基于半徑的雷電資料選用分析

覃彬全，林 巧，駱 方

1.重慶市氣象安全技術(shù)中心，重慶 401147；2.重慶市渝北區(qū)氣象局，重慶 400017

雷電活動規(guī)律是地物設(shè)施采取防雷措施的重要依據(jù)，目前反映雷電活動情況的資料來源主要有氣象站人工觀測資料和閃電定位系統(tǒng)(LLS)監(jiān)測資料，雷暴日與雷電日資料各有優(yōu)勢，雷暴日資料積累時間較長，除基本站外，其他站點并非24小時觀測，存在遺漏，受人工耳聽目測距離限制以及觀測環(huán)境影響，也有可能漏測．此外，氣象觀測環(huán)境也對人工觀測雷暴造成較大影響，導(dǎo)致雷暴人工觀測記錄存在誤差；雷電日資料來源于LLS實時監(jiān)測，LLS具有范圍廣、記錄連續(xù)性高等特點，目前已基本實現(xiàn)全覆蓋，但系統(tǒng)建成時間較短，定位精度和探測效率存在一定誤差．

國內(nèi)外學(xué)者對這兩種雷電資料進行了一些比對研究，Richard等對美國國家閃電監(jiān)測網(wǎng)NLDN的閃電密度與雷暴日計算出的閃電密度進行了對比，發(fā)現(xiàn)通過人工觀測數(shù)據(jù)計算的閃電密度偏高，在熱帶地區(qū)雷暴日數(shù)的統(tǒng)計不是可靠信息[1-2]．在國內(nèi)也有相應(yīng)的研究，陳家宏等[3-4]用網(wǎng)格法對福建省的氣象雷電資料與雷電自動監(jiān)測數(shù)據(jù)資料進行對比，認(rèn)為雷電日與雷暴日有可比性，并取得了一些福建省區(qū)域雷電日網(wǎng)格化尺度的參考值；欒健等[5]對重慶地區(qū)的人工觀測雷暴日和閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測雷電日進行了比對，發(fā)現(xiàn)在重慶地區(qū)兩者之間存在明顯的差異；張義軍等[6-12]同樣用網(wǎng)格法對中國閃電密度進行了大區(qū)域分析；李家啟等[13]對重慶地區(qū)閃電密度進行了分析，均發(fā)現(xiàn)閃電密度時空分布不均勻性的特征．由于這兩種雷電資料在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)還要同時應(yīng)用于防雷工作，為更好地利用這兩種雷電資料，本文以重慶地區(qū)為例，對雷暴日、雷電日資料進行深入比較分析，以便在雷電風(fēng)險評估、防雷設(shè)計等工作中更合理地選擇使用雷電資料．

1 資料來源與研究方法

1.1 雷暴人工觀測資料

按照地面氣象觀測規(guī)范的要求，某氣象站在一天內(nèi)只聽到一聲雷響、看見一次閃電或者數(shù)次雷暴均記為一個雷暴日數(shù)，以每日20：00為界，昨日20：00后至當(dāng)日20：00為一個自然日，若某一次雷暴跨越20：00，則按兩個雷暴日數(shù)計算．為此，收集了重慶地區(qū)12個國家基準(zhǔn)氣象站1971-2010年的人工觀測雷暴日數(shù)資料，這些臺站觀測原始記錄是24h連續(xù)觀測，出現(xiàn)漏記、錯記的可能性較小，與閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料的比較更有意義．

1.2 閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料

雷電日資料來源于2007-2016年ADTD閃電定位系統(tǒng)的監(jiān)測，所涉及的記錄均為三站定位以上的云地閃，未包含云閃．鑒于雷暴日觀測記錄以20：00為界，為便于比較，雷電日定義為一日內(nèi)LLS有閃電數(shù)據(jù)則記為一個雷電日，其統(tǒng)計時間也以20：00為界，即昨日20：00至當(dāng)日20：00為一個自然日，統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，按照兩個原則對閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料中的異常數(shù)據(jù)進行剔除，一是當(dāng)日有單個記錄，經(jīng)查詢當(dāng)日天氣記錄后，屬于典型干擾導(dǎo)致的誤記錄；二是幅值大于200 kA或小于5 kA的記錄．

