滁州市雷電易發區域劃分研究

張輝 李燕峰

摘 要：基于安徽省2010—2016年7個閃電定位系統監測站ADTD閃電資料，在進行完整性、頻率分布及空間分布等質量分析后，采用界限值、一致性檢驗等方法對其進行質量控制，再對質量控制后的閃電資料進行柵格化處理，以雷電流幅值主要指標采用百分位數法將雷電流強度劃分為一、二、三級，并形成3個等級的閃電格點資料庫。采用GIS繪圖技術，繪制滁州6縣1市不同強度等級的雷電易發區空間分布圖，通過對比分析雷暴日數、海拔高度、地形變化、河網、土壤電阻率等與易發區域劃分結果的相關性，對其進行初步訂正檢驗。

關鍵詞：雷電易發區;雷電流強度;閃電定位;雷暴日;滁州市

Abstract： Based on the ADTD lightning data of seven lightning location system monitoring stations in Anhui Province from 2010 to 2016， after quality analysis such as integrity analysis， frequency distribution and spatial distribution， quality control is carried out by using boundary value， consistency test and other methods， and then the lightning data after quality control is rasterized. The lightning current intensity is divided into one， two and three levels by using percentile method based on the main index of lightning current amplitude， and a lightning grid database of three levels is formed. Using GIS mapping technology， the spatial distribution map of lightning-prone areas with different intensity levels in six counties and one city of Chuzhou was drawn. The correlation between thunderstorm days， altitude， terrain changes， river network， soil resistivity and the results of the division of lightning-prone areas was analyzed and preliminarily revised. Key Words： Lightning Current Intensity in Lightning-prone Areas Lightning Location Thunderstorm Days Chuzhou。

Key words： Lightning-prone areas; Lightning current intensity; Lightning location; Thunderstorm days; Chuzhou City

1 引言

雷電一種極端的放電現象，通常產生于強對流天氣中，并伴有冰雹、大風等惡劣天氣，雷電災害被聯合國相關部門列為“最嚴重的10種自然災害之一”。近年來，隨著經濟社會的發展、電子信息設備的廣泛運用和樓宇智能化的普及，雷擊災害特別是雷電電磁感應對電子信息設備的危害日益凸顯，經常造成嚴重的經濟損失，被IEC列為“電子化時代的一大公害”[1]。

滁州市位于安徽省東部，處于長江中下游平原及江淮流域之間，為南北氣候過渡帶、屬北亞熱帶濕潤季風氣候。受季風氣候、復雜多樣的地形地貌、淮河干流和滁河及高郵湖3大水系的影響，極易出現雷電、冰雹、大風、暴雨、龍卷等災害天氣。據統計，雷電每年都會造成較大的經濟損失和人員傷亡。本研究在安徽省雷電易發區劃分的基礎上，深化精細滁州地區的雷電易發區域劃分，以為城鄉規劃、重大項目選址、農村雷電防御、雷電災害防御體系建設提供科學的參考和技術支撐。

2 資料收集統計和處理

2.1 資料收集 閃電定位資料來自安徽省7個（合肥、阜陽、蚌埠、安慶、六安、黃山、宣城）閃電定位系統監測站2010—2016年6年的觀測數據（圖1）。ADTD閃電定位系統定位的原理是時差法與磁定向法聯合定位方式，其單站探測范圍可達150km左右、探測效率在90%以上，可以觀測雷擊的發生時間、經緯度、電流強度、極性、陡度、回擊次數等13項參數，比LD-Ⅱ型閃電定位系統的準確度更高、誤差更小，在雷電業務、雷災調查鑒定、項目科研中被廣泛應用;雷暴日數資料來源于天長市、明光市、全椒縣、來安縣、鳳陽縣、定遠縣和滁州市本級7個氣象觀測站1980—2011年30年的年雷暴日數觀測數據。雷暴日表征一個地區的雷電活動特征，即1個地區1年中發生雷暴的日數，即便只有1次雷聲也計為1個雷暴日。

