宣城市閃電特征分析及雷電易發區域劃分研究

何桂霞 胡文運 孫秀邦

摘要 [目的]防御和減少雷電給人民生命財產造成的損失，科學有效防范自然災害風險。[方法]采用python 3.7、contourf函數作為統計分析方法，對宣城市2010—2018年ADTD型閃電定位資料進行統計分析，得出宣城市閃電特征，劃分雷電易發區域。[結果]宣城市閃電以負閃為主;閃電日變化呈單峰單谷型，午后多夜間少，閃電高峰值時段出現在14：00—18：00，0：00—12：00閃電次數較少且平穩;閃電月變化呈單峰單谷型，暖季多冷季少，以6—9月居多，1—2月、10—12月閃電很少;閃電年際變化呈多峰多谷型;年平均閃電密度主要集中在1.0～8.0次/（km2·a）;閃電強度主要集中在10～70kA，平均閃電強度高值區域主要分布在宣城市中部地區。雷電高易發區主要分布在宣城市中部地區，較高易發區主要分布在宣城市中東部、西部地區，中等易發區主要分布在宣城市北部、西南部地區，一般易發區主要分布在宣城市南部地區。[結論]該研究結果對指導宣城市科學有效防雷減災、合理安排工農業生產、農村雷電災害風險管理、重大工程氣候可行性論證、建設工程規劃選址等具有非常重要的現實意義。

關鍵詞 閃電特征;雷電易發區;宣城市

中圖分類號 P.429文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）02-0216-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.058

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Lightning Characteristics and Lightning Prone Areas in Xuancheng City

HE Guixia， HU Wenyun， SUN Xiubang （Xuancheng City Meteorological Bureau， Xuancheng， Anhui 242000）

Abstract [Objective]To prevent and reduce the loss of peoples life and property caused by lightning and prevent the risk of natural disasters scientifically and effectively. [Method]Using python3.7 and contourf functions as the statistical analysis method， the data of ADTD lightning location in Xuancheng from 2010 to 2018 were statistically analyzed， the lightning characteristics of Xuancheng City were obtained and the lightning prone areas were divided. [Result]The results showed that negative lightning is dominant in Xuancheng City; the daily variation of lightning is single peak and single valley， more in the afternoon and less in the night， the lightning peak period appears in 14：00-18：00， 0：00-12：00 lightning times are less and more stable; the monthly variation of lightning is single peak and single valley， warmer seasons and cooler ones， from June to September is the most， JanuaryFebruary， OctoberDecember lightning rarely; the interannual variation of lightning is multipeak and multivalley; the annual average lightning density is mainly concentrated in 1.0-8.0 times/（km2·a）; lightning intensity is mainly concentrated in the range of 10 to 70kA， the high value of average lightning intensity is mainly distributed in the central area of Xuancheng City; the lightning high prone areas are mainly distributed in the central region of Xuancheng City， the higher prone areas are mainly distributed in the central， eastern and western regions of Xuancheng City， the middle prone areas are mainly distributed in the northern and southwestern regions of Xuancheng City. [Conclusion]The research results are of great practical significance in guiding Xuancheng City in scientific and effective lightning protection and disaster reduction， climate feasibility demonstration of major projects， site selection of construction projects， rational arrangement of industrial and agricultural production， and risk management of lightning disasters in rural areas.

Key words Lightning characteristics;Lightning prone area;Xuancheng City

雷電是雷暴天氣的重要組成部分，是自然大氣中超強、超長放電現象[1]，破壞力巨大。近年來，隨著國民經濟和科技水平的發展，尤其是電子技術的快速發展，雷電造成的危害日益凸顯。雷電災害被聯合國有關組織列為“最嚴重的十種自然災害之一”，被國際電工委員會（IEC）確定為“電子時代的一大公害”。雷電災害已引起社會各界的高度關注，科技工作者對雷電災害及防御進行了大量分析研究[2-8]。

近年來，國內外學者對閃電的活動特征進行了大量研究，如國外學者Villarini等[9]根據16年的閃電定位資料，研究發現一些極端的閃電活動主要分布在美國的中部及阿巴拉契亞山脈的西部，閃電主要發生在夏季。早期，國內學者對雷電特征的分析主要基于人工觀測雷暴日資料，如景元書等[10]采用1951—1980年江蘇省8個地區的雷暴日資料，對江蘇省雷暴的時空特征進行了分析研究;程向陽等[11]采用安徽省78個氣象臺站1961—2009年雷暴資料，對安徽省近50年雷暴的時空變化及影響因素進行分析。中期，隨著閃電監測系統的建設，對雷電特征的分析基于閃電定位資料和人工觀測雷暴日資料相結合，閃電監測系統作為實時探測手段，有效彌補了傳統人工觀測方法的不足，為雷電研究提供了可靠的數據資料，如馮民學等[12]采用江蘇省13個國家觀測站1961—2006年的雷暴日資料和4年閃電監測系統定位資料，分析研究了江蘇省雷電活動的時空分布特征。近期，隨著閃電探測技術的不斷進步，2014年取消了人工雷暴日觀測，對閃電資料的分析主要基于閃電定位資料，如吳安坤等[13]采用全國雷電監測系統監測的閃電資料，分析研究云貴高原閃電時空分布特征，指出不同季節和時段閃電密度存在地域性差異;王凱等[14]采用2011—2013年安徽省ADTD閃電定位系統監測資料，對皖南山區閃電特征進行了分析，指出皖南山區主要為負閃電，地閃活動主要集中出現在午后至傍晚。

