基于雷電流幅值分級的地閃時空特征研究

王 佩 宋 楠 鄒德培

（1. 郴州市氣象局，湖南 郴州 423000；2. 邵陽市氣象局，湖南 邵陽 422000）

0 引言

雷電是危及人民生命、財產安全的主要自然災害風險因素。在中國人民追求美好生活的背景下，中國各級政府都尤為關心自然災害風險因素對百姓生活的影響。據氣象部門不完全統計，湖南省近20 年共發生雷電災害事故2050 起，造成人員傷亡共555 人，直接經濟損失高達2.2 億元。

近年來，越來越多的學者針對雷電活動特征開展研究。如，賀秋艷、王學良、朱浩等人[1-3]分析了湖南、湖北、安徽等地的雷電活動特征，總結了雷電活動的年際變化、季節變化及空間分布等特征，但這些研究都是基于閃電發生的數量去開展研究，并沒有學者基于閃電的雷電流幅值來分析。雷電流幅值是閃電監測數據中體現雷電致災強弱的重要參數[4]，雷電流幅值的大小決定了閃電蘊含能力的大小，幅值越大，閃電具有的破壞能力也越大。閃電分為云內閃、云際閃、地閃三類，其中對人們生活、生產造成最直接、最嚴重影響的是地閃。為此，該文以邵陽市2016-2020 年地閃數據為基礎，運用描述性統計分析方法、中心點分析方法、核密度分析方法基于雷電流幅值分析了地閃的時空特征，旨在能為雷電災害風險防范提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

該研究采用湖南省閃電定位儀監測到的2016-2020 年邵陽市地閃數據，數據包括了地閃發生的時間、地閃發生的經緯度、雷電流幅值、地閃陡度、定位方式、發生地行政代碼等信息。

1.2 數據處理

1.2.1 雷電數據處理

為保證地閃數據的可靠性，需要對數據進行相關處理，該文采用IEEE工業組文件“IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines”（IEEE Std-1997）對回擊雷電流幅值定義為2kA～200kA 以及《雷電災害風險區劃技術指南》AX/T 405-2017 中“剔除雷電流幅值為0kA～2kA 和200kA以上的閃電定位系統資料”的數據處理方法，將2016-2020 年邵陽市地閃數據根據雷電流幅值將大于200kA 和小于2kA 的閃電剔除。經處理后統計，該文所使用的有效地閃數據樣本數量共有185724 條，其中每年的有效地閃數據如表2 所示。

1.2.2 雷電等級劃分

現有研究[5]常采用百分位數法來確定樣本的分級范圍，因此，該文利用百分位法，將地閃數據按雷電流幅值的大小分為三級。分級結果如表1 所示，一級強度地閃指雷電流幅值大于71.7kA 的地閃，二級強度地閃指雷電流幅值介于37.3kA～71.7kA 的地閃，三級強度地閃指雷電流幅值小于等于37.3kA 的地閃。地閃強度等級一級，表示該地閃的致災能力最強，二級致災能力次之，三級致災能力最弱。

表1 雷電流幅值等級劃分標準

1.3 研究方法

1.3.1 中心點

Scott 和Janikas 將中心性定義為數據集中到其他點的距離和最短的點。地閃事件的中心點就是對每個地閃事件能夠計算到其他地閃事件的歐幾里得距離之和，也稱為“重心”。對“重心”的分析可以更好地了解研究要素在空間上的流動性和聚集性。ArcGIS 中的空間分析模塊可以確定中心點的空間位置。

1.3.2 核密度估計

核密度估計（Kernel density estimation）是一種用于估計未知的密度函數，屬于非參數方法。核密度估計不會對數據樣本附加任何假定，而是從樣本本身的分布特征出發來進行分析，因此，它常用于對熱點區域的分析研究，如劉鉞等在城市火災風險評估的研究[6]、王穎志等在道路交通事故多發點鑒別方法的研究中都運用了核密度分析的方法。ArcGIS 中的核密度分析可用于計算要素在其周圍鄰域中的密度。

2 研究結果

2.1 描述性統計分析

邵陽市2016-2020 年地閃數據描述性統計結果見表2 和圖1。其中，年平均地閃數量為37145 條，三級地閃占60%，二級地閃占30%，一級地閃占10%，邵陽市一級強度地閃年平均3700 多條，若發生在防雷措施薄弱的建筑和人員居住密集區，易造成雷電災害；從圖1 中可以看到，年地閃數量、三級地閃數量、二級地閃數量在2018 年達到峰值，在2019 年和2020 年呈現遞減趨勢， 但一級地閃數量自2016—2020 年呈現明顯增長趨勢。

