基于兩種觀測資料的雁江區(qū)閃電活動規(guī)律分析

左迎芝，孫 健，韓 通，馬家蒙，楊仲江

(1.山東省日照市氣象局，山東 日照 276800；2.山東省日照市莒縣氣象局，山東 莒縣 276800；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

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基于兩種觀測資料的雁江區(qū)閃電活動規(guī)律分析

左迎芝1，孫 健2，韓 通1，馬家蒙1，楊仲江3

(1.山東省日照市氣象局，山東 日照 276800；2.山東省日照市莒縣氣象局，山東 莒縣 276800；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

摘要：針對雁江區(qū)的雷電活動規(guī)律研究較少問題，利用雷暴日資料以及閃電定位資料，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法對雁江區(qū)雷電活動規(guī)律進行分析。結(jié)果表明：雁江區(qū)年雷暴日呈現(xiàn)波動下降趨勢，且波動較為強烈，初雷日呈推遲趨勢，終雷日呈提前趨勢，雷暴持續(xù)期呈縮短趨勢，雷暴日呈現(xiàn)逐漸集中趨勢。年雷暴日在4～8 a、24～32 a尺度上存在明顯周期性震蕩。雁江區(qū)閃擊主要集中在夏季,以負閃電為主。日變化呈現(xiàn)單峰趨勢，半晚時分最頻繁，夜間呈現(xiàn)下降趨勢，在早晨閃電活動最弱。此外，負閃擊主要分布在21～40 kA，雷電流強度超過100 kA的閃電出現(xiàn)的概率較小。

關(guān)鍵詞：年雷暴日；氣候傾向率；小波分析；閃電日變化；閃電定位系統(tǒng)；雷電流強度

閃電是雷暴云能量釋放過程中的強放電過程，具有較高電壓，較強電流等特點[1-4]。在電網(wǎng)故障分析中表明，閃電直接擊中輸變電線路及其產(chǎn)生雷電電磁脈沖是造成電網(wǎng)系統(tǒng)中輸變電線路跳閘的主要原因。目前我國社會經(jīng)濟正處于加速發(fā)展階段，各地對于電力的需求加速了電網(wǎng)的擴張，超高壓線路、高桿塔、多回傳輸線路的增多，使輸變電線路遭受雷擊的事件呈明顯上升趨勢。因此，對各地區(qū)進行相關(guān)的雷電活動規(guī)律研究對于有效開展雷電防護工作顯得至關(guān)重要[5-9]。

在20世紀美國進行了雷電定位系統(tǒng)的研究，并迅速在全國進行了站點布置。同樣我國在20世紀90年代也開始了大量雷電定位系統(tǒng)的站點布置工作，用于監(jiān)測閃電發(fā)生的位置、極性、雷電流強度、陡度等雷電參數(shù)，為相關(guān)部門的雷電防護工作打好基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外學(xué)者利用閃電定位資料已經(jīng)進行了很多有關(guān)雷電活動規(guī)律的研究。王欣眉等[10]利用閃電定位資料統(tǒng)計分析了青島雷暴的時空分布規(guī)律。高燚等[11]通過分析海南市縣雷暴資料，計算出平均雷暴日數(shù)。程向陽等[12]根據(jù)雷暴日資料，對安徽雷暴的時空變化規(guī)律進行了研究，并對其成因進行了分析。鐘穎穎等[13]對比分析2006～2008年4～8月江蘇省閃電定位數(shù)據(jù)和地面觀測站雷暴數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性。王維佳[14]通過閃電定位資料對四川盆地西部閃電活動特征進行了分析。

雖然學(xué)者們利用雷暴日資料和閃電資料對全國很多地區(qū)進行了雷電活動規(guī)律研究，但是雷電活動規(guī)律具有很明顯的地域特點，而針對四川省資陽市雁江區(qū)的雷電活動規(guī)律的研究十分稀少。因此筆者擬利用雁江區(qū)1957～2010年雷暴日資料和2005～2012年閃電定位資料對雁江區(qū)雷電活動規(guī)律進行了研究，從而為該地區(qū)雷電監(jiān)測預(yù)警、雷電防護工作提供可靠的資料。

1資料來源及方法

1.1資料來源

雁江區(qū)雷暴日資料為雁江區(qū)氣象局人工觀測雷暴日統(tǒng)計資料。閃電定位資料為通過四川省閃電定位站點監(jiān)測到的閃電資料。其中，雷暴日資料年份選取范圍為1957～2010年，閃電定位資料年份選取范圍為2005～2014年。

