2007—2019年湖北省地闪分布特征及雷电强度等级划分

余田野 王学良 张科杰 赵涛 王小飞

(湖北省防雷中心，湖北 武汉 430074)

引言

雷电是发生于自然大气中的一种瞬态大电流、高电压放电并伴随有雷声的现象。云对地的放电，被称为云地闪，其产生的有大电流、高电压、强电磁辐射等物理效应，常常对人类生产生活造成影响[1-2]。据统计，2000—2008年湖北省发生雷击事故千余起，造成直接经济损失数亿元，因雷击造成伤亡达378人[3]。随着社会和经济的快速发展，闪电所造成的危害也日趋严重，尤其是针对各类微电子设备已造成严重威胁。因此，针对雷电活动及其变化规律的研究，一直受到国内外学者重视，对其研究也在不断深入。

早期的雷电资料以人工观测为主，20世纪80年代末，中国成功研制出雷电定位系统(Lightning Location System，LLS)，可实时监测云地闪电发生的位置、时间、强度和极性等参数，为研究雷电活动特征提供了基础数据，该系统目前已广泛应用于雷电业务与研究中[4]。国内学者针对江苏[5]、山东[6]、安徽[7]、江西[8]、河南[9]、重庆[10]等地区的闪电特征进行了分析研究，部分地区对雷电灾害进行了统计分析。杨敏和杨晓亮[11]利用京津冀地区2007—2015年闪电监测数据和雷暴观测资料，分析了地闪强度、频次、密度等雷电参数分布特征。江崟等[12]利用深圳的地闪资料以及雷暴日观测资料，对云地闪电的时空分布特征以及雷暴日的变化趋势进行了分析。王学良等[13]采用2006—2009年的观测资料对湖北地区地闪时空分布特征进行了研究分析，但时间尺度相对较短。闪电活动地域性差异显著，上述文献针对不同时空尺度雷电参数的研究有待进一步深入，且未将地闪密度、雷电流强度等雷电参数进行融合分析，在雷击事故调查、雷击风险评估等实际应用中，常常需要对区域雷电强弱进行描述。为此，本文选取湖北省ADTD(Advanced Direction Finding on Time Difference)第2代地闪定位系统近13 a的监测资料[14]，统计分析地闪频次、地闪密度、雷电流强度等雷电参数分布特征，同时，在综合考虑区域地闪密度和雷电流强度的基础上引入了雷电强度概念，建立区域雷电强度等级划分模型，并将湖北省雷电强度划分为3个等级，以期为防雷工程设计、雷击事故调查和雷击风险评估等业务提供客观依据，以及为相关决策服务与科研工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

湖北省ADTD雷电定位系统于2006年建成，有13个探测子站。该系统是由中国科学院空间科学与应用研究中心研制，主要用于探测云地闪电，单站探测范围约为150 km，时间精度优于10-7s，组网后网内理论定位精度优于300 m，理论探测效率在80%以上(图1)，雷电流幅值采用多站信号强度归一化(100 km)处理方法，网内相对误差优于15%[15]。根据湖北省ADTD雷电定位系统2007年1月1日至2019年12月31日的监测资料，为提高云地闪电的资料质量和定位精度，剔除了雷电流强度绝对值小于2 kA和大于300 kA的数据。分别统计年、月、日以及逐日各小时的正、负、总闪电频次和雷电流幅值。分别统计00—01时(00时≤时刻<01时,下同)，01—02时，…，23—00时段的闪电资料标记为00时，01时，…，23时的资料。每日00—23时(00时≤时刻≤23时，下同)、08—20时(08时≤时刻<20时，下同)、20时至次日08时分别代表全天、白天和夜晚。采用3—5月(3月≤月份≤5月，下同)、6—8月和 9—11月分别代表春、夏、秋季。

红色虚线为湖北省边界线

利用ArcGIS软件空间分析模块中的渔网工具进行湖北省区域网格划分，设定区域网格范围为3 km×3 km，并将划分后的各网格作为统计雷电参数的基本单元(简称“统计网格”)，开展雷电参数空间特征分析[14,16]。此外，本文还使用了湖北省1∶250000区、县(市)行政区划边界矢量数据，该数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。

