石河子雷暴氣候特征及雷電防護(hù)分析

（石河子氣象局，石河子市，832000） 韓春光 蒲云錦

雷暴天氣是一種強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象,其所產(chǎn)生的強(qiáng)大電流、熾熱高溫、猛烈的沖擊波等能帶來(lái)人員傷亡、建筑物損壞,對(duì)電力、航空、通信等設(shè)施造成巨大破壞,造成的災(zāi)害是世界十大自然災(zāi)害之一，許多學(xué)者對(duì)區(qū)域內(nèi)雷暴氣候特征及雷災(zāi)進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)分析[3-10]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,全國(guó)各地高層建筑不斷增加，通信、計(jì)算機(jī)等集成性能高的微電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用。這些微電子設(shè)備對(duì)雷電產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁脈沖非常敏感,很容易遭到破壞，造成通訊線路中斷，系統(tǒng)癱瘓等，造成巨大的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要研究各地雷暴發(fā)生的規(guī)律，從而有針對(duì)性地做出防護(hù)，趨利避害，最大限度地避免雷暴給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全帶來(lái)危害。

1 資料來(lái)源及統(tǒng)計(jì)方法

利用新疆石河子氣象局1954～2009年56年地面觀測(cè)月報(bào)表資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析等方法，對(duì)石河子雷暴的年、月、日變化及持續(xù)時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析出石河子雷暴天氣的氣候特征。

統(tǒng)計(jì)的雷暴日是以一天內(nèi)耳聞雷聲（一次或幾次），只有閃電沒(méi)有雷聲不計(jì)其中，為一個(gè)雷暴日。年雷暴日數(shù)是一年內(nèi)雷暴日數(shù)的總和，平均年雷暴日數(shù)是多年年雷暴日數(shù)的平均值。雷暴月是指發(fā)生過(guò)雷暴的月份，月雷暴日數(shù)是一個(gè)月內(nèi)雷暴日數(shù)的總和，雷暴日日變化逐時(shí)發(fā)生頻次是指多年中同一時(shí)次出現(xiàn)雷暴的次數(shù)總和。

小波分析：一種時(shí)、頻多分辨率的分析方法，是一個(gè)時(shí)間和頻率的區(qū)域變換，因而能有效的從信號(hào)中提取信息，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化。由于母小波的種類(lèi)較多，采用Morlet小波分析石河子年雷暴日數(shù)在不同時(shí)段上的主要變化振蕩周期。其形式為:

當(dāng)c取較大值（文中取c=6.0）時(shí),式(1)中第2項(xiàng)遠(yuǎn)小于第1項(xiàng),省略第2項(xiàng)。其子小波為:

設(shè)Ψa，b是式(2)給出的子小波，對(duì)于時(shí)間序列,其連續(xù)小波變換定義為:

式中為的復(fù)共軛復(fù)數(shù),即為年雷暴日數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化序列,為小波(變換)系數(shù)，對(duì)式(3)進(jìn)行數(shù)值積分便可求出。

2 雷暴天氣的氣候統(tǒng)計(jì)特征

2.1 雷暴的年際變化特征

石河子1954～2009年56年來(lái)平均年雷暴日數(shù)為14.5d，為少雷區(qū)。其中50年代年雷暴日數(shù)平均為19.7d，60年代為16.6d，70年代為15.5d，80年代為15.4d，90年代為10.6d，2000年后為10.2d。年雷暴日數(shù)最多的年份出現(xiàn)在1959年，為30d，年雷暴日數(shù)最少的年份出現(xiàn)在2006年，為4d。年雷暴最多日數(shù)與最少日數(shù)相差26d，56年來(lái)石河子年雷暴日數(shù)線性變化呈下降趨勢(shì)（見(jiàn)圖1），下降系數(shù)為0.1813。

圖1 石河子1954～2009年年雷暴日數(shù)變化特征

2.2 雷暴的月變化特征

56年來(lái)石河子各月累計(jì)雷暴日數(shù)最高值在7月（見(jiàn)圖2），占全年雷暴日數(shù)的34.6%，6月次之，8月、5月、9月、4月、10月依次遞減，其余月為無(wú)雷暴月。

圖2 石河子1954-2009年各月累計(jì)雷暴日數(shù)變化特征

2.3 雷暴日的日變化特征

圖3 石河子1954-2009年雷暴日日變化特征

對(duì)1956年石河子雷暴發(fā)生時(shí)次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制逐時(shí)雷暴發(fā)生次數(shù)變化曲線（圖3），11～13時(shí)雷暴發(fā)生的頻次逐步上升，雷暴發(fā)生峰值出現(xiàn)在14～17時(shí)，占總雷暴的50.3%，17時(shí)后逐步下降，23時(shí)有個(gè)小高峰，雷暴發(fā)生概率最小的時(shí)段為6～10時(shí)。石河子雷暴天氣發(fā)生概率最大的時(shí)段在午后，發(fā)生概率最小時(shí)段在深夜到早晨，這與我國(guó)大部分地區(qū)雷暴發(fā)生的時(shí)段基本一致。

