基于閃電定位儀資料的甘南州閃電時空分布特征研究

王祥文，周 昱，張艷榮，金滿慧

甘南藏族自治州氣象局，甘肅合作 747000

雷電是發生在自然大氣中的瞬間放電現象，并同時伴有聲、光的出現。當雷暴云中部分區域積累了足夠強的正（負）電荷，使得空間或地面某處的電場強度達到了擊穿大氣的值，則產生雷擊[1]。雷電災害泛指雷擊或雷電電磁脈沖入侵和影響造成人員傷亡或物體受損，其部分或全部功能喪失，造成較大的社會和經濟損失[2]。隨著快速發展的社會經濟和不斷提高的民眾生活水平，雷電災害對整個社會造成越來越嚴重的影響[3]。近年來，國內有大量從事雷電防護或氣象災害防御的學者利用閃電定位儀資料對雷電進行了大量的研究。王慧等[4]利用湖北省2015—2016年VLF/LF三維閃電監測定位系統的探測資料,分析了湖北省閃電的總閃、云閃和地閃的日變化、月變化和密度變化特征。任照環等[5]利用閃電定位儀數據進行重慶市雷電災害風險等級劃分。此外，國內研究者對湖南省、海南省、四川省、青海省、遼寧省、貴州省等地區的雷電活動時空特征也進行了大量的研究[6-11]。

甘南藏族自治州（以下簡稱甘南州）位于中國甘肅省西南部，地處青藏高原東北邊緣與黃土高原西部過渡地段，境內山巒重疊，溝谷縱橫，地形錯綜復雜，造成雷電的時空分布存在一定的差異。

本研究利用2012—2021年閃電定位儀資料，分析了甘南州境內所發生的雷電活動的時空分布特征，進而探索有效的、針對性強的甘南州雷電災害防御對策，同時為雷擊風險評估、雷電防護工程設計、工程項目選址等提供參考。

1 數據來源與方法

本研究所用閃電定位儀資料來源于甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，由中國氣象局下發。甘南州合作市自2012年10月進行閃電定位儀觀測收集工作，所用資料年限僅為2012年10月—2021年10月，共計9年。

時間分布分析：對9年的閃電定位儀資料分別進行了逐年、逐月、逐時統計（即00:00～01:00，01:00～02:00等24個時次），統計了每年、每月、每小時的閃電總頻次、正閃頻次、負閃頻次，以及電流強度等數據。

空間分布分析：制作基礎底圖，選擇覆蓋甘南州地區的33.10°N～36.16°N，100.76°E～104.73°E，按 照0.1°×0.1°的格距將甘南州地區分成1 092個正方形網格，綜合甘南州的矢量地圖生成甘南州的柵格地圖，通過統計各正方形內共發生的閃電次數（即閃電密度)、總閃最大電流強度、正閃和負閃最大電流強度，并采用ArcGIS軟件進行相應圖形的繪制，從而實現了閃電數據與地理信息的疊加與實踐應用，為掌握甘南州閃電活動空間規律和演變特征提供了理論。

2 甘南州閃電的時間分布特征

2012年10月—2021年10月，甘南州共計發生閃電39 948次，閃電活動最早開始日期為2月12日，最遲結束時間為11月19日。最大正閃電流強度為409.906 3 kA，最大負閃電流強度為-949.513 9 kA。

2.1 閃電頻次的年變化特征

由統計資料可知，2012年10月—2021年10月年均閃電頻次為4 439次，2019年閃電活動最頻繁，共計8 708次，2014年閃電活動最不活躍，僅有1 315次。最多年份是最少年份的6.6倍，說明閃電頻次年變化顯著。

2013年正閃占比最高，為42.77%；2018年負閃占比最高，為85.51%。在39 948次閃電中，正閃為970次，占總閃的21.85%；負閃為3 469次，占總閃的78.15%；負閃次數遠遠高于正閃次數，負閃次數是正閃次數的3.58倍，即每發生3.58次負閃才有1次正閃發生，其主要原因與雷暴云的結構有關，雷暴云一般呈上正下負的電荷結構，當其產生對地放電時，位于下部的負電荷離地面比較近，更容易對地放電[11]。

