2011—2015年呼和浩特市雷電分布特征分析

金師

摘要 結合2011—2015年包頭市、烏蘭察布市、呼和浩特市不同地理位置共5個閃電定位儀的閃電資料，依照每平方公里落雷密度共選出25個雷擊高發區域進行研究。通過對約7萬組數據的統計分析，結合實際情況和試驗結論，對易受雷擊區域附近土壤電阻率、環境、海拔及相對高度進行灰色關聯分析，得出呼和浩特市區雷擊區域分布特征。

關鍵詞 閃電；時空分布；地理環境；分布規律；內蒙古呼和浩特

中圖分類號 P427.32 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）10-0221-03

Analysis on Distribution Characteristics of Lightning in Hohhot City from 2011 to 2015

JIN Shi

（Hohhot Meteorology Bureau in Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot Inner Mongolia 010020）

Abstract Based on the lightning data of 5 lightning locators collected from different geographical locations in Baotou，Wulanchabu and Hohhot City from 2011 to 2015.According to the lightning density per square kilometer，a total of 25 areas which were vulnerable to lightning were selected. Through the statistical analysis of about 70 000 groups of data，combined with the actual situation and experimental conclusion，the soil resistivity，environment，altitude and relative height near the lightning area were analyzed by grey correlation analysis，and the distribution characteristics of lightning area in Hohhot City were obtained.

Key words lightning；space-time distribution；geographic environment；distribution regularity；Hohhot Inner Mongolia

閃電與氣候變化關系密切，加強閃電監測，研究閃電活動規律、閃電參數以及閃電與氣候變化之間的關系，對于雷電監測預報、防雷減災、項目規劃選址和功能分區布局等問題具有重要意義。由于雷電活動在時間和空間尺度上變化較大，同時對地勢、土壤、電場環境等較敏感，因而有必要針對不同地區閃電活動的特征進行分析研究。

1 呼和浩特地區閃電時空分布規律

閃電是一種復雜的大氣物理現象，是由帶電荷的云層內部、云層與云層之間或云層與大地之間一種長距離瞬間放電現象，具有大電流、高電壓、強電輻射等特征。云地閃對地面物體有較大的危害，常對地面建筑物或其他設施造成雷電災害，甚至人員傷亡。本研究采用的數據為2011—2015年包頭市、烏蘭察布市、呼和浩特市閃電檢測網所探測的云地閃資料，包括閃電發生時間、地點、強度等主要參數[1]。

1.1 土壤電阻率分布特征

呼和浩特市區的土壤電阻率分布規律呈明顯的帶狀分布，在北部沿大青山一線土壤電阻率明顯較高，由北向南呈逐級遞減趨勢。從地理環境上分析，測量區域北側和東北側被山環繞，其他部分逐漸進入高地和平原；從土壤成分的角度分析，北部主要為多巖石的土壤，大部分為未開墾的荒地和林地，沒有灌溉條件，土壤含水量較低。東南區域主要為農田和城市的公園和綠化帶，土壤成分主要為呼和浩特市區自有的潮土，定期人為澆灌，土壤含水量較高。中心部分主要為市區的建筑用地、公園和小區的綠地，土壤成分為回填土，土質空隙大、灌溉較好。以上原因造成了呼和浩特地區土壤電阻率呈帶狀多級分布規律[2-3]。

1.2 閃電發生概況

云地閃資料表明，呼和浩特地區年閃電次數變化較大，最少為2012年，691次，最多為2015年，25 259次，年平均為13 406次。2011年6月至2015年12月共監測到云地閃67 032次，其中，負閃62 204次，占總閃電的92.8%；正閃4 828次，占總閃電的7.2%。負閃出現次數較多的主要原因是大部分積雨云上部帶正電荷，下部帶負電荷，因而云地閃在大多數情況下為負閃。我國長江南部正閃約占總閃電數的5%，華北地區約占10%，呼和浩特市在兩者之間。正、負閃比例一般與局部地形結構、氣候特征以及云層結構有關[4-5]。

