畢節(jié)市雷電活動特征及雷電易發(fā)性區(qū)劃

劉佳 王麗媛 王璇 姚浪

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720099

摘要：本文利用雷暴地面觀測資料與閃電定位系統(tǒng)觀測資料，分析雷暴日的時空分布特征與地閃特征，并借助地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)，進行畢節(jié)市雷電易發(fā)性區(qū)劃研究，結(jié)果顯示，畢節(jié)市雷暴日分布自西南向東北逐漸減少，市南部為雷電高易發(fā)區(qū)，西部及東部邊緣為低易發(fā)區(qū)。

關(guān)鍵詞：雷暴日；地閃；易發(fā)性區(qū)劃

聯(lián)合國“國際減災十年”中公布，雷電災害是十大最嚴重的自然災害之一。畢節(jié)市位于貴州省西北部，地處青藏高原東南側(cè)、云貴高原東斜坡上，高原山地地形復雜，地勢自西向東呈階梯狀逐級下降。畢節(jié)市是貴州省強對流天氣系統(tǒng)的起源地之一，也是貴州省的雷暴高發(fā)區(qū)，因此，對畢節(jié)市雷電活動特征及雷電災害風險等級區(qū)劃的研究是很有必要的。

20世紀80年代以來，國內(nèi)已有不少學者利用雷暴地面觀測資料分析雷電時空分布特征，并進行雷電活動風險區(qū)劃，但由于傳統(tǒng)的雷暴數(shù)據(jù)是通過人工觀測來獲取的，雷暴數(shù)據(jù)記錄的時間間隔較長，另外，人們對雷電的認識又有局限性，受很多主觀因素影響，數(shù)據(jù)不夠客觀[12]。近年來，隨著閃電定位系統(tǒng)投入使用，雷電活動特征的研究進入了新的階段。閃電定位數(shù)據(jù)相比于常規(guī)的雷暴觀測數(shù)據(jù)，具有高時間、高空間分辨率的優(yōu)勢[3]。本文利用畢節(jié)市19612013年八縣區(qū)氣象站的雷暴地面觀測資料，分析雷暴日的時空分布特征，并利用20062015年閃電定位系統(tǒng)觀測資料來分析地閃的時間變化特征和強度特征，通過對地閃密度的分析來確定畢節(jié)市雷電的易發(fā)區(qū)域。

1 雷暴日特征

1.1 雷暴強度劃分

我國一般根據(jù)年平均雷暴日數(shù)來劃分某地區(qū)的雷暴強度：

少雷區(qū)：年平均雷暴日數(shù)在15天及以下的地區(qū)；

中雷區(qū)：年平均雷暴日數(shù)在15天以上、40天以下的地區(qū)；

多雷區(qū)：年平均雷暴日數(shù)在40天以上、90天以下的地區(qū)；

強雷區(qū)：年平均雷暴日數(shù)在90天以上的地區(qū)。

表1畢節(jié)市19612013年雷暴日數(shù)觀測資料統(tǒng)計顯示，全市年平均雷暴日數(shù)為52.8天，各氣象站雷暴日都大于40天，均屬于多雷區(qū)。最大值為納雍的61.8天，其次為威寧的60天，最小值為金沙的42.6天。

1.2 雷暴日數(shù)空間分布

從畢節(jié)市19612013年各氣象站平均雷暴日數(shù)的分布（圖1）來看，我市雷暴中心在西南部的納雍、威寧一帶，自西南向東北逐漸減少。這種分布形勢與畢節(jié)市的地形分布有一定的關(guān)系，畢節(jié)市地勢自西南向東北呈階梯狀逐級下降，系統(tǒng)自北向南移動時，地形的抬升作用有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展，導致西南部對流活動旺盛，多雷暴天氣。

1.3 雷暴日數(shù)年際變化

由畢節(jié)市19612013年各氣象站雷暴日數(shù)觀測資料統(tǒng)計（圖2）顯示，各氣象站之間總體趨勢一致，1983年之前為畢節(jié)市雷暴的多發(fā)期，年平均雷暴日數(shù)在5570天左右浮動，1984年后雷暴日數(shù)明顯減少，年平均雷暴日數(shù)在4050天左右。其中1963年雷暴日數(shù)最多，平均為85天，2011年最少，平均為32天。比較單站的年際變化發(fā)現(xiàn)，極端最高年雷暴日數(shù)為1963年納雍的99天，極端最低年雷暴日數(shù)為2003年金沙的20天。

