粵港澳大灣區(qū)雷電移動軌跡統(tǒng)計(jì)規(guī)律與潛在應(yīng)用

陳盛燃，邵向潮，夏云峰，劉貫科，陳浩，蘇盛

(1. 廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞523000；2. 清潔能源與智能電網(wǎng)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心(長沙理工大學(xué))，長沙 410004)

0 引言

雷電數(shù)據(jù)挖掘分析是指導(dǎo)開展電網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。新世紀(jì)之初開始得到大面積推廣應(yīng)用的雷電定位系統(tǒng)，積累了海量的雷電數(shù)據(jù)，可以提供雷電時間、經(jīng)緯度、頻次、閃電類型和雷電流等信息，為深化對雷電機(jī)理的認(rèn)識和改進(jìn)電力系統(tǒng)防雷工作提供了重要基礎(chǔ)[1 - 5]。

已有雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘分析方法大體可分為3大類。早期的研究著重分析地閃密度、雷電種類和雷電流參數(shù)的時空分布特征，并研究利用雷電時間分布和空間分布等特性，進(jìn)行差異化防雷[6 - 11]。第二類研究側(cè)重分析地形地貌、海拔高程及地表地質(zhì)等地理因素對雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布特性的影響，為開展特殊地理?xiàng)l件下的差異化防雷提供支撐[12 - 13]。有別于上述兩類長時間尺度上靜態(tài)的雷電統(tǒng)計(jì)分析研究，近年來興起了圍繞雷電活動時空動態(tài)特性的研究。文獻(xiàn)[14]分析指出雷電在時空上具有叢聚性特點(diǎn)，通過時間和空間的聚類，識別出佛山和江門等地的雷暴移動走廊，可以為架設(shè)引雷塔提供決策依據(jù)。由于強(qiáng)雷暴對電網(wǎng)運(yùn)行的威脅突出，文獻(xiàn)[15 - 18]根據(jù)雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行雷暴云移動趨勢預(yù)測，預(yù)測雷暴云移動沿線輸電線路累積跳閘概率，從而提高電網(wǎng)安全的態(tài)勢感知能力。

雷電在時域上具有高度不均勻分布的特點(diǎn)，大量雷電集中出現(xiàn)在極少數(shù)的強(qiáng)雷暴過程中。雷電是云內(nèi)、云空、云間或云地之間的瞬時放電現(xiàn)象，雷暴云團(tuán)的移動路徑?jīng)Q定了雷電的移動軌跡。氣象領(lǐng)域的研究表明，天氣系統(tǒng)是在一定的氣候環(huán)境下產(chǎn)生的，在相對固定氣候和環(huán)境下產(chǎn)生的天氣系統(tǒng)具有比較確定的規(guī)律，而天氣系統(tǒng)的物理機(jī)制決定了雷暴云團(tuán)的空間移動軌跡[19]。因此，特定的氣候環(huán)境下雷暴云團(tuán)乃至與之伴生的雷暴的移動趨勢也可能具有特定的規(guī)律。搞清雷暴移動軌跡的統(tǒng)計(jì)特性，并探索其背后潛藏的形成機(jī)理，有可能深化對雷電行為規(guī)律特性的認(rèn)識，并利用這種規(guī)律為提高電力系統(tǒng)雷電防護(hù)水平提供支撐。

1 數(shù)據(jù)來源和雷電統(tǒng)計(jì)分析

選取圖1所示香港及附近區(qū)域(黃色界限內(nèi)，東經(jīng)113°35′～114°36′，北緯21°54′～22°42′)在2005年至2014年間的歷史雷電地閃數(shù)據(jù)為研究對象，探討其間強(qiáng)雷暴移動軌跡及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律。10年間，共包含1 148個雷電日，雷電總數(shù)1 994 067 次，其中地閃1 385 980次[20 - 21]。因影響電網(wǎng)安全的主要是雷電地閃，后文未加明確說明者均為地閃數(shù)據(jù)。

