基于兩種觀測(cè)資料的雁江區(qū)閃電活動(dòng)規(guī)律分析

左迎芝，孫 健，韓 通，馬家蒙，楊仲江

(1.山東省日照市氣象局，山東 日照 276800；2.山東省日照市莒縣氣象局，山東 莒縣 276800；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

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基于兩種觀測(cè)資料的雁江區(qū)閃電活動(dòng)規(guī)律分析

左迎芝1，孫 健2，韓 通1，馬家蒙1，楊仲江3

(1.山東省日照市氣象局，山東 日照 276800；2.山東省日照市莒縣氣象局，山東 莒縣 276800；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

摘要：針對(duì)雁江區(qū)的雷電活動(dòng)規(guī)律研究較少問(wèn)題，利用雷暴日資料以及閃電定位資料，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)雁江區(qū)雷電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：雁江區(qū)年雷暴日呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，且波動(dòng)較為強(qiáng)烈，初雷日呈推遲趨勢(shì)，終雷日呈提前趨勢(shì)，雷暴持續(xù)期呈縮短趨勢(shì)，雷暴日呈現(xiàn)逐漸集中趨勢(shì)。年雷暴日在4～8 a、24～32 a尺度上存在明顯周期性震蕩。雁江區(qū)閃擊主要集中在夏季,以負(fù)閃電為主。日變化呈現(xiàn)單峰趨勢(shì)，半晚時(shí)分最頻繁，夜間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在早晨閃電活動(dòng)最弱。此外，負(fù)閃擊主要分布在21～40 kA，雷電流強(qiáng)度超過(guò)100 kA的閃電出現(xiàn)的概率較小。

關(guān)鍵詞：年雷暴日；氣候傾向率；小波分析；閃電日變化；閃電定位系統(tǒng)；雷電流強(qiáng)度

閃電是雷暴云能量釋放過(guò)程中的強(qiáng)放電過(guò)程，具有較高電壓，較強(qiáng)電流等特點(diǎn)[1-4]。在電網(wǎng)故障分析中表明，閃電直接擊中輸變電線路及其產(chǎn)生雷電電磁脈沖是造成電網(wǎng)系統(tǒng)中輸變電線路跳閘的主要原因。目前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)正處于加速發(fā)展階段，各地對(duì)于電力的需求加速了電網(wǎng)的擴(kuò)張，超高壓線路、高桿塔、多回傳輸線路的增多，使輸變電線路遭受雷擊的事件呈明顯上升趨勢(shì)。因此，對(duì)各地區(qū)進(jìn)行相關(guān)的雷電活動(dòng)規(guī)律研究對(duì)于有效開(kāi)展雷電防護(hù)工作顯得至關(guān)重要[5-9]。

在20世紀(jì)美國(guó)進(jìn)行了雷電定位系統(tǒng)的研究，并迅速在全國(guó)進(jìn)行了站點(diǎn)布置。同樣我國(guó)在20世紀(jì)90年代也開(kāi)始了大量雷電定位系統(tǒng)的站點(diǎn)布置工作，用于監(jiān)測(cè)閃電發(fā)生的位置、極性、雷電流強(qiáng)度、陡度等雷電參數(shù)，為相關(guān)部門(mén)的雷電防護(hù)工作打好基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用閃電定位資料已經(jīng)進(jìn)行了很多有關(guān)雷電活動(dòng)規(guī)律的研究。王欣眉等[10]利用閃電定位資料統(tǒng)計(jì)分析了青島雷暴的時(shí)空分布規(guī)律。高燚等[11]通過(guò)分析海南市縣雷暴資料，計(jì)算出平均雷暴日數(shù)。程向陽(yáng)等[12]根據(jù)雷暴日資料，對(duì)安徽雷暴的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并對(duì)其成因進(jìn)行了分析。鐘穎穎等[13]對(duì)比分析2006～2008年4～8月江蘇省閃電定位數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)站雷暴數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性。王維佳[14]通過(guò)閃電定位資料對(duì)四川盆地西部閃電活動(dòng)特征進(jìn)行了分析。

