石河子雷暴气候特征及雷电防护分析

2017-05-10石河子气象局石河子市832000韩春光蒲云锦

石河子科技 2017年2期

（石河子气象局，石河子市，832000）韩春光蒲云锦

雷暴天气是一种强对流天气现象,其所产生的强大电流、炽热高温、猛烈的冲击波等能带来人员伤亡、建筑物损坏,对电力、航空、通信等设施造成巨大破坏,造成的灾害是世界十大自然灾害之一，许多学者对区域内雷暴气候特征及雷灾进行过统计分析[3-10]。近年来，随着经济社会的发展,全国各地高层建筑不断增加，通信、计算机等集成性能高的微电子设备被广泛应用。这些微电子设备对雷电产生的强大电磁脉冲非常敏感,很容易遭到破坏，造成通讯线路中断，系统瘫痪等，造成巨大的直接或间接经济损失。因此，有必要研究各地雷暴发生的规律，从而有针对性地做出防护，趋利避害，最大限度地避免雷暴给国家财产和人民生命安全带来危害。

1 资料来源及统计方法

利用新疆石河子气象局1954～2009年56年地面观测月报表资料，采用数理统计、趋势分析等方法，对石河子雷暴的年、月、日变化及持续时间等进行统计，分析出石河子雷暴天气的气候特征。

统计的雷暴日是以一天内耳闻雷声（一次或几次），只有闪电没有雷声不计其中，为一个雷暴日。年雷暴日数是一年内雷暴日数的总和，平均年雷暴日数是多年年雷暴日数的平均值。雷暴月是指发生过雷暴的月份，月雷暴日数是一个月内雷暴日数的总和，雷暴日日变化逐时发生频次是指多年中同一时次出现雷暴的次数总和。

小波分析：一种时、频多分辨率的分析方法，是一个时间和频率的区域变换，因而能有效的从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化。由于母小波的种类较多，采用Morlet小波分析石河子年雷暴日数在不同时段上的主要变化振荡周期。其形式为:

当c取较大值（文中取c=6.0）时,式(1)中第2项远小于第1项,省略第2项。其子小波为:

设Ψa，b是式(2)给出的子小波，对于时间序列,其连续小波变换定义为:

式中为的复共轭复数,即为年雷暴日数的标准化序列,为小波(变换)系数，对式(3)进行数值积分便可求出。

2 雷暴天气的气候统计特征

2.1 雷暴的年际变化特征

石河子1954～2009年56年来平均年雷暴日数为14.5d，为少雷区。其中50年代年雷暴日数平均为19.7d，60年代为16.6d，70年代为15.5d，80年代为15.4d，90年代为10.6d，2000年后为10.2d。年雷暴日数最多的年份出现在1959年，为30d，年雷暴日数最少的年份出现在2006年，为4d。年雷暴最多日数与最少日数相差26d，56年来石河子年雷暴日数线性变化呈下降趋势（见图1），下降系数为0.1813。

图1 石河子1954～2009年年雷暴日数变化特征

2.2 雷暴的月变化特征

56年来石河子各月累计雷暴日数最高值在7月（见图2），占全年雷暴日数的34.6%，6月次之，8月、5月、9月、4月、10月依次递减，其余月为无雷暴月。

图2 石河子1954-2009年各月累计雷暴日数变化特征

2.3 雷暴日的日变化特征

图3 石河子1954-2009年雷暴日日变化特征

对1956年石河子雷暴发生时次进行统计，绘制逐时雷暴发生次数变化曲线（图3），11～13时雷暴发生的频次逐步上升，雷暴发生峰值出现在14～17时，占总雷暴的50.3%，17时后逐步下降，23时有个小高峰，雷暴发生概率最小的时段为6～10时。石河子雷暴天气发生概率最大的时段在午后，发生概率最小时段在深夜到早晨，这与我国大部分地区雷暴发生的时段基本一致。

2.4 初雷日与终雷日变化特征

1954～2009年石河子初雷日最早出现在2000年4月8日，初雷日出现在4月有18次，最晚出现初雷日的是1981年6月30日，平均初雷日为5月15日；终雷日最早出现在1966年8月6日，终雷日最晚出现在2002年10月19日，终雷日出现在10月有6次，平均终雷日为9月3日，多年平均雷暴持续期为113天。