圖1 雷電研究區(qū)域的地理位置Fig.1 Location of investigated lighting data

雷電在時域上具有較強(qiáng)的不均勻分布特性，多數(shù)雷電日僅有少量雷電活動，電力系統(tǒng)遭雷擊風(fēng)險較低。需要給予特別關(guān)注的是集中發(fā)生大量雷電活動、雷擊風(fēng)險高的強(qiáng)雷暴日。為搞清香港地區(qū)雷電的時域分布特性，分析當(dāng)?shù)?005—2014年間每年雷電日地閃數(shù)據(jù)，進(jìn)行了各種分布模型的擬合，選擇擬合度最高的Burr分布作為時域分布模型。Burr分布的分布函數(shù)如式(1)所示：

(1)

為驗(yàn)證日雷電次數(shù)服從Burr分布的可靠性，對每年日地閃數(shù)據(jù)和擬合的Burr函數(shù)進(jìn)行KS檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。當(dāng)顯著性水平低于P值時，原假設(shè)成立服從Burr分布，取值為1，反之取0。由表可見理論分布與經(jīng)驗(yàn)分布擬合程度較高。

表1 2005—2014年日地閃次數(shù)分布函數(shù)KS檢驗(yàn)Tab.1 KS test of lightning from 2005 to 2014

以每年日雷電次數(shù)為樣本，可將2005—2009及2010—2014年的年度Burr分布函數(shù)繪制如圖2和圖3所示。由圖可見，每年70%以上的雷電日的雷電地閃次數(shù)低于500次。大多數(shù)雷電日僅有少許雷電，而多數(shù)雷電集中發(fā)生于極少數(shù)強(qiáng)雷暴日。

圖2 2005—2009年日地閃次數(shù)統(tǒng)計(jì)分布Fig.2 Probability distributions of lightnings from 2005 to 2009

圖3 2010—2014年日地閃次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.3 Probability distributions of lightnings from 2010 to 2014

為進(jìn)一步明確強(qiáng)雷暴日雷電地閃數(shù)量占比，以下將最多雷電地閃的20～50 d的雷電地閃次數(shù)及總占比列如表2所示。由表可見，調(diào)研區(qū)域在10 a中，20個最多雷電日的雷電地閃次數(shù)近50萬次，占10年總數(shù)的30%；而50個最多雷電日的地閃次數(shù)為808 190次，占到了總地閃次數(shù)的50%。

表2 2005—2014年最多雷電日地閃次數(shù)占比Tab.2 Percentage of lightnings in the days with most lightning

2 雷暴移動軌跡分析

雷暴是由大量的云間放電和云地放電產(chǎn)生的，是雷暴云發(fā)展旺盛的產(chǎn)物。雷暴云的壽命一般為幾小時，在其存續(xù)期間，雷暴將隨著雷暴云的移動而遷移[21 - 22]。為展示雷暴的這種遷移特性，選取2005年7月18日一次包含11 247次閃電的雷暴過程介紹如下。該次雷暴主體發(fā)生在0時至3時，為方便展現(xiàn)遷移特性，以小時為界，將完整雷暴的雷電數(shù)據(jù)分為5段，在香港地區(qū)地圖上繪制如圖4所示。

圖4 典型雷暴分時段分布Fig.4 Location of a thunderstorm in consecutive time spans

圖4中，每個圈點(diǎn)標(biāo)識一次雷電，圈點(diǎn)大小標(biāo)識雷電流幅值，圈點(diǎn)顏色標(biāo)識雷電發(fā)生時間。紫色圈點(diǎn)標(biāo)識的雷電發(fā)生在7月17日23時，當(dāng)時雷暴云團(tuán)主體尚在深圳，香港境內(nèi)僅有少量雷電；0時左右，藍(lán)色標(biāo)識的雷電隨雷暴云南下至深圳東部的大梅沙和香港新界一帶；1時，黃色標(biāo)識的雷暴主體部分覆蓋整個新界、香港島和深圳羅湖片區(qū)；2時，綠色標(biāo)識的雷暴主體漂移至海上，在香港島區(qū)域仍有少量留存；3時，紅色標(biāo)識的雷暴主體近乎完全集中于外海。從該雷暴過程的移動軌跡可見，在天氣系統(tǒng)的影響下，雷暴云伴生強(qiáng)雷暴的移動軌跡取決于雷暴云的運(yùn)動。特定天氣場景下，風(fēng)向明確，此時雷暴也將具有明確的移動軌跡。

