陳盛燃,邵向潮,夏云峰,劉貫科,陳浩,蘇盛
(1. 廣東電網(wǎng)公司東莞供電局,廣東 東莞523000;2. 清潔能源與智能電網(wǎng)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)沙理工大學(xué)),長(zhǎng)沙 410004)
雷電數(shù)據(jù)挖掘分析是指導(dǎo)開(kāi)展電網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。新世紀(jì)之初開(kāi)始得到大面積推廣應(yīng)用的雷電定位系統(tǒng),積累了海量的雷電數(shù)據(jù),可以提供雷電時(shí)間、經(jīng)緯度、頻次、閃電類(lèi)型和雷電流等信息,為深化對(duì)雷電機(jī)理的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)電力系統(tǒng)防雷工作提供了重要基礎(chǔ)[1 - 5]。
已有雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘分析方法大體可分為3大類(lèi)。早期的研究著重分析地閃密度、雷電種類(lèi)和雷電流參數(shù)的時(shí)空分布特征,并研究利用雷電時(shí)間分布和空間分布等特性,進(jìn)行差異化防雷[6 - 11]。第二類(lèi)研究側(cè)重分析地形地貌、海拔高程及地表地質(zhì)等地理因素對(duì)雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布特性的影響,為開(kāi)展特殊地理?xiàng)l件下的差異化防雷提供支撐[12 - 13]。有別于上述兩類(lèi)長(zhǎng)時(shí)間尺度上靜態(tài)的雷電統(tǒng)計(jì)分析研究,近年來(lái)興起了圍繞雷電活動(dòng)時(shí)空動(dòng)態(tài)特性的研究。文獻(xiàn)[14]分析指出雷電在時(shí)空上具有叢聚性特點(diǎn),通過(guò)時(shí)間和空間的聚類(lèi),識(shí)別出佛山和江門(mén)等地的雷暴移動(dòng)走廊,可以為架設(shè)引雷塔提供決策依據(jù)。由于強(qiáng)雷暴對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的威脅突出,文獻(xiàn)[15 - 18]根據(jù)雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù),進(jìn)行雷暴云移動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)雷暴云移動(dòng)沿線(xiàn)輸電線(xiàn)路累積跳閘概率,從而提高電網(wǎng)安全的態(tài)勢(shì)感知能力。
雷電在時(shí)域上具有高度不均勻分布的特點(diǎn),大量雷電集中出現(xiàn)在極少數(shù)的強(qiáng)雷暴過(guò)程中。雷電是云內(nèi)、云空、云間或云地之間的瞬時(shí)放電現(xiàn)象,雷暴云團(tuán)的移動(dòng)路徑?jīng)Q定了雷電的移動(dòng)軌跡。氣象領(lǐng)域的研究表明,天氣系統(tǒng)是在一定的氣候環(huán)境下產(chǎn)生的,在相對(duì)固定氣候和環(huán)境下產(chǎn)生的天氣系統(tǒng)具有比較確定的規(guī)律,而天氣系統(tǒng)的物理機(jī)制決定了雷暴云團(tuán)的空間移動(dòng)軌跡[19]。因此,特定的氣候環(huán)境下雷暴云團(tuán)乃至與之伴生的雷暴的移動(dòng)趨勢(shì)也可能具有特定的規(guī)律。搞清雷暴移動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)特性,并探索其背后潛藏的形成機(jī)理,有可能深化對(duì)雷電行為規(guī)律特性的認(rèn)識(shí),并利用這種規(guī)律為提高電力系統(tǒng)雷電防護(hù)水平提供支撐。
選取圖1所示香港及附近區(qū)域(黃色界限內(nèi),東經(jīng)113°35′~114°36′,北緯21°54′~22°42′)在2005年至2014年間的歷史雷電地閃數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,探討其間強(qiáng)雷暴移動(dòng)軌跡及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律。10年間,共包含1 148個(gè)雷電日,雷電總數(shù)1 994 067 次,其中地閃1 385 980次[20 - 21]。因影響電網(wǎng)安全的主要是雷電地閃,后文未加明確說(shuō)明者均為地閃數(shù)據(jù)。
圖1 雷電研究區(qū)域的地理位置Fig.1 Location of investigated lighting data
