內(nèi)蒙古地區(qū)雷暴日與雷電日的關(guān)系研究

姜雨蒙

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

雷暴日作為氣象上一個(gè)重要的物理參數(shù)，重點(diǎn)用于評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)雷電活動(dòng)水平與其強(qiáng)度。同時(shí)在雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)、防雷圖紙審核、雷電防護(hù)等級(jí)劃分等工作中都擔(dān)當(dāng)這重要的角色同時(shí)也是雷電科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要指標(biāo)。很長(zhǎng)一段時(shí)間由于設(shè)備與觀測(cè)技術(shù)的限制，雷暴日數(shù)據(jù)的主要來(lái)源為人員觀測(cè)，也正因?yàn)槿绱死妆┤盏臄?shù)據(jù)記錄受到人員、環(huán)境等因素的影響。隨著國(guó)內(nèi)閃電定位系統(tǒng)的逐漸完善，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)閃電數(shù)據(jù)的持續(xù)記錄，能夠自動(dòng)且及時(shí)地記錄了閃電發(fā)生的情況。由于2014年起雷暴日已經(jīng)停止記錄，將用定位網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的雷電日來(lái)代替雷暴日數(shù)據(jù)，鑒于這兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)型在目前還需同時(shí)運(yùn)用，在內(nèi)蒙古這個(gè)東西跨度大且具有復(fù)雜的地理環(huán)境下，對(duì)這兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)——雷暴日和雷電日的特點(diǎn)進(jìn)行初步分析，可以加強(qiáng)對(duì)閃電活動(dòng)的了解，為今后雷電日逐步代替人工觀測(cè)的雷暴日與雷電災(zāi)害鑒定、雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作提供一定的理論依據(jù)。

雷暴日、雷電日的研究各個(gè)國(guó)家的學(xué)者一直都在進(jìn)行。Richard E.Orville等對(duì)美國(guó)閃電密度與雷暴日計(jì)算出的閃電密度進(jìn)行了對(duì)比研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)人工觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的閃電密度與雷暴日計(jì)算得出的閃電密度對(duì)比偏高[1]。在國(guó)內(nèi)也有很多關(guān)于雷電日與雷暴日的研究，杜澍春[2]、陳家宏等[3-4]、張義軍等[5-8]、李照容等[9]、劉巖等[10]在這些方面都做了大量的工作，目前內(nèi)蒙古地區(qū)針對(duì)這方面的研究還相對(duì)比較落后。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 資料來(lái)源

文中雷暴日選取內(nèi)蒙古1973年—2013年119個(gè)氣象站43 a的雷暴日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，閃電定位資料全部來(lái)源于內(nèi)蒙古氣象部門(mén)雷電定位系統(tǒng)，目前，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由56個(gè)ADTD二維閃電定位儀組成，主要采取的定位方法為時(shí)差法和方位混合多站綜合定位，其探測(cè)范圍已經(jīng)能夠覆蓋整個(gè)內(nèi)蒙古自治區(qū)。筆者主要運(yùn)用的數(shù)據(jù)年份為2014年—2019年。每條的閃電資料包括了閃電發(fā)生的時(shí)間、閃電的經(jīng)緯度、閃電的強(qiáng)度與陡度、閃電的正負(fù)極性以及閃電所屬的行政區(qū)域等參數(shù)。為了保證數(shù)據(jù)的完整性與連續(xù)性，最終選取了119個(gè)站中的114個(gè)站作為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 研究方法

筆者使用軟件為Excel與ArcGIS，運(yùn)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選與運(yùn)算，運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)的地理信息處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 按行政區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析雷電日與雷暴日的關(guān)系

