滁州市雷電易發(fā)區(qū)域劃分研究

張輝 李燕峰

摘 要：基于安徽省2010—2016年7個閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測站ADTD閃電資料，在進(jìn)行完整性、頻率分布及空間分布等質(zhì)量分析后，采用界限值、一致性檢驗等方法對其進(jìn)行質(zhì)量控制，再對質(zhì)量控制后的閃電資料進(jìn)行柵格化處理，以雷電流幅值主要指標(biāo)采用百分位數(shù)法將雷電流強(qiáng)度劃分為一、二、三級，并形成3個等級的閃電格點資料庫。采用GIS繪圖技術(shù)，繪制滁州6縣1市不同強(qiáng)度等級的雷電易發(fā)區(qū)空間分布圖，通過對比分析雷暴日數(shù)、海拔高度、地形變化、河網(wǎng)、土壤電阻率等與易發(fā)區(qū)域劃分結(jié)果的相關(guān)性，對其進(jìn)行初步訂正檢驗。

關(guān)鍵詞：雷電易發(fā)區(qū);雷電流強(qiáng)度;閃電定位;雷暴日;滁州市

Abstract： Based on the ADTD lightning data of seven lightning location system monitoring stations in Anhui Province from 2010 to 2016， after quality analysis such as integrity analysis， frequency distribution and spatial distribution， quality control is carried out by using boundary value， consistency test and other methods， and then the lightning data after quality control is rasterized. The lightning current intensity is divided into one， two and three levels by using percentile method based on the main index of lightning current amplitude， and a lightning grid database of three levels is formed. Using GIS mapping technology， the spatial distribution map of lightning-prone areas with different intensity levels in six counties and one city of Chuzhou was drawn. The correlation between thunderstorm days， altitude， terrain changes， river network， soil resistivity and the results of the division of lightning-prone areas was analyzed and preliminarily revised. Key Words： Lightning Current Intensity in Lightning-prone Areas Lightning Location Thunderstorm Days Chuzhou。

Key words： Lightning-prone areas; Lightning current intensity; Lightning location; Thunderstorm days; Chuzhou City

1 引言

雷電一種極端的放電現(xiàn)象，通常產(chǎn)生于強(qiáng)對流天氣中，并伴有冰雹、大風(fēng)等惡劣天氣，雷電災(zāi)害被聯(lián)合國相關(guān)部門列為“最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一”。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、電子信息設(shè)備的廣泛運用和樓宇智能化的普及，雷擊災(zāi)害特別是雷電電磁感應(yīng)對電子信息設(shè)備的危害日益凸顯，經(jīng)常造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，被IEC列為“電子化時代的一大公害”[1]。

滁州市位于安徽省東部，處于長江中下游平原及江淮流域之間，為南北氣候過渡帶、屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。受季風(fēng)氣候、復(fù)雜多樣的地形地貌、淮河干流和滁河及高郵湖3大水系的影響，極易出現(xiàn)雷電、冰雹、大風(fēng)、暴雨、龍卷等災(zāi)害天氣。據(jù)統(tǒng)計，雷電每年都會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。本研究在安徽省雷電易發(fā)區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，深化精細(xì)滁州地區(qū)的雷電易發(fā)區(qū)域劃分，以為城鄉(xiāng)規(guī)劃、重大項目選址、農(nóng)村雷電防御、雷電災(zāi)害防御體系建設(shè)提供科學(xué)的參考和技術(shù)支撐。

