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        泰安地區(qū)地閃時空分布特征

        2016-08-03 08:09:19孫麗娜
        海洋氣象學(xué)報 2016年2期
        關(guān)鍵詞:電流強(qiáng)度泰安雷暴

        孫麗娜

        (泰安市氣象局,山東 泰安 271000)

        泰安地區(qū)地閃時空分布特征

        孫麗娜

        (泰安市氣象局,山東泰安271000)

        利用泰安地區(qū)2007—2014年的地閃資料,研究該區(qū)域范圍內(nèi)地閃時空分布特征及其規(guī)律。結(jié)果表明:泰安地區(qū)負(fù)地閃比例為 98.54%,遠(yuǎn)大于正地閃比例1.46%;地閃活動的空間分布總體表現(xiàn)為東部多于西部、山地多于平原;地閃夏季發(fā)生最多,春季次之,再次秋季,冬季最少;負(fù)地閃、總地閃8月份最多,正地閃7月份最多;地閃的日變化曲線總體不具有明顯的峰谷型;正地閃平均電流強(qiáng)度為24.15kA,明顯大于負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度9.92kA;正地閃電流強(qiáng)度主要集中分布在 10~20kA,其次為 20~30kA,負(fù)地閃電流強(qiáng)度主要集中分布在-10~0kA,其次為-20~-10kA。

        地閃活動;地閃密度;地閃強(qiáng)度

        引言

        閃電是雷暴云能量釋放過程中一種強(qiáng)烈的大氣放電現(xiàn)象。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,高科技電子、通訊等設(shè)備的廣泛應(yīng)用,雷暴所造成的災(zāi)害越來越多。研究閃電活動規(guī)律,對防雷減災(zāi)具有重要意義[1-4]。孫景群通過分析氣象臺站的雷電資料,得出了中國雷暴活動的地理分布特征和時間變化特征[5]。Reap等通過對 1985和 1986年兩年4—9月美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)的閃電定位資料進(jìn)行分析,給出了該地區(qū)閃電的時空分布特征,提供了該地區(qū)雷電防護(hù)的依據(jù)[6];Christian等利用衛(wèi)星探測器光學(xué)瞬態(tài)探測器(OTD)觀測全球閃電密度分布,發(fā)現(xiàn)當(dāng)今全球每一秒鐘平均發(fā)生46次閃電,而中國平均每分鐘發(fā)生77次閃電[7];馮桂力等利用1998—2000年山東地區(qū)閃電探測資料對部分城市市區(qū)閃電密度的統(tǒng)計(jì)分析表明,魯中地區(qū)的城市應(yīng)該加強(qiáng)防雷工作[8]。中國是雷暴多發(fā)的國家之一,泰安地區(qū)雷暴日數(shù)在全國屬于中等[5,9]。有學(xué)者對泰安地區(qū)雷暴做了一些研究[10-12],陳善炳統(tǒng)計(jì)得出泰山1954—1996年年平均雷暴日數(shù)為31.1d,年際變化在17~45d之間,6—8月份占全年的83.6%,7月份最多,占全年的40%;賈漢奎等利用1953—2010 年地面觀測資料分析得出,泰安雷暴日數(shù)總體呈下降趨勢,年平均雷暴日數(shù)為 31.3d,一年中只有 1月份沒有雷暴,7月份最多,午后到上半夜是雷暴的多發(fā)時段。

        此文利用閃電定位資料對泰安地區(qū)的地閃時空分布特征進(jìn)行分析,以期為泰安地區(qū)地閃活動的監(jiān)測與防雷減災(zāi)工作提供理論支持。

