天津地區(qū)閃電強(qiáng)度特征分析與區(qū)劃研究*

李華凝 宋喃喃 李猛 李伊吟

（1.天津市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，天津 300074；2.天津市防雷技術(shù)中心，天津 300074；3.河南省氣象服務(wù)中心，河南鄭州 450003）

0.引言

雷電是產(chǎn)生于積雨云中的一種大氣中的長距離放電現(xiàn)象，常常伴隨暴雨、冰雹和龍卷等強(qiáng)對流天氣，易產(chǎn)生嚴(yán)重的災(zāi)害事故。雷擊的危害方式主要表現(xiàn)為直擊閃電時引起的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、電效應(yīng)，雷電產(chǎn)生的感應(yīng)場還會引起電磁脈沖、靜電感應(yīng)和雷電反擊等，究其原因都是由雷電流引起的。同時，在雷電防護(hù)設(shè)計中同樣需要雷電流參數(shù)作為依據(jù)。天津地區(qū)年平均雷暴日為28.4d，屬中雷區(qū)，整體呈北多南少的分布特征，雷電災(zāi)害發(fā)生較頻繁，易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

目前國內(nèi)外關(guān)于閃電強(qiáng)度的研究已有一些進(jìn)展。Anderson[1]根據(jù)Berger[2]的實測數(shù)據(jù)首次給出了累積概率近似表達(dá)式，該表達(dá)式被IEEE工作組[3]所推薦。隨著閃電定位數(shù)據(jù)應(yīng)用形式的不斷加深，全國許多省份利用閃電定位數(shù)據(jù)對閃電特征及機(jī)理的研究日益增多。徐鳴一[4]、李家啟[5]、王學(xué)良[6]、高金閣[7]等人分別對江蘇、重慶、湖北、北京等地的雷電流幅值特征分析，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)雷電流幅值特征分布曲線與IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率表達(dá)式分布較為一致；國內(nèi)學(xué)者孫萍[8]，王巨豐[9]等人利用數(shù)學(xué)方法和實測數(shù)據(jù)對比分析得出雷電流陡度與雷電流幅值密切相關(guān)。曾金全[10]、賀珊[11]等利用雷電流幅值和雷電流陡度對閃電強(qiáng)度進(jìn)行了等級劃分，這些研究選取不同因子對閃電強(qiáng)度進(jìn)行了等級劃分，但缺少對本地的實際應(yīng)用。在開展雷災(zāi)調(diào)查、雷電風(fēng)險預(yù)警等實際應(yīng)用中，時常需要對閃電強(qiáng)度進(jìn)行表征，僅給出閃電強(qiáng)度的具體數(shù)值缺乏直觀性，因此定性地度量閃電強(qiáng)度非常必要。本文基于天津市2013—2020年ADTD閃電定位數(shù)據(jù)，選取雷電流幅值和雷電流陡度兩個參數(shù)對閃電強(qiáng)度進(jìn)行綜合描述，開展天津地區(qū)的閃電強(qiáng)度特征分析，建立閃電強(qiáng)度等級評估模型，開展天津地區(qū)閃電強(qiáng)度等級劃分。

1.資料與方法

根據(jù)IEEE工業(yè)組文件《IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines》[12]中5.2節(jié)的規(guī)定，對于回?fù)綦娏鲬?yīng)用范圍的定義為2kA～200kA。因此，本研究剔除了雷電流幅值小于2kA的102個樣本和大于200kA的155個樣本。

鑒于雷電流幅值和陡度的單位不同，為消除兩個參數(shù)的量綱與數(shù)量級的差異，需對雷電流幅值和雷電流陡度進(jìn)行規(guī)范化處理，歸一化公式如下：

式中，Di為第i個評價指標(biāo)的歸一化數(shù)值，Xi為第i個評價指標(biāo)，Xmax為評價指標(biāo)中的最大值，Xmin為評價指標(biāo)中的最小值。

為使計算結(jié)果與實際情況更為接近，本文采用雷電流幅值I與雷電流陡度di/dt的99%、1%分位點的逐年平均值分別替代樣本中的最大值和最小值，將雷電流幅值和陡度分別代入（1）式，得到I與di/dt的歸一化結(jié)果如下：

其中，I0和di/dt0分別為標(biāo)準(zhǔn)化后I與di/dt的值；I99%和di/dt99%分別表示99%分位點上I與di/dt的值；I1%和di/dt1%分別表示1%分位點上I與di/dt的值。

根據(jù)雷電流幅值和雷電流陡度指數(shù)，建立閃電強(qiáng)度指數(shù)H的計算公式：

2.閃電強(qiáng)度統(tǒng)計分析

2.1 閃電強(qiáng)度分布特征

統(tǒng)計顯示，本研究所使用的有效閃電定位數(shù)據(jù)樣本124898個，其中正閃18092個，占總樣本數(shù)14.49%，負(fù)閃106806個，占總樣本數(shù)85.51%。從閃電強(qiáng)度頻次分布特征來看（見圖1），正閃強(qiáng)度主要集中在2kA～30kA，其中最大分布區(qū)間為2kA～10kA；負(fù)閃強(qiáng)度主要集中在2kA～40kA，其中最大分布區(qū)間為10kA～20kA。

