基于雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的雷電危害強(qiáng)度等級(jí)區(qū)劃

賀 姍，鄭琦玉，余田野，張科杰

（湖北省防雷中心，武漢 430074）

雷電是對(duì)流性天氣伴隨的一種天氣現(xiàn)象，由于時(shí)空尺度小、突發(fā)性強(qiáng)，難以預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)，故當(dāng)對(duì)其估計(jì)不足時(shí)，會(huì)造成較大危害。統(tǒng)計(jì)湖北省雷電災(zāi)害可知，在2007—2016 年共有580 余起雷擊事故發(fā)生，這些事故導(dǎo)致了180 余人的傷亡以及超過5 300萬元的財(cái)產(chǎn)損失。雷電危害帶來的影響引起了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷電致災(zāi)因子的大量探索，也得出了一些有益的結(jié)論，江崟等［1］、馮桂力等［2］分別揭示了深圳、山東等地地閃頻次、強(qiáng)度的時(shí)空分布特征。李家啟等［3，4］探索得出了重慶的正、負(fù)閃電幅值和陡度的分布特征。朱浩等［5］研究了安徽省2010—2015 年地閃密度和1961—2015 年雷暴日的關(guān)系。郭潤霞等［6］研究了一次典型大雹天氣不同極性閃電頻次、雷電流強(qiáng)度變化特征。徐鳴一等［7］研究發(fā)現(xiàn)江蘇地閃密度呈東北部少，西南部多這一明顯的地域差異特征。這些研究多是采用不同地方的閃電定位系統(tǒng)所獲得的具體閃電資料，針對(duì)單個(gè)或兩個(gè)雷電致災(zāi)因子進(jìn)行的時(shí)空特征分析。雷電的致災(zāi)因子不少，有的專家認(rèn)為衡量某地雷電危害大小的重要指標(biāo)是該地的地閃密度大?。?］，而有的則認(rèn)為雷電流幅值才是雷電致災(zāi)強(qiáng)弱的關(guān)鍵［9］。王學(xué)良等［10-12］根據(jù)湖北省不同時(shí)間的閃電數(shù)據(jù)資料，研究了地閃電頻次、雷電流幅值和波頭陡度的變化特征，認(rèn)為雷電流幅值和陡度、小電流均與雷電危害密切相關(guān)。鄒善勇等［13］選擇雷暴日數(shù)、雷電強(qiáng)度、密度、頻度等作為大連市雷電危險(xiǎn)度的評(píng)估指標(biāo)。王巨豐等［14］指出雷電流陡度與雷電反擊密切相關(guān)，它是反映雷電特性的重要指標(biāo)之一。

上述專家指出了閃電頻次（密度）、雷電流陡度和小電流等因子對(duì)雷電危害強(qiáng)度的影響，但是鮮見綜合3 個(gè)因子對(duì)雷電危害強(qiáng)度進(jìn)行的分析研究，而評(píng)判雷電危害強(qiáng)度僅使用閃電頻次或雷電流陡度，存在一定的片面性。當(dāng)閃電頻次或雷電流陡度很大，若在空曠無人地帶發(fā)生時(shí)，其帶來的雷電危害可能很??；當(dāng)閃電頻次或雷電流陡度較小時(shí)，若發(fā)生在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的地方，卻可能帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡；而當(dāng)雷電流幅值較小時(shí)，可能會(huì)發(fā)生繞擊，造成較大的雷電危害，故使用單一的因子去分析雷電危害強(qiáng)度是不科學(xué)的。為此本研究利用2007—2016 年湖北省雷電資料，綜合閃電頻次、雷電流陡度和小電流百分比3 個(gè)因子建立雷電危害強(qiáng)度的概念，用來表征雷電危害的強(qiáng)弱。利用投影尋蹤聚類方法和自然斷點(diǎn)法，對(duì)雷電危害強(qiáng)度進(jìn)行等級(jí)劃分并繪制全省的等級(jí)分布圖，揭示湖北省不同地區(qū)雷電危害強(qiáng)弱的規(guī)律，以期為雷電災(zāi)害分析和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

湖北省雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)是結(jié)合時(shí)差定位和磁定向的方法來探測(cè)云地閃，全省一共設(shè)有13 個(gè)子站（圖1），其探測(cè)半徑約為150 km［15］，子站組網(wǎng)后的時(shí)間精度優(yōu)于 10-7s，定位精度優(yōu)于 300 m［16，17］。選取了全省2007—2016 年共10 年的雷電監(jiān)測(cè)資料，主要篩選了地閃發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)、極性以及電流幅值和陡度等參數(shù)，為了排除誤差，剔除了其中一些失效的數(shù)據(jù)，如雷電流陡度或幅值是0 的數(shù)據(jù)等。

