杭州地區(qū)地閃活動特征分析

邊學文

(杭州市氣象局,浙江 杭州 310000)

0 引 言

雷電是發(fā)生在大氣中的聲、光、電物理現(xiàn)象,通常在有雷雨云(積雨云)情況下出現(xiàn)。雷電災害是十大自然災害之一,主要由地閃造成。雷電的發(fā)生與季節(jié)、地理、地形、地質(zhì)、氣候等因素有關(guān)?？茖W準確地認識地閃的分布規(guī)律,對于防雷減災工作十分重要。當前,閃電定位系統(tǒng)已成為獲取雷電相關(guān)信息的最重要途徑之一。國內(nèi)外從事雷電研究的學者利用閃電定位系統(tǒng)的閃電資料做了大量的研究工作[1-4],對浙江地區(qū)的閃電活動特征研究已取得一些成果[5-7],但很多成果是在1 a、2 a閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎上的研究成果,并且針對杭州地區(qū)的研究較少。電氣與電子工程師學會IEEE相關(guān)標準[8]指出,1 a的平均雷電日資料約有35%～40%的標準偏差,5 a和10 a的資料分別有30%和20%的標準偏差,要得出可信度高的統(tǒng)計數(shù)據(jù),至少需選取連續(xù)10 a的閃電資料。

杭州市位于浙江省北部、錢塘江下游、京杭大運河南端,境內(nèi)地貌類型多樣,對流活動頻繁,屬于雷電的多發(fā)區(qū)。本文利用2007—2017年閃電定位資料,分析杭州地區(qū)地閃的時間演變及空間分布特征,以期更好地認識杭州地區(qū)雷暴的發(fā)生發(fā)展規(guī)律,科學地指導雷電防護及雷電災害風險評估工作。

1 資料來源及處理

本文研究采用的閃電資料來自浙江省氣象局布網(wǎng)的ADTD型閃電定位儀的觀測資料。ADTD型閃電定位儀是專門用于探測地閃的設備,它通過2個正交的環(huán)形天線,接收磁場在東西和南北2個方向上的分量,并結(jié)合GPS精確授時系統(tǒng),獲得地閃所產(chǎn)生磁場的波形特征值和方位角,再由ADTD型閃電定位系統(tǒng)軟件確定閃電發(fā)生的具體位置。

本文研究采用的資料為杭州地區(qū)2007—2017年的閃電定位儀資料。地閃定位資料記錄的是閃電回擊資料,在實際中，一次地閃一般有多次回擊。在對地閃數(shù)據(jù)進行預處理時,把時間間隔不大于330 ms、空間距離小于10km[9]的所有回擊記為一次地閃。

2 地閃的時間變化特征

2.1 地閃總體特征分析

杭州地區(qū)2007—2017年地閃活動比較活躍,共發(fā)生地閃(以下簡稱總閃)595368次，主要集中發(fā)生在6—9月,這一時期是強對流天氣的高發(fā)期。

由表1可知,杭州地區(qū)地閃絕大多數(shù)為負地閃(以下簡稱負閃),約占總閃的96.5%;正地閃(以下簡稱正閃)僅占3.5%,正負閃次數(shù)比為3.7∶100。正閃的平均強度為48.10 kA,最大正閃強度為818.5 kA;負閃的平均強度為33.82 kA,最大負閃強度為696.9 kA;說明正閃的強度比負閃的強度強,這與潘亞英等對浙江省地閃活動特征分析結(jié)果[7]相似。原因可能是正閃往往由一次回擊和隨后的連續(xù)電流過程組成,正閃電流的上升時間和回擊時間比負閃的長,正閃的峰值電流和中和的電荷量比負閃的大,雖然正閃過程較少出現(xiàn),但正閃比負閃產(chǎn)生大電流的概率大得多。由《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057—2010)[10]可知，H0=i0/(2×π×sa),式中:H0為無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強度,sa為閃擊點距建筑物的距離。當sa不變時,H0與i0(電流強度)成正比,由此可知，正閃對電子信息系統(tǒng)的影響更大,在雷電災害防護工作中對正閃的研究有重要意義。對杭州地區(qū)而言,應考慮在正閃多發(fā)時段加強雷電防護和預警。

表1 杭州地區(qū)2007—2017年地閃特征

圖1為杭州地區(qū)2007—2017年總閃、正閃、負閃次數(shù)逐年分布圖。由圖1可知，2010、2011、2012年的總閃次數(shù)明顯多于其他年份的,最大值出現(xiàn)在2010年,為95912次,最小值出現(xiàn)在2015年,為15588次;負閃的變化趨勢與總閃的變化趨勢基本一致,最大值為2010年的92999次,最小值為2015年的14785次。