術(shù)后感染5例，均為遲發(fā)性感染，發(fā)生于術(shù)后9～ 12個月，其中3例患者合并糖尿病。均行CT檢查發(fā)現(xiàn)骨折已愈合，行后路手術(shù)取出內(nèi)固定并行清創(chuàng)灌洗引流術(shù)，膿液細(xì)菌培養(yǎng)僅1例培養(yǎng)出金黃色葡萄球菌，余未見明確致病菌生長。術(shù)后2周佩戴支具下床活動，1個月后去除胸腰背支具，均恢復(fù)良好。

由于雷暴整體的移動趨勢可能由多個雷暴云團(tuán)的移動共同構(gòu)成，進(jìn)行雷暴移動趨勢預(yù)測時，需要聚類識別多個云團(tuán)的中心，并分別預(yù)測每個雷暴云團(tuán)中心的移動趨勢[17]。當(dāng)前，在雷暴云團(tuán)的識別和移動預(yù)測上，電力行業(yè)和氣象領(lǐng)域發(fā)展出了2種不同的思路。電力行業(yè)由于掌握的數(shù)據(jù)有限，主要根據(jù)雷電定位系統(tǒng)的雷電數(shù)據(jù)，通過雷電在時間和空間上的聚類來識別雷暴云[14,17]，并進(jìn)行移動軌跡預(yù)測。除雷電數(shù)據(jù)以外，氣象領(lǐng)域還可根據(jù)多普勒雷達(dá)的回波反射率獲得更為直接和完整的雷暴云團(tuán)信息[22 - 24]，并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)雷暴移動軌跡。

本文基于歷史雷電數(shù)據(jù)，分析雷暴移動軌跡的統(tǒng)計(jì)特性，著眼于雷暴整體移動趨勢的規(guī)律性統(tǒng)計(jì)分析，無需進(jìn)行每個雷暴云團(tuán)的移動趨勢的短期預(yù)測，因此只需計(jì)算區(qū)域中雷暴的質(zhì)量中心，即可根據(jù)分時段的質(zhì)量中心得到雷暴的移動軌跡。根據(jù)雷電數(shù)據(jù)的經(jīng)、緯度坐標(biāo)，結(jié)合各時段雷電數(shù)據(jù)計(jì)算質(zhì)量中心。因香港地區(qū)70%以上雷暴消演生命周期約為3 h，為兼顧每個時段內(nèi)有足夠雷電數(shù)量且有足夠數(shù)量的時段來標(biāo)識雷暴移動軌跡，下文采用10 min時間間隔進(jìn)行雷電數(shù)據(jù)分段分析。

根據(jù)前述步驟，對日雷電次數(shù)最多的2010年9月9日的雷暴過程進(jìn)行分析。當(dāng)天共發(fā)生雷電地閃6 2495次，占10年內(nèi)總雷電地閃次數(shù)的3.9%。從凌晨00:00到2:00，地閃次數(shù)達(dá)58 903次，占該天總地閃次數(shù)的94.3%，將2小時內(nèi)雷電按10 min間隔分為12段，得到各時段質(zhì)量中心列如表3所示。根據(jù)各時段雷暴密度中心點(diǎn)進(jìn)行線性擬合后，可將該雷暴過程的雷電移動軌跡擬合直線標(biāo)注如圖5所示，其中標(biāo)注的數(shù)字為時間序號。由圖可見，該次雷暴過程由東北向西南方向移動。

表3 2010年9月9日各時間段雷電中心Tab.3 Centers of lightning of various times in September 9 of 2010

圖5 2010年9月9日雷暴軌跡追蹤Fig.5 Moving track of lightning storm on September 9 of 2010

3 雷電軌跡統(tǒng)計(jì)特性、形成機(jī)理與潛在應(yīng)用

3.1 雷電移動軌跡的統(tǒng)計(jì)特性

為搞清強(qiáng)雷暴移動軌跡的統(tǒng)計(jì)特性，根據(jù)前節(jié)方法分析了40個最多雷電的雷暴日雷電移動軌跡，共包含72.3萬次地閃，占全部地閃的44.7%。40天每天的地閃數(shù)、雷電移動軌跡方向及當(dāng)天的最大風(fēng)速列如表4所示。其中，2010年5月19日和2013年8月30日的雷電數(shù)據(jù)較為分散，移動軌跡擬合效果不佳。最終將所得38條強(qiáng)雷暴日雷暴軌跡繪制如圖6所示。