        1 資料來源和分析方法

        所用資料由山東省氣象局閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)(LD-II)提供,時間為2007—2014年。該系統(tǒng)采用定向時差綜合定位技術(shù),主站設(shè)在山東省氣象局?jǐn)?shù)據(jù)處理監(jiān)控中心,13個子站分別設(shè)在煙臺龍口、威海榮成、青島即墨、日照、臨沂蒙陰、臨沂郯城、濰坊昌邑、濱州沾化、德州夏津、濟(jì)南章丘、泰安東平、濟(jì)寧魚臺、菏澤東明,覆蓋山東全省。定位系統(tǒng)對探測數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化處理后提供每個閃電發(fā)生的時間、經(jīng)緯度、電流強(qiáng)度、極性等參數(shù)[13]。

        把時間間隔小于330ms、空間間隔小于10km的所有回?fù)舳x為一次閃電[14]。研究區(qū)域?yàn)樘┌驳貐^(qū)及其周圍少部分區(qū)域,將35°38′~36°28′N和116°02′~117°59′E之間的區(qū)域分成0.01o×0.01o的網(wǎng)格,然后統(tǒng)計(jì)每個格距范圍內(nèi)的地閃總數(shù),用每個網(wǎng)格中的地閃總數(shù)除以該網(wǎng)格區(qū)域的國土面積,得到該網(wǎng)格區(qū)域的平均地閃密度,單位為次·km-2·a-1。

        2 地閃概況

        表1給出了2007—2014年探測到泰安地區(qū)的227550個地閃的平均特征。從表中看出,所探測到的地閃中,大部分為負(fù)極性閃電,占98.54%,正極性閃電僅占 1.46%。正地閃的平均強(qiáng)度為24.15kA,負(fù)地閃的平均強(qiáng)度為9.92kA,總地閃的平均(絕對值)強(qiáng)度為10.13kA,正地閃的平均強(qiáng)度明顯大于負(fù)地閃。其原因可能是由于負(fù)閃發(fā)生機(jī)會明顯高于正閃,致使云中負(fù)電荷所造成的電場強(qiáng)度還沒有達(dá)到很高,云地放電就發(fā)生了[4]。

        表1 2007—2014年地閃的總體特性

        3 地閃密度空間分布

        地閃密度是閃電防護(hù)最重要的參數(shù)之一,能夠直接反映研究區(qū)域內(nèi)地閃的空間分布特征。圖1給出了泰安地區(qū) 2007—2014年平均地閃密度分布特征,可以看出泰安地區(qū)正地閃年平均密度為 0.02次·km-2·a-1(圖 1a),負(fù)地閃年平均密度為 1.38次·km-2·a-1(圖1b),總地閃年平均密度為 1.40次·km-2·a-1(圖 1c)。泰安地區(qū)地閃活動的空間分布特征總體表現(xiàn)為東部多于西部,山地多于平原,新泰市、泰安市多于肥城市、寧陽縣、東平縣的特點(diǎn)。由于泰安市、新泰市境內(nèi)山脈(泰山、徂徠山、蓮花山等)較多,山脈南坡日射強(qiáng),增溫快,易造成午后空氣層結(jié)的熱力不穩(wěn)定,有冷空氣下來時,抬升熱空氣使對流發(fā)展,易于雷暴天氣的形成,而肥城市、寧陽縣和東平縣地勢相對平坦,地閃密度相對較小。

        圖1 2007—2014年泰安地區(qū)年平均正地閃(a)、負(fù)地閃(b)、總地閃(c)密度分布(單位:次?km-2?a-1)

        4 地閃次數(shù)變化

        4.1地閃活動年際變化

        圖2給出泰安地區(qū)不同極性地閃年際變化:2010年負(fù)地閃次數(shù)、總地閃次數(shù)最多,分別為43815次(占負(fù)地閃總數(shù)的19.54%)和44266次(占總地閃數(shù)的19.45%);2014年負(fù)地閃次數(shù)、總地閃次數(shù)最少,分別為 2858次(占負(fù)地閃總數(shù)的1.27%)和3178次(占總地閃數(shù)的1.40%)。2007年正地閃次數(shù)最多,為600次(占正地閃總數(shù)的18.12%);2009年正地閃次數(shù)最少,為220次(占正地閃總數(shù)的 6.64%)。正地閃與負(fù)地閃發(fā)生次數(shù)年際變化趨勢并不一致。

