论文部分内容阅读
DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720099
摘要：本文利用雷暴地面观测资料与闪电定位系统观测资料，分析雷暴日的时空分布特征与地闪特征，并借助地理信息系统空间分析技术，进行毕节市雷电易发性区划研究，结果显示，毕节市雷暴日分布自西南向东北逐渐减少，市南部为雷电高易发区，西部及东部边缘为低易发区。
关键词：雷暴日；地闪；易发性区划
联合国“国际减灾十年”中公布，雷电灾害是十大最严重的自然灾害之一。毕节市位于贵州省西北部，地处青藏高原东南侧、云贵高原东斜坡上，高原山地地形复杂，地势自西向东呈阶梯状逐级下降。毕节市是贵州省强对流天气系统的起源地之一，也是贵州省的雷暴高发区，因此，对毕节市雷电活动特征及雷电灾害风险等级区划的研究是很有必要的。
20世纪80年代以来，国内已有不少学者利用雷暴地面观测资料分析雷电时空分布特征，并进行雷电活动风险区划，但由于传统的雷暴数据是通过人工观测来获取的，雷暴数据记录的时间间隔较长，另外，人们对雷电的认识又有局限性，受很多主观因素影响，数据不够客观[12]。近年来，随着闪电定位系统投入使用，雷电活动特征的研究进入了新的阶段。闪电定位数据相比于常规的雷暴观测数据，具有高时间、高空间分辨率的优势[3]。本文利用毕节市19612013年八县区气象站的雷暴地面观测资料，分析雷暴日的时空分布特征，并利用20062015年闪电定位系统观测资料来分析地闪的时间变化特征和强度特征，通过对地闪密度的分析来确定毕节市雷电的易发区域。
1 雷暴日特征
1.1 雷暴强度划分
我国一般根据年平均雷暴日数来划分某地区的雷暴强度：
少雷区：年平均雷暴日数在15天及以下的地区；
中雷区：年平均雷暴日数在15天以上、40天以下的地区；
多雷区：年平均雷暴日数在40天以上、90天以下的地区；
强雷区：年平均雷暴日数在90天以上的地区。
表1毕节市19612013年雷暴日数观测资料统计显示，全市年平均雷暴日数为52.8天，各气象站雷暴日都大于40天，均属于多雷区。最大值为纳雍的61.8天，其次为威宁的60天，最小值为金沙的42.6天。
1.2 雷暴日数空间分布
从毕节市19612013年各气象站平均雷暴日数的分布（图1）来看，我市雷暴中心在西南部的纳雍、威宁一带，自西南向东北逐渐减少。这种分布形势与毕节市的地形分布有一定的关系，毕节市地势自西南向东北呈阶梯状逐级下降，系统自北向南移动时，地形的抬升作用有利于强对流天气的发生发展，导致西南部对流活动旺盛，多雷暴天气。
1.3 雷暴日数年际变化
由毕节市19612013年各气象站雷暴日数观测资料统计（图2）显示，各气象站之间总体趋势一致，1983年之前为毕节市雷暴的多发期，年平均雷暴日数在5570天左右浮动，1984年后雷暴日数明显减少，年平均雷暴日数在4050天左右。其中1963年雷暴日数最多，平均为85天，2011年最少，平均为32天。比较单站的年际变化发现，极端最高年雷暴日数为1963年纳雍的99天，极端最低年雷暴日数为2003年金沙的20天。
1.4 雷暴日数月际变化
从各站的月际变化（图3）可以看出，毕节市全年均有雷暴出现，冬季（12月、1月及2月）的雷暴日数最少，4月开始显著增加。毕节市雷暴主要集中在48月，约占全年的81.5%，7月和8月是出现雷暴最多的月份，约占全年的39%。
2 地闪特征
2.1 地闪次数月际变化
从毕节市20062015年的地闪次数月际变化（图4）中可以看出，地闪次数的月际变化趋势与雷暴日数的变化趋势基本吻合。68月是闪电活动的高发期，地闪次数占全年的64.5%，其中8月地闪最为频繁，但正闪次数在6月最多。12月和1月闪电活动最弱。
