2014-2023年常德地区雷电活动特征分析

摘 要：利用2014-2023年常德地区雷电定位资料及30m精度高程数据，通过数理统计等方法，对常德地区不同地形条件上的雷电活动特征进行了分析。结果表明：常德地区地闪活动主要发生在平原上，电流强度主要集中在10kA至100kA。随海拔高度的上升，地闪频次及小幅值雷电流占比呈减少趋势。春夏两季是各地形雷电活动的高发季，而冬季是正闪电活跃期。下午至晚上是一天中雷电活动的多发时段，其中平原、丘陵和山地16时的雷电活动最为强烈。各行业应密切关注雷电活动的高发时段，并做好雷电防护措施，减少或避免因雷击造成的雷击伤亡时间。

关键字：地闪频次；雷电流强度；雷电流陡度；高程数据；地形

中图分类号：P446     文献标识码：A

雷电是发生在大气中的一种放电现象，具有长距离、短时间、能量大等特点。随着经济的快速发展以及电子电气设备的普及，雷电对人类的威胁也日益严重，已被联合国认定为十大自然灾害之一[1]。地闪活动受地区、地形等[2-5]下垫面因素影响较大，具有较强的局地性和区域性特征。因此，研究不同区域的雷电活动特征，对进一步研究雷电物理特性，提高不同区域雷电灾害防御能力具有十分重要的意义。

从21世纪初开始，相关学者围绕雷电活动规律展开了一系列的研究，王学良、李家启等[6-7]运用ADTD型闪电定位资料，从空间分布、时间分布等方面分析了湖北地区2006-2009年雷电活动特征；范仲之等[8]运用闪电定位数据分析了影响雷电活动的地形因子；崔雪东等[9]分析浙江省地形与雷暴路径的关系时发现，雷暴主路径为丘陵地形，平原和山地偏少，地势越高路径越少；马明、张祎、曾庆锋等[10-12]运用多年雷灾统计资料，研究雷灾分布特点及成因，为防灾减灾工作开展提供参考依据；贺秋艳、田艳婷、吴安坤等[13-15]从易损性角度出发，选取雷击密度、雷击灾害频度、经济和生命损失模式等评估指标展开雷电灾害风险区划分析。

中国地域辽阔，研究不同区域的雷电活动特征，不仅能对防雷工作的开展提供依据，而且还可提高雷电灾害防御能力，防止或减少雷灾事故的发生。因此，本文利用2014-2023年常德地区雷电定位资料和DEM高程数据，分析常德地区雷电活动特征，以期为常德地区的防雷设计及防灾减灾提供参考依据。

1资料及方法

雷电定位资料来源于湖南省雷电定位系统，该定位系统是由中科院科学研究中心和北京华云东方探测技术有限公司合作研发生产并布点建设的ADTD型雷电定位系统，于2008年初在全省布设完成。该系统由分别位于常德、益阳、岳阳、常德、张家界、怀化、邵阳、永州、郴州、衡阳的10个探测子站组成，主要用于探测云地闪电，探测效率为±80％，可获得闪电回击的发生时间、经纬度位置、雷电流极性、峰值强度、雷电流上升陡度等参数，时间精度可达到10-7s，定位精度可达到300m。

DEM高程数据来源于地理空间数据云平台，数据类型为img，空间分辨率为30m。根据地形划分标准将常德地区的地形分为平原（海拔高度＜200）、丘陵（200≤海拔高度＜500）、山地（海拔≥500），绘制海拔高度等值线图（图1）。

图1 常德地区海拔高度示意图（单位：m）

考虑到ADTD型雷电定位系统的雷电流监测范围是（±1kA，±500kA），并且存在小幅值云闪的干扰，因此，本次研究将强度大于500kA的雷电流删除，同时将-5kA~5kA的雷电流数据剔除，雷电流波前陡度区间为绝对值小于500kA/μs，大于0kA/μs。

2 结果与分析

2.1 地闪频次分布特征

对常德地区2014-2023年雷电活动空间分布特征进行分析，以网格尺寸1km×1km进行克里金插值。从图2可以看出，桃源县南部及武陵区南部是雷电活动最活跃地区，中部及西北部地区地闪回击密度主要落在0.07-1.84次/（km2·年）之间，总体上呈现自北向南逐渐增加的区域分布特征。统计常德地区总地闪频次在各地形面积上所占比例可知，平原地形占比最大，为74.13%，其次为丘陵，占比为16.53%，山地发生的地闪占比为9.34%。

图2 2014-2023年常德地区地闪密度分布图（单位：次/（km2·年））

图2为2014－2023年常德地区闪电频次与平均海拔的变化图，总闪频次主要分布在600m及以下，在0－100m区间总闪频次最大，为153816次，1700－2100m区间仅有183条闪电，整体上总闪频次随海拔高度的上升呈现出逐渐减少趋势。从0－100m海拔高度到100－200m海拔高度的总闪电数减少最多，高达106636次，每个区间段的总闪频次的减少幅度随着海拔的上升同样呈现出逐渐变小趋势。正、负闪频次也是随着海拔高度的上升而减少。出现这一现象的原因主要是由于海拔低的地区，其地形较为平缓，随着海拔升高，气流上升速度加快，有利于形成闪电活动，相反在高海拔地区，由于山脉对气流的阻挡，使得抬升外力减弱，从而导致闪电活动的形成受到一定的抑制。

