雷暴活動(dòng)全閃電定位及空間演變過(guò)程分析

王紅斌 程 思 范偉男 蔡 力 王建國(guó)

雷暴活動(dòng)全閃電定位及空間演變過(guò)程分析

王紅斌1程 思2范偉男1蔡 力2王建國(guó)2

（1. 廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院 廣州 510080 2. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072）

該文基于全閃電定位系統(tǒng)，采用網(wǎng)格空間時(shí)間密度法對(duì)廣州地區(qū)夏季一次雷暴活動(dòng)的空間演變過(guò)程進(jìn)行全閃電定位和空間演變過(guò)程分析，得到雷暴在不同時(shí)刻的擴(kuò)散面積、主放電中心的坐標(biāo)、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向，并畫出了地域演變圖像。該雷暴為一次過(guò)境雷暴，雷暴起始時(shí)沿東北方向以平均67km/h的速度移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中全閃電平均影響范圍達(dá)258.5km2，雷暴活動(dòng)一段時(shí)間后，在廣州南部發(fā)現(xiàn)另一處雷暴向北方移動(dòng)，兩處雷暴匯合后又分開(kāi)向東邊移動(dòng)，后一處雷暴平均速度為14.72km/h，行進(jìn)中全閃電平均影響范圍達(dá)221.2km2。

雷暴 閃電定位系統(tǒng) 空間演變 全閃電

0 引言

電網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)表明，超高壓交流輸電線路中雷擊引起的跳閘占40%～70%，對(duì)雷電活動(dòng)的發(fā)展過(guò)程的研究和合理的線路防雷保護(hù)是特高壓直流輸電線路安全運(yùn)行的重要保障[1]。雷電活動(dòng)與對(duì)流性天氣事件的發(fā)生密切相關(guān)，而對(duì)流性天氣的發(fā)生、發(fā)展有著很大的突發(fā)性。結(jié)合多種探測(cè)手段，對(duì)雷暴云進(jìn)行監(jiān)測(cè)，充分研究雷電活動(dòng)的發(fā)展規(guī)律，可以對(duì)雷電活動(dòng)特性進(jìn)行深入了解，有效地提高雷電預(yù)警的質(zhì)量和水平，減小雷電災(zāi)害帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失[2-3]。

閃電定位系統(tǒng)通過(guò)對(duì)閃電輻射的聲、光、電磁場(chǎng)信息的測(cè)量，確定閃電放電的位置和放電參數(shù)，地基閃電定位技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，低頻段一般采用磁定向（Magnetic Direction Finding, MDF）、時(shí)差（Time of Arrival, TA）法以及磁定向和時(shí)間差聯(lián)合法實(shí)現(xiàn)定位，甚高頻段還有采用干涉儀定位法[4-6]。空基雷電定位系統(tǒng)往往基于云頂閃電光學(xué)輻射的時(shí)空特征及光譜特征，如光學(xué)瞬態(tài)探測(cè)器（Optical Transient Detector, OTD）、閃電成像傳感器（Lightning Imaging Sensor, LIS）、快速在軌瞬變事件記錄儀（Fast on- Orbit Recording of Transient, FORTE）等[7-10]。許多國(guó)家和地區(qū)部署了地基閃電定位系統(tǒng)，如美國(guó)的國(guó)家閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)（National Lightning Detection Network, NLDN）和中國(guó)電網(wǎng)的地閃定位系統(tǒng)[11]。

全閃電包括云閃和地閃。云閃指云內(nèi)或云間發(fā)生的閃電放電；地閃指對(duì)地發(fā)生的閃電放電。全閃電定位系統(tǒng)通常既能對(duì)地閃進(jìn)行定位，也能對(duì)占閃電絕大多數(shù)的云閃進(jìn)行定位。相對(duì)于地閃定位系統(tǒng)，全閃電定位系統(tǒng)定位結(jié)果能夠更好地用于雷暴活動(dòng)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

