日计数全球分布目录可在http://data.un.org/Data.aspx?d=CLINOamp;f=ElementCode:51#CLINO中查阅。通过提高基于卫星的闪电平台(如OTD和TRMM/LIS系统)的覆盖范围，这种能力得到增强。Westcott（1995）报告说，在1989-1992年期间，美国中部16个城市的夏季顺风闪电密度增加了40%-85%。她将这一结果归因于几个因素，如城市云凝结核(CCN)浓度的增加，以及城市人口和规模，它们以复杂的方式相互作用。这一增长最明显的是在下午，当时对流雷暴最有可能发
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