鎮(zhèn)江地區(qū)閃電時(shí)空特征及相關(guān)性分析

包佳渺，李鵬飛，王曉萍，繆士榮，曹洪亮

(1.南京信息工程大學(xué)，南京　210044；2.揚(yáng)中市氣象局，江蘇揚(yáng)中　212200)

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鎮(zhèn)江地區(qū)閃電時(shí)空特征及相關(guān)性分析

包佳渺1，李鵬飛1，王曉萍2，繆士榮2，曹洪亮1

(1.南京信息工程大學(xué)，南京210044；2.揚(yáng)中市氣象局，江蘇揚(yáng)中212200)

摘要：利用2006—2013年國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)定位資料和鎮(zhèn)江地區(qū)自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，分析鎮(zhèn)江地區(qū)雷電活動(dòng)特征及其與降水量、氣溫的相關(guān)性，結(jié)果表明：鎮(zhèn)江地區(qū)閃電主要分布在6—9月，7、8月最多；12—14時(shí)及16—18時(shí)為閃電的兩個(gè)高峰時(shí)段，這與盛夏強(qiáng)對(duì)流多發(fā)生在午后至傍晚有關(guān)。平均地閃密度為5.33 次/(km2·a)，最大地閃密度達(dá)9.46 次/(km2·a)，屬于閃電較多地區(qū)。95%的閃電雷電流強(qiáng)度在100 kA以下，72.81%集中在10 ~ 40 kA。月平均降水量、月平均溫度分別與月平均閃電頻次存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，其中月平均降水量與月平均閃電頻次正相關(guān)性最強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：鎮(zhèn)江地區(qū)；閃電；時(shí)空特征；相關(guān)性

閃電是發(fā)生在大氣中的一種自然放電現(xiàn)象，具有高電壓、大電流、強(qiáng)電磁輻射等特征，對(duì)陸地建(構(gòu))筑物具有很大的危害性，甚至造成人員傷亡。

近年來隨著閃電觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使得閃電相關(guān)方面的研究受到越來越多的重視。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)雷電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量研究[1-5]。馮桂力等[6]利用山東電網(wǎng)雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的地閃資料，從閃電的日變化、強(qiáng)度、密度等方面研究了山東地區(qū)的雷電分布特征。楊碧軒等[7]、劉宏[8]利用陜西省ADTD閃電定位資料分別分析了2013年和2011年陜西省雷電活動(dòng)特征。杜波等[9]對(duì)黑龍江省閃電時(shí)空分布特征以及與月平均降水量、月平均氣溫的關(guān)系進(jìn)行了分析，指出黑龍江省閃電頻次與月平均降水量呈較好的線性相關(guān)，與月平均氣溫呈較好的指數(shù)相關(guān)。統(tǒng)計(jì)分析鎮(zhèn)江地區(qū)的閃電分布特征，分析閃電與氣象資料的相關(guān)性，為鎮(zhèn)江地區(qū)防雷減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

采用2006—2013年全國(guó)閃電定位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)資料和鎮(zhèn)江地區(qū)自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，分析鎮(zhèn)江雷電活動(dòng)特征及其與月平均降水量、月平均溫度的相關(guān)性。

由于閃電定位原始資料不能直接使用，需要利用MATLAB對(duì)原始資料進(jìn)行處理，提取的閃電數(shù)據(jù)參量主要包括閃電密度、強(qiáng)度、發(fā)生時(shí)間以及經(jīng)緯度坐標(biāo)等。另外，閃電定位的誤差造成區(qū)域邊界外閃電記錄較多，因此應(yīng)用inpolygon函數(shù)[10]剔除鎮(zhèn)江地區(qū)區(qū)域之外的閃電數(shù)據(jù)，提高統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，鎮(zhèn)江地區(qū)每年有20%～36%的閃電發(fā)生在邊界外。

2閃電活動(dòng)特征

2.1時(shí)間變化特征

2.1.1月、季特征根據(jù)馮桂力[6]、王欣眉等[11]的研究表明，閃電的季節(jié)分布特征明顯，一般夏季閃電較多，冬天閃電較少。結(jié)合圖1和圖2來看，鎮(zhèn)江地區(qū)雷電活動(dòng)月分布呈現(xiàn)單峰特征，閃電主要分布在6—9月，7、8月最多且與總閃電頻次接近，其中2010年這兩月的閃電頻次為15 602次，占全年總閃電的78.21%。9月閃電迅速減少，10月至次年2月雷暴活動(dòng)較少，3、4月閃電開始增多，6月閃電迅速增加?？傊?，鎮(zhèn)江地區(qū)夏季雷電最多，冬季最少。鎮(zhèn)江地區(qū)負(fù)閃頻次遠(yuǎn)多于正閃，主要原因是對(duì)流云中負(fù)電荷主要位于云體的下部，正電荷主要位于云體的上部，因此云的主體部分和地面之間的放電大多為負(fù)閃。

