基于雷电流幅值分级的地闪时空特征研究

王 佩 宋 楠 邹德培

（1. 郴州市气象局，湖南 郴州 423000；2. 邵阳市气象局，湖南 邵阳 422000）

0 引言

雷电是危及人民生命、财产安全的主要自然灾害风险因素。在中国人民追求美好生活的背景下，中国各级政府都尤为关心自然灾害风险因素对百姓生活的影响。据气象部门不完全统计，湖南省近20 年共发生雷电灾害事故2050 起，造成人员伤亡共555 人，直接经济损失高达2.2 亿元。

近年来，越来越多的学者针对雷电活动特征开展研究。如，贺秋艳、王学良、朱浩等人[1-3]分析了湖南、湖北、安徽等地的雷电活动特征，总结了雷电活动的年际变化、季节变化及空间分布等特征，但这些研究都是基于闪电发生的数量去开展研究，并没有学者基于闪电的雷电流幅值来分析。雷电流幅值是闪电监测数据中体现雷电致灾强弱的重要参数[4]，雷电流幅值的大小决定了闪电蕴含能力的大小，幅值越大，闪电具有的破坏能力也越大。闪电分为云内闪、云际闪、地闪三类，其中对人们生活、生产造成最直接、最严重影响的是地闪。为此，该文以邵阳市2016-2020 年地闪数据为基础，运用描述性统计分析方法、中心点分析方法、核密度分析方法基于雷电流幅值分析了地闪的时空特征，旨在能为雷电灾害风险防范提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

该研究采用湖南省闪电定位仪监测到的2016-2020 年邵阳市地闪数据，数据包括了地闪发生的时间、地闪发生的经纬度、雷电流幅值、地闪陡度、定位方式、发生地行政代码等信息。

1.2 数据处理

1.2.1 雷电数据处理

为保证地闪数据的可靠性，需要对数据进行相关处理，该文采用IEEE工业组文件“IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines”（IEEE Std-1997）对回击雷电流幅值定义为2kA～200kA 以及《雷电灾害风险区划技术指南》AX/T 405-2017 中“剔除雷电流幅值为0kA～2kA 和200kA以上的闪电定位系统资料”的数据处理方法，将2016-2020 年邵阳市地闪数据根据雷电流幅值将大于200kA 和小于2kA 的闪电剔除。经处理后统计，该文所使用的有效地闪数据样本数量共有185724 条，其中每年的有效地闪数据如表2 所示。

1.2.2 雷电等级划分

现有研究[5]常采用百分位数法来确定样本的分级范围，因此，该文利用百分位法，将地闪数据按雷电流幅值的大小分为三级。分级结果如表1 所示，一级强度地闪指雷电流幅值大于71.7kA 的地闪，二级强度地闪指雷电流幅值介于37.3kA～71.7kA 的地闪，三级强度地闪指雷电流幅值小于等于37.3kA 的地闪。地闪强度等级一级，表示该地闪的致灾能力最强，二级致灾能力次之，三级致灾能力最弱。

表1 雷电流幅值等级划分标准

1.3 研究方法

1.3.1 中心点

Scott 和Janikas 将中心性定义为数据集中到其他点的距离和最短的点。地闪事件的中心点就是对每个地闪事件能够计算到其他地闪事件的欧几里得距离之和，也称为“重心”。对“重心”的分析可以更好地了解研究要素在空间上的流动性和聚集性。ArcGIS 中的空间分析模块可以确定中心点的空间位置。

1.3.2 核密度估计

核密度估计（Kernel density estimation）是一种用于估计未知的密度函数，属于非参数方法。核密度估计不会对数据样本附加任何假定，而是从样本本身的分布特征出发来进行分析，因此，它常用于对热点区域的分析研究，如刘钺等在城市火灾风险评估的研究[6]、王颖志等在道路交通事故多发点鉴别方法的研究中都运用了核密度分析的方法。ArcGIS 中的核密度分析可用于计算要素在其周围邻域中的密度。

2 研究结果

2.1 描述性统计分析

邵阳市2016-2020 年地闪数据描述性统计结果见表2 和图1。其中，年平均地闪数量为37145 条，三级地闪占60%，二级地闪占30%，一级地闪占10%，邵阳市一级强度地闪年平均3700 多条，若发生在防雷措施薄弱的建筑和人员居住密集区，易造成雷电灾害；从图1 中可以看到，年地闪数量、三级地闪数量、二级地闪数量在2018 年达到峰值，在2019 年和2020 年呈现递减趋势， 但一级地闪数量自2016—2020 年呈现明显增长趋势。