2.4 初雷日與終雷日變化特征

1954～2009年石河子初雷日最早出現(xiàn)在2000年4月8日，初雷日出現(xiàn)在4月有18次，最晚出現(xiàn)初雷日的是1981年6月30日，平均初雷日為5月15日；終雷日最早出現(xiàn)在1966年8月6日，終雷日最晚出現(xiàn)在2002年10月19日，終雷日出現(xiàn)在10月有6次，平均終雷日為9月3日，多年平均雷暴持續(xù)期為113天。

2.5 雷暴的持續(xù)時(shí)間

1956年來(lái)石河子雷暴持續(xù)時(shí)間主要在10分鐘內(nèi)（圖4），占雷暴總數(shù)的37.1%，15min內(nèi)的雷暴占雷暴總數(shù)的17.9%，持續(xù)30min的雷暴占雷暴總數(shù)的22.5%，持續(xù)1h及以上時(shí)間的雷暴占雷暴總數(shù)的6%，數(shù)量較少。

圖4 石河子1954～2009年雷暴持續(xù)時(shí)間變化特征

2.6 雷暴的方位分析

通過(guò)對(duì)1956年來(lái)石河子雷暴方位統(tǒng)計(jì)，分析出石河子雷暴在各方位所占百分比（圖5），W方位雷暴出現(xiàn)的概率最高，為18.3%；其次是NW方位,為15.2%；SW和E方位是14.2%，S方位是10.2%,SE方位是10.1%,NE方位是6.4%，N和Z方位是5.7%，其他方位基本沒(méi)有雷暴。

圖5 石河子1954-2009年雷暴方位變化特征

2.7 雷暴的周期分析

使用Fortran90語(yǔ)言編制程序?qū)崿F(xiàn)morlet小波函數(shù)的年雷暴日數(shù)周期分析，借助GRADS氣象分析繪圖軟件輸出圖形結(jié)果。小波系數(shù)的實(shí)部、模、位相是Morlet小波變換得到的最重要的變量，實(shí)部包含所給定時(shí)間和尺度信號(hào)相對(duì)于其它時(shí)間和尺度信號(hào)的強(qiáng)度和位相兩方面的信息，模的大小表示特征時(shí)間尺度信號(hào)的強(qiáng)弱,模值越大,表明其所對(duì)應(yīng)的時(shí)段和尺度的周期性越明顯，位相可以用來(lái)探測(cè)信號(hào)突變點(diǎn)在時(shí)域中出現(xiàn)的具體位置。不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)，可以反映系統(tǒng)在該時(shí)間尺度下的變化特征：正的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏多期，負(fù)的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏少期，小波系數(shù)絕對(duì)值越大，表明該時(shí)間尺度變化越顯著。

圖5 石河子年雷暴日數(shù)Morlet小波周期分析

由圖5可知石河子雷暴日數(shù)在多個(gè)特征時(shí)間尺度上的周期變化特征及其在時(shí)間域中的分布情況。正值用實(shí)線表示，對(duì)應(yīng)著雷暴日數(shù)增多時(shí)期，負(fù)值用虛線表示,對(duì)應(yīng)著雷暴日數(shù)減少時(shí)期。從圖5中還可看出，年代際尺度由1954年開(kāi)始的準(zhǔn)18年周期增長(zhǎng)到2009年的準(zhǔn)24年，表現(xiàn)為三個(gè)雷暴日數(shù)增多期(1958～1966年、1979～1991年、2004～2009年)和三個(gè)雷暴日數(shù)減少(1954～1957年、1967～1978年、1992～2003年)期，準(zhǔn)36年的年代際尺度貫穿始終，表現(xiàn)為二個(gè)雷暴日數(shù)增多期(1954～1961年、1981～1996年)和二個(gè)雷暴日數(shù)減少期(1962～1980年、1997～2009年),1975～1999年有準(zhǔn)11年的年代際尺度周期變化，年際尺度表現(xiàn)為準(zhǔn)4～6年的周期變化。

3 雷暴氣候特征的指導(dǎo)意義

石河子雖屬于少雷區(qū)，但多年來(lái)石河子發(fā)生大大小小的雷災(zāi)事例足以證明雷災(zāi)的危害，針對(duì)石河子雷暴的氣候變化特征，結(jié)合作者多年防雷減災(zāi)的工作經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)積極做好以下幾點(diǎn)，以最大限度地減少和降低雷電對(duì)石河子人民造成的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害。

