宣城市閃電特征分析及雷電易發(fā)區(qū)域劃分研究

何桂霞 胡文運(yùn) 孫秀邦

摘要 [目的]防御和減少雷電給人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失，科學(xué)有效防范自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。[方法]采用python 3.7、contourf函數(shù)作為統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)宣城市2010—2018年ADTD型閃電定位資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出宣城市閃電特征，劃分雷電易發(fā)區(qū)域。[結(jié)果]宣城市閃電以負(fù)閃為主;閃電日變化呈單峰單谷型，午后多夜間少，閃電高峰值時(shí)段出現(xiàn)在14：00—18：00，0：00—12：00閃電次數(shù)較少且平穩(wěn);閃電月變化呈單峰單谷型，暖季多冷季少，以6—9月居多，1—2月、10—12月閃電很少;閃電年際變化呈多峰多谷型;年平均閃電密度主要集中在1.0～8.0次/（km2·a）;閃電強(qiáng)度主要集中在10～70kA，平均閃電強(qiáng)度高值區(qū)域主要分布在宣城市中部地區(qū)。雷電高易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市中部地區(qū)，較高易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市中東部、西部地區(qū)，中等易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市北部、西南部地區(qū)，一般易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市南部地區(qū)。[結(jié)論]該研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)宣城市科學(xué)有效防雷減災(zāi)、合理安排工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理、重大工程氣候可行性論證、建設(shè)工程規(guī)劃選址等具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞 閃電特征;雷電易發(fā)區(qū);宣城市

中圖分類號(hào) P.429文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）02-0216-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.058

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Lightning Characteristics and Lightning Prone Areas in Xuancheng City

HE Guixia， HU Wenyun， SUN Xiubang （Xuancheng City Meteorological Bureau， Xuancheng， Anhui 242000）

Abstract [Objective]To prevent and reduce the loss of peoples life and property caused by lightning and prevent the risk of natural disasters scientifically and effectively. [Method]Using python3.7 and contourf functions as the statistical analysis method， the data of ADTD lightning location in Xuancheng from 2010 to 2018 were statistically analyzed， the lightning characteristics of Xuancheng City were obtained and the lightning prone areas were divided. [Result]The results showed that negative lightning is dominant in Xuancheng City; the daily variation of lightning is single peak and single valley， more in the afternoon and less in the night， the lightning peak period appears in 14：00-18：00， 0：00-12：00 lightning times are less and more stable; the monthly variation of lightning is single peak and single valley， warmer seasons and cooler ones， from June to September is the most， JanuaryFebruary， OctoberDecember lightning rarely; the interannual variation of lightning is multipeak and multivalley; the annual average lightning density is mainly concentrated in 1.0-8.0 times/（km2·a）; lightning intensity is mainly concentrated in the range of 10 to 70kA， the high value of average lightning intensity is mainly distributed in the central area of Xuancheng City; the lightning high prone areas are mainly distributed in the central region of Xuancheng City， the higher prone areas are mainly distributed in the central， eastern and western regions of Xuancheng City， the middle prone areas are mainly distributed in the northern and southwestern regions of Xuancheng City. [Conclusion]The research results are of great practical significance in guiding Xuancheng City in scientific and effective lightning protection and disaster reduction， climate feasibility demonstration of major projects， site selection of construction projects， rational arrangement of industrial and agricultural production， and risk management of lightning disasters in rural areas.

