基于LLS的多回?fù)舻亻W及其雷電流幅值分布特征

王學(xué)良，成勤，王清龍，余田野，張科杰，趙濤

（1.湖北省防雷中心，湖北 武漢430074；2.宜昌市氣象局，湖北 宜昌443000；3.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險預(yù)防湖北省重點實驗室，湖北武漢430074）

1 引言

閃電是伴隨雷暴天氣出現(xiàn)的大氣中一種長距離放電現(xiàn)象，地閃是雷云與地面或物體間的瞬時放電過程。回?fù)羰堑亻W過程中的最強烈的放電過程，具有大電流、高電壓和強烈電磁輻射等特征，地閃回?fù)暨^程常常對電力、建筑物、電氣電子設(shè)備等造成嚴(yán)重威脅，甚至造成人員傷亡[1-3]。因此，人類對雷電現(xiàn)象進行了長期不斷的探索，許多國內(nèi)外科學(xué)家對雷電進行了無數(shù)次的觀測和試驗研究[4-5]。隨著閃電觀測研究技術(shù)和雷電定位系統(tǒng)(Lightning Location System；LLS)的不斷完善，獲得了海量的雷電活動相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)，為進一步研究雷電氣候和多回?fù)舻亻W分布特征提供了前所未有的基礎(chǔ)性資料。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)試驗觀測和雷電定位系統(tǒng)資料，對雷電物理及雷電氣候特征方面進行了不斷深入研究。張義軍等[6]利用高速攝像觀測自然閃電，結(jié)果表明，90%以上的負(fù)地閃首次回?fù)粝滦刑菁壪葘?dǎo)具有明顯的多級分叉現(xiàn)象，30%的負(fù)地閃具有多個接地點，44%的負(fù)地閃具有多次回?fù)?。國外學(xué)者觀測研究表明，一個地閃中時常會有兩個或多個后續(xù)回?fù)鬧7-8]。王學(xué)良等[9-14]采用湖北省先進的時差測向(advanced direction finding on time difference，ADTD)雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料，統(tǒng)計分析了湖北地區(qū)雷電氣候時空分布特征。費蕾蕾等[15]對香港地區(qū)的地閃活動時空分布特征及其影響因素進行了研究。郭潤霞等[16]研究表明，雷電流強度大于100 kA的閃電很少發(fā)生，閃電頻數(shù)高的時段平均雷電流強度較小，閃電頻數(shù)低的時段平均雷電流強度較大。由于地閃時常存在多重回?fù)簦哂卸鄠€接地點，且間隔時間短，造成的雷電災(zāi)害更加嚴(yán)重[6,17-18]。因此，研究多回?fù)舻亻W分布特征對雷電物理研究和雷電災(zāi)害的科學(xué)防御具有十分重要的意義?？紫樨懙萚19]對在一次回?fù)暨^程中具有多個接地分支的閃電進行了研究，結(jié)果表明，一次回?fù)舻亩鄠€接地分支，多發(fā)生在首次回?fù)?。曾金全等[20]選取福建省2013—2015年ADTD閃電定位資料，分析得出首次回?fù)舻碾娏鲝姸榷鄶?shù)大于繼后回?fù)舻碾娏鲝姸?。許維偉等[21]研究了發(fā)生在安徽淮北地區(qū)一次夏季雷暴過程的連續(xù)負(fù)地閃活動表明，總體上后續(xù)回?fù)魪姸冗h弱于首次回?fù)?，但?4.8%的多回?fù)舻亻W至少有一次后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状位負(fù)簟?/p>

上述研究中，對較大區(qū)域和長時間序列的多回?fù)舻亻W及其雷電流幅值分布特征研究較少，尤其是缺乏對多回?fù)舻亻W首次和后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣道鄯e概率分布的研究。而在雷擊事故分析中，缺乏多重回?fù)艋蚝罄m(xù)回?fù)艚y(tǒng)計參數(shù)的支持，統(tǒng)計分析多重雷擊第二次及后續(xù)雷電流幅值累積概率等工作有待進一步深入[22]。為此，本文利用2007—2018年湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃資料，對其資料按規(guī)定條件進行歸集，統(tǒng)計分析多回?fù)舻亻W和多重回?fù)舸螖?shù)、不同類型多回?fù)舻亻W、首次回?fù)艏昂罄m(xù)回?fù)衾纂娏鞣档壤纂娀顒訁?shù)分布特征，旨在為雷電物理研究和雷電災(zāi)害防御技術(shù)提供參考。