图2 2014－2023年常德地区地闪回击频次随海拔高度变化

2.2 电流强度分布特征

图3为2014－2023年常德地区地闪平均电流强度等值线，从图3可知，常德地区雷电流幅值处于较低水平，主要集中在11.7－49.2kA之间，高幅值闪电发生的概率较低。

图3常德地区2014-2023年雷电流强度空间分布图（单位：kA）

对2014-2023年常德地区不同地形上地闪强度绝对值进行分析（表1），可以看出常德地区的地闪强度绝对值主要集中在10kA至100kA，占比分别为95.8%（全区）、96.17%（平原）、95.07%（丘陵）、94.05%（低山）、89.82%（高山），200kA以上的地闪占比很少，平均值不到1%。

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中给出的第三类建（构）筑物防范的最大雷电流100kA和最小雷电流15.8kA，我们将≤20kA的雷电流定义为小幅值雷电流，将＞100kA的雷电流定义为大幅值雷电流。对比四种地形上的小幅值雷电流占比可知，平原地区小幅值雷电流占比最高，为23.15%，山地最少，为12.04%；山地大幅值雷电流高山地区占比最高，为3.73%，由此可见，低海拔平原发生小幅值雷电流绕击的概率高于高海拔的山地，而高海拔的山地比平原及丘陵地区更易存在大幅值雷电流反击的风险。其原因主要是城市污染、汽车尾气等人类活动排放的烟尘随海拔高度的增加而减少，进而空气中的带电离子也相对减少，使得雷雨云对地放电的雷电流幅值增大，因此，大幅值雷电流所占比例与空气中带电离子浓度有关。

表1 2014-2023年常德地区不同地形条件下地闪强度绝对值划分区间统计情况（%）

2.3地闪活动时间变化规律

2.3.1季节变化

有研究表明，雷电的发生因气候背景的不同而差异较大，特别是周期性和地域性特点的典型气候事件对区域雷电活动的影响尤为明显[16-17]。根据四季划分法，以3~5月为春季，6~8月为夏季，9~11月为秋季，12~2月为冬季，对2011-2020年常德地区不同地形上闪电数据按季节进行分析，结果见表2。从表中可知，平原、丘陵、山地总地闪频次随季节具有显著的变化特征，夏季总地闪占比最大，分别为55.66%、65.91%、69.39%，春季多于秋季，最少为冬季。各地形上春夏两季的总闪电占比平均值为94%，由此说明，春季和夏季是雷电活动高发季，应加强雷电灾害的防范工作。

从表2数据发现，平原、丘陵、山地上冬季正地闪比例最高，分别为17.54%（平原）、17.29%（丘陵）、17.57%（山地），平原最低为9.05%（秋季），丘陵最低为夏季（8.04%），山地最低为4.20%（秋季），说明冬季是正闪电活跃期，其主要原因是夏季雷暴云暖云区厚度比较厚，且雷暴云中的液态水含量较少，进而使得云内大粒子浓度较小，加上反转温度层较低，下部正电荷区存在的范围小且强度较弱，使得负电荷区强于下部正电荷区，因此，夏季发生的闪击中正地闪较少。

表2 2014-2023年常德地区不同地形条件下总地闪、正地闪占比季节分布情况（%）

2.3.2日变化

对2014-2023年常德地区平原、丘陵、山地地闪频次日变化特征进行分析（表3），可以看出，各地形地闪频次占比的日变化特征较为明显，在下午及夜间高发，主要是因为下午时段，太阳辐射强、地面温度升高，促进对流运动与云团形成；而武陵山脉等地形的抬升作用进一步加剧了对流强度。凌晨时段，夜间辐射冷却导致下热上冷的温度梯度，有利于对流云团发展，同时水体提供充足水汽，地形特征也可能促进冷空气汇聚与对流加剧，共同促使闪电活动频发。统计表明，平原、丘陵和山地上16时的地闪活动最为强烈，占比分别为7.51%、7.07%和9.06%。

表3 2014-2023年常德地区不同地形条件下地闪日变化（%）

3 结论

利用2014-2023年常德地区雷电定位资料及DEM高程数据，分析了常德地区的雷电活动特征，得到以下结论：

（1）2014-2023常德地区地闪回击密度整体上呈现自北向南逐渐增加的区域分布特征。统计常德地区总地闪频次在各地形面积上所占比例可知，平原地形占比最大，为74.13%，其次为丘陵，占比为16.53%，山地发生的地闪占比为9.34%。

（2）电流强度主要集中在10kA至100kA。随海拔高度的上升，地闪频次及小幅值雷电流占比呈减少趋势。

（3）春夏两季是各地形雷电活动的高发季，而冬季是正闪电活跃期。下午至晚上是一天中雷电活动的多发时段，其中平原、丘陵和山地16时的雷电活动最为强烈。

参考文献

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作者简介:黄双林（1974.08），男，汉族，湖南澧县人，本科学历，工程师，从事雷电防护工作。