1.3 日變化

由圖1可知，呼和浩特市閃電頻次的日變化呈明顯的雙峰雙谷型，2個閃電高峰期分別是2：00—3：00及14：00—15：00，而10：00—11：00及22：00出現最小值。閃電最易發時間為15：00，5年累計閃電次數達7 583次，年平均1 516次；閃電最少發生的時間為10：00，5年累計次數只有717次，年平均143次，與15：00相比，10：00閃電發生次數僅為15：00的9%左右。

定義每小時閃電發生的次數較上小時之差為閃電發生頻率的增加速度，記為a。a>0時閃電發生次數增加，反之為減少。1日之中，從0：00起a值逐漸減小，至3：00達到第1個閃電發生高峰，然后a值波動減少，10：00達到第1個最小值，10：00開始a值逐漸增加，15：00達到第2個閃電高峰，期間a值最快時可達到427次/h，15：00后a值極速減小，22：00達到第2個最小值，期間a值最快可達到-563次/h。呼和浩特地區每日0：00—3：00、11：00—15：00、22：00—23：00對流性雷電天氣發生呈上升趨勢，每日3：00—11：00、15：00—22：00、23：00至次日0：00對流性雷電天氣發生呈下降趨勢。

1.4 月變化

2011—2015年，呼和浩特市春季和冬季（11月至次年4月）共發生閃電253次，占總閃電次數的0.38%，其中，正閃68次，負閃185次，正負閃比例為1.0∶2.7；夏季和秋季（5—10月）共發生閃電66 778次，占總閃電次數的99.62%，其中，正閃4 760次，負閃62 018次，正負閃比例為1∶13。正負閃比例季節變化明顯，說明氣溫較低的季節比氣溫較高的季節更易發生正閃。由圖2知，2011—2015年呼和浩特市1—7月閃電次數呈逐月增加趨勢，7—12月閃電次數逐月減少，7—8月閃電次數最多。

1.5 閃電強度分布特征

由圖3可知，呼和浩特地區正負閃電強度分布差異較大，正閃主要分布在0～100 kA，負閃主要分布在0～60 kA。

在0～40 kA區間內正閃強度占比隨閃電強度的增加而增加，30～40 kA區間占比達到最大，為19.02%；而負閃在0～40 kA區間內增加較快，在20～30 kA區間達到頂峰，占比為44.24%。在0～40 kA區間內負閃占比高于正閃，而當閃電強度>40 kA時，正閃占比高于負閃。

圖4為呼和浩特地區閃電強度分布情況，可以看出東北、西北、西南邊界閃電強度較中部地區高。按地形分布來說，地勢平坦地區閃電強度較低，而山地、河流附近強度較高。

1.6 閃電密度分布特征

呼和浩特地區閃電密度分布呈明顯的地域性差異，經統計，2011—2015年呼和浩特地區閃電密度為3.89次/km2。主要落雷區域集中在“三橫一縱”4個區域中，這4個區域落雷密度可達10次/km2以上。第1個區域由西北部山區經過哈素海，沿黃河邊界自北向南延伸到西南部窯溝鄉；第2個區域由西北部山區沿市區北部山脈向東延伸至行政區邊界；第3個區域由清水河王桂窯鄉當陽橋水庫沿河流區向東延伸至新豐鄉，第4個區域由清水河城關鎮向西南延伸至韭菜莊鄉。

2 雷擊區域分析

由于呼和浩特地區面積大、數據采集難度高，故本文只針對呼和浩特市區做分布規律分析。本次研究中把市區分割成1 km2的點進行累計次數統計。篩選數據后，選出累計次數較高的25個點，再根據市區建筑物相對高度、人員密集場所選出5個點進行分析。

2.1 灰色關聯分析法概述

2個系統間的因素隨時間或不同對象而變化的關聯性大小的量度，稱為關聯度。在系統發展過程中，若2個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，即二者關聯程度較高；反之，則較低。因此，灰色關聯分析方法是以因素之間發展趨勢的相似或相異程度（灰色關聯度）作為衡量因素間關聯程度的一種方法。

