基于雷电定位系统的海南岛近十年雷电活动特征分析

赵海龙，霍美屹，庞松岭

（1.海南电网有限责任公司电力科学研究院，海口 570311； 2.热带智能电网实验室，海口 570311）

前言

雷电是自然界的一种重要大气现象，雷电发生时伴随着声、光、电等多种物理现象，其瞬间产生的大电流、强电磁辐射会造成严重的人员伤亡和经济损失。根据国家气象局的统计研究，雷电灾害已成为我国的第三大气象灾害，仅次于洪涝及地质灾害[1]。海南岛属于热带季风海洋性气候，雷电活动频繁，各市县的年均雷暴日数平均在130天左右，属于强雷区域。据统计，海南岛雷电灾害造成的人员伤亡和经济损失在自然灾害中仅次于台风，已成为海南岛破坏性最严重的气象灾害之一[2]。

雷电活动是影响电网安全稳定运行的重要因素。国家电网公司2010年至2015年期间330 kV及以上电压等级的交流输电线路中，雷击故障占故障总数的39.4 %至50.8 %，±500 kV及以上电压等级的直流输电线路中，雷击重合闸次数占故障重合闸总次数的43.5～64.3 %[3]。可以看出，雷击故障是电网，尤其是架空输电线路、户外变电设备、架空配电线路等户外设备故障跳闸的重要原因[4]。因此，有必要基于数据统计，对海南地区雷电活动特性进行深入分析，为电网设备防雷击提供数据指导。

本文基于海南电网雷电定位系统2011～2020年的雷电监测数据，重点研究分析了海南地区雷电活动的时间分布、空间分布、雷电流强度以及极性分布，为海南地区电网设备防雷暴灾害提供有效的指导。

1 雷电活动时间分布

海南岛属于热带季风海洋性气候，雷电活动频繁，海南岛年平均雷暴日在130天左右，属于强雷区域[5]。通过海南电网雷电定位系统，收集整理海南地区2011年至2020年的雷电监测数据，基于数据统计分析了海南岛雷电活动的基本规律和特征[6,7]。由此绘制出了海南岛2011～2020年雷电数量的年际分布及月际分布，如下所示。

1.1 年际分布

海南岛2011年-2020年逐年雷电活动的数量分布如图1所示。

由图1可以看出，近十年海南岛平均每年发生雷电18.84万次。其中2011年雷电活动最为强烈，雷电数量达到22.89万次，平均每天发生627次雷电活动。2011年到2014年雷电活动逐年减弱，2015年雷电活动反弹到21.77万次，2016年到2017年雷电活动次数逐年下降，其中2017年雷电活动最弱，雷电个数为14.09万次，2020年雷电活动数量达到了22.55万次。

图1 海南岛2011~2020年雷电数量年际变化

1.2 月际分布

海南岛2011年-2020年月平均雷电活动的数量分布如图2所示。

由图2分析可知，受热带海洋性季风气候影响，海南岛高温、高湿气候特征明显，局部地区强对流天气经常发生。海南岛的雷电活动集中分布于春季和夏季。海南岛从3月份开始雷电活动逐渐活跃，雷电活动数量逐月增加，5月份的雷电个数达到顶峰，达到5.41万次，6月份、7月份的雷电个数有所减少，8月份、9月份雷电个数有所增加，分别达到3.09万次和2.36万次，10月份后雷电活动明显减弱。总的来说，海南岛雷电活动最为活跃的4～9月，该时间段内发生的雷电次数占到全年总次数的94.88 %。海南岛在每年的10月至次年3月雷电活动最不活跃，该时间段内发生的雷电次数仅占到全年总次数的5.12 %。

图2 海南岛2011~2020年雷电数量月际变化

2 雷电活动空间分布

地闪密度是指某区域每平方公里地面的年均落雷次数，单位为/（km2·a），是雷电活动的重要评价指标。为分析海南岛雷电活动的空间分析特性，本文统计了海南岛18个市县2011～2020年10年间的平均地闪密度，如图3所示。海南全省地闪密度的平均值为5.062次/（km2·a）。

由图3可以看出，白沙黎族自治县、澄迈县、儋州市、定安县、海口市、临高县、屯昌县的平均地闪密度高于全省平均值，其中澄迈县的十年平均地闪密度值达到了9.12次/（km2·a），为海南岛最高，达到了全海南岛平均值的1.8倍，乐东黎族自治县的十年平均地闪密度值为2.274 6次/（km2·a），为海南岛最低，为海南岛平均值的45 %。

图3 海南岛18个市县2011~2020年平均地闪密度

总体而言，海南岛的雷电活动在空间上呈以下分布规律：北部地区（如临高、澄迈、海口、定安）的雷电活动明显较南部地区（如乐东、三亚、陵水）活跃，地闪密度更高。

3 雷电流强度分布与极性分布

3.1 雷电流强度分布

雷电的雷电流幅值是指一次雷击中监测到的峰值电流，是脉冲电流所达到的最高值[8]。海南岛近10年雷电流幅值分布如图4所示，雷电流幅值主要集中在低幅值区间，幅值在0～20 kA的雷电流占了61.37 %，幅值在0～30 kA的雷电流占了76.15 %，幅值在0～40 kA的雷电流占了85.11 %，雷电流幅值主要集中在0～50 kA之间，这个区间内的地闪次数占到了总地闪次数的90.16 %。可以看出，海南地区雷电活动的雷电流强度主要集中于低电流幅值区间。

图4 海南岛近10年雷电流幅值分布

3.2 雷电流极性分布

海南岛2011～2020年的雷电流极性分布如图5所示。负极性雷电流是海南岛雷电流的主要形式，2011～2020年负极性雷电流总个数为15.61万，占到了雷电流总个数的82.83 %。

图5 海南岛2011~2020年雷电流极性分布

海南岛2011～2020年的正闪比例年际变化曲线如图6所示，海南到2011～2020年十年间雷电活动的平均正闪比例为16.8 %，2011～2017年七年间平均正闪比例为8.86 %，而2018～2020年近三年海南雷电正闪比例远高于前，平均达到了35.33 %，为前七年平均正闪比例的的3.99倍。

图6 海南岛2011~2020年正闪比例年际变化

4 结论

本文基于海南电网雷电定位系统2011年至2020年的雷电监测数据，重点研究分析了海南地区雷电活动的时间分布、空间分布、雷电流强度以及极性分布特征，可得出以下结论：

1）海南岛雷电活动频繁，年平均雷电活动得到18.84万次。

2）海南岛雷电活动具有明显的季节规律，春季和夏季雷电活动最活跃，全年有94.88 %的雷电活动发生在4月到9月，5月份的雷电活动次数最多，平均为5.41万次。

3）海南岛的雷电活动具有明显的空间分布规律，北部地区的雷电活动明显较南部地区活跃。

4）海南全省地闪密度的平均值为5.062次/（km2·a），其中澄迈县的十年平均地闪密度值达到了9.12次/（km2·a），为海南岛最高，乐东黎族自治县的十年平均地闪密度值为2.274 6次/（km2·a），为海南岛最低。

5）海南岛雷电活动的雷电流幅值主要集中在低幅值区间，幅值在0～20 kA的雷电流占了61.37 %。

6）负极性雷电流是海南岛雷电流的主要形式，平均负闪比例达到83.2 %，2018～2020年近三年来海南雷电正闪比例远高于前，平均达到了35.33 %，为前七年平均正闪比例的的3.99倍。