廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分

侯林松　王璐思　曹廣成　袁中濤

摘 要：利用排除小幅值干擾的2005—2016年廣元市雷電監(jiān)測數據，采用克里金-高斯函數模型插值分析，通過自然間斷點法對廣元市雷電易發(fā)區(qū)進行劃分，并利用1990—2013年廣元市人工觀測資料計算出的結果對該劃分結果進行驗證。結果表明：廣元市雷電易發(fā)性由南向北逐漸降低，雷電高易發(fā)區(qū)主要分布在劍閣縣以及青川縣南部，昭化區(qū)西部和中部;中易發(fā)區(qū)主要分布在青川縣中部，利州區(qū)、旺蒼縣南部以及蒼溪縣大部分區(qū)域;低易發(fā)區(qū)主要分布在朝天區(qū)以及旺蒼北部，青川的北部和西部。劃分結果能通過人工觀測資料的對比驗證，用該方法做出的廣元市雷電易發(fā)區(qū)的區(qū)劃結果具有較高的可靠性。

關鍵詞：雷電易發(fā)區(qū);雷電監(jiān)測;廣元市

中圖分類號：P429文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0141-03

Abstract： Using the lightning monitoring data of Guangyuan City from 2005 to 2016 excluding small amplitude interference， the lightning prone areas of Guangyuan City were divided by using the natural discontinuity method by using Kriging Gaussian function model interpolation analysis， and the division results were verified by using the results calculated from the manual observation data of Guangyuan City from 1990 to 2013. The results show that the lightning susceptibility of Guangyuan City decreases gradually from south to north， and the high lightning susceptibility areas are mainly distributed in the south of Jiange county and Qingchuan County， the West and middle of Zhaohua district; Middle prone areas are mainly distributed in the middle of Qingchuan County， Lizhou District， the south of Wangcang County and most areas of Cangxi County; Low risk areas are mainly distributed in Chaotian District， the north of Wangcang and the north and west of Qingchuan. The division results can be verified by the comparison of manual observation data. The division results of lightning prone areas in Guangyuan City made by this method have high reliability.

Keywords： lightning prone area;lightning monitoring;Guangyuan City

廣元市地處四川北部邊緣，山地向盆地過渡地帶，強對流天氣頻發(fā)，每年都有因雷電造成的人員和財產損失。開展廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分不僅符合《國務院關于優(yōu)化建設工程防雷許可的決定》（國發(fā)〔2016〕39號）提出的明確要求，而且是廣元市開展防雷減災工作的重要環(huán)節(jié)。近年來，多數學者對雷電易發(fā)性進行等級劃分。胡穎利用ArcGIS軟件制作了2007—2016年云南省年平均閃電密度分布圖，真實反映出云南省近10年雷電發(fā)生的實際情況;同時，采用自然斷點法將云南省雷電易發(fā)性等級劃分為五個等級，分別為：一般易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、極高易發(fā)區(qū)，并指出各雷電易發(fā)等級的分布區(qū)域[1]。吳安坤等利用近10年閃電監(jiān)測資料生成貴州省地閃密度分布圖，采用自然間斷分類法進行雷電易發(fā)性等級劃分，準確地標識出貴州省雷電發(fā)生的實際情況[2]。本文采用排除小幅值干擾的2005—2016年廣元市雷電監(jiān)測數據，通過插值分析、自然斷點分類完成對廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分，最后利用人工觀測的年均雷暴日數對劃分結果進行檢驗，驗證劃分結果的準確性。

1 資料和方法

1.1 資料來源和質量控制

本次研究中使用的雷電數據來源于四川省ADTD型閃電監(jiān)測系統(tǒng)2005—2016年記錄的廣元地區(qū)509 454條雷電數據，其中包含時間、經緯度、雷電流強度等記錄;區(qū)劃所用的地理信息圖層為2019年鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃調整前廣元市的市縣邊界圖層;對比檢驗所用的人工觀測雷暴日數為1990—2013年廣元市5個國家氣象站觀測數據，其中，劍閣新縣城的氣象站人工觀測雷暴日數僅持續(xù)兩年，數據記錄不足，因此選用劍閣老縣城氣象站記錄的1990—2011年人工觀測雷暴日數。

目前，國內外學者普遍認為，閃電定位資料中存在雷電流強度的小幅值干擾情況。對于小幅值的范圍，國內外學者均提出不同的界定值[3-4]，主要界定值有2 kA、5 kA、10 kA。由于雷電是一種自然天氣現象，在不同地形地貌、氣候條件下，雷電強度的小幅值界定值也會存在一定的差異。參考國內學者對小幅值地閃范圍的研究方法[5-6]，可以利用函數擬合的方法排除雷電流強度的小幅值干擾。為了便于研究計算，將負地閃雷電流強度進行取絕對值處理，如表1所示。從表1可知，隨著雷電流強度的降低，對應強度范圍內的雷電發(fā)生頻次呈下降趨勢，雷電流強度小于2 kA的雷電數據占總數的0.001%，結合對小幅值地閃范圍的研究結論，直接將其作為干擾數據剔除。當雷電流強度在6 kA以下時，雷電數據占比達到10%以上，不宜作為干擾數據被剔除。因此，本文主要是對剔除雷電流強度分別為3 kA、4 kA、5 kA以下的雷電數據進行函數擬合，確定界定值，排除小幅值數據干擾。