圖1 湖北省13 個(gè)子站分布

1.2 方法

主要選用了投影尋蹤方法，即把高維的樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)用投影函數(shù)轉(zhuǎn)換到低維的空間上，通過尋找投影函數(shù)的最佳投影方向來分析樣本數(shù)據(jù)的特征［18-20］。在對(duì)雷電危害強(qiáng)度等級(jí)劃分時(shí)，關(guān)鍵是確定所選取的各因子的權(quán)重，因子的權(quán)重是指每個(gè)評(píng)價(jià)因子在綜合評(píng)價(jià)里的重要性，根據(jù)該方法能比較科學(xué)地確定各因子的權(quán)重。投影尋蹤方法具體操作步驟如下。

首先，對(duì)所選用的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行去量綱化；當(dāng)存在多個(gè)評(píng)價(jià)因子時(shí)，常常遇到不同因子量綱不相同，為了對(duì)這些因子進(jìn)行歸一化處理，故需要利用式（1）先消除每個(gè)不同因子的量綱化影響。

式中，L*(i,j)表示分析數(shù)據(jù)樣本集，i∈( )1,n,j∈(1,k)（其中，n表示分析樣本數(shù)，k表示評(píng)價(jià)因子數(shù)），即第j個(gè)因子的實(shí)際數(shù)值；L(i,j)為因子去量綱后的值表示第j個(gè)因子的最大值表示第j個(gè)因子的最小值。

其次，進(jìn)行線性投影并創(chuàng)建函數(shù)；將去量綱后的數(shù)據(jù)樣本L(i,j)從不同的方向進(jìn)行投影，觀測(cè)投影值［式中，a(j)為單位投影向量］，尋找最合適的投影方向。根據(jù)z(i)特點(diǎn)，可以創(chuàng)建出投影函數(shù)P(a) =SzDz［式中，Sz、Dz分別為z(i)的標(biāo)準(zhǔn)方差和局部密度］。

最后，優(yōu)化投影方向并綜合評(píng)價(jià)；根據(jù)上述分析可知最佳投影方向就是P(a)為最大值的方向。根據(jù)最佳投影方向的確定，則可以計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的投影特征值z(mì)(i)，根據(jù)z(i)差異水平即可以確定所選取的各因子權(quán)重。

雷電危害強(qiáng)度等級(jí)的劃分需要確定分析模型，目前的分析模型有聚類法、自然斷點(diǎn)法、層次分析法等［21-24］，本研究選取了自然間斷點(diǎn)分級(jí)法（簡(jiǎn)稱自然斷點(diǎn)法），即利用數(shù)據(jù)樣本本身存在的斷點(diǎn)來對(duì)其進(jìn)行的自然分級(jí)。主要做法是先識(shí)別數(shù)據(jù)樣本的間隔，然后在間隔較大的位置設(shè)邊界，使得各級(jí)數(shù)據(jù)之間的差異最大，做到對(duì)樣本數(shù)據(jù)最合適的分級(jí)，簡(jiǎn)而言之，就是使各級(jí)間的方差最大，級(jí)內(nèi)的方差最小。利用該方法即能對(duì)雷電危害強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行自然劃分。

2 各因子的選取和特征

2.1 各因子的選取

為了客觀地分析雷電危害強(qiáng)度，采用以下3 個(gè)致災(zāi)因子評(píng)估雷電危害強(qiáng)度：地閃密度、雷電流陡度以及小電流百分比。

地閃密度是指在單位時(shí)間單位面積內(nèi)發(fā)生的地閃次數(shù)，能夠最直接地反映雷電活動(dòng)強(qiáng)弱和致災(zāi)環(huán)境。本研究利用雷電監(jiān)測(cè)資料所得的湖北省各地10 年的年平均地閃頻次除以當(dāng)?shù)孛娣e來表示各地的地閃密度，能較好地克服運(yùn)用雷暴日換算時(shí)存在的不足［9］。

雷電流陡度是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)雷電流隨時(shí)間變化的平均變化率。其反映了電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，雷電流陡度越大，則產(chǎn)生的電磁脈沖越強(qiáng)，感應(yīng)也越強(qiáng)，其造成的危害也越大。利用湖北省各地10 年的年平均雷電流陡度來表征當(dāng)?shù)氐睦纂娏鞫付取?/p>