本文基于全閃電定位系統(tǒng)，采用網(wǎng)格時(shí)間空間密度方法，分析了廣州地區(qū)一次夏季雷暴活動(dòng)的地域演變過(guò)程，得到雷暴不同時(shí)刻的擴(kuò)散面積、主放電中心坐標(biāo)、移動(dòng)速度和移動(dòng)方向，畫出了地域演變圖像，有效地反映了雷暴的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為精細(xì)化雷暴活動(dòng)預(yù)警提供了技術(shù)手段。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

廣州市四季雨量充足，夏季是閃電活動(dòng)的頻發(fā)季節(jié)[12-13]。利用全閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)廣州市夏季一次雷暴過(guò)程的地域演變進(jìn)行分析。

全閃電三維定位系統(tǒng)采用超低頻/低頻（Very Low Frequency/ Low Frequency, VLF/LF）技術(shù)進(jìn)行閃電探測(cè)，該探測(cè)網(wǎng)有9個(gè)子站，站點(diǎn)間的距離為20～40km，每個(gè)站點(diǎn)能夠探測(cè)的范圍為200km，站網(wǎng)探測(cè)覆蓋面積超過(guò)40 000km2，能有效覆蓋廣州地區(qū)雷電活動(dòng)，各站點(diǎn)位置如圖1所示。

1.2 分析方法

對(duì)全閃電探測(cè)網(wǎng)探測(cè)到的全閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出雷暴發(fā)生發(fā)展過(guò)程中雷暴移動(dòng)方向、雷暴移動(dòng)速度、雷暴擴(kuò)散面積等特征量，結(jié)合雷暴中心的移動(dòng)方向，反映雷電活動(dòng)空間演變過(guò)程。

從空間維度進(jìn)行分析時(shí)，將經(jīng)度[112.5°, 114.5°]、緯度[22°, 24°]劃分為200×200的網(wǎng)格，一個(gè)網(wǎng)格經(jīng)緯度為0.01×0.01，將一段時(shí)間內(nèi)的全閃電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成全閃電空間-時(shí)間密度（Space Time Density, STD）。通過(guò)八連通區(qū)域算法找到緊密相關(guān)的放電區(qū)域，即得到若干個(gè)閃電空間-時(shí)間鄰域（Space Time Neighborhood,STN），然后確定有效的空間-時(shí)間STN區(qū)域的個(gè)數(shù)。

圖1 閃電探測(cè)網(wǎng)9個(gè)子站點(diǎn)地域分布

為了減小分散的閃電定位點(diǎn)對(duì)區(qū)域計(jì)算影響，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行閃電密度的閾值min STD設(shè)置，規(guī)定閃電次數(shù)超過(guò)該閾值的網(wǎng)格被計(jì)入放電區(qū)域。設(shè)置擴(kuò)散面積（Valid Area, VA）的閾值min VA，擴(kuò)散面積超過(guò)該閾值的空間-時(shí)間鄰域STN被定為一個(gè)有效STN。

找到每一個(gè)有效的STN區(qū)域的邊界坐標(biāo)，勾勒出各個(gè)STN區(qū)域的輪廓。把每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)閃電的次數(shù)占該STN區(qū)域內(nèi)總閃電次數(shù)的比例設(shè)為權(quán)重，對(duì)該STN區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均，得到雷暴的主放電中心坐標(biāo)（Center, C）的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

采用主放電中心坐標(biāo)C和雷暴有效擴(kuò)展面積VA，計(jì)算擴(kuò)散面積等效VA對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散半徑VA-，做出相應(yīng)的全閃電和地閃地域演變圖，表現(xiàn)雷暴地域演變過(guò)程中雷暴移動(dòng)路徑和移動(dòng)過(guò)程中影響的地域范圍。分析涉及參數(shù)及定義見(jiàn)表1。

