基于闪电定位仪资料的甘南州闪电时空分布特征研究

王祥文，周 昱，张艳荣，金满慧

甘南藏族自治州气象局，甘肃合作 747000

雷电是发生在自然大气中的瞬间放电现象，并同时伴有声、光的出现。当雷暴云中部分区域积累了足够强的正（负）电荷，使得空间或地面某处的电场强度达到了击穿大气的值，则产生雷击[1]。雷电灾害泛指雷击或雷电电磁脉冲入侵和影响造成人员伤亡或物体受损，其部分或全部功能丧失，造成较大的社会和经济损失[2]。随着快速发展的社会经济和不断提高的民众生活水平，雷电灾害对整个社会造成越来越严重的影响[3]。近年来，国内有大量从事雷电防护或气象灾害防御的学者利用闪电定位仪资料对雷电进行了大量的研究。王慧等[4]利用湖北省2015—2016年VLF/LF三维闪电监测定位系统的探测资料,分析了湖北省闪电的总闪、云闪和地闪的日变化、月变化和密度变化特征。任照环等[5]利用闪电定位仪数据进行重庆市雷电灾害风险等级划分。此外，国内研究者对湖南省、海南省、四川省、青海省、辽宁省、贵州省等地区的雷电活动时空特征也进行了大量的研究[6-11]。

甘南藏族自治州（以下简称甘南州）位于中国甘肃省西南部，地处青藏高原东北边缘与黄土高原西部过渡地段，境内山峦重叠，沟谷纵横，地形错综复杂，造成雷电的时空分布存在一定的差异。

本研究利用2012—2021年闪电定位仪资料，分析了甘南州境内所发生的雷电活动的时空分布特征，进而探索有效的、针对性强的甘南州雷电灾害防御对策，同时为雷击风险评估、雷电防护工程设计、工程项目选址等提供参考。

1 数据来源与方法

本研究所用闪电定位仪资料来源于甘肃省气象信息与技术装备保障中心，由中国气象局下发。甘南州合作市自2012年10月进行闪电定位仪观测收集工作，所用资料年限仅为2012年10月—2021年10月，共计9年。

时间分布分析：对9年的闪电定位仪资料分别进行了逐年、逐月、逐时统计（即00:00～01:00，01:00～02:00等24个时次），统计了每年、每月、每小时的闪电总频次、正闪频次、负闪频次，以及电流强度等数据。

空间分布分析：制作基础底图，选择覆盖甘南州地区的33.10°N～36.16°N，100.76°E～104.73°E，按 照0.1°×0.1°的格距将甘南州地区分成1 092个正方形网格，综合甘南州的矢量地图生成甘南州的栅格地图，通过统计各正方形内共发生的闪电次数（即闪电密度)、总闪最大电流强度、正闪和负闪最大电流强度，并采用ArcGIS软件进行相应图形的绘制，从而实现了闪电数据与地理信息的叠加与实践应用，为掌握甘南州闪电活动空间规律和演变特征提供了理论。

2 甘南州闪电的时间分布特征

2012年10月—2021年10月，甘南州共计发生闪电39 948次，闪电活动最早开始日期为2月12日，最迟结束时间为11月19日。最大正闪电流强度为409.906 3 kA，最大负闪电流强度为-949.513 9 kA。

2.1 闪电频次的年变化特征

由统计资料可知，2012年10月—2021年10月年均闪电频次为4 439次，2019年闪电活动最频繁，共计8 708次，2014年闪电活动最不活跃，仅有1 315次。最多年份是最少年份的6.6倍，说明闪电频次年变化显著。

2013年正闪占比最高，为42.77%；2018年负闪占比最高，为85.51%。在39 948次闪电中，正闪为970次，占总闪的21.85%；负闪为3 469次，占总闪的78.15%；负闪次数远远高于正闪次数，负闪次数是正闪次数的3.58倍，即每发生3.58次负闪才有1次正闪发生，其主要原因与雷暴云的结构有关，雷暴云一般呈上正下负的电荷结构，当其产生对地放电时，位于下部的负电荷离地面比较近，更容易对地放电[11]。