2.2 資料處理 受周圍電磁環境和地形地貌等多種因素的影響，ADTD閃電定位系統的探測數據存在一定的誤差和不確定性，若直接引用，會對研究結果的精確性產生影響。為此，本研究針對異常數據和小幅值雷電流數據進行質量處理和控制：

2.2.1 異常數據處理控制 經統計分析滁州市歷年雷暴日和閃電定位觀測資料，滁州市雷暴活動和閃電主要集中在每年的4—10月，而1—3月、11—12月發生雷暴的次數很少，有雷暴活動的觀測日全滁州市僅僅只有單次的閃擊過程。通過對比該日天氣現象探測記錄以及雷達回波觀測資料，當有雷暴發生但氣象臺站沒有雷暴天氣現象記錄、且雷達回波最大強度小于40dBz時，則認為此次回擊是由于周圍電磁環境噪聲或儀器自身造成的異常數據，將不予考慮并予以剔除[2]。

2.2.2 小幅值雷電流數據處理控制 程輝[4]等《基于正態分布擬合與檢驗的閃電定位資料控制》、欒健[5]等《閃電定位資料的誤差訂正》、李家啟[6]等《閃電定位資料質量控制中小幅值地閃范圍的研究》、李京校[7]等《利用SAFIR資料對北京及其周邊地區地閃參數的特征分析》的研究成果表明：雷電流幅值觀測數據符合對數正態模型，剔除10kA以下區間后的地閃數據擬合效果最符合。因此，本研究將雷電流幅值小于10kA的小幅值雷電流數據視作無效和干擾數據，雷電流幅值位于此區間內的正負地閃不予考慮（表1）。

2.3 等級劃分方法 參照安徽省、貴州省雷電風險區劃等級劃分方法，采用自然斷點分級法，結合滁州市及各縣區年雷暴日數介于10～42d，小于90d，屬于中雷區和多雷區的時空分布特征，故從閃電分布、雷電強度和災害風險管理等方面考慮，將滁州市易發區域等級分為高、中等和一般3級。自然斷點分級法（Jenks優化方法）是采用數據聚類，原理是減少類的方差，最大限度地提高類之間的差異，計算采取重復迭代過程，通過重復計算不同的數據集，確定最小的類方差，直到偏差的總和達到最小值為止。

3 雷電風險區劃及防護等級劃分

3.1 滁州市閃電分布和特征 經統計滁州地區閃電定位資料，本研究使用的有效閃電定位數據樣本計853964個，其中負閃813976個，約占總樣本數95.3%。滁州市月平均雷電分布情況見圖2，月雷電幅值均值見圖3。流分析閃電強度分布情況可以得出，正閃最大分布強度主要集中在20～70kA，負閃最大分布強度主要集中在10～60kA（圖4）。

3.2 雷電強度等級劃分標準 “雷電流幅值”是閃電監測數據中的重要指標型參數之一，參照安徽省雷電易發區區劃等級劃分標準，從雷電原理而言，幅值越大，能量越大，雷擊造成的損失也就越大。故滁州市雷電強度等級劃分標準采用百分位數法以雷電流幅值主要指標，將雷電強度劃分為3級（見表2）。

3.3 雷電易發區劃分 詳見圖5、6。

4 雷電易發區域區劃對比分析驗證

《建筑物防雷設計規范》GB 50057—2010版、雷電學原理（陳渭民著）指出，雷電具有選擇性，土壤電阻率、河流、山地及丘陵等地形、海拔高度、地下金屬礦區等環境因子對雷電發生具有較大的影響，不同環境因子影響也不相同。本文將通過與雷暴日數、海拔高度、地形地貌、河流水網、土壤電導率等影響因子的相關性、一致性進行對比分析，對雷電易發區劃分結果進行初步的訂正和檢驗。

4.1 與雷暴日數的空間分布對比分析 滁州市7個氣象觀測站點近30年（1981—2010）年平均雷暴日數的統計結果（表3）表明：年平均雷暴日數最大值出現在來安縣，為30.6d;最小值出現在明光市，為21.5d。從年平均雷暴日數的空間分布來看，滁州6縣1市年平均雷暴日數均小于40d，屬多雷區，來安縣的年平均雷暴日要明顯高于其他縣市，自北向南呈遞增的趨勢。從滁州市雷電易發區劃分結果可以看出，來安縣、天長市、滁州市區明顯高于其他縣市，易發區等級自北向南也呈遞增的趨勢，與雷暴日數的空間分布對比擬合程度和一致性比較高（圖7）。