Key words Lightning characteristics;Lightning prone area;Xuancheng City

雷電是雷暴天氣的重要組成部分，是自然大氣中超強(qiáng)、超長(zhǎng)放電現(xiàn)象[1]，破壞力巨大。近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技水平的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)的快速發(fā)展，雷電造成的危害日益凸顯。雷電災(zāi)害被聯(lián)合國(guó)有關(guān)組織列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”，被國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）確定為“電子時(shí)代的一大公害”。雷電災(zāi)害已引起社會(huì)各界的高度關(guān)注，科技工作者對(duì)雷電災(zāi)害及防御進(jìn)行了大量分析研究[2-8]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)閃電的活動(dòng)特征進(jìn)行了大量研究，如國(guó)外學(xué)者Villarini等[9]根據(jù)16年的閃電定位資料，研究發(fā)現(xiàn)一些極端的閃電活動(dòng)主要分布在美國(guó)的中部及阿巴拉契亞山脈的西部，閃電主要發(fā)生在夏季。早期，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)雷電特征的分析主要基于人工觀測(cè)雷暴日資料，如景元書等[10]采用1951—1980年江蘇省8個(gè)地區(qū)的雷暴日資料，對(duì)江蘇省雷暴的時(shí)空特征進(jìn)行了分析研究;程向陽(yáng)等[11]采用安徽省78個(gè)氣象臺(tái)站1961—2009年雷暴資料，對(duì)安徽省近50年雷暴的時(shí)空變化及影響因素進(jìn)行分析。中期，隨著閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)雷電特征的分析基于閃電定位資料和人工觀測(cè)雷暴日資料相結(jié)合，閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)探測(cè)手段，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工觀測(cè)方法的不足，為雷電研究提供了可靠的數(shù)據(jù)資料，如馮民學(xué)等[12]采用江蘇省13個(gè)國(guó)家觀測(cè)站1961—2006年的雷暴日資料和4年閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位資料，分析研究了江蘇省雷電活動(dòng)的時(shí)空分布特征。近期，隨著閃電探測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，2014年取消了人工雷暴日觀測(cè)，對(duì)閃電資料的分析主要基于閃電定位資料，如吳安坤等[13]采用全國(guó)雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的閃電資料，分析研究云貴高原閃電時(shí)空分布特征，指出不同季節(jié)和時(shí)段閃電密度存在地域性差異;王凱等[14]采用2011—2013年安徽省ADTD閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)皖南山區(qū)閃電特征進(jìn)行了分析，指出皖南山區(qū)主要為負(fù)閃電，地閃活動(dòng)主要集中出現(xiàn)在午后至傍晚。

2016年，國(guó)務(wù)院下發(fā)《國(guó)務(wù)院關(guān)于優(yōu)化建設(shè)工程防雷許可的決定》（國(guó)發(fā)〔2016〕39號(hào)），明確要求氣象部門要加強(qiáng)對(duì)雷電災(zāi)害防御工作的組織管理，劃分雷電易發(fā)區(qū)域及其防范等級(jí)并及時(shí)向社會(huì)公布。2016年底開始，一些省份陸續(xù)開展雷電易發(fā)區(qū)域劃分研究，如胡穎等[15]采用2007—2016年云南省閃電定位資料，選取年平均閃電密度指標(biāo)，將云南省雷電易發(fā)性等級(jí)劃分為極高、較高、高、中、一般5個(gè)等級(jí);程向陽(yáng)等[16]采用2010—2016年安徽省閃電定位數(shù)據(jù)，選取閃電強(qiáng)度指標(biāo)，將安徽省雷電易發(fā)區(qū)域劃分為高、中等、一般3個(gè)等級(jí);曾勇等[17]提出構(gòu)建雷電易發(fā)性指標(biāo)體系不能忽略地閃密度指標(biāo)。目前，市級(jí)雷電易發(fā)區(qū)域劃分研究較少，有必要結(jié)合實(shí)際，研究劃分更精細(xì)化的市級(jí)雷電易發(fā)區(qū)域。

安徽省宣城市屬南北氣候過(guò)渡帶，是冷暖空氣頻繁交匯的地區(qū)，地形呈南高北低型，且多為山區(qū)和丘陵地帶，特殊的氣候、復(fù)雜的地形特點(diǎn)，導(dǎo)致境內(nèi)雷電活動(dòng)頻繁，雷電災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生[18]。2010—2018年，宣城市因雷擊造成8人死亡、4人受傷，多棟建筑物遭雷擊損壞。因此，對(duì)宣城市閃電特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究劃分該市雷電易發(fā)區(qū)域，可為防災(zāi)減災(zāi)、有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)提供理論支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源 安徽省于2005年在全省布設(shè)了10套LD-Ⅱ型閃電定位儀，2010年升級(jí)為ADTD型（7套），其監(jiān)測(cè)參數(shù)包括閃電時(shí)間、經(jīng)緯度、極性、強(qiáng)度、陡度、誤差、定位方式，ADTD型閃電監(jiān)測(cè)站分布見圖1。劉巖等[19]對(duì)LD-Ⅱ型和ADTD型閃電定位資料進(jìn)行了對(duì)比分析，指出ADTD型閃電定位系統(tǒng)在地閃空間分布、雷電流極性、強(qiáng)度、定位誤差的探測(cè)方面準(zhǔn)確度更高。資料來(lái)源于安徽省ADTD閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用2010—2018年共9年的閃電資料作為宣城市雷電易發(fā)區(qū)域劃分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法 在閃電資料分析中，剔除異常及不合理數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。利用python 3.7設(shè)計(jì)程序，對(duì)閃電資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取閃電密度和閃電強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行歸一化處理，按照重要程度，將閃電密度和閃電強(qiáng)度的權(quán)重系數(shù)確定為2∶1進(jìn)行加權(quán)組合，按照0.01°×0.01°經(jīng)緯度網(wǎng)格，利用contourf函數(shù)繪制平均閃電強(qiáng)度、平均閃電密度和雷電易發(fā)區(qū)分布圖。