表1 雷暴表征參數(shù)及定義

Tab.1 Intermediate quantity of lightning intensity

2 閃電密度

2.1 閃電活動(dòng)密度分布

對(duì)經(jīng)度為[112.5°, 114.5°]、緯度為[22°, 24°] 的觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行不同時(shí)間尺度的網(wǎng)格劃分，按經(jīng)緯度分為200份共200×200個(gè)網(wǎng)格，設(shè)定網(wǎng)格經(jīng)度×緯度為0.01×0.01的小方格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)小方格內(nèi)的閃電次數(shù)，用不同顏色變化來(lái)表示網(wǎng)格內(nèi)閃電次數(shù)多少。

對(duì)2014年8月19日12:30～17:30共5h的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行地域演變的分析，將上述包含廣州市的指定地域范圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到每個(gè)網(wǎng)格的閃電密度，觀察雷暴整體STD的分布情況，整體觀察該次雷暴活動(dòng)的影響范圍。

圖2列出了該時(shí)間段內(nèi)全閃電密度，網(wǎng)格顏色由淺到深代表了網(wǎng)格內(nèi)閃電次數(shù)從0～20（或大于20）。可以看出，廣州地區(qū)中部區(qū)域和南部區(qū)域閃電密度較大，局部地區(qū)網(wǎng)格次數(shù)達(dá)到甚至超過(guò)20，北部閃電密度較小，只有少數(shù)地區(qū)閃電次數(shù)達(dá)到15。整個(gè)過(guò)程雷暴幾乎覆蓋整個(gè)廣州市，影響范圍大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、局部地區(qū)雷暴強(qiáng)度強(qiáng)。

圖2 全閃電密度分布

2.2 閃電密度時(shí)段分布

將時(shí)間尺度降至到1h，圖3為每小時(shí)的閃電密度分布。由圖3a中看到，雷暴在13:00～14:00時(shí)間段在廣州西南部，1h后移動(dòng)至廣州中部，到15:00雷暴開(kāi)始往東北部移動(dòng)，并逐漸消散，如圖3c所示，1h后閃電密度降低，雷暴開(kāi)始進(jìn)入消亡階段。整個(gè)過(guò)程中，局部地區(qū)閃電密度大，雷暴移動(dòng)方向明顯。

3 雷暴活動(dòng)地域演變過(guò)程

3.1 全閃電密度圖過(guò)程分析

將時(shí)間尺度降低至12min，把不同時(shí)間段內(nèi)雷暴活動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比，得到雷暴活動(dòng)的地域演變大致過(guò)程如圖4所示。

由圖4a、圖4b看可以看出，在12:36～12:48時(shí)間段內(nèi)，廣州西南方（佛山地區(qū)）已有一定數(shù)量的閃電聚集，形成了兩個(gè)空間-時(shí)間區(qū)域STN。隨著時(shí)間的推移，在13:12～13:24時(shí)間段，觀察圖4c發(fā)現(xiàn)，閃電聚集區(qū)不斷變大并且向東北方向移動(dòng)。48min后，雷暴繼續(xù)向東北移動(dòng)。

由圖4d、圖4e發(fā)現(xiàn)，在14:00～14:12和14:48～15:00時(shí)間段，雷暴開(kāi)始進(jìn)入廣州地區(qū)，移動(dòng)至廣州中部地區(qū)停留了一段時(shí)間，隨后雷暴向北部移動(dòng)至廣州最北邊后逐漸消散，如圖4f～圖4h所示。

對(duì)整個(gè)過(guò)境雷暴觀察發(fā)現(xiàn)，該過(guò)境雷暴有3個(gè)起始點(diǎn)。從12:36～12:48時(shí)間段開(kāi)始，圖4a中可明顯看出，在（112.74°, 22.64°）和（112.66°, 22.8°）兩處有一大一小兩個(gè)閃電聚集區(qū)，擴(kuò)散面積（VA）分別為73km2和36km2。以此為起始點(diǎn)，雷暴沿兩條路徑發(fā)展。到13:24～13:36時(shí)間段，兩個(gè)雷暴聚集到一起，并在后續(xù)過(guò)程中一起移動(dòng)，設(shè)路線為M，與此同時(shí)，坐標(biāo)為（113.2°, 22.83°）處有一個(gè)新的雷暴生成，設(shè)路線為N，新雷暴擴(kuò)散面積（VA）為78km2，且朝向M發(fā)展，在14:24時(shí)M和N交匯于點(diǎn)（113.59°, 23.195°），此時(shí)雷暴擴(kuò)散面積（VA）達(dá)到最大，為503km2。此后，N與M分離，兩者各自朝向新的方向移動(dòng)。雷暴N于15:00開(kāi)始消亡，而雷暴M則持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，于16:00開(kāi)始消亡。