2016年，國務院下發《國務院關于優化建設工程防雷許可的決定》（國發〔2016〕39號），明確要求氣象部門要加強對雷電災害防御工作的組織管理，劃分雷電易發區域及其防范等級并及時向社會公布。2016年底開始，一些省份陸續開展雷電易發區域劃分研究，如胡穎等[15]采用2007—2016年云南省閃電定位資料，選取年平均閃電密度指標，將云南省雷電易發性等級劃分為極高、較高、高、中、一般5個等級;程向陽等[16]采用2010—2016年安徽省閃電定位數據，選取閃電強度指標，將安徽省雷電易發區域劃分為高、中等、一般3個等級;曾勇等[17]提出構建雷電易發性指標體系不能忽略地閃密度指標。目前，市級雷電易發區域劃分研究較少，有必要結合實際，研究劃分更精細化的市級雷電易發區域。

安徽省宣城市屬南北氣候過渡帶，是冷暖空氣頻繁交匯的地區，地形呈南高北低型，且多為山區和丘陵地帶，特殊的氣候、復雜的地形特點，導致境內雷電活動頻繁，雷電災害經常發生[18]。2010—2018年，宣城市因雷擊造成8人死亡、4人受傷，多棟建筑物遭雷擊損壞。因此，對宣城市閃電特征進行統計分析，研究劃分該市雷電易發區域，可為防災減災、有效規避風險提供理論支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源 安徽省于2005年在全省布設了10套LD-Ⅱ型閃電定位儀，2010年升級為ADTD型（7套），其監測參數包括閃電時間、經緯度、極性、強度、陡度、誤差、定位方式，ADTD型閃電監測站分布見圖1。劉巖等[19]對LD-Ⅱ型和ADTD型閃電定位資料進行了對比分析，指出ADTD型閃電定位系統在地閃空間分布、雷電流極性、強度、定位誤差的探測方面準確度更高。資料來源于安徽省ADTD閃電監測系統，采用2010—2018年共9年的閃電資料作為宣城市雷電易發區域劃分基礎數據。

1.2 研究方法 在閃電資料分析中，剔除異常及不合理數據進行質量控制。利用python 3.7設計程序，對閃電資料進行統計分析，選取閃電密度和閃電強度2個指標，進行歸一化處理，按照重要程度，將閃電密度和閃電強度的權重系數確定為2∶1進行加權組合，按照0.01°×0.01°經緯度網格，利用contourf函數繪制平均閃電強度、平均閃電密度和雷電易發區分布圖。

目前，國內外沒有統一的質量控制方法，電氣電子工程師協會（IEEE）工業組文件將回擊電流幅值應用范圍定義為2～200kA，國外學者Cummins等[20-21]將小于10kA的閃電予以剔除，國內學者李家啟等[22]剔除了5kA以下的地閃。該研究采用IEEE工業組文件規定的質量控制方法，剔除了12個雷電流幅值<2kA的閃電樣本和1 168個>200kA的閃電樣本。

2 結果與分析

2.1 宣城市閃電特征分析

2.1.1 基本特征。2010—2018年宣城市共發生閃電331 328次。其中正閃13 713次，占比4.1%;負閃317 615次，占比95.9%;年平均閃電次數為36 814次。閃電強度主要集中在10～70 kA，占比92.8%;宣城市以負閃為主，主要原因是大多數積雨云上部帶正電荷，云體下部主要帶負電荷[23]，云層與地面之間的放電大多數是負閃電。

2.1.2 閃電次數的日變化。由圖2可知，閃電次數日變化呈單峰單谷型，一日中13：00—21：00閃電居多，為218 198次，占比65.9%，高峰值時段出現在14：00—18：00，峰值出現在14：00—15：00，為44 657次;0：00—12：00閃電次數較少且平穩，谷值出現在1：00—2：00，為3 044次。說明宣城市一日中14：00—18：00對流天氣最為旺盛，也是雷電防御的關鍵時間段。

