基于雷電監測定位系統的雷電危害強度等級區劃

賀 姍，鄭琦玉，余田野，張科杰

（湖北省防雷中心，武漢 430074）

雷電是對流性天氣伴隨的一種天氣現象，由于時空尺度小、突發性強，難以預報和預測，故當對其估計不足時，會造成較大危害。統計湖北省雷電災害可知，在2007—2016 年共有580 余起雷擊事故發生，這些事故導致了180 余人的傷亡以及超過5 300萬元的財產損失。雷電危害帶來的影響引起了國內外學者對雷電致災因子的大量探索，也得出了一些有益的結論，江崟等［1］、馮桂力等［2］分別揭示了深圳、山東等地地閃頻次、強度的時空分布特征。李家啟等［3，4］探索得出了重慶的正、負閃電幅值和陡度的分布特征。朱浩等［5］研究了安徽省2010—2015 年地閃密度和1961—2015 年雷暴日的關系。郭潤霞等［6］研究了一次典型大雹天氣不同極性閃電頻次、雷電流強度變化特征。徐鳴一等［7］研究發現江蘇地閃密度呈東北部少，西南部多這一明顯的地域差異特征。這些研究多是采用不同地方的閃電定位系統所獲得的具體閃電資料，針對單個或兩個雷電致災因子進行的時空特征分析。雷電的致災因子不少，有的專家認為衡量某地雷電危害大小的重要指標是該地的地閃密度大小［8］，而有的則認為雷電流幅值才是雷電致災強弱的關鍵［9］。王學良等［10-12］根據湖北省不同時間的閃電數據資料，研究了地閃電頻次、雷電流幅值和波頭陡度的變化特征，認為雷電流幅值和陡度、小電流均與雷電危害密切相關。鄒善勇等［13］選擇雷暴日數、雷電強度、密度、頻度等作為大連市雷電危險度的評估指標。王巨豐等［14］指出雷電流陡度與雷電反擊密切相關，它是反映雷電特性的重要指標之一。

上述專家指出了閃電頻次（密度）、雷電流陡度和小電流等因子對雷電危害強度的影響，但是鮮見綜合3 個因子對雷電危害強度進行的分析研究，而評判雷電危害強度僅使用閃電頻次或雷電流陡度，存在一定的片面性。當閃電頻次或雷電流陡度很大，若在空曠無人地帶發生時，其帶來的雷電危害可能很小；當閃電頻次或雷電流陡度較小時，若發生在經濟發達、人口密集的地方，卻可能帶來嚴重的經濟損失或人員傷亡；而當雷電流幅值較小時，可能會發生繞擊，造成較大的雷電危害，故使用單一的因子去分析雷電危害強度是不科學的。為此本研究利用2007—2016 年湖北省雷電資料，綜合閃電頻次、雷電流陡度和小電流百分比3 個因子建立雷電危害強度的概念，用來表征雷電危害的強弱。利用投影尋蹤聚類方法和自然斷點法，對雷電危害強度進行等級劃分并繪制全省的等級分布圖，揭示湖北省不同地區雷電危害強弱的規律，以期為雷電災害分析和風險區劃等工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

湖北省雷電監測定位系統是結合時差定位和磁定向的方法來探測云地閃，全省一共設有13 個子站（圖1），其探測半徑約為150 km［15］，子站組網后的時間精度優于 10-7s，定位精度優于 300 m［16，17］。選取了全省2007—2016 年共10 年的雷電監測資料，主要篩選了地閃發生的時間和地點、極性以及電流幅值和陡度等參數，為了排除誤差，剔除了其中一些失效的數據，如雷電流陡度或幅值是0 的數據等。

圖1 湖北省13 個子站分布

1.2 方法

主要選用了投影尋蹤方法，即把高維的樣本數據，運用投影函數轉換到低維的空間上，通過尋找投影函數的最佳投影方向來分析樣本數據的特征［18-20］。在對雷電危害強度等級劃分時，關鍵是確定所選取的各因子的權重，因子的權重是指每個評價因子在綜合評價里的重要性，根據該方法能比較科學地確定各因子的權重。投影尋蹤方法具體操作步驟如下。

首先，對所選用的樣本數據進行去量綱化；當存在多個評價因子時，常常遇到不同因子量綱不相同，為了對這些因子進行歸一化處理，故需要利用式（1）先消除每個不同因子的量綱化影響。

式中，L*(i,j)表示分析數據樣本集，i∈( )1,n,j∈(1,k)（其中，n表示分析樣本數，k表示評價因子數），即第j個因子的實際數值；L(i,j)為因子去量綱后的值表示第j個因子的最大值表示第j個因子的最小值。

其次，進行線性投影并創建函數；將去量綱后的數據樣本L(i,j)從不同的方向進行投影，觀測投影值［式中，a(j)為單位投影向量］，尋找最合適的投影方向。根據z(i)特點，可以創建出投影函數P(a) =SzDz［式中，Sz、Dz分別為z(i)的標準方差和局部密度］。