2 資料收集統(tǒng)計和處理

2.1 資料收集 閃電定位資料來自安徽省7個（合肥、阜陽、蚌埠、安慶、六安、黃山、宣城）閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測站2010—2016年6年的觀測數(shù)據(jù)（圖1）。ADTD閃電定位系統(tǒng)定位的原理是時差法與磁定向法聯(lián)合定位方式，其單站探測范圍可達(dá)150km左右、探測效率在90%以上，可以觀測雷擊的發(fā)生時間、經(jīng)緯度、電流強(qiáng)度、極性、陡度、回?fù)舸螖?shù)等13項參數(shù)，比LD-Ⅱ型閃電定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確度更高、誤差更小，在雷電業(yè)務(wù)、雷災(zāi)調(diào)查鑒定、項目科研中被廣泛應(yīng)用;雷暴日數(shù)資料來源于天長市、明光市、全椒縣、來安縣、鳳陽縣、定遠(yuǎn)縣和滁州市本級7個氣象觀測站1980—2011年30年的年雷暴日數(shù)觀測數(shù)據(jù)。雷暴日表征一個地區(qū)的雷電活動特征，即1個地區(qū)1年中發(fā)生雷暴的日數(shù)，即便只有1次雷聲也計為1個雷暴日。

2.2 資料處理 受周圍電磁環(huán)境和地形地貌等多種因素的影響，ADTD閃電定位系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)存在一定的誤差和不確定性，若直接引用，會對研究結(jié)果的精確性產(chǎn)生影響。為此，本研究針對異常數(shù)據(jù)和小幅值雷電流數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量處理和控制：

2.2.1 異常數(shù)據(jù)處理控制 經(jīng)統(tǒng)計分析滁州市歷年雷暴日和閃電定位觀測資料，滁州市雷暴活動和閃電主要集中在每年的4—10月，而1—3月、11—12月發(fā)生雷暴的次數(shù)很少，有雷暴活動的觀測日全滁州市僅僅只有單次的閃擊過程。通過對比該日天氣現(xiàn)象探測記錄以及雷達(dá)回波觀測資料，當(dāng)有雷暴發(fā)生但氣象臺站沒有雷暴天氣現(xiàn)象記錄、且雷達(dá)回波最大強(qiáng)度小于40dBz時，則認(rèn)為此次回?fù)羰怯捎谥車姶怒h(huán)境噪聲或儀器自身造成的異常數(shù)據(jù)，將不予考慮并予以剔除[2]。

2.2.2 小幅值雷電流數(shù)據(jù)處理控制 程輝[4]等《基于正態(tài)分布擬合與檢驗的閃電定位資料控制》、欒健[5]等《閃電定位資料的誤差訂正》、李家啟[6]等《閃電定位資料質(zhì)量控制中小幅值地閃范圍的研究》、李京校[7]等《利用SAFIR資料對北京及其周邊地區(qū)地閃參數(shù)的特征分析》的研究成果表明：雷電流幅值觀測數(shù)據(jù)符合對數(shù)正態(tài)模型，剔除10kA以下區(qū)間后的地閃數(shù)據(jù)擬合效果最符合。因此，本研究將雷電流幅值小于10kA的小幅值雷電流數(shù)據(jù)視作無效和干擾數(shù)據(jù)，雷電流幅值位于此區(qū)間內(nèi)的正負(fù)地閃不予考慮（表1）。

2.3 等級劃分方法 參照安徽省、貴州省雷電風(fēng)險區(qū)劃等級劃分方法，采用自然斷點分級法，結(jié)合滁州市及各縣區(qū)年雷暴日數(shù)介于10～42d，小于90d，屬于中雷區(qū)和多雷區(qū)的時空分布特征，故從閃電分布、雷電強(qiáng)度和災(zāi)害風(fēng)險管理等方面考慮，將滁州市易發(fā)區(qū)域等級分為高、中等和一般3級。自然斷點分級法（Jenks優(yōu)化方法）是采用數(shù)據(jù)聚類，原理是減少類的方差，最大限度地提高類之間的差異，計算采取重復(fù)迭代過程，通過重復(fù)計算不同的數(shù)據(jù)集，確定最小的類方差，直到偏差的總和達(dá)到最小值為止。

