淮安地区闪电活动时空分布特征分析

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  摘要 利用淮安地区2011—2014年闪电定位资料,分析了淮安地区闪电发生频次、闪电时间分布规律、闪电空间变化、雷电流累积概率分布特征。结果表明:淮安地区闪电活动以负地闪为主,占90%;闪电活动月分布差异性较大,地闪主要集中在6—9月,发生闪电次数占全年总数的96%;近4年来闪电频数日变化呈单峰型,闪电活动的高峰期为14:00—18:00,负闪与总闪日变化趋势相一致,正闪数量逐月波动不明显;闪电密度较大的地区主要集中在南部以及东部区域,平均闪电密度为2.39次/km2·年;总闪强度集中在10~40 kA,闪电强度大于32 kA的累积概率小于50%,并拟合出大于某闪电强度累积概率方程。
  关键词 闪电定位;闪电密度;闪电强度;江苏淮安
  中图分类号 P427.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2015)08-0250-03
  Abstract Using the Huaian region lightning location data from 2011 to 2014,this paper analyzed lightning frequency,time distribution of lightning,lightning spatial variation characteristics of Huaian region.The results showed that Huaian region was given priority to with negative lightning,accounted for 90%;the lightning activities had significant differences,lightning mainly concentrated in June to Sepember,accounted for 96% of the total number lightning;the peak period of the lightning activities was 14:00—18:00 in the afternoon,the trend of negative flash and total flash was consistent,the number of positive flash change unobviously;Lightning density larger areas were mainly concentrated in the southern and eastern regions;The average density of lightning was 2.39 times per square kiolmeters every year;The total flash intensity focused on 10~40 kA;Lightning strength greater than 32 kA cumulative probability was less than 50%.
  Key words lightning location;lightning density;lightning intensity;Huaian Jiangsu
  雷电(也称为“闪电”)是发生于大气中的一种长距离、大电流、强电磁辐射瞬时放电事件。自然界的这种强大的放电现象不仅可造成人畜伤亡,引起森林火灾、电力和通信中断等重要灾害,而且还严重干扰电子设备的正常运行。因此,对闪电活动规律的研究不仅是雷电科学发展的需要,同时也是对雷电灾害进行科学防护的需要。
