劉曉東,馮旭宇,宋昊澤,博 格
(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)雷電預(yù)警防護(hù)中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
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內(nèi)蒙古地區(qū)雷電活動及雷災(zāi)特征分析
劉曉東1,2,馮旭宇3,宋昊澤2,博格2
(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)雷電預(yù)警防護(hù)中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
摘要:基于內(nèi)蒙古氣象部門2013-2014年23站雷電定位資料和雷災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料,運(yùn)用ArcGIS軟件和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法對內(nèi)蒙古高原地區(qū)地閃頻次、強(qiáng)度時空分布特征及雷電災(zāi)害特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,內(nèi)蒙古高原地區(qū)正地閃占總地閃的10%左右,正閃比例高于南方省市;該地區(qū)50%以上的地閃強(qiáng)度集中在15~35 kA范圍,正地閃的電流強(qiáng)度為負(fù)地閃的2倍左右;每年3、4月份的地閃平均電流強(qiáng)度最大,1 d當(dāng)中上午電流強(qiáng)度要大于午后的強(qiáng)度值;地閃的空間分布主要集中在內(nèi)蒙古高原中、東部地區(qū),地閃的最大密度和電流強(qiáng)度值分別在20次/km2和10 kA/km2左右;從雷災(zāi)分析來看,雷電災(zāi)害主要發(fā)生在6-8月份,電子電器設(shè)備發(fā)生雷電災(zāi)害次數(shù)最多,居民家庭雷電防護(hù)措施仍需完善;雷擊人員傷亡則主要發(fā)生在農(nóng)村牧區(qū)的戶外環(huán)境,農(nóng)牧民的防雷意識有待進(jìn)一步提高。
關(guān)鍵詞:地閃密度;地閃強(qiáng)度;雷電災(zāi)害;防雷意識;內(nèi)蒙古
內(nèi)蒙古地域遼闊,屬高緯高原地區(qū),以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?。?nèi)蒙古特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的氣候類型,使其氣象災(zāi)害存在明顯的時空分布特征。根據(jù)2005-2012年內(nèi)蒙古氣象災(zāi)害資料的統(tǒng)計(jì)分析,全區(qū)平均每年發(fā)生氣象災(zāi)害190次,因?yàn)?zāi)死亡32人,直接經(jīng)濟(jì)損失33億元,且氣象災(zāi)害頻率和經(jīng)濟(jì)損失呈逐年上升趨勢[1],暴雨洪澇、大風(fēng)冰雹和雷電災(zāi)害三種災(zāi)害是內(nèi)蒙古境內(nèi)發(fā)生的主要?dú)庀鬄?zāi)害,內(nèi)蒙古地區(qū)年平均雷暴日數(shù)為28.6 d,最多達(dá)41.3 d[2-4],1998-2008年全區(qū)平均每年發(fā)生雷電災(zāi)害48.82次,直接經(jīng)濟(jì)損失1 572.3萬元,雷擊傷亡人數(shù)為14.2人[5]。雷電災(zāi)害引起社會各界的高度重視,因此許多科技工作者開展了關(guān)于雷電活動及雷擊災(zāi)害的相關(guān)研究[6-8]。楊鵬武[9]等利用云南省2008年雷電定位網(wǎng)監(jiān)測的地閃資料和全省16個州(市)的雷電災(zāi)害資料,對云南省2008年雷電活動及雷電災(zāi)害的時空分布特征進(jìn)行分析;程琳等[10]利用江蘇2011年閃電定位系統(tǒng)資料對江蘇省閃電強(qiáng)度、閃電頻數(shù)等閃電特征及其雷電災(zāi)害特征進(jìn)行了分析等。但是針對內(nèi)蒙古地區(qū)地閃活動特征的研究還沒有開展,故本文首次運(yùn)用內(nèi)蒙古氣象部門閃電定位系統(tǒng)2013-2014年雷電定位資料和雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)資料,對高緯度高原地區(qū)地閃活動的時空分布特征及雷擊災(zāi)害特征進(jìn)行分析,為各級政府和相關(guān)部門加強(qiáng)防雷減災(zāi)管理、提高防雷減災(zāi)能力提供客觀的科學(xué)依據(jù)。
1資料說明