圖6 雷暴概率性移動軌跡Fig.6 Moving track of lightning storm

由表3和圖6可知：

1)40天中，僅2010年9月8日、9月11日和2013年5月22日這3天的雷暴軌跡如圖中紅線標(biāo)注的由南往北；2010年5月19日和2013年8月30日，雷電地閃僅在萬次左右，數(shù)量不大，分時段的雷電質(zhì)量中心又比較分散，沒有明確的軌跡方向。

2)除前述5天外，其他35天雷暴的軌跡為由東北向西南或由西北向東南。表4中將東北方向雷暴標(biāo)識為陰影部分。由表可見兩者呈交錯分布，無明顯規(guī)律。

3)香港地區(qū)多年平均風(fēng)速為5.4 m/s，但最強(qiáng)雷暴40天中，風(fēng)速一般在10 m/s左右，約為平均風(fēng)速的2倍。表4中有6天的風(fēng)速標(biāo)識為加粗字體，風(fēng)速更是超過了沿海地區(qū)架空輸電線路風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速(15 m/s)，同時段地閃次數(shù)累積達(dá)16.8萬次，可能對電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成突出威脅。

3.2 機(jī)理解釋

雷電軌跡是雷暴云在特定氣候和環(huán)境條件的風(fēng)向決定的[19,22]。作者認(rèn)為，因氣候和環(huán)境條件具有多年穩(wěn)定的特性，雷電軌跡的統(tǒng)計(jì)特性具有比較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

表4 日雷電次數(shù)最多的40天雷暴移動方向Tab.4 Moving direction of lightning track in the top 40 days with most lightning

前期研究表明強(qiáng)雷暴往往伴隨著颮線發(fā)生[23]。颮線是我國夏季常見的災(zāi)害性對流天氣，是由多個雷暴云團(tuán)或雷暴單體側(cè)向排列組成的強(qiáng)烈雷雨帶，水平尺度長、寬均約幾十至上百千米。颮線天氣通常伴有雷暴、大風(fēng)、冰雹和短時暴雨等，其中雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)頻率最高[26]。華南地區(qū)的颮線引起的強(qiáng)陣風(fēng)又稱“石湖風(fēng)”[27]。根據(jù)香港天文臺的研究，受地理與氣候條件影響，華南地區(qū)颮線天氣引起的石湖風(fēng)可分為東北石湖風(fēng)和西北石湖風(fēng)[28]，具體描述如下。

1)春末夏初，當(dāng)冷鋒或低壓槽南下影響華南及其沿岸地區(qū)時，如配合大氣層上空有擾動由西向東經(jīng)過時，將會形成西北石湖風(fēng)；它將推動雷暴積雨云自珠江口西北部移向香港，造成西北往東南方向的雷暴軌跡。表4中，20次雷暴軌跡來自西北方，其中13條雷暴軌跡發(fā)生于西北石湖風(fēng)形成春末夏初時間段，占比達(dá)65%。

2)當(dāng)熱帶氣旋移至臺灣附近海域時，外圍雨帶影響難以覆蓋廣東，而熱帶氣旋的下沉氣流一般會使華南沿岸地區(qū)云量稀少。長時間日照下，廣東內(nèi)陸地區(qū)下午會變得酷熱，地面溫度上升可能會激發(fā)雷暴產(chǎn)生。由于當(dāng)時該區(qū)大氣層中層的背景風(fēng)一般為北至東北風(fēng)，此時東北石湖風(fēng)會推動多個雷暴云團(tuán)或雷暴單體組成的颮線由東北往西南方向運(yùn)動，并形成該方向的雷暴軌跡。粵港澳大灣區(qū)1961—2012年熱帶氣旋的月分布數(shù)據(jù)[29]表明熱帶氣旋大多集中于7—9月份，該時段日照充分，符合東北石湖風(fēng)形成的主要條件。表4統(tǒng)計(jì)的15條東北方向的雷暴軌跡有12條發(fā)生于該時間段，占比達(dá)80%。