3.2 全閃電密度過(guò)程分析

為了更加清晰地展現(xiàn)出雷暴發(fā)展過(guò)程，分別將整個(gè)雷暴過(guò)程中的兩條線路的空間-時(shí)間鄰域（STN）的主放電中心C和雷暴擴(kuò)散面積（VA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表2所示結(jié)果，主放電中心的坐標(biāo)表示為（C-lon，C-lat）（C-lon、C-lat為經(jīng)度、緯度坐標(biāo)），擴(kuò)散半徑為VA-。

表2 雷暴M路線

Tab.2 Route of thunderstorm M

表2列出了12:36～13:12時(shí)間段內(nèi)每6min雷暴M兩個(gè)不同起點(diǎn)的雷暴主放電中心坐標(biāo)及擴(kuò)散面積，在13:24左右，兩個(gè)雷暴合并成雷暴M。

表3列出了雷暴合并后，雷暴M主放電中心C走向和擴(kuò)散面積（VA），可以看出，最大擴(kuò)散面積為503km2，擴(kuò)散面積圓的半徑為12.65km。雷暴M擴(kuò)散面積（VA）的平均值為258.5km2，擴(kuò)散半徑為9.07km，相比3.1節(jié)中本地雷暴平均擴(kuò)散面積49.1km2，擴(kuò)散半徑3.865km，該過(guò)境雷暴的強(qiáng)度比本地雷暴要大得多。

表3 雷暴匯合路線

Tab.3 Convergence route of thunderstorm

表4列出了該雷暴路線N的主放電中心C、擴(kuò)散面積（VA）及擴(kuò)散半徑VA-。可以看出，雷暴N在13:12開(kāi)始出現(xiàn)，起初雷暴強(qiáng)度不大，擴(kuò)散面積為78km2，隨著雷暴N向北移動(dòng)，VA也逐漸變大，與雷暴M重合之前最大擴(kuò)散面積為219km2。到14:24時(shí)與雷暴M重合，此時(shí)整個(gè)過(guò)境雷暴擴(kuò)散面積達(dá)到最大。隨后向廣州東部移動(dòng)，雷暴擴(kuò)散面積逐漸減小，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間比雷暴M短，在約15:00后消亡。

由主放電中心坐標(biāo)以及其在地圖上對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，得出雷暴的移動(dòng)速度和主放電中心C的移動(dòng)方向。表5和表6記錄了雷暴M的移動(dòng)速度和每隔12min移動(dòng)的距離及方向。可以看出，雷暴M1移動(dòng)的速度比M2快，兩者合并后，在14:12～14:24時(shí)間段內(nèi)速度達(dá)到最大，為125.06km/h，雷暴M的平均速度為67.81km/h。相比之下，雷暴N的移動(dòng)速度較為緩慢，最快僅為28.86km/h，平均速度為14.72km/h。

表4 雷暴N路線

Tab.4 Route of thunderstorm N

表5 雷暴M1、M2表征量

Tab.5 Characterization parameter of thunderstorm M1 & M2

表6 雷暴M表征量

Tab.6 Characterization parameter of transit thunderstorms M

計(jì)算每12min內(nèi)密度STN區(qū)域的主放電中心C的經(jīng)緯度和對(duì)應(yīng)的雷暴擴(kuò)展擴(kuò)散面積（VA），把主放電中心C位置當(dāng)作雷暴中心，通過(guò)其位置改變來(lái)描述雷暴的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，用雷暴擴(kuò)展擴(kuò)散半徑（VA-）變化大小表現(xiàn)雷暴影響范圍的變化，雷暴的地域演變過(guò)程就能直觀表現(xiàn)出來(lái)。圓圈區(qū)域大小等于實(shí)際相應(yīng)的雷暴擴(kuò)展擴(kuò)散面積（VA）。