本文所用雷電定位資料來源于內(nèi)蒙古氣象部門的雷電定位系統(tǒng),該監(jiān)測系統(tǒng)目前由23個ADTD閃電定位儀組成(圖1),主要采用時差和方位混合多站綜合定位方法,探測范圍主要覆蓋內(nèi)蒙古中部區(qū)和東北部地區(qū)。本文選取2013-2014年該監(jiān)測網(wǎng)的探測資料,每個閃電資料包括的信息有時間、經(jīng)緯度、正負(fù)極性、強(qiáng)度、陡度等參數(shù),地閃密度及強(qiáng)度的空間分布特征采用1 km×1 km的空間分辨率進(jìn)行分析。雷災(zāi)資料取中國氣象局雷電防護(hù)管理辦公室編寫的《2013年全國雷電災(zāi)害匯編》和《2014年全國雷電災(zāi)害匯編》[11-12]。
圖1 內(nèi)蒙古閃電定位儀站址分布
2地閃時間變化特征
2013年閃電定位儀共監(jiān)測到內(nèi)蒙古高原地區(qū)地閃351 618次(表1),其中正地閃24 643次,負(fù)地閃326 975次,負(fù)地閃占總地閃的比例為92.99%;但正閃平均強(qiáng)度為59.98 kA,高于負(fù)閃的平均強(qiáng)度-33.96 kA。2014年共記錄地閃291 915次,其中正地閃35 601次,負(fù)地閃256 314次,負(fù)地閃所占比例為87.80%;正地閃平均強(qiáng)度為64.48 kA,也高于負(fù)地閃的平均強(qiáng)度-35.57 kA。2014年總地閃頻數(shù)為較2013年減少16.97%,負(fù)地閃減少明顯,而正地閃頻數(shù)增多;2014年正、負(fù)地閃的平均強(qiáng)度都增大,正地閃平均強(qiáng)度增長幅度較大,較2013年平均正地閃強(qiáng)度增大7.5%,為負(fù)地閃增長的1.6倍。內(nèi)蒙古地區(qū)正地閃比例明顯高于江蘇等[13-15]南方省份的比例,這說明在高緯高原地區(qū)正地閃發(fā)生的概率較高,且強(qiáng)度大,正地閃的破壞性較強(qiáng)。
表1 內(nèi)蒙古高原2013-2014年地閃總體特征
2.1.1地閃頻次的月變化特征
從2013年、2014年地閃頻次的月分布來看(圖2),地閃頻次的月變化呈單峰型;2013年8月地閃活動最強(qiáng),頻次達(dá)201 804次;而2014年8月較2013年顯著減少,峰值出現(xiàn)在7月份,7月地閃次數(shù)較8月多7.7%。每年的12月到次年的1月、2月基本沒有閃電發(fā)生,3月、4月和11月有少量地閃活動,但正地閃發(fā)生的概率較高;2013年4月份正地閃比例最高,占總地閃的66.67%,而2014年正地閃發(fā)生概率最高的月份是11月,為當(dāng)月總地閃的78.95%??傮w來看內(nèi)蒙古高原地區(qū)地閃月單峰型的分布特征與其他省市基本相同[13-15],夏季是雷電活動的高發(fā)期。此外,負(fù)地閃的變化特征與總地閃相似,正地閃在初春和晚秋發(fā)生的概率較高,其強(qiáng)度大破環(huán)性較強(qiáng),應(yīng)加強(qiáng)防范措施。
圖2 地閃頻次的月變化
2.1.2地閃頻次的日變化特征
地閃的日變化特征較為顯著,如圖3所示;其中負(fù)地閃和總地閃的變化趨勢相同,總體呈雙峰單谷型,峰值集中在午后時段。2013年地閃主要集中在14:00-18:00,占全天的37.3%;峰值出現(xiàn)在16:00,頻次達(dá)29 214次,凌晨2:00為次峰值;谷值出現(xiàn)在上午9:00,為4 460次。
圖3 地閃頻次的日變化
2014年地閃也主要集中在14:00-18:00,占全天的43.6%;峰值出現(xiàn)在15:00,為28 247次,占9.7%;谷值出現(xiàn)在上午9:00,為3 619次。正地閃的變化較為平緩,峰值出現(xiàn)在午后16:00;而在19:00正地閃發(fā)生的概率最高,2013年比例達(dá)到9.2%,2014年達(dá)到14.8%。
內(nèi)蒙古地閃的日變化總體特征同北京、河北、甘肅等省市相似[16-18],峰值出現(xiàn)在午后,谷值出現(xiàn)在上午,內(nèi)蒙古地區(qū)午后峰值出現(xiàn)時間較上述地區(qū)早1 h左右,這可能與大草原下墊面的情況有關(guān),下墊面溫度升高,熱力條件較好,有利于雷暴發(fā)生。
內(nèi)蒙古2013年總地閃的平均電流強(qiáng)度35.79 kA,2014年平均電流強(qiáng)度為39.10 kA,正地閃的電流強(qiáng)度明顯大于負(fù)地閃的電流強(qiáng)度,相差近2倍。由圖4可知,總地閃強(qiáng)度在15~35 kA強(qiáng)度等級發(fā)生最為頻繁,占總地閃的50%以上,2013年為58.17%,2014年占53.42%;其中發(fā)生頻次最大的為20~25 kA等級范圍,該范圍2013年、2014年分別占總地閃的16.82%和15.29%。正地閃電流強(qiáng)度的分布主要集中在30~50kA,該等級范圍2013年、2014年分別占總正地閃的31.60和28.53%,高于美國同緯度地區(qū)的雷電流強(qiáng)度值[19-20];正地閃電流強(qiáng)度在100~125 kA出現(xiàn)另一峰值,故在防雷工程電源浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮加強(qiáng)該強(qiáng)度范圍的雷電流的防護(hù)措施。
