天津地區(qū)閃電強度特征分析與區(qū)劃研究*

李華凝 宋喃喃 李猛 李伊吟

（1.天津市氣象災害防御技術中心，天津 300074；2.天津市防雷技術中心，天津 300074；3.河南省氣象服務中心，河南鄭州 450003）

0.引言

雷電是產(chǎn)生于積雨云中的一種大氣中的長距離放電現(xiàn)象，常常伴隨暴雨、冰雹和龍卷等強對流天氣，易產(chǎn)生嚴重的災害事故。雷擊的危害方式主要表現(xiàn)為直擊閃電時引起的機械效應、熱效應、電效應，雷電產(chǎn)生的感應場還會引起電磁脈沖、靜電感應和雷電反擊等，究其原因都是由雷電流引起的。同時，在雷電防護設計中同樣需要雷電流參數(shù)作為依據(jù)。天津地區(qū)年平均雷暴日為28.4d，屬中雷區(qū)，整體呈北多南少的分布特征，雷電災害發(fā)生較頻繁，易產(chǎn)生較為嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

目前國內(nèi)外關于閃電強度的研究已有一些進展。Anderson[1]根據(jù)Berger[2]的實測數(shù)據(jù)首次給出了累積概率近似表達式，該表達式被IEEE工作組[3]所推薦。隨著閃電定位數(shù)據(jù)應用形式的不斷加深，全國許多省份利用閃電定位數(shù)據(jù)對閃電特征及機理的研究日益增多。徐鳴一[4]、李家啟[5]、王學良[6]、高金閣[7]等人分別對江蘇、重慶、湖北、北京等地的雷電流幅值特征分析，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)雷電流幅值特征分布曲線與IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率表達式分布較為一致；國內(nèi)學者孫萍[8]，王巨豐[9]等人利用數(shù)學方法和實測數(shù)據(jù)對比分析得出雷電流陡度與雷電流幅值密切相關。曾金全[10]、賀珊[11]等利用雷電流幅值和雷電流陡度對閃電強度進行了等級劃分，這些研究選取不同因子對閃電強度進行了等級劃分，但缺少對本地的實際應用。在開展雷災調(diào)查、雷電風險預警等實際應用中，時常需要對閃電強度進行表征，僅給出閃電強度的具體數(shù)值缺乏直觀性，因此定性地度量閃電強度非常必要。本文基于天津市2013—2020年ADTD閃電定位數(shù)據(jù)，選取雷電流幅值和雷電流陡度兩個參數(shù)對閃電強度進行綜合描述，開展天津地區(qū)的閃電強度特征分析，建立閃電強度等級評估模型，開展天津地區(qū)閃電強度等級劃分。

1.資料與方法

根據(jù)IEEE工業(yè)組文件《IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines》[12]中5.2節(jié)的規(guī)定，對于回擊電流應用范圍的定義為2kA～200kA。因此，本研究剔除了雷電流幅值小于2kA的102個樣本和大于200kA的155個樣本。

鑒于雷電流幅值和陡度的單位不同，為消除兩個參數(shù)的量綱與數(shù)量級的差異，需對雷電流幅值和雷電流陡度進行規(guī)范化處理，歸一化公式如下：

式中，Di為第i個評價指標的歸一化數(shù)值，Xi為第i個評價指標，Xmax為評價指標中的最大值，Xmin為評價指標中的最小值。

為使計算結(jié)果與實際情況更為接近，本文采用雷電流幅值I與雷電流陡度di/dt的99%、1%分位點的逐年平均值分別替代樣本中的最大值和最小值，將雷電流幅值和陡度分別代入（1）式，得到I與di/dt的歸一化結(jié)果如下：

其中，I0和di/dt0分別為標準化后I與di/dt的值；I99%和di/dt99%分別表示99%分位點上I與di/dt的值；I1%和di/dt1%分別表示1%分位點上I與di/dt的值。

根據(jù)雷電流幅值和雷電流陡度指數(shù)，建立閃電強度指數(shù)H的計算公式：

2.閃電強度統(tǒng)計分析

2.1 閃電強度分布特征

統(tǒng)計顯示，本研究所使用的有效閃電定位數(shù)據(jù)樣本124898個，其中正閃18092個，占總樣本數(shù)14.49%，負閃106806個，占總樣本數(shù)85.51%。從閃電強度頻次分布特征來看（見圖1），正閃強度主要集中在2kA～30kA，其中最大分布區(qū)間為2kA～10kA；負閃強度主要集中在2kA～40kA，其中最大分布區(qū)間為10kA～20kA。