1.2 雷电强度等级划分

1.2.1 评估指标的选取

地闪密度和雷电流强度等参数常用于反映区域雷电的强弱特性，是区域雷击风险评估、防雷工程设计等重要基础数据[14]。考虑到雷电流波头陡度是由雷电流强度反演计算得到，误差相对较大，本文选取地闪密度和雷电流强度2个评估指标表征区域雷电强度。评估指标定义如下：

(1)地闪密度Ng。地闪密度是指每平方千米每年发生云地闪电的频数，也称为雷击大地密度，其值的大小反映区域雷电的活跃程度，单位为次·km-2·a-1。

(2)雷电流强度I。其大小反映了累积电荷数或雷电能量释放的强弱程度，由其产生的热效应、机械力效应、冲击波效应以及静电感应是造成生命财产损害的主要形式，单位为kA。

1.2.2 建立雷电强度指标模型

通常各项指标数值越大，其反映的区域致灾性也越强。本文通过2个评估指标相乘的方法获得区域雷电强度指标，其计算公式为：

L=Ng×I

(1)

式(1)中，Ng为区域地闪密度值，单位为次·km-2·a-1；I为区域平均雷电流强度值，单位为kA/次；L为区域雷电强度指数，单位为kA·km-2·a-1，其物理意义为某一区域单位面积每年发生云地闪电雷电流强度的总和。

2 结果分析

2.1 时间分布特征

2.1.1 年变化

2007—2019年湖北省监测到地闪5118406次，其中正地闪占闪电总频次的5.3%，负地闪占94.7%。湖北省正地闪百分比高于江西省的3.0%[8]以及河南省3.5%[9]的比例，但低于京津冀地区7.8%的比例[11]。表1为2007—2019年湖北省闪电频次、雷电流强度年际变化。由表1可知，湖北省2007—2019年总闪电频次为142111—769148次，年平均总闪电频次为393724次，近13 a总闪电频次波动减少趋势明显。2008年总闪电频次最多，为769148次，2019年总闪电频次最少，仅为142111次，前者是后者的5.4倍。近13 a正地闪比例呈波动增加趋势，2007年正地闪比例最小为3.4%，2016年正地闪比例最多达12.3%。湖北省绝大多数年份白天总闪电频次大于夜晚，昼夜总闪电频次比值为0.9—2.0，年平均白天总闪电频次是夜晚的1.4倍。

表1还表明，湖北省总闪电各年平均强度范围在33.4—40.5 kA，近13 a平均为37.0 kA，正地闪强度范围为45.0—56.9 kA，平均为50.2 kA，负地闪强度范围为32.8—39.1 kA，平均为36.0 kA。各年平均正地闪强度均大于负地闪强度，平均偏大14.2 kA，各年白天平均闪电强度均小于夜晚，平均偏小2.6 kA。由此可知，湖北地区正地闪平均强度大于负地闪，夜晚平均闪电强度大于白天。

表1 2007—2019年湖北省地闪年际变化

2.1.2 月变化

由图2可知，2007—2019年湖北省负地闪频次的月变化特征与总闪电一致，主要呈单峰型特征，峰值均出现在7月，其主要原因是由于湖北地区云地放电以负地闪为主，负地闪频次占总闪电的94.7%。正地闪频次月变化特征大致呈双峰型特征，主峰在7月，次峰在4月。湖北地区1—7月总闪电和负地闪频次呈逐月增加趋势，7月增加明显，正地闪频次整体呈增加趋势，但在4月有小峰值出现；8—12月，闪电频次明显减少，其中9月急剧减少。每年3—9月平均发生闪电4983016次，占闪电总数的97.4%，为雷电集中发生期；其他月份闪电频次占全年的2.6%，为雷电少发期；7—8月为雷电高发期，闪电频次占全年的67.0%，其主要原因是7—8月空气中的水汽含量较为充沛，对流发展旺盛，有利于雷电的形成[17]。湖北省月平均正地闪百分比为13.9%，1月和12月正地闪百分比较高，分别为34.7%、46.0%，其余月份正地闪百分比相对较低，平均为3.4%—16.7%，其中8月湖北省正地闪百分比最小，为3.4%。