4.2 對與地形變化及海拔高度的空間分布對比分析 劉海兵等對江西閃電特征海拔高度影響分析指出，閃電密度隨著海拔高度上升逐漸減小，強度隨著海拔高度上升逐漸增強，閃電發生于山地顯著高于丘陵和平原地區[8];王凱等對安徽省皖南山區地閃特征對比分析指出，皖南山區地閃密度明顯高于安徽省北部和中部的平原丘陵地帶[9]。從滁州市易發區劃分結果（圖8、圖9）可以看出，地形因素和海拔高度對雷電活動具有較大的影響，山地雷電易發等級顯著高于丘陵和平原地區。

4.3 與河網及土壤電阻率的空間分布對比分析 李霞等對蘇州地區雷電分布規律分析研究發現，在河流和水網密集的低土壤電阻率地區，其雷電頻次越高、雷電易發等級也越高[11]。對比滁州市易發區劃分結果可以發現，河網密集和低土壤電阻率區域的易發等級相對高于其他區域（圖10、11）。

5 結論

本研究基于安徽省2010—2016年7個ADTD閃電定位系統監測站6年的觀測數據進行了質量控制，剔除了異常數據和10kA以下的小幅值雷電流數據后，得到有效閃電定位數據853964個，其中負閃813976個，約占總樣本數95.3%。從閃電強度分布情況來看，正閃強度介于0～80kA，最大分布主要集中在20～70kA，負閃強度介于0～200kA，最大分布主要集中在10～60kA。

通過分析滁州市閃電密度（Ng=0.1×Td）、月年雷暴日時空分布、正負閃格點資料、閃電強度和幅值及百分位數法，將雷電流的強度細化為3個等級，雷電強度自北向南總體上呈遞增的趨勢。但在部分縣市的分布上又存在較大差別，例如，定遠雖然處在一級雷電高易發區，但卻為二級雷電中等易發區，表明定遠發生雷電的頻次較高，但強度卻不大。

滁州市雷電高易發區主要分布在天長市北部部分區域和中部及南部大部分區域、來安縣北部和南部大部分區域及中部部分區域、滁州市北部和中部部分區域及南部大部分區域、全椒縣東部和北部及南部小部分區域;中等易發區主要分布在天長市中北部和南部部分區域、來安縣西部和北部部分區域、明光市、鳳陽縣、定遠縣和全椒縣大部分區域、滁州市西部和中部小部分區域;一般易發區主要分布在鳳陽縣西部大部分區域、定遠縣西部和中南部小部分區域、明光市中部和北部小部分區域、全椒縣西部小部分區域、天長市北部小部分區域。

通過對比分析雷暴日數、海拔高度、地形地貌變化、河網、土壤電阻率等環境因子的空間分布與易發區結果的相關性發現：地形和河網對雷電活動具有顯著的影響，山地丘陵地區雷電活動密度相對較高;河網密集區，其雷電頻次、雷電易發等級也相對較高。

6 討論

本研究僅采用2010—2016年6年的閃電資料觀測數據進行統計分析，數據年限比較短、數據量不夠充分。同時，閃電資料觀測數據雖經異常處理控制，但誤差仍客觀存在。下一步應積累更長年限的觀測數據，對滁州市閃電分布和特征進行精細化研究分析，完善易發區的區劃結果。

云地閃的發生主要由雷暴天氣系統與水汽因子、地形地貌變化、土壤導電性能、局地性氣候及下墊面等多方面要素綜合作用而成，存在非常復雜的非線性關聯。本文結合現有的觀測資料，僅從雷暴日數、海拔高度、地形地貌特征、河網密集程度、土壤電阻率等方面與雷電易發區劃分結果進行了初步的對比和分析，雖然發現和得到了一些相關性的結論，但對云地閃發生的主導因素和機理，今后仍需進行更加深入、細致的分析研究。

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（責編：張宏民）