基于雷電定位系統(tǒng)的海南島近十年雷電活動特征分析

趙海龍，霍美屹，龐松嶺

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，海口 570311； 2.熱帶智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，?？?570311）

前言

雷電是自然界的一種重要大氣現(xiàn)象，雷電發(fā)生時(shí)伴隨著聲、光、電等多種物理現(xiàn)象，其瞬間產(chǎn)生的大電流、強(qiáng)電磁輻射會造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)國家氣象局的統(tǒng)計(jì)研究，雷電災(zāi)害已成為我國的第三大氣象災(zāi)害，僅次于洪澇及地質(zhì)災(zāi)害[1]。海南島屬于熱帶季風(fēng)海洋性氣候，雷電活動頻繁，各市縣的年均雷暴日數(shù)平均在130天左右，屬于強(qiáng)雷區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海南島雷電災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失在自然災(zāi)害中僅次于臺風(fēng)，已成為海南島破壞性最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一[2]。

雷電活動是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。國家電網(wǎng)公司2010年至2015年期間330 kV及以上電壓等級的交流輸電線路中，雷擊故障占故障總數(shù)的39.4 %至50.8 %，±500 kV及以上電壓等級的直流輸電線路中，雷擊重合閘次數(shù)占故障重合閘總次數(shù)的43.5～64.3 %[3]?？梢钥闯?，雷擊故障是電網(wǎng)，尤其是架空輸電線路、戶外變電設(shè)備、架空配電線路等戶外設(shè)備故障跳閘的重要原因[4]。因此，有必要基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對海南地區(qū)雷電活動特性進(jìn)行深入分析，為電網(wǎng)設(shè)備防雷擊提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

本文基于海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2011～2020年的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究分析了海南地區(qū)雷電活動的時(shí)間分布、空間分布、雷電流強(qiáng)度以及極性分布，為海南地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備防雷暴災(zāi)害提供有效的指導(dǎo)。

1 雷電活動時(shí)間分布

海南島屬于熱帶季風(fēng)海洋性氣候，雷電活動頻繁，海南島年平均雷暴日在130天左右，屬于強(qiáng)雷區(qū)域[5]。通過海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)，收集整理海南地區(qū)2011年至2020年的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了海南島雷電活動的基本規(guī)律和特征[6,7]。由此繪制出了海南島2011～2020年雷電數(shù)量的年際分布及月際分布，如下所示。

1.1 年際分布

海南島2011年-2020年逐年雷電活動的數(shù)量分布如圖1所示。

由圖1可以看出，近十年海南島平均每年發(fā)生雷電18.84萬次。其中2011年雷電活動最為強(qiáng)烈，雷電數(shù)量達(dá)到22.89萬次，平均每天發(fā)生627次雷電活動。2011年到2014年雷電活動逐年減弱，2015年雷電活動反彈到21.77萬次，2016年到2017年雷電活動次數(shù)逐年下降，其中2017年雷電活動最弱，雷電個(gè)數(shù)為14.09萬次，2020年雷電活動數(shù)量達(dá)到了22.55萬次。

圖1 海南島2011~2020年雷電數(shù)量年際變化

1.2 月際分布

海南島2011年-2020年月平均雷電活動的數(shù)量分布如圖2所示。

由圖2分析可知，受熱帶海洋性季風(fēng)氣候影響，海南島高溫、高濕氣候特征明顯，局部地區(qū)強(qiáng)對流天氣經(jīng)常發(fā)生。海南島的雷電活動集中分布于春季和夏季。海南島從3月份開始雷電活動逐漸活躍，雷電活動數(shù)量逐月增加，5月份的雷電個(gè)數(shù)達(dá)到頂峰，達(dá)到5.41萬次，6月份、7月份的雷電個(gè)數(shù)有所減少，8月份、9月份雷電個(gè)數(shù)有所增加，分別達(dá)到3.09萬次和2.36萬次，10月份后雷電活動明顯減弱。總的來說，海南島雷電活動最為活躍的4～9月，該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的雷電次數(shù)占到全年總次數(shù)的94.88 %。海南島在每年的10月至次年3月雷電活動最不活躍，該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的雷電次數(shù)僅占到全年總次數(shù)的5.12 %。