图2 2007—2019年湖北省闪电频次月变化

由图3可知，2007—2019年湖北省总闪电和负地闪各月雷电流强度变化规律较为一致，1月和12月雷电流强度相对较高，其余月份雷电流强度分布呈波动变化。正地闪强度月变化大致呈“V”型，各月平均强度均大于总闪电和负地闪，各月平均差为4.6—30.4 kA，其中2月差异最大，分别为26.9 kA和30.4 kA。正地闪强度各月波动幅度较大，最大值与最小值相差23.4 kA，分别为总闪电和负地闪强度变化幅值的1.6倍和2.8倍左右。1—8月，正地闪强度整体呈明显减少趋势，1月平均正地闪强度为66.5 kA，8月仅为43.1 kA，前者为后者的1.5倍；8—11月，正地闪强度逐月增加至56.6 kA，12月减少至50.1 kA。

图3 2007—2019年湖北省雷电流强度月变化

2.1.3 日变化

由图4可知，2007—2019年湖北省闪电频次日变化呈明显的单峰单谷型，总闪电与负地闪频次变化曲线基本相同，最大值出现在16时，分别为455462次和440205次，16时以后开始逐渐减少，至次日10时达到最小值，分别为72828次以及65492次，10—16时闪电频次逐小时快速增加，总闪电和负地闪频次最大值是最小值的6倍以上。正地闪频次最大值发生在17时，为16267次，最小值发生在11时，为6967次，一天中正地闪比例为3.1%—10.1%，其中高值区出现在07—11时，平均为9.0%，该时段闪电活动最弱。

图4 2007—2019年湖北省闪电频次日变化

统计资料表明，一天中湖北省闪电主要发生在13时至次日01时，期间闪电频次占全天总闪电频次的75.5%，其中主要发生在14—20时，占全天总闪电频次的51%，而上午10—11时雷电活动最弱，其主要原因是午后太阳辐射较为强烈，地面温度不断升高，近地层温度随高度变化的幅度较大，导致大气层结的不稳定度也较大，垂直方向对流产生的热力条件较好，较易形成闪电[17]。由此可知，湖北省正地闪频次的最大和最小值比总闪电和负地闪各推迟1 h，14—20时是一天中闪电频次的高发时段，也是雷电灾害防御的重点时段。

由图5可知，湖北省总闪电与负地闪强度逐小时变化曲线基本一致，大致呈单峰单谷型，13—14时左右闪电强度最小，分别为34.1 kA以及33.6 kA，14时以后闪电强度呈波动式增加，至次日05时达到最大值，分别为39.4 kA、38.2 kA，05—14时呈波动式减少趋势。正地闪逐小时闪电强度均明显大于总闪电和负地闪，正地闪强度在15时以后呈波动式增加，至次日09时达到最大值为55.1 kA，09时以后呈波动式减少，至15时达到最小值44.8 kA，其中12—15时，正地闪强度下降最为明显。

图5 2007—2019年湖北省雷电流强度日变化

2.1.4 季节性变化

为进一步研究湖北省地闪活动的季节特征，以日为单位统计闪电活动事件的特征，包括日总闪电频次、日正地闪占总闪电的比例、日总闪电平均强度峰值时段、日总闪电平均强度等。本文在统计2007—2019年湖北省春、夏、秋季日地闪资料的基础上，绘制小提琴图(图6)，以便直观显示地闪分布特征及其概率密度情况。由图6a可知，春季日闪电频次上、下四分位数以及中位数对应的值分别为227、3和14次，说明春季日总闪电频次在3次以内的占比为25%，227次以内的占比达75%,14次以内的占比为50%。夏、秋季上、下四分位数对应的值分别为3693、39以及30、2次。由此说明，相对春秋两季，夏季日总闪电频次较多，但也最为分散。