1.3 其他資料

各行政區(qū)域面積資料來源于統(tǒng)計年鑒．

1.4 研究方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面主要采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，長時間序列的雷暴資料與閃電定位系統(tǒng)資料的對比主要采用雙樣本方差分析、多因素方差分析及F檢驗、T檢驗、插值法、相關(guān)分析等方法．

2 雷暴氣候穩(wěn)定性分析

根據(jù)世界氣象組織的有關(guān)規(guī)定，反映當(dāng)前氣候基本特征的氣象整編資料時間長度一般為30年．為此，將1971-2010年的雷暴日數(shù)分成1971-2000年和1981-2010年兩段整編資料，通過對兩段資料進行方差分析(表1)，F(xiàn)為1.58小于顯著性水平為0.05的Fα值1.88；同時利用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，取得其P-value為0.242，F(xiàn)-crit為2.99，這表明兩段資料的差異性不顯著，即這40年雷暴氣候的變化不大．因此，采用2007-2016年LLS監(jiān)測資料與雷暴資料進行比較，也有其價值．

表1 1971-2000年和1981-2010整編資料方差分析表

兩段資料中年平均雷暴日前者比后者多3.6天，其實質(zhì)是1971-1981年時間段的年平均雷暴日比2000-2010年的多，這可能與觀測環(huán)境受到影響有關(guān)．

3 雷暴日數(shù)和雷電日數(shù)資料統(tǒng)計

由于觀測員受現(xiàn)場觀測環(huán)境、耳聽目測距離等因素影響，所記錄雷暴發(fā)生的起止時間和方位并不能完全真實反映該行政區(qū)域的雷暴日數(shù)，存在一定的誤差，該誤差主要與雷電發(fā)生位置與觀測員之間的距離有關(guān)．閃電定位系統(tǒng)主要通過監(jiān)測雷電發(fā)生時的脈沖信號定位雷電發(fā)生的時間、地點、強度、陡度等參數(shù)，監(jiān)測原理主要有磁方向法和時差法，如各監(jiān)測站點環(huán)境理想，可以準(zhǔn)確監(jiān)測雷電是否發(fā)生．

表2給出了12個站點的雷暴日及其所在行政區(qū)的雷電日．

為客觀分析雷暴日和雷電日之間的差異，利用閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料結(jié)合GIS信息，以觀測站點為中心，周圍1～15逐公里及20，25，30 km為半徑統(tǒng)計各基準(zhǔn)氣候站所在行政區(qū)的雷電日數(shù)，結(jié)果如表2所示．

表2 不同站點不同半徑年均雷電日數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 雷電日數(shù)和雷暴日數(shù)的差異性分析

1～15逐公里和20，25，30 km的雷電日數(shù)與年均雷暴日數(shù)的多因素方差分析表明，雷暴日數(shù)的方差為14.5，F(xiàn)值介于0.249～3.10之間(表3)，除半徑30 km外，F(xiàn)檢驗的F值均小于F0.05(2.69)，可見在顯著水平α=0.05下，1～15，20，25 km雷電日數(shù)與年均雷暴日沒有顯著性差異，具有可比性．