2.1.3 閃電次數月變化。

由圖3可知，宣城市2010—2018年閃電次數月變化呈單峰單谷型，3—9月閃電次數326 537次，占比98.6%。其中7—8月閃電次數為208 814次，占全年閃電次數的63.0%;1—2月、10—12月5個月閃電次數僅為4 791次，占比1.4%。宣城市閃電暖季多冷季少，主要是在氣溫高的月份，大氣層結構不穩定，對流云發展旺盛，閃電主要發生在對流云中。

2.1.4 閃電次數年際變化。從圖4可以看出，2010—2018年宣城市閃電年際變化呈多峰多谷型。其中，2010年閃電次數最多，為52 371次;2017年閃電次數最少，為18 605次。2015年和2017年閃電次數急劇下降，說明這2年冷暖空氣交匯少，發生對流的次數少，具體原因有待進一步分析。

2.1.5 閃電密度分布。閃電密度是指單位面積內所發生的雷擊大地的年平均次數。按照0.01°×0.01°經緯度網格，利用python 3.7設計程序統計每個網格的年平均閃電密度。結果表明，宣城市年平均閃電密度在0.11～20.89次/（km2·a），主要集中在1.00～8.00次/（km2·a），平均值為3.08次/（km2·a）。利用contourf函數繪制宣城市年平均閃電密度分布圖，結果見圖5。由圖5可以看出，閃電密度高值區域主要分布在宣城市中東部地區和西部地區。

2.1.6 閃電強度分布。雷電流幅值是閃電監測數據中體現雷電致災強弱的重要參數[24]，其值越大，能量越大，破壞力就越大。宣城市最大正閃強度199.67 kA，最大負閃強度199.94kA，最小正閃強度2.89 kA，最小負閃強度2.03 kA，正閃與負閃強度最大值、最小值接近。閃電強度主要集中在10～70 kA，占比92.8%;其中最大分布區間為20～30 kA，占比34.3%。利用python 3.7設計程序統計每個網格的平均閃電強度，按照0.01°×0.01°經緯度網格，利用contourf函數繪制平均閃電強度空間分布圖，結果見圖6。由圖6可知，平均閃電強度高值區域主要在宣城市中部地區。

安徽農業科學2021年

2.2 宣城市雷電易發區域劃分及結果驗證

閃電強度越大，密度越高，風險就越大[25]。選取閃電密度和閃電強度2個指標，進行歸一化處理，根據重要程度按2∶1權重進行加權組合，基于正態分布設定閾值，將雷電易發區分為高、較高、中等、一般4個等級，易發區等級劃分閾值見表1。利用contourf函數繪制雷電易發區分布圖，結果見圖7。從圖7可以看出，高易發區主要分布在宣城市中部地區，即宣州區南部和寧國市北部;較高易發區主要分布在宣城市中東部、西部地區，即宣州區南部、寧國市北部、郎溪縣南部、廣德市西南部、涇縣大部分地區;中等易發區主要分布在宣城市北部、西南部地區，即宣州區北部、郎溪縣北部、廣德市北部、寧國市東南部、涇縣、旌德縣、績溪縣大部分地區;一般易發區主要分布在績溪縣境內。

為檢驗劃分結果的合理性，將雷電易發區分布圖與2010—2018年宣城市歷史雷電災情作對比分析，結果表明，80%的雷電災情發生在高易發區和較高易發區，其中人員傷亡、房屋受損全部發生在高易發區和較高易發區。

3 結論與討論

（1）宣城市閃電以負閃為主，2010—2018年共發生閃電331 328次，其中負閃317 615次，占比95.9%;年平均閃電次數36 814次;閃電日變化呈單峰單谷型，高峰值時段出現在14：00—18：00， 0：00—12：00閃電次數較少且平穩;閃電月變化呈單峰單谷型，暖季多冷季少，以6—9月居多，1—2月、10—12月閃電極少;閃電年際變化呈多峰多谷型，2010年閃電次數最多，2017年次數最少，最多年份閃電次數是最少年份的2.8倍;年平均閃電密度主要集中在1.0～8.0次/（km2·a）;閃電強度主要集中在10～70 kA。

（2）利用python3.7設計程序，對閃電資料進行統計分析，選取閃電密度和閃電強度2個指標，進行歸一化處理、相應權重組合，利用contourf函數繪制雷電易發區分布圖，按照高、較高、中等、一般易發區4個等級劃分。結果表明，高易發區主要分布在宣城市中部地區，較高易發區主要分布在宣城市中東部、西部地區，中等易發區主要分布在宣城市北部、西南部地區;一般易發區主要分布在宣城市南部地區。

（3）利用宣城市歷史雷電災害數據對區劃結果進行驗證，結果表明，雷電易發區劃與歷史雷電災情對應較好，表明該研究方法比較可靠。

（4）雷電的形成是一個復雜的過程，影響因素很多，要完全準確地劃分易發區域還存在一定的難度。因此，在指標選取、權重確定、評估模型等方面還需要進一步研究。

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