2 資料來源與統(tǒng)計方法

2.1 資料來源

本文采用的多回?fù)舻亻W資料來源于湖北省氣象部門ADTD雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃資料。該系統(tǒng)是采用磁向和時差聯(lián)合法進行雷電探測的第2代地閃定位系統(tǒng)，主要用于云地閃電監(jiān)測，可輸出云地閃電回?fù)酎c的極性、時間、位置、強度等參數(shù)，單站探測范圍約為150 km，回?fù)舭l(fā)生的時間精度優(yōu)于10-7s，組網(wǎng)后網(wǎng)內(nèi)理論定位精度優(yōu)于300 m，雷電流幅值強度相對誤差優(yōu)于15%[23-25]。湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)于2006年建成，包含13個探測子站[26]，自2006年投入業(yè)務(wù)運行以來，除軟件升級外，其他設(shè)備沒有升級改造，并有專業(yè)的維護保障機構(gòu)對其日常維護，以確保LLS正常運行。在湖北省境內(nèi)除鄂西北和鄂西南極少部分地區(qū)外，其他地區(qū)的理論探測效率均在85%以上。為了提高雷電監(jiān)測資料的定位精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量，首先對所選取的地閃監(jiān)測資料進行質(zhì)量控制，即去掉2站監(jiān)測定位數(shù)據(jù)，只統(tǒng)計3站及以上定位數(shù)據(jù)，并剔除雷電流幅值小于5 kA和大于500 kA的數(shù)據(jù)。

2.2 地閃歸集方法

根據(jù)湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)2007年1月1日—2018年12月31日監(jiān)測的雷電流極性、回?fù)魰r間和經(jīng)緯度等參數(shù)，在未考慮雙極性閃電的情況下，將一個后續(xù)回?fù)襞c其首次回?fù)魵w集為一個地閃應(yīng)滿足以下4個條件[20,27]：(1)后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻睦纂娏鳂O性相同；(2)后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻臅r間間隔小于等于1 s；(3)相鄰回?fù)糁g的時間間隔小于等于500 ms；(4)后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻奈恢镁嚯x小于等于10 km。

2.3 統(tǒng)計方法

在一個地閃中，只有1次回?fù)舻姆Q為單回?fù)舻亻W，具有2個及以上的回?fù)舴Q為多回?fù)舻亻W。一個多回?fù)舻亻W中，第一次回?fù)舴Q為首次回?fù)?，除第一?首次)回?fù)粢酝獾乃谢負(fù)舴Q為后續(xù)回?fù)鬧25]，首次回?fù)艏捌渌泻罄m(xù)回?fù)舯疚姆Q為全回?fù)?。首次回?fù)酎c與后續(xù)回?fù)酎c之間距離，采用Haversine公式計算得到[28-29]。本文規(guī)定：一個多回?fù)舻亻W中，任何一個后續(xù)回?fù)酎c的經(jīng)緯度與首次回?fù)酎c的經(jīng)緯度相同(經(jīng)緯度精度為10-4)，即為多重回?fù)?。全回?fù)簟⑹状位負(fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舻牟煌愋投嗷負(fù)舻亻W中值雷電流幅值，分別根據(jù)全回?fù)簟⑹状位負(fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舻牟煌愋投嗷負(fù)舻亻W所有回?fù)舸螖?shù)的雷電流幅值絕對值計算得出。分別統(tǒng)計全回?fù)?、首次回?fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舻牟煌愋投嗷負(fù)舻亻W雷電流幅值大于5 kA，10 kA，15 kA，……，190 kA，195 kA，200 kA的正地閃、負(fù)地閃和總地閃(正地閃+負(fù)地閃)回?fù)舸螖?shù)，并計算其正地閃、負(fù)地閃和總地閃大于不同雷電流幅值的回?fù)舸螖?shù)占其總回?fù)舸螖?shù)百分比，即可得到大于不同雷電流幅值的全回?fù)簟⑹状位負(fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舨煌愋偷亩嗷負(fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃雷電流幅值累積概率。