圖1 2013—2020年天津地區(qū)閃電強(qiáng)度頻次分布

2.2 雷電流幅值與陡度的概率分布特征

對比分析雷電流幅值和陡度的概率曲線分布特征可知，兩者在不同區(qū)間上的概率曲線大致相同。從圖2可知，雷電流幅值概率曲線跨度較大，且各幅值所占比例不均衡，大部分集中在2kA～90kA，占總數(shù)的98.54%。在10kA～30kA區(qū)間內(nèi)的雷電流幅值所占比例最高，占總數(shù)的74.67%。雷電流陡度的概率曲線相較雷電流幅值而言跨度范圍較小，大部分集中在24kA/μs以下，陡度在2kA/μs～8kA/μs的比例最高，達(dá)70.74%。

圖2 2013—2020年天津地區(qū)雷電流幅值分布概率

3.閃電強(qiáng)度等級劃分

3.1 等級劃分因子的權(quán)重

經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷電流幅值與陡度呈正相關(guān)，且二者相關(guān)系數(shù)達(dá)83.82%，因此在確定閃電強(qiáng)度指標(biāo)中雷電流幅值和雷電流陡度兩個參數(shù)對應(yīng)的權(quán)重時，權(quán)重因子A1、A2各取0.5來進(jìn)行計算。

3.2 等級劃分結(jié)果

考慮到雷電流幅值是閃電定位數(shù)據(jù)中的重要參數(shù)，從理論上來說，其值越大，能量就越大，直擊雷造成的破壞程度也越高。由雷電流幅值和陡度的概率分布特征可知，不同區(qū)間下二者的概率分布極不均衡，因此對I和di/dt兩個參數(shù)統(tǒng)一采用對稱不等間隔法進(jìn)行區(qū)間劃分，采用百分位法將H按一般（0%～10%）、中等（10%～50%）、較高（50%～90%）和高（90%～100%）不等間隔地劃分成4個等級。將A1、A2、I99%、I1%、di/dt99%、di/dt1%代入公式（5），得到的天津地區(qū)閃電強(qiáng)度指數(shù)計算結(jié)果為：

由上式計算得出99%、90%、50%、10% 4個分位點的閃電強(qiáng)度指數(shù)，分別對應(yīng)為0.879、0.455、0.194和0.042，以此作為天津地區(qū)閃電強(qiáng)度等級的區(qū)間劃分點。采用百分位法將閃電強(qiáng)度劃分為4級（見表1）。

表1 閃電強(qiáng)度H等級閾值劃分

3.3 天津地區(qū)閃電強(qiáng)度等級劃分應(yīng)用

如圖3所示，對于不同等級的閃電強(qiáng)度而言，天津地區(qū)閃電強(qiáng)度分布大致呈“西北高東南低”的特征，大部分地區(qū)雷電強(qiáng)度處于較高和中等等級。北部山區(qū)由于海拔較高，水體、植被較多，水汽條件充足處于高等級區(qū)域，且因為局地地形的抬升作用，發(fā)生強(qiáng)雷電的概率較大。

圖3 2013—2020年天津地區(qū)閃電強(qiáng)度等級劃分圖

4.結(jié)果與討論

（1）本研究利用天津市2013-2020年ADTD二維閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)對閃電強(qiáng)度特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，正閃強(qiáng)度主要集中在2kA～30kA，其中最大分布區(qū)間為2kA～10kA；負(fù)閃強(qiáng)度主要集中在2kA～40kA，其中最大分布區(qū)間為10kA～20kA。

（2）雷電流幅值和陡度在不同區(qū)間上的概率曲線大致相同。雷電流幅值概率曲線跨度較大，且各幅值所占比例不均衡，在10kA～30kA區(qū)間內(nèi)的雷電流幅值所占比例最高。雷電流陡度的概率曲線相較雷電流幅值而言跨度范圍較小，在2kA/μs～8kA/μs區(qū)間內(nèi)的比例最高。

（3）根據(jù)閃電強(qiáng)度的分布規(guī)律，利用自然斷點法將其分為4級。分析發(fā)現(xiàn)，各等級雷電易發(fā)區(qū)域大致呈“西北高東南低”的特征，閃電強(qiáng)度高和較高等級主要分布在薊州區(qū)、寶坻區(qū)、武清區(qū)和靜海區(qū)西南部部分地區(qū)；中心城區(qū)和環(huán)城四區(qū)為中等強(qiáng)度；西南部的濱海新區(qū)與靜海區(qū)東南部閃電強(qiáng)度為一般等級。

（4）本研究對雷電流幅值和陡度的特征及閃電強(qiáng)度分布與進(jìn)行了初步分析，揭示二者的相關(guān)性。然而，影響閃電發(fā)生的主要原因還與地形有關(guān)，下一步將對閃電的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行更加深入的研究。