  目前,国内有学者对闪电活动规律进行研究,刘三梅等[1]利用GIS技术对广东省雷电资料进行处理,研究广东省闪电活动规律,结果表明:闪电活动具有明显的时空分布特征。杨碧轩等[2]利用陕西省闪电监测资料,对陕西省闪电活动进行统计分析,结果表明:陕西省8月闪电强度最高。孙 明等[3]利用人工观测雷暴和雷达资料,对江苏省闪电活动规律进行研究,结果表明:2种探测结果之间存在一定差异性。吉芮阳等[4]利用昆明市闪电资料,采用统计学方法,对昆明市闪电活动特征进行分析,结果表明:昆明中部地区地闪密度较高。李亚芬等[5]利用扎鲁特旗2个站点逐日雷暴统计资料,采用数学统计方法,对扎鲁特旗地区闪电活动进行分析研究,结果表明:闪电活动的地理特征较为显著。还有很多学者对不同区域的闪电活动规律进行研究[6-9]。
  闪电产生于中尺度对流天气系统,具有显著的局地和时效特征,其闪电活动空间分布特征与当地气候条件、天气系统、地形、下垫面等多种因素有关。淮安地区处于江苏省北部,地势低平,属于暖温带-亚热带、湿润-半湿润季风气候,是冷暖气流频繁交汇地带[10]。随着全球变暖,淮安地区高层建筑以及易燃场所不断增加,导致了雷电事故发生更加频繁。因此,研究淮安地区闪电活动规律对雷电灾害风险评估以及制定防雷减灾对策具有现实意义。
  1 材料与方法
  使用淮安市气象局提供的2011—2014年雷电监测资料,以测站为中心半径150 km范围内的闪电活动均可以被连续实时自动探测到,包括闪电发生时间、经纬度、正负极性、雷电流强度,将监测到的雷电流强度绝对值大于500 kA的异常值剔除。其他资料来源于《江苏省统计年鉴》,其中包括淮安地区雷电灾害、淮安各区域面积等。
  2 结果与分析
  2.1 地闪频次分布特征
  闪电的分布和月份有很大关联,一般夏季闪电较多,冬天闪电较少。从表1可以看出,淮安地区闪电活动以负地闪为主,占90%,正地闪仅占10%。正、负地闪次数差异性较大。2012年总地闪数最多,为24 476次,其次是2011年,总地闪数为24 267次,2013年总地闪数最少,为15 271次。2011年负地闪数最多,为23 116次,占2011年总闪数的95%。2013年负地闪数最少,为12 448次。   根据2011—2014年闪电定位资料显示,淮安地区闪电活动月分布差异性较大。地闪主要集中在6—9月,发生闪电次数为19 010次,占全年总数的96%。其中7月出现的地闪次数为全年之最,地闪数为7 929次,占全年总地闪数的40%。其次是8月,地闪数为7 691次,占全年总地闪数的38%。9月出现的地闪数为2 605次,占全年总地闪数的13%。其他月份总地闪数均小于1 000次。因此,可以看出淮安地区闪电活动具有强烈的月变化特征。6—9月正地闪数为1 867次,占全年总地闪数的9.4%。其余月份正地闪数为0.7%,正地闪月变化差异较小(图1)。
  从图2可以看出,淮安地区正地闪所占比例月际变化较大,6—9月正地闪比例最小。其中,7月正地闪仅占该月份总闪电数的10%,8月正地闪仅占该月份总闪电数的9%。而春、秋2季的正闪数比例要大于夏季正闪数所占的比例。其中,2月比值最大,为39%,其次是3月,比值为22%。由此表明,正地闪所占比例月际变化与闪电次数的月际变化结论相反。这说明在气温较高的季节里,正地闪占闪电总数百分比较低,反之较高[11]。
  2.2 地闪时间分布特征
  为了研究淮安地区闪电日变化规律,统计了2011—2014年24 h中每1 h的闪电总数,并用统计出的每时刻闪电数除以年份,用来代表该地区近4年来闪电频数日变化特征,并绘制出闪电的日变化规律曲线,具体如图3所示。可以看出,淮安地区近4年来闪电频数日变化呈单峰型。闪电活动的高峰期为14:00—18:00,其中在17:00主峰值时刻,平均雷击闪电次数为4 670次/h,单峰结构下波峰的时间较宽,雷电高值时段持续时间长。将一天分为0:00—6:00(后半夜)、6:00—12:00(上午)、12:00—18:00(下午)、18:00—24:00(前半夜)4个时段[7]。则淮安地区闪电活动主峰值时段出现在下午,而后半夜、上午时段闪电活动处于低落期。闪电在下午活动最频繁是由于下午太阳辐射最强,潮湿地区地面蒸发较快,空气上升快,形成对流。在太阳落山后,辐射锐减,气流趋向于稳定,因此闪电活动较少,在早晨达到了最低。
  负闪与总闪日变化趋势相一致,负闪高峰期为下午14:00—18:00,其中在17:00主峰值时刻,平均雷击闪电次数为4 088次/h。而正闪数量逐月波动不明显,在17:00达到主峰值时刻,平均内雷击闪电次数为582次/h。