圖4 地閃強(qiáng)度等級分布
2.2.1地閃強(qiáng)度的月變化特征
內(nèi)蒙古全區(qū)地閃強(qiáng)度月變化如圖5所示。2013年總地閃的月平均電流強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在4月份,峰值為99.4 kA,5-11月電流強(qiáng)度在34~62 kA之間;最小值出現(xiàn)在8月份,為34.9 kA。負(fù)地閃的電流強(qiáng)度的全年變化比較均勻,主要分布在33~68 kA之間,同樣峰值出現(xiàn)在4月,電流強(qiáng)度峰值為67.6 kA;而正地閃電流強(qiáng)度的月變化幅度較大,4月份的平均電流強(qiáng)度最大(115.2 kA),最小值為56.6 kA,出現(xiàn)在8月份。
2014年總地閃、正負(fù)地閃的電流強(qiáng)度同2013年總體趨勢差不多,總地閃電流強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在3月,幅度有所減小,為88.7 kA;負(fù)地閃電流強(qiáng)度最大值86.9 kA,幅值較2013年增大28.6%;正地閃平均電流強(qiáng)度的變化較為平緩,最大值也出現(xiàn)在3月份,強(qiáng)度89.0 kA,較2013年減小22.7%。由圖5可以看出,地閃強(qiáng)度每年的最大值都出現(xiàn)在年初,其破壞性較大,各單位應(yīng)提前做好防雷安全的準(zhǔn)備工作。
圖5 地閃強(qiáng)度的月變化
2.2.2地閃強(qiáng)度的日變化特征
由圖6可以看出,1 d內(nèi)各個時段正地閃強(qiáng)度都比負(fù)地閃強(qiáng),電流強(qiáng)度為負(fù)地閃的2倍左右;1 d當(dāng)中0-12時,正、負(fù)地閃的電流強(qiáng)度要大于12-24時的強(qiáng)度值,且上午強(qiáng)度變化較為顯著,該特征與江蘇[10]等地的變化特征正好相反。2013
圖6 地閃強(qiáng)度的日變化
年正地閃一天的電流強(qiáng)度變化從下午16時的55.57 kA到上午6時的67.35 kA;2014年正地閃電流強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在上午9時,幅值為71.41 kA,谷值為23時的61.48 kA,幅值較2013年增大。2013年負(fù)地閃一天的強(qiáng)度變化從15時的31.81 kA到上午7時38.13 kA,2014年負(fù)地閃的平均電流強(qiáng)度比2013年大,電流范圍從18時的33.42 kA到上午6時的40.43 kA,上午的電流波動幅度較大??偟亻W一天的變化特征與負(fù)地閃相似,2014年總地閃變化幅度較2013年有所增大,變化范圍從37.24 kA到43.44 kA,且上午雷電流平均強(qiáng)度和變化的幅度都高于晚上,該時段戶外活動的人應(yīng)加強(qiáng)防范意識。
3 地閃空間分布特征
圖7是內(nèi)蒙古地區(qū)2013年、2014年總地閃密度分布圖,由圖可知地閃密度分布主要集中在內(nèi)蒙古中部呼包鄂和東部呼倫貝爾地區(qū),與雷暴分布特征相似[2];密度最大值分別為18次/km2和22次/km2,分別位于呼和浩特和鄂爾多斯市的北部地區(qū)。從空間分布來看,2013年高密度地區(qū)較2014年范圍廣,全年地閃高密度區(qū)域主要出現(xiàn)在鄂爾多斯東部、包頭南部、呼和浩特西部、烏蘭察布西南和呼倫貝爾東南部。對于地閃密度高的區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)雷電防護(hù)措施,以提高防雷工作的有效性。
圖7 地閃密度空間分布
從內(nèi)蒙古2013年、2014年總地閃強(qiáng)度分布圖(圖8)可知,地閃強(qiáng)度分布同樣也是集中在內(nèi)蒙古中部呼包鄂和東部呼倫貝爾地區(qū)。全年地閃強(qiáng)度的平均值分別為10.88 kA/km2和9.87 kA/km2,其中地閃電流強(qiáng)度大于150 kA/km2的地區(qū)主要集中在呼和浩特北部、包頭南部和鄂爾多斯南部及烏蘭察布西部地區(qū)。結(jié)合地閃密度分布特征,在較高地閃密度且平均地閃強(qiáng)度較高的地區(qū),發(fā)生雷災(zāi)事故的可能性較高。
圖8 地閃強(qiáng)度空間分布
4雷電災(zāi)害特征分析