3結(jié)果與分析

3.1多回?fù)舻亻W次數(shù)分布特征

3.1.1 多回?fù)舸螖?shù)分布

統(tǒng)計湖北省2007—2018年雷電監(jiān)測資料表明，正地閃回?fù)艨偞螖?shù)為132736次，其中多回?fù)粽亻W回?fù)舸螖?shù)為5446次；負(fù)地閃回?fù)艨偞螖?shù)為2997000次，其中多回?fù)糌?fù)地閃的回?fù)舸螖?shù)為1776089次。正地閃回?fù)艨偞螖?shù)占總地閃回?fù)艨偞螖?shù)的4.24%，多回?fù)粽亻W回?fù)舸螖?shù)占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨偞螖?shù)的0.31%，說明在多回?fù)舻亻W中，絕大部分為負(fù)地閃，占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨倲?shù)的99.69%。

表1可看出，多回?fù)粽亻W最多回?fù)舸螖?shù)為4次，負(fù)地閃最多回?fù)舸螖?shù)為16次，介于我國北京[30]的14次和安徽北部[21]及美國佛羅里達州[31]的18次之間；統(tǒng)計顯示，多回?fù)糌?fù)地閃和總地閃次數(shù)、多回?fù)舻亻W次數(shù)占其地閃總數(shù)及占其多回?fù)舻亻W總數(shù)的百分比隨著回?fù)舸螖?shù)的增加均呈指數(shù)減少，其相關(guān)系數(shù)均在0.9977以上。表1中的多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃次數(shù)占其地閃總數(shù)的百分比分別為2.06%、34.76%和32.64%，說明正地閃中97.94%為單回?fù)?，?fù)地閃65.24%為單回?fù)?。這與李京校等[32]利用SAFIR雷電定位系統(tǒng)，統(tǒng)計得出北京及周邊地區(qū)正、負(fù)地閃單回?fù)舭俜直确謩e為87.24%和65.22%相比，正地閃單回?fù)舭俜直扰c北京及周邊地區(qū)差異較大，但與福建[20]正地閃單回?fù)舭俜直葹?8.25%基本一致，負(fù)地閃單回?fù)舭俜直然鞠嗤?。從?中多回?fù)舻亻W次數(shù)占其多回?fù)舻亻W總數(shù)百分比隨回?fù)舸螖?shù)變化可知，多回?fù)糌?fù)地閃中99%以上為7次以下回?fù)簦?次以上回?fù)粼?%以下。3.1.2 多重回?fù)舸螖?shù)分布

表1 2007—2018年多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃次數(shù)及其百分比隨回?fù)舸螖?shù)變化

統(tǒng)計表明，多回?fù)粽亻W中，只有回?fù)舸螖?shù)為2次的發(fā)生了11次多重回?fù)簦s占正地閃回?fù)艨倲?shù)的0.01%，占其后續(xù)回?fù)艨倲?shù)的0.42%。表1中可看出，回?fù)舸螖?shù)在12次及以上的負(fù)地閃發(fā)生次數(shù)在50以下，回?fù)舸螖?shù)為16次的負(fù)地閃次數(shù)僅有1次。為較好地反映統(tǒng)計規(guī)律，本文在研究多回?fù)糌?fù)地閃相關(guān)參數(shù)隨其回?fù)舸螖?shù)變化特征時，采用2～11次回?fù)舸螖?shù)進行統(tǒng)計分析。表2中的多重回?fù)舸螖?shù)可知，負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)隨回?fù)舸螖?shù)的增加，呈指數(shù)減少。由于正地閃多重回?fù)舸螖?shù)僅有11次，僅發(fā)生在2次回?fù)舻亩嗷負(fù)粽亻W中，因此，負(fù)地閃和總地閃的多重回?fù)舸螖?shù)及其所占回?fù)艨偞螖?shù)和后續(xù)回?fù)艨倲?shù)百分比幾乎相同。從表2中的負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)可知，負(fù)地閃多重回?fù)舸螖?shù)占總地閃多重回?fù)舸螖?shù)的99.91%，負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)分別占地閃回?fù)艨倲?shù)百分比的0.42%和0.40%，是正地閃多重回?fù)舻?0倍以上，其百分比隨回?fù)舸螖?shù)增加呈指數(shù)減少；負(fù)地閃多重回?fù)舸螖?shù)占其后續(xù)回?fù)舸螖?shù)百分比在0.93%～1.14%之間，平均為1.11%，負(fù)地閃多重回?fù)舸螖?shù)占其后續(xù)回?fù)舸螖?shù)百分比隨回?fù)舸螖?shù)的增加沒有明顯變化，均在1%左右。由此說明，正地閃、負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舻拇螖?shù)分別占其回?fù)艨倲?shù)的0.01%、0.42%和0.40%，在多重回?fù)舻亻W中，99.91%為負(fù)地閃。

