湖北地区云地闪电频次及雷电流幅值时间分布特征

王学良，张科杰，余田野，汪姿荷

（湖北省防雷中心，武汉 430074）

湖北地区云地闪电频次及雷电流幅值时间分布特征

王学良，张科杰，余田野，汪姿荷

（湖北省防雷中心，武汉 430074）

为进一步深入研究云地闪电频次及雷电流幅值随时间变化特征，为雷电防护工程设计和雷电灾害防御工作提供依据。根据湖北省2006年12月－2013年雷电定位系统（Lightning Location System，LLS）监测的相关资料，采用数理统计方法，对云地闪电频次和雷电流幅值的年、季、月、日等时间分布进行了统计分析。结果表明，年平均负闪电频次占95.9%，正闪占4.1%，平均正闪电强度47.2 kA，负闪34.5 kA，总闪35.1 kA。夏季闪电最多，主要发生在白天；冬季闪电最少，主要发生在夜间。闪电频次月变化呈单峰型，7月闪电最多，12月最少，3－9月份闪电次数占全年闪电97.0%，7－8月为雷电高发期，6－9月白天闪电多于夜间，其他月份夜间多于白天。正闪电强度月变化大致呈 “V”型，负闪电强度月变化幅度较小。闪电频次和强度日分布均呈单峰单谷型，最大值一般出现在清晨至上午气温相对较低的时段，最小值出现在气温相对较高的午后至傍晚时段。正闪电频次百分比月变化大致呈 “U”型，1月和12月份正闪百分比在30%以上，其他月份较低，日分布大致呈单峰单谷型，最大值在10－11时，最小值在14－15时。正闪电强度与气温高低呈负相关关系。其主要原因可能与空气密度有一定关系，具体原因有待进一步研究。

闪电；频次；雷电流；幅值；时间分布

0 引言

闪电尤其是云与大地间的闪电（地闪）常常造成电力系统、电子系统故障或损坏，引起油库和森林火灾等雷电灾害，对国民经济建设和人们生命财产安全构成严重威胁[1-2]。据有关统计，全球每年因雷电造成的人员伤亡超过1万人，所造成的损失在10亿美元以上，我国也是全球雷电灾害的多发区之一，全国平均每年因雷击伤亡人数达3 000人左右[3-4]。我国高压输电线路由于雷击引起的跳闸次数占总跳闸次数的40%～70%，雷电已经成为严重影响电网安全运行的重要因素[5]。因此，对云地闪活动特征的研究，一直被国内外学者所关注，对其研究也在不断深入。

早在1897年，意大利学者便利用铁磁物质记录雷电流幅值。最近几十年，世界许多国家都对雷电参数进行了观测[6]。20世纪70年代末，由美国科学家提出并实现了雷电遥感定位技术，1987年世界上第一套雷电定位系统（lightning location system，LLS）在美国建成，我国第一套国产LLS于1993年在安徽电网投入工程运用[7-8]。目前中国电网已建成了29个省域的雷电监测网，我国气象部门已建成覆盖30个省、市、自治区的雷电监测网，探测子站共计300多个[9-11]。由于LLS能实时遥测并显示地闪放电的极性、时间、位置和雷电流幅值等参数，为进一步研究区域雷电活动特征提供了基础数据。国内研究者[12-16]对京津冀及山东、湖北、江苏、成都等地区的雷电活动时空特征曾做过大量的研究。袁铁等[17]利用卫星上携带的闪电探测仪所获得的8年闪电资料，对我国闪电活动的空间分布、季节和日变化等特征进行了分析。李家启等[18]采用重庆地区2006-2008年闪电定位资料，分析了闪电频次、幅值、波头陡度和时间分布特征。刘岩等[19]根据浙江和甘肃两地区的地闪资料，对两地区地闪的时间变化规律和强度及其差异进行了对比分析。但是，对闪电频次和雷电流幅值的时间分布研究有待进一步深入，且雷电活动的地域差异十分显著，闪电频次和雷电流幅值是反映雷电活动的重要参数，是雷电防护工程设计和雷击风险评估中的重要参数[20-22]。为此，笔者根据湖北省2007-2013年LLS监测的云地闪次数和雷电流幅值等相关资料，进行统计分析，旨在进一步深入了解云地闪电频次和雷电流幅值随时间变化特征，为雷电防护工程设计、雷电灾害风险评估和雷电灾害应急服务等工作提供参考。

