近十年江汉平原雷电活动特征分析与灾害防御

2017-11-17江平张科杰

湖北农业科学 2017年20期

江平　张科杰

摘要：為研究江汉平原云地闪电活动特征，依据湖北省ADTD（Adranced Direction Finding on Time Difference）闪电监测系统2007-2016年10年的监测资料，采用数理统计方法，对该区域10年间云地闪电频次的年、月、日和季节变化以及雷电流幅值分布特征进行统计分析。结果表明，2007-2016年，云地闪电频次有逐年降低的趋势，但正闪比例逐年升高，频次未降。年平均负闪电频次占总闪电频次的94.50%，正闪占5.50%。夏季闪电频次最多，但正闪占比最小，仅有4.70%；冬季闪电最少，而正闪占比最大，是夏季正闪电占比的2.5倍以上。总闪电频次的月变化呈现单峰型特征，峰值出现在7月，12月闪电频次最少。通常状况下，正闪平均强度均大于总闪平均强度和负闪平均强度，正闪平均强度在25～70 kA之间；总闪和负闪的平均强度在30～45 kA之间。总闪电频次日变化特征明显，呈单峰单谷型，其中，云地闪电频次最多和最少的时段分别出现在15：00～16：00和10：00～11：00，农民外出劳作应尽量避免雷电高发时段。

关键词：云地闪；闪电频次；幅值；分布特征

中图分类号：P427.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）20-3849-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.015

Abstract： In order to study the activity characteristics of cloud to ground lightning in Jianghan plain，according to the monitoring data of ADTD（Adranced Direction Finding on Time Difference） lightning monitoring system in Hubei province during the ten years of 2007-2016，using the method of mathematical statistics， the region ten years of cloud to ground lightning frequency of the year，month，day and seasonal changes and the amplitude of lightning current distribution characteristics were analyzed. The results showed that the 2007-2016，cloud point frequency was gradually decreased year by year， but the proportion and frequency of positive lightning increased year by year，did not fall. The annual average negative lightning frequency accounted for 94.50% of total lightning frequency，and 5.50% of positive lightning frequency. The lightning frequency was the highest in summer，but the percentage of positive lightning was the smallest， only 4.70%. Lightning was the least in winter，while the percentage of positive lightning was the largest，which was more than 2.5 times of the percentage of positive lightning in summer. The monthly change of total lightning frequency showed a single peak characteristic，the peak appeared in July，and the lightning frequency was the least in December. Under normal conditions，the average intensity of positive lightning was greater than the average intensity of the total lightning and the average intensity of negative lightning. The average intensity of positive lightning was between 25～70 kA，and the average intensity of total and negative flashes was between 30～45 kA. The characteristics of diurnal variation of total lightning frequency was a single peak and single valley type，the cloud to ground lightning frequency maximum and minimum time respectively appeared between at 15：00～16：00 and 10：00～11：00， farmers out labor should avoid high incidence of lightning.endprint

Key words： cloud-to-ground lightning； lightning frequency； peak value； characteristics of distribution

雷电是自然界中的一种放电现象，其具有大电流、高电压和强辐射等特点，对国家经济、人民生命财产和自然环境造成直接或间接的影响，因此，研究雷电发生和发展的规律，以及对其参数的分析，一直是雷电物理学领域研究的重要内容[1-5]。随着雷电灾害近年来越来越被重视，国内外相关学者对各区域的雷电时空分布特征进行了相关研究，得出了区域雷电活动规律[6-10]；同时，在农村雷电防护方面，针对农村防雷的现状，也有不少相关理论研究[11-15]。江汉平原位于长江中游和汉江中下游，湖北省的中南部，主要包括荆州市、荆门市、仙桃市、潜江市、天门市，以及孝感市、武汉市的部分地区（图1）。江汉平原物产丰盛，是中国著名的农产地，其湖区也是著名水产区；同时，农村地区也是雷电灾害易发区。因此，选取江汉平原区域，根据2007-2016年湖北省雷电定位监测数据，结合此区域的地貌特点、雷电易发因素，对江汉平原雷电活动特征进行分析，为该区域雷电灾害防御措施的制定提供相关依据。

1 资料来源与统计方法

所用到的云地闪电资料来源于湖北省ADTD（Advanced Direction Finding on Time Difference）雷电定位监测系统，该系统可统计出云地闪电发生的位置、雷电的极性、雷电流强度大小、陡度大小等相关信息。采用湖北省ADTD雷电定位系统2007年1月1日至2016年12月31日监测的相关资料，分别统计江汉平原各行政区域的年、季、月、日以及各时段的正闪、负闪、总闪电频次和雷电流幅值。在季节划分上，采用按照月份划分的方式，即春季为3～5月；夏季为6～8月；秋季为9～11月；冬季为12月以及1月、2月。