1.2方法

氣候傾向率為分析氣象要素變化趨勢的一種統(tǒng)計方法，即通過最小二乘法擬合線性趨勢；從而分析氣象要素的變化趨勢，其計算公式如下：

y=a+bx

其中b為氣候傾向率，y表示雷暴日天數(shù)，x表示雷暴日天數(shù)對應(yīng)的年份。

氣候傾向率b反映氣象要素變化趨勢傾向。當b>0時，氣象要素隨年份的增長呈現(xiàn)上升趨勢；當b<0時，則反之。b值的大小反映了氣象要素變化的速率[12]。

小波變換方法是20世紀70年代出現(xiàn)的一種時頻分析方法，既可以了解時間序列不同時間的頻率特征，又可以分析不同頻率的時間分布特征[10]。

小波變換的定義[10]是把基本小波的函數(shù)φ(t)做位移τ后，再在不同尺度a下與待分析的信號x(t)做內(nèi)積：

等效的頻域表示如下：

其中X(ω)和ψ(ω)分別是x(t)和φ(t)的傅里葉變換。

2基于雷暴日資料的雁江區(qū)雷電活動規(guī)律的

分析

2.1雷暴日年際變化特征

根據(jù)雁江區(qū)1957～2010年年雷暴日統(tǒng)計資料，利用氣候傾向率方法對雁江區(qū)年雷暴日年際變化趨勢進行研究。從圖1可以看出，運用最小二乘法擬合的雁江區(qū)年雷暴日變化趨勢擬合方程如下：

y=-0.3314x+690.4219

其中x為年份，y為雁江區(qū)年雷暴日數(shù)。

通過圖1可以看出，雁江區(qū)年雷暴日呈現(xiàn)減少趨勢。自1957年開始，年雷暴日隨年份的增加呈明顯減少趨勢，每10年減少約3 d。此外，雁江區(qū)年雷暴日年際變化幅度較大，在1957～2010年，年雷暴日最大值達到57 d(1975年)，年雷暴日最小值達到20 d(2003年)，兩者相差接近3倍，說明雁江區(qū)年雷暴日整體呈現(xiàn)波動減少趨勢，且具有較大的波動幅度。同時，近54 a雁江區(qū)平均年雷暴日為33.14 d/a，屬于多雷區(qū)[11]。雁江區(qū)境內(nèi)有一江七河十八溪留灌全境，老鷹湖、鯉魚湖等人工湖泊更是星羅棋布，豐富的水資源為雷暴云的產(chǎn)生提供了條件，從而促進了雷暴的產(chǎn)生。

圖1　年雷暴日年變化趨勢

2.2初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期的變化特征

根據(jù)雁江區(qū)歷年初雷日和終雷日的統(tǒng)計情況，分別計算出每年初雷日、終雷日距當年1月1日的天數(shù)以及各年雷暴持續(xù)期的天數(shù)，進而繪制出歷年初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期變化趨勢圖(圖2)。其中，1、3、5、7、8、10、12月均取31 d，4、6、9、11月均取30 d，2月取28 d(平年)或29 d(閏年)。

從初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期變化趨勢中可以看出，初雷日變化趨勢擬合方程斜率為0.026 d/a，即雁江區(qū)初雷日呈現(xiàn)推遲趨勢。終雷日變化趨勢擬合方程斜率為-0.052 d/a，即雁江區(qū)終雷日呈現(xiàn)提前趨勢；此外，雷暴持續(xù)期的擬合方程斜率為-0.079 d/a。綜上所述，雁江區(qū)雷暴日呈現(xiàn)縮短趨勢，未來雷暴日分布將更加集中，需要提前做好雷電防護工作。

2.3小波周期分析

小波變換方法可以較好地了解時間序列不同時間的頻率特征，同時又可分析不同頻率的時間分布特征。筆者利用小波分析方法，對雁江區(qū)年雷暴日時間序列進行了周期分析。由于年雷暴日選取了一定的時間段內(nèi)雷暴日數(shù)進行分析，小波分析時在邊界區(qū)域會出現(xiàn)邊界效應(yīng)。因此，筆者為消除數(shù)據(jù)的邊界效應(yīng)，利用Matlab軟件對年雷暴日時間序列進行了延拓，從而消除時間序列在進行小波分析時出現(xiàn)的邊界效應(yīng)[15]。

圖2　初雷日、終雷日及雷暴持續(xù)期變化趨勢

利用Matlab軟件對處理后的時間序列進行計算，求出其復(fù)小波系數(shù)，再進一步提取小波系數(shù)的實部，最后根據(jù)小波系數(shù)的實部值，利用Surfer8.0軟件中的Kriging插值方法，繪制出雁江區(qū)雷暴日數(shù)小波周期分析圖(圖3)。其中，實線部分為正值，虛線部分為負值。由此可知，雁江區(qū)近54 a間雷暴日高、低值中心主要集中在5～7 a的時間尺度上，而在4～8 a、24～32 a的時間尺度上存有明顯的周期震蕩，即其年雷暴日在4～8 a、24～32 a呈現(xiàn)出周期震蕩現(xiàn)象，在時間尺度24～32 a上，近54 a來呈現(xiàn)出明顯的由多到少的3次循環(huán)交替，具有全域性。