表2 2007—2018年負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)及其百分比隨回?fù)舸螖?shù)變化

3.1.3 不同類型多回?fù)舻亻W次數(shù)分布

為便于統(tǒng)計不同類型多回?fù)舻亻W相關(guān)參數(shù)分布特性，本文規(guī)定：在一個多回?fù)舻亻W中，首次回?fù)魪姸却笥诤罄m(xù)回?fù)魪姸鹊亩嗷負(fù)舻亻W簡稱為F型多回?fù)舻亻W，至少有一次后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣祻姸却笥谑状位負(fù)魪姸鹊暮喎Q為S型多回?fù)舻亻W；F型與S型多回?fù)舻亻W之和稱為多回?fù)舻亻W，簡稱T型多回?fù)舻亻W。

由表3可看出F型多回?fù)粽亻W次數(shù)為2214次，占多回?fù)粽亻W總數(shù)的82.52%，S型多回?fù)粽亻W次數(shù)為469次，占多回?fù)粽亻W總數(shù)的17.48%；F型多回?fù)糌?fù)地閃次數(shù)為376448次，占多回?fù)糌?fù)地閃總數(shù)的57.87%，S型多回?fù)糌?fù)地閃次數(shù)為274105次，占多回?fù)糌?fù)地閃總數(shù)的42.13%；F型多回?fù)艨偟亻W占其總數(shù)的57.97%。S型多回?fù)糌?fù)地閃占多回?fù)糌?fù)地閃總數(shù)42.13%，大于許維偉等[21]研究指出的有34.8%的多回?fù)舻亻W至少有一次后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状位負(fù)舻谋壤?，小于郄秀書等[33]統(tǒng)計研究表明的有54%的負(fù)地閃至少有一次后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状蔚谋壤１?可看出，后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣祻姸却笥谑状位負(fù)魪姸龋嗷負(fù)粽亻W占其回?fù)艨倲?shù)的8.83%，多回?fù)糌?fù)地閃占其回?fù)艨倲?shù)的19.89%。與郄秀書等[33]的研究結(jié)果為20.1%和許維偉等[20]的統(tǒng)計得出的19.7%基本相同，落在上述兩文獻結(jié)果的區(qū)間之內(nèi)；多回?fù)艨偟亻W后續(xù)回?fù)糁校?9.86%的后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状螐姸?。由此說明，多回?fù)舻亻W中，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃分別占多回?fù)舻亻W總數(shù)的82.52%和57.87%；在多回?fù)舻亻W后續(xù)回?fù)糁校亻W約有9%的后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状位負(fù)魪姸?，?fù)地閃約有20%的后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状位負(fù)魪姸取?/p>

表3 2007—2018年不同類型的多回?fù)舻亻W次數(shù)、回?fù)舸螖?shù)及其百分比分布

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2次回?fù)舻腟型多回?fù)粽亻W次數(shù)占2次回?fù)粽亻W總數(shù)的17.16%，3次和4次回?fù)舻腟型多回?fù)粽亻W次數(shù)分別占其相應(yīng)正地閃總數(shù)的28.79%和28.57%。由圖1可看出，S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比隨著其回?fù)舸螖?shù)的增加大致呈拋物線型變化，回?fù)舸螖?shù)在2～7次時，S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比隨著地閃回?fù)舸螖?shù)的增加而增加，回?fù)舸螖?shù)在7～10次時，隨著地閃回?fù)舸螖?shù)的增加而減少；回?fù)舸螖?shù)在5～7次時，S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比在50%以上，其他回?fù)舸螖?shù)的S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比均在50%以下，其中2次回?fù)舻淖畹蜑?8.14%，10次和11次回?fù)舻陌俜直仍?1%以下。由于多回?fù)粽亻W最多回?fù)舸螖?shù)只有4次，且次數(shù)相對較少，因此，F(xiàn)型和S型多回?fù)艨偟亻W百分比隨地閃回?fù)舸螖?shù)的變化幾乎與負(fù)地閃相同。

圖1 2007—2018年S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比隨地閃回?fù)舸螖?shù)的變化