目前，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有統(tǒng)一的質(zhì)量控制方法，電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）工業(yè)組文件將回?fù)綦娏鞣祽?yīng)用范圍定義為2～200kA，國(guó)外學(xué)者Cummins等[20-21]將小于10kA的閃電予以剔除，國(guó)內(nèi)學(xué)者李家啟等[22]剔除了5kA以下的地閃。該研究采用IEEE工業(yè)組文件規(guī)定的質(zhì)量控制方法，剔除了12個(gè)雷電流幅值<2kA的閃電樣本和1 168個(gè)>200kA的閃電樣本。

2 結(jié)果與分析

2.1 宣城市閃電特征分析

2.1.1 基本特征。2010—2018年宣城市共發(fā)生閃電331 328次。其中正閃13 713次，占比4.1%;負(fù)閃317 615次，占比95.9%;年平均閃電次數(shù)為36 814次。閃電強(qiáng)度主要集中在10～70 kA，占比92.8%;宣城市以負(fù)閃為主，主要原因是大多數(shù)積雨云上部帶正電荷，云體下部主要帶負(fù)電荷[23]，云層與地面之間的放電大多數(shù)是負(fù)閃電。

2.1.2 閃電次數(shù)的日變化。由圖2可知，閃電次數(shù)日變化呈單峰單谷型，一日中13：00—21：00閃電居多，為218 198次，占比65.9%，高峰值時(shí)段出現(xiàn)在14：00—18：00，峰值出現(xiàn)在14：00—15：00，為44 657次;0：00—12：00閃電次數(shù)較少且平穩(wěn)，谷值出現(xiàn)在1：00—2：00，為3 044次。說(shuō)明宣城市一日中14：00—18：00對(duì)流天氣最為旺盛，也是雷電防御的關(guān)鍵時(shí)間段。

2.1.3 閃電次數(shù)月變化。

由圖3可知，宣城市2010—2018年閃電次數(shù)月變化呈單峰單谷型，3—9月閃電次數(shù)326 537次，占比98.6%。其中7—8月閃電次數(shù)為208 814次，占全年閃電次數(shù)的63.0%;1—2月、10—12月5個(gè)月閃電次數(shù)僅為4 791次，占比1.4%。宣城市閃電暖季多冷季少，主要是在氣溫高的月份，大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對(duì)流云發(fā)展旺盛，閃電主要發(fā)生在對(duì)流云中。

2.1.4 閃電次數(shù)年際變化。從圖4可以看出，2010—2018年宣城市閃電年際變化呈多峰多谷型。其中，2010年閃電次數(shù)最多，為52 371次;2017年閃電次數(shù)最少，為18 605次。2015年和2017年閃電次數(shù)急劇下降，說(shuō)明這2年冷暖空氣交匯少，發(fā)生對(duì)流的次數(shù)少，具體原因有待進(jìn)一步分析。

2.1.5 閃電密度分布。閃電密度是指單位面積內(nèi)所發(fā)生的雷擊大地的年平均次數(shù)。按照0.01°×0.01°經(jīng)緯度網(wǎng)格，利用python 3.7設(shè)計(jì)程序統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格的年平均閃電密度。結(jié)果表明，宣城市年平均閃電密度在0.11～20.89次/（km2·a），主要集中在1.00～8.00次/（km2·a），平均值為3.08次/（km2·a）。利用contourf函數(shù)繪制宣城市年平均閃電密度分布圖，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，閃電密度高值區(qū)域主要分布在宣城市中東部地區(qū)和西部地區(qū)。

