雷暴活動全閃電定位及空間演變過程分析

王紅斌 程 思 范偉男 蔡 力 王建國

雷暴活動全閃電定位及空間演變過程分析

王紅斌1程 思2范偉男1蔡 力2王建國2

（1. 廣州供電局有限公司電力試驗研究院 廣州 510080 2. 武漢大學電氣與自動化學院 武漢 430072）

該文基于全閃電定位系統，采用網格空間時間密度法對廣州地區夏季一次雷暴活動的空間演變過程進行全閃電定位和空間演變過程分析，得到雷暴在不同時刻的擴散面積、主放電中心的坐標、移動速度、移動方向，并畫出了地域演變圖像。該雷暴為一次過境雷暴，雷暴起始時沿東北方向以平均67km/h的速度移動，移動過程中全閃電平均影響范圍達258.5km2，雷暴活動一段時間后，在廣州南部發現另一處雷暴向北方移動，兩處雷暴匯合后又分開向東邊移動，后一處雷暴平均速度為14.72km/h，行進中全閃電平均影響范圍達221.2km2。

雷暴 閃電定位系統 空間演變 全閃電

0 引言

電網故障統計表明，超高壓交流輸電線路中雷擊引起的跳閘占40%～70%，對雷電活動的發展過程的研究和合理的線路防雷保護是特高壓直流輸電線路安全運行的重要保障[1]。雷電活動與對流性天氣事件的發生密切相關，而對流性天氣的發生、發展有著很大的突發性。結合多種探測手段，對雷暴云進行監測，充分研究雷電活動的發展規律，可以對雷電活動特性進行深入了解，有效地提高雷電預警的質量和水平，減小雷電災害帶來的生命財產損失[2-3]。

閃電定位系統通過對閃電輻射的聲、光、電磁場信息的測量，確定閃電放電的位置和放電參數，地基閃電定位技術應用最為廣泛，低頻段一般采用磁定向（Magnetic Direction Finding, MDF）、時差（Time of Arrival, TA）法以及磁定向和時間差聯合法實現定位，甚高頻段還有采用干涉儀定位法[4-6]。空基雷電定位系統往往基于云頂閃電光學輻射的時空特征及光譜特征，如光學瞬態探測器（Optical Transient Detector, OTD）、閃電成像傳感器（Lightning Imaging Sensor, LIS）、快速在軌瞬變事件記錄儀（Fast on- Orbit Recording of Transient, FORTE）等[7-10]。許多國家和地區部署了地基閃電定位系統，如美國的國家閃電監測網（National Lightning Detection Network, NLDN）和中國電網的地閃定位系統[11]。

全閃電包括云閃和地閃。云閃指云內或云間發生的閃電放電；地閃指對地發生的閃電放電。全閃電定位系統通常既能對地閃進行定位，也能對占閃電絕大多數的云閃進行定位。相對于地閃定位系統，全閃電定位系統定位結果能夠更好地用于雷暴活動的監測與預警。

本文基于全閃電定位系統，采用網格時間空間密度方法，分析了廣州地區一次夏季雷暴活動的地域演變過程，得到雷暴不同時刻的擴散面積、主放電中心坐標、移動速度和移動方向，畫出了地域演變圖像，有效地反映了雷暴的運動趨勢，為精細化雷暴活動預警提供了技術手段。

1 數據來源和分析方法

1.1 數據來源

廣州市四季雨量充足，夏季是閃電活動的頻發季節[12-13]。利用全閃電定位系統數據對廣州市夏季一次雷暴過程的地域演變進行分析。

全閃電三維定位系統采用超低頻/低頻（Very Low Frequency/ Low Frequency, VLF/LF）技術進行閃電探測，該探測網有9個子站，站點間的距離為20～40km，每個站點能夠探測的范圍為200km，站網探測覆蓋面積超過40 000km2，能有效覆蓋廣州地區雷電活動，各站點位置如圖1所示。

1.2 分析方法

對全閃電探測網探測到的全閃電數據進行處理，計算出雷暴發生發展過程中雷暴移動方向、雷暴移動速度、雷暴擴散面積等特征量，結合雷暴中心的移動方向，反映雷電活動空間演變過程。

從空間維度進行分析時，將經度[112.5°, 114.5°]、緯度[22°, 24°]劃分為200×200的網格，一個網格經緯度為0.01×0.01，將一段時間內的全閃電數據轉化成全閃電空間-時間密度（Space Time Density, STD）。通過八連通區域算法找到緊密相關的放電區域，即得到若干個閃電空間-時間鄰域（Space Time Neighborhood,STN），然后確定有效的空間-時間STN區域的個數。

圖1 閃電探測網9個子站點地域分布

為了減小分散的閃電定位點對區域計算影響，對每個網格進行閃電密度的閾值min STD設置，規定閃電次數超過該閾值的網格被計入放電區域。設置擴散面積（Valid Area, VA）的閾值min VA，擴散面積超過該閾值的空間-時間鄰域STN被定為一個有效STN。

