内蒙古地区雷电活动及雷灾特征分析

刘晓东，冯旭宇，宋昊泽，博　格

(1. 内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区雷电预警防护中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 3.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051)



内蒙古地区雷电活动及雷灾特征分析

刘晓东1,2，冯旭宇3，宋昊泽2，博格2

(1. 内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区雷电预警防护中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 3.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

摘要:基于内蒙古气象部门2013-2014年23站雷电定位资料和雷灾统计资料，运用ArcGIS软件和数理统计等方法对内蒙古高原地区地闪频次、强度时空分布特征及雷电灾害特征进行了分析。结果表明，内蒙古高原地区正地闪占总地闪的10%左右，正闪比例高于南方省市；该地区50%以上的地闪强度集中在15~35 kA范围，正地闪的电流强度为负地闪的2倍左右；每年3、4月份的地闪平均电流强度最大，1 d当中上午电流强度要大于午后的强度值；地闪的空间分布主要集中在内蒙古高原中、东部地区，地闪的最大密度和电流强度值分别在20次/km2和10 kA/km2左右；从雷灾分析来看，雷电灾害主要发生在6-8月份，电子电器设备发生雷电灾害次数最多，居民家庭雷电防护措施仍需完善；雷击人员伤亡则主要发生在农村牧区的户外环境，农牧民的防雷意识有待进一步提高。

关键词:地闪密度；地闪强度；雷电灾害；防雷意识；内蒙古

内蒙古地域辽阔，属高纬高原地区，以温带大陆性季风气候为主。内蒙古特殊的地理环境和复杂的气候类型，使其气象灾害存在明显的时空分布特征。根据2005-2012年内蒙古气象灾害资料的统计分析，全区平均每年发生气象灾害190次，因灾死亡32人，直接经济损失33亿元，且气象灾害频率和经济损失呈逐年上升趋势[1]，暴雨洪涝、大风冰雹和雷电灾害三种灾害是内蒙古境内发生的主要气象灾害，内蒙古地区年平均雷暴日数为28.6 d，最多达41.3 d[2-4]，1998-2008年全区平均每年发生雷电灾害48.82次，直接经济损失1 572.3万元，雷击伤亡人数为14.2人[5]。雷电灾害引起社会各界的高度重视，因此许多科技工作者开展了关于雷电活动及雷击灾害的相关研究[6-8]。杨鹏武[9]等利用云南省2008年雷电定位网监测的地闪资料和全省16个州(市)的雷电灾害资料，对云南省2008年雷电活动及雷电灾害的时空分布特征进行分析；程琳等[10]利用江苏2011年闪电定位系统资料对江苏省闪电强度、闪电频数等闪电特征及其雷电灾害特征进行了分析等。但是针对内蒙古地区地闪活动特征的研究还没有开展，故本文首次运用内蒙古气象部门闪电定位系统2013-2014年雷电定位资料和雷电灾害统计资料，对高纬度高原地区地闪活动的时空分布特征及雷击灾害特征进行分析，为各级政府和相关部门加强防雷减灾管理、提高防雷减灾能力提供客观的科学依据。

1资料说明

本文所用雷电定位资料来源于内蒙古气象部门的雷电定位系统，该监测系统目前由23个ADTD闪电定位仪组成(图1)，主要采用时差和方位混合多站综合定位方法，探测范围主要覆盖内蒙古中部区和东北部地区。本文选取2013-2014年该监测网的探测资料，每个闪电资料包括的信息有时间、经纬度、正负极性、强度、陡度等参数，地闪密度及强度的空间分布特征采用1 km×1 km的空间分辨率进行分析。雷灾资料取中国气象局雷电防护管理办公室编写的《2013年全国雷电灾害汇编》和《2014年全国雷电灾害汇编》[11-12]。

图1　内蒙古闪电定位仪站址分布

2地闪时间变化特征

2.1　地闪频次的变化特征

2013年闪电定位仪共监测到内蒙古高原地区地闪351 618次(表1)，其中正地闪24 643次，负地闪326 975次，负地闪占总地闪的比例为92.99%；但正闪平均强度为59.98 kA，高于负闪的平均强度-33.96 kA。2014年共记录地闪291 915次，其中正地闪35 601次，负地闪256 314次，负地闪所占比例为87.80%；正地闪平均强度为64.48 kA，也高于负地闪的平均强度-35.57 kA。2014年总地闪频数为较2013年减少16.97%，负地闪减少明显，而正地闪频数增多；2014年正、负地闪的平均强度都增大，正地闪平均强度增长幅度较大，较2013年平均正地闪强度增大7.5%，为负地闪增长的1.6倍。内蒙古地区正地闪比例明显高于江苏等[13-15]南方省份的比例，这说明在高纬高原地区正地闪发生的概率较高，且强度大，正地闪的破坏性较强。