2.2 閃電頻次的月變化特征

通過統計分析可知，正閃、負閃和總閃的頻次月變化均呈單峰型態勢，l月和12月為無閃電月，2—3月開始出現閃電，4—7月閃電逐漸增多，8月出現一個閃電頻數的明顯躍增并達到峰值，為12 522次，占總閃電頻次的31.35%；9月開始大幅度減少，閃電頻次為6 131次，占總閃電頻次的15.35%；10月閃電活動持續減少，11月閃電發生次數極少。

針對在建設工程項目管理工作中存在的問題，企業應實行定員定崗的崗位工作責任制。將企業控制成本的工作責任落實到涉及工程建設項目的每一個人身上。例如：負責合同擬定和管理的部門要與業主和各級部門做好合同內容的溝通工作，明確合同各條款內容。對存在爭議的部分要及時作出有效的溝通。施工內容或者材料價格變更時要及時與業主溝通，劃分好責任。施工人員對施工工藝和施工設備進行統一的管理，確保施工工作正常有序的進行。這樣將責任細化分配給各個崗位的工作者，不僅可以增加施工工程的工作效率，也可以有效的將責任與成本結合起來，達到控制成本的目的。

閃電活動主要集中在4—10月，即汛期，該時期處于春夏之交直至深秋，受降水、氣溫、日照等多方面氣象要素影響，導致該時期閃電活動頻發，該時段累計閃電頻次達39 752次，占總閃電頻次的99.50%，其中負閃為31 089次，占該時段閃電總頻次的78.21%。

2.3 閃電頻次的日變化特征

由歸納分析可知，甘南州境內的閃電活動在各個時段均有發生，逐時日變化呈單峰型態勢分布。閃電活動主要集中在13:00～24:00且以負閃為主，該時段共計發生閃電活動34 455次，約占全天的88.40%，其中負閃為27 444次，占該時段閃電總頻次的79.65%；在18:00～19:00達到峰值，發生閃電活動5 076次，超過全天的10%；03:00～13:00是一天中閃電活動頻率相對偏低的時段，而08:00～09:00是閃電活動發生頻率最低的時段，僅有57次，閃電活動頻率最高時段是最低時段的89倍。

13:00～24:00，受太陽輻射直接或間接的加熱作用，導致大氣層結構不穩定，從而容易形成對流天氣，因此該時段是甘南州地區閃電相對集中發生期，也是雷電防御的關鍵時段。

2.4 閃電強度的年變化特征

通過統計、計算得知：2012—2021年甘南州閃電平均強度為53.694 6 kA，負閃平均強度為-47.125 1 kA，正閃平均強度為59.964 1 kA，正閃的強度比負閃強度高1.27 倍；最大正閃發生在2021年9月28日卓尼縣，電流強度為409.906 3 kA；最大負閃發生在2019年7月28日迭部縣，電流強度為-949.513 9 kA。

閃電活動以負閃為主，占總閃的78.15%，正閃占總閃的21.85%。39 948次閃電中電流強度小于50 kA 的閃電占70.16%，強度在50～100 kA的閃電占24.51%，強度在100～150 kA 的閃電占3.67%，強度大于150 kA 的閃電占1.66%。電流強度分布主要在0～50 kA范圍內（表1）。

表1 2012—2021年閃電強度統計表

2.5 閃電強度的月變化特征

由資料統計分析可知，負閃最大值在7月達到峰值，強度為-949.5139 kA，4月、5月、6月、9月 的 強 度 范 圍在-500 kA左右，2月、11月的強度明顯小于-500 kA，負閃呈現準正態分布；正閃最大值除2月、3月、9月外，強度范圍保持在350 kA左右；總閃最大值與負閃最大值變化趨勢基本一致，呈準正態分布，在7月達到峰值。