最后，優化投影方向并綜合評價；根據上述分析可知最佳投影方向就是P(a)為最大值的方向。根據最佳投影方向的確定，則可以計算各評價因子的投影特征值z(i)，根據z(i)差異水平即可以確定所選取的各因子權重。

雷電危害強度等級的劃分需要確定分析模型，目前的分析模型有聚類法、自然斷點法、層次分析法等［21-24］，本研究選取了自然間斷點分級法（簡稱自然斷點法），即利用數據樣本本身存在的斷點來對其進行的自然分級。主要做法是先識別數據樣本的間隔，然后在間隔較大的位置設邊界，使得各級數據之間的差異最大，做到對樣本數據最合適的分級，簡而言之，就是使各級間的方差最大，級內的方差最小。利用該方法即能對雷電危害強度等級進行自然劃分。

2 各因子的選取和特征

2.1 各因子的選取

為了客觀地分析雷電危害強度，采用以下3 個致災因子評估雷電危害強度：地閃密度、雷電流陡度以及小電流百分比。

地閃密度是指在單位時間單位面積內發生的地閃次數，能夠最直接地反映雷電活動強弱和致災環境。本研究利用雷電監測資料所得的湖北省各地10 年的年平均地閃頻次除以當地面積來表示各地的地閃密度，能較好地克服運用雷暴日換算時存在的不足［9］。

雷電流陡度是指在一定的時間間隔內雷電流隨時間變化的平均變化率。其反映了電磁場的強弱，雷電流陡度越大，則產生的電磁脈沖越強，感應也越強，其造成的危害也越大。利用湖北省各地10 年的年平均雷電流陡度來表征當地的雷電流陡度。

現在大多數建構筑物均有比較完善的雷電防護裝置，故直接遭受雷電襲擊危害的可能性較小，但是當雷電流幅值較小時，雷電可能發生繞擊，當雷電流幅值過大時可能造成雷電反擊，均可能帶來雷電災危害。在GB50057—2010 規范中給出的第三類防雷建筑物繞擊電流為15.8 kA，反擊電流為100 kA，為了便于統計，本研究選取小于20 kA 的雷電流為小電流，表示繞擊可能帶來的雷電危害。但是統計發現近10 年湖北省大于100 kA 的雷電流不足2%，其造成的影響極小，故未選取反擊電流作為等級劃分因子。即選用了10 年來湖北省各地發生小電流（＜20 kA）的頻次占當地總閃電頻次的百分比（即小電流百分比）作為第三個因子。

2.2 各因子的特征

統計2007—2016 年湖北省17 個地市州的年平均地閃密度（次/（km2·年）），得到各地年平均地閃密度分布見圖2，各地地閃密度差異性較大，全省平均值為2.802 次/（km2·年）。其中，鄂州市的地閃密度最大，為5.777 次/（km2·年），是全省年平均地閃密度的2 倍。整體而言，鄂東地區地閃密度較高，其平均地閃密度為3.570 次/（km2·年），其中鄂東南地區的地閃密度尤其高，均遠大于全省的年平均地閃密度。江漢平原年平均地閃密度為2.710 次/（km2·年），除荊門市以外，其他江漢平原地區地閃密度都比較低，略低于全省的年平均地閃密度。而鄂西地區的地閃密度整體偏低，其平均地閃密度僅為1.810次/（km2·年），除宜昌外的其他鄂西地區地閃密度遠低于全省年平均地閃密度，地閃密度最小的是十堰市，為1.072 次/（km2·年），僅為地閃密度最大地區的18.6%。

圖2 2007—2016 年湖北省各地年平均地閃密度分布

各地年平均雷電流陡度（kA/μs）情況如圖3 所示，由圖3 可知，湖北省各地雷電流陡度波動較大，在5.234～13.321 kA/μs。雷電流陡度最大的是荊州市，最小的是神農架，全省雷電流陡度年平均值為11.198 kA/μs。就全省雷電流陡度而言，存在兩個高值區域，一個位于江漢平原的仙桃、荊州和潛江一帶，另一個則位于鄂東地區的黃石、隨州、武漢和孝感一帶。鄂東地區雷電流陡度略低于江漢平原，前者年平均雷電流陡度為12.320 kA/μs，后者為12.390 kA/μs，兩者均高于全省年平均雷電流陡度。鄂西地區雷電流陡度遠小于其他地區，僅為8.440 kA/μs，除襄陽外的其他鄂西地區雷電流陡度遠小于全省年平均雷電流陡度。