圖3　雷暴日小波分析變換圖

3基于閃電定位資料的雁江區(qū)雷電活動規(guī)律的分析

3.1閃擊次數(shù)時空分布規(guī)律

雷暴日[16]定義一天內(nèi)至少一次閃電發(fā)生，即為一個雷暴日。而忽略了閃電發(fā)生的頻次以及持續(xù)時間。因此僅僅利用雷暴日對地區(qū)閃電活動規(guī)律進行研究具有很大的局限性。相比于利用雷暴日來進行閃電活動規(guī)律研究，閃擊次數(shù)能夠有效地反映雷電的活動情況，因此，筆者利用閃擊次數(shù)對雷暴時空分布特征進行分析。

筆者根據(jù)雁江區(qū)2005～2014年閃電資料進行按月統(tǒng)計分析，得到雁江區(qū)閃擊次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(圖4和表1)。從表1和圖4可知，2005～2014年雁江區(qū)閃擊次數(shù)從4月開始逐月增加，7、8月閃擊發(fā)生頻繁，且7月閃擊次數(shù)達到峰值，自9月后閃擊次數(shù)明顯減少，其中6、7、8月共發(fā)生閃擊45209次，約占總閃擊次數(shù)的76.2%。

從雷暴的季節(jié)特征看，夏季雷暴日最多，秋季次之，冬季雷暴日最少。秋季10、11月，冬季12、1、2月的雷暴活動較少，以及春天的3月閃電也較少，4月閃電開始增多，5月份閃電迅速增加，在7月最多，9月閃電迅速減少，11、12、1、2、3月雷暴出現(xiàn)的幾率很低。此外，對比各年正、負閃擊出現(xiàn)次數(shù)可知，雁江區(qū)負閃擊次數(shù)明顯多于正閃擊次數(shù)的現(xiàn)象，由此可知，雁江區(qū)各月均以負地閃為主。

圖4　閃擊次數(shù)月分布趨勢表1　雁江區(qū)閃擊次數(shù)統(tǒng)計

月份正閃次數(shù)負閃次數(shù)總閃次數(shù)1101200033202344892497251313518364967632773353741719723201408445212712171691899256944510628341113412000

3.2閃電日變化分布規(guī)律

為分析閃電日分布規(guī)律，筆者利用閃電定位資料進行了統(tǒng)計。從圖5可知，雁江區(qū)閃電頻數(shù)的日變化圖，整體呈現(xiàn)單峰值趨勢。閃電活動的高峰期為14：00～22：00，其中在13：00和20：00為2個主峰值時刻，20：00的閃電比例較13：00的閃電比例更高。閃電發(fā)生的低頻時間段為2：00～12：00，谷值發(fā)生在6：00～9：00。因此對于雁江區(qū)閃電活動在一天中的變化規(guī)律可以總結(jié)為下午最頻繁，夜間呈現(xiàn)下降趨勢，在早晨閃電活動最弱。閃電在下午活動最頻繁是由于下午太陽輻射最強，地面蒸發(fā)較快，與上方空氣形成對流。因此閃電在下午發(fā)生最為頻繁。在太陽落山后，輻射銳減，氣流趨向于穩(wěn)定，因此閃電活動較少，在早晨達到了最低。

圖5　雁江區(qū)閃電頻數(shù)日變化

3.3雷電流強度的概率分布

雷電流強度概率[17]分布是極其重要的雷電參數(shù)，是雷電活動規(guī)律的重要反映指標，防雷工程設(shè)計施工中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為更加詳細地了解雁江區(qū)雷電流強度分布情況，筆者對雁江區(qū)雷電流強度進行了概率統(tǒng)計分析。

從表1、圖4可知，雁江區(qū)負閃擊遠遠多于正閃擊，因此，筆者在進行雷電流概率統(tǒng)計中僅對負閃擊進行統(tǒng)計分析，如圖6所示。雁江區(qū)負極性閃電雷電流強度幅值主要集中在21～40 kA，概率為58.79%；雷電流強度幅值分布在11～20 kA和41～100 kA的概率相近，為20%左右。由此可知，雁江區(qū)負閃擊以21～40 kA雷擊為主，雷電流強度超過100 kA的閃電出現(xiàn)的概率較小。因此在雁江區(qū)進行防雷工作時，需要重點考慮100 kA以下雷電流強度的閃擊。