        圖2  2007—2014年泰安地區(qū)地閃年際變化

        4.2地閃活動季節(jié)變化

        泰安地區(qū)地閃活動的季節(jié)性分布特征明顯,夏季最多,正地閃占71.04%,負(fù)地閃占88.48%,總地閃占88.23%;春季次之,正地閃占23.68%,負(fù)地閃占8.65%,總地閃占8.86%;再次是秋季;冬季地閃發(fā)生的次數(shù)最少。正負(fù)地閃季變化趨勢相同,負(fù)地閃季節(jié)變化更明顯。夏季,西風(fēng)帶中的冷空氣與副熱帶高壓西北邊緣暖濕氣流疊加,造成大氣不穩(wěn)定,產(chǎn)生強(qiáng)對流,易于形成雷暴。

        4.3地閃活動月變化

        泰安地區(qū)地閃活動月變化特征明顯,圖3為泰安地區(qū)地閃平均月變化圖,8月是泰安地區(qū)對流活動最旺盛、地閃活動最頻繁月份,平均總地閃次數(shù)為12918.25次(占45.42%);其次是7月,平均總地閃次數(shù)8154.25次(占28.67%);再次是 6月,平均總地閃次數(shù)約為 4023.00次(占14.14%)。負(fù)地閃月變化與總地閃月變化趨勢大致相同,8月最多,負(fù)地閃平均次數(shù)為12837.63次(占45.80%);其次是7月,約為8016.13次(占28.60%);再次是6月,平均為3947.75次(占14.08%)。正地閃月變化曲線比負(fù)地閃月變化曲線平緩,正地閃活動最為頻繁的月份是7月,為138.13次(占33.37%),其次是8月,為80.63次(占19.48%);再次是6月,為75.25次(占18.18%)。

        圖3 2007—2014年泰安地區(qū)地閃月變化

        4.4地閃活動日變化

        為了分析地閃的日變化規(guī)律,分別統(tǒng)計(jì)了23:30—00:30(不包含23:30,包含00:30,下同),00:30—1:30,01:30—02:30,…,和22:30—23:30(北京時,下同)中每個時段 2007—2014年累計(jì)地閃的總數(shù),同時計(jì)算出每個時段相應(yīng)的百分率。結(jié)果表明:地閃的發(fā)生存在明顯的日變化,總體上不具有明顯的峰谷型。正地閃最大值和次大值分別出現(xiàn)在 22:00和 17:00,最小值和次小值分別出現(xiàn)在 13:00和 14:00;負(fù)地閃最大值和次大值分別出現(xiàn)在 21:00和 20:00,最小值和次小值分別出現(xiàn)在11:00和12:00;總地閃最大值和次大值分別出現(xiàn)在 21:00和 22:00,最小值和次小值分別出現(xiàn)在11:00和12:00。從正負(fù)地閃峰值和谷值出現(xiàn)的時間上分析,負(fù)地閃的峰值和谷值總體在時間上早于正地閃的峰值和谷值。

        5 地閃強(qiáng)度變化

        5.1地閃強(qiáng)度極大值與平均值

        為了分析強(qiáng)度分布,首先統(tǒng)計(jì)了正負(fù)地閃電流強(qiáng)度的逐年最大值、發(fā)生時間、位置(表2)及地閃的平均強(qiáng)度(表 3)。正地閃電流強(qiáng)度的逐年最大值區(qū)為50~130kA,5—10月都出現(xiàn)過最大值,正地閃極值為125.12kA,出現(xiàn)在2011 年8年16日,泰安市泰山區(qū)泰前街道三合社區(qū)西南方向;負(fù)地閃電流強(qiáng)度逐年最大值區(qū)為-110~-40kA,集中分布在7—8月,負(fù)地閃極值為-106.80kA,出現(xiàn)在2012年7月9日,泰安市東平縣接山鎮(zhèn)中套村西北方向。由于統(tǒng)計(jì)樣本的年份較短,正負(fù)地閃最大值在地理位置上的分布規(guī)律不明顯。