3.2 雷電流幅值分布特征

3.2.1 全回?fù)衾纂娏鞣捣植?/p>

3.2.1.1 全回?fù)糁兄惦娏?/p>

統(tǒng)計2007—2018年不同類型多回?fù)舻亻W全回?fù)糁兄道纂娏鞣?簡稱中值電流)表明，F(xiàn)型、S型、T型多回?fù)粽亻W中值電流分別為62.20 kA、50.10 kA和59.30 kA，多回?fù)糌?fù)地閃中值電流分別為35.90 kA、34.30 kA和35.10 kA，F(xiàn)型、S型多回?fù)艨偟亻W中值電流與負(fù)地閃相同，T型多回?fù)艨偟亻W中值電流比負(fù)地閃僅大0.1 kA。因多回?fù)糌?fù)地閃回?fù)艨倲?shù)占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨倲?shù)的99.69%，不同類型的多回?fù)糌?fù)地閃與總地閃中值電流差異很小，甚至幾乎相同，因此，本文在分析多回?fù)舻亻W雷電流幅值分布特征時，只分析多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值分布特征。

上述統(tǒng)計結(jié)果表明，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃中值電流最大，S型中值電流最小，T型中值電流介于F型和S型之間；F型多回?fù)粽亻W中值電流比S型大12.10 kA，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流比S型大1.6 kA；F型、S型和T型多回?fù)粽亻W中值電流分別比負(fù)地閃大26.30 kA、15.80 kA和24.20 kA。

3.2.1.2 全回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)的變化

統(tǒng)計表明，2次回?fù)舻腇型、S型和T型正地閃中值電流分別為62.40 kA、49.90 kA和59.30 kA，3次回?fù)舻闹兄惦娏鞣謩e為61.90 kA、63.00 kA和62.45 kA。由圖2可看出，全回?fù)鬎型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨著回?fù)舸螖?shù)的增加整體均呈明顯減少趨勢；回?fù)舸螖?shù)相同的情況下，F(xiàn)型中值電流最大，S型中值電流最小，二者相差在0.3～1.6 kA之間，T型中值電流介于F型和S型之間。由此可見，多回?fù)糌?fù)地閃的中值電流隨著地閃回?fù)舸螖?shù)的增加呈減少趨勢，F(xiàn)型中值電流比S型中值電流相對較大。

圖2 全回?fù)舨煌愋投嗷負(fù)糌?fù)地閃中值電流隨回?fù)舸螖?shù)變化

3.2.2 首次回?fù)衾纂娏鞣捣植?/p>

3.2.2.1 首次回?fù)糁兄惦娏?/p>

統(tǒng)計顯示，F(xiàn)型、S型和T型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為104.30 kA、40.20 kA和90.90 kA，多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為49.10 kA、31.50 kA和40.00 kA?？梢?，與全回?fù)粢粯?，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏髯畲?，S型中值電流最小，T型中值電流介于F型和S型之間；F型、S型和T型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e比負(fù)地閃大8.70 kA、55.20 kA和50.90 kA；F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞅榷嗷負(fù)糌?fù)地閃大55.20 kA。由此說明，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏髯畲?，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏髟?00 kA以上，在雷電防護工程中，應(yīng)重點防御F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)舸罄纂娏鞣狄鸬姆磽簟?/p>

3.2.2.2 首次回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)的變化

統(tǒng)計表明，F(xiàn)型、S型和T型3次回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為122.70 kA、52.40 kA和115.10 kA，比2次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e大19.55 kA、12.65 kA和24.50 kA。由圖3可看出，F(xiàn)型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏麟S其回?fù)舸螖?shù)的增加整體呈增加趨勢，如2次回?fù)舻腇型、S型和T型中值電流分別為45.20 kA、30.20 kA和38.30 kA，10次回?fù)舻呢?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為79.15 kA、43.90 kA和63.50 kA?；?fù)舸螖?shù)相同的情況下，F(xiàn)型中值電流最大，S型中值電流最小，二者相差在15.00～35.25 kA之間，T型中值電流介于F型和S型之間。

