近十年江漢平原雷電活動特征分析與災(zāi)害防御

江平　張科杰

摘要：為研究江漢平原云地閃電活動特征，依據(jù)湖北省ADTD（Adranced Direction Finding on Time Difference）閃電監(jiān)測系統(tǒng)2007-2016年10年的監(jiān)測資料，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，對該區(qū)域10年間云地閃電頻次的年、月、日和季節(jié)變化以及雷電流幅值分布特征進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，2007-2016年，云地閃電頻次有逐年降低的趨勢，但正閃比例逐年升高，頻次未降。年平均負閃電頻次占總閃電頻次的94.50%，正閃占5.50%。夏季閃電頻次最多，但正閃占比最小，僅有4.70%；冬季閃電最少，而正閃占比最大，是夏季正閃電占比的2.5倍以上?？傞W電頻次的月變化呈現(xiàn)單峰型特征，峰值出現(xiàn)在7月，12月閃電頻次最少。通常狀況下，正閃平均強度均大于總閃平均強度和負閃平均強度，正閃平均強度在25～70 kA之間；總閃和負閃的平均強度在30～45 kA之間。總閃電頻次日變化特征明顯，呈單峰單谷型，其中，云地閃電頻次最多和最少的時段分別出現(xiàn)在15：00～16：00和10：00～11：00，農(nóng)民外出勞作應(yīng)盡量避免雷電高發(fā)時段。

關(guān)鍵詞：云地閃；閃電頻次；幅值；分布特征

中圖分類號：P427.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）20-3849-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.015

Abstract： In order to study the activity characteristics of cloud to ground lightning in Jianghan plain，according to the monitoring data of ADTD（Adranced Direction Finding on Time Difference） lightning monitoring system in Hubei province during the ten years of 2007-2016，using the method of mathematical statistics， the region ten years of cloud to ground lightning frequency of the year，month，day and seasonal changes and the amplitude of lightning current distribution characteristics were analyzed. The results showed that the 2007-2016，cloud point frequency was gradually decreased year by year， but the proportion and frequency of positive lightning increased year by year，did not fall. The annual average negative lightning frequency accounted for 94.50% of total lightning frequency，and 5.50% of positive lightning frequency. The lightning frequency was the highest in summer，but the percentage of positive lightning was the smallest， only 4.70%. Lightning was the least in winter，while the percentage of positive lightning was the largest，which was more than 2.5 times of the percentage of positive lightning in summer. The monthly change of total lightning frequency showed a single peak characteristic，the peak appeared in July，and the lightning frequency was the least in December. Under normal conditions，the average intensity of positive lightning was greater than the average intensity of the total lightning and the average intensity of negative lightning. The average intensity of positive lightning was between 25～70 kA，and the average intensity of total and negative flashes was between 30～45 kA. The characteristics of diurnal variation of total lightning frequency was a single peak and single valley type，the cloud to ground lightning frequency maximum and minimum time respectively appeared between at 15：00～16：00 and 10：00～11：00， farmers out labor should avoid high incidence of lightning.endprint

Key words： cloud-to-ground lightning； lightning frequency； peak value； characteristics of distribution

雷電是自然界中的一種放電現(xiàn)象，其具有大電流、高電壓和強輻射等特點，對國家經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)和自然環(huán)境造成直接或間接的影響，因此，研究雷電發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，以及對其參數(shù)的分析，一直是雷電物理學領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容[1-5]。隨著雷電災(zāi)害近年來越來越被重視，國內(nèi)外相關(guān)學者對各區(qū)域的雷電時空分布特征進行了相關(guān)研究，得出了區(qū)域雷電活動規(guī)律[6-10]；同時，在農(nóng)村雷電防護方面，針對農(nóng)村防雷的現(xiàn)狀，也有不少相關(guān)理論研究[11-15]。江漢平原位于長江中游和漢江中下游，湖北省的中南部，主要包括荊州市、荊門市、仙桃市、潛江市、天門市，以及孝感市、武漢市的部分地區(qū)（圖1）。江漢平原物產(chǎn)豐盛，是中國著名的農(nóng)產(chǎn)地，其湖區(qū)也是著名水產(chǎn)區(qū)；同時，農(nóng)村地區(qū)也是雷電災(zāi)害易發(fā)區(qū)。因此，選取江漢平原區(qū)域，根據(jù)2007-2016年湖北省雷電定位監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合此區(qū)域的地貌特點、雷電易發(fā)因素，對江漢平原雷電活動特征進行分析，為該區(qū)域雷電災(zāi)害防御措施的制定提供相關(guān)依據(jù)。