圖1 杭州地區(qū)2007—2017年總閃、正閃、負閃次數(shù)逐年分布圖

2.2 地閃的逐月分布

圖2為杭州地區(qū)2007—2017年總閃、正閃、負閃次數(shù)逐月分布圖。由圖2可知,杭州地區(qū)2007—2017年地閃次數(shù)主要集中發(fā)生在6—9月,占總地閃次數(shù)的88.34%。從逐月分布可知,地閃次數(shù)變化呈單峰型,從6月開始,地閃次數(shù)顯著增加,并于8月達到最高值203183次,從9月開始迅速下降。這與杭州地區(qū)從6月開始氣溫快速上升、熱力作用加強、對流活動增多有關(guān);8月空氣中水汽含量最充足,導致地閃明顯增多;9月以后氣溫逐漸降低,空氣干燥,地閃也隨之迅速減少。由圖2可知,負閃次數(shù)與總閃次數(shù)變化趨勢有較好的一致性,最大值出現(xiàn)在8月,為199009次;正閃次數(shù)最大值也出現(xiàn)在8月，為4174次;1月和12月很少發(fā)生地閃,共計144次,占比約為0.02%。

圖2 杭州地區(qū)2007—2017年總閃、正閃、負閃次數(shù)逐月分布圖

2.3 地閃的逐日變化

圖3為杭州地區(qū)地閃年均次數(shù)逐時分布圖。為了分析地閃的日變化規(guī)律,統(tǒng)計了杭州地區(qū)2007—2017年0—23時各小時的地閃次數(shù),結(jié)果表明,杭州地區(qū)的地閃發(fā)生次數(shù)具有明顯的日變化,總體呈單峰形式;總閃和負閃次數(shù)均主要集中在13—19時,其中16時達到最高值。負閃次數(shù)變化與總閃次數(shù)變化有比較好的吻合;正閃次數(shù)主要出現(xiàn)在13—21時,并于18時達到峰值。該地區(qū)總閃、負閃、正閃雖有基本一致的變化趨勢,但變化規(guī)律有所不同:(1)負閃和總閃次數(shù)變化有比較好的一致性,但正閃次數(shù)達到峰值的時間滯后于總閃和負閃;(2)19時后,各時段內(nèi)正閃次數(shù)的減少要緩于負閃次數(shù)的減少,其原因可能是正閃主要出現(xiàn)在雷暴云的成熟時期,此時云體內(nèi)的上升運動減弱,并且在降水和下沉氣流的拖拽下,電荷結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,負閃次數(shù)減少,正閃次數(shù)增多。杭州地區(qū)地閃的日變化規(guī)律與浙江省的地閃日變化規(guī)律[6]吻合,可見杭州地區(qū)的地閃活動多發(fā)生在午后至傍晚,這也是浙江省的夏季對流性天氣的高發(fā)時段，應特別加強夏日午后至傍晚時段的雷電防護工作,提高雷電預警水平。

圖3 杭州地區(qū)地閃年均次數(shù)逐時分布圖

3 雷電流參數(shù)的研究

杭州地區(qū)平均地閃強度為34.31 kA,其中正閃的平均強度為48.10 kA,負閃的平均強度為33.82 kA。

圖4為杭州地區(qū)正閃強度及累計比例分布圖。由圖4可知，正閃強度主要集中在10～70 kA,該區(qū)間內(nèi)正閃次數(shù)約占總正閃的78.5%。其中,正閃強度為10～30 kA的次數(shù)最多，160 kA以上的正閃出現(xiàn)較少。

圖5為杭州地區(qū)負閃強度及累計比例分布圖。由圖5可知，負閃強度主要分布在10～50 kA,該區(qū)間內(nèi)負閃次數(shù)約占總負閃的85.9%。其中，負閃強度為20～30 kA的次數(shù)最多。

比較正、負閃的累計比例可知,負閃的強度范圍比較集中,正閃通常由一次回擊和隨后的連續(xù)電流過程組成。正閃電流的上升時間和回擊時間一般比負閃的長,正閃比負閃產(chǎn)生大電流的概率大得多,正閃回擊電流超過120 kA的概率是5%,正閃比負閃轉(zhuǎn)移的電荷量大,正閃在整個過程中平均轉(zhuǎn)移80 C,負閃平均轉(zhuǎn)移7.5 C。