1.4 雷暴日數(shù)月際變化

從各站的月際變化（圖3）可以看出，畢節(jié)市全年均有雷暴出現(xiàn)，冬季（12月、1月及2月）的雷暴日數(shù)最少，4月開始顯著增加。畢節(jié)市雷暴主要集中在48月，約占全年的81.5%，7月和8月是出現(xiàn)雷暴最多的月份，約占全年的39%。

2 地閃特征

2.1 地閃次數(shù)月際變化

從畢節(jié)市20062015年的地閃次數(shù)月際變化（圖4）中可以看出，地閃次數(shù)的月際變化趨勢與雷暴日數(shù)的變化趨勢基本吻合。68月是閃電活動的高發(fā)期，地閃次數(shù)占全年的64.5%，其中8月地閃最為頻繁，但正閃次數(shù)在6月最多。12月和1月閃電活動最弱。

2.2 地閃次數(shù)日變化

從地閃次數(shù)的日變化分布（圖5）來看，閃電活動的發(fā)生有明顯的日變化，下午到上半夜閃電活動最強烈，主要集中在1524時，占全天的78.1%，在1718時達到峰值。這是由于午后地表強烈吸收太陽輻射，近地面氣溫升高，形成不穩(wěn)定層結(jié)，能量的積聚在傍晚前后達到最大，有利于雷電活動的發(fā)生。下半夜氣溫下降，不穩(wěn)定能量減少，閃電活動逐漸減弱，到上午0811時地閃次數(shù)最少。

2.3 地閃強度特征

表2 畢節(jié)市地閃頻率和平均強度表明，10年（20062015年）內(nèi)畢節(jié)市總地閃次數(shù)為995993次，其中負地閃次數(shù)為965565次，占總地閃次數(shù)的96.9%，而正地閃次數(shù)僅為30428次，占總地閃次數(shù)的3.1%，但正地閃平均強度達到58.1kA，明顯高于負地閃強度。從圖6可知，畢節(jié)市地閃強度主要集中在2050kA，該區(qū)間內(nèi)的地閃次數(shù)占總次數(shù)的58.4%。

3 人工觀測與閃電監(jiān)測雷暴日對比分析

3.1 雷暴日對比分析

由圖7可見，畢節(jié)市閃電監(jiān)測的雷暴日比人工觀測的多。其原因在于器測的雷暴日為縣境范圍內(nèi)的落雷日，不管雷聲大小，只要有落雷都能被儀器探測到；而人工觀測的雷暴日，由于氣象站點大部分建在城區(qū)或郊區(qū)附近，城市的各種噪聲給人工判斷帶來了很大的困難，特別是白天受影響最大，經(jīng)常會產(chǎn)生漏記、遲記的現(xiàn)象，就是在遠離城區(qū)的站點，在人們的活動越來越頻繁的今天，這種情況也是會有發(fā)生的。因此器測雷暴日比人工觀測到的雷暴日更為合理。

3.2 平均雷擊大地密度對比分析

傳統(tǒng)的平均雷擊大地密度是由人工觀測雷暴日數(shù)進行估算的，其公式是：

Ng=0.024T1.3d

式中，Td為年雷暴日數(shù)。

由表3可見，以人工雷暴日數(shù)來估算平均雷擊大地密度并沒有考慮實際土地面積，與地閃次數(shù)計算的平均雷擊大地密度有一定的差距。說明以人工觀測雷暴日數(shù)估算的平均雷擊大地密度來進行雷電災害風險評估與防雷工程檢測工作不夠準確和客觀，應當考慮以器測雷擊大地密度來進行此類工作：在雷電災害風險評估中，運用閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)建設(shè)項目的初步設(shè)計，對項目可能存在的風險針對性的進行分析；在防雷工程及檢測中，可以準確地統(tǒng)計出建筑物處的雷電活動參數(shù)，科學地設(shè)計防雷工程，有針對性的進行防雷檢測，同時為雷電預警提供參考信息；在雷電災害鑒定中，可以及時提供準確的雷擊位置及時間，保證鑒定結(jié)果客觀公正。