2.2 地闪次数日变化
从地闪次数的日变化分布（图5）来看，闪电活动的发生有明显的日变化，下午到上半夜闪电活动最强烈，主要集中在1524时，占全天的78.1%，在1718时达到峰值。这是由于午后地表强烈吸收太阳辐射，近地面气温升高，形成不稳定层结，能量的积聚在傍晚前后达到最大，有利于雷电活动的发生。下半夜气温下降，不稳定能量减少，闪电活动逐渐减弱，到上午0811时地闪次数最少。
2.3 地闪强度特征
表2 毕节市地闪频率和平均强度表明，10年（20062015年）内毕节市总地闪次数为995993次，其中负地闪次数为965565次，占总地闪次数的96.9%，而正地闪次数仅為30428次，占总地闪次数的3.1%，但正地闪平均强度达到58.1kA，明显高于负地闪强度。从图6可知，毕节市地闪强度主要集中在2050kA，该区间内的地闪次数占总次数的58.4%。
3 人工观测与闪电监测雷暴日对比分析
3.1 雷暴日对比分析
由图7可见，毕节市闪电监测的雷暴日比人工观测的多。其原因在于器测的雷暴日为县境范围内的落雷日，不管雷声大小，只要有落雷都能被仪器探测到；而人工观测的雷暴日，由于气象站点大部分建在城区或郊区附近，城市的各种噪声给人工判断带来了很大的困难，特别是白天受影响最大，经常会产生漏记、迟记的现象，就是在远离城区的站点，在人们的活动越来越频繁的今天，这种情况也是会有发生的。因此器测雷暴日比人工观测到的雷暴日更为合理。
3.2 平均雷击大地密度对比分析
传统的平均雷击大地密度是由人工观测雷暴日数进行估算的，其公式是：
Ng=0.024T1.3d
式中，Td为年雷暴日数。 由表3可见，以人工雷暴日数来估算平均雷击大地密度并没有考虑实际土地面积，与地闪次数计算的平均雷击大地密度有一定的差距。说明以人工观测雷暴日数估算的平均雷击大地密度来进行雷电灾害风险评估与防雷工程检测工作不够准确和客观，应当考虑以器测雷击大地密度来进行此类工作：在雷电灾害风险评估中，运用闪电定位系统数据，可以根据建设项目的初步设计，对项目可能存在的风险针对性的进行分析；在防雷工程及检测中，可以准确地统计出建筑物处的雷电活动参数，科学地设计防雷工程，有针对性的进行防雷检测，同时为雷电预警提供参考信息；在雷电灾害鉴定中，可以及时提供准确的雷击位置及时间，保证鉴定结果客观公正。
4 雷电易发性区划
4.1 地闪密度
地闪密度是单位面积内年均闪电活动发生的次数，表征雷电活动频繁程度。因此，采用闪电密度作为区划等级数据指标。
毕节市地闪密度分布存在地域性差异，整体分布由南向北递减。其中织金中西部为地闪密度极高值区，年均地闪密度高于7.00次/km2。
4.2 等级划分
区划等级划分采用数据聚类方法——自然断点分级法。该方法的原理是减少类的方差，最大限度地提高类之间的差异。计算采取重复迭代过程，通过重复计算不同的数据集，以确定最小的类方差，直到偏差的总和达到最小值为止。
其公式为：
SSDi-j=∑jk=iAk-meani-j21≤i 其中meani-j=（∑jk=iAk）2j-i+11≤i 式中：SSD是方差，A是一个数组（数组长度为N），meanij是每个等级中的平均值。
将易发等级划分为高、中、低三级，按0.005°×0.005°的地闪密度值进行自然断点分类，得出2.41、3.92两个断点，以此划分毕节市雷电易发性等级（表4），得到其雷电易发性区划图。
如图8所示，毕节市雷电高易发区主要集中在市南部，即赫章东南部、纳雍西南部和织金大部地区；七星关、大方、黔西等地为中易发区；威宁、赫章北部和金沙为低易发区。
5 小结