表1　2006—2013年鎮(zhèn)江地區(qū)利用MATLAB提取的閃電次數(shù)和應(yīng)用Inpolygon剔除邊界外閃電次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖1　2006—2013年鎮(zhèn)江閃電頻次月分布圖

圖2　2006—2013年鎮(zhèn)江各月閃電頻次日變化圖

鎮(zhèn)江地區(qū)夏季盛行東南風(fēng)，受副熱帶高壓控制，導(dǎo)致氣候炎熱，地表水汽蒸發(fā)量巨大；與此同時(shí)，鎮(zhèn)江地區(qū)地形地貌比較復(fù)雜，以丘陵崗地為主，地形起伏明顯，容易抬升氣流，造成盛夏7、8月對(duì)流旺盛，云體發(fā)展高，有利于云內(nèi)正負(fù)電荷在不同部位形成與累積，導(dǎo)致云中正負(fù)電荷放電概率增大，放電次數(shù)增多，造成夏季閃電最多。

2.1.2日變化特征由圖2可看出，一天中閃電活動(dòng)的高峰期為12—14時(shí)以及16—18時(shí)兩個(gè)時(shí)段。其中13時(shí)和17時(shí)為兩個(gè)主峰值發(fā)生時(shí)段，閃電頻次的日變化呈現(xiàn)雙峰形式。其中，17時(shí)發(fā)生閃電的頻次較13時(shí)更多。發(fā)生閃電的低頻時(shí)段為2—10時(shí)以及 20—24時(shí)。因此，鎮(zhèn)江地區(qū)閃電活動(dòng)在一天中的變化規(guī)律為下午最頻繁，早晨閃電活動(dòng)最弱。下午太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，潮濕地區(qū)地面蒸發(fā)較快，空氣上升加劇，形成對(duì)流，閃電在下午發(fā)生最為頻繁。太陽(yáng)落山后，輻射銳減，氣流趨向于穩(wěn)定，因此閃電活動(dòng)較少，早晨最少。統(tǒng)計(jì)結(jié)果與鎮(zhèn)江地區(qū)最常見的大氣對(duì)流活動(dòng)規(guī)律基本一致。

2.2地閃密度與強(qiáng)度的空間分布特征

地閃密度和強(qiáng)度是雷電防護(hù)最重要的兩個(gè)參數(shù)，能夠直接反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的閃電空間分布特征。鎮(zhèn)江地區(qū)平均地閃密度為5.33 次/(km2·a)，最大地閃密度達(dá)9.46 次/(km2·a)，最小為0.035 7 次/(km2·a)，屬于閃電較多的地區(qū)。由2006—2013年鎮(zhèn)江地區(qū)閃電密度分布圖(圖3a)可以看出，鎮(zhèn)江地區(qū)地閃密度呈“中部大，兩邊小”的分布狀態(tài)，在鎮(zhèn)江地區(qū)中部區(qū)域，主要是鎮(zhèn)江市轄區(qū)、丹徒縣的中部以及丹陽(yáng)市西北部地區(qū)具有較大的地閃密度。由閃電強(qiáng)度分布圖(圖3b)可以看出，鎮(zhèn)江地區(qū)閃電雷電流幅值主

圖3　2006—2013年鎮(zhèn)江閃電密度(a單位為次/(km2·a)) 和強(qiáng)度(b 單位為kA)分布圖

要集中在0~60 kA。在鎮(zhèn)江地區(qū)沒有典型的帶狀強(qiáng)雷電流分布特征，部分雷電流強(qiáng)度較大的閃擊點(diǎn)主要呈點(diǎn)狀分布。

2.3雷電流強(qiáng)度特征

鎮(zhèn)江地區(qū)2006—2013年共發(fā)生139 641次閃電，閃電強(qiáng)度均值為27.49 kA。年均總閃電頻次為17 455次，其中負(fù)閃電共16 807次，約占總閃電的96%，平均雷電流強(qiáng)度為26.48 kA；正閃為648次，約占4%，平均雷電流強(qiáng)度為58.01 kA。