現(xiàn)在大多數(shù)建構(gòu)筑物均有比較完善的雷電防護(hù)裝置，故直接遭受雷電襲擊危害的可能性較小，但是當(dāng)雷電流幅值較小時(shí)，雷電可能發(fā)生繞擊，當(dāng)雷電流幅值過大時(shí)可能造成雷電反擊，均可能帶來雷電災(zāi)危害。在GB50057—2010 規(guī)范中給出的第三類防雷建筑物繞擊電流為15.8 kA，反擊電流為100 kA，為了便于統(tǒng)計(jì)，本研究選取小于20 kA 的雷電流為小電流，表示繞擊可能帶來的雷電危害。但是統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)近10 年湖北省大于100 kA 的雷電流不足2%，其造成的影響極小，故未選取反擊電流作為等級(jí)劃分因子。即選用了10 年來湖北省各地發(fā)生小電流（＜20 kA）的頻次占當(dāng)?shù)乜傞W電頻次的百分比（即小電流百分比）作為第三個(gè)因子。

2.2 各因子的特征

統(tǒng)計(jì)2007—2016 年湖北省17 個(gè)地市州的年平均地閃密度（次/（km2·年）），得到各地年平均地閃密度分布見圖2，各地地閃密度差異性較大，全省平均值為2.802 次/（km2·年）。其中，鄂州市的地閃密度最大，為5.777 次/（km2·年），是全省年平均地閃密度的2 倍。整體而言，鄂東地區(qū)地閃密度較高，其平均地閃密度為3.570 次/（km2·年），其中鄂東南地區(qū)的地閃密度尤其高，均遠(yuǎn)大于全省的年平均地閃密度。江漢平原年平均地閃密度為2.710 次/（km2·年），除荊門市以外，其他江漢平原地區(qū)地閃密度都比較低，略低于全省的年平均地閃密度。而鄂西地區(qū)的地閃密度整體偏低，其平均地閃密度僅為1.810次/（km2·年），除宜昌外的其他鄂西地區(qū)地閃密度遠(yuǎn)低于全省年平均地閃密度，地閃密度最小的是十堰市，為1.072 次/（km2·年），僅為地閃密度最大地區(qū)的18.6%。

圖2 2007—2016 年湖北省各地年平均地閃密度分布

各地年平均雷電流陡度（kA/μs）情況如圖3 所示，由圖3 可知，湖北省各地雷電流陡度波動(dòng)較大，在5.234～13.321 kA/μs。雷電流陡度最大的是荊州市，最小的是神農(nóng)架，全省雷電流陡度年平均值為11.198 kA/μs。就全省雷電流陡度而言，存在兩個(gè)高值區(qū)域，一個(gè)位于江漢平原的仙桃、荊州和潛江一帶，另一個(gè)則位于鄂東地區(qū)的黃石、隨州、武漢和孝感一帶。鄂東地區(qū)雷電流陡度略低于江漢平原，前者年平均雷電流陡度為12.320 kA/μs，后者為12.390 kA/μs，兩者均高于全省年平均雷電流陡度。鄂西地區(qū)雷電流陡度遠(yuǎn)小于其他地區(qū)，僅為8.440 kA/μs，除襄陽外的其他鄂西地區(qū)雷電流陡度遠(yuǎn)小于全省年平均雷電流陡度。

圖3 2007—2016 年湖北省各地年平均雷電流陡度

統(tǒng)計(jì)湖北省各地小電流（＜20 kA）占當(dāng)?shù)乜傞W電頻次的百分比得到圖4，分析圖4 可知，全省小電流百分比年平均值為19.84%，但是各地存在較大差異，百分比最高的為神農(nóng)架林區(qū)，即過去10 年間該地發(fā)生的雷電中高達(dá)43.02%均為小電流雷電，最低的為隨州市，僅為8.80%，小電流百分比最高地區(qū)約為最低地區(qū)的5 倍。鄂西地區(qū)小電流百分比平均值為23.99%，遠(yuǎn)大于江漢平原和鄂東地區(qū)，其中十堰、神農(nóng)架和宜昌的小電流百分比均大于20%。江漢平原小電流百分比平均值為20.20%，除荊州以外的其他江漢平原地區(qū)小電流百分比均大于全省平均值。鄂東地區(qū)小電流百分比平均值為16.62%，除鄂州外的其他鄂東地區(qū)小電流百分比遠(yuǎn)低于全省年平均值。

圖4 2007—2016 年湖北省各地小電流百分比

3 雷電危害強(qiáng)度等級(jí)劃分及分析

3.1 雷電危害強(qiáng)度等級(jí)劃分

根據(jù)上述投影尋蹤方法分析可知，湖北省17 個(gè)地市州即為分析樣本，則式（1）中i= 17，選取了3 個(gè)評(píng)價(jià)因子，則j=3，分別用表示地閃密度、雷電流陡度以及小電流百分比。由圖2 至圖4 可知，地閃密度的最大值、最小值分別為5.777、1.072 次/（km2·年）；雷電流陡度的最大值為13.321 kA/μs，最小值為5.234 kA/μs；小電流百分比的最大值為43.02%，最小值為8.80%。根據(jù)式（1）進(jìn)行去量綱處理，即可得到處理后的17 個(gè)地市州3 個(gè)因子（分別為L1、L2、L3）的樣本數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1 各地區(qū)雷電危害強(qiáng)度因子去量綱

