杭州地区地闪活动特征分析

边学文

(杭州市气象局,浙江 杭州 310000)

0 引 言

雷电是发生在大气中的声、光、电物理现象,通常在有雷雨云(积雨云)情况下出现。雷电灾害是十大自然灾害之一,主要由地闪造成。雷电的发生与季节、地理、地形、地质、气候等因素有关。科学准确地认识地闪的分布规律,对于防雷减灾工作十分重要。当前,闪电定位系统已成为获取雷电相关信息的最重要途径之一。国内外从事雷电研究的学者利用闪电定位系统的闪电资料做了大量的研究工作[1-4],对浙江地区的闪电活动特征研究已取得一些成果[5-7],但很多成果是在1 a、2 a闪电监测数据基础上的研究成果,并且针对杭州地区的研究较少。电气与电子工程师学会IEEE相关标准[8]指出,1 a的平均雷电日资料约有35%～40%的标准偏差,5 a和10 a的资料分别有30%和20%的标准偏差,要得出可信度高的统计数据,至少需选取连续10 a的闪电资料。

杭州市位于浙江省北部、钱塘江下游、京杭大运河南端,境内地貌类型多样,对流活动频繁,属于雷电的多发区。本文利用2007—2017年闪电定位资料,分析杭州地区地闪的时间演变及空间分布特征,以期更好地认识杭州地区雷暴的发生发展规律,科学地指导雷电防护及雷电灾害风险评估工作。

1 资料来源及处理

本文研究采用的闪电资料来自浙江省气象局布网的ADTD型闪电定位仪的观测资料。ADTD型闪电定位仪是专门用于探测地闪的设备,它通过2个正交的环形天线,接收磁场在东西和南北2个方向上的分量,并结合GPS精确授时系统,获得地闪所产生磁场的波形特征值和方位角,再由ADTD型闪电定位系统软件确定闪电发生的具体位置。

本文研究采用的资料为杭州地区2007—2017年的闪电定位仪资料。地闪定位资料记录的是闪电回击资料,在实际中，一次地闪一般有多次回击。在对地闪数据进行预处理时,把时间间隔不大于330 ms、空间距离小于10km[9]的所有回击记为一次地闪。

2 地闪的时间变化特征

2.1 地闪总体特征分析

杭州地区2007—2017年地闪活动比较活跃,共发生地闪(以下简称总闪)595368次，主要集中发生在6—9月,这一时期是强对流天气的高发期。

由表1可知,杭州地区地闪绝大多数为负地闪(以下简称负闪),约占总闪的96.5%;正地闪(以下简称正闪)仅占3.5%,正负闪次数比为3.7∶100。正闪的平均强度为48.10 kA,最大正闪强度为818.5 kA;负闪的平均强度为33.82 kA,最大负闪强度为696.9 kA;说明正闪的强度比负闪的强度强,这与潘亚英等对浙江省地闪活动特征分析结果[7]相似。原因可能是正闪往往由一次回击和随后的连续电流过程组成,正闪电流的上升时间和回击时间比负闪的长,正闪的峰值电流和中和的电荷量比负闪的大,虽然正闪过程较少出现,但正闪比负闪产生大电流的概率大得多。由《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)[10]可知，H0=i0/(2×π×sa),式中:H0为无屏蔽时产生的无衰减磁场强度,sa为闪击点距建筑物的距离。当sa不变时,H0与i0(电流强度)成正比,由此可知，正闪对电子信息系统的影响更大,在雷电灾害防护工作中对正闪的研究有重要意义。对杭州地区而言,应考虑在正闪多发时段加强雷电防护和预警。

表1 杭州地区2007—2017年地闪特征

图1为杭州地区2007—2017年总闪、正闪、负闪次数逐年分布图。由图1可知，2010、2011、2012年的总闪次数明显多于其他年份的,最大值出现在2010年,为95912次,最小值出现在2015年,为15588次;负闪的变化趋势与总闪的变化趋势基本一致,最大值为2010年的92999次,最小值为2015年的14785次。

图1 杭州地区2007—2017年总闪、正闪、负闪次数逐年分布图

2.2 地闪的逐月分布

图2为杭州地区2007—2017年总闪、正闪、负闪次数逐月分布图。由图2可知,杭州地区2007—2017年地闪次数主要集中发生在6—9月,占总地闪次数的88.34%。从逐月分布可知,地闪次数变化呈单峰型,从6月开始,地闪次数显著增加,并于8月达到最高值203183次,从9月开始迅速下降。这与杭州地区从6月开始气温快速上升、热力作用加强、对流活动增多有关;8月空气中水汽含量最充足,导致地闪明显增多;9月以后气温逐渐降低,空气干燥,地闪也随之迅速减少。由图2可知,负闪次数与总闪次数变化趋势有较好的一致性,最大值出现在8月,为199009次;正闪次数最大值也出现在8月，为4174次;1月和12月很少发生地闪,共计144次,占比约为0.02%。

图2 杭州地区2007—2017年总闪、正闪、负闪次数逐月分布图

2.3 地闪的逐日变化

图3为杭州地区地闪年均次数逐时分布图。为了分析地闪的日变化规律,统计了杭州地区2007—2017年0—23时各小时的地闪次数,结果表明,杭州地区的地闪发生次数具有明显的日变化,总体呈单峰形式;总闪和负闪次数均主要集中在13—19时,其中16时达到最高值。负闪次数变化与总闪次数变化有比较好的吻合;正闪次数主要出现在13—21时,并于18时达到峰值。该地区总闪、负闪、正闪虽有基本一致的变化趋势,但变化规律有所不同:(1)负闪和总闪次数变化有比较好的一致性,但正闪次数达到峰值的时间滞后于总闪和负闪;(2)19时后,各时段内正闪次数的减少要缓于负闪次数的减少,其原因可能是正闪主要出现在雷暴云的成熟时期,此时云体内的上升运动减弱,并且在降水和下沉气流的拖拽下,电荷结构发生变化,负闪次数减少,正闪次数增多。杭州地区地闪的日变化规律与浙江省的地闪日变化规律[6]吻合,可见杭州地区的地闪活动多发生在午后至傍晚,这也是浙江省的夏季对流性天气的高发时段，应特别加强夏日午后至傍晚时段的雷电防护工作,提高雷电预警水平。

