闪电定位资料的分析方法与应用

闪电定位资料的分析方法与应用

夏鑫鑫

南阳市气象局，河南 南阳 473000

摘 要：闪电定位观测资料数据量很大，实际业务应用需要进行统计分析，其目的有两个：一是要掌握雷电活动的特征；一是与其他气象资料相结合，应用于防雷技术和业务管理中。

关键词：闪电定位；资料分析；防雷业务

引 言

传统的雷电观测是气象站记录的雷暴日。现代雷电监测方法是通过建立区域覆盖的闪电定位系统进行组网监测，通过对闪电回击过程中的声、光、电、磁等测量和分析来确定闪电时空分布及放电参数，并结合GPS和通讯等技术实现组网监测，具有全天候、全时空、遥感等能力^[1]。我国气象部门这项业务运行后，不仅提升了防雷管理工作水平，而且在雷电研究、预报预警、灾害预防等气象服务的众多方面都起到推动作用^[2]。雷电监测数据量大、范围广，而实际业务往往要具体到某个区域(如一个城区) 或者某个点(如一栋房屋)，所以我们要对庞大的数据进行筛选和分析。

作者选择2020年夏季(6~8月)南阳市的闪电监测资料^[3]，系统性地介绍本区域的闪电特征分析方法以及在气象业务中如何应用。鉴于南阳的闪电观测年限很短，难以代表气候特征，某些气候统计工作还需后来者去做。

1 以图表方式处理实时资料

本文闪电资料来源于全国气象探测中心雷电监测网。实时获取的闪电参量有极性、雷电流强度、陡度以及发生的地点(经纬度)、时间等。处理这些庞大数据，需要后期开发各种形式的业务平台，最理想是在GIS(地理信息系统)支持下的计算机平台，最简单的平台是Surfer绘图软件。可以把某个行政区域内某时段的闪击点全部显示出来，显示出分布状况。

2 通过特征分析了解雷电活动规律

掌握活动规律是开展闪电资料应用的前提，分析的角度要全面，包括特征参量、时间分布、空间分布、天气学分析等多种手段都要掌握。

2.1 特征量统计

代表闪电特征的基本参量有三个：极性、强度、陡度，下面我们以2020年6～8月份雷暴集中时段的8559个闪电资料来分析其特征。

(1) 极性

极性由放电过程中泻入大地的电荷极性来决定，分为正闪和负闪两种。一般情况下，云对地放电为负闪，地对云放电为正闪。统计显示，绝大部分为负闪，正负比例约为1/22。

(2) 雷电流强度

雷电流强度由峰值确定。平均值为33.6kA，主要分布20～50 kA这一区间，占近70％的比例。观测到的最大雷电流达到421kA，大于200kA仅出现29次，只占0.34％。

(3) 雷电流陡度

陡度是雷电流随时间上升的变化率，由峰值和波头确定。平均值为9.8kA/μs，低于20kA/μs的地闪占到95％。监测到的最大值305kA/μs，大于100kA/μs仅出现15次。

特征量表现为：强度以中低为主，极性以负闪为绝大多数，极个别强闪也存在。

2.2 时间分布

对8559次落闪进行逐时、逐日、逐月的情况进行分析，能全面把握时间分布特征。

(1) 逐时分布

通过分析可知：闪电分布很有规律， 14～20时（午后到傍晚）是雷电最集中爆发的时段，占60％以上，而4～12时（凌晨到午前）是雷电频率很低，仅占5％。这和天气学的分析相吻合。

图1 2020年6～8月份南阳地闪逐时分布

(2) 逐日分布

统计发现：闪击频次相对集中，如 6月17～18日、7月20～21日两次强对流天气过程闪电次数相当多。仅6月17日14～20时全市共监测到1682次闪击，占总闪击量的20％。

(3) 逐月分布

三个月份中6、7月闪击次数较多，8月份相对偏少。从日数看，共有40天发生闪击，这和传统雷暴日观测有很大差别，（平均值22.5d/a）。

总之，2020年夏季南阳的雷电活动的时间特征有两个：一是主要爆发时段在午后至傍晚，一是高频次集中在两次强对流天气过程中。

2.3 空间分布

空间分布最简单的做法是传统的分区统计，最直观的是落点的地理分布，更有使用价值的是制作闪电密度图

1. 分区县统计

通过统计可知：各区县闪电密度的差异很大：分布极为不均，相差10倍以上(最大值为新野县的 2.5次/km²，最小值为镇平县的0.2次/km²)；正负闪比例也有差异，平均值为1/12。随着闪电数据的积累，可以广泛应用于防雷业务，比雷暴日更有代表性。