表3 不同取值半徑方差分析表

通過狄克遜(Dixon)檢驗法對統(tǒng)計的雷電日數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)以沙坪壩為中心的逐公里雷電日數(shù)據(jù)在給定檢出水平α=0.01時，除15，20，25 km幾組數(shù)據(jù)外，其余各公里統(tǒng)計量r21均超過限值DP(12)=0.642．為排除沙坪壩逐公里雷電日取值受到系統(tǒng)誤差的干擾，則該站點數(shù)據(jù)不參與分析．統(tǒng)計1～15逐公里和20，25 km雷電日數(shù)與雷暴日數(shù)的差值，利用SPSS對差值進行單樣本K-s檢驗，得到Sig.>0.05，因此各公里雷電日數(shù)與雷暴日數(shù)差值服從正態(tài)分布．因此，對各公里雷電日數(shù)與雷暴日數(shù)差值做配對T檢驗，結(jié)果見表4．可見當(dāng)半徑在11～13 km范圍內(nèi)，|t|值小于顯著水平α=0.05的限值tα(2.228)，則該范圍內(nèi)雷暴日和雷電日兩組數(shù)據(jù)沒有顯著差異．

表4 不同取值半徑雷電日數(shù)與雷暴日數(shù)配對T檢驗

4.2 雷電日、雷暴日與面積關(guān)系分析

從表2可看出，12個站點所在行政區(qū)面積相差較大，最大為酉陽5 168 km2，最小為沙坪壩396 km2，對應(yīng)的年均雷電日、雷暴日分別為142.2，52.1 d/a和58.33，37.1 d/a，顯然，雷電日明顯大于雷暴日，酉陽雷電日是雷暴日的2.73倍，沙坪壩為1.57倍．為進一步分析雷電日、雷暴日與行政區(qū)域面積的關(guān)系，對雷電日與雷暴日的比值和行政區(qū)域面積進行相關(guān)性分析，見圖1．

圖1 雷電日與雷暴日比值和行政區(qū)域面積關(guān)系

由圖1可知，行政區(qū)域面積和雷電日與雷暴日的比值具有強相關(guān)性，R=0.900 6，這說明行政區(qū)域面積越大，雷暴日與雷電日的差距越大．根據(jù)LLS的監(jiān)測原理，剔除異常數(shù)據(jù)后，雖然定位精度和探測效率存在一定誤差，但對于是否發(fā)生了閃電還是可信的，即雷電日數(shù)據(jù)可信時，隨行政區(qū)域面積增大，利用雷暴日表征雷電活動規(guī)律的誤差也越大，其原因可能在于觀測人員耳聽目測的距離限制，這需要進一步分析．

4.3 雷電日相似半徑分析

行政區(qū)域面積可通過半徑體現(xiàn)，同時觀測人員耳聽目測的距離也是一個以觀測人員為原點的半徑值．為此，特提出雷電日數(shù)相似半徑的概念(以下簡稱相似半徑)：以觀測站點為中心，與平均雷暴日數(shù)最接近的雷電日數(shù)相對應(yīng)的半徑，為該站的雷電日相似半徑，經(jīng)采用插值法，各站的相似半徑如表5．同時，為表征觀測點的位置，設(shè)定觀測點距該行政區(qū)域邊界的最大直線距離為Lmax，最小直線距離為Lmin，各站點的Lmax和Lmin見表5．

除異常數(shù)據(jù)后，雷電日數(shù)據(jù)可信，故根據(jù)相似半徑定義，觀測人員通過耳聽目測觀測雷暴的有效距離可近似為相似半徑，即雷暴日表征距離觀測場相似半徑范圍內(nèi)的雷電活動情況．通過比對表5，雷暴日大于相似半徑范圍內(nèi)逐公里的雷電日，小于相似半徑范圍外逐公里的雷電日．根據(jù)雷暴日的人工觀測實際與相似半徑定義，因沙坪壩站Lmin僅為0.7 km，觀測站點靠近行政區(qū)域邊界，同時該站點處于鬧市區(qū)，人工觀測受外界環(huán)境影響也較大，故該站點的相似半徑及雷暴日誤差均較大，分析時應(yīng)剔除．