基于遺傳算法［19］，運(yùn)用 Matlab 軟件對(duì)處理后的各地區(qū)樣本數(shù)據(jù)從不同方向進(jìn)行投影，得到最合適的投影向量（0.494 7，0.489 3，0.016 0），投影向量中每個(gè)分量值為各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)，即L1、L2、L3的權(quán)重系數(shù)分別為0.494 7、0.489 3、0.016 0，根據(jù)不同因子的權(quán)重構(gòu)建湖北省雷電危害強(qiáng)度的模型為：

由式（2）得出湖北省各地雷電危害強(qiáng)度值，根據(jù)自然斷點(diǎn)法利用ArcGIS 對(duì)這些雷電危害強(qiáng)度值進(jìn)行分級(jí)處理得到圖5。

圖5 湖北省雷電危害強(qiáng)度自然斷點(diǎn)分布

由圖5 可以看出，雷電危害強(qiáng)度的自然斷點(diǎn)分別為 0.199、0.549、0.664。由這 3 個(gè)自然斷點(diǎn)，可以把湖北省雷電危害強(qiáng)度劃分成4 個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)（弱）為 0 ≤z(i)＜0.199，Ⅱ級(jí)（中等）為 0.199 ≤z(i)＜0.549、Ⅲ級(jí)（強(qiáng)）為0.549 ≤z(i)＜0.664、Ⅳ級(jí)（極強(qiáng)）為z(i)≥ 0.664。

3.2 雷電危害強(qiáng)度等級(jí)分析

根據(jù)湖北省雷電危害強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而繪制出全省分布圖（圖6）。由圖6 可知，①從全省范圍來觀察，雷電危害強(qiáng)度大致呈從西北向東南逐級(jí)增強(qiáng)的分布，鄂西地區(qū)的雷電危害強(qiáng)度要明顯低于鄂東地區(qū)。鄂東地區(qū)的雷電危害強(qiáng)度最大，為0.695；江漢平原與其差距較小，為0.611；而鄂西地區(qū)雷電危害強(qiáng)度最弱，僅有0.279。②Ⅰ級(jí)主要位于西北山區(qū)，即十堰和神農(nóng)架林區(qū)的雷電危害強(qiáng)度較弱；Ⅱ級(jí)仍位于鄂西地區(qū)，即宜昌、襄陽以及恩施的雷電危害強(qiáng)度為中等；Ⅲ級(jí)雷電危害較強(qiáng)，主要位于咸寧、隨州、黃岡、孝感以及3 個(gè)直管市等；Ⅳ級(jí)雷電危害最大，主要集中在武漢、黃石、荊州和鄂州。在雷電危害的4 個(gè)等級(jí)中，Ⅲ級(jí)占全省面積比例最大，為35.16%，其次為Ⅱ級(jí)，占比為34.89%，兩者共占全省總面積的70.00%以上。

圖6 湖北省雷電危害強(qiáng)度等級(jí)分布

4 結(jié)論

根據(jù)湖北省2007—2016 年的雷電監(jiān)測(cè)資料，選取了雷電危害強(qiáng)度分級(jí)因子，并分析了各因子的特征，對(duì)雷電危害強(qiáng)度進(jìn)行了等級(jí)劃分，主要得出以下結(jié)論。

1）選取了地閃密度、雷電流陡度和小電流百分比3 個(gè)因子來分析雷電危害強(qiáng)度，綜合這3 個(gè)因子建立了雷電危害強(qiáng)度模型，利用投影尋蹤解決了3 個(gè)因子的權(quán)重問題，得到了3 個(gè)因子的權(quán)重系數(shù)分別為0.494 7、0.489 3、0.016 0。

2）根據(jù)湖北省雷電危害強(qiáng)度的模型計(jì)算不同地方雷電危害強(qiáng)度值，得到雷電危害強(qiáng)度的自然斷點(diǎn)分別為 0.199、0.549、0.664。利用 3 個(gè)自然斷點(diǎn)，將湖北省雷電危害強(qiáng)度劃分為Ⅰ級(jí)（弱）、Ⅱ級(jí)（中等）、Ⅲ級(jí)（強(qiáng)）、Ⅳ級(jí)（極強(qiáng)），并基于ArcGIS 給出了湖北省雷電危害強(qiáng)度等級(jí)分布圖。整體而言，湖北省雷電危害強(qiáng)度大致從西北向東南逐級(jí)增強(qiáng)，鄂東地區(qū)危害強(qiáng)度明顯高于鄂西地區(qū)。這能為雷電災(zāi)害防御以及評(píng)估、雷暴及其伴隨的天氣現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供參考。