(2) 落点分布

实时落点分布特征为：南北高频次中部低频次，高频落点在南部高海拔山区；进一步分析可知，大型工程建设(水库和城市高层建筑物群)影响了闪电活动；中部地区的地闪活动明显偏少。

(3)闪电密度

制作密度图是目前最有代表性的雷电分析及其应用，可以看到闪电分布的细节。根据业务或研究需要，网格可以按经纬度(如0.01°×0.01°)设定，也可以按间距(如5km×5km)设定；数值可以分析成等值线，也可以网格；图形可以设色显示，也可灰度显示。如图2为40km×30km闪电密度网格图，涵盖了南阳市城区及其周边地区。同样的，也可制作雷电流强度或陡度分布图。

图2 2020年6～8月份南阳城区地闪密度网格

3 防雷等业务的应用

3.1 雷电预警预报

闪电定位仪、大气电场仪的资料，结合地面观测、高空探测、天气雷达、卫星云图等可以全面监测雷电活动实况(如移动路径、强度演变等)。预报员可以参考这些，综合分析天气形势，及时准确地作出短时预报；也可以提供专业气象服务，如发现森林火险和电力故障、高危行业雷击预警、景区雷击安全等。另外闪电资料的统计，有利于掌握对雷暴活动规律以及雷电流特征。

3.2 雷灾调查

雷灾调查有两个相反的方面：一是由雷击点找受灾点，一是由受灾点反查雷击点，实际工作中主要是后者。闪电定位可为事故鉴定提供便捷的方法和科学的依据。如信息反馈到某处发生雷击事故，在时段确立和GPS定位后，可轻易地找到临近的落闪。例如：一个建筑工地遭雷击后，在周边捕获到两次闪击，利用公式 Ho＝Im/(2π·Sa) 可以描绘落闪点磁场衰减的分布曲线，进一步计算两次闪击时各自通过受灾点的磁场强度，从而判断闪击点的闪电感应。如果是建筑物内部被击，通过建筑物的屏蔽系数，可以分析建筑物内的磁场分布。

3.3 雷击风险评估

闪电定位资料在雷击风险评估中的应用很广，总结如下：

(1) 计算某个点的雷击大地年平均密度T_g的值，这比用雷暴日T_d值换算更精细化。

(2) 为确定雷电防护等级提供雷电流参数。

(3) 为建设项目的选址、设计、施工等方面提供技术指标。

(4) 掌握雷电活动规律，做好雷击风险管理，等等。

3.4 其他业务应用

在其他气象业务方面的应用有待进一步探讨：

(1) 在人工增雨作业方面，让作业飞机避开闪击和雷暴云团。

(2) 在灾害预防方面，闪电定位数据实时传输、同步获取，这比需要一定时间进行加工处理的雷电回波、卫星云图等资料更易提前获取，提前警报，有利于提高时效。

(3) 通过闪电研究可以总结出很好的天气学指标，从而拓展天气与气候研究的思路。

(4) 在其他行业应用效果更明显，如森林防火、电力故障排查、高危行业安全管理等。

4结论

全面掌握闪电定位资料统计分析方法，才能深刻地认识雷电活动规律，在此基础上才能灵活运用资料为防雷技术和业务管理等气象领域拓展应用范围。随着闪电定位资料逐年积累，再加上多种探测手段(如卫星云图、雷达回波图、综合气象观测等)地综合运用，闪电活动规律及其资料应用将得到更进一步地拓展。

参考文献

[1]黄声锦, 彭涛. 雷电定位系统基础分析[J]. 中国科技信息, 2008(23):150-151.

[2]李胤. 南阳市雷暴发生规律及防御措施[J]. 科技致富向导, 2013(22):105-105..

[3]张岚晶. 呼和浩特地区闪电定位监测数据与雷暴日观测数据对比分析[J]. 内蒙古科技与经济, 2019(10).

[4]马超, 新疆气象台, 周雅蔓,等. 闪电定位资料在天山北坡强对流天气短临预警中的分析及应用[J]. 沙漠与绿洲气象, 2020, 14(1)：49-55.