4 雷電易發(fā)性區(qū)劃

4.1 地閃密度

地閃密度是單位面積內(nèi)年均閃電活動發(fā)生的次數(shù)，表征雷電活動頻繁程度。因此，采用閃電密度作為區(qū)劃等級數(shù)據(jù)指標。

畢節(jié)市地閃密度分布存在地域性差異，整體分布由南向北遞減。其中織金中西部為地閃密度極高值區(qū)，年均地閃密度高于7.00次/km2。

4.2 等級劃分

區(qū)劃等級劃分采用數(shù)據(jù)聚類方法——自然斷點分級法。該方法的原理是減少類的方差，最大限度地提高類之間的差異。計算采取重復迭代過程，通過重復計算不同的數(shù)據(jù)集，以確定最小的類方差，直到偏差的總和達到最小值為止。

其公式為：

SSDi-j=∑jk=iAk-meani-j21≤i

其中meani-j=（∑jk=iAk）2j-i+11≤i

式中：SSD是方差，A是一個數(shù)組（數(shù)組長度為N），meanij是每個等級中的平均值。

將易發(fā)等級劃分為高、中、低三級，按0.005°×0.005°的地閃密度值進行自然斷點分類，得出2.41、3.92兩個斷點，以此劃分畢節(jié)市雷電易發(fā)性等級（表4），得到其雷電易發(fā)性區(qū)劃圖。

如圖8所示，畢節(jié)市雷電高易發(fā)區(qū)主要集中在市南部，即赫章東南部、納雍西南部和織金大部地區(qū)；七星關(guān)、大方、黔西等地為中易發(fā)區(qū)；威寧、赫章北部和金沙為低易發(fā)區(qū)。

5 小結(jié)

（1）通過對畢節(jié)市雷暴日特征的分析，畢節(jié)市各縣區(qū)均屬于多雷區(qū)，全市年平均雷暴日數(shù)為52.8天，雷暴日分布自西南向東北逐漸減少，全年雷暴主要集中在48月，約占全年的815%；1983年之前為畢節(jié)市雷暴的多發(fā)期，年平均雷暴日數(shù)在5570天左右浮動，1984年后雷暴日數(shù)明顯減少，年平均雷暴日數(shù)在4050天左右。

（2）通過對地閃特征的分析，地閃次數(shù)的月際變化趨勢與雷暴日數(shù)的變化趨勢基本吻合；68月是閃電活動的高發(fā)期，地閃次數(shù)占全年的64.5%，其中8月地閃最為頻繁；閃電活動的發(fā)生有明顯的日變化，下午到上半夜閃電活動最強烈，主要集中在1524時，占全天的78.1%，在1718時達到峰值。

（3）由人工觀測與閃電監(jiān)測雷暴日對比分析，畢節(jié)市閃電監(jiān)測的雷暴日比人工觀測的多，大部地區(qū)以地閃次數(shù)計算的平均雷擊大地密度高于以人工雷暴日數(shù)來估算平均雷擊大地密度。

（4）畢節(jié)市雷電高易發(fā)區(qū)主要集中在市南部，即赫章東南部、納雍西南部和織金大部地區(qū)；七星關(guān)、大方、黔西等地為中易發(fā)區(qū)；威寧、赫章北部和金沙為低易發(fā)區(qū)。

（5）因閃電定位系統(tǒng)存在一定的探測誤差及探測盲區(qū)，待威寧站的三維閃電定位儀建成后將進一步提升畢節(jié)全市的閃電探測覆蓋范圍和精度，因此雷電易發(fā)區(qū)域分布也將根據(jù)雷電資料的逐年累積而變化。

參考文獻：

[1]胡新華.人工觀測與閃電定位探測雷暴日資料的對比分析[J].江西氣象科技，2005，28（3）：5556.

[2]張日高，張良春，余建華.利用監(jiān)測與人工觀測數(shù)據(jù)計算的雷擊大地密度比較[J].氣象與減災研究，2010，33（3）：6667.

[3]劉垚，廖啟龍，劉淼，等.杭州市雷電活動特征及雷電災害區(qū)劃[J].氣象與減災研究，2011，34（4）：6267.

[4]丁旻，李強，吳安坤.貴州地區(qū)地閃的分布特征及防護效率分析[J].防災科技學院學報，2013，15（1）：1116.

[5]劉麗萍，沈錫清，張好成，等.畢節(jié)地區(qū)雷暴活動的時空特征[J].貴州氣象，2008，32（2）：1315.

基金項目：此文為貴州省畢節(jié)市氣象局開放基金《畢節(jié)市雷電活動特征及雷電災害風險等級區(qū)劃》資助。項目任務(wù)書合同編號：BJKF[2017]01號