基于ADTD系统的闪电频次分布特征分析

闪电频次是反映雷电活动强弱特征的重要参数。在统计分析重庆市ADTD系统地闪监测资料的基础上,重点分析闪电频次的极性、幅值、雷电流波头陡度和时间分布特征,同时利用GIS软件获取地闪点的高程属性,初步分析了其空间分布特征。结果表明:闪电频次随极性、雷电流幅值和陡度不同而差异显著;闪电雷电流幅值和陡度的频次呈现对数正态分布;闪电频次的月际分布特征表现为正闪集中在4—7月,负闪集中在7—8月;日际分布特征表现为闪电频次主要集中在03:00—07:00和15:00—19:00;在高度空间分布上闪电发生频次最高地区为海拔300~500 m的区域,以后呈现随高度上升而呈递减趋势;在纬度分布中,高频区域分布在28.9~30.3 °N,次高频地区为30.7~31.5 °N之间;经度分布特征来看,呈现双峰双谷（两个峰值区分别为105.9~106.9 °E、108.1~109.1 °E）;高幅值区域正负闪频次比值高于低幅值区域;闪电频次较高地方集中在重庆市东北部、东南部和西部等地。在此基础上获得了重庆地区的雷电流幅值和陡度频次分布表达式,为雷电防护提供了重要的理论基础。      

北京地区雷电灾害风险评估方法与应用

首先选用北京地区1961—2008年的气候站点资料分析闪电活动的气候背景特征,用2007—2008年的闪电定位资料统计各评估网格单元的地闪密度,得到北京地区网格化地闪密度分布,评估网格单元大小为1km×1km。研究发现北京地区平均地闪密度大致在1.6～2.4次·km^-2·a^-1之间,有三处地闪密度的高值分布区,分别是西南部房山的拒马河流域地区,北京城中心偏北—昌平—顺义一带以及平谷一密云一带。借助空间网格技术,根据下垫面承灾体的雷电防护及规避特征,将评估区域划分成建筑物、室外建筑物遮挡部分及空旷地带三种空间类型。然后依据不同空间类型区域的地闪密度、闪电有效截收面积、雷电防护能力和位置参数等因素,分别核算评估网格单元内的雷击危险事件次数,作为雷电灾害风险评估的主要致灾因子指标。最后以人作为雷电灾害的首要承灾体,按"风险=雷击危险事件次数×暴露人口"的概念模型方法,测算北京地区雷电灾害风险指数。风险评估结果认为北京城市地区由于人口及经济实体密集分布,雷电灾害风险普遍较高,城市地区的雷电灾害风险具可规避性;农村及城市远近郊区,人口稀少,尽管闪电活动会比城市地区活跃,雷电灾害风险不是太高。     

湖北省山区与平原雷电分布及其参数特征

为进一步了解山区与平原雷电参数分布特征及其差异,为山区和平原地区雷电防护工程设计和雷击风险评估提供参考,根据湖北省ADTD地闪定位系统2006年12月至2016年12月监测的资料,采用数理统计方法,对山区和平原地区的地闪频次、极性、雷电流幅值和波头陡度等参数分布特征进行了对比研究。结果表明:①山区地闪密度略高于平原地区,平原正地闪百分比稍高于山区,近10年的正地闪百分比呈上升趋势。②正地闪平均强度山区比平原大1.16kA,负地闪平均强度山区比平原小3.67kA,平原总地闪平均强度比山区大3.46kA。③总地闪小雷电流幅值(I≤30kA)概率山区比平原大8.9%,大雷电流幅值(I100kA)概率平原比山区大0.6%。④山区正地闪平均陡度分别比负、总地闪平均陡度大2.44kA/μs和2.31kA/μs,平原正、负、总地闪平均陡度分别比山区大3.41kA/μs、5.77kA/μs和5.64kA/μs。可以得出,山区小雷电流绕击率大于平原,正地闪雷电感应的危害大于负地闪和总地闪;平原地区大雷电流反击率比山区大,雷电感应的危害大于山区。     