2.5 雷暴的持续时间

1956年来石河子雷暴持续时间主要在10分钟内（图4），占雷暴总数的37.1%，15min内的雷暴占雷暴总数的17.9%，持续30min的雷暴占雷暴总数的22.5%，持续1h及以上时间的雷暴占雷暴总数的6%，数量较少。

图4 石河子1954～2009年雷暴持续时间变化特征

2.6 雷暴的方位分析

通过对1956年来石河子雷暴方位统计，分析出石河子雷暴在各方位所占百分比（图5），W方位雷暴出现的概率最高，为18.3%；其次是NW方位,为15.2%；SW和E方位是14.2%，S方位是10.2%,SE方位是10.1%,NE方位是6.4%，N和Z方位是5.7%，其他方位基本没有雷暴。

图5 石河子1954-2009年雷暴方位变化特征

2.7 雷暴的周期分析

使用Fortran90语言编制程序实现morlet小波函数的年雷暴日数周期分析，借助GRADS气象分析绘图软件输出图形结果。小波系数的实部、模、位相是Morlet小波变换得到的最重要的变量，实部包含所给定时间和尺度信号相对于其它时间和尺度信号的强度和位相两方面的信息，模的大小表示特征时间尺度信号的强弱,模值越大,表明其所对应的时段和尺度的周期性越明显，位相可以用来探测信号突变点在时域中出现的具体位置。不同时间尺度下的小波系数，可以反映系统在该时间尺度下的变化特征：正的小波系数对应于偏多期，负的小波系数对应于偏少期，小波系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著。

图5 石河子年雷暴日数Morlet小波周期分析

由图5可知石河子雷暴日数在多个特征时间尺度上的周期变化特征及其在时间域中的分布情况。正值用实线表示，对应着雷暴日数增多时期，负值用虚线表示,对应着雷暴日数减少时期。从图5中还可看出，年代际尺度由1954年开始的准18年周期增长到2009年的准24年，表现为三个雷暴日数增多期(1958～1966年、1979～1991年、2004～2009年)和三个雷暴日数减少(1954～1957年、1967～1978年、1992～2003年)期，准36年的年代际尺度贯穿始终，表现为二个雷暴日数增多期(1954～1961年、1981～1996年)和二个雷暴日数减少期(1962～1980年、1997～2009年),1975～1999年有准11年的年代际尺度周期变化，年际尺度表现为准4～6年的周期变化。

3 雷暴气候特征的指导意义

石河子虽属于少雷区，但多年来石河子发生大大小小的雷灾事例足以证明雷灾的危害，针对石河子雷暴的气候变化特征，结合作者多年防雷减灾的工作经验，应积极做好以下几点，以最大限度地减少和降低雷电对石河子人民造成的财产损失和人身伤害。

易燃易爆场所及雷击概率高的建筑物（构筑物）最好在4月份前完成防雷设施检测工作，发现问题后，可及时在5月份完成整改，在雷暴高峰期（5-8月）来到之前，充分做好防雷措施，减少因工程上的一些不必要延误而使工程在雷暴高峰期造成雷灾损害。对新（改、扩）建（构）筑物认真做好防雷设计审核、施工监督、竣工验收一条龙跟踪检查（测），从源头上杜绝灾害隐患。雷暴日数集中期的5～8月份，防雷设施的施工应严格按照规程，即先接地体、再引下线、后接闪器，严禁脱节，以防意外发生。

雷暴季节的午后14～17时正是人们上班、外出办事的高峰期，也是雷暴高发时段，如果遇到雷雨天气，不要到大树下或金属房内避雨。在野外如果人是制高点，要下蹲降低高度，特别是加油(气)站，遇到雷雨天气应马上停止加油(气)和卸油(气)操做。

大规模敏感电子设备的安装、调试应尽量避开雷暴高峰期。室外防雷接闪器的安装位置，尽可能安装在保护场所出现雷暴方位较多的方向，石河子应优先考虑W和NW方位。

石河子盛产棉花，每年8月中下旬棉花加工厂开始对新棉进行收购和加工一直到入冬，石河子雷暴一般持续到l0月上旬，所以棉花加工厂的浸除车间、露天堆场、加工设备和厂房的防雷装置必须要到位。

加强防雷科普宣传，提高公众雷电灾害的防御意识和应对雷电灾害的能力，增强防雷安全的自觉性和主动性，加强雷电防御知识教育，普及人身防雷知识，提醒公众做好室内、外的人身雷电安全防护工作。