圖4為鎮(zhèn)江地區(qū)雷電流強(qiáng)度概率圖。由圖4可看出，鎮(zhèn)江地區(qū)雷電流強(qiáng)度幅值主要集中在10~40 kA，其出現(xiàn)概率為72.81%。其中，雷電流強(qiáng)度為20 ~ 40 kA的閃電出現(xiàn)概率為49.81%。雷電流強(qiáng)度大于100 kA的閃電出現(xiàn)概率較小，約為0.86%。

圖4　2006—2013鎮(zhèn)江閃電雷電流強(qiáng)度概率圖

取逐時(shí)的閃電強(qiáng)度均值為樣本個(gè)例，統(tǒng)計(jì)2006—2013年鎮(zhèn)江地區(qū)各月所有閃電強(qiáng)度樣本，制成方框-端須圖(圖5)。由圖5可以看出，鎮(zhèn)江地區(qū)除1月和12月外，其他月份均有50%的閃電強(qiáng)度分布在30 kA內(nèi)。95%的閃電雷電流強(qiáng)度在100 kA以下，但12月50%的閃電雷電流強(qiáng)度在100 kA以內(nèi)。

圖5　2006—2013鎮(zhèn)江閃電強(qiáng)度方框-端須圖

3閃電頻次與降水量和溫度相關(guān)性分析

從圖6可以看出，鎮(zhèn)江地區(qū)2006—2013年月平均降水量(月平均溫度)的分布形態(tài)為7、8月多(高)，其它月份以此為中心向兩邊依次減少(降低)，與閃電頻次的月分布(圖2)特征類似。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其相關(guān)性，利用Pearson相關(guān)性分析[12]，計(jì)算得出月平均降水量、月平均溫度與月平均閃電頻次之間的相關(guān)系數(shù)(|r|)分別為0.821和0.690，說明鎮(zhèn)江地區(qū)月平均降水量、月平均溫度與月平均閃電頻次均存在相關(guān)性，其中月平均降水量與月閃電頻次相關(guān)性最強(qiáng)，在0.01的顯著水平下呈顯著正相關(guān)(0.8≤|r|<1)。一年之中，降水量較多的月份，其閃電頻次也較多；降水量少的月份，閃電頻次較少。同樣，月平均溫度和月閃電頻次呈強(qiáng)相關(guān)性(0.6≤|r|<0.8)。因此，一年之中，月平均溫度低的月份，其閃電頻次較少；月平均溫度高的月份，閃電頻次較多。

圖6　2006—2013年鎮(zhèn)江月平均降水量、月平均溫度圖

4結(jié)論

(1)鎮(zhèn)江地區(qū)年雷電活動(dòng)主要呈現(xiàn)單峰特征，閃電主要分布在6—9月，其中7、8月最多，這與盛夏7、8月對(duì)流旺盛有關(guān)。

(2)鎮(zhèn)江地區(qū)閃電活動(dòng)日變化高峰期為12—14時(shí)以及16—18時(shí)兩個(gè)時(shí)段，其中，13時(shí)和17時(shí)為主峰值發(fā)生時(shí)段，17時(shí)發(fā)生閃電的頻次較13時(shí)更高。這與鎮(zhèn)江地區(qū)的大氣對(duì)流活動(dòng)規(guī)律基本一致。

(3)鎮(zhèn)江地區(qū)平均地閃密度為5.33 次/(km2·a)，最大地閃密度達(dá)9.46 次/(km2·a)，屬于閃電較多的地區(qū)，地閃密度呈"中部大，兩邊小"的分布狀態(tài)。鎮(zhèn)江地區(qū)沒有典型的帶狀強(qiáng)雷電流分布特征，部分雷電流強(qiáng)度較大的閃擊點(diǎn)主要呈點(diǎn)狀分布。95%的閃電雷電流強(qiáng)度在100 kA以下，72.81%集中在10 ~ 40 kA。

(4)鎮(zhèn)江地區(qū)月平均降水量、月平均溫度分別與月平均閃電頻次存在著較強(qiáng)的正相關(guān)性。其中，月平均降水量與月平均閃電頻次正相關(guān)性最強(qiáng)，月平均溫度次之。

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基金項(xiàng)目：自動(dòng)站國(guó)家級(jí)與省級(jí)質(zhì)量控制系統(tǒng)的對(duì)比研究(2013M-26)

作者簡(jiǎn)介：賈晨剛(1982—)，男，漢族，陜西戶縣人，碩士，高級(jí)工程師，從事氣象信息業(yè)務(wù)工作。

收稿日期：2015-06-23

文章編號(hào)：1006-4354(2015)06-0026-04

中圖分類號(hào)：P427.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A