雖然學(xué)者們利用雷暴日資料和閃電資料對(duì)全國(guó)很多地區(qū)進(jìn)行了雷電活動(dòng)規(guī)律研究，但是雷電活動(dòng)規(guī)律具有很明顯的地域特點(diǎn)，而針對(duì)四川省資陽(yáng)市雁江區(qū)的雷電活動(dòng)規(guī)律的研究十分稀少。因此筆者擬利用雁江區(qū)1957～2010年雷暴日資料和2005～2012年閃電定位資料對(duì)雁江區(qū)雷電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，從而為該地區(qū)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警、雷電防護(hù)工作提供可靠的資料。

1資料來(lái)源及方法

1.1資料來(lái)源

雁江區(qū)雷暴日資料為雁江區(qū)氣象局人工觀測(cè)雷暴日統(tǒng)計(jì)資料。閃電定位資料為通過(guò)四川省閃電定位站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的閃電資料。其中，雷暴日資料年份選取范圍為1957～2010年，閃電定位資料年份選取范圍為2005～2014年。

1.2方法

氣候傾向率為分析氣象要素變化趨勢(shì)的一種統(tǒng)計(jì)方法，即通過(guò)最小二乘法擬合線性趨勢(shì)；從而分析氣象要素的變化趨勢(shì)，其計(jì)算公式如下：

y=a+bx

其中b為氣候傾向率，y表示雷暴日天數(shù)，x表示雷暴日天數(shù)對(duì)應(yīng)的年份。

氣候傾向率b反映氣象要素變化趨勢(shì)傾向。當(dāng)b>0時(shí)，氣象要素隨年份的增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)b<0時(shí)，則反之。b值的大小反映了氣象要素變化的速率[12]。

小波變換方法是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種時(shí)頻分析方法，既可以了解時(shí)間序列不同時(shí)間的頻率特征，又可以分析不同頻率的時(shí)間分布特征[10]。

小波變換的定義[10]是把基本小波的函數(shù)φ(t)做位移τ后，再在不同尺度a下與待分析的信號(hào)x(t)做內(nèi)積：

等效的頻域表示如下：

其中X(ω)和ψ(ω)分別是x(t)和φ(t)的傅里葉變換。

2基于雷暴日資料的雁江區(qū)雷電活動(dòng)規(guī)律的

分析

2.1雷暴日年際變化特征

根據(jù)雁江區(qū)1957～2010年年雷暴日統(tǒng)計(jì)資料，利用氣候傾向率方法對(duì)雁江區(qū)年雷暴日年際變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。從圖1可以看出，運(yùn)用最小二乘法擬合的雁江區(qū)年雷暴日變化趨勢(shì)擬合方程如下：

y=-0.3314x+690.4219

其中x為年份，y為雁江區(qū)年雷暴日數(shù)。

通過(guò)圖1可以看出，雁江區(qū)年雷暴日呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。自1957年開(kāi)始，年雷暴日隨年份的增加呈明顯減少趨勢(shì)，每10年減少約3 d。此外，雁江區(qū)年雷暴日年際變化幅度較大，在1957～2010年，年雷暴日最大值達(dá)到57 d(1975年)，年雷暴日最小值達(dá)到20 d(2003年)，兩者相差接近3倍，說(shuō)明雁江區(qū)年雷暴日整體呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢(shì)，且具有較大的波動(dòng)幅度。同時(shí)，近54 a雁江區(qū)平均年雷暴日為33.14 d/a，屬于多雷區(qū)[11]。雁江區(qū)境內(nèi)有一江七河十八溪留灌全境，老鷹湖、鯉魚(yú)湖等人工湖泊更是星羅棋布，豐富的水資源為雷暴云的產(chǎn)生提供了條件，從而促進(jìn)了雷暴的產(chǎn)生。

圖1　年雷暴日年變化趨勢(shì)

2.2初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期的變化特征

根據(jù)雁江區(qū)歷年初雷日和終雷日的統(tǒng)計(jì)情況，分別計(jì)算出每年初雷日、終雷日距當(dāng)年1月1日的天數(shù)以及各年雷暴持續(xù)期的天數(shù)，進(jìn)而繪制出歷年初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期變化趨勢(shì)圖(圖2)。其中，1、3、5、7、8、10、12月均取31 d，4、6、9、11月均取30 d，2月取28 d(平年)或29 d(閏年)。