北京地区3000 m以下低空颠簸的统计特征及其气象条件分析

低空颠簸（3000 m以下）由于可供飞行员判断和处置的时间短,一旦发生容易造成重大安全事故。气象条件是引发低空颠簸最直接、最重要的因素。本文采用北京地区8部风廓线雷达测得的高时空分辨率资料,结合华北空管局气象中心记录的2016年北京地区20个低空颠簸个例,分析了低空颠簸的统计特征和影响低空颠簸的气象条件。结果表明：北京地区低空颠簸在冬季发生频次高,其中2月颠簸发生频次最高,在夏季发生频次低。影响低空颠簸的气象指标包括水平风速、水平风的垂直切变,水平风的水平切变、水平风的时间切变和垂直风速。通过计算各气象指标的数值,尝试给出了造成低空颠簸的气象指标阈值,即水平风速大于18 m·s^-1,水平风的垂直切变大于10 m·s^-1·km^-1,水平风的水平切变大于0.1 m·s^-1·km^-1,水平风的时间切变大于10 m·s^-1·h^-1以及垂直风速大于2 m·s^-1,以上气象指标任意一个达到阈值,即满足造成低空颠簸的气象条件。此项工作对低空颠簸的预报具有一定参考意义。     

基于ADTD系统的雷电流波头陡度频率分布特征

通过对ADTD闪电定位系统2006 2008年在重庆地区监测的729598次闪电进行统计,重点分析雷电流陡度的频率分布特征。结果表明:雷电流波头陡度及其频率随极性不同而差异较大,正闪陡度明显大于负闪陡度,而同陡度负闪频率却显著大于正闪;雷电流幅值与陡度相关系数为+0.613;采用电力行业标准DL/T620推荐波头时间反推得到的雷电流陡度和采用Ciger推荐公式计算得到的雷电流陡度的概率分布特征与统计特征差异较大。在此基础上分析了ADTD系统获取雷电流陡度资料的局限性,为合理选取雷电流陡度参数提供理论依据。     

基于ADTD闪电定位资料的重庆市地闪特征分析

为了掌握重庆市雷电活动规律,采用数理统计方法及ArcGIS软件,对2008—2019年ADTD闪电定位资料进行分析,得到了重庆市地闪频次的时空分布特征,雷电流幅值、陡度的分布特征和累积概率分布函数。结果表明:重庆市平均每年发生地闪2.08×10^(5)次,其中负地闪占95.7%;地闪频次年际变化大,最多年为3.04×10^(5)次,最少年为1.27×10^(5)次,月分布呈单峰型,7—8月为雷电高发期,占全年的57.9%,日变化呈双峰型,负地闪在夜间03时及下午17时到达峰值,正地闪峰值出现时间比负地闪要晚1—2 h,且午后的峰值远小于夜间;地闪密度空间分布与地形关系密切,大值区主要集中在山脉的交汇处及台地—丘陵向山地的过渡地带;江津北部至重庆中心城区、开州南部至万州北部、忠县南部至石柱西部、永川南部—荣昌至大足西部为地闪密度大值区,密度普遍大于3次·km^(-2)·a^(-1),局部大于6次·km^(-2)·a^(-1);总地闪平均幅值为37.9 kA,其中10—50 kA的部分占80.1%,概率峰值则出现在28 kA;总地闪平均陡度为10.1 kA·μs^(-1),其中5—20 kA·μs^(-1)部分占92%,概率峰值出现在8 kA·μs^(-1)。利用最小二乘法回归拟合得到总地闪幅值及陡度的累积概率分布函数,观测值和拟合值基本一致,拟合较好。     

地闪活动背景下气象条件与O3浓度的相关性研究

基于2013~2017年重庆北碚区缙云山、蔡家和天生3个环境监测站点日值数据,结合地闪观测数据和相关气象要素资料,采用数理统计方法分析了气象条件与O₃浓度的关系,并基于HYSPLIT模型研究了闪电日O₃传输路径和潜在源区。结果表明:（1）北碚O₃浓度峰值大多出现在7月,低值大多出现在12月,其浓度分布从高到低依次为缙云山、蔡家、天生。（2）对比闪电日与非闪电日大气污染浓度,闪电日NO₂、CO平均浓度低于非闪电日,O₃则相反,闪电日缙云山O₃浓度超标率明显低于蔡家和天生。（3）NO₂浓度与地闪频次呈负相关,且天生和蔡家NO₂浓度波动大于缙云山,O₃浓度与地闪频次呈正相关。（4）夏季闪电日O₃气团传输路径主要来自南方。（5）地闪活动发生时O₃浓度高于非闪电日,其主要原因是夏季地闪频次较高,电解反应频繁,同时重庆夏季光照时间较长,光化学反应充分,两种反应的叠加效果大于降水清除作用。      