1 资料来源与统计方法

ADTD（advanced direction finding on time difference）雷电定位系统是采用磁向和时差联合法进行雷电探测的第2代地闪定位系统，该系统可以给出云地闪电发生的极性、雷电流幅值强度、位置和回击次数等信息[23]。该系统包含13个探测子站，单站探测范围约为150 km，组网后网内理论定位精度优于300 m，强度相对误差优于15%[24-25]。根据湖北省ADTD雷电定位系统2006年12月1日-2013年12月31日监测的相关资料，分别统计年、季、月、日及逐日各时段的正闪、负闪、总闪电次数和雷电流幅值。采用3-5月、6-8月、9-11月和12月到次年2月分别代表春、夏、秋、冬4个季节。每日08-20（08＜≤20）时、20-08（20＜≤08）时和 0-24（00＜≤24）时，分别代表白天、夜间和全天。按照整点分别统计0-1（0＜≤1，下同）时，1-2 时，…，22-23 时，23-0 时（北京时）的闪电次数和雷电流幅值强度，标记为1时，2时，…，23时，0时的闪电次数和雷电流幅值平均强度。年、季、月和每日各时段的平均雷电流幅值，分别由相应时段内的雷电流幅值总和与其对应的闪电次数总和之比求得。

2 闪电频次时间分布特征分析

2.1 年际分布特征

统计2007－2013年各年正地闪（正闪）、负地闪（负闪）、总地闪（总闪）和昼夜闪电（正闪+负闪）频次，并计算正闪频次占总闪电百分比及昼夜闪电频次比值（见表1）。从表1可知，湖北地区2007－2013年共发生3954881次云地闪电，其中，正闪为161730次，负闪3793151次，白天闪电2343364次，夜间闪电1611517次。由此可知，年平均负闪电频次占总闪电频次的95.9%，正闪仅占4.1%。与云南负极性闪电占96.3%，海南正极性闪电约占4.1%几乎相同[26－27]。

表1中数据显示，闪电频次年际变化明显。湖北地区2007－2013年总闪电频次在404 699～769 225次之间，闪电多的年份（2008年），总闪电频次高达769 225次，少的年份（2011年）总闪电仅有404 699次，前者是后者的1.9倍；年平均总闪电564 983次，其中，年平均负闪541 879次，正闪23 104次，年平均负闪频次是正闪频次的23.5倍，即每发生23.5次负闪电，才有可能发生1次正闪电，其主要原因是与雷雨云的结构有关。一般雷云的下部主要带负电荷，上部带正电荷[28]。正负电荷积累到一定程度，将会击穿云与大地间的空气，对大地产生放电现象，即为云地闪电。相对位于雷云上部的正电荷而言，位于雷云下部的负电荷，离地面较近，更容易对地放电，因此，云地闪电中，绝大部分为负闪电[29]。表1中各年正闪电频次占总闪电百分比在3.4%－5.2%之间，年平均正闪电占总闪电频次的4.1%，这与江苏省的4.2%基本相同[2]，但低于北京的6%及韩国的 8.72%的比例，高于福建省的 2.6%[10，30－31]。其主要原因是发生在不同地区的正闪比例有较大差异，一般来讲，正闪比例会随着纬度的增加和地面海拔高度的增加而增加[32]。

各年白天闪电频次均多于夜间闪电频次，昼夜闪电比值在1.1－2.0之间，年平均白天闪电334766次，占年平均闪电总数的59.3%，夜间23017次，占年平均闪电总数的40.7%，年平均白天闪电是夜间闪电频次的1.5倍（见表1）。

表1 2007-2013年各年正、负、总闪及昼夜闪电频次统计Table 1 The frequency for positive，negative，the total lightning and its variation between day and night