圖2 海南島2011~2020年雷電數(shù)量月際變化

2 雷電活動空間分布

地閃密度是指某區(qū)域每平方公里地面的年均落雷次數(shù)，單位為/（km2·a），是雷電活動的重要評價(jià)指標(biāo)。為分析海南島雷電活動的空間分析特性，本文統(tǒng)計(jì)了海南島18個(gè)市縣2011～2020年10年間的平均地閃密度，如圖3所示。海南全省地閃密度的平均值為5.062次/（km2·a）。

由圖3可以看出，白沙黎族自治縣、澄邁縣、儋州市、定安縣、海口市、臨高縣、屯昌縣的平均地閃密度高于全省平均值，其中澄邁縣的十年平均地閃密度值達(dá)到了9.12次/（km2·a），為海南島最高，達(dá)到了全海南島平均值的1.8倍，樂東黎族自治縣的十年平均地閃密度值為2.274 6次/（km2·a），為海南島最低，為海南島平均值的45 %。

圖3 海南島18個(gè)市縣2011~2020年平均地閃密度

總體而言，海南島的雷電活動在空間上呈以下分布規(guī)律：北部地區(qū)（如臨高、澄邁、?？?、定安）的雷電活動明顯較南部地區(qū)（如樂東、三亞、陵水）活躍，地閃密度更高。

3 雷電流強(qiáng)度分布與極性分布

3.1 雷電流強(qiáng)度分布

雷電的雷電流幅值是指一次雷擊中監(jiān)測到的峰值電流，是脈沖電流所達(dá)到的最高值[8]。海南島近10年雷電流幅值分布如圖4所示，雷電流幅值主要集中在低幅值區(qū)間，幅值在0～20 kA的雷電流占了61.37 %，幅值在0～30 kA的雷電流占了76.15 %，幅值在0～40 kA的雷電流占了85.11 %，雷電流幅值主要集中在0～50 kA之間，這個(gè)區(qū)間內(nèi)的地閃次數(shù)占到了總地閃次數(shù)的90.16 %?？梢钥闯?，海南地區(qū)雷電活動的雷電流強(qiáng)度主要集中于低電流幅值區(qū)間。

圖4 海南島近10年雷電流幅值分布

3.2 雷電流極性分布

海南島2011～2020年的雷電流極性分布如圖5所示。負(fù)極性雷電流是海南島雷電流的主要形式，2011～2020年負(fù)極性雷電流總個(gè)數(shù)為15.61萬，占到了雷電流總個(gè)數(shù)的82.83 %。

圖5 海南島2011~2020年雷電流極性分布

海南島2011～2020年的正閃比例年際變化曲線如圖6所示，海南到2011～2020年十年間雷電活動的平均正閃比例為16.8 %，2011～2017年七年間平均正閃比例為8.86 %，而2018～2020年近三年海南雷電正閃比例遠(yuǎn)高于前，平均達(dá)到了35.33 %，為前七年平均正閃比例的的3.99倍。

圖6 海南島2011~2020年正閃比例年際變化

4 結(jié)論

本文基于海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2011年至2020年的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究分析了海南地區(qū)雷電活動的時(shí)間分布、空間分布、雷電流強(qiáng)度以及極性分布特征，可得出以下結(jié)論：

1）海南島雷電活動頻繁，年平均雷電活動得到18.84萬次。

2）海南島雷電活動具有明顯的季節(jié)規(guī)律，春季和夏季雷電活動最活躍，全年有94.88 %的雷電活動發(fā)生在4月到9月，5月份的雷電活動次數(shù)最多，平均為5.41萬次。

3）海南島的雷電活動具有明顯的空間分布規(guī)律，北部地區(qū)的雷電活動明顯較南部地區(qū)活躍。

4）海南全省地閃密度的平均值為5.062次/（km2·a），其中澄邁縣的十年平均地閃密度值達(dá)到了9.12次/（km2·a），為海南島最高，樂東黎族自治縣的十年平均地閃密度值為2.274 6次/（km2·a），為海南島最低。

5）海南島雷電活動的雷電流幅值主要集中在低幅值區(qū)間，幅值在0～20 kA的雷電流占了61.37 %。

6）負(fù)極性雷電流是海南島雷電流的主要形式，平均負(fù)閃比例達(dá)到83.2 %，2018～2020年近三年來海南雷電正閃比例遠(yuǎn)高于前，平均達(dá)到了35.33 %，為前七年平均正閃比例的的3.99倍。