基于ADTD闪电定位资料的重庆市地闪特征分析

任照环 李卫平 曾宇 何静 覃彬全 许伟

(1.重庆市防雷中心，重庆 401147; 2.重庆萊霆防雷技术有限责任公司,重庆 401147; 3.重庆市气象安全技术中心，重庆 401147)

引言

雷电灾害是一种极具破坏性的气象灾害，给人类社会造成过重大人员死伤和财产损失，因此雷电灾害已被联合国有关部门列为最严重的十种自然灾害之一[1]。建立有效的雷电定位系统进行雷电监测，对了解雷电特性和雷电灾害的预防工作具有指导意义[2]。

20世纪80年代末开始，中国就有多家科研单位致力于雷电定位系统的研制工作，90年代ADTD型闪电定位仪研制成功，2008年中国气象局开始全国组网运行，同步建成了国家雷电监测网数据处理中心，监测范围涵盖全国大部分地区，在雷电活动规律研究、雷灾调查、雷电参数统计、雷电预警等方面都有重要价值[3]。王娟和湛芸[4]利用全国雷电定位数据对我国闪电的时空分布特征进行了统计；王学良等[5]、丁旻等[6]、王欣眉等[7]分别利用雷电定位数据对当地的地闪活动规律进行了研究；高文胜等[8]对雷电定位数据进行聚类分析，并利用线性外推法开展15 min内的雷暴云位置预测；李永福等[9]研究了雷电流参数随海拔增加的变化规律；陈家宏等[10]利用雷电定位资料，在IEEE工作组和电力行业规程中采用的概率分布公式的基础上，研究了我国雷电流幅值分布特征；李家启和申双和[11]分析了海拔高度大于800 m丘陵山区闪电的时间和高程属性特征，并获得了丘陵山区雷电流幅值的累积概率分布曲线，为防雷设计、施工提供了可靠的科学依据；司马文霞等[12]运用其提出的改进网格法对雷电日、雷电小时、地闪密度3类雷电参数进行统计，并对该方法可信度和空间精确度做了分析，可为差异化防雷设计提供支持；陆国俊等[13]分析了广东地区的雷电参数，并绘制了广州电网 500 kV 蓄增甲线走廊沿线雷电密度分布图，为高雷区电网防雷提供了指导。

重庆由于复杂的地形以及处于南北两支气流的汇合处等特点，导致雷电活动非常强烈，每年因雷击造成的人员伤亡及经济损失巨大，引起社会的极大关注。2007年4月重庆市第二代雷电监测系统(ADTD)建成投入使用，积累了大量数据，前人[11,14-16]对重庆市雷电参数进行了统计，为防雷工作的开展打下了良好的基础，但这些工作主要集中在2013年以前，所用的资料年限较短，并不能反映本区域雷电特征的全貌。从ADTD系统的建立到现在已经积累超过10 a的资料，利用这些资料可以得出可信度较高的雷电参数，因此有必要对重庆市雷电活动规律进一步研究。本文利用2008—2019年ADTD雷电监测资料，对重庆地闪活动的极性、时间变化规律，以及电流幅值、陡度的累积概率分布进行统计分析，并利用ArcGIS的空间统计功能，得到地闪密度空间分布特征，并与地形相结合，分析地形对雷电高值中心的影响。

1 资料及方法

1.1 闪电定位资料

重庆市ADTD雷电监测系统建于2007年4月(图1)，包括1个主站(沙坪坝)、4个子站(城口、石柱、酉阳、云阳)，实现了对地闪发生时间、地点(经度、纬度)、强度(幅值、陡度)和极性的自动监测，监测效率可达95%[14]。本文ADTD资料来源于重庆市气象信息共享服务平台，时间为2008—2019年。