找到每一個有效的STN區域的邊界坐標，勾勒出各個STN區域的輪廓。把每一個網格內閃電的次數占該STN區域內總閃電次數的比例設為權重，對該STN區域內的網格坐標進行加權平均，得到雷暴的主放電中心坐標（Center, C）的經緯度坐標。

采用主放電中心坐標C和雷暴有效擴展面積VA，計算擴散面積等效VA對應的擴散半徑VA-，做出相應的全閃電和地閃地域演變圖，表現雷暴地域演變過程中雷暴移動路徑和移動過程中影響的地域范圍。分析涉及參數及定義見表1。

表1 雷暴表征參數及定義

Tab.1 Intermediate quantity of lightning intensity

2 閃電密度

2.1 閃電活動密度分布

對經度為[112.5°, 114.5°]、緯度為[22°, 24°] 的觀測區域進行不同時間尺度的網格劃分，按經緯度分為200份共200×200個網格，設定網格經度×緯度為0.01×0.01的小方格，統計每個小方格內的閃電次數，用不同顏色變化來表示網格內閃電次數多少。

對2014年8月19日12:30～17:30共5h的閃電數據進行地域演變的分析，將上述包含廣州市的指定地域范圍進行網格劃分，得到每個網格的閃電密度，觀察雷暴整體STD的分布情況，整體觀察該次雷暴活動的影響范圍。

圖2列出了該時間段內全閃電密度，網格顏色由淺到深代表了網格內閃電次數從0～20（或大于20）。可以看出，廣州地區中部區域和南部區域閃電密度較大，局部地區網格次數達到甚至超過20，北部閃電密度較小，只有少數地區閃電次數達到15。整個過程雷暴幾乎覆蓋整個廣州市，影響范圍大、持續時間較長、局部地區雷暴強度強。

圖2 全閃電密度分布

2.2 閃電密度時段分布

將時間尺度降至到1h，圖3為每小時的閃電密度分布。由圖3a中看到，雷暴在13:00～14:00時間段在廣州西南部，1h后移動至廣州中部，到15:00雷暴開始往東北部移動，并逐漸消散，如圖3c所示，1h后閃電密度降低，雷暴開始進入消亡階段。整個過程中，局部地區閃電密度大，雷暴移動方向明顯。

3 雷暴活動地域演變過程

3.1 全閃電密度圖過程分析

將時間尺度降低至12min，把不同時間段內雷暴活動情況進行對比，得到雷暴活動的地域演變大致過程如圖4所示。

由圖4a、圖4b看可以看出，在12:36～12:48時間段內，廣州西南方（佛山地區）已有一定數量的閃電聚集，形成了兩個空間-時間區域STN。隨著時間的推移，在13:12～13:24時間段，觀察圖4c發現，閃電聚集區不斷變大并且向東北方向移動。48min后，雷暴繼續向東北移動。

由圖4d、圖4e發現，在14:00～14:12和14:48～15:00時間段，雷暴開始進入廣州地區，移動至廣州中部地區停留了一段時間，隨后雷暴向北部移動至廣州最北邊后逐漸消散，如圖4f～圖4h所示。

對整個過境雷暴觀察發現，該過境雷暴有3個起始點。從12:36～12:48時間段開始，圖4a中可明顯看出，在（112.74°, 22.64°）和（112.66°, 22.8°）兩處有一大一小兩個閃電聚集區，擴散面積（VA）分別為73km2和36km2。以此為起始點，雷暴沿兩條路徑發展。到13:24～13:36時間段，兩個雷暴聚集到一起，并在后續過程中一起移動，設路線為M，與此同時，坐標為（113.2°, 22.83°）處有一個新的雷暴生成，設路線為N，新雷暴擴散面積（VA）為78km2，且朝向M發展，在14:24時M和N交匯于點（113.59°, 23.195°），此時雷暴擴散面積（VA）達到最大，為503km2。此后，N與M分離，兩者各自朝向新的方向移動。雷暴N于15:00開始消亡，而雷暴M則持續時間較長，于16:00開始消亡。

3.2 全閃電密度過程分析

為了更加清晰地展現出雷暴發展過程，分別將整個雷暴過程中的兩條線路的空間-時間鄰域（STN）的主放電中心C和雷暴擴散面積（VA）進行統計，得到表2所示結果，主放電中心的坐標表示為（C-lon，C-lat）（C-lon、C-lat為經度、緯度坐標），擴散半徑為VA-。

表2 雷暴M路線

Tab.2 Route of thunderstorm M

表2列出了12:36～13:12時間段內每6min雷暴M兩個不同起點的雷暴主放電中心坐標及擴散面積，在13:24左右，兩個雷暴合并成雷暴M。

表3列出了雷暴合并后，雷暴M主放電中心C走向和擴散面積（VA），可以看出，最大擴散面積為503km2，擴散面積圓的半徑為12.65km。雷暴M擴散面積（VA）的平均值為258.5km2，擴散半徑為9.07km，相比3.1節中本地雷暴平均擴散面積49.1km2，擴散半徑3.865km，該過境雷暴的強度比本地雷暴要大得多。