表1　内蒙古高原2013-2014年地闪总体特征

2.1.1地闪频次的月变化特征

从2013年、2014年地闪频次的月分布来看(图2)，地闪频次的月变化呈单峰型；2013年8月地闪活动最强，频次达201 804次；而2014年8月较2013年显著减少，峰值出现在7月份，7月地闪次数较8月多7.7%。每年的12月到次年的1月、2月基本没有闪电发生，3月、4月和11月有少量地闪活动，但正地闪发生的概率较高；2013年4月份正地闪比例最高，占总地闪的66.67%，而2014年正地闪发生概率最高的月份是11月，为当月总地闪的78.95%。总体来看内蒙古高原地区地闪月单峰型的分布特征与其他省市基本相同[13-15]，夏季是雷电活动的高发期。此外，负地闪的变化特征与总地闪相似，正地闪在初春和晚秋发生的概率较高，其强度大破环性较强，应加强防范措施。

图2　地闪频次的月变化

2.1.2地闪频次的日变化特征

地闪的日变化特征较为显著，如图3所示；其中负地闪和总地闪的变化趋势相同，总体呈双峰单谷型，峰值集中在午后时段。2013年地闪主要集中在14:00-18:00，占全天的37.3%；峰值出现在16:00，频次达29 214次，凌晨2:00为次峰值；谷值出现在上午9:00，为4 460次。

图3　地闪频次的日变化

2014年地闪也主要集中在14:00-18:00，占全天的43.6%；峰值出现在15:00，为28 247次，占9.7%；谷值出现在上午9:00，为3 619次。正地闪的变化较为平缓，峰值出现在午后16:00；而在19:00正地闪发生的概率最高，2013年比例达到9.2%，2014年达到14.8%。

内蒙古地闪的日变化总体特征同北京、河北、甘肃等省市相似[16-18]，峰值出现在午后，谷值出现在上午，内蒙古地区午后峰值出现时间较上述地区早1 h左右，这可能与大草原下垫面的情况有关，下垫面温度升高，热力条件较好，有利于雷暴发生。

2.2　地闪强度的变化特征

内蒙古2013年总地闪的平均电流强度35.79 kA，2014年平均电流强度为39.10 kA，正地闪的电流强度明显大于负地闪的电流强度，相差近2倍。由图4可知，总地闪强度在15～35 kA强度等级发生最为频繁，占总地闪的50%以上，2013年为58.17%，2014年占53.42%；其中发生频次最大的为20～25 kA等级范围，该范围2013年、2014年分别占总地闪的16.82%和15.29%。正地闪电流强度的分布主要集中在30～50kA，该等级范围2013年、2014年分别占总正地闪的31.60和28.53%，高于美国同纬度地区的雷电流强度值[19-20]；正地闪电流强度在100～125 kA出现另一峰值，故在防雷工程电源浪涌保护器设计时应考虑加强该强度范围的雷电流的防护措施。

图4　地闪强度等级分布

2.2.1地闪强度的月变化特征

内蒙古全区地闪强度月变化如图5所示。2013年总地闪的月平均电流强度最大值出现在4月份，峰值为99.4 kA，5-11月电流强度在34～62 kA之间；最小值出现在8月份，为34.9 kA。负地闪的电流强度的全年变化比较均匀，主要分布在33～68 kA之间，同样峰值出现在4月，电流强度峰值为67.6 kA；而正地闪电流强度的月变化幅度较大，4月份的平均电流强度最大(115.2 kA)，最小值为56.6 kA，出现在8月份。

2014年总地闪、正负地闪的电流强度同2013年总体趋势差不多，总地闪电流强度的最大值出现在3月，幅度有所减小，为88.7 kA；负地闪电流强度最大值86.9 kA，幅值较2013年增大28.6%；正地闪平均电流强度的变化较为平缓，最大值也出现在3月份，强度89.0 kA，较2013年减小22.7%。由图5可以看出，地闪强度每年的最大值都出现在年初，其破坏性较大，各单位应提前做好防雷安全的准备工作。

图5　地闪强度的月变化

2.2.2地闪强度的日变化特征

由图6可以看出，1 d内各个时段正地闪强度都比负地闪强，电流强度为负地闪的2倍左右；1 d当中0-12时，正、负地闪的电流强度要大于12-24时的强度值，且上午强度变化较为显著，该特征与江苏[10]等地的变化特征正好相反。2013

图6　地闪强度的日变化

年正地闪一天的电流强度变化从下午16时的55.57 kA到上午6时的67.35 kA；2014年正地闪电流强度的峰值出现在上午9时，幅值为71.41 kA，谷值为23时的61.48 kA，幅值较2013年增大。2013年负地闪一天的强度变化从15时的31.81 kA到上午7时38.13 kA，2014年负地闪的平均电流强度比2013年大，电流范围从18时的33.42 kA到上午6时的40.43 kA，上午的电流波动幅度较大。总地闪一天的变化特征与负地闪相似，2014年总地闪变化幅度较2013年有所增大，变化范围从37.24 kA到43.44 kA，且上午雷电流平均强度和变化的幅度都高于晚上，该时段户外活动的人应加强防范意识。