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)(表2),內(nèi)蒙古地區(qū)近2年雷電災(zāi)害事故呈增多趨勢,2013年雷災(zāi)事故為27起,2014年增加到30起,特別是農(nóng)村雷災(zāi)事故增加顯著。通過近年來內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局防雷中心的廣泛宣傳,雷災(zāi)造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失逐年下降,2014年雷擊直接經(jīng)濟(jì)損失降為2013年的一半,死亡人數(shù)降為2013年的三分之一,但雷擊人員傷亡地區(qū)主要是發(fā)生在農(nóng)牧區(qū),農(nóng)牧區(qū)防雷形勢依然嚴(yán)峻,農(nóng)牧民的防雷意識需進(jìn)一步提高。
表2 2013-2014年雷電災(zāi)情概況
從雷災(zāi)事故的月分布圖9來看,內(nèi)蒙古地區(qū)全年10月至次年4月均無雷電災(zāi)害發(fā)生,每年6-8月雷災(zāi)事故數(shù)最多,農(nóng)村雷災(zāi)事故7、8月最高。2013年雷災(zāi)事故呈雙峰型特征,6、8月雷災(zāi)事故數(shù)8起最多;人員傷亡事故7月最多為4起,雷擊死亡4人、受傷1人。而2014年7月雷災(zāi)事故最多,共發(fā)生14起雷災(zāi)事故,為近6年同期最高[21],雷擊受傷人數(shù)4起;8月份雷擊死亡人數(shù)最多,為2人。夏季是農(nóng)牧區(qū)戶外活動最多的季節(jié),農(nóng)牧民應(yīng)提高防雷意識,正確掌握戶外雷電避險知識,防止雷擊事故的發(fā)生。
圖9 雷災(zāi)事故月分布
從雷災(zāi)受損類別統(tǒng)計(jì)來看(圖10),內(nèi)蒙古地區(qū)雷擊事故主要是電子電器設(shè)備受損和人員傷亡事故,雷擊人身傷亡的事故近2年來有所下降,由2013年的40%降至2014年的17%。雷擊造成電子電器設(shè)備損壞的案例最多,2013年雷擊電子電器設(shè)備受損事故占總事故的45%,2014年增加大76%,且家用電子電器雷擊案例顯著增多,家用電器的防雷措施需進(jìn)一步加強(qiáng)。
圖10 各類型雷災(zāi)事故所占比例
5結(jié)論
(1)內(nèi)蒙古高原地區(qū)正地閃發(fā)生的概率較高,占總地閃的10%左右,2014年正地閃的比例較2013年增加74%。夏季是地閃活動的高峰期,地閃的月分布呈單峰型分布特征,2013年、2014年的峰值分別出現(xiàn)在8月和7月份,正地閃在初春和晚秋發(fā)生的概率較高。1 d之中午后為雷電發(fā)生的高峰期,主要集中在14:00-18:00,而下午19:00正地閃發(fā)生的概率最高。
(2)該地區(qū)50%以上的地閃強(qiáng)度集中在15~35 kA,正地閃的電流強(qiáng)度大,為負(fù)地閃的2倍左右;2013年、2014年30%左右的正地閃電流強(qiáng)度集中在30~50 kA,正地閃的破環(huán)性較強(qiáng)。地閃電流強(qiáng)度的月變化幅度較大,3、4月份地閃平均電流強(qiáng)度最大;1 d當(dāng)中上午電流強(qiáng)度變化較為顯著,且上午的正、負(fù)地閃的電流強(qiáng)度要大于午后的強(qiáng)度值。
(3)地閃的空間分布主要集中在內(nèi)蒙古高原中部呼包鄂和東部呼倫貝爾地區(qū),地閃密度最大值在20次/km2左右,2013年、2014年地閃強(qiáng)度的平均值分別為10.88 kA/km2和9.87 kA/km2,其中地閃電流強(qiáng)度大于150 kA/km2的地區(qū)主要集中在呼和浩特北部、包頭南部和鄂爾多斯南部及烏蘭察布西部地區(qū),在上述地區(qū)發(fā)生雷災(zāi)事故的可能性較高,應(yīng)加強(qiáng)防雷措施。
(4)內(nèi)蒙古近2年雷電災(zāi)害事故呈增多趨勢,但總的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡數(shù)有所下降,每年的6-8月是雷災(zāi)事故的高發(fā)期。電子電器設(shè)備受損和人員傷亡事故是內(nèi)蒙古地區(qū)雷擊的主要事故,2014年雷擊電子電器設(shè)備受損事故較2013年增加76%;而雷擊人員傷亡地區(qū)主要是發(fā)生在農(nóng)牧區(qū),農(nóng)牧區(qū)防雷形勢依然嚴(yán)峻。
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Analysis of Characters of Lightning Activity and Lightning Disaster in Inner Mongolia
Liu Xiaodong1, 2, Feng Xuyu3, Song Haoze2and Bo Ge2