  2.3 地闪空间分布特征
  闪电密度表示该区域年平均闪电的总次数与该区域面积之比。该文首先求出淮安地区年平均闪电密度,然后运用surfer软件进行绘图处理。
  首先将淮安地区轮廓区域(118°12′00″~119°36′30″E,32°43′00″~34°06′00″N)划分为个正方向网格,网格距为0.05°E×0.05°N,统计出每个正方形网格区域中的年平均闪电频数,用来研究淮安地区闪电密度空间分布规律,具体如图4所示。可以看出,淮安地区平均闪电密度为2.39次/km2·年,最大闪电密度为8.19次/km2·年,最小闪电密度为0.06次/km2·年,淮安地区闪电密度较大的地区主要集中在南部以及东部区域。当有水汽提供时,南部以及东部区域易于局地对流云团的发展,进而促进雷暴天气的形成,因此淮安地区南部以及东部地区闪电活动较其他区域较为频繁。而中部以及北部区域闪电密度较小,一方面可能是这些区域土壤电阻率较大,不利于云地间闪电发生。另一方面可能与这些区域局地小气候环境有关,局部雷电活动虽然频繁,但是雷电天气持续时间较短,导致了闪电次数并不多[12]。
  网格间距为0.05°E×0.05°N个经纬间距上的淮安地区总闪平均强度分布,表2为总闪电强度分布区间概率统计结果。从图5和表2可以看出,淮安地区总闪平均强度平均值为32 kA,总闪强度最大值为994 kA,总闪强度最小值为2 kA。总闪强度集中在10~40 kA,累积概率为70.7%,其中总闪电强度在[20,30]区间内的概率最高,为27.7%;其次是总闪电强度分布在[10,20]区间内,其概率为25.6%。因此,在雷电风险评估以及防护方面应该重点加强对此强度范围内的闪电进行防护。零星有几个区域的总闪强度达到100 kA以上。从总体上来说,闪电强度较大的区域,闪电密度就会较小,这主要和电荷守恒有关,因为总的电荷量是一定的,当某区域总闪次数较多时,单次闪电释放的能量就会变少[7]。
  雷电流幅值概率是国内外对雷电防护研究中所必须考虑的重要参数之一,在雷电绕击、反击计算中具有重要的作用[13]。
  根据IEEE工作组以及CIGER分别提出的雷电流幅值累积概率表达式,综合两者特点,归纳出雷电流幅值累积概率计算公式[14]:
  Pc=1/[1 (I/a)b]
  其中,Pc为雷电流幅值大于某一个值的累积概率;I为雷电流幅值(kA);a为中值电流,表示雷电流幅值累积概率大于a的概率为50%;b为拟合指数。
  淮安地区雷电流强度累积概率实际监测值以及拟合曲线如图6所示,可以看出,闪电强度大于32 kA的概率小于50%,大于40 kA的概率小于22%,大于60 kA的概率小于8%,而大于100 kA的概率小于1.22%。
  根据雷电流幅值累积概率计算公式,对淮安地区闪电强度累积概率进行拟合,拟合方程为:
  Pc=1/[1 (I/31)3.3]
  可以看出,拟合曲线与实际监测值基本一致,说明了拟合效果较好。因此,以后在对淮安地区进行雷电灾害风险评估工作时,可以根据上述闪电强度累积概率拟合方程,进行易损性区划等防雷工作研究。
  3 结论
  (1)淮安地区闪电活动以负地闪为主,占90%,正地闪仅占10%,正、负地闪次数差异性较大;闪电活动月分布差异性较大,地闪主要集中在6—9月,发生闪电次数为19 010次,占全年总闪数的96%。   (2)淮安地区近4年来闪电频数日变化呈单峰型,闪电活动的高峰期为14:00—18:00,其中在17:00主峰值时刻,平均内雷击闪电次数为4 670次/h。负闪与总闪日变化趋势相一致,正闪数量逐月波动不明显。
  (3)淮安地区闪电密度较大的地区主要集中在南部以及东部区域,平均闪电密度为2.39次/km2·年。总闪强度集中在10~40 kA,总闪平均强度平均值为32 kA。
  (4)淮安地区闪电强度大于32 kA的概率小于50%,拟合出大于某雷电流幅值时的累积概率表达式为:Pc=1/[ (I/31)33]。
  4 参考文献
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