2.2 季节分布特征

根据2006年12月至2013年11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百分比（见表2）。从表2可以看出，一年中，夏季闪电频次最多，平均总闪454957次，占全年闪电频次的80%以上，但正闪百分比最小，仅有3.2%；冬季闪电最少，平均总闪电频次仅有6597次，仅占全年闪电频次的1.2%，而正闪百分比最大，高达9.9%，是夏季正闪电百分比的3倍以上；春季闪电频次和正闪百分比均高于秋季。春秋季正闪百分比均高于夏季，这与河北省近年地闪分布特征一致[33]。

表2 不同季节平均闪电频次及其占全年平均闪电频次的百分比Table 2 The average frequency for difference seasons’ lightning and the percentage rates for them among the whole year

统计资料表明，夏季白天闪电比夜间多，平均白天闪电占全天闪电的64.1%，即白天闪电频次是夜间闪电的1.8倍，其他季节夜间闪电比白天多，冬季夜间闪电最多，夜间闪电是白天闪电频次的2.8倍，占全天闪电的73.8%，春秋季节夜间闪电约占全天闪电的60%左右。由此说明，夏季闪电主要发生在白天，冬季主要发生在夜间，春秋季节夜间闪电多于白天。

2.3 月分布特征

2.3.1 闪电频次的月分布

统计2007-2013年各月平均正闪、负闪和总闪电频次，并绘制图1。图1中显示，闪电活动的月变化主要呈现单峰型特征，峰值出现在7月份。总闪和负闪电月变化基本相同，正闪与负闪电月变化差异明显。1-7月份，负闪电频次逐月增加明显，正闪电频次整体呈增加趋势，但在4月份出现一个小峰值；8-12月份，正闪和负闪频次减少明显，其中9月份急剧减少，11月份有微弱增加。由此表明，闪电频次随着1-7月份气温逐月升高而增加，8-12月份随气温逐月下降而减少[34]，即在时间变化上，闪电频次的月变化与气温变化基本同步。

统计资料表明，一年中，7月份闪电频次最多，平均总闪电频次为202 933次，其中负闪196 093次，正闪6 840次；12月份闪电频次最少，平均总闪电次仅有38次。全年闪电活动主要集中在3-9月份，约占全年闪电频次的97.0%，5-9月份，占全年闪电频次的90左右%，与文献[27]研究结果一致。7-8月份是雷电集中高发期，占全年闪电的70%以上；10月至次年2月份，雷电活动较少，总闪电频次仅占全年的3.0%,其中，12月至次年2月份，很少有雷电活动，总闪电占全年闪电频次的1.2%。7-8月空气中水汽含量充足，对流云发展旺盛，0℃层高度较高，所积累的不稳定能力增强，有利于云内正负电荷的形成与积累，容易形成闪电[35],因此，7-8月份雷电活动最强烈，也是雷电防护的关键时期。

图1 2007-2013年月平均正闪、负闪和总闪电频次变化Fig.1 The frequency variation for three kinds of lightnin

2.3.2 正闪百分比月分布

从图2中的月平均正闪占总闪电百分比月变化曲线可知，正闪百分比月分布特征大致呈“U型”，即1月和12月份正闪百分比较高，月平均正闪百分比在30%以上，其他月份较低，月平均正闪百分比在2.8-11.9%之间；12月份正闪百分比最高为33.7%，8月份最低为2.8%,这与文献[36]报道的结论一致。1-8月份，正闪百分比逐月减少，9-12月份，正闪百分比除10月份外，逐月增加。其主要原因可能是与云顶的高度有关，即随着气温的不断升高，对流云顶的高度相对增加，位于云的上部的正电荷离地面距离相对较远，正电荷击穿空气对地放电难度相应增加，因此，正闪电百分比相对较低；相反随着气温的降低，云顶高度相对较低，位于云的上部的正电荷离地面距离相对较近，正电荷击穿空气对地放电难度相应减少，正闪电百分比相对较高。由此可见，在雷电活动较少的月份，正闪电所占的比例相对较大，在雷电防护中应当考虑遭遇正极性雷击的可能性。