2 雷电活动特征

2.1 年分布特征

根据2007～2016年10年闪电数据资料（表1）显示，江汉平原共监测到云地闪电894 503次，其中正闪49 179次，负闪845 324次。负闪频次占总闪频次的94.50%，正闪所占比例为5.50%。雷云的下部主要带负电荷，上部带正电荷[16]。当云顶集中的电荷达到击穿空气的强度时，就会对地面或空中放电，云层对地面的放电称之为云地闪。由于正电荷距离地面的高度比负电荷距地高度高，击穿空气所需的强度更大，因此，云地闪电中负闪比例高于正闪比例。江汉平原10年的统计平均值与王娟等[9]研究成果相一致。

从2007-2016年各年的数据来看，云地闪电数据逐年变化明显。从图2可以看出，2007-2016年，江汉平原总闪频次和负闪频次呈现逐年减少趋势，且趋势明显。2016年总闪频次较2007年减少了114 825次，其发生云地闪电频次仅为2007年云地闪电频次的24.83%，而正闪频次则无明显变化。由于总闪频次的减少，导致正闪频次占总闪频次的比例呈现增加的趋势。同时，自2012年起，正闪频次占总闪频次比例超过5%，2016年正闪频次占比达11.62%，明显高于平均水平。

2.2 季节分布特征

根据2007年1月至2016年12月闪电资料，统计不同季节平均闪电频次，并计算各季节闪电频次占全年闪电的百分比和白天占全天闪电频次的百分比（表2）。从表2可以看出，一年中，夏季闪电频次最多，为694 762次，占全年闪电频次的77.67%，但正闪占比最小，仅有4.70%；冬季闪电最少，总闪电频次仅有11 049次，仅占全年闪电频次的1.24%，而正闪占比最大，达12.62%，是夏季正闪电占比的2.5倍以上；春季闪电频次和负闪占比均高于秋季。

2.3 月分布特征

2.3.1 闪电频次的月分布根据2007-2016年闪电数据，统计了各月平均正闪、负闪和总闪电频次，结果见图3。由图3可知，闪电活动的月变化呈现单峰型特征，峰值出现在7月。从全年来看，1～6月，闪电频次逐月增加明显，到7、8月出现峰值，9月骤减，11月有微弱增加。由此表明，閃电频次随着北半球气温逐月升高而增加，随气温逐月下降而减少[17]，即在时间变化上，闪电频次的月变化与气温变化基本同步。

统计资料（图3）表明，7月是闪电频次最多的月份，总闪电频次为328 212次，其中负闪311 873次，正闪16 339次；12月是闪电频次最少的月份，总闪电频次仅为36次。4～8月是闪电活动高发月份，此时间内总闪电频次占全年闪电频次的91.62%；7和8月是闪电活动最频繁的两个月，共发生云地闪电601 249次，占10年闪电频次的67.22%。10、12和 1月雷电活动较少，仅占全年总闪电频次的0.4%。由于7～8月空气中水汽含量最为充足，对流云发展是一年中最旺盛的季节，0 ℃层高度也较高，不稳定能力增强，有利于云内电荷的形成与积累并形成闪电[9]。因此，7～8月雷电活动最频繁，也是雷电防护的关键时期。

2.3.2 平均闪电强度月分布 2007-2016年正闪、负闪和总闪强度月分布见图4。由图4可知，除12月外，其余月份正闪平均强度均大于总闪平均强度和负闪平均强度。正闪平均强度跨度区间较大，在25～70 kA；总闪和负闪的平均强度年变化率相对较小，总闪和负闪的平均强度均在30～45 kA。1～5月，正闪的平均强度随着气温的升高呈现下降的趋势，6～9月，正负闪的强度平均值差异最小，从10月开始，正闪平均强度随着气温的降低再次走高。其主要原因可能是与空气中的水汽含量有关。由于地球表面带负电荷，云顶的上部带正电荷，下部带负电荷，击穿距离较长，在通常状况下，正电荷击穿空气对地放电难度较负电荷对地放电难度要大，这也是负极性闪电的频次要远高于正极性闪电频次的原因。即随着气温的不断升高，空气中湿度增大，水分子增多，云顶电荷击穿空气对地放电难度相比干燥空气状况下降低，因此，夏季正闪的平均雷电流强度有明显的降低；相反随着气温的降低，12月的闪电平均强度状况出现倒挂，其原因可能是12月闪电样本较少造成的。endprint

2.4 日变化特征

2.4.1 闪电频次日分布由2007-2016年闪电频次逐小时变化（图5）可知，总闪电频次日变化特征明显，呈单峰单谷型。4：00～13：00是闪电频次较少的时段，闪电频次合计167 711次，占所有闪电频次的18.75%。云地闪电频次最少的时段出现在10：00～11：00，10年仅发生地闪12 098次；从13：00开始，云地闪电频次开始明显增加，在15：00～16：00出现峰值，此时间段10年共发生地闪64 483次，超过地闪最少时段的5倍。14：00～18：00是闪电活动最频繁的时间段。上述分析表明，江汉平原在15：00～17：00前后，是雷电天气集中发生时段，也是强对流灾害天气多发时段，10：00～11：00前后是雷电等强对流天气少发时段。