從表5可知，除沙坪壩站點外，最大相似半徑為奉節(jié)的14.43 km，最小為江津的7.82 km，次最小為豐都9.65 km，其余站點均超過10 km，總體上，各站點相似半徑在10～15 km范圍內(nèi)，這與雷電日、雷暴日差值的配對T檢驗結(jié)果基本一致．

表5 重慶12個國家基準(zhǔn)氣候觀測站相似半徑

5 雷電資料的選用

評估行政區(qū)或者園區(qū)的雷電活動情況以及考慮橫跨多個行政區(qū)域的長距離線路、管道、軌道交通和建(構(gòu))筑物、設(shè)施設(shè)備等防雷措施時，需要使用雷電資料進行雷電活動規(guī)律評價，此時雷電資料的選擇對評價結(jié)果影響較大．雷電是造成雷電災(zāi)害的風(fēng)險源，如選擇的雷電資料不能真實反映該區(qū)域的雷電活動規(guī)律，則可能影響防御雷電災(zāi)害的科學(xué)決策，因此在雷電活動規(guī)律評價時，對雷電資料的選擇非常重要．

目前，可用的雷電資料主要有LLS監(jiān)測的雷電日資料和人工觀測的雷暴日資料，根據(jù)雷暴日和雷電日資料的結(jié)果分析，主要與觀測站點所處的位置有關(guān)．當(dāng)觀測站點位于行政區(qū)中部、或者行政區(qū)絕大部分區(qū)域的Lmax小于15 km、或者園區(qū)距離觀測站點小于15 km時，因區(qū)域處于觀測人員耳聽目測的距離范圍內(nèi)，雷暴日資料時間序列長，統(tǒng)計意義上更能真實反映該區(qū)域的雷電活動情況，故應(yīng)選擇雷暴日資料，否則應(yīng)選擇雷電日資料．對于橫跨多個行政區(qū)的長距離線路、管道、軌道交通等建設(shè)項目，應(yīng)根據(jù)各行政區(qū)中項目所在地與觀測站點的距離分別考慮，如在行政區(qū)的長距離線路、管道、軌道交通與該行政區(qū)觀測站點距離小于15 km，則選擇該觀測站點的雷暴日資料，否則應(yīng)選擇雷電日資料．對于單點的建(構(gòu))筑物、設(shè)施設(shè)備等項目，應(yīng)考慮項目所在地與最近觀測站點的距離，如小于15 km，則應(yīng)選用該觀測站點的雷暴日資料，否則應(yīng)選用雷電日資料．

6 結(jié) 論

通過對重慶地區(qū)12個國家基準(zhǔn)氣候站40年人工觀測的雷暴日資料和10年的LLS監(jiān)測的雷電日資料進行對比研究，得到以下結(jié)論：

1) 行政區(qū)域面積越大，雷暴日與雷電日的差距越大，行政區(qū)域面積和雷電日與雷暴日的比值具有強相關(guān)性，11～13 km范圍內(nèi)雷電日、雷暴日數(shù)據(jù)無顯著差異．

2) 雷暴日總體上反映了距觀測站點10～15 km范圍內(nèi)的雷電活動情況，雷電資料的選擇與觀測站點所處的位置有關(guān)，具體為：

——評估行政區(qū)或者園區(qū)的雷電活動情況時，觀測站點位于行政區(qū)中部、行政區(qū)絕大部分區(qū)域的Lmax小于15 km、園區(qū)距離觀測站點小于15 km，應(yīng)選擇雷暴日資料，否則選擇雷電日資料．

——評估橫跨多個行政區(qū)的長距離線路、管道、軌道交通等項目的雷電活動情況時，如項目各段所在地與觀測站點的距離小于15 km，應(yīng)選用雷暴日資料，否則應(yīng)選用雷電日資料．

——評估單點的建(構(gòu))筑物、設(shè)施設(shè)備等項目的雷電活動情況時，如項目所在地與最近觀測站點的距離小于15 km，應(yīng)選用雷暴日資料，否則應(yīng)選用雷電日資料．