3 地闪空间分布特征

3.1　地闪密度的空间分布特征

图7是内蒙古地区2013年、2014年总地闪密度分布图，由图可知地闪密度分布主要集中在内蒙古中部呼包鄂和东部呼伦贝尔地区，与雷暴分布特征相似[2]；密度最大值分别为18次/km2和22次/km2，分别位于呼和浩特和鄂尔多斯市的北部地区。从空间分布来看，2013年高密度地区较2014年范围广，全年地闪高密度区域主要出现在鄂尔多斯东部、包头南部、呼和浩特西部、乌兰察布西南和呼伦贝尔东南部。对于地闪密度高的区域应加强雷电防护措施，以提高防雷工作的有效性。

图7　地闪密度空间分布

3.2　地闪强度的空间分布特征

从内蒙古2013年、2014年总地闪强度分布图(图8)可知，地闪强度分布同样也是集中在内蒙古中部呼包鄂和东部呼伦贝尔地区。全年地闪强度的平均值分别为10.88 kA/km2和9.87 kA/km2，其中地闪电流强度大于150 kA/km2的地区主要集中在呼和浩特北部、包头南部和鄂尔多斯南部及乌兰察布西部地区。结合地闪密度分布特征，在较高地闪密度且平均地闪强度较高的地区，发生雷灾事故的可能性较高。

图8　地闪强度空间分布

4雷电灾害特征分析

据不完全统计(表2)，内蒙古地区近2年雷电灾害事故呈增多趋势，2013年雷灾事故为27起，2014年增加到30起，特别是农村雷灾事故增加显著。通过近年来内蒙古自治区气象局防雷中心的广泛宣传，雷灾造成的人员伤亡和经济损失逐年下降，2014年雷击直接经济损失降为2013年的一半，死亡人数降为2013年的三分之一，但雷击人员伤亡地区主要是发生在农牧区，农牧区防雷形势依然严峻，农牧民的防雷意识需进一步提高。

表2　2013-2014年雷电灾情概况

从雷灾事故的月分布图9来看，内蒙古地区全年10月至次年4月均无雷电灾害发生，每年6-8月雷灾事故数最多，农村雷灾事故7、8月最高。2013年雷灾事故呈双峰型特征，6、8月雷灾事故数8起最多；人员伤亡事故7月最多为4起，雷击死亡4人、受伤1人。而2014年7月雷灾事故最多，共发生14起雷灾事故，为近6年同期最高[21]，雷击受伤人数4起；8月份雷击死亡人数最多，为2人。夏季是农牧区户外活动最多的季节，农牧民应提高防雷意识，正确掌握户外雷电避险知识，防止雷击事故的发生。

图9　雷灾事故月分布

从雷灾受损类别统计来看(图10)，内蒙古地区雷击事故主要是电子电器设备受损和人员伤亡事故，雷击人身伤亡的事故近2年来有所下降，由2013年的40%降至2014年的17%。雷击造成电子电器设备损坏的案例最多，2013年雷击电子电器设备受损事故占总事故的45%，2014年增加大76%，且家用电子电器雷击案例显著增多，家用电器的防雷措施需进一步加强。

图10　各类型雷灾事故所占比例

5结论

(1)内蒙古高原地区正地闪发生的概率较高，占总地闪的10%左右，2014年正地闪的比例较2013年增加74%。夏季是地闪活动的高峰期，地闪的月分布呈单峰型分布特征，2013年、2014年的峰值分别出现在8月和7月份，正地闪在初春和晚秋发生的概率较高。1 d之中午后为雷电发生的高峰期，主要集中在14:00-18:00，而下午19:00正地闪发生的概率最高。

(2)该地区50%以上的地闪强度集中在15～35 kA，正地闪的电流强度大，为负地闪的2倍左右；2013年、2014年30%左右的正地闪电流强度集中在30～50 kA，正地闪的破环性较强。地闪电流强度的月变化幅度较大，3、4月份地闪平均电流强度最大；1 d当中上午电流强度变化较为显著，且上午的正、负地闪的电流强度要大于午后的强度值。

(3)地闪的空间分布主要集中在内蒙古高原中部呼包鄂和东部呼伦贝尔地区，地闪密度最大值在20次/km2左右，2013年、2014年地闪强度的平均值分别为10.88 kA/km2和9.87 kA/km2，其中地闪电流强度大于150 kA/km2的地区主要集中在呼和浩特北部、包头南部和鄂尔多斯南部及乌兰察布西部地区，在上述地区发生雷灾事故的可能性较高，应加强防雷措施。

(4)内蒙古近2年雷电灾害事故呈增多趋势，但总的经济损失和人员伤亡数有所下降，每年的6-8月是雷灾事故的高发期。电子电器设备受损和人员伤亡事故是内蒙古地区雷击的主要事故，2014年雷击电子电器设备受损事故较2013年增加76%；而雷击人员伤亡地区主要是发生在农牧区，农牧区防雷形势依然严峻。

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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

作者简介：刘晓东(1981-)，男，内蒙古五原人，高级工程师，主要从事雷电物理和雷灾防护研究. E-mail:lxd8135@163.com

基金项目：内蒙古自治区自然科学基金(2015MS0410)

收稿日期：2015-07-30修回日期：2015-09-01

中图分类号：X43；P4

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)01-0060-06

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.013