（1）通过对毕节市雷暴日特征的分析，毕节市各县区均属于多雷区，全市年平均雷暴日数为52.8天，雷暴日分布自西南向东北逐渐减少，全年雷暴主要集中在48月，约占全年的815%；1983年之前为毕节市雷暴的多发期，年平均雷暴日数在5570天左右浮动，1984年后雷暴日数明显减少，年平均雷暴日数在4050天左右。
（2）通过对地闪特征的分析，地闪次数的月际变化趋势与雷暴日数的变化趋势基本吻合；68月是闪电活动的高发期，地闪次数占全年的64.5%，其中8月地闪最为频繁；闪电活动的发生有明显的日变化，下午到上半夜闪电活动最强烈，主要集中在1524时，占全天的78.1%，在1718时达到峰值。
（3）由人工观测与闪电监测雷暴日对比分析，畢节市闪电监测的雷暴日比人工观测的多，大部地区以地闪次数计算的平均雷击大地密度高于以人工雷暴日数来估算平均雷击大地密度。
（4）毕节市雷电高易发区主要集中在市南部，即赫章东南部、纳雍西南部和织金大部地区；七星关、大方、黔西等地为中易发区；威宁、赫章北部和金沙为低易发区。
（5）因闪电定位系统存在一定的探测误差及探测盲区，待威宁站的三维闪电定位仪建成后将进一步提升毕节全市的闪电探测覆盖范围和精度，因此雷电易发区域分布也将根据雷电资料的逐年累积而变化。
参考文献：
[1]胡新华.人工观测与闪电定位探测雷暴日资料的对比分析[J].江西气象科技，2005，28（3）：5556.
[2]张日高，张良春，余建华.利用监测与人工观测数据计算的雷击大地密度比较[J].气象与减灾研究，2010，33（3）：6667.
[3]刘垚，廖启龙，刘淼，等.杭州市雷电活动特征及雷电灾害区划[J].气象与减灾研究，2011，34（4）：6267.
[4]丁旻，李强，吴安坤.贵州地区地闪的分布特征及防护效率分析[J].防灾科技学院学报，2013，15（1）：1116.
[5]刘丽萍，沈锡清，张好成，等.毕节地区雷暴活动的时空特征[J].贵州气象，2008，32（2）：1315.
基金项目：此文为贵州省毕节市气象局开放基金《毕节市雷电活动特征及雷电灾害风险等级区划》资助。项目任务书合同编号：BJKF[2017]01号
摘要：本文利用雷暴地面观测资料与闪电定位系统观测资料，分析雷暴日的时空分布特征与地闪特征，并借助地理信息系统空间分析技术，进行毕节市雷电易发性区划研究，结果显示，毕节市雷暴日分布自西南向东北逐渐减少，市南部为雷电高易发区，西部及东部边缘为低易发区。
关键词：雷暴日；地闪；易发性区划
联合国“国际减灾十年”中公布，雷电灾害是十大最严重的自然灾害之一。毕节市位于贵州省西北部，地处青藏高原东南侧、云贵高原东斜坡上，高原山地地形复杂，地势自西向东呈阶梯状逐级下降。毕节市是贵州省强对流天气系统的起源地之一，也是贵州省的雷暴高发区，因此，对毕节市雷电活动特征及雷电灾害风险等级区划的研究是很有必要的。
20世纪80年代以来，国内已有不少学者利用雷暴地面观测资料分析雷电时空分布特征，并进行雷电活动风险区划，但由于传统的雷暴数据是通过人工观测来获取的，雷暴数据记录的时间间隔较长，另外，人们对雷电的认识又有局限性，受很多主观因素影响，数据不够客观[12]。近年来，随着闪电定位系统投入使用，雷电活动特征的研究进入了新的阶段。闪电定位数据相比于常规的雷暴观测数据，具有高时间、高空间分辨率的优势[3]。本文利用毕节市19612013年八县区气象站的雷暴地面观测资料，分析雷暴日的时空分布特征，并利用20062015年闪电定位系统观测资料来分析地闪的时间变化特征和强度特征，通过对地闪密度的分析来确定毕节市雷电的易发区域。
1 雷暴日特征
1.1 雷暴强度划分
我国一般根据年平均雷暴日数来划分某地区的雷暴强度：
少雷区：年平均雷暴日数在15天及以下的地区；
中雷区：年平均雷暴日数在15天以上、40天以下的地区；