图2 月平均正闪频次占总闪电次数百分比及白天占全天总闪电频次百分比Fig.2 The percentage rates for positive lightning among total lightning and for lightning in daylight among the whole day

2.3.3 昼夜闪电频次百分比

统计2007-2013年资料发现，白天总闪电频次占全天总闪电百分比月变化特征，除5月份有所减少外，基本上呈单峰单谷型。峰值和谷值分别出现在8月和11月份（图2所示）。一年中，8月份白天闪电百分比最大值为76.3%，最小为9.6%左右，出现在11月份。月平均白天闪电百分比变化明显，6-9月份白天闪电百分比大于50%，其他月份均小于50%。也就是说，6-9月份，白天闪电多于夜间，其他月份夜间闪电多于白天闪电。该结果与林开平等[37]指出西风带云系闪电过程多出现在夜间，6-9月有60%的闪电过程出现在白天，有67%的闪电强盛期出现下午的结论一致。

2.4 日分布特征

2.4.1 闪电频次日分布

从2007-2013年平均正闪、负闪电频次逐小时变化图可见（图3所示），正闪、负闪和总闪电频次日变化特征明显，呈单峰单谷型。负闪和总闪电频次日变化曲线基本相同。平均负闪电频次，从11时开始增加，至17时达最大值为49 565次/小时，从17时开始减少，至次日11时达最小值为6 305次/小时，最大值是最小值的7.8倍以上。相对于负闪而言,正闪电频次最大值和最小值分别比负闪推迟1个和2个小时，最大值和最小值比值仅有2.3倍左右。上述分析表明，湖北地区在16-17时前后，是雷电天气集中发生时段，也是强对流灾害天气多发时段，10-11时前后是雷电等强对流天气少发时段。这与王娟等和Luis Rivas Soriano等研究的结果相一致[35-38]。

图3 2007-2013年平均正闪、负闪和总闪电频次逐小时变化Fig.3 The hourly variation for average positive,negative and the total lightning frequency in 2007-2013

2.4.2 不同季节闪电频次日分布

资料分析表明，不同季节的闪电频次的日变化差异明显。夏季平均总闪电频次日变化呈明显单峰单谷型，最大值和最小值出现的时间分别在16-17时和10-11时；春季总闪电频次日变化大致呈单峰单谷型，但峰值和谷值出现的时间分别比夏季推迟7个小时和2小时，即峰值出现在23-0时，谷值出现在 12-13 时（图4（a）所示）。图4（b）显示，秋季平均总闪电频次日变化大致呈双峰双谷型，双峰分别出现在15-16时和0-1时，其两峰峰值基本相同，主谷出现在10-11时，次谷在20-21时，主谷与次谷值差异较大；冬季总闪电频次日变化特征是昼夜差异较大，夜间闪电明显多于白天，最小值在10-11时，最大值在1-2时。由此说明，夏季在傍晚16-17时，春季在午夜0时左右，秋季在午后和夜间1时前后，冬季雷电主要发生在凌晨1-2时，一般是雷电集中高发生时段，在上午10-11时前后，是雷电发生最少时段。

2.4.3 正闪百分比日分布

正闪电频次占总闪电频次百分比日变化特征明显，大致呈单峰单谷型（图5所示）。正闪百分比从15时开始增加，至次日11时达最大值为8.7%；从11时开始，正闪百分比减少较快，至15时达最小值仅有2.4%，平均每小时减少1.6%。其主要原因是下午14-15时，气温较高，此时对流云顶较高，位于云层上部的正电荷离地面较远，正电荷对地放电难度加大，因此，正闪电百分比相应较小。

图4（a）春季和夏季平均总闪电频次逐小时变化（b）秋季和冬季平均总闪电频次逐小时变化Fig.4 (a)The hourly variation for lightning frequency in spring and summer(b)The hourly variation for lightning frequency in autumn and winter

