2010-2016年北京市雷电特征分析

倾鹏程，关育平

(1.中山市气象局，中山 528400；2.成都信息工程大学电子工程学院，成都 610225)

0 引言

雷电灾害被“联合国国际减灾十年”认为是极其严重的自然灾害之一[1]，其不仅会对生命造成危害，还对航天、航空、通信、电力、建筑等国防和国民经济有着很大的影响。中国气象部门从20世纪80年代开始探索防雷减灾技术服务，如今防雷事业不断发展壮大，已经成为气象事业的重要组成部分。

雷电灾害呈上升趋势，每年都造成巨大损失，而雷电活动规律是一个国家和地区的基本气候特征，在气候变化研究方面有重要的科学意义，国内外众多学者对闪电进行了研究[2-5]。

由于现代设备对雷击的敏感性，雷击对建筑、网络信息系统、电气设备、人员安全等造成的事故越来越多，损失也越来越大。研究不同时期雷电特征可以更好地做好雷电防护。

文章对北京2010—2016年的雷电定位数据进行统计分析[6，7]，从时间和空间两个维度，分析北京市闪电的活动特征规律。

1 数据的观测及来源

文章选用中国气象局南郊观测基地闪电监测系统的观测数据资料，系统数据由中国华云气象科技集团公司研制的ADTD 雷击探测仪采集，时钟同步精度达0.1 μs，闪电探测效率为95%，定位精度为300 m。闪电监测定位系统从理论上讲，其核心是通过几个观测站同时测量闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的电流参数。Maxwell方程组和特殊路径上的传播影响，将两者联系起来。

文章选用数据库中2010—2016年的全部闪电活动信息，共计超过34万次闪电数据。

2 闪电活动特征分析

2.1 北京市雷电时间特征分析

2010—2016年，北京市2011年发生的闪电次数最多，为88，219次，2012年发生的闪电次数最少，为30，727次。发生的雷电主要为负闪，正闪相对很少。负闪发生次数为307，276次，占总闪电的90.12%，而正闪发生次数是33，676次，仅占总闪电数的9.88%。根据北京市2010—2016年雷电监测数据，最强的正地闪强度为600.89 kA，最强的负地闪强度为814.81 kA。

闪电的回击过程一直是雷电最重要的过程，会产生很强的回击电磁场，发出强光和强电流。回击过程释放的大量电荷和通道中的巨大电流对各种微电子器件和建筑物造成严重威胁[8]。北京市首次回击峰值电流主要集中在10～40 kA。负地闪首次回击峰值在10～40 kA，其中首次回击20 kA的负地闪占负地闪总数比率最大，约为40%，且随峰值电流的增大而降低。正地闪首次回击峰值范围在20～50 kA，其中，首次回击峰值在30 kA的正地闪出现比例最大，约占正地闪总数25%。

2010—2016年北京夏季(6—8月)累计出现闪电284，236次，该时间段内闪电活动最为频繁，占全年闪电总次数的83.5%，秋季(9—11月)次之，共出现闪电38，774次，占全年闪电总数的11.4%。而冬季(12月至次年2月)闪电次数最少，共出现闪电40次，大约占总数的0.01%。由此可见，闪电活动出现最多的月份为6—8月，其中闪电活动的峰值出现在6月，占全年的33.4%，而12月、1月与2月闪电活动最少，不足1%。整体而言，各季节闪电变化表现出夏季>秋季>春季>冬季的特点。

通过分析，2010—2016年北京市闪电活动表现出较明显的日变化特征。地闪活动在1 d内的分布情况，每个时间点代表之后1 h的地闪次数，可见正负地闪和总闪在时间分布上都有两个峰值，分别是00：00和18：00，而主峰值时段在下午到傍晚时段，次峰值时段在夜晚到凌晨时段，上午则为闪电活动低谷时段。造成这种特征规律的原因是北京市日落时间为18：00左右，上午随着太阳高度角的逐渐升高，地面受到阳光的照射，温度明显上升，低层潮湿控制在热力作用下极易产生热对流，与此同时大气不稳定能量也显著增加，进而导致发生雷暴的可能性也大大增加。

2.2 空间特征分析

雷电定位系统记录的数据包含时间、经度、维度、强度及陡度等信息，文章通过Matlab软件配合雷电定位系统数据采集分析闪电特征情况。首先将北京市划分成5 km×5 km的网格，利用Matlab统计出每个网格里的正闪、负闪和总闪密度，再利用Arcgis软件工具将闪电数据显示出来，得到闪电密度[9]。

北京市闪电高发区域呈现出簇状或片状分布，其中以北京东部、北部山区地区闪电发生频率最高，闪电密度位于4.0次/(km2·a)，主要包括密云区、延庆区等。另外，通州与大兴交界位置处、怀柔与延庆交界位置处、房山中西部等地，区域湖泊、河流与山脉等交错分布，特殊的地貌地形为强对流天气的发生创造了有利条件，使上述区域闪电发生频率居高不下[10]。

3 结束语

文章从时间和空间两个维度进行分析，得出了北京2010—2016年雷电变化特征，主要结论如下：

1)2011年闪电发生次数最多，2012年次数最少。负地闪明显多于正地闪，负地闪约占90.12%，而正地闪仅占9.88%。

2)负地闪首次回击峰值在10～40 kA，其中首次回击20 kA的负地闪占负地闪总数比率最大，约为40%，且随峰值电流的增大而降低。正地闪首次回击峰范围在20～50 kA，其中首次回击峰值在30 kA的正地闪出现比例最大，约占正地闪总数25%。

3)闪电活动在夏季(6—8月)最为频繁，占全年83.5%，其中6月和7月最为频繁，在冬季(11—2月)次数最少。整体而言，闪电变化表现出夏季>秋季>春季>冬季的特点。

4)闪电活动日变化呈现出典型双峰单谷形式，在16：00—18：00出现主峰值，00：00至次日02：00出现次峰值，10：00—12：00出现低谷值。太阳高度角的逐渐升高、大气不稳定能量的增加是发生雷暴的主要原因。

5)北京市闪电高发区域呈现出簇状或片状分布，其中以北京东部、北部山区地区闪电发生频率最高，闪电密度4.0 次/(km2·a)。东部和北部等地要注意雷电防护和灾害防御。