基于閃電定位儀資料的甘南州閃電時空分布特征研究

王祥文，周 昱，張艷榮，金滿慧

甘南藏族自治州氣象局，甘肅合作 747000

雷電是發(fā)生在自然大氣中的瞬間放電現(xiàn)象，并同時伴有聲、光的出現(xiàn)。當(dāng)雷暴云中部分區(qū)域積累了足夠強(qiáng)的正（負(fù)）電荷，使得空間或地面某處的電場強(qiáng)度達(dá)到了擊穿大氣的值，則產(chǎn)生雷擊[1]。雷電災(zāi)害泛指雷擊或雷電電磁脈沖入侵和影響造成人員傷亡或物體受損，其部分或全部功能喪失，造成較大的社會和經(jīng)濟(jì)損失[2]。隨著快速發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)和不斷提高的民眾生活水平，雷電災(zāi)害對整個社會造成越來越嚴(yán)重的影響[3]。近年來，國內(nèi)有大量從事雷電防護(hù)或氣象災(zāi)害防御的學(xué)者利用閃電定位儀資料對雷電進(jìn)行了大量的研究。王慧等[4]利用湖北省2015—2016年VLF/LF三維閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)的探測資料,分析了湖北省閃電的總閃、云閃和地閃的日變化、月變化和密度變化特征。任照環(huán)等[5]利用閃電定位儀數(shù)據(jù)進(jìn)行重慶市雷電災(zāi)害風(fēng)險等級劃分。此外，國內(nèi)研究者對湖南省、海南省、四川省、青海省、遼寧省、貴州省等地區(qū)的雷電活動時空特征也進(jìn)行了大量的研究[6-11]。

甘南藏族自治州（以下簡稱甘南州）位于中國甘肅省西南部，地處青藏高原東北邊緣與黃土高原西部過渡地段，境內(nèi)山巒重疊，溝谷縱橫，地形錯綜復(fù)雜，造成雷電的時空分布存在一定的差異。

本研究利用2012—2021年閃電定位儀資料，分析了甘南州境內(nèi)所發(fā)生的雷電活動的時空分布特征，進(jìn)而探索有效的、針對性強(qiáng)的甘南州雷電災(zāi)害防御對策，同時為雷擊風(fēng)險評估、雷電防護(hù)工程設(shè)計、工程項目選址等提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

本研究所用閃電定位儀資料來源于甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，由中國氣象局下發(fā)。甘南州合作市自2012年10月進(jìn)行閃電定位儀觀測收集工作，所用資料年限僅為2012年10月—2021年10月，共計9年。

時間分布分析：對9年的閃電定位儀資料分別進(jìn)行了逐年、逐月、逐時統(tǒng)計（即00:00～01:00，01:00～02:00等24個時次），統(tǒng)計了每年、每月、每小時的閃電總頻次、正閃頻次、負(fù)閃頻次，以及電流強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

空間分布分析：制作基礎(chǔ)底圖，選擇覆蓋甘南州地區(qū)的33.10°N～36.16°N，100.76°E～104.73°E，按 照0.1°×0.1°的格距將甘南州地區(qū)分成1 092個正方形網(wǎng)格，綜合甘南州的矢量地圖生成甘南州的柵格地圖，通過統(tǒng)計各正方形內(nèi)共發(fā)生的閃電次數(shù)（即閃電密度)、總閃最大電流強(qiáng)度、正閃和負(fù)閃最大電流強(qiáng)度，并采用ArcGIS軟件進(jìn)行相應(yīng)圖形的繪制，從而實現(xiàn)了閃電數(shù)據(jù)與地理信息的疊加與實踐應(yīng)用，為掌握甘南州閃電活動空間規(guī)律和演變特征提供了理論。

2 甘南州閃電的時間分布特征

2012年10月—2021年10月，甘南州共計發(fā)生閃電39 948次，閃電活動最早開始日期為2月12日，最遲結(jié)束時間為11月19日。最大正閃電流強(qiáng)度為409.906 3 kA，最大負(fù)閃電流強(qiáng)度為-949.513 9 kA。

2.1 閃電頻次的年變化特征

由統(tǒng)計資料可知，2012年10月—2021年10月年均閃電頻次為4 439次，2019年閃電活動最頻繁，共計8 708次，2014年閃電活動最不活躍，僅有1 315次。最多年份是最少年份的6.6倍，說明閃電頻次年變化顯著。

2013年正閃占比最高，為42.77%；2018年負(fù)閃占比最高，為85.51%。在39 948次閃電中，正閃為970次，占總閃的21.85%；負(fù)閃為3 469次，占總閃的78.15%；負(fù)閃次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正閃次數(shù)，負(fù)閃次數(shù)是正閃次數(shù)的3.58倍，即每發(fā)生3.58次負(fù)閃才有1次正閃發(fā)生，其主要原因與雷暴云的結(jié)構(gòu)有關(guān)，雷暴云一般呈上正下負(fù)的電荷結(jié)構(gòu)，當(dāng)其產(chǎn)生對地放電時，位于下部的負(fù)電荷離地面比較近，更容易對地放電[11]。

