镇江地区闪电时空特征及相关性分析

包佳渺，李鹏飞，王晓萍，缪士荣，曹洪亮

(1.南京信息工程大学，南京　210044；2.扬中市气象局，江苏扬中　212200)



镇江地区闪电时空特征及相关性分析

包佳渺1，李鹏飞1，王晓萍2，缪士荣2，曹洪亮1

(1.南京信息工程大学，南京210044；2.扬中市气象局，江苏扬中212200)

摘要：利用2006—2013年国家雷电监测网定位资料和镇江地区自动气象站观测资料，分析镇江地区雷电活动特征及其与降水量、气温的相关性，结果表明：镇江地区闪电主要分布在6—9月，7、8月最多；12—14时及16—18时为闪电的两个高峰时段，这与盛夏强对流多发生在午后至傍晚有关。平均地闪密度为5.33 次/(km2·a)，最大地闪密度达9.46 次/(km2·a)，属于闪电较多地区。95%的闪电雷电流强度在100 kA以下，72.81%集中在10 ~ 40 kA。月平均降水量、月平均温度分别与月平均闪电频次存在较强的正相关性，其中月平均降水量与月平均闪电频次正相关性最强。

关键词：镇江地区；闪电；时空特征；相关性

闪电是发生在大气中的一种自然放电现象，具有高电压、大电流、强电磁辐射等特征，对陆地建(构)筑物具有很大的危害性，甚至造成人员伤亡。

近年来随着闪电观测技术的发展，使得闪电相关方面的研究受到越来越多的重视。国内外许多学者对雷电活动规律进行了大量研究[1-5]。冯桂力等[6]利用山东电网雷电监测定位系统监测到的地闪资料，从闪电的日变化、强度、密度等方面研究了山东地区的雷电分布特征。杨碧轩等[7]、刘宏[8]利用陕西省ADTD闪电定位资料分别分析了2013年和2011年陕西省雷电活动特征。杜波等[9]对黑龙江省闪电时空分布特征以及与月平均降水量、月平均气温的关系进行了分析，指出黑龙江省闪电频次与月平均降水量呈较好的线性相关，与月平均气温呈较好的指数相关。统计分析镇江地区的闪电分布特征，分析闪电与气象资料的相关性，为镇江地区防雷减灾提供科学依据。

1资料与方法

采用2006—2013年全国闪电定位系统的监测资料和镇江地区自动气象站观测资料，分析镇江雷电活动特征及其与月平均降水量、月平均温度的相关性。

由于闪电定位原始资料不能直接使用，需要利用MATLAB对原始资料进行处理，提取的闪电数据参量主要包括闪电密度、强度、发生时间以及经纬度坐标等。另外，闪电定位的误差造成区域边界外闪电记录较多，因此应用inpolygon函数[10]剔除镇江地区区域之外的闪电数据，提高统计的准确性。根据表1的统计结果显示，镇江地区每年有20%～36%的闪电发生在边界外。

2闪电活动特征

2.1时间变化特征

2.1.1月、季特征根据冯桂力[6]、王欣眉等[11]的研究表明，闪电的季节分布特征明显，一般夏季闪电较多，冬天闪电较少。结合图1和图2来看，镇江地区雷电活动月分布呈现单峰特征，闪电主要分布在6—9月，7、8月最多且与总闪电频次接近，其中2010年这两月的闪电频次为15 602次，占全年总闪电的78.21%。9月闪电迅速减少，10月至次年2月雷暴活动较少，3、4月闪电开始增多，6月闪电迅速增加。总之，镇江地区夏季雷电最多，冬季最少。镇江地区负闪频次远多于正闪，主要原因是对流云中负电荷主要位于云体的下部，正电荷主要位于云体的上部，因此云的主体部分和地面之间的放电大多为负闪。