(1.InnerMongoliaMeteorologicalInstitute,Hohhot010051,China; 2.InnerMongoliaLightningWarning&
ProtectionCenter,Hohhot010051,China; 3.InnerMongoliaEcologicalandAgricultural
MeteorologicalCenter,Hohhot010051,China)
Abstract:Based on the cloud to ground(CG) lightning data collected by location lightning detection net-work and lightning disaster data in Inner Mongolia for 2013-2014, by using the software of ArcGIS and the method of Mathematical statistics, we make a study on the temporal-spatial distribution characteristics of lightning frequency, intensity and lightning disaster in Inner Mongolia plateau. It shows that the positive CG flashes is about 10% of the total CG flashes, the positive CG flashes ratio is higher than the south provinces. More than 50% of the flash intensity focused on the range of 15 to 35 kA in Inner Mongolia, the average intensity of positive CG flashes is two times that of the negative. The average current intensity is the biggest in March and April every year; the morning lightning current intensity is greater than the strength of the afternoon in a day. The spatial distribution of the CG flashes mainly concentrated in the middle and eastern regions of Inner Mongolia, the maximum density of the CG flashes is about 20 times per square kilometer, and the average intensity value of the lightning is about 10kA per square kilometer. The lightning disasters occurred mainly between June and August,and the electronic equipments damage cases were the biggest,household lightning protection measures still need to improve, While the casualties occurred mainly in the outdoor environment of the rural areas, the farmers and herdsmen lightning protection consciousness need to be further improved.
Key words:lightning density; lightning intensity; lightning disaster; lightning protection consciousness; Inner Mongolia
作者簡介:劉曉東(1981-),男,內(nèi)蒙古五原人,高級工程師,主要從事雷電物理和雷災(zāi)防護(hù)研究. E-mail:lxd8135@163.com
基金項(xiàng)目:內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2015MS0410)
收稿日期:2015-07-30修回日期:2015-09-01
中圖分類號:X43;P4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1000-811X(2016)01-0060-06
doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.013