1 資料來源與統(tǒng)計方法

所用到的云地閃電資料來源于湖北省ADTD（Advanced Direction Finding on Time Difference）雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可統(tǒng)計出云地閃電發(fā)生的位置、雷電的極性、雷電流強度大小、陡度大小等相關(guān)信息。采用湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)2007年1月1日至2016年12月31日監(jiān)測的相關(guān)資料，分別統(tǒng)計江漢平原各行政區(qū)域的年、季、月、日以及各時段的正閃、負閃、總閃電頻次和雷電流幅值。在季節(jié)劃分上，采用按照月份劃分的方式，即春季為3～5月；夏季為6～8月；秋季為9～11月；冬季為12月以及1月、2月。

2 雷電活動特征

2.1 年分布特征

根據(jù)2007～2016年10年閃電數(shù)據(jù)資料（表1）顯示，江漢平原共監(jiān)測到云地閃電894 503次，其中正閃49 179次，負閃845 324次。負閃頻次占總閃頻次的94.50%，正閃所占比例為5.50%。雷云的下部主要帶負電荷，上部帶正電荷[16]。當云頂集中的電荷達到擊穿空氣的強度時，就會對地面或空中放電，云層對地面的放電稱之為云地閃。由于正電荷距離地面的高度比負電荷距地高度高，擊穿空氣所需的強度更大，因此，云地閃電中負閃比例高于正閃比例。江漢平原10年的統(tǒng)計平均值與王娟等[9]研究成果相一致。

從2007-2016年各年的數(shù)據(jù)來看，云地閃電數(shù)據(jù)逐年變化明顯。從圖2可以看出，2007-2016年，江漢平原總閃頻次和負閃頻次呈現(xiàn)逐年減少趨勢，且趨勢明顯。2016年總閃頻次較2007年減少了114 825次，其發(fā)生云地閃電頻次僅為2007年云地閃電頻次的24.83%，而正閃頻次則無明顯變化。由于總閃頻次的減少，導(dǎo)致正閃頻次占總閃頻次的比例呈現(xiàn)增加的趨勢。同時，自2012年起，正閃頻次占總閃頻次比例超過5%，2016年正閃頻次占比達11.62%，明顯高于平均水平。

2.2 季節(jié)分布特征

根據(jù)2007年1月至2016年12月閃電資料，統(tǒng)計不同季節(jié)平均閃電頻次，并計算各季節(jié)閃電頻次占全年閃電的百分比和白天占全天閃電頻次的百分比（表2）。從表2可以看出，一年中，夏季閃電頻次最多，為694 762次，占全年閃電頻次的77.67%，但正閃占比最小，僅有4.70%；冬季閃電最少，總閃電頻次僅有11 049次，僅占全年閃電頻次的1.24%，而正閃占比最大，達12.62%，是夏季正閃電占比的2.5倍以上；春季閃電頻次和負閃占比均高于秋季。

2.3 月分布特征

2.3.1 閃電頻次的月分布 根據(jù)2007-2016年閃電數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了各月平均正閃、負閃和總閃電頻次，結(jié)果見圖3。由圖3可知，閃電活動的月變化呈現(xiàn)單峰型特征，峰值出現(xiàn)在7月。從全年來看，1～6月，閃電頻次逐月增加明顯，到7、8月出現(xiàn)峰值，9月驟減，11月有微弱增加。由此表明，閃電頻次隨著北半球氣溫逐月升高而增加，隨氣溫逐月下降而減少[17]，即在時間變化上，閃電頻次的月變化與氣溫變化基本同步。

統(tǒng)計資料（圖3）表明，7月是閃電頻次最多的月份，總閃電頻次為328 212次，其中負閃311 873次，正閃16 339次；12月是閃電頻次最少的月份，總閃電頻次僅為36次。4～8月是閃電活動高發(fā)月份，此時間內(nèi)總閃電頻次占全年閃電頻次的91.62%；7和8月是閃電活動最頻繁的兩個月，共發(fā)生云地閃電601 249次，占10年閃電頻次的67.22%。10、12和 1月雷電活動較少，僅占全年總閃電頻次的0.4%。由于7～8月空氣中水汽含量最為充足，對流云發(fā)展是一年中最旺盛的季節(jié)，0 ℃層高度也較高，不穩(wěn)定能力增強，有利于云內(nèi)電荷的形成與積累并形成閃電[9]。因此，7～8月雷電活動最頻繁，也是雷電防護的關(guān)鍵時期。

