基于雷電流幅值分級的地閃時(shí)空特征研究

王 佩 宋 楠 鄒德培

（1. 郴州市氣象局，湖南 郴州 423000；2. 邵陽市氣象局，湖南 邵陽 422000）

0 引言

雷電是危及人民生命、財(cái)產(chǎn)安全的主要自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素。在中國人民追求美好生活的背景下，中國各級政府都尤為關(guān)心自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素對百姓生活的影響。據(jù)氣象部門不完全統(tǒng)計(jì)，湖南省近20 年共發(fā)生雷電災(zāi)害事故2050 起，造成人員傷亡共555 人，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2.2 億元。

近年來，越來越多的學(xué)者針對雷電活動特征開展研究。如，賀秋艷、王學(xué)良、朱浩等人[1-3]分析了湖南、湖北、安徽等地的雷電活動特征，總結(jié)了雷電活動的年際變化、季節(jié)變化及空間分布等特征，但這些研究都是基于閃電發(fā)生的數(shù)量去開展研究，并沒有學(xué)者基于閃電的雷電流幅值來分析。雷電流幅值是閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)中體現(xiàn)雷電致災(zāi)強(qiáng)弱的重要參數(shù)[4]，雷電流幅值的大小決定了閃電蘊(yùn)含能力的大小，幅值越大，閃電具有的破壞能力也越大。閃電分為云內(nèi)閃、云際閃、地閃三類，其中對人們生活、生產(chǎn)造成最直接、最嚴(yán)重影響的是地閃。為此，該文以邵陽市2016-2020 年地閃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)分析方法、中心點(diǎn)分析方法、核密度分析方法基于雷電流幅值分析了地閃的時(shí)空特征，旨在能為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

該研究采用湖南省閃電定位儀監(jiān)測到的2016-2020 年邵陽市地閃數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括了地閃發(fā)生的時(shí)間、地閃發(fā)生的經(jīng)緯度、雷電流幅值、地閃陡度、定位方式、發(fā)生地行政代碼等信息。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 雷電數(shù)據(jù)處理

為保證地閃數(shù)據(jù)的可靠性，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，該文采用IEEE工業(yè)組文件“IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines”（IEEE Std-1997）對回?fù)衾纂娏鞣刀x為2kA～200kA 以及《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)指南》AX/T 405-2017 中“剔除雷電流幅值為0kA～2kA 和200kA以上的閃電定位系統(tǒng)資料”的數(shù)據(jù)處理方法，將2016-2020 年邵陽市地閃數(shù)據(jù)根據(jù)雷電流幅值將大于200kA 和小于2kA 的閃電剔除。經(jīng)處理后統(tǒng)計(jì)，該文所使用的有效地閃數(shù)據(jù)樣本數(shù)量共有185724 條，其中每年的有效地閃數(shù)據(jù)如表2 所示。

1.2.2 雷電等級劃分

現(xiàn)有研究[5]常采用百分位數(shù)法來確定樣本的分級范圍，因此，該文利用百分位法，將地閃數(shù)據(jù)按雷電流幅值的大小分為三級。分級結(jié)果如表1 所示，一級強(qiáng)度地閃指雷電流幅值大于71.7kA 的地閃，二級強(qiáng)度地閃指雷電流幅值介于37.3kA～71.7kA 的地閃，三級強(qiáng)度地閃指雷電流幅值小于等于37.3kA 的地閃。地閃強(qiáng)度等級一級，表示該地閃的致災(zāi)能力最強(qiáng)，二級致災(zāi)能力次之，三級致災(zāi)能力最弱。

表1 雷電流幅值等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 研究方法

1.3.1 中心點(diǎn)

Scott 和Janikas 將中心性定義為數(shù)據(jù)集中到其他點(diǎn)的距離和最短的點(diǎn)。地閃事件的中心點(diǎn)就是對每個(gè)地閃事件能夠計(jì)算到其他地閃事件的歐幾里得距離之和，也稱為“重心”。對“重心”的分析可以更好地了解研究要素在空間上的流動性和聚集性。ArcGIS 中的空間分析模塊可以確定中心點(diǎn)的空間位置。

1.3.2 核密度估計(jì)

核密度估計(jì)（Kernel density estimation）是一種用于估計(jì)未知的密度函數(shù)，屬于非參數(shù)方法。核密度估計(jì)不會對數(shù)據(jù)樣本附加任何假定，而是從樣本本身的分布特征出發(fā)來進(jìn)行分析，因此，它常用于對熱點(diǎn)區(qū)域的分析研究，如劉鉞等在城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估的研究[6]、王穎志等在道路交通事故多發(fā)點(diǎn)鑒別方法的研究中都運(yùn)用了核密度分析的方法。ArcGIS 中的核密度分析可用于計(jì)算要素在其周圍鄰域中的密度。

2 研究結(jié)果

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

邵陽市2016-2020 年地閃數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2 和圖1。其中，年平均地閃數(shù)量為37145 條，三級地閃占60%，二級地閃占30%，一級地閃占10%，邵陽市一級強(qiáng)度地閃年平均3700 多條，若發(fā)生在防雷措施薄弱的建筑和人員居住密集區(qū)，易造成雷電災(zāi)害；從圖1 中可以看到，年地閃數(shù)量、三級地閃數(shù)量、二級地閃數(shù)量在2018 年達(dá)到峰值，在2019 年和2020 年呈現(xiàn)遞減趨勢， 但一級地閃數(shù)量自2016—2020 年呈現(xiàn)明顯增長趨勢。