圖4 杭州地區(qū)正閃強度及累計比例分布圖

圖5 杭州地區(qū)負閃強度及累計比例分布圖

另外，正閃的脈沖電荷轉(zhuǎn)移量是負閃的4倍以上[11]?？梢娬W比負閃中和的電荷量大得多。

4 地閃的空間分布特征

4.1 地閃密度分布圖繪制方法

本文首先采用自然分割法,利用地理信息系統(tǒng)GIS將杭州地區(qū)劃分為若干個連續(xù)等面積的虛擬網(wǎng)格,統(tǒng)計各個網(wǎng)格中的地閃次數(shù),用每個網(wǎng)格中的地閃次數(shù)除以相應的網(wǎng)格面積,得到該網(wǎng)格的地閃密度。不同大小網(wǎng)格在反映地閃密度時,地理圖形化顯示的分辨率不同,但對反映區(qū)域雷電活動相對規(guī)律影響不大[12]。杭州占地面積約8273.3 km2,考慮到ADTD型閃電定位系統(tǒng)的誤差等因素,設定杭州地區(qū)地閃密度分布圖的網(wǎng)格為:1 km×1 km,各網(wǎng)格面積約為1 km2,結(jié)合閃電定位儀數(shù)據(jù)求得各網(wǎng)格的平均地閃密度值,即可獲得杭州地區(qū)地閃密度的空間分布圖。

4.2 地閃的空間密度分布

雷暴形成的基本條件是充足的水汽、深厚而不穩(wěn)定的大氣和足夠的抬升力等。雷暴可以分為3類:第一類是大尺度天氣系統(tǒng)造成的系統(tǒng)雷暴;第二類是局地下墊面受熱不均形成的熱雷暴;第三類是山地、高原、丘陵等地形抬升形成的雷暴。

杭州地區(qū)各區(qū)(縣、市)地閃密度均大于2次/(km2·a),其中下城區(qū)地閃密度最大,超過5次/(km2·a),蕭山區(qū)、富陽區(qū)地閃密度分別為4.69、4.46次/(km2·a)。在實際防雷工作中,對年平均地閃密度高值區(qū)應適當加強雷電防護,提高防雷工作的時效性;臨安區(qū)、桐廬縣地閃密度最低,分別為2.14、2.62次/(km2·a),表明杭州地區(qū)地閃密度分布具有明顯的地域差異,自西南向東北呈“兩頭高中間低”分布。東北、西南地區(qū)的地閃頻次較高,新安江、富春江、錢塘江水系的貫通和復雜的局地地形的抬升作用,使得具備了形成雷電的先決條件,杭州春夏季的氣候背景等是容易觸發(fā)和形成對流天氣的主要原因[13]。此外，大氣中氣溶膠的含量可能也是造成該現(xiàn)象的原因之一，氣溶膠主要集中在5 km高度以下的對流層,濃度隨海拔增高呈指數(shù)減少的趨勢,使得地閃總頻次隨高度的增加而減少;大氣中氣溶膠粒子增多使得云凝結(jié)核的數(shù)量增多,從而產(chǎn)生更多的雷電[14]。

5 結(jié) 語

通過對杭州地區(qū)2007—2017年的地閃時間分布特征、地閃強度分布特征以及地閃空間分布特征進行分析,得到以下結(jié)論。

(1)杭州地區(qū)2007—2017年共發(fā)生地閃595368次，主要集中發(fā)生在6—9月,占總地閃次數(shù)的88.34%,1月和12月很少發(fā)生地閃。負閃次數(shù)占總閃次數(shù)的96.5%,正負閃次數(shù)比為3.7∶100,負閃次數(shù)與總閃次數(shù)的變化趨勢有很好的一致性。

(2)杭州地區(qū)的地閃發(fā)生次數(shù)具有明顯的日變化,總體呈單峰形式,總閃和負閃均主要集中發(fā)生在13—19時,正閃主要出現(xiàn)在13—21時;正閃次數(shù)達到峰值的時間滯后于總閃和負閃的;19時以后,各時段正閃次數(shù)的減少要緩于負閃次數(shù)的減少。午后至傍晚是杭州地區(qū)地閃的多發(fā)時段。

(3)杭州地區(qū)平均地閃強度為34.31 kA,其中正閃平均強度值大于負閃的,正閃強度主要集中在10～70 kA,約占總正閃的78.5%,強度為10～30 kA的次數(shù)最多;負閃強度主要分布在10～50 kA,約占總負閃的85.9%,強度為20～30 kA的次數(shù)最多。在高電流強度處,正閃所占比例高于負閃所占比例。

(4)杭州地區(qū)地閃密度分布具有明顯的地域差異,自西南向東北呈“兩頭高中間低”分布。杭州地區(qū)各區(qū)(縣、市)地閃密度均大于2次/(km2·a),其中下城區(qū)地閃密度最大,超過5次/(km2·a)，臨安區(qū)地閃密度最小,為2.14次/(km2·a)。