圖1 2016-2020 年邵陽市地閃事件發生數量

表2 2016-2020 年邵陽市地閃數據的描述性統計

2.2 中心點分析

利用ArcGIS 中的空間分析模塊，計算2016-2020 年五年的地閃空間“重心”位置（圖2）。圖2 顯示2016-2020年邵陽市地閃的年度地閃“重心”位置集中分布于邵陽市中部，2016 年-2020 年的“重心”分別在(111.05°E，27.07°N)、(110.93°E，27.06°N)、(111.10°E，27.07°N)、(110.91°E，26.99°N)和(111.06°E，27.05°N)，經向最大遷移距離為20.4km，緯向最大遷移距離為8.4km。表明邵陽市地閃的年“重心”位置未出現中心特征的大范圍轉移情況，不具有跨越時空的模式。因為“重心”位置是偏向于地閃發生的比較多的地方，近五年“重心”位置的聚集，說明邵陽市近五年地閃的分布變化較小，各區域地閃數量的占比穩定，雷電災害防御的區域“重心”不需要隨時間而改變。

圖2 年度地閃“重心”位置分布圖

圖3 所示為2016-2020 年邵陽市三種強度等級的“重心”位置圖，一級強度地閃“重心”為(110.81°E，26.97°N)、二級強度地閃“重心”為(110.89°E，27.0°N)、三級強度地閃“重心”為(111.13°E，27.15°N）。三級“重心”位置偏東北部，表明三級強度地閃在東北部分布得更密集；一級、二級“重心”位置在中部偏西北方向，表明一級、二級強度地閃在邵陽市的西北方向分布得更密集。三種等級的地閃具有各自的分布特征，各區域應根據地閃強度等級來制定相應的雷電災害防御等級。

圖3 各強度等級地閃“重心”位置分布圖

2.3 核密度分析

筆者對五年所有地閃、一級強度地閃、二級強度地閃、三級強度地閃的發生核心區域進行探索，使用ArcGIS 中的核密度分析工具，對地閃數據進行分析，以地閃發生數量密度圖的形式顯示出地閃發生的核心及邊緣區域。結果見圖4，從整體上來看，邵陽市地閃事件的核心區域主要分布在邵陽市的北部，包括邵東市、新邵縣中東部、洞口縣北部、隆回縣南部且邵東市地閃事件發生區域最集中。一級、二級強度地閃的高密集區較分散；三級強度地閃的高密集區則集中分布在邵陽市東北部區域。一級強度地閃事件發生最核心的區域是新邵縣北部、隆回縣中南部、城步縣西部、洞口縣南部、綏寧縣中部；二級強度地閃事件發生最核心的區域是邵東市中部和北部、新邵縣北部、隆回縣中南部、洞口縣中北部；三級強度地閃事件發生最核心的區域是邵東市西部和東南部。

圖4 2016-2020 年邵陽市地閃事件核密度分布圖1

圖4 2016-2020 年邵陽市地閃事件核密度分布圖2

3 結論

該文研究了邵陽市不同雷電流幅值的地閃時空特征，得到的結論如下：（1）地閃的年數量在近五年呈現出波動特征，在2018 年達到近期頂值后呈遞減的趨勢，但一級強度地閃的年數量與二級三級相反，近五年呈現遞增的趨勢。（2）中心點分析說明邵陽市近五年地閃的分布變化較小，各區域地閃數量的占比較穩定，雷電災害防御的區域“重心”不需要隨時間而改變。三種強度等級的地閃分布有差異，各區域的雷電災害防御措施應按等級制定。（3）核密度分析顯示了邵陽市地閃事件的密集區域，高密集區域表明該區域更容易發生地閃。三種強度等級地閃的高密集區域分布存在差異，一級、二級強度地閃的高密集區較分散；三級強度地閃的高密集區則集中分布在邵陽市東北部區域，針對高密集區域的雷電防御措施應分級制定。

該文基于雷電流幅值分級的地閃時空特征研究只選取了邵陽市的數據，下一步將選取湖南全省的閃電數據，并結合歷年的各地雷災數據進行分析，致力于將地閃時空特征與雷電災害區域劃分結合起來。