多雷区：年平均雷暴日数在40天以上、90天以下的地区；
强雷区：年平均雷暴日数在90天以上的地区。
表1毕节市19612013年雷暴日数观测资料统计显示，全市年平均雷暴日数为52.8天，各气象站雷暴日都大于40天，均属于多雷区。最大值为纳雍的61.8天，其次为威宁的60天，最小值为金沙的42.6天。
1.2 雷暴日数空间分布
从毕节市19612013年各气象站平均雷暴日数的分布（图1）来看，我市雷暴中心在西南部的纳雍、威宁一带，自西南向东北逐渐减少。这种分布形势与毕节市的地形分布有一定的关系，毕节市地势自西南向东北呈阶梯状逐级下降，系统自北向南移动时，地形的抬升作用有利于强对流天气的发生发展，导致西南部对流活动旺盛，多雷暴天气。
1.3 雷暴日数年际变化
由毕节市19612013年各气象站雷暴日数观测资料统计（图2）显示，各气象站之间总体趋势一致，1983年之前为毕节市雷暴的多发期，年平均雷暴日数在5570天左右浮动，1984年后雷暴日数明显减少，年平均雷暴日数在4050天左右。其中1963年雷暴日数最多，平均为85天，2011年最少，平均为32天。比较单站的年际变化发现，极端最高年雷暴日数为1963年纳雍的99天，极端最低年雷暴日数为2003年金沙的20天。
1.4 雷暴日数月际变化
从各站的月际变化（图3）可以看出，毕节市全年均有雷暴出现，冬季（12月、1月及2月）的雷暴日数最少，4月开始显著增加。毕节市雷暴主要集中在48月，约占全年的81.5%，7月和8月是出现雷暴最多的月份，约占全年的39%。
2 地闪特征
2.1 地闪次数月际变化
从毕节市20062015年的地闪次数月际变化（图4）中可以看出，地闪次数的月际变化趋势与雷暴日数的变化趋势基本吻合。68月是闪电活动的高发期，地闪次数占全年的64.5%，其中8月地闪最为频繁，但正闪次数在6月最多。12月和1月闪电活动最弱。
2.2 地闪次数日变化
从地闪次数的日变化分布（图5）来看，闪电活动的发生有明显的日变化，下午到上半夜闪电活动最强烈，主要集中在1524时，占全天的78.1%，在1718时达到峰值。这是由于午后地表强烈吸收太阳辐射，近地面气温升高，形成不稳定层结，能量的积聚在傍晚前后达到最大，有利于雷电活动的发生。下半夜气温下降，不稳定能量减少，闪电活动逐渐减弱，到上午0811时地闪次数最少。
2.3 地闪强度特征
表2 毕节市地闪频率和平均强度表明，10年（20062015年）内毕节市总地闪次数为995993次，其中负地闪次数为965565次，占总地闪次数的96.9%，而正地闪次数仅為30428次，占总地闪次数的3.1%，但正地闪平均强度达到58.1kA，明显高于负地闪强度。从图6可知，毕节市地闪强度主要集中在2050kA，该区间内的地闪次数占总次数的58.4%。
3 人工观测与闪电监测雷暴日对比分析
3.1 雷暴日对比分析
由图7可见，毕节市闪电监测的雷暴日比人工观测的多。其原因在于器测的雷暴日为县境范围内的落雷日，不管雷声大小，只要有落雷都能被仪器探测到；而人工观测的雷暴日，由于气象站点大部分建在城区或郊区附近，城市的各种噪声给人工判断带来了很大的困难，特别是白天受影响最大，经常会产生漏记、迟记的现象，就是在远离城区的站点，在人们的活动越来越频繁的今天，这种情况也是会有发生的。因此器测雷暴日比人工观测到的雷暴日更为合理。
3.2 平均雷击大地密度对比分析
传统的平均雷击大地密度是由人工观测雷暴日数进行估算的，其公式是：
Ng=0.024T1.3d