圖3 不同類型多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)變化

3.2.3 后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣捣植?/p>

3.2.3.1 后續(xù)回?fù)糁兄惦娏?/p>

統(tǒng)計表明，F(xiàn)型、S型和T型多回?fù)粽亻W后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為42.00 kA、60.30 kA和43.90 kA；F型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為30.90 kA、36.20 kA和33.00 kA。統(tǒng)計資料得出，雷電流幅值多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻闹兄惦娏鞅戎捣謩e為0.48和0.83，雷電流幅值算術(shù)平均比值分別為0.52和0.77，算術(shù)平均的比值比曾金全等[20]統(tǒng)計得出的福建省多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃比值為0.60和0.80要稍小一些，但多回?fù)糌?fù)地閃比值比郄秀書等[33]研究中國內(nèi)地高原多回?fù)糌?fù)地閃的比值為0.70要大。這種差異可能與統(tǒng)計樣本數(shù)量、統(tǒng)計方法以及地理氣候環(huán)境有關(guān)。

3.2.3.2 后續(xù)回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)的變化

統(tǒng)計可知，F(xiàn)型、S型和T型3次回?fù)粽亻W后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為47.95 kA、64.15 kA和51.10 kA，比2次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e大6.05 kA、3.85 kA和7.40 kA。由圖4可看出，S型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨其回?fù)舸螖?shù)的增加呈減少趨勢，如2次回?fù)舻闹兄惦娏鳛?0.40 kA，7次以上的回?fù)糁兄惦娏髟?2.10～32.50 kA之間；F型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨其回?fù)舸螖?shù)的增加整體呈弱的增加趨勢，如2次回?fù)舻闹兄惦娏鳛?0.10 kA，7次以后的回?fù)糁兄惦娏髟?2.05～32.30 kA之間，其主要原因是首次回?fù)舻闹兄惦娏鲝姸入S其回?fù)舸螖?shù)的增加而增加，后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)糁兄惦娏鲝姸瘸室欢ū壤P(guān)系，因此，多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏麟S其回?fù)舸螖?shù)的增加呈弱的增加趨勢；T型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨其回?fù)舸螖?shù)的增加呈弱的減少趨勢，除2次回?fù)敉猓渲兄惦娏髟?2.10～32.80 kA之間，其主要原因是F型和S型多回?fù)糌?fù)地閃共同影響的結(jié)果。由此可見，多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏髟?0.40 kA以下，2次以上回?fù)舻闹兄惦娏髟?6 kA以下，7次以上回?fù)舻腇型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏髭呌谙嗤?，其中值電流?2.10～32.50 kA之間。

圖4 不同類型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)變化

3.3 雷電流幅值累積概率分布特征

3.3.1 雷電流幅值累積概率統(tǒng)計分布特征

雷電流幅值概率分布一直是國內(nèi)外防雷界非常重視的雷電參數(shù)之一，在繞擊和反擊防雷計算中占據(jù)十分重要的位置，根據(jù)雷電防護分類和繞擊區(qū)段的雷電流幅值[34-35]，表4給出了不同回?fù)纛愋秃筒煌愋偷亩嗷負(fù)舻亻W及其不同雷電流幅值累積概率分布。由表4可看出，雷電流幅值大于100 kA、150 kA和200 kA時，除S型多回?fù)粽亻W首次回?fù)衾纂娏鞣荡笥?00 kA外，其他不同回?fù)纛愋秃筒煌愋投嗷負(fù)粽亻W的雷電流幅值累積概率均大于相應(yīng)多回?fù)糌?fù)地閃。如全回?fù)鬞型正地閃雷電流幅值大于100 kA的累積概率為24.95%，負(fù)地閃為1.97%，是負(fù)地閃累積概率的12.64倍，說明多回?fù)粽亻W發(fā)生大于100 kA的雷電流幅值概率是多回?fù)糌?fù)地閃的12倍以上，更易發(fā)生雷電反擊的危害。雷電流幅值小于等于40 kA，不同回?fù)纛愋秃筒煌愋投嗷負(fù)粽亻W的雷電流幅值累積概率均小于相應(yīng)多回?fù)糌?fù)地閃，如全回?fù)鬞型正地閃雷電流幅值累積概率為27.76%，負(fù)地閃為62.68%，后者是前者的2.26倍，說明多回?fù)糌?fù)地閃發(fā)生繞擊區(qū)段的雷電流幅值概率是多回?fù)粽亻W的2倍以上。

表4 2007—2018年不同多回?fù)舻亻W、回?fù)纛愋屠纂娏鞣道鄯e概率(%)