從初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期變化趨勢(shì)中可以看出，初雷日變化趨勢(shì)擬合方程斜率為0.026 d/a，即雁江區(qū)初雷日呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)。終雷日變化趨勢(shì)擬合方程斜率為-0.052 d/a，即雁江區(qū)終雷日呈現(xiàn)提前趨勢(shì)；此外，雷暴持續(xù)期的擬合方程斜率為-0.079 d/a。綜上所述，雁江區(qū)雷暴日呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，未來(lái)雷暴日分布將更加集中，需要提前做好雷電防護(hù)工作。

2.3小波周期分析

小波變換方法可以較好地了解時(shí)間序列不同時(shí)間的頻率特征，同時(shí)又可分析不同頻率的時(shí)間分布特征。筆者利用小波分析方法，對(duì)雁江區(qū)年雷暴日時(shí)間序列進(jìn)行了周期分析。由于年雷暴日選取了一定的時(shí)間段內(nèi)雷暴日數(shù)進(jìn)行分析，小波分析時(shí)在邊界區(qū)域會(huì)出現(xiàn)邊界效應(yīng)。因此，筆者為消除數(shù)據(jù)的邊界效應(yīng)，利用Matlab軟件對(duì)年雷暴日時(shí)間序列進(jìn)行了延拓，從而消除時(shí)間序列在進(jìn)行小波分析時(shí)出現(xiàn)的邊界效應(yīng)[15]。

圖2　初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期變化趨勢(shì)

利用Matlab軟件對(duì)處理后的時(shí)間序列進(jìn)行計(jì)算，求出其復(fù)小波系數(shù)，再進(jìn)一步提取小波系數(shù)的實(shí)部，最后根據(jù)小波系數(shù)的實(shí)部值，利用Surfer8.0軟件中的Kriging插值方法，繪制出雁江區(qū)雷暴日數(shù)小波周期分析圖(圖3)。其中，實(shí)線部分為正值，虛線部分為負(fù)值。由此可知，雁江區(qū)近54 a間雷暴日高、低值中心主要集中在5～7 a的時(shí)間尺度上，而在4～8 a、24～32 a的時(shí)間尺度上存有明顯的周期震蕩，即其年雷暴日在4～8 a、24～32 a呈現(xiàn)出周期震蕩現(xiàn)象，在時(shí)間尺度24～32 a上，近54 a來(lái)呈現(xiàn)出明顯的由多到少的3次循環(huán)交替，具有全域性。

圖3　雷暴日小波分析變換圖

3基于閃電定位資料的雁江區(qū)雷電活動(dòng)規(guī)律的分析

3.1閃擊次數(shù)時(shí)空分布規(guī)律

雷暴日[16]定義一天內(nèi)至少一次閃電發(fā)生，即為一個(gè)雷暴日。而忽略了閃電發(fā)生的頻次以及持續(xù)時(shí)間。因此僅僅利用雷暴日對(duì)地區(qū)閃電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究具有很大的局限性。相比于利用雷暴日來(lái)進(jìn)行閃電活動(dòng)規(guī)律研究，閃擊次數(shù)能夠有效地反映雷電的活動(dòng)情況，因此，筆者利用閃擊次數(shù)對(duì)雷暴時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。

筆者根據(jù)雁江區(qū)2005～2014年閃電資料進(jìn)行按月統(tǒng)計(jì)分析，得到雁江區(qū)閃擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖4和表1)。從表1和圖4可知，2005～2014年雁江區(qū)閃擊次數(shù)從4月開(kāi)始逐月增加，7、8月閃擊發(fā)生頻繁，且7月閃擊次數(shù)達(dá)到峰值，自9月后閃擊次數(shù)明顯減少，其中6、7、8月共發(fā)生閃擊45209次，約占總閃擊次數(shù)的76.2%。