廣元地區(qū)雷電流強度分布具有正態(tài)分布特征，對2005—2016年完整雷電監(jiān)測數據進行正態(tài)分布擬合（見圖1），雷電流強度在4 kA位置時與擬合曲線的擬合度程度最佳。將分別剔除雷電流強度小于3 kA、小于4 kA、小于5 kA的數據進行正態(tài)分布擬合（見表2），當剔除小于4 kA的雷電數據時擬合結果更優(yōu)。分析表明，小幅值干擾數據的界定值為4 kA，進行易發(fā)區(qū)劃分時剔除雷電流強度絕對值小于4 kA的雷電監(jiān)測數據。

1.2 劃分方法

用一定區(qū)域內的年平均雷電活動次數來表現該區(qū)域的雷電易發(fā)性。將廣元市地理圖層1 km×1 km區(qū)域內離散的雷電活動頻次數據轉換為連續(xù)的曲面時，為了提高插值計算的準確性，對雷電活動頻次數據進行探索性數據分析，見圖2所示。由圖2可知，廣元市雷電活動的頻次變化分布接近于正態(tài)分布，選用對正態(tài)分布預測精度最高的克里金法進行插值分析。

在利用克里金法進行插值分析時，需要根據數據的特性選擇變異函數模型，可以通過變異函數的擬合曲線判斷雷電活動頻次數據的空間相關性，確定變異函數模型。利用GS+軟件得到數據的球形模型、指數模型、高斯模型擬合參數（見表3），其中，高斯模型自相關性、擬合程度最好（見圖3）。綜上所述，在廣元市雷電易發(fā)區(qū)的區(qū)劃研究中，選用克里金-高斯函數模型進行插值分析。

目前，對雷電易發(fā)區(qū)的劃分級數雖然還沒有統(tǒng)一的標準。在《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》（GB 50343—2012）中，按照雷暴日數劃分了4個雷電活動等級，利用雷擊大地年平均密度計算公式（[Ng=0.1Td]）計算，得到對應的雷擊大地年平均密度分別為2.5次/（km2·a）、4.0次/（km2·a）、9.0次/（km2·a）。對廣元市雷電監(jiān)測數據所統(tǒng)計的廣元市各區(qū)縣行政區(qū)域年平均雷暴日數進行計算，廣元市的雷擊大地年平均密度最大僅為6.5次/（km2·a），廣元市雷電易發(fā)區(qū)劃分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)三個等級最佳。在ArcGIS標準分類方法中，自然斷點分級法能使每一組數據內部的相似性最大，而組與組之間的相異性最大，同時能兼顧每組要素的范圍和個數盡量相近，廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分中使用自然間斷點分級法進行等級劃分。

2 雷電易發(fā)區(qū)劃分

雷電易發(fā)區(qū)劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個等級，自然斷點為2.15和3.57，即平均雷擊大地密度≤2.15次/（km2·a）為低易發(fā)區(qū)，平均雷擊大地密度在2.15～3.57次/（km2·a）為中易發(fā)區(qū)，平均雷擊大地密度≥3.57次/（km2·a）為高易發(fā)區(qū)。通過研究可知廣元市雷電易發(fā)性由南向北逐漸降低，高易發(fā)區(qū)主要分布在劍閣縣以及青川縣南部，昭化區(qū)西部和中部;雷電中易發(fā)區(qū)主要分布在青川縣中部，利州區(qū)、旺蒼縣南部以及蒼溪縣大部分區(qū)域;雷電低易發(fā)區(qū)主要分布在朝天區(qū)以及旺蒼北部，青川的北部和西部。

表4為利用人工觀測年均雷暴日數計算出的雷擊大地年平均密度。按照區(qū)劃研究中的自然斷點劃分，除青川觀測點為低易發(fā)區(qū)外，其余觀測點位于中易發(fā)區(qū)，對比區(qū)劃圖中觀測點所在地理位置的雷電易發(fā)性狀況，青川縣、蒼溪縣、旺蒼縣、劍閣縣觀測點在區(qū)劃圖中的易發(fā)性同人工觀測數據計算劃分出的易發(fā)性結果一致，市本級觀測點雖處于雷電低易發(fā)區(qū)，但在距離其不到1 km處有雷電中易發(fā)區(qū)分布，這一區(qū)域是在人工觀測雷電的距離范圍內。

3 結語

經過對比驗證，該研究方法能完成對廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分。廣元市雷電易發(fā)性由南向北逐漸降低。高易發(fā)區(qū)主要分布在劍閣縣以及青川縣南部，昭化區(qū)西部和中部;雷電中易發(fā)區(qū)主要分布在青川縣中部，利州區(qū)、旺蒼縣南部以及蒼溪縣大部分區(qū)域;雷電低易發(fā)區(qū)主要分布在朝天區(qū)以及旺蒼北部，青川的北部和西部。

參考文獻：

[1]胡穎，殷嫻，周清倩，等.基于ArcGIS的云南省雷電易發(fā)性等級劃分及防范措施[C]//第35屆中國氣象學會年會S19雷電物理和防雷新技術：第十六屆防雷減災論壇.合肥：中國氣象學會，2018：116-121.

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