圖1 2013—2020年天津地區(qū)閃電強度頻次分布

2.2 雷電流幅值與陡度的概率分布特征

對比分析雷電流幅值和陡度的概率曲線分布特征可知，兩者在不同區(qū)間上的概率曲線大致相同。從圖2可知，雷電流幅值概率曲線跨度較大，且各幅值所占比例不均衡，大部分集中在2kA～90kA，占總數(shù)的98.54%。在10kA～30kA區(qū)間內(nèi)的雷電流幅值所占比例最高，占總數(shù)的74.67%。雷電流陡度的概率曲線相較雷電流幅值而言跨度范圍較小，大部分集中在24kA/μs以下，陡度在2kA/μs～8kA/μs的比例最高，達70.74%。

圖2 2013—2020年天津地區(qū)雷電流幅值分布概率

3.閃電強度等級劃分

3.1 等級劃分因子的權(quán)重

經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷電流幅值與陡度呈正相關，且二者相關系數(shù)達83.82%，因此在確定閃電強度指標中雷電流幅值和雷電流陡度兩個參數(shù)對應的權(quán)重時，權(quán)重因子A1、A2各取0.5來進行計算。

3.2 等級劃分結(jié)果

考慮到雷電流幅值是閃電定位數(shù)據(jù)中的重要參數(shù)，從理論上來說，其值越大，能量就越大，直擊雷造成的破壞程度也越高。由雷電流幅值和陡度的概率分布特征可知，不同區(qū)間下二者的概率分布極不均衡，因此對I和di/dt兩個參數(shù)統(tǒng)一采用對稱不等間隔法進行區(qū)間劃分，采用百分位法將H按一般（0%～10%）、中等（10%～50%）、較高（50%～90%）和高（90%～100%）不等間隔地劃分成4個等級。將A1、A2、I99%、I1%、di/dt99%、di/dt1%代入公式（5），得到的天津地區(qū)閃電強度指數(shù)計算結(jié)果為：

由上式計算得出99%、90%、50%、10% 4個分位點的閃電強度指數(shù)，分別對應為0.879、0.455、0.194和0.042，以此作為天津地區(qū)閃電強度等級的區(qū)間劃分點。采用百分位法將閃電強度劃分為4級（見表1）。

表1 閃電強度H等級閾值劃分

3.3 天津地區(qū)閃電強度等級劃分應用

如圖3所示，對于不同等級的閃電強度而言，天津地區(qū)閃電強度分布大致呈“西北高東南低”的特征，大部分地區(qū)雷電強度處于較高和中等等級。北部山區(qū)由于海拔較高，水體、植被較多，水汽條件充足處于高等級區(qū)域，且因為局地地形的抬升作用，發(fā)生強雷電的概率較大。

圖3 2013—2020年天津地區(qū)閃電強度等級劃分圖

4.結(jié)果與討論

（1）本研究利用天津市2013-2020年ADTD二維閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)對閃電強度特征進行分析，結(jié)果表明，正閃強度主要集中在2kA～30kA，其中最大分布區(qū)間為2kA～10kA；負閃強度主要集中在2kA～40kA，其中最大分布區(qū)間為10kA～20kA。

（2）雷電流幅值和陡度在不同區(qū)間上的概率曲線大致相同。雷電流幅值概率曲線跨度較大，且各幅值所占比例不均衡，在10kA～30kA區(qū)間內(nèi)的雷電流幅值所占比例最高。雷電流陡度的概率曲線相較雷電流幅值而言跨度范圍較小，在2kA/μs～8kA/μs區(qū)間內(nèi)的比例最高。

（3）根據(jù)閃電強度的分布規(guī)律，利用自然斷點法將其分為4級。分析發(fā)現(xiàn)，各等級雷電易發(fā)區(qū)域大致呈“西北高東南低”的特征，閃電強度高和較高等級主要分布在薊州區(qū)、寶坻區(qū)、武清區(qū)和靜海區(qū)西南部部分地區(qū)；中心城區(qū)和環(huán)城四區(qū)為中等強度；西南部的濱海新區(qū)與靜海區(qū)東南部閃電強度為一般等級。

（4）本研究對雷電流幅值和陡度的特征及閃電強度分布與進行了初步分析，揭示二者的相關性。然而，影響閃電發(fā)生的主要原因還與地形有關，下一步將對閃電的發(fā)生機制進行更加深入的研究。