表3 雷暴匯合路線

Tab.3 Convergence route of thunderstorm

表4列出了該雷暴路線N的主放電中心C、擴散面積（VA）及擴散半徑VA-。可以看出，雷暴N在13:12開始出現，起初雷暴強度不大，擴散面積為78km2，隨著雷暴N向北移動，VA也逐漸變大，與雷暴M重合之前最大擴散面積為219km2。到14:24時與雷暴M重合，此時整個過境雷暴擴散面積達到最大。隨后向廣州東部移動，雷暴擴散面積逐漸減小，整個過程持續時間比雷暴M短，在約15:00后消亡。

由主放電中心坐標以及其在地圖上對應的實際距離，經過一系列計算，得出雷暴的移動速度和主放電中心C的移動方向。表5和表6記錄了雷暴M的移動速度和每隔12min移動的距離及方向。可以看出，雷暴M1移動的速度比M2快，兩者合并后，在14:12～14:24時間段內速度達到最大，為125.06km/h，雷暴M的平均速度為67.81km/h。相比之下，雷暴N的移動速度較為緩慢，最快僅為28.86km/h，平均速度為14.72km/h。

表4 雷暴N路線

Tab.4 Route of thunderstorm N

表5 雷暴M1、M2表征量

Tab.5 Characterization parameter of thunderstorm M1 & M2

表6 雷暴M表征量

Tab.6 Characterization parameter of transit thunderstorms M

計算每12min內密度STN區域的主放電中心C的經緯度和對應的雷暴擴展擴散面積（VA），把主放電中心C位置當作雷暴中心，通過其位置改變來描述雷暴的運動趨勢，用雷暴擴展擴散半徑（VA-）變化大小表現雷暴影響范圍的變化，雷暴的地域演變過程就能直觀表現出來。圓圈區域大小等于實際相應的雷暴擴展擴散面積（VA）。

經過處理后，可直觀地看到雷暴地域演變過程中，雷暴中心的移動路線和整個移動過程中造成影響的地域范圍。該過境雷暴有三個起始點，其中雷暴M自12:36開始，有兩個起始點，于13:12～13:24時間段內重合，一起向廣州北部移動，如圖5a所示；雷暴N于13:12開始從廣州西南方向向北移動，其移動特征量見表7，在14:24時間段內與雷暴M重合，隨后向廣州東部移動，如圖5b所示。

表7 雷暴N表征量

Tab.7 Characterization Parameter of Thunderstorms N

4 結論

本文基于全閃電定位系統，通過網格時間空間密度法對廣州地區一次夏季雷暴活動的地域演變過程進行了分析，得到雷暴不同時刻的擴散面積、主放電中心坐標、移動速度、移動方向，畫出了地域演變圖像，有效地掌握了雷暴的運動趨勢，為精細化雷暴活動預警提供了技術手段，主要結論如下：

圖5 雷暴活動地域演變

1）本次雷暴為一過境雷暴，從廣州西南部向東北部運動，整個過程持續約5h。在整個過程中，廣州地區的中部區域和南部區域閃電密度較大，局部地區網格全閃電次數達到甚至超過20次。

2）在12:30～17:30期間，雷暴M朝著約東北方向以平均67km/h的速度移動，行進中全閃電平均影響范圍達258.5km2，雷暴M活動一段時間后，在廣州南部發現另一雷暴N，向著北方移動，與雷暴M在14:24匯合后又分開向東邊移動，雷暴N平均速度為14.72km/h，行進中全閃電平均影響范圍達221.2km2。

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Total Lightning Location of Thunderstorm Activities and Spatial Evolution Process Analysis

12122

（1. Lightning Protection Center of Guangdong Province Guangzhou 510080 China 2. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China）

Based on the total lightning location system, this paper analyzes the spatial evolution process of a summer thunderstorm activity in Guangzhou city in detail by the grid space time density method. The spreading area, the main discharge center, the moving speed and the moving direction at different periods of the thunderstorm are obtained. The image of regional evolution is drawn showing that the thunderstorm is a transit thunderstorm. The initial thunderstorm moved at an average speed of 67km/h toward the northeast. The spreading area of the total lightning during the movement reached 258.5km2. Another thunderstorm was found in southern Guangzhou moving northward after a period. After the two thunderstorms merged, they moved to the east separately. The average speed of the latter thunderstorm was 14.72km/h, and the spreading area during the movement reached 221.2km2.

Thunderstorm activity, lightning location system, spatial evolution, total lightning

TM863

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191505

廣州供電局有限公司科技資助項目（GZHKJXM20180021）。

2019-11-18

2020-04-12

王紅斌 男，1972年生，教授級高工，研究方向為電力設備狀態監測及故障診斷。E-mail: tinna2008@163.com

蔡 力 男，1987年生，博士，副教授，研究方向為雷電探測與雷電防護。E-mail: cail@whu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）