京津冀地区雷电活动时空分布特征

基于河北省电力部门2005—2014年16站闪电定位资料,对京津冀地区地闪频次和雷电流强度的时空分布特征进行统计分析。结果表明,京津冀地区正地闪占地闪总数的7.33%,该比率高于河南的3.16%,低于内蒙古高原的9.60%。地闪主要出现在夏季,占全年的90.0%;春、秋两季,正地闪所占比率高于地闪频繁的夏季。地闪主要出现在15:00—19:00,最大值出现在16:00,其中正地闪的峰值比负地闪晚1 h。该地区50%以上的地闪雷电流强度集中在20~45 k A之间,其中负地闪与正地闪的平均雷电流强度分别为40.46 k A、74.16 k A,正地闪的平均雷电流强度是负地闪的1.8倍。3月的平均雷电流强度最大;上午的平均雷电流强度大于下午。地闪高密度区主要集中在燕山南麓和太行山东麓迎风坡面的山区与平原过渡区、下垫面水汽充足的水体和湿地区域以及人口相对集中的城市中心区;雷电流强度80 k A的闪电主要分布在京津冀地区的东部沿海、河北中东部平原、张家口西北部以及承德北部,且闪电强度较大的地区闪电密度较小。唐山、保定、沧州地区处于地闪密度和地闪雷电流强度的高值区,该区域在建设工程的选址和防雷装置设计中应充分重视并加强对雷电灾害的防御措施。     

广西VLF/LF和ADTD闪电定位系统对比分析

利用广西2016-2019年VLF/LF和ADTD两套闪电定位系统的地闪资料进行对比分析,并利用典型雷灾事故数据进行评估。结果表明,两套系统的监测结果均以负地闪为主,VLF/LF探测效率约是ADTD的2.6倍,尤其是正地闪以及弱地闪探测效率明显提高,VLF/LF地闪平均雷电流幅值较ADTD偏小且两者差异较大;在地闪频次及雷电流幅值的年变化和日变化上,两套系统的监测结果较为一致,月变化差异较大;在空间分布上,两套系统的地闪密度分布较为一致,雷电流幅值分布差异较大;雷灾事故评估表明VLF/LF定位的准确性和可靠性优于ADTD。     

安徽省皖南山区地闪特征对比分析

利用2011—2013年安徽省ADTD闪电定位系统资料,对皖南山区地闪的发生频次、强度、时间及空间等分布特征进行了分析,并与安徽省的地闪分布特征进行了对比。结果表明:皖南山区地闪发生频次占安徽全省地闪发生频次的28.2%,皖南山区地闪的平均密度为3.21(次/km~2)·a~(-1),明显高于安徽全省地闪的平均密度2.51(次/km~2)·a~(-1)。安徽全省和皖南山区地闪的主要类型为负地闪,6—9月为皖南山区地闪活动频繁期,此时段的地闪发生频次约占全年地闪发生频次的90.8%。皖南山区地闪活动主要集中出现在午后至傍晚,14—17时为雷电活动最频繁时段,与安徽全省闪电日变化特征基本相同。皖南山区地闪电流强度主要集中在10—50kA,在雷电流强度高值区,正地闪比例略增加,皖南山区正地闪平均强度为45kA,负地闪平均强度为36kA,均略低于安徽全省的平均值。     

基于LLS的陕西省近10年地闪时空分布特征

基于2005—2015年闪电观测和NCEP再分析资料,对陕西省地闪时空分布及气候环流特征进行统计分析。结果表明,近10年来陕西地闪呈波动上升趋势,平均12.8万次/a,平均密度为0.67 fl/(km2·a),负闪占总地闪93.7%。每年3月地闪开始逐渐活跃,年平均强度最大;8月地闪最活跃,盛夏总频次超过全年的75%。陕西地闪频次日变化呈单峰型,峰值在16—17时,下午至前半夜活跃;对应时段在延安周边地区的闪电密集区东移南压明显。陕北地闪日变化幅度明显偏大,关中峰值时段偏晚其他地方约3 h,陕南地闪夜发性明显。陕西地闪主要分布在黄土高原东侧、南侧和秦巴山脉南麓的迎风坡,正闪主要位于陕北和陕南西部局地。相比其他省市,陕西地闪密度明显偏小,但平均强度偏大。陕西地闪活动与西太平洋副热带高压的南北进退变化基本一致,随着季节变化而出现北跳、扩大和迅速消散过程。春季闪电主要位于陕南;初夏陕北南部至渭北明显增多;盛夏闪电最强,北部闪电中心区东移至黄河沿线,关中闪电频次增幅远大于陕北、陕南;夏末闪电迅速消散。陕西盛夏闪电主要包括4种气候类型,不同类型的环流特征差异显著。25 °N以北、80~100 °E附近关键区青藏高压强盛、陕西周边温度槽落后高度槽、相对明显的不稳定层结条件是盛夏闪电活跃的有利环流背景。      