圖3 2007—2016 年湖北省各地年平均雷電流陡度

統計湖北省各地小電流（＜20 kA）占當地總閃電頻次的百分比得到圖4，分析圖4 可知，全省小電流百分比年平均值為19.84%，但是各地存在較大差異，百分比最高的為神農架林區，即過去10 年間該地發生的雷電中高達43.02%均為小電流雷電，最低的為隨州市，僅為8.80%，小電流百分比最高地區約為最低地區的5 倍。鄂西地區小電流百分比平均值為23.99%，遠大于江漢平原和鄂東地區，其中十堰、神農架和宜昌的小電流百分比均大于20%。江漢平原小電流百分比平均值為20.20%，除荊州以外的其他江漢平原地區小電流百分比均大于全省平均值。鄂東地區小電流百分比平均值為16.62%，除鄂州外的其他鄂東地區小電流百分比遠低于全省年平均值。

圖4 2007—2016 年湖北省各地小電流百分比

3 雷電危害強度等級劃分及分析

3.1 雷電危害強度等級劃分

根據上述投影尋蹤方法分析可知，湖北省17 個地市州即為分析樣本，則式（1）中i= 17，選取了3 個評價因子，則j=3，分別用表示地閃密度、雷電流陡度以及小電流百分比。由圖2 至圖4 可知，地閃密度的最大值、最小值分別為5.777、1.072 次/（km2·年）；雷電流陡度的最大值為13.321 kA/μs，最小值為5.234 kA/μs；小電流百分比的最大值為43.02%，最小值為8.80%。根據式（1）進行去量綱處理，即可得到處理后的17 個地市州3 個因子（分別為L1、L2、L3）的樣本數據，詳見表1。

表1 各地區雷電危害強度因子去量綱

基于遺傳算法［19］，運用 Matlab 軟件對處理后的各地區樣本數據從不同方向進行投影，得到最合適的投影向量（0.494 7，0.489 3，0.016 0），投影向量中每個分量值為各評價因子的權重系數，即L1、L2、L3的權重系數分別為0.494 7、0.489 3、0.016 0，根據不同因子的權重構建湖北省雷電危害強度的模型為：

由式（2）得出湖北省各地雷電危害強度值，根據自然斷點法利用ArcGIS 對這些雷電危害強度值進行分級處理得到圖5。

圖5 湖北省雷電危害強度自然斷點分布

由圖5 可以看出，雷電危害強度的自然斷點分別為 0.199、0.549、0.664。由這 3 個自然斷點，可以把湖北省雷電危害強度劃分成4 個等級：Ⅰ級（弱）為 0 ≤z(i)＜0.199，Ⅱ級（中等）為 0.199 ≤z(i)＜0.549、Ⅲ級（強）為0.549 ≤z(i)＜0.664、Ⅳ級（極強）為z(i)≥ 0.664。

3.2 雷電危害強度等級分析

根據湖北省雷電危害強度等級劃分標準，進而繪制出全省分布圖（圖6）。由圖6 可知，①從全省范圍來觀察，雷電危害強度大致呈從西北向東南逐級增強的分布，鄂西地區的雷電危害強度要明顯低于鄂東地區。鄂東地區的雷電危害強度最大，為0.695；江漢平原與其差距較小，為0.611；而鄂西地區雷電危害強度最弱，僅有0.279。②Ⅰ級主要位于西北山區，即十堰和神農架林區的雷電危害強度較弱；Ⅱ級仍位于鄂西地區，即宜昌、襄陽以及恩施的雷電危害強度為中等；Ⅲ級雷電危害較強，主要位于咸寧、隨州、黃岡、孝感以及3 個直管市等；Ⅳ級雷電危害最大，主要集中在武漢、黃石、荊州和鄂州。在雷電危害的4 個等級中，Ⅲ級占全省面積比例最大，為35.16%，其次為Ⅱ級，占比為34.89%，兩者共占全省總面積的70.00%以上。

圖6 湖北省雷電危害強度等級分布

4 結論

根據湖北省2007—2016 年的雷電監測資料，選取了雷電危害強度分級因子，并分析了各因子的特征，對雷電危害強度進行了等級劃分，主要得出以下結論。

1）選取了地閃密度、雷電流陡度和小電流百分比3 個因子來分析雷電危害強度，綜合這3 個因子建立了雷電危害強度模型，利用投影尋蹤解決了3 個因子的權重問題，得到了3 個因子的權重系數分別為0.494 7、0.489 3、0.016 0。

2）根據湖北省雷電危害強度的模型計算不同地方雷電危害強度值，得到雷電危害強度的自然斷點分別為 0.199、0.549、0.664。利用 3 個自然斷點，將湖北省雷電危害強度劃分為Ⅰ級（弱）、Ⅱ級（中等）、Ⅲ級（強）、Ⅳ級（極強），并基于ArcGIS 給出了湖北省雷電危害強度等級分布圖。整體而言，湖北省雷電危害強度大致從西北向東南逐級增強，鄂東地區危害強度明顯高于鄂西地區。這能為雷電災害防御以及評估、雷暴及其伴隨的天氣現象的監測和預報提供參考。