表1　2006—2013年镇江地区利用MATLAB提取的闪电次数和应用Inpolygon剔除边界外闪电次数统计

图1　2006—2013年镇江闪电频次月分布图

图2　2006—2013年镇江各月闪电频次日变化图

镇江地区夏季盛行东南风，受副热带高压控制，导致气候炎热，地表水汽蒸发量巨大；与此同时，镇江地区地形地貌比较复杂，以丘陵岗地为主，地形起伏明显，容易抬升气流，造成盛夏7、8月对流旺盛，云体发展高，有利于云内正负电荷在不同部位形成与累积，导致云中正负电荷放电概率增大，放电次数增多，造成夏季闪电最多。

2.1.2日变化特征由图2可看出，一天中闪电活动的高峰期为12—14时以及16—18时两个时段。其中13时和17时为两个主峰值发生时段，闪电频次的日变化呈现双峰形式。其中，17时发生闪电的频次较13时更多。发生闪电的低频时段为2—10时以及 20—24时。因此，镇江地区闪电活动在一天中的变化规律为下午最频繁，早晨闪电活动最弱。下午太阳辐射最强，潮湿地区地面蒸发较快，空气上升加剧，形成对流，闪电在下午发生最为频繁。太阳落山后，辐射锐减，气流趋向于稳定，因此闪电活动较少，早晨最少。统计结果与镇江地区最常见的大气对流活动规律基本一致。

2.2地闪密度与强度的空间分布特征

地闪密度和强度是雷电防护最重要的两个参数，能够直接反应区域内的闪电空间分布特征。镇江地区平均地闪密度为5.33 次/(km2·a)，最大地闪密度达9.46 次/(km2·a)，最小为0.035 7 次/(km2·a)，属于闪电较多的地区。由2006—2013年镇江地区闪电密度分布图(图3a)可以看出，镇江地区地闪密度呈“中部大，两边小”的分布状态，在镇江地区中部区域，主要是镇江市辖区、丹徒县的中部以及丹阳市西北部地区具有较大的地闪密度。由闪电强度分布图(图3b)可以看出，镇江地区闪电雷电流幅值主

图3　2006—2013年镇江闪电密度(a单位为次/(km2·a)) 和强度(b 单位为kA)分布图

要集中在0~60 kA。在镇江地区没有典型的带状强雷电流分布特征，部分雷电流强度较大的闪击点主要呈点状分布。

2.3雷电流强度特征

镇江地区2006—2013年共发生139 641次闪电，闪电强度均值为27.49 kA。年均总闪电频次为17 455次，其中负闪电共16 807次，约占总闪电的96%，平均雷电流强度为26.48 kA；正闪为648次，约占4%，平均雷电流强度为58.01 kA。

图4为镇江地区雷电流强度概率图。由图4可看出，镇江地区雷电流强度幅值主要集中在10~40 kA，其出现概率为72.81%。其中，雷电流强度为20 ~ 40 kA的闪电出现概率为49.81%。雷电流强度大于100 kA的闪电出现概率较小，约为0.86%。

图4　2006—2013镇江闪电雷电流强度概率图

取逐时的闪电强度均值为样本个例，统计2006—2013年镇江地区各月所有闪电强度样本，制成方框-端须图(图5)。由图5可以看出，镇江地区除1月和12月外，其他月份均有50%的闪电强度分布在30 kA内。95%的闪电雷电流强度在100 kA以下，但12月50%的闪电雷电流强度在100 kA以内。

图5　2006—2013镇江闪电强度方框-端须图

3闪电频次与降水量和温度相关性分析

从图6可以看出，镇江地区2006—2013年月平均降水量(月平均温度)的分布形态为7、8月多(高)，其它月份以此为中心向两边依次减少(降低)，与闪电频次的月分布(图2)特征类似。为了进一步验证其相关性，利用Pearson相关性分析[12]，计算得出月平均降水量、月平均温度与月平均闪电频次之间的相关系数(|r|)分别为0.821和0.690，说明镇江地区月平均降水量、月平均温度与月平均闪电频次均存在相关性，其中月平均降水量与月闪电频次相关性最强，在0.01的显著水平下呈显著正相关(0.8≤|r|<1)。一年之中，降水量较多的月份，其闪电频次也较多；降水量少的月份，闪电频次较少。同样，月平均温度和月闪电频次呈强相关性(0.6≤|r|<0.8)。因此，一年之中，月平均温度低的月份，其闪电频次较少；月平均温度高的月份，闪电频次较多。