基于TRMM/LIS资料的浙江省及周边地区闪电特征和气象要素分析

利用TRMM/LIS 0.1°超高分辨率闪电定位产品, 分析了浙江省及周边地区(117.5~123.0°E, 26~32°N)卫星闪电资料的时空分布特点; 并结合中国区域地面气象要素驱动数据集、亚洲大陆气溶胶光学厚度数据集, 分析了该区域闪电与气象要素的关系。结果表明: 研究区域内闪电平均密度为5.97 f1/(km2·a), 其中陆地闪电平均密度为7.94 f1/(km2·a), 海洋闪电平均密度为2.09 f1/(km2·a), 陆地闪电平均密度为海洋闪电平均密度的3.80倍; 平均闪电密度值逐月变化特征在陆地和海洋区域有很好的一致性, 夏季闪电密度最大, 冬季闪电密度值最小; 陆地闪电密度日变化呈现单峰结构, 海洋闪电密度日变化呈现双峰双谷波形。该区域陆地气温、地面辐射、比湿及降水率均与闪电密度的月变化成正相关, 其中地面降水率和闪电密度月变化相关系数最高, 为0.858 0;气溶胶光学厚度与闪电密度月变化呈现弱的负相关, 相关系数为-0.397 8。      

一次特大暴雨过程三维和二维系统闪电特征对比分析

利用三维(ADTD-2C)和二维(ADTD)闪电定位系统资料, 对比分析了湖北省一次特大暴雨过程中两套系统闪电活动特征, 得出以下结论: (1)本次过程中地闪多于云闪, 二者均以负极性为主。(2)三维系统正地闪在地闪中的占比低于正云闪在云闪中的占比, 高于二维系统正地闪在地闪中的占比。(3)三维系统雷电流幅值集中分布在0~30 kA, 较二维系统(10~50 kA)更集中, 三维系统的雷电流累积概率较湖北省多年统计结果明显偏小, 二维系统的雷电流累积概率略高于统计值。(4)两套系统总地闪和负地闪活跃时段基本一致。(5)两套闪电定位系统地闪密集区基本一致, 且和云闪密集区基本重合, 闪电分布集中程度高, 主要分布在槽前正涡度平流区。三维系统地闪密度大于二维系统, 最大值分别为5.78 fl/(km2·d)和2.39 fl/(km2·d)。三维系统中正、负闪电交错分布, 二维系统中正、负地闪局部存在空间分离现象。(6)云闪密度大小与二维地闪相当、水平分布特征与三维地闪一致。垂直方向上, 云闪主要发生在10 km以下, 其中2~4 km云闪分布密集, 占总云闪的47.24%。      

江苏省地闪密度及雷电流幅值分布

从雷电防护中重点关心的地闪密度和雷电流幅值两个方面进行分析,引入时间权重法结合人工观测雷暴日资料和闪电定位仪资料,给出地闪密度分布情况并依此绘制江苏省雷区分布图,对照Anderson经验公式拟合雷电流幅值概率分布情况.结果表明:江苏省地闪密度的分布趋势是南部比北部多,西部比东部多;洪泽湖周边、太湖和宁镇丘陵周边是江苏省雷电防护重点区域.江苏省雷电流幅值概率分布符合Anderson经验公式,幅值主要在20～40kA范围内变化.     

2010—2018年辽宁省雷电流幅值特征分析

基于辽宁省2010-2018年闪电定位（ADTD）资料,运用统计学方法分析了雷电流幅值时间变化特征;运用规程计算公式和IEEE推荐公式分别计算了雷电流幅值累积概率密度,并和实际地闪雷电流幅值累积概率密度曲线做了对比分析;运用最小二乘法拟合了IEEE推荐公式。结果表明：2010-2018年辽宁省地闪以负闪为主,占比高达89%,而负地闪雷电流幅值主要集中于-50~-20 kA;地闪频次在2011-2013年逐年升高,而后逐年减少,总地闪和负地闪的平均雷电流幅值自2010-2013年逐年降低,而后逐年升高;地闪主要发生在汛期的7-8月,平均雷电流幅值在冬季最高,且日变化平稳;雷电流幅值为20-50 kA的总地闪和负地闪累积概率密度曲线下降最快,而雷电流幅值在20 kA左右的累积概率密度曲线开始下降,总体下降速度较慢;通过对IEEE推荐公式进行拟合,拟合后的雷电流幅值累积概率密度分布曲线更加接近实际。     