雷電在時(shí)域上具有較強(qiáng)的不均勻分布特性,多數(shù)雷電日僅有少量雷電活動(dòng),電力系統(tǒng)遭雷擊風(fēng)險(xiǎn)較低。需要給予特別關(guān)注的是集中發(fā)生大量雷電活動(dòng)、雷擊風(fēng)險(xiǎn)高的強(qiáng)雷暴日。為搞清香港地區(qū)雷電的時(shí)域分布特性,分析當(dāng)?shù)?005—2014年間每年雷電日地閃數(shù)據(jù),進(jìn)行了各種分布模型的擬合,選擇擬合度最高的Burr分布作為時(shí)域分布模型。Burr分布的分布函數(shù)如式(1)所示:
(1)
為驗(yàn)證日雷電次數(shù)服從Burr分布的可靠性,對(duì)每年日地閃數(shù)據(jù)和擬合的Burr函數(shù)進(jìn)行KS檢驗(yàn),結(jié)果如表1所示。當(dāng)顯著性水平低于P值時(shí),原假設(shè)成立服從Burr分布,取值為1,反之取0。由表可見(jiàn)理論分布與經(jīng)驗(yàn)分布擬合程度較高。
表1 2005—2014年日地閃次數(shù)分布函數(shù)KS檢驗(yàn)Tab.1 KS test of lightning from 2005 to 2014
以每年日雷電次數(shù)為樣本,可將2005—2009及2010—2014年的年度Burr分布函數(shù)繪制如圖2和圖3所示。由圖可見(jiàn),每年70%以上的雷電日的雷電地閃次數(shù)低于500次。大多數(shù)雷電日僅有少許雷電,而多數(shù)雷電集中發(fā)生于極少數(shù)強(qiáng)雷暴日。
圖2 2005—2009年日地閃次數(shù)統(tǒng)計(jì)分布Fig.2 Probability distributions of lightnings from 2005 to 2009
圖3 2010—2014年日地閃次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.3 Probability distributions of lightnings from 2010 to 2014
為進(jìn)一步明確強(qiáng)雷暴日雷電地閃數(shù)量占比,以下將最多雷電地閃的20~50 d的雷電地閃次數(shù)及總占比列如表2所示。由表可見(jiàn),調(diào)研區(qū)域在10 a中,20個(gè)最多雷電日的雷電地閃次數(shù)近50萬(wàn)次,占10年總數(shù)的30%;而50個(gè)最多雷電日的地閃次數(shù)為808 190次,占到了總地閃次數(shù)的50%。
表2 2005—2014年最多雷電日地閃次數(shù)占比Tab.2 Percentage of lightnings in the days with most lightning
雷暴是由大量的云間放電和云地放電產(chǎn)生的,是雷暴云發(fā)展旺盛的產(chǎn)物。雷暴云的壽命一般為幾小時(shí),在其存續(xù)期間,雷暴將隨著雷暴云的移動(dòng)而遷移[21 - 22]。為展示雷暴的這種遷移特性,選取2005年7月18日一次包含11 247次閃電的雷暴過(guò)程介紹如下。該次雷暴主體發(fā)生在0時(shí)至3時(shí),為方便展現(xiàn)遷移特性,以小時(shí)為界,將完整雷暴的雷電數(shù)據(jù)分為5段,在香港地區(qū)地圖上繪制如圖4所示。
圖4 典型雷暴分時(shí)段分布Fig.4 Location of a thunderstorm in consecutive time spans
圖4中,每個(gè)圈點(diǎn)標(biāo)識(shí)一次雷電,圈點(diǎn)大小標(biāo)識(shí)雷電流幅值,圈點(diǎn)顏色標(biāo)識(shí)雷電發(fā)生時(shí)間。紫色圈點(diǎn)標(biāo)識(shí)的雷電發(fā)生在7月17日23時(shí),當(dāng)時(shí)雷暴云團(tuán)主體尚在深圳,香港境內(nèi)僅有少量雷電;0時(shí)左右,藍(lán)色標(biāo)識(shí)的雷電隨雷暴云南下至深圳東部的大梅沙和香港新界一帶;1時(shí),黃色標(biāo)識(shí)的雷暴主體部分覆蓋整個(gè)新界、香港島和深圳羅湖片區(qū);2時(shí),綠色標(biāo)識(shí)的雷暴主體漂移至海上,在香港島區(qū)域仍有少量留存;3時(shí),紅色標(biāo)識(shí)的雷暴主體近乎完全集中于外海。從該雷暴過(guò)程的移動(dòng)軌跡可見(jiàn),在天氣系統(tǒng)的影響下,雷暴云伴生強(qiáng)雷暴的移動(dòng)軌跡取決于雷暴云的運(yùn)動(dòng)。特定天氣場(chǎng)景下,風(fēng)向明確,此時(shí)雷暴也將具有明確的移動(dòng)軌跡。