比較表4中不同回?fù)纛愋偷腡型多回?fù)舻亻W可看出，雷電流幅值大于100 kA，T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)舾怕首畲?，分別為44.06%和4.64%，后續(xù)回?fù)舾怕首钚?，分別為6.41%和0.43%；雷電流幅值小于等于40 kA，T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣蹈怕首畲螅謩e為41.80%和69.92%，首次回?fù)糇钚?，分別為13.31%和50.15%。比較表4中各不同類型多回?fù)舻亻W可見，雷電流幅值大于100 kA，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的首次回?fù)舾怕首畲蠓謩e為52.21%和7.94%，F(xiàn)型后續(xù)回?fù)舾怕首钚?，分別為3.70%和0.11%；雷電流幅值小于等于40 kA，S型多回?fù)粽亻W首次回?fù)舾怕首畲鬄?9.89%，F(xiàn)型首次回?fù)舾怕首钚?.56%；F型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣敌∮诘扔?0 kA的概率最大為77.71%，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)舾怕首钚?1.01%。

上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，多回?fù)粽亻W雷電流幅值大于100 kA的概率是多回?fù)糌?fù)地閃發(fā)生概率的12倍以上，多回?fù)糌?fù)地閃發(fā)生雷電流幅值小于等于40 kA的概率是多回?fù)粽亻W的2倍以上；多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)衾纂娏鞣荡笥?00 kA的概率最大，分別為44.06%和4.64%，后續(xù)回?fù)舳嗷負(fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值小于等于40 kA的概率最大，分別為41.80%和69.92%，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的首次回?fù)衾纂娏鞣荡笥?00 kA的概率最大分別為52.21%和7.94%，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣敌∮诘扔?0 kA的概率最大為77.71%。由此可見，在防御雷電反擊方面，應(yīng)重點考慮多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)?，尤其是F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)?；在雷電繞擊防護方面，應(yīng)重點防御多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)?，尤其是F型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)簟?/p>

3.3.2 雷電流幅值累積概率擬合公式

我國學(xué)者研究表明，采用IEEE工作組推薦的表達式擬合雷電流幅值累積概率的效果要好于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的表達式[35-38]。因此，根據(jù)IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率公式，可將雷電流幅值累積概率分布擬合成如下表達式[35,39-42]：

上式中的I為雷電流幅值，I∈(2 kA，200 kA]。P是指雷電流幅值＞I的累積概率；參數(shù)a表示中值雷電流幅值，即雷電流幅值＞a的累積概率為50%，隨著a的增大，中值雷電流幅值增大，反映某一地區(qū)的雷電流幅值普遍較大；參數(shù)b反映了曲線變化程度，隨著b增大，中值雷電流附近的曲線變陡，雷電流幅值集中性越強[35-36]。

根據(jù)2007—2018年全回?fù)簟⑹状位負(fù)艉秃罄m(xù)回?fù)鬎型、S型和T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值，計算其大于不同雷電流幅值的累積概率，根據(jù)趙淳等[43]提供的“中值電流”法，分別計算上述各類型大于不同雷電流幅值累積概率表達式中的a、b參數(shù)值(表5)。統(tǒng)計分析表明，表5中擬合得出的各不同類型的多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的a值與統(tǒng)計得出的中值電流基本相同，正地閃相差絕對值在0.02～0.47 kA，負(fù)地閃相差絕對值小于等于0.06 kA；正地閃擬合公式的相關(guān)系數(shù)在0.9944～0.9994之間，負(fù)地閃擬合公式的相關(guān)系數(shù)在0.9984～0.9995之間，說明擬合效果顯著。

表5 2007—2018年不同多回?fù)舻亻W、回?fù)纛愋屠纂娏鞣道鄯e概率擬合公式中的a、b參數(shù)值

從表5中可看出，各不同類型的多回?fù)粽亻Wa值均大于相應(yīng)類型的負(fù)地閃，b值均小于相應(yīng)類型的負(fù)地閃；在T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃中，首次回?fù)舻腶值最大，后續(xù)回?fù)舻腶值最小。說明各不同類型的多回?fù)粽亻W的中值電流均大于負(fù)地閃，首次回?fù)舸笥诤罄m(xù)回?fù)?，多回?fù)糌?fù)地閃的雷電流幅值累積概率曲線，在中值電流附近均比正地閃要更陡一些。