2.2 閃電頻次的月變化特征

通過統(tǒng)計分析可知，正閃、負(fù)閃和總閃的頻次月變化均呈單峰型態(tài)勢，l月和12月為無閃電月，2—3月開始出現(xiàn)閃電，4—7月閃電逐漸增多，8月出現(xiàn)一個閃電頻數(shù)的明顯躍增并達(dá)到峰值，為12 522次，占總閃電頻次的31.35%；9月開始大幅度減少，閃電頻次為6 131次，占總閃電頻次的15.35%；10月閃電活動持續(xù)減少，11月閃電發(fā)生次數(shù)極少。

針對在建設(shè)工程項目管理工作中存在的問題，企業(yè)應(yīng)實行定員定崗的崗位工作責(zé)任制。將企業(yè)控制成本的工作責(zé)任落實到涉及工程建設(shè)項目的每一個人身上。例如：負(fù)責(zé)合同擬定和管理的部門要與業(yè)主和各級部門做好合同內(nèi)容的溝通工作，明確合同各條款內(nèi)容。對存在爭議的部分要及時作出有效的溝通。施工內(nèi)容或者材料價格變更時要及時與業(yè)主溝通，劃分好責(zé)任。施工人員對施工工藝和施工設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理，確保施工工作正常有序的進(jìn)行。這樣將責(zé)任細(xì)化分配給各個崗位的工作者，不僅可以增加施工工程的工作效率，也可以有效的將責(zé)任與成本結(jié)合起來，達(dá)到控制成本的目的。

閃電活動主要集中在4—10月，即汛期，該時期處于春夏之交直至深秋，受降水、氣溫、日照等多方面氣象要素影響，導(dǎo)致該時期閃電活動頻發(fā)，該時段累計閃電頻次達(dá)39 752次，占總閃電頻次的99.50%，其中負(fù)閃為31 089次，占該時段閃電總頻次的78.21%。

2.3 閃電頻次的日變化特征

由歸納分析可知，甘南州境內(nèi)的閃電活動在各個時段均有發(fā)生，逐時日變化呈單峰型態(tài)勢分布。閃電活動主要集中在13:00～24:00且以負(fù)閃為主，該時段共計發(fā)生閃電活動34 455次，約占全天的88.40%，其中負(fù)閃為27 444次，占該時段閃電總頻次的79.65%；在18:00～19:00達(dá)到峰值，發(fā)生閃電活動5 076次，超過全天的10%；03:00～13:00是一天中閃電活動頻率相對偏低的時段，而08:00～09:00是閃電活動發(fā)生頻率最低的時段，僅有57次，閃電活動頻率最高時段是最低時段的89倍。

13:00～24:00，受太陽輻射直接或間接的加熱作用，導(dǎo)致大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而容易形成對流天氣，因此該時段是甘南州地區(qū)閃電相對集中發(fā)生期，也是雷電防御的關(guān)鍵時段。

2.4 閃電強(qiáng)度的年變化特征

通過統(tǒng)計、計算得知：2012—2021年甘南州閃電平均強(qiáng)度為53.694 6 kA，負(fù)閃平均強(qiáng)度為-47.125 1 kA，正閃平均強(qiáng)度為59.964 1 kA，正閃的強(qiáng)度比負(fù)閃強(qiáng)度高1.27 倍；最大正閃發(fā)生在2021年9月28日卓尼縣，電流強(qiáng)度為409.906 3 kA；最大負(fù)閃發(fā)生在2019年7月28日迭部縣，電流強(qiáng)度為-949.513 9 kA。

閃電活動以負(fù)閃為主，占總閃的78.15%，正閃占總閃的21.85%。39 948次閃電中電流強(qiáng)度小于50 kA 的閃電占70.16%，強(qiáng)度在50～100 kA的閃電占24.51%，強(qiáng)度在100～150 kA 的閃電占3.67%，強(qiáng)度大于150 kA 的閃電占1.66%。電流強(qiáng)度分布主要在0～50 kA范圍內(nèi)（表1）。

表1 2012—2021年閃電強(qiáng)度統(tǒng)計表

2.5 閃電強(qiáng)度的月變化特征

由資料統(tǒng)計分析可知，負(fù)閃最大值在7月達(dá)到峰值，強(qiáng)度為-949.5139 kA，4月、5月、6月、9月 的 強(qiáng) 度 范 圍在-500 kA左右，2月、11月的強(qiáng)度明顯小于-500 kA，負(fù)閃呈現(xiàn)準(zhǔn)正態(tài)分布；正閃最大值除2月、3月、9月外，強(qiáng)度范圍保持在350 kA左右；總閃最大值與負(fù)閃最大值變化趨勢基本一致，呈準(zhǔn)正態(tài)分布，在7月達(dá)到峰值。