術(shù)后感染5例,均為遲發(fā)性感染,發(fā)生于術(shù)后9~ 12個(gè)月,其中3例患者合并糖尿病。均行CT檢查發(fā)現(xiàn)骨折已愈合,行后路手術(shù)取出內(nèi)固定并行清創(chuàng)灌洗引流術(shù),膿液細(xì)菌培養(yǎng)僅1例培養(yǎng)出金黃色葡萄球菌,余未見(jiàn)明確致病菌生長(zhǎng)。術(shù)后2周佩戴支具下床活動(dòng),1個(gè)月后去除胸腰背支具,均恢復(fù)良好。
由于雷暴整體的移動(dòng)趨勢(shì)可能由多個(gè)雷暴云團(tuán)的移動(dòng)共同構(gòu)成,進(jìn)行雷暴移動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí),需要聚類(lèi)識(shí)別多個(gè)云團(tuán)的中心,并分別預(yù)測(cè)每個(gè)雷暴云團(tuán)中心的移動(dòng)趨勢(shì)[17]。當(dāng)前,在雷暴云團(tuán)的識(shí)別和移動(dòng)預(yù)測(cè)上,電力行業(yè)和氣象領(lǐng)域發(fā)展出了2種不同的思路。電力行業(yè)由于掌握的數(shù)據(jù)有限,主要根據(jù)雷電定位系統(tǒng)的雷電數(shù)據(jù),通過(guò)雷電在時(shí)間和空間上的聚類(lèi)來(lái)識(shí)別雷暴云[14,17],并進(jìn)行移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)。除雷電數(shù)據(jù)以外,氣象領(lǐng)域還可根據(jù)多普勒雷達(dá)的回波反射率獲得更為直接和完整的雷暴云團(tuán)信息[22 - 24],并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)雷暴移動(dòng)軌跡。
本文基于歷史雷電數(shù)據(jù),分析雷暴移動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)特性,著眼于雷暴整體移動(dòng)趨勢(shì)的規(guī)律性統(tǒng)計(jì)分析,無(wú)需進(jìn)行每個(gè)雷暴云團(tuán)的移動(dòng)趨勢(shì)的短期預(yù)測(cè),因此只需計(jì)算區(qū)域中雷暴的質(zhì)量中心,即可根據(jù)分時(shí)段的質(zhì)量中心得到雷暴的移動(dòng)軌跡。根據(jù)雷電數(shù)據(jù)的經(jīng)、緯度坐標(biāo),結(jié)合各時(shí)段雷電數(shù)據(jù)計(jì)算質(zhì)量中心。因香港地區(qū)70%以上雷暴消演生命周期約為3 h,為兼顧每個(gè)時(shí)段內(nèi)有足夠雷電數(shù)量且有足夠數(shù)量的時(shí)段來(lái)標(biāo)識(shí)雷暴移動(dòng)軌跡,下文采用10 min時(shí)間間隔進(jìn)行雷電數(shù)據(jù)分段分析。
根據(jù)前述步驟,對(duì)日雷電次數(shù)最多的2010年9月9日的雷暴過(guò)程進(jìn)行分析。當(dāng)天共發(fā)生雷電地閃6 2495次,占10年內(nèi)總雷電地閃次數(shù)的3.9%。從凌晨00:00到2:00,地閃次數(shù)達(dá)58 903次,占該天總地閃次數(shù)的94.3%,將2小時(shí)內(nèi)雷電按10 min間隔分為12段,得到各時(shí)段質(zhì)量中心列如表3所示。根據(jù)各時(shí)段雷暴密度中心點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合后,可將該雷暴過(guò)程的雷電移動(dòng)軌跡擬合直線(xiàn)標(biāo)注如圖5所示,其中標(biāo)注的數(shù)字為時(shí)間序號(hào)。由圖可見(jiàn),該次雷暴過(guò)程由東北向西南方向移動(dòng)。
表3 2010年9月9日各時(shí)間段雷電中心Tab.3 Centers of lightning of various times in September 9 of 2010
圖5 2010年9月9日雷暴軌跡追蹤Fig.5 Moving track of lightning storm on September 9 of 2010
為搞清強(qiáng)雷暴移動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)特性,根據(jù)前節(jié)方法分析了40個(gè)最多雷電的雷暴日雷電移動(dòng)軌跡,共包含72.3萬(wàn)次地閃,占全部地閃的44.7%。40天每天的地閃數(shù)、雷電移動(dòng)軌跡方向及當(dāng)天的最大風(fēng)速列如表4所示。其中,2010年5月19日和2013年8月30日的雷電數(shù)據(jù)較為分散,移動(dòng)軌跡擬合效果不佳。最終將所得38條強(qiáng)雷暴日雷暴軌跡繪制如圖6所示。