2.2 闪电频次的月变化特征

通过统计分析可知，正闪、负闪和总闪的频次月变化均呈单峰型态势，l月和12月为无闪电月，2—3月开始出现闪电，4—7月闪电逐渐增多，8月出现一个闪电频数的明显跃增并达到峰值，为12 522次，占总闪电频次的31.35%；9月开始大幅度减少，闪电频次为6 131次，占总闪电频次的15.35%；10月闪电活动持续减少，11月闪电发生次数极少。

针对在建设工程项目管理工作中存在的问题，企业应实行定员定岗的岗位工作责任制。将企业控制成本的工作责任落实到涉及工程建设项目的每一个人身上。例如：负责合同拟定和管理的部门要与业主和各级部门做好合同内容的沟通工作，明确合同各条款内容。对存在争议的部分要及时作出有效的沟通。施工内容或者材料价格变更时要及时与业主沟通，划分好责任。施工人员对施工工艺和施工设备进行统一的管理，确保施工工作正常有序的进行。这样将责任细化分配给各个岗位的工作者，不仅可以增加施工工程的工作效率，也可以有效的将责任与成本结合起来，达到控制成本的目的。

闪电活动主要集中在4—10月，即汛期，该时期处于春夏之交直至深秋，受降水、气温、日照等多方面气象要素影响，导致该时期闪电活动频发，该时段累计闪电频次达39 752次，占总闪电频次的99.50%，其中负闪为31 089次，占该时段闪电总频次的78.21%。

2.3 闪电频次的日变化特征

由归纳分析可知，甘南州境内的闪电活动在各个时段均有发生，逐时日变化呈单峰型态势分布。闪电活动主要集中在13:00～24:00且以负闪为主，该时段共计发生闪电活动34 455次，约占全天的88.40%，其中负闪为27 444次，占该时段闪电总频次的79.65%；在18:00～19:00达到峰值，发生闪电活动5 076次，超过全天的10%；03:00～13:00是一天中闪电活动频率相对偏低的时段，而08:00～09:00是闪电活动发生频率最低的时段，仅有57次，闪电活动频率最高时段是最低时段的89倍。

13:00～24:00，受太阳辐射直接或间接的加热作用，导致大气层结构不稳定，从而容易形成对流天气，因此该时段是甘南州地区闪电相对集中发生期，也是雷电防御的关键时段。

2.4 闪电强度的年变化特征

通过统计、计算得知：2012—2021年甘南州闪电平均强度为53.694 6 kA，负闪平均强度为-47.125 1 kA，正闪平均强度为59.964 1 kA，正闪的强度比负闪强度高1.27 倍；最大正闪发生在2021年9月28日卓尼县，电流强度为409.906 3 kA；最大负闪发生在2019年7月28日迭部县，电流强度为-949.513 9 kA。

闪电活动以负闪为主，占总闪的78.15%，正闪占总闪的21.85%。39 948次闪电中电流强度小于50 kA 的闪电占70.16%，强度在50～100 kA的闪电占24.51%，强度在100～150 kA 的闪电占3.67%，强度大于150 kA 的闪电占1.66%。电流强度分布主要在0～50 kA范围内（表1）。

表1 2012—2021年闪电强度统计表

2.5 闪电强度的月变化特征

由资料统计分析可知，负闪最大值在7月达到峰值，强度为-949.5139 kA，4月、5月、6月、9月 的 强 度 范 围在-500 kA左右，2月、11月的强度明显小于-500 kA，负闪呈现准正态分布；正闪最大值除2月、3月、9月外，强度范围保持在350 kA左右；总闪最大值与负闪最大值变化趋势基本一致，呈准正态分布，在7月达到峰值。