3.3 潛在應(yīng)用

颮線天氣下強(qiáng)雷大風(fēng)具有高并發(fā)性，強(qiáng)雷暴時超輸電線路風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速的概率甚至可達(dá)20%[30]，有可能造成輸電線路風(fēng)偏雷擊跳閘，威脅電網(wǎng)安全。由于粵港澳大灣區(qū)雷暴移動軌跡的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是由華南地區(qū)地理與氣候特征所決定的，這種雷暴軌跡移動的方位具有穩(wěn)定性。有可能利用颮線天氣時強(qiáng)雷暴與風(fēng)向具有明確統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特點(diǎn)，對輸電線路進(jìn)行針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)與適應(yīng)性改造。

輸電線路走向與風(fēng)向的夾角是影響導(dǎo)線風(fēng)偏、造成雷電繞擊或風(fēng)偏閃絡(luò)的重要因素[31 - 32]。由于微地形會明顯改變地面氣象條件，從而對輸電線路覆冰、風(fēng)舞和最大載流量造成明顯影響，科研人員研制了包括微氣象站在內(nèi)的輸電系統(tǒng)在線智能監(jiān)測系統(tǒng)[33]，并圍繞微地形的影響開展了大量研究[33 - 34]。目前，粵港澳大灣區(qū)輸電系統(tǒng)中已在相當(dāng)數(shù)量輸電桿塔上安裝了輸電線路在線智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以比較準(zhǔn)確地監(jiān)測微地形條件下的風(fēng)速、風(fēng)向等指標(biāo)?？梢愿鶕?jù)雷電定位系統(tǒng)記錄的雷電數(shù)據(jù)，分析確定強(qiáng)雷暴發(fā)生時段，再從輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中找到對應(yīng)時段的風(fēng)速和風(fēng)向。發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測終端所在桿塔歷次強(qiáng)雷暴下的風(fēng)向和線路垂直或相交角度大、引起風(fēng)偏和繞擊風(fēng)險大時，可通過調(diào)整架空地線保護(hù)角、加裝側(cè)向避雷針等方式，進(jìn)行差異化和精細(xì)化防雷措施，提高輸電系統(tǒng)的雷電防護(hù)水平。

4 結(jié)論

本文挖掘分析2005—2014年間雷電定位系統(tǒng)采集的歷史雷電數(shù)據(jù)，圍繞雷電移動軌跡的統(tǒng)計(jì)特性展開研究，完成的工作主要包括：

1)發(fā)現(xiàn)粵港澳大灣區(qū)的雷電地閃在時域上呈高度不均勻分布，最多雷暴的50 d中雷電地閃數(shù)占到10 a總數(shù)的一半。

2)大灣區(qū)強(qiáng)雷暴日雷電移動軌跡具有明確的統(tǒng)計(jì)特性。在最多雷電的40 d中，20 d雷暴軌跡由西北往東南方，15 d雷暴軌跡由東北往西南方。

3)華南地區(qū)的地理與氣候條件共同決定了雷暴移動軌跡的統(tǒng)計(jì)特性。在氣候相對穩(wěn)定的前提下，粵港澳大灣區(qū)雷暴移動軌跡的統(tǒng)計(jì)特性在未來很可能也還具有相同的規(guī)律。

4)強(qiáng)風(fēng)與強(qiáng)雷暴具有高并發(fā)性，40個強(qiáng)雷暴日的風(fēng)速多在10 m/s左右，其中相當(dāng)部分超過沿海輸電線路風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速15 m/s，可能顯著放大雷電繞擊和風(fēng)偏閃絡(luò)的風(fēng)險。

5)利用強(qiáng)雷暴移動軌跡穩(wěn)定的特點(diǎn)，提出了結(jié)合輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化防雷的思路?？筛鶕?jù)強(qiáng)雷暴時段的風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計(jì)信息，選擇強(qiáng)雷暴、高風(fēng)速時段與風(fēng)向垂直或相交角度大的線路進(jìn)行防雷改造。