图1 重庆市ADTD站点布局

闪电定位资料只保留雷电流幅值绝对值在2—200 kA之间的数据，将资料整理为CSV格式，导入ArcGIS软件，利用ArcGIS空间分析功能，形成地闪密度(因本文ADTD资料未作归集，故地闪密度实为雷击点密度)，统计网格单元大小为3 km × 3 km[17]。

1.2 概率分布统计方法

IEEE工作组推荐的电流幅值累积概率分布公式为[18-19]

(1)

式(1)中，I为电流幅值(kA)；P(>I) 为电流幅值超过I的概率；a1、b1为未知参数，IEEE推荐a1的取值为31，b1的取值为2.6，推荐参数是全球电流幅值的平均结果，然而雷电活动的时空分布差异巨大，不宜直接采用该平均结果，实际应用中往往根据某个时间段内某个特定地区或线路走廊的雷电地闪监测数据拟合得到[20]。

大量研究表明，陡度与电流幅值呈显著的正相关[18]，因此陡度累积概率分布的原型函数也采用如下形式

(2)

式(2)中，w为陡度(kA·μs-1)；P(>w)为雷电流陡度超过w的概率；a2、b2为未知参数。

虽然幅值I、陡度w的理论取值为(0，∞)，但是自然界幅值大于200 kA、陡度大于100 kA·μs-1的雷电流较为罕见，因此电流幅值的拟合范围选在(0，200)、陡度的拟合范围则选在(0,100)。

因此，本文以式(1)和式(2)为原型函数，利用最小二乘法计算未知参数。

2 结果分析

2.1 地闪频次分布特征

2.1.1 年际变化

图2为2008—2019年重庆地闪频数年际变化，重庆区域平均每年发生地闪2.08×105次，2018年雷电活动最为频繁，共监测到地闪3.04×105次，其次是2010年，共监测到地闪2.82×105次，地闪最少的年份是2015年，监测到地闪1.27×105次，最多年份是最少年份的2.39倍。地闪年际变化较大。2008—2013年，地闪次数维持在1.9×105—2.8×105次，2014—2017 年，年地闪频数下降到1.2×105—1.6×105次，到2018年地闪频数陡升至3.0×105次以上；负地闪比例较高，约为总数的95.7%，正地闪仅占4.3%，这与贵州[6]、湖北[21]的统计基本一致；2013年及以前正地闪占总地闪的比例小于4.0%，2010年正地闪比例最低，只占总地闪的3.0%，2014年开始正地闪比例开始增加，2019年正地闪比例最高，占总地闪的7.9%(图略)。

图2 2008—2019年重庆市地闪频数年际变化

2.1.2 月际变化

图3是重庆市正地闪、负地闪、总地闪频数的月际变化，三者变化规律一致，都呈现单峰结构，1月、2月地闪较少，平均每年1月、2月监测到地闪分别为34次、631次，从3月开始地闪逐渐增多，到7月到达顶峰，达5.87×104次，9月开始地闪快速减少，到12月减少到4.3次。其中地闪主要发生在4—9 月，占全年的94%，7—8 月为地闪高发期，两个月占全年的57.9%。7—8 月也是重庆强对流频发的时期，这是因为盛夏时节对流旺盛，0 ℃层高度较高，所积累的不稳定能量增强，对流活动向上发展，这有利于云内冰晶、霰粒等相互碰撞摩擦后在不同部位形成正负电荷累积[4]，最终形成闪电。12月至翌年2月(冬季)发生的地闪很少，只占占全年地闪的0.33%。冬季中国主要受大陆冷气团控制，空气寒冷而干燥，加之太阳辐射弱，对流天气很难产生，极少发生雷暴天气。正地闪占总地闪的比例则与总地闪频数成反比，7—8月雷电活动频繁，正地闪比例较低，约占总地闪的2%，12月至翌年1月雷电活动稀少，正地闪比例占总地闪的24%—30%，造成这种现象的主要原因可能是秋冬季雷暴活动较弱，而较弱的雷暴产生正地闪的比例更大(图略)。