图5 2007-2013年正闪电频次占总闪电频次百分比日变化Fig.5 The daily variation for positive lightning among the total lightning in 2007-2013

3 雷电流幅值时间分布特征分析

3.1 年变化特征

从表3的统计数据可以看出，正闪电强度年际变化在45.1-49.9 kA之间，平均为47.2 kA，标准差为1.57，负闪电强度在32.8-36.1kA，平均为34.5 kA，标准差为0.94，总闪电强度在33.5-36.9kA，平均为35.1kA，标准差为0.97；各年平均正闪电强度大于负闪强度10.5-14.9kA，平均为12.7 kA；各年夜间平均闪电强度均比白天大，平均偏大1.6 kA。由此可知，正闪电平均强度比负闪电平均偏大12 kA左右，夜间闪电强度比白天大。负闪强度较低，可能与负电荷位于云层下部，在电场强度比正闪小的情况下，就可能对地发生闪电有关。

表3 2007-2013年各年正、负、总闪电及昼夜闪电平均强度统计Table 3 The average intensity for positive,negative,the total lightning and for day and night

3.2 月变化特征

图6给出了2007-2013年各月正闪、负闪电平均强度分布特征。根据图6显示，正闪和负闪电强度月变化差异明显，正闪电强度和变化幅度明显大于负闪。正闪电强度月变化大致呈“V”型，除6月份外，1-8月份，闪电强度逐月减少，除11月份外，8-12月份，逐月增加明显，负闪电强度，2-12月份变化幅度不大，12月和1月份增加幅度明显。正负闪电强度月变化趋势与文献[38]研究结果基本一致。统计资料表明，负闪电强度最大值在12月份为43.2 kA，最小值出现在5月份为31.7 kA，最大值与最小值相差11.5 kA；正闪电强度最大值在1月份为68.3kA，最小值在8月份为40.8 kA，最大值与最小值相差27.5 kA，是负闪电强度变化幅度的2.4倍左右。统计2007-2013年湖北81个气象台站月平均资料表明，月平均正闪电强度与月平均气温相关系数为-0.946 0，达0.001显著水平。由此说明，正闪电平均强度和变化幅度明显大于负闪，正闪电强度月变化特征与空气温度月变化呈显著负相关关系，即正闪电强度随月平均气温增高而减小，反之，温度降低，其强度相应增加。其主要原因可能与空气密度有一定关系，具体原因有待进一步研究。

图6 2007-2013年各月正闪、负闪电平均强度分布Fig.6 The monthly distribution for lightning intensity for positive lightning and negative lightning in 2007-2013

3.3 日变化特征

为进一步研究闪电强度日变化规律，统计2007-2013年逐小时平均正闪和负闪电强度（图7所示），从图7中可以发现，正闪、负闪电强度日变化大致呈单峰单谷型，但正闪电强度日变化幅度明显强于负闪电。正闪电强度从18时开始呈波动式增强，至次日10时止达最大值为54.0kA，从10时开始呈波动式减少，至下午18时达最小值为42.4kA，尤其是13-16时，正闪电强度急剧下降。负闪电强度从14时开始波动式增加，至次日清晨6时值最大为36.7 kA，最小值为33.0 kA，出现在14时。正闪电强度最大值和最小值出现的时间分别比负闪均推迟4个小时，最大强度与最小强度差值是负闪的3.1倍以上。由此可知，正闪和负闪电强度最大值出现在清晨至上午气温相对较低的时段，最小值出现在气温相对较高的午后至傍晚时段，也就是说，空气温度较低时，闪电强度较大，反之较小。

图7 2007-2013年逐小时平均正闪和负闪电强度逐小时分布Fig.7 The hourly distribution for average lightning intensity for positive lightning and negative lightning in 2007-2013

4 结论

1）在云地闪电发生过程中，年平均负闪电频次占总闪电频次的95.9%，正闪占4.1%，白天闪电频次约是夜间的1.5倍。夏季闪电频次最多，主要发生在白天，夏季正闪百分比最小；冬季闪电频次最少，主要发生在夜间，冬季正闪百分比最大；春秋季夜间闪电频次多于白天，春季闪电频次和正闪百分比均高于秋天。