首先以行政區(qū)域?yàn)檠芯亢Y選區(qū)域，對(duì)雷暴日與雷電日進(jìn)行對(duì)比分析，雷電日篩選方式為國(guó)家站所在地區(qū)行政邊界為篩選條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，除去在行政區(qū)域內(nèi)沒(méi)有國(guó)家站的地點(diǎn)，一共對(duì)89個(gè)旗縣的平均雷暴日與平均雷電日進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)只有呼和浩特市的回民區(qū)、烏海市的海勃灣區(qū)、包頭市的白云礦區(qū)、呼倫貝爾的滿洲里，以及烏蘭察布市的集寧區(qū)平均雷暴日數(shù)大于平均雷電日數(shù)，其他地區(qū)均為平均雷電日數(shù)大于平均雷暴日數(shù)，且雷暴日數(shù)為雷電日數(shù)的1.1～1.6倍之間，均沒(méi)有超過(guò)2倍。對(duì)這5個(gè)區(qū)域人工觀測(cè)和器測(cè)的雷暴日數(shù)和雷電日數(shù)進(jìn)行了單因素的方差分析與α=0.05的F檢驗(yàn)。得到的結(jié)果如表1所示，通過(guò)方差分析得F=2.14

表1 平均雷暴日數(shù)大于平均雷電日數(shù)所在地區(qū)單因素方差分析

其他各個(gè)地區(qū)的平均雷電日數(shù)全部都比平均雷暴日數(shù)要大，大體上平均雷電日數(shù)是平均雷暴日數(shù)的1.05～6.4倍，最小的為巴彥淖爾市杭錦后旗為1.05倍，最高為阿拉善盟阿拉善右旗6.33倍，36%的地區(qū)平均雷電日數(shù)為平均雷暴日2～3倍。21%的地區(qū)平均雷電日數(shù)為平均雷暴日3倍以上。

隨后又對(duì)全區(qū)89個(gè)旗縣進(jìn)行單因素方差分析和α=0.05的F檢驗(yàn)，得到的結(jié)果如表2所示，分析結(jié)果為F=232.92>F0.05=3.89。從分析的整體上來(lái)看，雷暴日數(shù)與雷電日數(shù)從單區(qū)域?qū)Ρ壬系牟町愡€是非常明顯的。

表2 總體平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)單因素方差分析

由圖1可知，內(nèi)蒙古地區(qū)89個(gè)行政區(qū)域的平均雷電日與平均雷暴日呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.17并不密切。

圖1 平均雷電日與平均雷暴日對(duì)應(yīng)圖

由表1、表2以及圖1可以看出，如果單純地用行政區(qū)域邊界來(lái)界定雷電日數(shù)所得到的結(jié)果雷暴日數(shù)的差異是非常明顯的，這其中的一個(gè)主要問(wèn)題就是行政區(qū)域在劃分的時(shí)候其面積的大小不盡相同，而數(shù)據(jù)的選取面積是確定雷電日數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)，內(nèi)蒙古地區(qū)的89個(gè)旗縣的最大與最小的面積比高達(dá)686.3。而行政區(qū)域的大小對(duì)雷暴日的影響相對(duì)較小，從《氣象觀測(cè)規(guī)范》的規(guī)定“觀測(cè)人員，1天中只要聽(tīng)到1次以上的雷聲，或看見(jiàn)1次閃電，就算1個(gè)雷暴日”中可以看出，雷暴日受人為影響較大。例如地處呼和浩特市的回民區(qū)、烏海市的海勃灣區(qū)、包頭市的白云礦區(qū)雷電日與雷暴日對(duì)比比例較小，因?yàn)檫@幾個(gè)行政區(qū)域均屬于區(qū)域面積較小的區(qū)域，特別像包頭市的白云礦區(qū)才328.64 km2；阿拉善盟的阿拉善左旗、阿拉善右旗、額濟(jì)納旗雷電日與雷暴日對(duì)比比例較大，其行政區(qū)域均超過(guò)了70 000 km2。