經(jīng)過(guò)處理后，可直觀地看到雷暴地域演變過(guò)程中，雷暴中心的移動(dòng)路線和整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中造成影響的地域范圍。該過(guò)境雷暴有三個(gè)起始點(diǎn)，其中雷暴M自12:36開(kāi)始，有兩個(gè)起始點(diǎn)，于13:12～13:24時(shí)間段內(nèi)重合，一起向廣州北部移動(dòng)，如圖5a所示；雷暴N于13:12開(kāi)始從廣州西南方向向北移動(dòng)，其移動(dòng)特征量見(jiàn)表7，在14:24時(shí)間段內(nèi)與雷暴M重合，隨后向廣州東部移動(dòng)，如圖5b所示。

表7 雷暴N表征量

Tab.7 Characterization Parameter of Thunderstorms N

4 結(jié)論

本文基于全閃電定位系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)格時(shí)間空間密度法對(duì)廣州地區(qū)一次夏季雷暴活動(dòng)的地域演變過(guò)程進(jìn)行了分析，得到雷暴不同時(shí)刻的擴(kuò)散面積、主放電中心坐標(biāo)、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向，畫出了地域演變圖像，有效地掌握了雷暴的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為精細(xì)化雷暴活動(dòng)預(yù)警提供了技術(shù)手段，主要結(jié)論如下：

圖5 雷暴活動(dòng)地域演變

1）本次雷暴為一過(guò)境雷暴，從廣州西南部向東北部運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約5h。在整個(gè)過(guò)程中，廣州地區(qū)的中部區(qū)域和南部區(qū)域閃電密度較大，局部地區(qū)網(wǎng)格全閃電次數(shù)達(dá)到甚至超過(guò)20次。

2）在12:30～17:30期間，雷暴M朝著約東北方向以平均67km/h的速度移動(dòng)，行進(jìn)中全閃電平均影響范圍達(dá)258.5km2，雷暴M活動(dòng)一段時(shí)間后，在廣州南部發(fā)現(xiàn)另一雷暴N，向著北方移動(dòng)，與雷暴M在14:24匯合后又分開(kāi)向東邊移動(dòng)，雷暴N平均速度為14.72km/h，行進(jìn)中全閃電平均影響范圍達(dá)221.2km2。

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Total Lightning Location of Thunderstorm Activities and Spatial Evolution Process Analysis

12122

（1. Lightning Protection Center of Guangdong Province Guangzhou 510080 China 2. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China）

Based on the total lightning location system, this paper analyzes the spatial evolution process of a summer thunderstorm activity in Guangzhou city in detail by the grid space time density method. The spreading area, the main discharge center, the moving speed and the moving direction at different periods of the thunderstorm are obtained. The image of regional evolution is drawn showing that the thunderstorm is a transit thunderstorm. The initial thunderstorm moved at an average speed of 67km/h toward the northeast. The spreading area of the total lightning during the movement reached 258.5km2. Another thunderstorm was found in southern Guangzhou moving northward after a period. After the two thunderstorms merged, they moved to the east separately. The average speed of the latter thunderstorm was 14.72km/h, and the spreading area during the movement reached 221.2km2.

Thunderstorm activity, lightning location system, spatial evolution, total lightning

TM863

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191505

廣州供電局有限公司科技資助項(xiàng)目（GZHKJXM20180021）。

2019-11-18

2020-04-12

王紅斌 男，1972年生，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷。E-mail: tinna2008@163.com

蔡 力 男，1987年生，博士，副教授，研究方向?yàn)槔纂娞綔y(cè)與雷電防護(hù)。E-mail: cail@whu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）