從雷暴的季節(jié)特征看，夏季雷暴日最多，秋季次之，冬季雷暴日最少。秋季10、11月，冬季12、1、2月的雷暴活動(dòng)較少，以及春天的3月閃電也較少，4月閃電開(kāi)始增多，5月份閃電迅速增加，在7月最多，9月閃電迅速減少，11、12、1、2、3月雷暴出現(xiàn)的幾率很低。此外，對(duì)比各年正、負(fù)閃擊出現(xiàn)次數(shù)可知，雁江區(qū)負(fù)閃擊次數(shù)明顯多于正閃擊次數(shù)的現(xiàn)象，由此可知，雁江區(qū)各月均以負(fù)地閃為主。

圖4　閃擊次數(shù)月分布趨勢(shì)表1　雁江區(qū)閃擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)

月份正閃次數(shù)負(fù)閃次數(shù)總閃次數(shù)1101200033202344892497251313518364967632773353741719723201408445212712171691899256944510628341113412000

3.2閃電日變化分布規(guī)律

為分析閃電日分布規(guī)律，筆者利用閃電定位資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從圖5可知，雁江區(qū)閃電頻數(shù)的日變化圖，整體呈現(xiàn)單峰值趨勢(shì)。閃電活動(dòng)的高峰期為14：00～22：00，其中在13：00和20：00為2個(gè)主峰值時(shí)刻，20：00的閃電比例較13：00的閃電比例更高。閃電發(fā)生的低頻時(shí)間段為2：00～12：00，谷值發(fā)生在6：00～9：00。因此對(duì)于雁江區(qū)閃電活動(dòng)在一天中的變化規(guī)律可以總結(jié)為下午最頻繁，夜間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在早晨閃電活動(dòng)最弱。閃電在下午活動(dòng)最頻繁是由于下午太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，地面蒸發(fā)較快，與上方空氣形成對(duì)流。因此閃電在下午發(fā)生最為頻繁。在太陽(yáng)落山后，輻射銳減，氣流趨向于穩(wěn)定，因此閃電活動(dòng)較少，在早晨達(dá)到了最低。

圖5　雁江區(qū)閃電頻數(shù)日變化

3.3雷電流強(qiáng)度的概率分布

雷電流強(qiáng)度概率[17]分布是極其重要的雷電參數(shù)，是雷電活動(dòng)規(guī)律的重要反映指標(biāo)，防雷工程設(shè)計(jì)施工中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為更加詳細(xì)地了解雁江區(qū)雷電流強(qiáng)度分布情況，筆者對(duì)雁江區(qū)雷電流強(qiáng)度進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)分析。

從表1、圖4可知，雁江區(qū)負(fù)閃擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于正閃擊，因此，筆者在進(jìn)行雷電流概率統(tǒng)計(jì)中僅對(duì)負(fù)閃擊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。雁江區(qū)負(fù)極性閃電雷電流強(qiáng)度幅值主要集中在21～40 kA，概率為58.79%；雷電流強(qiáng)度幅值分布在11～20 kA和41～100 kA的概率相近，為20%左右。由此可知，雁江區(qū)負(fù)閃擊以21～40 kA雷擊為主，雷電流強(qiáng)度超過(guò)100 kA的閃電出現(xiàn)的概率較小。因此在雁江區(qū)進(jìn)行防雷工作時(shí)，需要重點(diǎn)考慮100 kA以下雷電流強(qiáng)度的閃擊。

4結(jié)論

根據(jù)四川省雁江區(qū)1957～2010年年雷暴日資料以及2005～2014年閃電定位資料，對(duì)雁江區(qū)雷電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)雁江區(qū)年雷暴日整體呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢(shì)，且具有較大的波動(dòng)幅度。同時(shí)，近54 a雁江區(qū)平均年雷暴日為33.14 d/a，屬于多雷區(qū)。這與雁江區(qū)具有豐富的水資源有一定關(guān)系，雁江區(qū)豐富的水資源為雷暴云的產(chǎn)生提供了條件，從而促進(jìn)了雷暴產(chǎn)生。此外，雁江區(qū)雷暴日呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，未來(lái)雷暴日分布將更加集中，需要提前做好雷電防護(hù)工作。