2.2 選取不同半徑統(tǒng)計(jì)分析平均雷暴日與平均雷電日關(guān)系

從前面的分析結(jié)果可以看出，各站平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)從行政區(qū)域上分析存在非常大的差異性，所以為了進(jìn)一步了解雷電日與雷暴日的關(guān)系，對(duì)114個(gè)基準(zhǔn)氣候站器測(cè)2014年—2019年的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，分別統(tǒng)計(jì)5 km、10 km、15 km與20 km內(nèi)的雷電日進(jìn)行分析。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)隨著統(tǒng)計(jì)半徑的逐漸增加，統(tǒng)計(jì)到的雷電日數(shù)也在逐個(gè)遞增。為了能更好地與雷暴日的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，想通過(guò)分析得到一個(gè)雷電日觀測(cè)的一個(gè)最優(yōu)半徑：本研究通過(guò)數(shù)據(jù)分析找到雷電日與雷暴日觀測(cè)的最優(yōu)半徑，使得該半徑下各個(gè)測(cè)站的雷電日與雷暴日數(shù)相對(duì)接近。

2.2.1 選取半徑為5 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日關(guān)系。當(dāng)閃電的篩選半徑為5 km時(shí)，統(tǒng)計(jì)得到的雷電日數(shù)均小于對(duì)應(yīng)測(cè)站的雷暴日數(shù)，且平均雷電日為平均雷暴日的0.02～0.73倍之間，68%的測(cè)站雷電日與雷暴日的比值在0.2～0.5倍之間。對(duì)半徑為5 km的平均雷電日與平均雷暴日進(jìn)行單因素方差分析與α=0.05的F檢驗(yàn)，得到結(jié)果如表3所示，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到結(jié)果為F=496.8>F0.05=3.88。由此可看出，當(dāng)閃電數(shù)據(jù)篩選取半徑為5 km時(shí)平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)差異顯著。

表3 5 km平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)單因素方差分析

由圖2可知，當(dāng)數(shù)據(jù)的篩選半徑定為5 km時(shí)平均雷電日數(shù)與平均雷暴日數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)為0.66并不密切。

圖2 5 km平均雷電日數(shù)與平均雷暴日數(shù)對(duì)應(yīng)圖

2.2.2 選取半徑為10 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日關(guān)系。當(dāng)閃電數(shù)據(jù)的選取半徑為10 km時(shí)，7%的測(cè)點(diǎn)平均雷暴日均小于平均雷電日，93%的測(cè)點(diǎn)平均雷暴日均大于平均雷電日，且平均雷電日數(shù)為平均雷暴日數(shù)的0.08～1.22倍之間，63%的測(cè)站雷電日與雷暴日的比值在0.5～0.9倍之間。對(duì)半徑為10 km的平均雷電日與平均雷暴日進(jìn)行單因素方差分析與α=0.05的F檢驗(yàn)如表4所示，數(shù)據(jù)分析結(jié)果為F=122.1>F0.05=3.88?？傮w上看，當(dāng)閃電數(shù)據(jù)的選取半徑定為10 km時(shí)平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)差異依然非常顯著。

表4 10 km平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)單因素方差分析

由圖3可知，當(dāng)閃電數(shù)據(jù)的選取半徑為10 km時(shí)平均雷電日與平均雷暴日同樣呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.73并不密切。

圖3 10 km平均雷電日數(shù)與平均雷暴日數(shù)對(duì)應(yīng)圖

2.2.3 選取半徑為15 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日關(guān)系。當(dāng)閃電數(shù)據(jù)的選取半徑為15 km時(shí)，36%的測(cè)點(diǎn)平均雷暴日均小于平均雷電日，64%的測(cè)點(diǎn)平均雷暴日均大于平均雷電日，且平均雷電日為平均雷暴日的0.1～1.66倍之間，61%的測(cè)站雷電日與雷暴日的比值在0.7～1.1倍之間。對(duì)半徑為15 km的平均雷電日與平均雷暴日進(jìn)行單因素方差分析與α=0.05的F檢驗(yàn)如表6所示，分析結(jié)果為F=1.45

