2010-2016年北京市雷電特征分析

傾鵬程，關(guān)育平

(1.中山市氣象局，中山 528400；2.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都 610225)

0 引言

雷電災(zāi)害被“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”認(rèn)為是極其嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]，其不僅會(huì)對(duì)生命造成危害，還對(duì)航天、航空、通信、電力、建筑等國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著很大的影響。中國(guó)氣象部門從20世紀(jì)80年代開始探索防雷減災(zāi)技術(shù)服務(wù)，如今防雷事業(yè)不斷發(fā)展壯大，已經(jīng)成為氣象事業(yè)的重要組成部分。

雷電災(zāi)害呈上升趨勢(shì)，每年都造成巨大損失，而雷電活動(dòng)規(guī)律是一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的基本氣候特征，在氣候變化研究方面有重要的科學(xué)意義，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)閃電進(jìn)行了研究[2-5]。

由于現(xiàn)代設(shè)備對(duì)雷擊的敏感性，雷擊對(duì)建筑、網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)、電氣設(shè)備、人員安全等造成的事故越來越多，損失也越來越大。研究不同時(shí)期雷電特征可以更好地做好雷電防護(hù)。

文章對(duì)北京2010—2016年的雷電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[6，7]，從時(shí)間和空間兩個(gè)維度，分析北京市閃電的活動(dòng)特征規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)的觀測(cè)及來源

文章選用中國(guó)氣象局南郊觀測(cè)基地閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)數(shù)據(jù)由中國(guó)華云氣象科技集團(tuán)公司研制的ADTD 雷擊探測(cè)儀采集，時(shí)鐘同步精度達(dá)0.1 μs，閃電探測(cè)效率為95%，定位精度為300 m。閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)從理論上講，其核心是通過幾個(gè)觀測(cè)站同時(shí)測(cè)量閃電回?fù)糨椛涞碾姶艌?chǎng)來確定閃電源的電流參數(shù)。Maxwell方程組和特殊路徑上的傳播影響，將兩者聯(lián)系起來。

文章選用數(shù)據(jù)庫(kù)中2010—2016年的全部閃電活動(dòng)信息，共計(jì)超過34萬次閃電數(shù)據(jù)。

2 閃電活動(dòng)特征分析

2.1 北京市雷電時(shí)間特征分析

2010—2016年，北京市2011年發(fā)生的閃電次數(shù)最多，為88，219次，2012年發(fā)生的閃電次數(shù)最少，為30，727次。發(fā)生的雷電主要為負(fù)閃，正閃相對(duì)很少。負(fù)閃發(fā)生次數(shù)為307，276次，占總閃電的90.12%，而正閃發(fā)生次數(shù)是33，676次，僅占總閃電數(shù)的9.88%。根據(jù)北京市2010—2016年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最強(qiáng)的正地閃強(qiáng)度為600.89 kA，最強(qiáng)的負(fù)地閃強(qiáng)度為814.81 kA。

閃電的回?fù)暨^程一直是雷電最重要的過程，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的回?fù)綦姶艌?chǎng)，發(fā)出強(qiáng)光和強(qiáng)電流。回?fù)暨^程釋放的大量電荷和通道中的巨大電流對(duì)各種微電子器件和建筑物造成嚴(yán)重威脅[8]。北京市首次回?fù)舴逯惦娏髦饕性?0～40 kA。負(fù)地閃首次回?fù)舴逯翟?0～40 kA，其中首次回?fù)?0 kA的負(fù)地閃占負(fù)地閃總數(shù)比率最大，約為40%，且隨峰值電流的增大而降低。正地閃首次回?fù)舴逯捣秶?0～50 kA，其中，首次回?fù)舴逯翟?0 kA的正地閃出現(xiàn)比例最大，約占正地閃總數(shù)25%。

2010—2016年北京夏季(6—8月)累計(jì)出現(xiàn)閃電284，236次，該時(shí)間段內(nèi)閃電活動(dòng)最為頻繁，占全年閃電總次數(shù)的83.5%，秋季(9—11月)次之，共出現(xiàn)閃電38，774次，占全年閃電總數(shù)的11.4%。而冬季(12月至次年2月)閃電次數(shù)最少，共出現(xiàn)閃電40次，大約占總數(shù)的0.01%。由此可見，閃電活動(dòng)出現(xiàn)最多的月份為6—8月，其中閃電活動(dòng)的峰值出現(xiàn)在6月，占全年的33.4%，而12月、1月與2月閃電活動(dòng)最少，不足1%。整體而言，各季節(jié)閃電變化表現(xiàn)出夏季>秋季>春季>冬季的特點(diǎn)。