图6 2007—2019年湖北省闪电频次(a)、正地闪百分比(b)、闪电强度峰值时段(c)及闪电强度(d)季节性变化

图6b表明，春、夏、秋季日正地闪百分比差异较大，春季日正地闪百分比越高，对应闪电日密度呈减少趋势。相比于春秋两季，夏季日正地闪比例均值较小，且分布相对集中，75%的日正地闪比例在22%以内，其原因可能与雷暴电荷分布有关，由于正电荷主要分布在雷暴云的上部[18]，夏季气温较高，对流云顶高度也较高，因此，正电荷击穿空气对地放电的难度较大，正地闪比例相对较小。不同于春夏两季，秋季日正地闪百分比80%以上及10%以内的密度较大。春秋两季日正地闪百分比较高可能与冰雹等灾害性天气有关[19]，具体原因有待进一步研究。

春季日闪电强度峰值时段分布较为均匀，说明密度分布较为分散(图6c)。66%的夏季日闪电强度峰值发生在中午至傍晚(12—23时)，其中午后14—20时是闪电强度峰值集中发生时段，占44.5%。秋季日闪电强度峰值时段较夏季滞后，夜晚闪电强度峰值比重增加，其中日闪电强度峰值发生在18时至次日05时的占比达74.0%。图6d为湖北省不同季节日闪电平均强度分布特征，由图6d可知，夏季日闪电平均强度分布较为集中，春季分布最为离散。春、夏、秋季日闪电平均强度主要为30—45 kA，密度占比分别达56.7%、71.3%和48.3%。

2.2 空间分布特征

2.2.1 地闪密度空间分布

统计2007—2019年湖北省各统计网格内地闪密度表明，湖北省平均地闪密度为2.1次·km-2·a-1。由图7可知，湖北省地闪密度分布呈明显的地域型分布，低值区主要出现在湖北西南、湖北西北地区以及湖北东部的边缘地区，年平均地闪密度小于1.9次·km-2·a-1；湖北东部和江汉平原西部等区域存在两个地闪密度高值区，年平均地闪密度大于2.9次·km-2·a-1，其一集中分布在在黄冈、鄂州、武汉、黄石以及咸宁一带区域，其二相对分散，主要在宜昌中东部、荆门的西北部以及襄阳南部等区域。

图7 2007—2019年湖北省地闪密度空间分布

2.2.2 雷电流强度空间分布

统计资料表明，湖北省各统计网格平均雷电流强度为37.2 kA，各统计网格平均雷电流强度主要分布在20—50 kA，占统计网格总数的95%。图8为2007—2019年湖北省各统计网格雷电流强度空间分布。由图8可知，湖北省雷电流强度区域分布相对离散，总体上湖北西部山区雷电流强度相对较低，其中房县、保康、神农架、巴东以及宜昌大部分地区雷电流平均强度小于33 kA，湖北中部及湖北东部大部分地区雷电流强度相对较高。湖北省部分边缘地区雷电流强度较高，原因与边缘区域的闪电探测效率较低有关，由于雷电流幅值越大、探测子站数量越多，被探测到的概率也越高[20]，因此，边缘区域小雷电流幅值的云地闪电被探测到的概率较小，导致边缘区域平均雷电流强度相对较高。

图8 2007—2019年湖北省雷电流强度空间分布

为进一步了解地形对雷电流强度的影响，选取闪电理论探测效率均为95%以上的神农架、宜昌北部、襄阳南部以及荆门一带地区进行对比。由图8可知，神农架、宜昌北部、保康等山地丘陵地区的雷电流强度明显小于襄阳、荆门中西部一带平原地区，荆门东部京山县附近受大洪山的影响，雷电流强度相对较低。由此可见，除闪电探测效率较低的边缘区域以外，湖北省雷电流强度的高值区主要分布在平原地区，山地丘陵地区雷电流强度相对较小，与文献[21]的研究结论较为一致。

2.2.3 雷电强度等级的划分

根据1.2.2小节式(1)计算求得湖北省各统计网格对应的雷电强度值L，利用自然断点法将湖北省各统计网格雷电强度划分为高、中、低3个等级，表2为湖北省雷电强度等级的划分区间。根据各统计网格雷电强度值以及等级划分标准，绘制湖北省雷电强度等级空间分布(图9)，对雷电强度不同等级的区域特征归纳如下：