图6　2006—2013年镇江月平均降水量、月平均温度图

4结论

(1)镇江地区年雷电活动主要呈现单峰特征，闪电主要分布在6—9月，其中7、8月最多，这与盛夏7、8月对流旺盛有关。

(2)镇江地区闪电活动日变化高峰期为12—14时以及16—18时两个时段，其中，13时和17时为主峰值发生时段，17时发生闪电的频次较13时更高。这与镇江地区的大气对流活动规律基本一致。

(3)镇江地区平均地闪密度为5.33 次/(km2·a)，最大地闪密度达9.46 次/(km2·a)，属于闪电较多的地区，地闪密度呈"中部大，两边小"的分布状态。镇江地区没有典型的带状强雷电流分布特征，部分雷电流强度较大的闪击点主要呈点状分布。95%的闪电雷电流强度在100 kA以下，72.81%集中在10 ~ 40 kA。

(4)镇江地区月平均降水量、月平均温度分别与月平均闪电频次存在着较强的正相关性。其中，月平均降水量与月平均闪电频次正相关性最强，月平均温度次之。

参考文献：

[1]Knupp K R. Analysis of a small，vigorous mesoscale

convective system in a low-shear environment Part I：Formation，radar echo structure，and lightning behavior[J].Monthly Weather Review，1998，126(7)：1812-1836.

[2]Bard A Z，Steven A R. Cloud-to-ground lightning activities in the contiguous united states from 1995 to 1999 [J]. Monthly Weather Review，2001，129(5)：1000-1019.

[3]陆茂，李一丁，卜俊伟.大气电场仪在雷电预警中的应用[J].高原山地气象研究，2014，34(3)：83-85.

[4]魏巧洁，张海鹏，张艳莉.黄陵雷暴时空活动特征分析[J].陕西气象，2015(S1)：14-17.

[5]马明，吕伟涛，张义军，等.中国雷电活动特征分析[J].气象科技，2007，35(增刊)：1-7.

[6]冯桂力，胡先锋，李采莲，等.青岛地区闪电活动气候特征[J].陕西气象，2009(S1)：1-4.

[7]杨碧轩，高菊霞，王洁，等.2013年陕西省雷电活动特征分析[J].陕西气象，2014(5)：41-43.

[8]刘宏.2011年陕西省雷电活动特征分析[J].陕西气象，2012(5)：33-35.

[9]杜波，肖稳安，马启明.黑龙江省闪电活动及与降水、气温相关特征分析监测资料[J].气象科技，2010，38(6)：798-804.

[10]杨仲江，江珂，曹洪亮，等.基于inpolygon的区域外闪电剔除方法研究[J].灾害学，2014，29(3)：72-76.

[11]王欣眉，宋琳，王新功，等.1971—2008年青岛地区雷电时空分布特征[J].气象与环境学报，2011，27(4)：39-43.

[12]张宇镭，党琰，贺平安.利用Pearson相关系数定量分析生物亲缘关系[J].计算机工程与应用，2005(33)：79-82+99.

贾晨刚，李亚丽. 基于海拔高度的质控方法本地化策略[J].陕西气象，2015(6)：26-29.

基金项目：自动站国家级与省级质量控制系统的对比研究(2013M-26)

作者简介：贾晨刚(1982—)，男，汉族，陕西户县人，硕士，高级工程师，从事气象信息业务工作。

收稿日期：2015-06-23

文章编号：1006-4354(2015)06-0026-04

中图分类号：P427.32

文献标识码：A