2.6 闪电强度的日变化特征

通过统计分析2012—2021年甘南州闪电强度日变化可以得知：负闪强度最大值出现在2019年7月28日18:44:07，强度为-949.513 9 kA；正闪强度最大值出现在2021年9月28日07:34:55，强度为409.906 3 kA。

通过分析可知，总闪平均值、正闪平均值和负闪平均值的变化趋势基本一致，都是单峰型，最大峰值出现在10:00～11:00之间，总闪平均值为112.718 5 kA，正闪平均值为119.226 2kA，负闪平均值为-106.210 8 kA。出现该情况的可能是由于该时段闪电活动少，但是电流强度较强，最终导致该时段电流强度平均值高于其他时段。

3 甘南州闪电的空间分布特征

3.1 闪电频次的空间分布特征

根据甘南州闪电频次空间分布图可知，甘南州各地区的闪电频次不同，说明甘南州地区的闪电活动在空间分布存在地域差异，这是由于甘南州地形错综复杂造成的差异。闪电频次呈现南多北少、西多东少、西南地区闪电频次高于东北地区闪电频次的趋势。闪电活动高发区主要集中在玛曲县的西部和南部、碌曲县、夏河县南部、卓尼县西南部，这与相关地区的地形地貌、强辐射及对流性天气有关。合作市、临潭县、舟曲县及迭部县闪电活动相对较少。

3.2 闪电强度的空间分布特征

分析得知：负闪强度空间分布大体上与总闪强度空间分布一致。正闪强度空间分布与总闪强度空间分布不同，表现为高值小，且高值中心主要分布在总闪高值发生偏少的区域；闪电强度的高值区主要分布在玛曲县、碌曲县和夏河县，其他地区较为分散。闪电强度空间分布均呈现西高东低的特征，正闪平均电流强度为577.419 7 kA，负闪平均电流强度为-434.740 9 kA，正、负闪电流强度绝对值主要集中在0～100 kA。

图1 闪电频次空间分布图

图2 闪电强度空间分布图

4 结论

本研究基于2012—2021年甘南州闪电定位仪资料，采用数理统计和ArcGIS空间分析方法，分析了发生在甘南州的雷电次数、强度的时空分布特征，得到以下主要结论。

（1）从年变化来看，2012年10月—2021年10月甘南州地区共发生39 948次闪电，其中负闪31 220 次，占总闪的78.15%，正闪8 728次，占总闪的21.85%。正负闪次数比例为1:3.58，以负闪为主。

（2）从月分布来看，甘南州闪电频次月变化呈单峰型态势分布，闪电活动主要集中在4—10月，即汛期，该时段累计闪电频次达39 752次，占总闪电频次的99.50%，其中负闪为31 089次，占该时段闪电总频次的78.21%；在此期间，8月闪电活动最频繁。

（3）从日分布来看，甘南州地区的闪电总频次逐时日变化呈单峰型态势分布规律，闪电活动频率较高的时段主要集中在13:00～24:00，且以负闪为主，该时段是甘南州地区对流性雷电天气相对集中发生期，也是雷电防御的关键时段。

（4）从闪电强度来看，电流强度峰值分布主要在0～50 kA范围，占总数的70.16%；闪电年平均强度为53.694 6 kA，负闪年平均强度为-47.125 1 kA，正闪年平均强度为59.964 1 kA。正闪的强度比负闪强度高1.27 倍。

（5）从闪电密度空间分布来看，闪电频次呈现南多北少，西多东少、西南地区闪电频次高于东北地区闪电频次的趋势。闪电活动高发区主要集中在玛曲县的西部和南部、碌曲县、夏河县南部、卓尼县西南部。

（6）从闪电强度空间分布来看，闪电强度的高值区主要分布在玛曲县、碌曲县和夏河县，其他地区较为分散，整体呈现西高东低的分布特征，正、负闪电流强度绝对值主要集中在0～100 kA。