图9 2007—2019年湖北省雷电强度等级空间分布

表2 湖北省雷电强度等级区间

(1)雷电强度高值区。该区域主要集中分布在湖北东部的黄石、武汉、鄂州、咸宁、黄冈等地，其雷电强度高值区域面积分别为73.5%、58.6%、95.5%、54.7%、33.6%。另外，宜昌中部以及宜昌、荆门、襄阳、随州交界区域也存在雷电强度带状高值区。从地形上看，高值区域主要分布在湖北东部的大别山、幕阜山与江汉平原交汇地带以及湖北西部山区向江汉平原的过渡地带，其原因可能与湖北特殊地形有关。有研究表明，地形对强对流天气作用明显，大别山与幕阜山之间常形成中尺度辐合线，湖北西部山地与江汉平原之间的斜坡式过渡带常形成中尺度涡旋，特定的地形促进了该区域中尺度对流云团的形成和发展，容易形成强对流天气[22]。

(2)雷电强度中值区。该区域以湖北中部平原地区为主，荆门、孝感、天门、仙桃、潜江等地雷电强度中值区域面积占比较高，均为70.0%以上，其中仙桃最高为92.5%。宜昌地区雷电强度中值区域面积占比为47.6%，主要集中在宜昌东部平原地区，恩施北部与宜昌交界一带区域雷电强度中值区占比较高，原因可能是受长江水体等下垫面影响，且该区域位于湖北西南、湖北西北的交界地带，地形起伏较大，土壤电阻率梯度变化也相对明显，容易诱发闪电。

(3)雷电强度低值区。该区域以山地丘陵地形为主，主要分布在湖北西南、湖北西北以及湖北个别边缘区域，其中十堰、神农架、恩施等地雷电强度低值区域面积分别为88.1%、99.2%和77.7%。受地形地貌影响，该区域土壤电阻率较高，区域地闪密度相对较低，且除闪电探测效率较低的边缘区域以外，区域大部分地区雷电流强度较小，可能原因是山地丘陵地区海拔较高，雷暴云底离地高度较低，在云中大量电荷形成之前就已达空气临界击穿强度，导致发生大电流幅值的可能性相对较小[23-24]。

3 结论

(1)湖北省年平均正地闪频次占总闪电频次的5.3%，负闪占94.7%，且闪电多发生在白天，昼夜闪电频次比值为1.4。年平均正、负、总闪电强度分别为50.2 kA、36.0 kA和37.0 kA，年平均正地闪强度比负地闪偏大14.2 kA，夜间闪电强度大于白天。

(2)雷电活动主要集中在全年的3—9月、全天的14—20时。随着雷电活动的减弱，正地闪比例增加，极大值集中在12月至翌年1月以及07—11时。正地闪强度月变化大致呈“V”型，总闪电和负地闪强度逐月波动变化。雷电流强度日变化主要呈单峰单谷型，正地闪强度09时最大，15时最小，总闪电和负地闪13—14时雷电流强度最小，05时最大。

(3)春、夏、秋季日闪电平均强度主要分布在30—45 kA，夏季分布较为集中，春季相对离散。夏季雷电活动频发，日正地闪比例较小，日闪电强度分布较为集中，日地闪强度峰值时段主要发生在午后。秋季雷电活动较少，日正地闪比例较大，日闪电强度峰值时段较夏季滞后。

(4)地闪密度和雷电流强度存在地域性差异，整体呈现东高西低分布特征。地闪密度存在两个高值区，一个集中分布于黄冈、鄂州、武汉、黄石以及咸宁一带区域，另一个相对分散，主要在宜昌中东部、荆门西北部和襄阳南部等区域；低值区主要位于湖北西南、湖北西北地区。湖北西部山区雷电流强度相对较低，湖北中部及湖北东部大部分地区雷电流强度相对较高。

(5)区域雷电强度旨在表征区域单位面积每年发生云地闪电的雷电流强度总和，其结果受指标因子选取、资料收集处理等影响，且闪电对地放电具有随机性和复杂性，公式计算结果仍具有一定的局限性。为此，下一步将融合全国联网的闪电数据，引入正、负闪电参数等，不断优化指标模型。