        表2 2007—2014年地閃的最大強(qiáng)度

        正地閃的平均強(qiáng)度遠(yuǎn)大于負(fù)地閃的平均強(qiáng)度,正負(fù)地閃平均強(qiáng)度的年際變化不大。2007年正地閃平均強(qiáng)度最大為26.11kA,2011年正地閃平均強(qiáng)度最小,為23.10kA;2013年負(fù)地閃平均強(qiáng)度絕對值最大,為11.02kA,2012年負(fù)地閃平均強(qiáng)度絕對值最小,為8.72kA。

        表3 2007—2014年地閃的平均強(qiáng)度                       kA

        5.2不同等級地閃強(qiáng)度的概率分布

        將全部地閃按照電流強(qiáng)度小于等于-110kA,-110~-100kA(不包含-110kA,包含-100kA,下同),…,-10~0kA,0~10kA…,120~130kA,大于130kA分為26個等級,統(tǒng)計(jì)出各強(qiáng)度等級地閃的數(shù)量,并統(tǒng)計(jì)出對應(yīng)的百分率(圖4),為了便于在圖上呈現(xiàn),負(fù)地閃采用絕對值。

        圖4 2007—2014年地閃不同強(qiáng)度等級分布

        正地閃電流強(qiáng)度分布主要集中在 10~20kA,共發(fā)生 1373次(占 41.47%),其次為20~30kA,共發(fā)生1262次(占38.12%);負(fù)地閃電流強(qiáng)度分布主要集中在-10~0kA,共發(fā)生132581次(占 59.25%),其次為-20~-10kA,共發(fā)生 75534次(占 33.68%);總地閃電流強(qiáng)度(負(fù)地閃采用絕對值與正地閃累計(jì))分布主要集中在 0~10kA,共發(fā)生 132889次(占58.40%),其次為 10~20kA,共發(fā)生 76907次(占33.80%)。

        6 結(jié)論和討論

        (1)2007—2014年泰安地區(qū)共探測到227550個地閃,負(fù)地閃占98.54%,正地閃占1.46%;正地閃次數(shù)2007年最多,2009年最少;負(fù)地閃次數(shù)和總地閃次數(shù)2010年最多,2014年最少。

        (2)地閃活動的空間分布與地形有關(guān),總體表現(xiàn)為東部多于西部,山地多于平原,新泰市、泰安市多于肥城市、寧陽縣、東平縣的特點(diǎn)。

        (3)地閃季節(jié)分布夏季最多,春季次之,再次是秋季,冬季最少;負(fù)地閃、總地閃8月份最多,正地閃7月份最多,正地閃月變化曲線比負(fù)地閃月變化曲線平緩;地閃的日變化明顯,總體上不具有明顯的峰谷型。

        (4)正地閃電流強(qiáng)度主要集中分布在 10~20kA,其次為20~30kA,平均強(qiáng)度為24.15kA;負(fù)地閃集中分布在-10~0kA,其次為-20~-10kA,平均強(qiáng)度為9.92kA;總地閃的平均(絕對值)強(qiáng)度為10.13kA。正地閃電流強(qiáng)度的逐年最大值區(qū)為50~130kA,在5—10月都出現(xiàn)過最大值;負(fù)地閃電流強(qiáng)度逐年最大值區(qū)為-110~-40kA,集中分布在7—8月,正負(fù)地閃最大值在地理位置上的分布規(guī)律不明顯。

        該文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)僅限于矩形的區(qū)域內(nèi),對于泰安地區(qū)邊界地閃數(shù)據(jù)的排除還需要做進(jìn)一步研究,統(tǒng)計(jì)過程中僅排除了地閃的回?fù)?,沒有排除地閃的誤測。

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        P427.3

        B

        1005-0582(2016)02-0048-06

        2015-11-04

        孫麗娜(1982—),女,山東成武人,本科,工程師,主要從事雷電防御工作。

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