為進一步了解雷電流幅值累積概率曲線中的中值電流a值附近的集中性與反映曲線陡度的b值之間的關(guān)系，統(tǒng)計表5中正地閃和負(fù)地閃a值±10 kA、±15 kA和±20 kA，雷電流幅值累計概率，并與表5中的b值進行回歸分析，結(jié)果表明，a值附近的雷電流幅值累積概率與b值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.9112～0.8734，達極顯著水平。統(tǒng)計可知，隨著中值電流附近雷電流變化幅度的增加，其相關(guān)系數(shù)呈減少趨勢。由此說明，雷電流幅值累積概率曲線的b值越大，其中值電流附近的累計概率越大，雷電流的堆積性越強。上述分析表明，在實際雷電防護工程應(yīng)用中，可根據(jù)表5中的相關(guān)數(shù)據(jù)得到不同類型多回?fù)舻亻W的雷電流幅值累計概率擬合公式，進一步了解中值電流大小及其附近雷電流幅值分布的集中性。

4 結(jié)論

(1)多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃次數(shù)占其地閃總數(shù)的百分比分別為2.06%、34.76%和32.64%；多回?fù)糌?fù)地閃回?fù)舸螖?shù)占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨倲?shù)的99.69%；多回?fù)糌?fù)地閃99%以上為7次以下回?fù)?。多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舻拇螖?shù)分別占其回?fù)艨倲?shù)的0.01%、0.42%和0.40%，在多重回?fù)舻亻W中，99.91%為負(fù)地閃。

(2)多回?fù)舻亻W中，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃分別占多回?fù)舻亻W總數(shù)的82.52%和57.87%；在多回?fù)舻亻W后續(xù)回?fù)糁?，正地閃約有9%的后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状位負(fù)魪姸龋?fù)地閃約有20%的后續(xù)回?fù)魪姸却笥谑状位負(fù)魪姸取?/p>

(3)多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃中值電流分別為59.30 kA和35.10 kA，首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為90.90 kA和40.00 kA，后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為43.90 kA和33.00 kA；F型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)舻闹兄惦娏髯畲蠓謩e為104.30 kA和49.10 kA。多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)糁兄惦娏鞯谋戎捣謩e為0.48和0.83。

(4)首次回?fù)糁?，多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值大于100 kA的累積概率分別為44.06%和4.64%，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃大于100 kA的累積概率最大分別為52.21%和7.94%；后續(xù)回?fù)糁?，多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值小于等于40 kA的累積概率分別為41.80%和69.92%，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃雷電流幅值小于等于40 kA的累積概率最大為77.71%。

(5)擬合得出的不同類型的多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的a值與統(tǒng)計得出的中值電流基本相同，擬合效果顯著。擬合公式中a值附近的雷電流幅值累積概率與b值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，b值越大，其中值電流附近的累計概率越大，雷電流的堆積性越強。

5 討 論

(1)在雷電防護工程應(yīng)用中，可根據(jù)表5中的相關(guān)數(shù)據(jù)得到不同類型多回?fù)舻亻W的雷電流幅值累積概率擬合公式中的a值和b值，可得到某一區(qū)域中值電流及中值電流附近雷電流幅值分布的集中性。在防御雷電反擊方面，應(yīng)重點考慮多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)?，尤其是F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)?；在雷電繞擊防護方面，應(yīng)重點防御多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)?，尤其是F型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)簟?/p>

(2)本文在統(tǒng)計分析時，去掉了2個站監(jiān)測的地閃資料，僅采用3站及以上的監(jiān)測資料，這樣就可能將某一次多回?fù)舻亻W中，只能兩站監(jiān)測的較小雷電流，尤其是后續(xù)回?fù)糨^小的雷電流幅值資料去掉，其結(jié)果在一定程度上增加了后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣灯骄岛椭兄惦娏鳌?/p>

(3)本文是基于LLS監(jiān)測得到的雷電流幅值，因此，統(tǒng)計分析的雷電流幅值可能與實際值有一定誤差，但得出的不同類型多回?fù)舻亻W雷電流幅值及其變化趨勢應(yīng)該是可信的。因雷擊大地的雷電流幅值強度與天氣系統(tǒng)、雷雨云電荷分布、地理氣候、地理緯度、海拔高度等有關(guān)，而且雷電對地放電具有隨機性和復(fù)雜性。因此，本文研究的多回?fù)舻亻W次數(shù)、雷電流幅值變化規(guī)律及其在雷電防護工程的應(yīng)用，以及繼后回?fù)綦娏鲝姸却笥谑状位負(fù)舻脑蜻€有待應(yīng)用檢驗和進一步深入研究。