式中，Td为年雷暴日数。 由表3可见，以人工雷暴日数来估算平均雷击大地密度并没有考虑实际土地面积，与地闪次数计算的平均雷击大地密度有一定的差距。说明以人工观测雷暴日数估算的平均雷击大地密度来进行雷电灾害风险评估与防雷工程检测工作不够准确和客观，应当考虑以器测雷击大地密度来进行此类工作：在雷电灾害风险评估中，运用闪电定位系统数据，可以根据建设项目的初步设计，对项目可能存在的风险针对性的进行分析；在防雷工程及检测中，可以准确地统计出建筑物处的雷电活动参数，科学地设计防雷工程，有针对性的进行防雷检测，同时为雷电预警提供参考信息；在雷电灾害鉴定中，可以及时提供准确的雷击位置及时间，保证鉴定结果客观公正。
4 雷电易发性区划
4.1 地闪密度
地闪密度是单位面积内年均闪电活动发生的次数，表征雷电活动频繁程度。因此，采用闪电密度作为区划等级数据指标。
毕节市地闪密度分布存在地域性差异，整体分布由南向北递减。其中织金中西部为地闪密度极高值区，年均地闪密度高于7.00次/km2。
4.2 等级划分
区划等级划分采用数据聚类方法——自然断点分级法。该方法的原理是减少类的方差，最大限度地提高类之间的差异。计算采取重复迭代过程，通过重复计算不同的数据集，以确定最小的类方差，直到偏差的总和达到最小值为止。
其公式为：
SSDi-j=∑jk=iAk-meani-j21≤i
将易发等级划分为高、中、低三级，按0.005°×0.005°的地闪密度值进行自然断点分类，得出2.41、3.92两个断点，以此划分毕节市雷电易发性等级（表4），得到其雷电易发性区划图。
如图8所示，毕节市雷电高易发区主要集中在市南部，即赫章东南部、纳雍西南部和织金大部地区；七星关、大方、黔西等地为中易发区；威宁、赫章北部和金沙为低易发区。
5 小结
（1）通过对毕节市雷暴日特征的分析，毕节市各县区均属于多雷区，全市年平均雷暴日数为52.8天，雷暴日分布自西南向东北逐渐减少，全年雷暴主要集中在48月，约占全年的815%；1983年之前为毕节市雷暴的多发期，年平均雷暴日数在5570天左右浮动，1984年后雷暴日数明显减少，年平均雷暴日数在4050天左右。
（2）通过对地闪特征的分析，地闪次数的月际变化趋势与雷暴日数的变化趋势基本吻合；68月是闪电活动的高发期，地闪次数占全年的64.5%，其中8月地闪最为频繁；闪电活动的发生有明显的日变化，下午到上半夜闪电活动最强烈，主要集中在1524时，占全天的78.1%，在1718时达到峰值。
（3）由人工观测与闪电监测雷暴日对比分析，畢节市闪电监测的雷暴日比人工观测的多，大部地区以地闪次数计算的平均雷击大地密度高于以人工雷暴日数来估算平均雷击大地密度。
（4）毕节市雷电高易发区主要集中在市南部，即赫章东南部、纳雍西南部和织金大部地区；七星关、大方、黔西等地为中易发区；威宁、赫章北部和金沙为低易发区。
（5）因闪电定位系统存在一定的探测误差及探测盲区，待威宁站的三维闪电定位仪建成后将进一步提升毕节全市的闪电探测覆盖范围和精度，因此雷电易发区域分布也将根据雷电资料的逐年累积而变化。
参考文献：
[1]胡新华.人工观测与闪电定位探测雷暴日资料的对比分析[J].江西气象科技，2005，28（3）：5556.
[2]张日高，张良春，余建华.利用监测与人工观测数据计算的雷击大地密度比较[J].气象与减灾研究，2010，33（3）：6667.
[3]刘垚，廖启龙，刘淼，等.杭州市雷电活动特征及雷电灾害区划[J].气象与减灾研究，2011，34（4）：6267.
[4]丁旻，李强，吴安坤.贵州地区地闪的分布特征及防护效率分析[J].防灾科技学院学报，2013，15（1）：1116.
[5]刘丽萍，沈锡清，张好成，等.毕节地区雷暴活动的时空特征[J].贵州气象，2008，32（2）：1315.
基金项目：此文为贵州省毕节市气象局开放基金《毕节市雷电活动特征及雷电灾害风险等级区划》资助。项目任务书合同编号：BJKF[2017]01号