典型强龙卷风暴中的地闪活动特征

闪电活动对于强龙卷天气的发生有一定的指示作用,基于闪电定位资料,结合多普勒天气雷达、探空和ECMWF再分析资料对两次典型强龙卷风暴中地闪的时空演变、雷电流强度及正地闪活动特征进行了统计分析,结果表明:地闪主要发生在组合反射率因子≥30 dBZ的区域内,龙卷发生期间,地闪活动减弱且较为分散。不同龙卷风暴的地闪频次差异较大,这与风暴中上升气流的强度有关;当地闪频次从峰值降至最小值期间,龙卷及地,两次过程中地闪频次峰值分别提前龙卷发生约33 min和28 min。同时,龙卷及地之前,地闪会出现连续多次闪电跃增;龙卷等级越强,正地闪表现越活跃,特征越明显,在江苏盐城阜宁龙卷发生期间,还出现了地闪极性从正地闪主导向负地闪主导的反转;两次龙卷风暴雷电流强度随时间的变化规律并不明显,但均小于历史平均值,地闪发生愈频繁的龙卷风暴,对应的雷电流强度值愈小。      

0.1~40 MHz地闪、 云闪及NBE事件的辐射场频谱特征分析

利用宽带傅立叶分析法对2008年7月30日和8月4日两次雷暴过程中, 距离观测点5~20 km范围内的55次负地闪回击过程, 33次云内闪电过程以及20次双极性窄脉冲事件（NBE）的电磁辐射信号进行了观测分析, 得到地闪回击、 云闪放电初始阶段以及双极性窄脉冲事件在0.1~40 MHz频带宽度下的电磁辐射能量谱密度。结果表明, 这三类闪电放电过程的辐射频谱波形均呈现出随频率增加、 幅值减小的趋势, 但在辐射强度和衰减速率上存在一定的差异。负地闪回击幅频波形在6~28 MHz频段上衰减速率相对缓慢; 云闪初始阶段在全频带上始终遵循f-1.2~f-1.4之间的衰减率递减, 且其频谱幅值与地闪回击的辐射能量谱幅值相差不大; NBE事件在0.1~40 MHz频带中辐射能量谱幅值基本都明显大于其他两类闪电放电过程, 特别是在10 MHz以上的HF、 VHF频带上其差异可达到20 dB。     

天津地区雷电流幅值及累积概率分布特征

为研究天津地区雷电流幅值特征,选取2008—2018年ADTD闪电定位数据,研究分析了雷电流幅值时间分布特征和累积概率分布特征。结果表明:天津地区11 a间共计发生闪电106474次,负闪占比89.26%,远高于正闪;雷电流幅值主要集中在2—100 kA,占闪电总数的97.76%,160—200 kA范围内的闪电次数较少,平均正闪电流强度明显大于负闪电流强度;雷电流强度季节特征较为显著,正闪雷电流强度呈双峰分布,负闪雷电流强度分布较为平均,春季正闪活动频繁,秋季次之,夏季负闪频发,冬季雷电活动发生较少,以正闪居多;雷电流高于25 kA时,正闪电流幅值累积概率显著高于负闪,低于25 kA时,负闪电流幅值累积概率高于正闪。负闪电流幅值的累积概率分布与总闪更为接近,与正闪分布差异显著,闪电总数电流累计概率分布主要受负闪影响。通过对比分析发现IEEE工作组(电气与电子工程师协会)推荐的累积概率分布函数更适合于天津地区,特别是雷电流幅值在25—55 kA范围内时,累积概率与推荐公式基本相同。将天津地区雷电流幅值累积概率公式尝试应用于雷电灾害风险评估中,可为精准确定雷电灾害风险评估参数P_(B)取值,精确计算雷击建筑物损失风险提供参考。     

2007年丹东和阜新地区地闪特征

针对2007年辽宁地闪资料进行分析。结果表明：丹东和阜新是辽宁南北两个地闪高发区,其地闪变化既有共同之处,也有差异点。两地均为负地闪次数远远多于正地闪次数,正闪比相差不大;正闪比春季大,夏季少;丹东平均正、负地闪峰值电流强度均值大于阜新。地闪多发于午后到夜间,丹东多发于早晨。定义了地闪持续时数,分析发现地闪多集中发生在持续6h及以上的地闪活动过程中,因而持续6h及以上的地闪活动过程潜在危害较大。丹东地闪活动易发月份为5-10月,阜新为5-8月;丹东地闪活动最活跃期为8月,阜新地区为7月。