3 雷電風(fēng)險區(qū)劃及防護(hù)等級劃分

3.1 滁州市閃電分布和特征 經(jīng)統(tǒng)計滁州地區(qū)閃電定位資料，本研究使用的有效閃電定位數(shù)據(jù)樣本計853964個，其中負(fù)閃813976個，約占總樣本數(shù)95.3%。滁州市月平均雷電分布情況見圖2，月雷電幅值均值見圖3。流分析閃電強(qiáng)度分布情況可以得出，正閃最大分布強(qiáng)度主要集中在20～70kA，負(fù)閃最大分布強(qiáng)度主要集中在10～60kA（圖4）。

3.2 雷電強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn) “雷電流幅值”是閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)中的重要指標(biāo)型參數(shù)之一，參照安徽省雷電易發(fā)區(qū)區(qū)劃等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，從雷電原理而言，幅值越大，能量越大，雷擊造成的損失也就越大。故滁州市雷電強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)采用百分位數(shù)法以雷電流幅值主要指標(biāo)，將雷電強(qiáng)度劃分為3級（見表2）。

3.3 雷電易發(fā)區(qū)劃分 詳見圖5、6。

4 雷電易發(fā)區(qū)域區(qū)劃對比分析驗證

《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057—2010版、雷電學(xué)原理（陳渭民著）指出，雷電具有選擇性，土壤電阻率、河流、山地及丘陵等地形、海拔高度、地下金屬礦區(qū)等環(huán)境因子對雷電發(fā)生具有較大的影響，不同環(huán)境因子影響也不相同。本文將通過與雷暴日數(shù)、海拔高度、地形地貌、河流水網(wǎng)、土壤電導(dǎo)率等影響因子的相關(guān)性、一致性進(jìn)行對比分析，對雷電易發(fā)區(qū)劃分結(jié)果進(jìn)行初步的訂正和檢驗。

4.1 與雷暴日數(shù)的空間分布對比分析 滁州市7個氣象觀測站點近30年（1981—2010）年平均雷暴日數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果（表3）表明：年平均雷暴日數(shù)最大值出現(xiàn)在來安縣，為30.6d;最小值出現(xiàn)在明光市，為21.5d。從年平均雷暴日數(shù)的空間分布來看，滁州6縣1市年平均雷暴日數(shù)均小于40d，屬多雷區(qū)，來安縣的年平均雷暴日要明顯高于其他縣市，自北向南呈遞增的趨勢。從滁州市雷電易發(fā)區(qū)劃分結(jié)果可以看出，來安縣、天長市、滁州市區(qū)明顯高于其他縣市，易發(fā)區(qū)等級自北向南也呈遞增的趨勢，與雷暴日數(shù)的空間分布對比擬合程度和一致性比較高（圖7）。

4.2 對與地形變化及海拔高度的空間分布對比分析 劉海兵等對江西閃電特征海拔高度影響分析指出，閃電密度隨著海拔高度上升逐漸減小，強(qiáng)度隨著海拔高度上升逐漸增強(qiáng)，閃電發(fā)生于山地顯著高于丘陵和平原地區(qū)[8];王凱等對安徽省皖南山區(qū)地閃特征對比分析指出，皖南山區(qū)地閃密度明顯高于安徽省北部和中部的平原丘陵地帶[9]。從滁州市易發(fā)區(qū)劃分結(jié)果（圖8、圖9）可以看出，地形因素和海拔高度對雷電活動具有較大的影響，山地雷電易發(fā)等級顯著高于丘陵和平原地區(qū)。

4.3 與河網(wǎng)及土壤電阻率的空間分布對比分析 李霞等對蘇州地區(qū)雷電分布規(guī)律分析研究發(fā)現(xiàn)，在河流和水網(wǎng)密集的低土壤電阻率地區(qū)，其雷電頻次越高、雷電易發(fā)等級也越高[11]。對比滁州市易發(fā)區(qū)劃分結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，河網(wǎng)密集和低土壤電阻率區(qū)域的易發(fā)等級相對高于其他區(qū)域（圖10、11）。