為了研究呼和浩特市市區閃電發生與環境之間的關系，本文采用灰色關聯分析法進行分析。雷擊發生往往與周圍的土壤電阻率、地形、導電環境及物體高度有關。為了便于分析，將閃電發生概率較高的點周邊環境因素劃分為4個，分別是海拔、導電環境、物體高度、土壤電阻率。其中導電環境根據雷擊點周圍實際情況按照含有金屬、樹木等易受雷擊導體的比例以百分數來體現；相對高度以雷擊點范圍內最高物體的實際高度表示；土壤電阻率根據實測研究由高到低分為山地（1 000 Ω·m）、市區表面硬化地（300 Ω·m）、一般土地（250 Ω·m）、林地（150 Ω·m）、耕地（100 Ω·m）共5類。

2.2 分析數列

反映系統行為特征的數據序列稱為參考數列。影響系統行為的因素組成的數據序列稱為比較數列。本文確定雷擊次數為參考數列，即母序列：X0={X0（k）|k=1，2，…，n}。

土壤電阻率、物體高度、海拔、導電環境為比較數列，即子序列：X1、X2、X3、X4。

2.3 數據無量綱化處理

由于系統中各因素的物理意義不同，導致數據的單位不統一，不便于比較，或在比較時難以得到正確的結論。因此，在進行灰色關聯度分析時，要進行數據無量綱化處理。為了更加準確地比較各子序列與母序列的關系，采用極大化、極小化、極差化、均值化、中心化共5種方法分別進行數據無量綱化處理，再對5種結果進行比對。

研究表明，在4個子數列中，除土壤電阻率外，其余數列皆為正相關因素（極大型指標），需先將土壤電阻率轉為極大型指標。設x為原始數值，x′為極大化處理后數值，則

2.4 求參考數列與比較數列的灰色關聯系數

關聯程度實質上是曲線間幾何形狀的差別程度。因此，曲線間差值大小，可作為關聯程度的衡量尺度。對于一個參考數列x0，有若干個比較數列x1，x2，…，xn，各比較數列與參考數列在各個時刻（即曲線中的各個點）的關聯系數ξ（Xi）可由下列公式算出：

式中，ρ為分辨系數，一般在0～1之間，通常取0.5。

2.5 求關聯度

關聯系數是比較數列與參考數列在各個時刻（即曲線中的各個點）的關聯程度值，因而其數值不止1個，而信息過于分散不便于進行整體性比較。因此，有必要將各個時刻（即曲線中的各個點）的關聯系數集中為1個值，求其平均值后，得出各子列與母列的灰關聯度ri，其數值越接近1，說明相關性越好。

利用式（1）（2）可求出5類關聯系數，如表1所示。

海拔因素、土壤電阻率因素對雷擊發生概率的影響大于導電環境因素與物體高度因素，對5組結果均值化后可得出各因素排序為r1>r4>r2>r3。

3 結論

綜合2011—2015年呼和浩特地區的云地閃資料、土壤電阻率資料以及衛星地圖資料，得出如下結論。

（1）呼和浩特地區負閃占閃電總數的92.8%，正閃占閃電總數7.2%，正閃比例高于我國南方大部地區，地域變化是造成這種情況的主要因素。呼和浩特地區春季和冬季正負閃比例為1.0∶2.7，夏季和秋季正負閃比例為1∶13，正負閃比例季節變化明顯，說明氣溫較低的季節比氣溫較高的季節更容易發生正閃。

（2）2011—2015年，11月至次年4月發生閃電次數占總閃電次數的0.38%，5—10月發生閃電次數占總閃電次數的99.62%，7—8月為全年閃電高發期。每日有2個閃電高峰期，分別為1：00—3：00和14：00—16：00，10：00是閃電發生概率最低時段。

（3）閃電強度<30 kA的區間內，負閃頻次百分率與其強度成正比；在20～30 kA之間，負閃頻次占總數40%以上；閃電強度<50 kA的區間內，正閃頻次百分率與其強度成正比；在40～50 kA之間，正閃頻次占總數接近20%。負閃隨強度發生頻率曲線波動較大，正閃較為平緩。

（4）呼和浩特市區內，閃電更容易發生在北部、東北部和東部，西南部發生概率較低。從閃電發生地理因素上分析，閃電更易發生在海拔較高、土壤電阻率較低、導體覆蓋面大、相對高度較高的地方，這4個主要觸發雷擊的因素中，觸發雷擊由易到難分別為海拔、土壤電阻率、導電環境、物體相對高度。

4 參考文獻

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