圖6 雷暴概率性移動(dòng)軌跡Fig.6 Moving track of lightning storm
由表3和圖6可知:
1)40天中,僅2010年9月8日、9月11日和2013年5月22日這3天的雷暴軌跡如圖中紅線(xiàn)標(biāo)注的由南往北;2010年5月19日和2013年8月30日,雷電地閃僅在萬(wàn)次左右,數(shù)量不大,分時(shí)段的雷電質(zhì)量中心又比較分散,沒(méi)有明確的軌跡方向。
2)除前述5天外,其他35天雷暴的軌跡為由東北向西南或由西北向東南。表4中將東北方向雷暴標(biāo)識(shí)為陰影部分。由表可見(jiàn)兩者呈交錯(cuò)分布,無(wú)明顯規(guī)律。
3)香港地區(qū)多年平均風(fēng)速為5.4 m/s,但最強(qiáng)雷暴40天中,風(fēng)速一般在10 m/s左右,約為平均風(fēng)速的2倍。表4中有6天的風(fēng)速標(biāo)識(shí)為加粗字體,風(fēng)速更是超過(guò)了沿海地區(qū)架空輸電線(xiàn)路風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速(15 m/s),同時(shí)段地閃次數(shù)累積達(dá)16.8萬(wàn)次,可能對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成突出威脅。
雷電軌跡是雷暴云在特定氣候和環(huán)境條件的風(fēng)向決定的[19,22]。作者認(rèn)為,因氣候和環(huán)境條件具有多年穩(wěn)定的特性,雷電軌跡的統(tǒng)計(jì)特性具有比較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
表4 日雷電次數(shù)最多的40天雷暴移動(dòng)方向Tab.4 Moving direction of lightning track in the top 40 days with most lightning
前期研究表明強(qiáng)雷暴往往伴隨著颮線(xiàn)發(fā)生[23]。颮線(xiàn)是我國(guó)夏季常見(jiàn)的災(zāi)害性對(duì)流天氣,是由多個(gè)雷暴云團(tuán)或雷暴單體側(cè)向排列組成的強(qiáng)烈雷雨帶,水平尺度長(zhǎng)、寬均約幾十至上百千米。颮線(xiàn)天氣通常伴有雷暴、大風(fēng)、冰雹和短時(shí)暴雨等,其中雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)頻率最高[26]。華南地區(qū)的颮線(xiàn)引起的強(qiáng)陣風(fēng)又稱(chēng)“石湖風(fēng)”[27]。根據(jù)香港天文臺(tái)的研究,受地理與氣候條件影響,華南地區(qū)颮線(xiàn)天氣引起的石湖風(fēng)可分為東北石湖風(fēng)和西北石湖風(fēng)[28],具體描述如下。
1)春末夏初,當(dāng)冷鋒或低壓槽南下影響華南及其沿岸地區(qū)時(shí),如配合大氣層上空有擾動(dòng)由西向東經(jīng)過(guò)時(shí),將會(huì)形成西北石湖風(fēng);它將推動(dòng)雷暴積雨云自珠江口西北部移向香港,造成西北往東南方向的雷暴軌跡。表4中,20次雷暴軌跡來(lái)自西北方,其中13條雷暴軌跡發(fā)生于西北石湖風(fēng)形成春末夏初時(shí)間段,占比達(dá)65%。
2)當(dāng)熱帶氣旋移至臺(tái)灣附近海域時(shí),外圍雨帶影響難以覆蓋廣東,而熱帶氣旋的下沉氣流一般會(huì)使華南沿岸地區(qū)云量稀少。長(zhǎng)時(shí)間日照下,廣東內(nèi)陸地區(qū)下午會(huì)變得酷熱,地面溫度上升可能會(huì)激發(fā)雷暴產(chǎn)生。由于當(dāng)時(shí)該區(qū)大氣層中層的背景風(fēng)一般為北至東北風(fēng),此時(shí)東北石湖風(fēng)會(huì)推動(dòng)多個(gè)雷暴云團(tuán)或雷暴單體組成的颮線(xiàn)由東北往西南方向運(yùn)動(dòng),并形成該方向的雷暴軌跡?;浉郯拇鬄硡^(qū)1961—2012年熱帶氣旋的月分布數(shù)據(jù)[29]表明熱帶氣旋大多集中于7—9月份,該時(shí)段日照充分,符合東北石湖風(fēng)形成的主要條件。表4統(tǒng)計(jì)的15條東北方向的雷暴軌跡有12條發(fā)生于該時(shí)間段,占比達(dá)80%。