2.6 閃電強度的日變化特征

通過統計分析2012—2021年甘南州閃電強度日變化可以得知：負閃強度最大值出現在2019年7月28日18:44:07，強度為-949.513 9 kA；正閃強度最大值出現在2021年9月28日07:34:55，強度為409.906 3 kA。

通過分析可知，總閃平均值、正閃平均值和負閃平均值的變化趨勢基本一致，都是單峰型，最大峰值出現在10:00～11:00之間，總閃平均值為112.718 5 kA，正閃平均值為119.226 2kA，負閃平均值為-106.210 8 kA。出現該情況的可能是由于該時段閃電活動少，但是電流強度較強，最終導致該時段電流強度平均值高于其他時段。

3 甘南州閃電的空間分布特征

3.1 閃電頻次的空間分布特征

根據甘南州閃電頻次空間分布圖可知，甘南州各地區的閃電頻次不同，說明甘南州地區的閃電活動在空間分布存在地域差異，這是由于甘南州地形錯綜復雜造成的差異。閃電頻次呈現南多北少、西多東少、西南地區閃電頻次高于東北地區閃電頻次的趨勢。閃電活動高發區主要集中在瑪曲縣的西部和南部、碌曲縣、夏河縣南部、卓尼縣西南部，這與相關地區的地形地貌、強輻射及對流性天氣有關。合作市、臨潭縣、舟曲縣及迭部縣閃電活動相對較少。

3.2 閃電強度的空間分布特征

分析得知：負閃強度空間分布大體上與總閃強度空間分布一致。正閃強度空間分布與總閃強度空間分布不同，表現為高值小，且高值中心主要分布在總閃高值發生偏少的區域；閃電強度的高值區主要分布在瑪曲縣、碌曲縣和夏河縣，其他地區較為分散。閃電強度空間分布均呈現西高東低的特征，正閃平均電流強度為577.419 7 kA，負閃平均電流強度為-434.740 9 kA，正、負閃電流強度絕對值主要集中在0～100 kA。

圖1 閃電頻次空間分布圖

圖2 閃電強度空間分布圖

4 結論

本研究基于2012—2021年甘南州閃電定位儀資料，采用數理統計和ArcGIS空間分析方法，分析了發生在甘南州的雷電次數、強度的時空分布特征，得到以下主要結論。

（1）從年變化來看，2012年10月—2021年10月甘南州地區共發生39 948次閃電，其中負閃31 220 次，占總閃的78.15%，正閃8 728次，占總閃的21.85%。正負閃次數比例為1:3.58，以負閃為主。

（2）從月分布來看，甘南州閃電頻次月變化呈單峰型態勢分布，閃電活動主要集中在4—10月，即汛期，該時段累計閃電頻次達39 752次，占總閃電頻次的99.50%，其中負閃為31 089次，占該時段閃電總頻次的78.21%；在此期間，8月閃電活動最頻繁。

（3）從日分布來看，甘南州地區的閃電總頻次逐時日變化呈單峰型態勢分布規律，閃電活動頻率較高的時段主要集中在13:00～24:00，且以負閃為主，該時段是甘南州地區對流性雷電天氣相對集中發生期，也是雷電防御的關鍵時段。

（4）從閃電強度來看，電流強度峰值分布主要在0～50 kA范圍，占總數的70.16%；閃電年平均強度為53.694 6 kA，負閃年平均強度為-47.125 1 kA，正閃年平均強度為59.964 1 kA。正閃的強度比負閃強度高1.27 倍。

（5）從閃電密度空間分布來看，閃電頻次呈現南多北少，西多東少、西南地區閃電頻次高于東北地區閃電頻次的趨勢。閃電活動高發區主要集中在瑪曲縣的西部和南部、碌曲縣、夏河縣南部、卓尼縣西南部。

（6）從閃電強度空間分布來看，閃電強度的高值區主要分布在瑪曲縣、碌曲縣和夏河縣，其他地區較為分散，整體呈現西高東低的分布特征，正、負閃電流強度絕對值主要集中在0～100 kA。