2.3.2 平均閃電強度月分布 2007-2016年正閃、負閃和總閃強度月分布見圖4。由圖4可知，除12月外，其余月份正閃平均強度均大于總閃平均強度和負閃平均強度。正閃平均強度跨度區(qū)間較大，在25～70 kA；總閃和負閃的平均強度年變化率相對較小，總閃和負閃的平均強度均在30～45 kA。1～5月，正閃的平均強度隨著氣溫的升高呈現(xiàn)下降的趨勢，6～9月，正負閃的強度平均值差異最小，從10月開始，正閃平均強度隨著氣溫的降低再次走高。其主要原因可能是與空氣中的水汽含量有關(guān)。由于地球表面帶負電荷，云頂?shù)纳喜繋д姾?，下部帶負電荷，擊穿距離較長，在通常狀況下，正電荷擊穿空氣對地放電難度較負電荷對地放電難度要大，這也是負極性閃電的頻次要遠高于正極性閃電頻次的原因。即隨著氣溫的不斷升高，空氣中濕度增大，水分子增多，云頂電荷擊穿空氣對地放電難度相比干燥空氣狀況下降低，因此，夏季正閃的平均雷電流強度有明顯的降低；相反隨著氣溫的降低，12月的閃電平均強度狀況出現(xiàn)倒掛，其原因可能是12月閃電樣本較少造成的。endprint

2.4 日變化特征

2.4.1 閃電頻次日分布 由2007-2016年閃電頻次逐小時變化（圖5）可知，總閃電頻次日變化特征明顯，呈單峰單谷型。4：00～13：00是閃電頻次較少的時段，閃電頻次合計167 711次，占所有閃電頻次的18.75%。云地閃電頻次最少的時段出現(xiàn)在10：00～11：00，10年僅發(fā)生地閃12 098次；從13：00開始，云地閃電頻次開始明顯增加，在15：00～16：00出現(xiàn)峰值，此時間段10年共發(fā)生地閃64 483次，超過地閃最少時段的5倍。14：00～18：00是閃電活動最頻繁的時間段。上述分析表明，江漢平原在15：00～17：00前后，是雷電天氣集中發(fā)生時段，也是強對流災(zāi)害天氣多發(fā)時段，10：00～11：00前后是雷電等強對流天氣少發(fā)時段。

2.4.2 不同季節(jié)閃電頻次日分布 對2007-2016年各季閃電頻次逐小時變化（圖6）分析可知，不同季節(jié)各個時段的閃電頻次變化差異明顯。春季總閃電頻次日變化呈現(xiàn)U型分布，該季節(jié)閃電活動最頻繁的時段出現(xiàn)在21：00至24：00期間，7：00～13：00為閃電活動相對較弱的時段，峰值出現(xiàn)在22：00～23：00，谷值出現(xiàn)在10：00～11：00；夏季總閃電頻次日變化呈現(xiàn)單峰單谷型，該季節(jié)閃電活動最頻繁的時段出現(xiàn)在14：00～18：00，7：00～13：00為閃電活動相對較弱的時段，峰值出現(xiàn)在15：00～16：00，谷值出現(xiàn)在10：00～11：00；秋季總閃電頻次日變化呈現(xiàn)U型分布，該季節(jié)閃電活動最頻繁的時段出現(xiàn)在24：00至4：00期間，7：00～13：00為閃電活動相對較弱的時段，峰值出現(xiàn)在2：00～3：00，谷值出現(xiàn)在10：00～11：00；冬季發(fā)生云地閃電頻次較少，各時間段無明顯差異，各個時間段均有閃電發(fā)生，大致呈現(xiàn)“一”字型分布。該季節(jié)閃電峰值出現(xiàn)在1：00～2：00，谷值出現(xiàn)在7：00～8：00。

從上述統(tǒng)計分析來看，各季的閃電高發(fā)時段均不相同。春季在21：00～24：00，夏季在14：00～18：00，秋季在0時至4：00前后，冬季在1：00～2：00，是雷電集中高發(fā)時段。春、夏、秋3季的谷值均出現(xiàn)在10：00～11：00，7：00～13：00為閃電活動相對較弱的時段。