颮線(xiàn)天氣下強(qiáng)雷大風(fēng)具有高并發(fā)性,強(qiáng)雷暴時(shí)超輸電線(xiàn)路風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速的概率甚至可達(dá)20%[30],有可能造成輸電線(xiàn)路風(fēng)偏雷擊跳閘,威脅電網(wǎng)安全。由于粵港澳大灣區(qū)雷暴移動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是由華南地區(qū)地理與氣候特征所決定的,這種雷暴軌跡移動(dòng)的方位具有穩(wěn)定性。有可能利用颮線(xiàn)天氣時(shí)強(qiáng)雷暴與風(fēng)向具有明確統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特點(diǎn),對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)與適應(yīng)性改造。
輸電線(xiàn)路走向與風(fēng)向的夾角是影響導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏、造成雷電繞擊或風(fēng)偏閃絡(luò)的重要因素[31 - 32]。由于微地形會(huì)明顯改變地面氣象條件,從而對(duì)輸電線(xiàn)路覆冰、風(fēng)舞和最大載流量造成明顯影響,科研人員研制了包括微氣象站在內(nèi)的輸電系統(tǒng)在線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[33],并圍繞微地形的影響開(kāi)展了大量研究[33 - 34]。目前,粵港澳大灣區(qū)輸電系統(tǒng)中已在相當(dāng)數(shù)量輸電桿塔上安裝了輸電線(xiàn)路在線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以比較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)微地形條件下的風(fēng)速、風(fēng)向等指標(biāo)??梢愿鶕?jù)雷電定位系統(tǒng)記錄的雷電數(shù)據(jù),分析確定強(qiáng)雷暴發(fā)生時(shí)段,再?gòu)妮旊娋€(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中找到對(duì)應(yīng)時(shí)段的風(fēng)速和風(fēng)向。發(fā)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端所在桿塔歷次強(qiáng)雷暴下的風(fēng)向和線(xiàn)路垂直或相交角度大、引起風(fēng)偏和繞擊風(fēng)險(xiǎn)大時(shí),可通過(guò)調(diào)整架空地線(xiàn)保護(hù)角、加裝側(cè)向避雷針等方式,進(jìn)行差異化和精細(xì)化防雷措施,提高輸電系統(tǒng)的雷電防護(hù)水平。
本文挖掘分析2005—2014年間雷電定位系統(tǒng)采集的歷史雷電數(shù)據(jù),圍繞雷電移動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)特性展開(kāi)研究,完成的工作主要包括:
1)發(fā)現(xiàn)粵港澳大灣區(qū)的雷電地閃在時(shí)域上呈高度不均勻分布,最多雷暴的50 d中雷電地閃數(shù)占到10 a總數(shù)的一半。
2)大灣區(qū)強(qiáng)雷暴日雷電移動(dòng)軌跡具有明確的統(tǒng)計(jì)特性。在最多雷電的40 d中,20 d雷暴軌跡由西北往東南方,15 d雷暴軌跡由東北往西南方。
3)華南地區(qū)的地理與氣候條件共同決定了雷暴移動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)特性。在氣候相對(duì)穩(wěn)定的前提下,粵港澳大灣區(qū)雷暴移動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)特性在未來(lái)很可能也還具有相同的規(guī)律。
4)強(qiáng)風(fēng)與強(qiáng)雷暴具有高并發(fā)性,40個(gè)強(qiáng)雷暴日的風(fēng)速多在10 m/s左右,其中相當(dāng)部分超過(guò)沿海輸電線(xiàn)路風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速15 m/s,可能顯著放大雷電繞擊和風(fēng)偏閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)。
5)利用強(qiáng)雷暴移動(dòng)軌跡穩(wěn)定的特點(diǎn),提出了結(jié)合輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化防雷的思路??筛鶕?jù)強(qiáng)雷暴時(shí)段的風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計(jì)信息,選擇強(qiáng)雷暴、高風(fēng)速時(shí)段與風(fēng)向垂直或相交角度大的線(xiàn)路進(jìn)行防雷改造。