表5 15 km平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)單因素方差分析

由圖4可知，當(dāng)閃電數(shù)據(jù)的篩選半徑為15 km時(shí)平均雷電日與平均雷暴日呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.78相關(guān)性較弱。

圖4 15 km平均雷電日數(shù)與平均雷暴日數(shù)對(duì)應(yīng)圖

2.2.4 選取半徑為20 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日關(guān)系。當(dāng)閃電數(shù)據(jù)的選取半徑為20 km時(shí)，72%的測(cè)點(diǎn)平均雷暴日均小于平均雷電日，28%的測(cè)點(diǎn)平均雷暴日均大于平均雷電日，且平均雷電日為平均雷暴日的0.19～2.0倍之間，72%的測(cè)站雷電日與雷暴日的比值在1～2倍之間。對(duì)半徑為6 km的平均雷電日與平均雷暴日進(jìn)行單因素方差分析與α=0.05的F檢驗(yàn)如表6所示，由方差分析的結(jié)果F=4.5>F0.05=3.88。總體上可知，當(dāng)雷電日選取半徑為20 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日單區(qū)域?qū)Ρ鹊牟町愶@著。

表6 20 km平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)單因素方差分析

由圖5可知，當(dāng)雷電日的選取半徑為20 km時(shí)平均雷電日與平均雷暴日呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.8相關(guān)性較強(qiáng)。

圖5 20 km平均雷電日數(shù)與平均雷暴日數(shù)對(duì)應(yīng)圖

從上述分析中可以看出,5 m范圍內(nèi)平均雷暴日均大于平均雷電日，雷電日觀測(cè)半徑為15 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日的單區(qū)域?qū)Ρ鹊牟町愖顬樾?。而?dāng)觀測(cè)半徑為20 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日的相關(guān)性最強(qiáng)。

3 結(jié)論

內(nèi)蒙古地區(qū)從行政區(qū)域進(jìn)行平均雷暴日數(shù)平均雷電日數(shù)分析來(lái)看，大部分地區(qū)雷暴日數(shù)小于雷電日數(shù)，且成正相關(guān)，但兩者之間各站差異顯著。這可以說(shuō)明，與人工觀測(cè)相比機(jī)器觀測(cè)的靈敏度要更高，同時(shí)也具有可比較性；同時(shí)也可以看出，平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜與地區(qū)面積、地形地貌、周邊環(huán)境等因素都有一定的聯(lián)系，同時(shí)各區(qū)域地理因素會(huì)導(dǎo)致平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)的規(guī)律差異較大。

內(nèi)蒙古自治區(qū)的114個(gè)基準(zhǔn)氣候站選取不同的雷電日觀測(cè)半徑得到的雷電日數(shù)的差異明顯，這與當(dāng)?shù)氐牡乩硪蛩?、城市化進(jìn)程等有著不同程度的關(guān)系。一方面可以說(shuō)明，閃電的活動(dòng)在不同地區(qū)有著分布不均勻的特征；另一方面，地理因素、城市化進(jìn)程相似的區(qū)域，雷電日觀測(cè)半徑具有可比性，城市化比例高的地區(qū)其雷電日數(shù)的觀測(cè)半徑相對(duì)較小；而城市化進(jìn)程比例較低的區(qū)域其雷電日數(shù)觀測(cè)半徑相對(duì)較大。通過(guò)閃電定位儀獲得的閃電數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)雷電發(fā)生發(fā)展的規(guī)律?？傮w上看，雷電日觀測(cè)半徑為15 km時(shí)平均雷暴日與平均雷電日的單區(qū)域?qū)Ρ鹊牟町愖顬樾?。而?dāng)觀測(cè)半徑為20 km時(shí)平均雷暴日數(shù)與平均雷電日數(shù)的相關(guān)性最強(qiáng)。