圖6　雁江區(qū)負(fù)極性閃電雷電強(qiáng)度概率分布

(2)雁江區(qū)近54 a期間雷暴日高、低值中心主要集中在5～7 a的時(shí)間尺度上，而在4～8 a、24～32 a的時(shí)間尺度上，存有明顯的周期震蕩，即其年雷暴日在4～8 a、24～32 a呈現(xiàn)出周期震蕩現(xiàn)象，在時(shí)間尺度24～32 a上，近54 a來(lái)呈現(xiàn)出明顯由多到少的3次循環(huán)交替，具有全域性。

(3)從雷暴的季節(jié)特征看，雁江區(qū)夏季雷暴日最多，秋季次之，冬季雷暴日最少。秋季10、11月，冬季12、1、2月的雷暴活動(dòng)較少以及春天的3月閃電均較少，4月閃電開(kāi)始增多，5月份閃電迅速增加，在7月最多，9月閃電迅速減少，11、12、1、2、3月雷暴出現(xiàn)的幾率很低。此外，對(duì)比各年正、負(fù)閃擊出現(xiàn)次數(shù)可知，雁江區(qū)負(fù)閃擊次數(shù)明顯多于正閃擊次數(shù)的現(xiàn)象，故可知雁江區(qū)各月均以負(fù)地閃為主。

(4)雁江區(qū)閃電活動(dòng)呈現(xiàn)單峰趨勢(shì)，一天中傍晚時(shí)分最頻繁，夜間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在早晨閃電活動(dòng)最弱。閃電在下午活動(dòng)最頻繁是由于下午太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，地面蒸發(fā)較快，與上方空氣形成對(duì)流。因此閃電在下午發(fā)生最為頻繁。在太陽(yáng)落山后，輻射銳減，氣流趨向于穩(wěn)定，因此閃電活動(dòng)較少，在早晨達(dá)到了最低。

(5)雁江區(qū)負(fù)閃擊雷電流強(qiáng)度以21～40 kA為主，雷電流強(qiáng)度超過(guò)100 kA的閃電出現(xiàn)的概率較小。因此在雁江區(qū)進(jìn)行防雷工作時(shí)，需要重點(diǎn)考慮100 kA以下的雷電流強(qiáng)度的閃擊。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

收稿日期：2015-12-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB441405)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41175003)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；山東省日照市氣象局氣象科技研究項(xiàng)目(2013rzqx13)。

作者簡(jiǎn)介：左迎芝(1971─)，女，山東臨沂人，研究方向：大氣電學(xué)。

中圖分類(lèi)號(hào)：P427.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)07-0116-05

Law Analysis of Lightning Activity in Yanjiang District Based on Two Kinds of Observational Data

ZUO Ying-zhi1, SUN Jian2, HAN Tong1, MA Jia-meng1, YANG Zhong-jiang3

(1. Meteorological Bureau of Rizhao City in Shandong Province, Rizhao 276800, China; 2. Meteorological Bureau of Juxian County in Shandong Province, Juxian 276800, China; 3. School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract：Aiming at less studies on the law of lightning activities in Yanjiang district, we used the data of thunderstorm day and lightning location system to analyze the law of lightning activities in Yanjiang district by using mathematical statistical method. The results showed that: in Yanjiang district, the number of annual thunderstorm day fluctuated downward and strongly; the date of the earliest thunderstorm day revealed a delaying trend, and the date of the final thunderstorm day revealed an ahead trend, namely the thunderstorm duration was shortened and the thunderstorm days were concentrated; the oscillation of annual thunderstorm day number had obvious periods in the scales of 4～8 a and 24～32 a. The lightnings in Yanjiang were mainly concentrated in summer, and they were mainly negative lightning; the daily lightning activity showed a single-peak trend, and it was frequent at owl-light, moderate at night, and weak in the morning. In addition, the negative lightning was mainly distributed in 21～40 kA, and the occurrence probability of lightnings with the current intensity of more than 100 kA was small.

Key words：Thunderstorm days every year; Climatic tendency; Wavelet analysis; Daily lightning change; Lightning location system; Lightning current intensity