2.1.6 閃電強(qiáng)度分布。雷電流幅值是閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中體現(xiàn)雷電致災(zāi)強(qiáng)弱的重要參數(shù)[24]，其值越大，能量越大，破壞力就越大。宣城市最大正閃強(qiáng)度199.67 kA，最大負(fù)閃強(qiáng)度199.94kA，最小正閃強(qiáng)度2.89 kA，最小負(fù)閃強(qiáng)度2.03 kA，正閃與負(fù)閃強(qiáng)度最大值、最小值接近。閃電強(qiáng)度主要集中在10～70 kA，占比92.8%;其中最大分布區(qū)間為20～30 kA，占比34.3%。利用python 3.7設(shè)計(jì)程序統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格的平均閃電強(qiáng)度，按照0.01°×0.01°經(jīng)緯度網(wǎng)格，利用contourf函數(shù)繪制平均閃電強(qiáng)度空間分布圖，結(jié)果見圖6。由圖6可知，平均閃電強(qiáng)度高值區(qū)域主要在宣城市中部地區(qū)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2021年

2.2 宣城市雷電易發(fā)區(qū)域劃分及結(jié)果驗(yàn)證

閃電強(qiáng)度越大，密度越高，風(fēng)險(xiǎn)就越大[25]。選取閃電密度和閃電強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)重要程度按2∶1權(quán)重進(jìn)行加權(quán)組合，基于正態(tài)分布設(shè)定閾值，將雷電易發(fā)區(qū)分為高、較高、中等、一般4個(gè)等級(jí)，易發(fā)區(qū)等級(jí)劃分閾值見表1。利用contourf函數(shù)繪制雷電易發(fā)區(qū)分布圖，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，高易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市中部地區(qū)，即宣州區(qū)南部和寧國(guó)市北部;較高易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市中東部、西部地區(qū)，即宣州區(qū)南部、寧國(guó)市北部、郎溪縣南部、廣德市西南部、涇縣大部分地區(qū);中等易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市北部、西南部地區(qū)，即宣州區(qū)北部、郎溪縣北部、廣德市北部、寧國(guó)市東南部、涇縣、旌德縣、績(jī)溪縣大部分地區(qū);一般易發(fā)區(qū)主要分布在績(jī)溪縣境內(nèi)。

為檢驗(yàn)劃分結(jié)果的合理性，將雷電易發(fā)區(qū)分布圖與2010—2018年宣城市歷史雷電災(zāi)情作對(duì)比分析，結(jié)果表明，80%的雷電災(zāi)情發(fā)生在高易發(fā)區(qū)和較高易發(fā)區(qū)，其中人員傷亡、房屋受損全部發(fā)生在高易發(fā)區(qū)和較高易發(fā)區(qū)。

3 結(jié)論與討論

（1）宣城市閃電以負(fù)閃為主，2010—2018年共發(fā)生閃電331 328次，其中負(fù)閃317 615次，占比95.9%;年平均閃電次數(shù)36 814次;閃電日變化呈單峰單谷型，高峰值時(shí)段出現(xiàn)在14：00—18：00， 0：00—12：00閃電次數(shù)較少且平穩(wěn);閃電月變化呈單峰單谷型，暖季多冷季少，以6—9月居多，1—2月、10—12月閃電極少;閃電年際變化呈多峰多谷型，2010年閃電次數(shù)最多，2017年次數(shù)最少，最多年份閃電次數(shù)是最少年份的2.8倍;年平均閃電密度主要集中在1.0～8.0次/（km2·a）;閃電強(qiáng)度主要集中在10～70 kA。

（2）利用python3.7設(shè)計(jì)程序，對(duì)閃電資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取閃電密度和閃電強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行歸一化處理、相應(yīng)權(quán)重組合，利用contourf函數(shù)繪制雷電易發(fā)區(qū)分布圖，按照高、較高、中等、一般易發(fā)區(qū)4個(gè)等級(jí)劃分。結(jié)果表明，高易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市中部地區(qū)，較高易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市中東部、西部地區(qū)，中等易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市北部、西南部地區(qū);一般易發(fā)區(qū)主要分布在宣城市南部地區(qū)。

（3）利用宣城市歷史雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，雷電易發(fā)區(qū)劃與歷史雷電災(zāi)情對(duì)應(yīng)較好，表明該研究方法比較可靠。

（4）雷電的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多，要完全準(zhǔn)確地劃分易發(fā)區(qū)域還存在一定的難度。因此，在指標(biāo)選取、權(quán)重確定、評(píng)估模型等方面還需要進(jìn)一步研究。

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