2.4.2 不同季节闪电频次日分布对2007-2016年各季闪电频次逐小时变化（图6）分析可知，不同季节各个时段的闪电频次变化差异明显。春季总闪电频次日变化呈现U型分布，该季节闪电活动最频繁的时段出现在21：00至24：00期间，7：00～13：00为闪电活动相对较弱的时段，峰值出现在22：00～23：00，谷值出现在10：00～11：00；夏季总闪电频次日变化呈现单峰单谷型，该季节闪电活动最频繁的时段出现在14：00～18：00，7：00～13：00为闪电活动相对较弱的时段，峰值出现在15：00～16：00，谷值出现在10：00～11：00；秋季总闪电频次日变化呈现U型分布，该季节闪电活动最频繁的时段出现在24：00至4：00期间，7：00～13：00为闪电活动相对较弱的时段，峰值出现在2：00～3：00，谷值出现在10：00～11：00；冬季发生云地闪电频次较少，各时间段无明显差异，各个时间段均有闪电发生，大致呈现“一”字型分布。该季节闪电峰值出现在1：00～2：00，谷值出现在7：00～8：00。

从上述统计分析来看，各季的闪电高发时段均不相同。春季在21：00～24：00，夏季在14：00～18：00，秋季在0时至4：00前后，冬季在1：00～2：00，是雷电集中高发时段。春、夏、秋3季的谷值均出现在10：00～11：00，7：00～13：00为闪电活动相对较弱的时段。

3 区域防雷现状及防护重点

江汉平原地势平坦，主要以农业为主，种植大田作物和经济作物，区域内水域较多。农民在田间进行劳作，由于地域空旷，极易发生雷击事故。而在空旷的田野上，几乎没有安全躲避之处。雷雨时，农民往往会躲在大树下避雨，或把锄头等金属农具扛在肩头往回走，多数雷击灾害事故在此时间段内发生。据资料统计，雷击伤亡事故发生在农村的人数占90%以上[11]。

由于地域广阔，实现有人活动区域防雷装置全覆盖几无可能，但可以从以下几点降低雷电灾害的致灾率。首先，建立紧急避难场所，完善现有直击雷防护装置；雷电多发于强对流天气过程，从发生到发展时间短，由于农地距离家里较远，往往来不及回家躲避，在距离田间较近的地方建设防雷应急避难场地，可降低雷击事故的风险。同时，农村的房屋多数没有直击雷防护措施，增加防雷装置，可大幅降低雷灾事故的概率。其次，引进雷电灾害预警信息；雷电的发生和发展有一定规律可循，了解雷电易发时段，及时获取预警信息，可有效躲避雷电。最后，加强群众安全教育，普及雷电常识。大多数雷电是可以采取科学措施防范的，加强农民的防雷意识、自身保护意识、雷电科学常识，可帮助农民在空旷地域或生活中采取有效的方法应对雷击。

4 小结

1）从2007-2016年10年统计结果可以看出，云地闪电频次有逐年降低的趋势，但正闪比例逐年升高，频次未降。年平均负闪电频次占总闪电频次的94.50%，正闪占比5.50%。

2）夏季闪电频次最多，占全年闪电频次的77.67%，但正闪占比最小，仅有4.70%；冬季闪电最少，仅占全年闪电频次的1.24%，而正闪占比最大，高达12.62%，是夏季正闪电占比的2.5倍以上。

3）总闪电频次的月变化呈现单峰型特征，峰值出现在7月，12月闪电频次最少。闪电活动主要集中在4～8月，闪电频次占全年闪电频次的91.62%，7～8月为雷电高发生期，同时也是雷电防护的重点时期；10、12和1月雷电活动较少，仅占全年总闪电频次的0.4%。通常状况下，正闪平均强度均大于总闪平均强度和负闪平均强度，正闪平均强度在25～70 kA；总闪和负闪的平均强度在30～45 kA。

4）总闪电频次日变化特征明显，呈单峰单谷型。从4：00至13：00是闪电频次较少的时段，其中，云地闪电频次最少的时段出现在10：00～11：00；从13：00开始，云地闪电频次开始明显增加，14：00～18：00是闪电活动最频繁的时间段，其中，在15：00～16：00出现峰值，此时间段内发生的闪电频次超过闪电最少时段的5倍。

从季节上来看，各季的闪电高发时段均不相同。春季在21：00～24：00，夏季在14：00～18：00，秋季在0时至4：00前后，冬季在1：00～2：00，是雷电集中高发时段。春、夏、秋季3季的谷值均出现在10：00～11：00，7：00～13：00为闪电活动相对较弱的时段。农民外出劳作应尽量避免雷电高发时段。

5）目前雷灾造成人员伤亡的事件多发生在农村，故应加强农村的防雷工作建设，建立紧急避难场所，完善现有直击雷防护装置，引进雷电灾害预警信息，加强群众教育，普及雷电常识，以降低农村雷电灾害发生的概率。

6）区域闪电频次逐年减少的原因，还有待進一步探究。

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