3 區(qū)域防雷現(xiàn)狀及防護重點

江漢平原地勢平坦，主要以農(nóng)業(yè)為主，種植大田作物和經(jīng)濟作物，區(qū)域內(nèi)水域較多。農(nóng)民在田間進行勞作，由于地域空曠，極易發(fā)生雷擊事故。而在空曠的田野上，幾乎沒有安全躲避之處。雷雨時，農(nóng)民往往會躲在大樹下避雨，或把鋤頭等金屬農(nóng)具扛在肩頭往回走，多數(shù)雷擊災(zāi)害事故在此時間段內(nèi)發(fā)生。據(jù)資料統(tǒng)計，雷擊傷亡事故發(fā)生在農(nóng)村的人數(shù)占90%以上[11]。

由于地域廣闊，實現(xiàn)有人活動區(qū)域防雷裝置全覆蓋幾無可能，但可以從以下幾點降低雷電災(zāi)害的致災(zāi)率。首先，建立緊急避難場所，完善現(xiàn)有直擊雷防護裝置；雷電多發(fā)于強對流天氣過程，從發(fā)生到發(fā)展時間短，由于農(nóng)地距離家里較遠，往往來不及回家躲避，在距離田間較近的地方建設(shè)防雷應(yīng)急避難場地，可降低雷擊事故的風險。同時，農(nóng)村的房屋多數(shù)沒有直擊雷防護措施，增加防雷裝置，可大幅降低雷災(zāi)事故的概率。其次，引進雷電災(zāi)害預(yù)警信息；雷電的發(fā)生和發(fā)展有一定規(guī)律可循，了解雷電易發(fā)時段，及時獲取預(yù)警信息，可有效躲避雷電。最后，加強群眾安全教育，普及雷電常識。大多數(shù)雷電是可以采取科學措施防范的，加強農(nóng)民的防雷意識、自身保護意識、雷電科學常識，可幫助農(nóng)民在空曠地域或生活中采取有效的方法應(yīng)對雷擊。

4 小結(jié)

1）從2007-2016年10年統(tǒng)計結(jié)果可以看出，云地閃電頻次有逐年降低的趨勢，但正閃比例逐年升高，頻次未降。年平均負閃電頻次占總閃電頻次的94.50%，正閃占比5.50%。

2）夏季閃電頻次最多，占全年閃電頻次的77.67%，但正閃占比最小，僅有4.70%；冬季閃電最少，僅占全年閃電頻次的1.24%，而正閃占比最大，高達12.62%，是夏季正閃電占比的2.5倍以上。

3）總閃電頻次的月變化呈現(xiàn)單峰型特征，峰值出現(xiàn)在7月，12月閃電頻次最少。閃電活動主要集中在4～8月，閃電頻次占全年閃電頻次的91.62%，7～8月為雷電高發(fā)生期，同時也是雷電防護的重點時期；10、12和1月雷電活動較少，僅占全年總閃電頻次的0.4%。通常狀況下，正閃平均強度均大于總閃平均強度和負閃平均強度，正閃平均強度在25～70 kA；總閃和負閃的平均強度在30～45 kA。

4）總閃電頻次日變化特征明顯，呈單峰單谷型。從4：00至13：00是閃電頻次較少的時段，其中，云地閃電頻次最少的時段出現(xiàn)在10：00～11：00；從13：00開始，云地閃電頻次開始明顯增加，14：00～18：00是閃電活動最頻繁的時間段，其中，在15：00～16：00出現(xiàn)峰值，此時間段內(nèi)發(fā)生的閃電頻次超過閃電最少時段的5倍。

從季節(jié)上來看，各季的閃電高發(fā)時段均不相同。春季在21：00～24：00，夏季在14：00～18：00，秋季在0時至4：00前后，冬季在1：00～2：00，是雷電集中高發(fā)時段。春、夏、秋季3季的谷值均出現(xiàn)在10：00～11：00，7：00～13：00為閃電活動相對較弱的時段。農(nóng)民外出勞作應(yīng)盡量避免雷電高發(fā)時段。

5）目前雷災(zāi)造成人員傷亡的事件多發(fā)生在農(nóng)村，故應(yīng)加強農(nóng)村的防雷工作建設(shè)，建立緊急避難場所，完善現(xiàn)有直擊雷防護裝置，引進雷電災(zāi)害預(yù)警信息，加強群眾教育，普及雷電常識，以降低農(nóng)村雷電災(zāi)害發(fā)生的概率。

6）區(qū)域閃電頻次逐年減少的原因，還有待進一步探究。

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