2）闪电频次月变化呈现单峰型，7月份闪电频次最多，12月份闪电频次最少。6－9月份，白天闪电多于夜间，其他月份夜间闪电多于白天闪电。1月和12月份正闪百分比在30%以上，其他月份较低，日分布大致呈单峰单谷型，最大值在10－11时，最小值在14－15时。

3）闪电频次日分布呈单峰单谷型，负闪频次最大值在16－17时，最小值在10－11时，正闪频次最大值和最小值分别比负闪推迟1个和2个小时。一般在10－11时前后，是雷电发生最少时段。夏季在傍晚16－17时，春季在午夜0时左右，秋季在午后和夜间1时前后，冬季雷电主要发生在凌晨1－2时，是雷电集中发生时段。

4）年平均正闪电强度47.2 kA，负闪34.5 kA，总闪35.1 kA，年平均正闪电强度比负闪大12.7 kA。正闪电强度最大值在1月份，最小值在8月份；负闪电强度，2－12月份变化幅度不大，12月和1月份增加幅度明显。

5）正闪、负闪电强度日变化大致呈单峰单谷型。正闪电强度最大值出现在上午9－10时，最小值在下午17－18时；负闪电强度最大值和最小值出现的时间均比正闪电提前4个小时。正闪和负闪电强度最大值出现在清晨至上午气温相对较低的时段，最小值出现在气温相对较高的午后至傍晚时段。

6）根据闪电频次和雷电流幅值时间分布特征，结合各自行业雷电防护的重点时间段，提出相应的雷电防护措施。正闪电强度最大值一般出现在气温相对较低的时段，最小值出现在气温相对较高的时段。其主要原因可能与空气密度有一定关系，具体原因有待进一步研究。

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The Time Distribution Characteristics on Frequency and Peak Current of Cloud-to-Ground Lightning in Hubei Province

WANG Xueliang，ZHANG Kejie，YU Tianye，WANG Zihe
（Lightning Protection Center of Hubei Province，Wuhan 430074，China）

In order to provide evidence for lightning protection engineering design and lightning disaster protection work，further in－depth study is carried out on the variation of lightning frequency and lightning peak current.According to the monitored data of lightning location system（LLS）from December 2006 to 2013 in Hubei province，the annual variation，seasonal variation，monthly variation and daily variation of lightning frequency and lightning peak current are analyzed by mathematical statistics method.The results show that average negative lightning occupies 95.9%of the whole lightning，and the positive lightning occupies 4.1%；the average intensity for positive lightning is 47.2 kA，and it is 34.5 kA for negative lightning，and 35.1kA for the whole lightning.Summer is the peak time for lightning，in this season most lightning happens in daytime，while in winter，lightning is the least，and often happens at night.The monthly variation for lightning presents to be a single peak form，the largest proportion happens in July，and smallest is in December.The lightning which happens in March to September occupies 97%of the whole lightning around the year，however，it is even more frequent in July to August.From June to September，lightning in daytime is more than that at night，but in other month，it is reversed.The density variation for positive lightning appears to be a V－shaped form while it is much more stable for negative lightning.The daily distribution for lightning frequency and lightning density is a single peak and single valley form，its maximum value appears in the morning which has lower temperature，and the minimum value is in the afternoon when it has higher temperature.The monthly percentage distribution for positive lightning turns to be an U-shaped type，in December and January，the positive lightning occupies above 30%of the whole lightning，but the data is smaller in any other month，and its daily percentage variation turns to be a single peak and single valley form，its peak value appears at 10-11am，and valley value is at 14-15pm.There is obvious inverse correlation between the density of positive lightning and temperature，however the main reason seems to be connected with the density of air，specific reasons need to be further investigated.

lightning；lightning frequency；lightning current；peak value；time distribution

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.001

2016－02－25

王学良（1962—），男，高级工程师，主要从事雷电气候和雷电防护技术与方法研究。

湖北省雷电灾害防御科研专项（编号：FL－Z－201401）。