图3 2008—2019年重庆市地闪频数月变化

2.1.3 日变化

图4是重庆市正地闪、负地闪、总闪频数的日变化，负闪日变化呈双峰型，夜间03 时及下午17时达到峰值，地闪次数分别为1.22×104次·h-1和1.35×104次·h-1；10—13时处于低值段，12 时达到最小值，为2 483次·h-1，最大值是最小值的5.04倍；总地闪日变化趋势与负地闪一致，这是因为地闪主要由负地闪构成，占其总数的95.7%。03 时的峰值与重庆地区强降水事件主要集中在03—05时相对应[22]，17时的峰值可能是由于重庆地区下垫面多河流和山地，夏季受阳光照射，午后地面气温较高，容易形成热对流，造成短时局地雷雨天气。正地闪日变化趋势与负地闪相比，呈现两个明显的区别：一方面峰值出现时间比负地闪要晚1—2 h，这可能是在雷暴减弱阶段，正地闪比例更高所引起的。另一方面午后雷电活动存在一个高峰期，负地闪在此时的峰值高于夜间的峰值，而正地闪的峰值远小于夜间，这可能是因为重庆独特的地形导致午后活动的雷暴都较强，更不容易产生正地闪。

图4 2008—2019年重庆市地闪频数日变化

2.1.4 空间分布

由图5可知，重庆市地闪密度分布有4个高值中心，即江津北部至九龙坡、渝北一带，地闪密度大于6次·km-2·a-1；开州南部、云阳西部至万州北部一带，地闪密度大于3次·km-2·a-1，局部超过6次·km-2·a-1；大足西部、永川南部至荣昌一带，地闪密度大于3次·km-2·a-1；忠县南部至石柱西部一带，地闪密度大于3次·km-2·a-1。渝东北的城口、巫山、巫溪、奉节，渝东南黔江、酉阳、秀山及中部的武隆等地为地闪密度相对低值区，地闪密度小于2次·km-2·a-1。

图5 2008—2019年重庆市平均地闪密度空间分布

2.1.5 地形对地闪的影响

结合图1和图5可以看出，地闪密度大值区多集中于山脉的交汇处以及渝西的台地-丘陵向山地的过渡地带。江津—渝北中心位于中梁山、南山之间，华蓥山、龙王洞山、铜锣山以南，并沿铜锣山与南山之间的缺口向东延伸；开州—万州中心位于大巴山与铁峰山、精华山等平行山列的交汇地带；忠县—石柱中心位于挖断山和方斗山的交汇地带；大足—荣昌中心位于台地—丘陵向山地的过渡地带。造成这种现象的原因是地形的强迫抬升作用使得对流发展可使局地降水增强，也能够作为中小尺度对流系统的触发机制，造成不稳定能量释放，因此在山区的迎风坡雷暴较多。

2.2 地闪电流幅值及陡度特征

2.2.1 年变化特征

从表1的统计数据可以看出，总地闪雷电流幅值年变化范围为32.0—41.1 kA，均值为37.9 kA，陡度年变化范围为8.3—11.4 kA·μs-1，均值为10.1 kA·μs-1。正地闪雷电流幅值年变化范围为39.8—63.6 kA，均值为55.8 kA，陡度年变化范围为8.9—14.3 kA·μs-1，均值为11.7 kA·μs-1；负地闪雷电流幅值年变化范围为31.6—39.9 kA，均值为37.1 kA，陡度年变化范围为8.2—11.3 kA·μs-1，均值为10.0 kA·μs-1。正地闪平均雷电流幅值和陡度均大于负地闪。

表1 雷电流幅值及陡度统计表

2.2.2 概率分布特征

从表2可见，总闪雷电流陡度超过20.9 kA·μs-1的概率为5%，超过9.2 kA·μs-1的概率为50%，超过6.1 kA·μs-1的概率为80%，这一结果与王学良等[17]的统计结果基本一致。总地闪雷电流幅值超过83.9 kA的概率为5%，超过32.6 kA的概率为50%，超过21.8 kA的概率为80%。

