天津地区闪电强度特征分析与区划研究*

李华凝 宋喃喃 李猛 李伊吟

（1.天津市气象灾害防御技术中心，天津 300074；2.天津市防雷技术中心，天津 300074；3.河南省气象服务中心，河南郑州 450003）

0.引言

雷电是产生于积雨云中的一种大气中的长距离放电现象，常常伴随暴雨、冰雹和龙卷等强对流天气，易产生严重的灾害事故。雷击的危害方式主要表现为直击闪电时引起的机械效应、热效应、电效应，雷电产生的感应场还会引起电磁脉冲、静电感应和雷电反击等，究其原因都是由雷电流引起的。同时，在雷电防护设计中同样需要雷电流参数作为依据。天津地区年平均雷暴日为28.4d，属中雷区，整体呈北多南少的分布特征，雷电灾害发生较频繁，易产生较为严重的经济损失和人员伤亡。

目前国内外关于闪电强度的研究已有一些进展。Anderson[1]根据Berger[2]的实测数据首次给出了累积概率近似表达式，该表达式被IEEE工作组[3]所推荐。随着闪电定位数据应用形式的不断加深，全国许多省份利用闪电定位数据对闪电特征及机理的研究日益增多。徐鸣一[4]、李家启[5]、王学良[6]、高金阁[7]等人分别对江苏、重庆、湖北、北京等地的雷电流幅值特征分析，发现各地区雷电流幅值特征分布曲线与IEEE工作组推荐的雷电流幅值累积概率表达式分布较为一致；国内学者孙萍[8]，王巨丰[9]等人利用数学方法和实测数据对比分析得出雷电流陡度与雷电流幅值密切相关。曾金全[10]、贺珊[11]等利用雷电流幅值和雷电流陡度对闪电强度进行了等级划分，这些研究选取不同因子对闪电强度进行了等级划分，但缺少对本地的实际应用。在开展雷灾调查、雷电风险预警等实际应用中，时常需要对闪电强度进行表征，仅给出闪电强度的具体数值缺乏直观性，因此定性地度量闪电强度非常必要。本文基于天津市2013—2020年ADTD闪电定位数据，选取雷电流幅值和雷电流陡度两个参数对闪电强度进行综合描述，开展天津地区的闪电强度特征分析，建立闪电强度等级评估模型，开展天津地区闪电强度等级划分。

1.资料与方法

根据IEEE工业组文件《IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines》[12]中5.2节的规定，对于回击电流应用范围的定义为2kA～200kA。因此，本研究剔除了雷电流幅值小于2kA的102个样本和大于200kA的155个样本。

鉴于雷电流幅值和陡度的单位不同，为消除两个参数的量纲与数量级的差异，需对雷电流幅值和雷电流陡度进行规范化处理，归一化公式如下：

式中，Di为第i个评价指标的归一化数值，Xi为第i个评价指标，Xmax为评价指标中的最大值，Xmin为评价指标中的最小值。

为使计算结果与实际情况更为接近，本文采用雷电流幅值I与雷电流陡度di/dt的99%、1%分位点的逐年平均值分别替代样本中的最大值和最小值，将雷电流幅值和陡度分别代入（1）式，得到I与di/dt的归一化结果如下：

其中，I0和di/dt0分别为标准化后I与di/dt的值；I99%和di/dt99%分别表示99%分位点上I与di/dt的值；I1%和di/dt1%分别表示1%分位点上I与di/dt的值。

根据雷电流幅值和雷电流陡度指数，建立闪电强度指数H的计算公式：

2.闪电强度统计分析

2.1 闪电强度分布特征

统计显示，本研究所使用的有效闪电定位数据样本124898个，其中正闪18092个，占总样本数14.49%，负闪106806个，占总样本数85.51%。从闪电强度频次分布特征来看（见图1），正闪强度主要集中在2kA～30kA，其中最大分布区间为2kA～10kA；负闪强度主要集中在2kA～40kA，其中最大分布区间为10kA～20kA。

图1 2013—2020年天津地区闪电强度频次分布

2.2 雷电流幅值与陡度的概率分布特征

对比分析雷电流幅值和陡度的概率曲线分布特征可知，两者在不同区间上的概率曲线大致相同。从图2可知，雷电流幅值概率曲线跨度较大，且各幅值所占比例不均衡，大部分集中在2kA～90kA，占总数的98.54%。在10kA～30kA区间内的雷电流幅值所占比例最高，占总数的74.67%。雷电流陡度的概率曲线相较雷电流幅值而言跨度范围较小，大部分集中在24kA/μs以下，陡度在2kA/μs～8kA/μs的比例最高，达70.74%。

图2 2013—2020年天津地区雷电流幅值分布概率

3.闪电强度等级划分

3.1 等级划分因子的权重

经统计发现，雷电流幅值与陡度呈正相关，且二者相关系数达83.82%，因此在确定闪电强度指标中雷电流幅值和雷电流陡度两个参数对应的权重时，权重因子A1、A2各取0.5来进行计算。

3.2 等级划分结果

考虑到雷电流幅值是闪电定位数据中的重要参数，从理论上来说，其值越大，能量就越大，直击雷造成的破坏程度也越高。由雷电流幅值和陡度的概率分布特征可知，不同区间下二者的概率分布极不均衡，因此对I和di/dt两个参数统一采用对称不等间隔法进行区间划分，采用百分位法将H按一般（0%～10%）、中等（10%～50%）、较高（50%～90%）和高（90%～100%）不等间隔地划分成4个等级。将A1、A2、I99%、I1%、di/dt99%、di/dt1%代入公式（5），得到的天津地区闪电强度指数计算结果为：

由上式计算得出99%、90%、50%、10% 4个分位点的闪电强度指数，分别对应为0.879、0.455、0.194和0.042，以此作为天津地区闪电强度等级的区间划分点。采用百分位法将闪电强度划分为4级（见表1）。

表1 闪电强度H等级阈值划分

3.3 天津地区闪电强度等级划分应用

如图3所示，对于不同等级的闪电强度而言，天津地区闪电强度分布大致呈“西北高东南低”的特征，大部分地区雷电强度处于较高和中等等级。北部山区由于海拔较高，水体、植被较多，水汽条件充足处于高等级区域，且因为局地地形的抬升作用，发生强雷电的概率较大。

图3 2013—2020年天津地区闪电强度等级划分图

4.结果与讨论

（1）本研究利用天津市2013-2020年ADTD二维闪电定位监测系统的观测数据对闪电强度特征进行分析，结果表明，正闪强度主要集中在2kA～30kA，其中最大分布区间为2kA～10kA；负闪强度主要集中在2kA～40kA，其中最大分布区间为10kA～20kA。

（2）雷电流幅值和陡度在不同区间上的概率曲线大致相同。雷电流幅值概率曲线跨度较大，且各幅值所占比例不均衡，在10kA～30kA区间内的雷电流幅值所占比例最高。雷电流陡度的概率曲线相较雷电流幅值而言跨度范围较小，在2kA/μs～8kA/μs区间内的比例最高。

（3）根据闪电强度的分布规律，利用自然断点法将其分为4级。分析发现，各等级雷电易发区域大致呈“西北高东南低”的特征，闪电强度高和较高等级主要分布在蓟州区、宝坻区、武清区和静海区西南部部分地区；中心城区和环城四区为中等强度；西南部的滨海新区与静海区东南部闪电强度为一般等级。

（4）本研究对雷电流幅值和陡度的特征及闪电强度分布与进行了初步分析，揭示二者的相关性。然而，影响闪电发生的主要原因还与地形有关，下一步将对闪电的发生机制进行更加深入的研究。