4結(jié)論

根據(jù)四川省雁江區(qū)1957～2010年年雷暴日資料以及2005～2014年閃電定位資料，對雁江區(qū)雷電活動規(guī)律進行分析，得到以下結(jié)論：

(1)雁江區(qū)年雷暴日整體呈現(xiàn)波動減少趨勢，且具有較大的波動幅度。同時，近54 a雁江區(qū)平均年雷暴日為33.14 d/a，屬于多雷區(qū)。這與雁江區(qū)具有豐富的水資源有一定關(guān)系，雁江區(qū)豐富的水資源為雷暴云的產(chǎn)生提供了條件，從而促進了雷暴產(chǎn)生。此外，雁江區(qū)雷暴日呈現(xiàn)縮短趨勢，未來雷暴日分布將更加集中，需要提前做好雷電防護工作。

圖6　雁江區(qū)負極性閃電雷電強度概率分布

(2)雁江區(qū)近54 a期間雷暴日高、低值中心主要集中在5～7 a的時間尺度上，而在4～8 a、24～32 a的時間尺度上，存有明顯的周期震蕩，即其年雷暴日在4～8 a、24～32 a呈現(xiàn)出周期震蕩現(xiàn)象，在時間尺度24～32 a上，近54 a來呈現(xiàn)出明顯由多到少的3次循環(huán)交替，具有全域性。

(3)從雷暴的季節(jié)特征看，雁江區(qū)夏季雷暴日最多，秋季次之，冬季雷暴日最少。秋季10、11月，冬季12、1、2月的雷暴活動較少以及春天的3月閃電均較少，4月閃電開始增多，5月份閃電迅速增加，在7月最多，9月閃電迅速減少，11、12、1、2、3月雷暴出現(xiàn)的幾率很低。此外，對比各年正、負閃擊出現(xiàn)次數(shù)可知，雁江區(qū)負閃擊次數(shù)明顯多于正閃擊次數(shù)的現(xiàn)象，故可知雁江區(qū)各月均以負地閃為主。

(4)雁江區(qū)閃電活動呈現(xiàn)單峰趨勢，一天中傍晚時分最頻繁，夜間呈現(xiàn)下降趨勢，在早晨閃電活動最弱。閃電在下午活動最頻繁是由于下午太陽輻射最強，地面蒸發(fā)較快，與上方空氣形成對流。因此閃電在下午發(fā)生最為頻繁。在太陽落山后，輻射銳減，氣流趨向于穩(wěn)定，因此閃電活動較少，在早晨達到了最低。

(5)雁江區(qū)負閃擊雷電流強度以21～40 kA為主，雷電流強度超過100 kA的閃電出現(xiàn)的概率較小。因此在雁江區(qū)進行防雷工作時，需要重點考慮100 kA以下的雷電流強度的閃擊。

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(責任編輯：曾小軍)

收稿日期：2015-12-23

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB441405)；國家自然科學(xué)基金項目(41175003)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)；山東省日照市氣象局氣象科技研究項目(2013rzqx13)。

作者簡介：左迎芝(1971─)，女，山東臨沂人，研究方向：大氣電學(xué)。

中圖分類號：P427.32

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)07-0116-05

Law Analysis of Lightning Activity in Yanjiang District Based on Two Kinds of Observational Data

ZUO Ying-zhi1, SUN Jian2, HAN Tong1, MA Jia-meng1, YANG Zhong-jiang3

(1. Meteorological Bureau of Rizhao City in Shandong Province, Rizhao 276800, China; 2. Meteorological Bureau of Juxian County in Shandong Province, Juxian 276800, China; 3. School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract：Aiming at less studies on the law of lightning activities in Yanjiang district, we used the data of thunderstorm day and lightning location system to analyze the law of lightning activities in Yanjiang district by using mathematical statistical method. The results showed that: in Yanjiang district, the number of annual thunderstorm day fluctuated downward and strongly; the date of the earliest thunderstorm day revealed a delaying trend, and the date of the final thunderstorm day revealed an ahead trend, namely the thunderstorm duration was shortened and the thunderstorm days were concentrated; the oscillation of annual thunderstorm day number had obvious periods in the scales of 4～8 a and 24～32 a. The lightnings in Yanjiang were mainly concentrated in summer, and they were mainly negative lightning; the daily lightning activity showed a single-peak trend, and it was frequent at owl-light, moderate at night, and weak in the morning. In addition, the negative lightning was mainly distributed in 21～40 kA, and the occurrence probability of lightnings with the current intensity of more than 100 kA was small.

Key words：Thunderstorm days every year; Climatic tendency; Wavelet analysis; Daily lightning change; Lightning location system; Lightning current intensity