图3 杭州地区地闪年均次数逐时分布图

3 雷电流参数的研究

杭州地区平均地闪强度为34.31 kA,其中正闪的平均强度为48.10 kA,负闪的平均强度为33.82 kA。

图4为杭州地区正闪强度及累计比例分布图。由图4可知，正闪强度主要集中在10～70 kA,该区间内正闪次数约占总正闪的78.5%。其中,正闪强度为10～30 kA的次数最多，160 kA以上的正闪出现较少。

图5为杭州地区负闪强度及累计比例分布图。由图5可知，负闪强度主要分布在10～50 kA,该区间内负闪次数约占总负闪的85.9%。其中，负闪强度为20～30 kA的次数最多。

比较正、负闪的累计比例可知,负闪的强度范围比较集中,正闪通常由一次回击和随后的连续电流过程组成。正闪电流的上升时间和回击时间一般比负闪的长,正闪比负闪产生大电流的概率大得多,正闪回击电流超过120 kA的概率是5%,正闪比负闪转移的电荷量大,正闪在整个过程中平均转移80 C,负闪平均转移7.5 C。

图4 杭州地区正闪强度及累计比例分布图

图5 杭州地区负闪强度及累计比例分布图

另外，正闪的脉冲电荷转移量是负闪的4倍以上[11]。可见正闪比负闪中和的电荷量大得多。

4 地闪的空间分布特征

4.1 地闪密度分布图绘制方法

本文首先采用自然分割法,利用地理信息系统GIS将杭州地区划分为若干个连续等面积的虚拟网格,统计各个网格中的地闪次数,用每个网格中的地闪次数除以相应的网格面积,得到该网格的地闪密度。不同大小网格在反映地闪密度时,地理图形化显示的分辨率不同,但对反映区域雷电活动相对规律影响不大[12]。杭州占地面积约8273.3 km2,考虑到ADTD型闪电定位系统的误差等因素,设定杭州地区地闪密度分布图的网格为:1 km×1 km,各网格面积约为1 km2,结合闪电定位仪数据求得各网格的平均地闪密度值,即可获得杭州地区地闪密度的空间分布图。

4.2 地闪的空间密度分布

雷暴形成的基本条件是充足的水汽、深厚而不稳定的大气和足够的抬升力等。雷暴可以分为3类:第一类是大尺度天气系统造成的系统雷暴;第二类是局地下垫面受热不均形成的热雷暴;第三类是山地、高原、丘陵等地形抬升形成的雷暴。

杭州地区各区(县、市)地闪密度均大于2次/(km2·a),其中下城区地闪密度最大,超过5次/(km2·a),萧山区、富阳区地闪密度分别为4.69、4.46次/(km2·a)。在实际防雷工作中,对年平均地闪密度高值区应适当加强雷电防护,提高防雷工作的时效性;临安区、桐庐县地闪密度最低,分别为2.14、2.62次/(km2·a),表明杭州地区地闪密度分布具有明显的地域差异,自西南向东北呈“两头高中间低”分布。东北、西南地区的地闪频次较高,新安江、富春江、钱塘江水系的贯通和复杂的局地地形的抬升作用,使得具备了形成雷电的先决条件,杭州春夏季的气候背景等是容易触发和形成对流天气的主要原因[13]。此外，大气中气溶胶的含量可能也是造成该现象的原因之一，气溶胶主要集中在5 km高度以下的对流层,浓度随海拔增高呈指数减少的趋势,使得地闪总频次随高度的增加而减少;大气中气溶胶粒子增多使得云凝结核的数量增多,从而产生更多的雷电[14]。

5 结 语

通过对杭州地区2007—2017年的地闪时间分布特征、地闪强度分布特征以及地闪空间分布特征进行分析,得到以下结论。

(1)杭州地区2007—2017年共发生地闪595368次，主要集中发生在6—9月,占总地闪次数的88.34%,1月和12月很少发生地闪。负闪次数占总闪次数的96.5%,正负闪次数比为3.7∶100,负闪次数与总闪次数的变化趋势有很好的一致性。

(2)杭州地区的地闪发生次数具有明显的日变化,总体呈单峰形式,总闪和负闪均主要集中发生在13—19时,正闪主要出现在13—21时;正闪次数达到峰值的时间滞后于总闪和负闪的;19时以后,各时段正闪次数的减少要缓于负闪次数的减少。午后至傍晚是杭州地区地闪的多发时段。

(3)杭州地区平均地闪强度为34.31 kA,其中正闪平均强度值大于负闪的,正闪强度主要集中在10～70 kA,约占总正闪的78.5%,强度为10～30 kA的次数最多;负闪强度主要分布在10～50 kA,约占总负闪的85.9%,强度为20～30 kA的次数最多。在高电流强度处,正闪所占比例高于负闪所占比例。

(4)杭州地区地闪密度分布具有明显的地域差异,自西南向东北呈“两头高中间低”分布。杭州地区各区(县、市)地闪密度均大于2次/(km2·a),其中下城区地闪密度最大,超过5次/(km2·a)，临安区地闪密度最小,为2.14次/(km2·a)。