易燃易爆場(chǎng)所及雷擊概率高的建筑物（構(gòu)筑物）最好在4月份前完成防雷設(shè)施檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，可及時(shí)在5月份完成整改，在雷暴高峰期（5-8月）來(lái)到之前，充分做好防雷措施，減少因工程上的一些不必要延誤而使工程在雷暴高峰期造成雷災(zāi)損害。對(duì)新（改、擴(kuò)）建（構(gòu)）筑物認(rèn)真做好防雷設(shè)計(jì)審核、施工監(jiān)督、竣工驗(yàn)收一條龍跟蹤檢查（測(cè)），從源頭上杜絕災(zāi)害隱患。雷暴日數(shù)集中期的5～8月份，防雷設(shè)施的施工應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程，即先接地體、再引下線、后接閃器，嚴(yán)禁脫節(jié)，以防意外發(fā)生。

雷暴季節(jié)的午后14～17時(shí)正是人們上班、外出辦事的高峰期，也是雷暴高發(fā)時(shí)段，如果遇到雷雨天氣，不要到大樹(shù)下或金屬房?jī)?nèi)避雨。在野外如果人是制高點(diǎn)，要下蹲降低高度，特別是加油(氣)站，遇到雷雨天氣應(yīng)馬上停止加油(氣)和卸油(氣)操做。

大規(guī)模敏感電子設(shè)備的安裝、調(diào)試應(yīng)盡量避開(kāi)雷暴高峰期。室外防雷接閃器的安裝位置，盡可能安裝在保護(hù)場(chǎng)所出現(xiàn)雷暴方位較多的方向，石河子應(yīng)優(yōu)先考慮W和NW方位。

石河子盛產(chǎn)棉花，每年8月中下旬棉花加工廠開(kāi)始對(duì)新棉進(jìn)行收購(gòu)和加工一直到入冬，石河子雷暴一般持續(xù)到l0月上旬，所以棉花加工廠的浸除車(chē)間、露天堆場(chǎng)、加工設(shè)備和廠房的防雷裝置必須要到位。

加強(qiáng)防雷科普宣傳，提高公眾雷電災(zāi)害的防御意識(shí)和應(yīng)對(duì)雷電災(zāi)害的能力，增強(qiáng)防雷安全的自覺(jué)性和主動(dòng)性，加強(qiáng)雷電防御知識(shí)教育，普及人身防雷知識(shí)，提醒公眾做好室內(nèi)、外的人身雷電安全防護(hù)工作。

4 結(jié)論

石河子地區(qū)屬于雷暴少發(fā)區(qū)，1954年來(lái)石河子平均年雷暴日數(shù)為14.5d，年雷暴日數(shù)年際變化呈下降趨勢(shì)，下降系數(shù)為0.1813。

石河子各月累計(jì)雷暴日數(shù)最高值在7月，占全年雷暴日數(shù)的34.6%，石河子4月開(kāi)始有雷暴天氣，10月后雷暴結(jié)束，11～3月沒(méi)有雷暴產(chǎn)生。

石河子雷暴日變化表現(xiàn)為：雷暴發(fā)生峰值出現(xiàn)在14～17時(shí)，占總雷暴的50.3%，雷暴發(fā)生概率最小的時(shí)段為6～10時(shí)。

石河子10分鐘內(nèi)雷暴發(fā)生頻數(shù)最多，占雷暴總數(shù)的37.1%，持續(xù)15～30min的雷暴次之，持續(xù)一個(gè)小時(shí)及以上時(shí)間的雷暴較少。1954年來(lái)W方位雷暴出現(xiàn)的概率最高。

[1]朱乾根,林錦瑞,壽紹文等.天氣學(xué)原理與方法(第三版)[M].北京,氣象出版社,2000.

[2]陳渭民.雷電學(xué)原理[M].北京:氣象出版社,2006.

[3]王秀芹,王榮波.陵縣雷暴天氣的發(fā)生規(guī)律[J].山東氣象，2007,27(1):30-31.

[4]王永中,段練,陳會(huì)芝,等.成都地區(qū)雷暴的天氣氣候特征[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005,20(3):341-346.

[5]張敏鋒，馮霞.我國(guó)雷暴天氣的氣候特征[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2007,14(2):156-162.

[6]薛潔，徐廣玲.新疆近5年雷電災(zāi)害特征分析及對(duì)策[J].中國(guó)電子商情，2010,6.

[7]馬明，呂偉濤，張義軍等.1997—2006年我國(guó)雷電災(zāi)情特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，5:12-15.

[8]傅智斌，許愛(ài)華等.2007年6-7月江西雷電災(zāi)害綜合分析[J].氣象與減災(zāi)研究，2007,30（3）.

[9]趙建吉，韋麗英，廣西農(nóng)村雷災(zāi)事故的原因分析及防御措施[J].氣象研究與應(yīng)用，2007，28（3）.

[10]朱明，潘杰麗，黃仁升.欽州市雷電災(zāi)害分析和防雷減災(zāi)對(duì)策[J].氣象研究與應(yīng)用，2007，28（3）.