通過分析，2010—2016年北京市閃電活動(dòng)表現(xiàn)出較明顯的日變化特征。地閃活動(dòng)在1 d內(nèi)的分布情況，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)代表之后1 h的地閃次數(shù)，可見正負(fù)地閃和總閃在時(shí)間分布上都有兩個(gè)峰值，分別是00：00和18：00，而主峰值時(shí)段在下午到傍晚時(shí)段，次峰值時(shí)段在夜晚到凌晨時(shí)段，上午則為閃電活動(dòng)低谷時(shí)段。造成這種特征規(guī)律的原因是北京市日落時(shí)間為18：00左右，上午隨著太陽高度角的逐漸升高，地面受到陽光的照射，溫度明顯上升，低層潮濕控制在熱力作用下極易產(chǎn)生熱對(duì)流，與此同時(shí)大氣不穩(wěn)定能量也顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)生雷暴的可能性也大大增加。

2.2 空間特征分析

雷電定位系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)包含時(shí)間、經(jīng)度、維度、強(qiáng)度及陡度等信息，文章通過Matlab軟件配合雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析閃電特征情況。首先將北京市劃分成5 km×5 km的網(wǎng)格，利用Matlab統(tǒng)計(jì)出每個(gè)網(wǎng)格里的正閃、負(fù)閃和總閃密度，再利用Arcgis軟件工具將閃電數(shù)據(jù)顯示出來，得到閃電密度[9]。

北京市閃電高發(fā)區(qū)域呈現(xiàn)出簇狀或片狀分布，其中以北京東部、北部山區(qū)地區(qū)閃電發(fā)生頻率最高，閃電密度位于4.0次/(km2·a)，主要包括密云區(qū)、延慶區(qū)等。另外，通州與大興交界位置處、懷柔與延慶交界位置處、房山中西部等地，區(qū)域湖泊、河流與山脈等交錯(cuò)分布，特殊的地貌地形為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件，使上述區(qū)域閃電發(fā)生頻率居高不下[10]。

3 結(jié)束語

文章從時(shí)間和空間兩個(gè)維度進(jìn)行分析，得出了北京2010—2016年雷電變化特征，主要結(jié)論如下：

1)2011年閃電發(fā)生次數(shù)最多，2012年次數(shù)最少。負(fù)地閃明顯多于正地閃，負(fù)地閃約占90.12%，而正地閃僅占9.88%。

2)負(fù)地閃首次回?fù)舴逯翟?0～40 kA，其中首次回?fù)?0 kA的負(fù)地閃占負(fù)地閃總數(shù)比率最大，約為40%，且隨峰值電流的增大而降低。正地閃首次回?fù)舴宸秶?0～50 kA，其中首次回?fù)舴逯翟?0 kA的正地閃出現(xiàn)比例最大，約占正地閃總數(shù)25%。

3)閃電活動(dòng)在夏季(6—8月)最為頻繁，占全年83.5%，其中6月和7月最為頻繁，在冬季(11—2月)次數(shù)最少。整體而言，閃電變化表現(xiàn)出夏季>秋季>春季>冬季的特點(diǎn)。

4)閃電活動(dòng)日變化呈現(xiàn)出典型雙峰單谷形式，在16：00—18：00出現(xiàn)主峰值，00：00至次日02：00出現(xiàn)次峰值，10：00—12：00出現(xiàn)低谷值。太陽高度角的逐漸升高、大氣不穩(wěn)定能量的增加是發(fā)生雷暴的主要原因。

5)北京市閃電高發(fā)區(qū)域呈現(xiàn)出簇狀或片狀分布，其中以北京東部、北部山區(qū)地區(qū)閃電發(fā)生頻率最高，閃電密度4.0 次/(km2·a)。東部和北部等地要注意雷電防護(hù)和災(zāi)害防御。