5 結(jié)論

本研究基于安徽省2010—2016年7個ADTD閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測站6年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，剔除了異常數(shù)據(jù)和10kA以下的小幅值雷電流數(shù)據(jù)后，得到有效閃電定位數(shù)據(jù)853964個，其中負(fù)閃813976個，約占總樣本數(shù)95.3%。從閃電強(qiáng)度分布情況來看，正閃強(qiáng)度介于0～80kA，最大分布主要集中在20～70kA，負(fù)閃強(qiáng)度介于0～200kA，最大分布主要集中在10～60kA。

通過分析滁州市閃電密度（Ng=0.1×Td）、月年雷暴日時空分布、正負(fù)閃格點資料、閃電強(qiáng)度和幅值及百分位數(shù)法，將雷電流的強(qiáng)度細(xì)化為3個等級，雷電強(qiáng)度自北向南總體上呈遞增的趨勢。但在部分縣市的分布上又存在較大差別，例如，定遠(yuǎn)雖然處在一級雷電高易發(fā)區(qū)，但卻為二級雷電中等易發(fā)區(qū)，表明定遠(yuǎn)發(fā)生雷電的頻次較高，但強(qiáng)度卻不大。

滁州市雷電高易發(fā)區(qū)主要分布在天長市北部部分區(qū)域和中部及南部大部分區(qū)域、來安縣北部和南部大部分區(qū)域及中部部分區(qū)域、滁州市北部和中部部分區(qū)域及南部大部分區(qū)域、全椒縣東部和北部及南部小部分區(qū)域;中等易發(fā)區(qū)主要分布在天長市中北部和南部部分區(qū)域、來安縣西部和北部部分區(qū)域、明光市、鳳陽縣、定遠(yuǎn)縣和全椒縣大部分區(qū)域、滁州市西部和中部小部分區(qū)域;一般易發(fā)區(qū)主要分布在鳳陽縣西部大部分區(qū)域、定遠(yuǎn)縣西部和中南部小部分區(qū)域、明光市中部和北部小部分區(qū)域、全椒縣西部小部分區(qū)域、天長市北部小部分區(qū)域。

通過對比分析雷暴日數(shù)、海拔高度、地形地貌變化、河網(wǎng)、土壤電阻率等環(huán)境因子的空間分布與易發(fā)區(qū)結(jié)果的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)：地形和河網(wǎng)對雷電活動具有顯著的影響，山地丘陵地區(qū)雷電活動密度相對較高;河網(wǎng)密集區(qū)，其雷電頻次、雷電易發(fā)等級也相對較高。

6 討論

本研究僅采用2010—2016年6年的閃電資料觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)年限比較短、數(shù)據(jù)量不夠充分。同時，閃電資料觀測數(shù)據(jù)雖經(jīng)異常處理控制，但誤差仍客觀存在。下一步應(yīng)積累更長年限的觀測數(shù)據(jù)，對滁州市閃電分布和特征進(jìn)行精細(xì)化研究分析，完善易發(fā)區(qū)的區(qū)劃結(jié)果。

云地閃的發(fā)生主要由雷暴天氣系統(tǒng)與水汽因子、地形地貌變化、土壤導(dǎo)電性能、局地性氣候及下墊面等多方面要素綜合作用而成，存在非常復(fù)雜的非線性關(guān)聯(lián)。本文結(jié)合現(xiàn)有的觀測資料，僅從雷暴日數(shù)、海拔高度、地形地貌特征、河網(wǎng)密集程度、土壤電阻率等方面與雷電易發(fā)區(qū)劃分結(jié)果進(jìn)行了初步的對比和分析，雖然發(fā)現(xiàn)和得到了一些相關(guān)性的結(jié)論，但對云地閃發(fā)生的主導(dǎo)因素和機(jī)理，今后仍需進(jìn)行更加深入、細(xì)致的分析研究。

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（責(zé)編：張宏民）