2.6 閃電強(qiáng)度的日變化特征

通過統(tǒng)計分析2012—2021年甘南州閃電強(qiáng)度日變化可以得知：負(fù)閃強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在2019年7月28日18:44:07，強(qiáng)度為-949.513 9 kA；正閃強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在2021年9月28日07:34:55，強(qiáng)度為409.906 3 kA。

通過分析可知，總閃平均值、正閃平均值和負(fù)閃平均值的變化趨勢基本一致，都是單峰型，最大峰值出現(xiàn)在10:00～11:00之間，總閃平均值為112.718 5 kA，正閃平均值為119.226 2kA，負(fù)閃平均值為-106.210 8 kA。出現(xiàn)該情況的可能是由于該時段閃電活動少，但是電流強(qiáng)度較強(qiáng)，最終導(dǎo)致該時段電流強(qiáng)度平均值高于其他時段。

3 甘南州閃電的空間分布特征

3.1 閃電頻次的空間分布特征

根據(jù)甘南州閃電頻次空間分布圖可知，甘南州各地區(qū)的閃電頻次不同，說明甘南州地區(qū)的閃電活動在空間分布存在地域差異，這是由于甘南州地形錯綜復(fù)雜造成的差異。閃電頻次呈現(xiàn)南多北少、西多東少、西南地區(qū)閃電頻次高于東北地區(qū)閃電頻次的趨勢。閃電活動高發(fā)區(qū)主要集中在瑪曲縣的西部和南部、碌曲縣、夏河縣南部、卓尼縣西南部，這與相關(guān)地區(qū)的地形地貌、強(qiáng)輻射及對流性天氣有關(guān)。合作市、臨潭縣、舟曲縣及迭部縣閃電活動相對較少。

3.2 閃電強(qiáng)度的空間分布特征

分析得知：負(fù)閃強(qiáng)度空間分布大體上與總閃強(qiáng)度空間分布一致。正閃強(qiáng)度空間分布與總閃強(qiáng)度空間分布不同，表現(xiàn)為高值小，且高值中心主要分布在總閃高值發(fā)生偏少的區(qū)域；閃電強(qiáng)度的高值區(qū)主要分布在瑪曲縣、碌曲縣和夏河縣，其他地區(qū)較為分散。閃電強(qiáng)度空間分布均呈現(xiàn)西高東低的特征，正閃平均電流強(qiáng)度為577.419 7 kA，負(fù)閃平均電流強(qiáng)度為-434.740 9 kA，正、負(fù)閃電流強(qiáng)度絕對值主要集中在0～100 kA。

圖1 閃電頻次空間分布圖

圖2 閃電強(qiáng)度空間分布圖

4 結(jié)論

本研究基于2012—2021年甘南州閃電定位儀資料，采用數(shù)理統(tǒng)計和ArcGIS空間分析方法，分析了發(fā)生在甘南州的雷電次數(shù)、強(qiáng)度的時空分布特征，得到以下主要結(jié)論。

（1）從年變化來看，2012年10月—2021年10月甘南州地區(qū)共發(fā)生39 948次閃電，其中負(fù)閃31 220 次，占總閃的78.15%，正閃8 728次，占總閃的21.85%。正負(fù)閃次數(shù)比例為1:3.58，以負(fù)閃為主。

（2）從月分布來看，甘南州閃電頻次月變化呈單峰型態(tài)勢分布，閃電活動主要集中在4—10月，即汛期，該時段累計閃電頻次達(dá)39 752次，占總閃電頻次的99.50%，其中負(fù)閃為31 089次，占該時段閃電總頻次的78.21%；在此期間，8月閃電活動最頻繁。

（3）從日分布來看，甘南州地區(qū)的閃電總頻次逐時日變化呈單峰型態(tài)勢分布規(guī)律，閃電活動頻率較高的時段主要集中在13:00～24:00，且以負(fù)閃為主，該時段是甘南州地區(qū)對流性雷電天氣相對集中發(fā)生期，也是雷電防御的關(guān)鍵時段。

（4）從閃電強(qiáng)度來看，電流強(qiáng)度峰值分布主要在0～50 kA范圍，占總數(shù)的70.16%；閃電年平均強(qiáng)度為53.694 6 kA，負(fù)閃年平均強(qiáng)度為-47.125 1 kA，正閃年平均強(qiáng)度為59.964 1 kA。正閃的強(qiáng)度比負(fù)閃強(qiáng)度高1.27 倍。

（5）從閃電密度空間分布來看，閃電頻次呈現(xiàn)南多北少，西多東少、西南地區(qū)閃電頻次高于東北地區(qū)閃電頻次的趨勢。閃電活動高發(fā)區(qū)主要集中在瑪曲縣的西部和南部、碌曲縣、夏河縣南部、卓尼縣西南部。

（6）從閃電強(qiáng)度空間分布來看，閃電強(qiáng)度的高值區(qū)主要分布在瑪曲縣、碌曲縣和夏河縣，其他地區(qū)較為分散，整體呈現(xiàn)西高東低的分布特征，正、負(fù)閃電流強(qiáng)度絕對值主要集中在0～100 kA。