表2 不同雷电流幅值及陡度累积概率

由图6a和图6b可知，以1 kA的间隔统计电流幅值及陡度的概率密度分布，幅值及陡度均显现出明显的集聚效应。总地闪电流幅值主要集中在10—50 kA，占总数的80%，其中20—40 kA占54%，概率峰值出现在28 kA，占比为3%；陡度主要集中在5—20 kA·μs-1，占总数的91%，其中5—15 kA·μs-1占80%，陡度概率峰值出现在8 kA·μs-1，占比为10%。负地闪电流幅值、陡度概率密度分布曲线与总地闪曲线基本重合。正地闪电流幅值概率密度分布曲线变化更平缓，主要集中在15—85 kA，占总数的80%，概率密度峰值出现在29 kA；正地闪陡度主要集中在2—15 kA·μs-1，占总数的80%，概率密度峰值出现在6 kA·μs-1，占比为9%。

利用最小二乘法计算未知参数，得到重庆市总闪电流幅值的累积概率分布函数为

(3)

重庆市总闪陡度的累积概率分布函数为

(4)

本文拟合得到的雷电流幅值及陡度累积概率分布函数与李家启[15]等利用1999—2008年LLS资料拟合的结果有差异，这种差异可能是由于资料年限不同造成的。

由图6c和图6d给出了总闪雷电流幅值、陡度的拟合函数与观测值的对比结果可见，观测值及拟合值差异较小，观测值和拟合值的相关系数分别为0.9997及0.9998，均超过0.999，说明拟合效果较好。

图6 雷电流幅值(a)及陡度(b)概率密度分布和雷电流幅值(c)及陡度(d)概率分布拟合

3 结论

(1)重庆平均每年发生地闪2.08×105次，地闪频次年际变化大，最多年(2018年)发生地闪3.04×105次，最少年(2015年)发生地闪1.27×105次，最多年是最少年的2.39倍；负极性的地闪比例较高，约为总数的95.7%，正极性的地闪仅占4.3%。

(2) 地闪主要发生在4—9月，占全年的94%，其中7—8月为高发期，占全年的57.9%。日变化呈双峰型，负地闪在夜间03 时及下午17 时到达峰值，正地闪日变化峰值出现时间比负地闪要晚1—2 h，且午后的峰值远小于夜间。

(3)地闪密度与地形关系密切，高值区主要位于山脉的交汇处及渝西的台地—丘陵向山地的过渡地带。江津—渝北中心位于中梁山、南山之间，华蓥山、龙王洞山、铜锣山以南，并沿铜锣山与南山之间的缺口向东延伸；开州—万州中心位于大巴山与铁峰山、精华山等平行山列的交汇地带；忠县—石柱中心位于挖断山和方斗山的交汇地带；大足—荣昌中心位于台地—丘陵向山地的过渡地带。

(4)总地闪雷电流幅值平均值为37.9 kA，陡度平均值为10.1 kA·μs-1；正地闪雷电流幅值平均值为55.8 kA，陡度平均值为11.7 kA·μs-1；负地闪雷电流幅值平均值为37.1 kA，陡度平均值为10.0 kA·μs-1；正地闪幅值及陡度的均值都大于负地闪。

(5)总闪雷电流幅值主要集中在10—50 kA，峰值出现在28 kA，其中超过83.9 kA的概率为5%，超过32.6 kA的概率为50%；陡度主要集中在5—20 kA·μs-1，峰值出现在8 kA·μs-1，其中超过20.9 kA·μs-1的概率为5%，超过9.2 kA·μs-1的概率为50%。

(6)利用最小二乘法回归拟合得到总地闪幅值及陡度的累积概率分布函数，观测值和拟合值基本一致，二者相关系数均超过0.999，拟合效果较好。