图1 2016-2020 年邵阳市地闪事件发生数量

表2 2016-2020 年邵阳市地闪数据的描述性统计

2.2 中心点分析

利用ArcGIS 中的空间分析模块，计算2016-2020 年五年的地闪空间“重心”位置（图2）。图2 显示2016-2020年邵阳市地闪的年度地闪“重心”位置集中分布于邵阳市中部，2016 年-2020 年的“重心”分别在(111.05°E，27.07°N)、(110.93°E，27.06°N)、(111.10°E，27.07°N)、(110.91°E，26.99°N)和(111.06°E，27.05°N)，经向最大迁移距离为20.4km，纬向最大迁移距离为8.4km。表明邵阳市地闪的年“重心”位置未出现中心特征的大范围转移情况，不具有跨越时空的模式。因为“重心”位置是偏向于地闪发生的比较多的地方，近五年“重心”位置的聚集，说明邵阳市近五年地闪的分布变化较小，各区域地闪数量的占比稳定，雷电灾害防御的区域“重心”不需要随时间而改变。

图2 年度地闪“重心”位置分布图

图3 所示为2016-2020 年邵阳市三种强度等级的“重心”位置图，一级强度地闪“重心”为(110.81°E，26.97°N)、二级强度地闪“重心”为(110.89°E，27.0°N)、三级强度地闪“重心”为(111.13°E，27.15°N）。三级“重心”位置偏东北部，表明三级强度地闪在东北部分布得更密集；一级、二级“重心”位置在中部偏西北方向，表明一级、二级强度地闪在邵阳市的西北方向分布得更密集。三种等级的地闪具有各自的分布特征，各区域应根据地闪强度等级来制定相应的雷电灾害防御等级。

图3 各强度等级地闪“重心”位置分布图

2.3 核密度分析

笔者对五年所有地闪、一级强度地闪、二级强度地闪、三级强度地闪的发生核心区域进行探索，使用ArcGIS 中的核密度分析工具，对地闪数据进行分析，以地闪发生数量密度图的形式显示出地闪发生的核心及边缘区域。结果见图4，从整体上来看，邵阳市地闪事件的核心区域主要分布在邵阳市的北部，包括邵东市、新邵县中东部、洞口县北部、隆回县南部且邵东市地闪事件发生区域最集中。一级、二级强度地闪的高密集区较分散；三级强度地闪的高密集区则集中分布在邵阳市东北部区域。一级强度地闪事件发生最核心的区域是新邵县北部、隆回县中南部、城步县西部、洞口县南部、绥宁县中部；二级强度地闪事件发生最核心的区域是邵东市中部和北部、新邵县北部、隆回县中南部、洞口县中北部；三级强度地闪事件发生最核心的区域是邵东市西部和东南部。

图4 2016-2020 年邵阳市地闪事件核密度分布图1

图4 2016-2020 年邵阳市地闪事件核密度分布图2

3 结论

该文研究了邵阳市不同雷电流幅值的地闪时空特征，得到的结论如下：（1）地闪的年数量在近五年呈现出波动特征，在2018 年达到近期顶值后呈递减的趋势，但一级强度地闪的年数量与二级三级相反，近五年呈现递增的趋势。（2）中心点分析说明邵阳市近五年地闪的分布变化较小，各区域地闪数量的占比较稳定，雷电灾害防御的区域“重心”不需要随时间而改变。三种强度等级的地闪分布有差异，各区域的雷电灾害防御措施应按等级制定。（3）核密度分析显示了邵阳市地闪事件的密集区域，高密集区域表明该区域更容易发生地闪。三种强度等级地闪的高密集区域分布存在差异，一级、二级强度地闪的高密集区较分散；三级强度地闪的高密集区则集中分布在邵阳市东北部区域，针对高密集区域的雷电防御措施应分级制定。

该文基于雷电流幅值分级的地闪时空特征研究只选取了邵阳市的数据，下一步将选取湖南全省的闪电数据，并结合历年的各地雷灾数据进行分析，致力于将地闪时空特征与雷电灾害区域划分结合起来。