圖1 2016-2020 年邵陽市地閃事件發(fā)生數(shù)量

表2 2016-2020 年邵陽市地閃數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 中心點(diǎn)分析

利用ArcGIS 中的空間分析模塊，計(jì)算2016-2020 年五年的地閃空間“重心”位置（圖2）。圖2 顯示2016-2020年邵陽市地閃的年度地閃“重心”位置集中分布于邵陽市中部，2016 年-2020 年的“重心”分別在(111.05°E，27.07°N)、(110.93°E，27.06°N)、(111.10°E，27.07°N)、(110.91°E，26.99°N)和(111.06°E，27.05°N)，經(jīng)向最大遷移距離為20.4km，緯向最大遷移距離為8.4km。表明邵陽市地閃的年“重心”位置未出現(xiàn)中心特征的大范圍轉(zhuǎn)移情況，不具有跨越時(shí)空的模式。因?yàn)椤爸匦摹蔽恢檬瞧蛴诘亻W發(fā)生的比較多的地方，近五年“重心”位置的聚集，說明邵陽市近五年地閃的分布變化較小，各區(qū)域地閃數(shù)量的占比穩(wěn)定，雷電災(zāi)害防御的區(qū)域“重心”不需要隨時(shí)間而改變。

圖2 年度地閃“重心”位置分布圖

圖3 所示為2016-2020 年邵陽市三種強(qiáng)度等級的“重心”位置圖，一級強(qiáng)度地閃“重心”為(110.81°E，26.97°N)、二級強(qiáng)度地閃“重心”為(110.89°E，27.0°N)、三級強(qiáng)度地閃“重心”為(111.13°E，27.15°N）。三級“重心”位置偏東北部，表明三級強(qiáng)度地閃在東北部分布得更密集；一級、二級“重心”位置在中部偏西北方向，表明一級、二級強(qiáng)度地閃在邵陽市的西北方向分布得更密集。三種等級的地閃具有各自的分布特征，各區(qū)域應(yīng)根據(jù)地閃強(qiáng)度等級來制定相應(yīng)的雷電災(zāi)害防御等級。

圖3 各強(qiáng)度等級地閃“重心”位置分布圖

2.3 核密度分析

筆者對五年所有地閃、一級強(qiáng)度地閃、二級強(qiáng)度地閃、三級強(qiáng)度地閃的發(fā)生核心區(qū)域進(jìn)行探索，使用ArcGIS 中的核密度分析工具，對地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以地閃發(fā)生數(shù)量密度圖的形式顯示出地閃發(fā)生的核心及邊緣區(qū)域。結(jié)果見圖4，從整體上來看，邵陽市地閃事件的核心區(qū)域主要分布在邵陽市的北部，包括邵東市、新邵縣中東部、洞口縣北部、隆回縣南部且邵東市地閃事件發(fā)生區(qū)域最集中。一級、二級強(qiáng)度地閃的高密集區(qū)較分散；三級強(qiáng)度地閃的高密集區(qū)則集中分布在邵陽市東北部區(qū)域。一級強(qiáng)度地閃事件發(fā)生最核心的區(qū)域是新邵縣北部、隆回縣中南部、城步縣西部、洞口縣南部、綏寧縣中部；二級強(qiáng)度地閃事件發(fā)生最核心的區(qū)域是邵東市中部和北部、新邵縣北部、隆回縣中南部、洞口縣中北部；三級強(qiáng)度地閃事件發(fā)生最核心的區(qū)域是邵東市西部和東南部。

圖4 2016-2020 年邵陽市地閃事件核密度分布圖1

圖4 2016-2020 年邵陽市地閃事件核密度分布圖2

3 結(jié)論

該文研究了邵陽市不同雷電流幅值的地閃時(shí)空特征，得到的結(jié)論如下：（1）地閃的年數(shù)量在近五年呈現(xiàn)出波動特征，在2018 年達(dá)到近期頂值后呈遞減的趨勢，但一級強(qiáng)度地閃的年數(shù)量與二級三級相反，近五年呈現(xiàn)遞增的趨勢。（2）中心點(diǎn)分析說明邵陽市近五年地閃的分布變化較小，各區(qū)域地閃數(shù)量的占比較穩(wěn)定，雷電災(zāi)害防御的區(qū)域“重心”不需要隨時(shí)間而改變。三種強(qiáng)度等級的地閃分布有差異，各區(qū)域的雷電災(zāi)害防御措施應(yīng)按等級制定。（3）核密度分析顯示了邵陽市地閃事件的密集區(qū)域，高密集區(qū)域表明該區(qū)域更容易發(fā)生地閃。三種強(qiáng)度等級地閃的高密集區(qū)域分布存在差異，一級、二級強(qiáng)度地閃的高密集區(qū)較分散；三級強(qiáng)度地閃的高密集區(qū)則集中分布在邵陽市東北部區(qū)域，針對高密集區(qū)域的雷電防御措施應(yīng)分級制定。

該文基于雷電流幅值分級的地閃時(shí)空特征研究只選取了邵陽市的數(shù)據(jù)，下一步將選取湖南全省的閃電數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷年的各地雷災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，致力于將地閃時(shí)空特征與雷電災(zāi)害區(qū)域劃分結(jié)合起來。