侯林松　王璐思　曹廣成　袁中濤

摘 要：利用排除小幅值干擾的2005—2016年廣元市雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用克里金-高斯函數(shù)模型插值分析，通過(guò)自然間斷點(diǎn)法對(duì)廣元市雷電易發(fā)區(qū)進(jìn)行劃分，并利用1990—2013年廣元市人工觀測(cè)資料計(jì)算出的結(jié)果對(duì)該劃分結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：廣元市雷電易發(fā)性由南向北逐漸降低，雷電高易發(fā)區(qū)主要分布在劍閣縣以及青川縣南部，昭化區(qū)西部和中部;中易發(fā)區(qū)主要分布在青川縣中部，利州區(qū)、旺蒼縣南部以及蒼溪縣大部分區(qū)域;低易發(fā)區(qū)主要分布在朝天區(qū)以及旺蒼北部，青川的北部和西部。劃分結(jié)果能通過(guò)人工觀測(cè)資料的對(duì)比驗(yàn)證，用該方法做出的廣元市雷電易發(fā)區(qū)的區(qū)劃結(jié)果具有較高的可靠性。

關(guān)鍵詞：雷電易發(fā)區(qū);雷電監(jiān)測(cè);廣元市

中圖分類號(hào)：P429文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）15-0141-03

Abstract： Using the lightning monitoring data of Guangyuan City from 2005 to 2016 excluding small amplitude interference， the lightning prone areas of Guangyuan City were divided by using the natural discontinuity method by using Kriging Gaussian function model interpolation analysis， and the division results were verified by using the results calculated from the manual observation data of Guangyuan City from 1990 to 2013. The results show that the lightning susceptibility of Guangyuan City decreases gradually from south to north， and the high lightning susceptibility areas are mainly distributed in the south of Jiange county and Qingchuan County， the West and middle of Zhaohua district; Middle prone areas are mainly distributed in the middle of Qingchuan County， Lizhou District， the south of Wangcang County and most areas of Cangxi County; Low risk areas are mainly distributed in Chaotian District， the north of Wangcang and the north and west of Qingchuan. The division results can be verified by the comparison of manual observation data. The division results of lightning prone areas in Guangyuan City made by this method have high reliability.

Keywords： lightning prone area;lightning monitoring;Guangyuan City

廣元市地處四川北部邊緣，山地向盆地過(guò)渡地帶，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，每年都有因雷電造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失。開(kāi)展廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分不僅符合《國(guó)務(wù)院關(guān)于優(yōu)化建設(shè)工程防雷許可的決定》（國(guó)發(fā)〔2016〕39號(hào)）提出的明確要求，而且是廣元市開(kāi)展防雷減災(zāi)工作的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，多數(shù)學(xué)者對(duì)雷電易發(fā)性進(jìn)行等級(jí)劃分。胡穎利用ArcGIS軟件制作了2007—2016年云南省年平均閃電密度分布圖，真實(shí)反映出云南省近10年雷電發(fā)生的實(shí)際情況;同時(shí)，采用自然斷點(diǎn)法將云南省雷電易發(fā)性等級(jí)劃分為五個(gè)等級(jí)，分別為：一般易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、極高易發(fā)區(qū)，并指出各雷電易發(fā)等級(jí)的分布區(qū)域[1]。吳安坤等利用近10年閃電監(jiān)測(cè)資料生成貴州省地閃密度分布圖，采用自然間斷分類法進(jìn)行雷電易發(fā)性等級(jí)劃分，準(zhǔn)確地標(biāo)識(shí)出貴州省雷電發(fā)生的實(shí)際情況[2]。本文采用排除小幅值干擾的2005—2016年廣元市雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)插值分析、自然斷點(diǎn)分類完成對(duì)廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分，最后利用人工觀測(cè)的年均雷暴日數(shù)對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證劃分結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源和質(zhì)量控制

本次研究中使用的雷電數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省ADTD型閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2005—2016年記錄的廣元地區(qū)509 454條雷電數(shù)據(jù)，其中包含時(shí)間、經(jīng)緯度、雷電流強(qiáng)度等記錄;區(qū)劃所用的地理信息圖層為2019年鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃調(diào)整前廣元市的市縣邊界圖層;對(duì)比檢驗(yàn)所用的人工觀測(cè)雷暴日數(shù)為1990—2013年廣元市5個(gè)國(guó)家氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中，劍閣新縣城的氣象站人工觀測(cè)雷暴日數(shù)僅持續(xù)兩年，數(shù)據(jù)記錄不足，因此選用劍閣老縣城氣象站記錄的1990—2011年人工觀測(cè)雷暴日數(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，閃電定位資料中存在雷電流強(qiáng)度的小幅值干擾情況。對(duì)于小幅值的范圍，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均提出不同的界定值[3-4]，主要界定值有2 kA、5 kA、10 kA。由于雷電是一種自然天氣現(xiàn)象，在不同地形地貌、氣候條件下，雷電強(qiáng)度的小幅值界定值也會(huì)存在一定的差異。參考國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)小幅值地閃范圍的研究方法[5-6]，可以利用函數(shù)擬合的方法排除雷電流強(qiáng)度的小幅值干擾。為了便于研究計(jì)算，將負(fù)地閃雷電流強(qiáng)度進(jìn)行取絕對(duì)值處理，如表1所示。從表1可知，隨著雷電流強(qiáng)度的降低，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)的雷電發(fā)生頻次呈下降趨勢(shì)，雷電流強(qiáng)度小于2 kA的雷電數(shù)據(jù)占總數(shù)的0.001%，結(jié)合對(duì)小幅值地閃范圍的研究結(jié)論，直接將其作為干擾數(shù)據(jù)剔除。當(dāng)雷電流強(qiáng)度在6 kA以下時(shí)，雷電數(shù)據(jù)占比達(dá)到10%以上，不宜作為干擾數(shù)據(jù)被剔除。因此，本文主要是對(duì)剔除雷電流強(qiáng)度分別為3 kA、4 kA、5 kA以下的雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，確定界定值，排除小幅值數(shù)據(jù)干擾。

廣元地區(qū)雷電流強(qiáng)度分布具有正態(tài)分布特征，對(duì)2005—2016年完整雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合（見(jiàn)圖1），雷電流強(qiáng)度在4 kA位置時(shí)與擬合曲線的擬合度程度最佳。將分別剔除雷電流強(qiáng)度小于3 kA、小于4 kA、小于5 kA的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合（見(jiàn)表2），當(dāng)剔除小于4 kA的雷電數(shù)據(jù)時(shí)擬合結(jié)果更優(yōu)。分析表明，小幅值干擾數(shù)據(jù)的界定值為4 kA，進(jìn)行易發(fā)區(qū)劃分時(shí)剔除雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值小于4 kA的雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 劃分方法

用一定區(qū)域內(nèi)的年平均雷電活動(dòng)次數(shù)來(lái)表現(xiàn)該區(qū)域的雷電易發(fā)性。將廣元市地理圖層1 km×1 km區(qū)域內(nèi)離散的雷電活動(dòng)頻次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的曲面時(shí)，為了提高插值計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)雷電活動(dòng)頻次數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析，見(jiàn)圖2所示。由圖2可知，廣元市雷電活動(dòng)的頻次變化分布接近于正態(tài)分布，選用對(duì)正態(tài)分布預(yù)測(cè)精度最高的克里金法進(jìn)行插值分析。

在利用克里金法進(jìn)行插值分析時(shí)，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的特性選擇變異函數(shù)模型，可以通過(guò)變異函數(shù)的擬合曲線判斷雷電活動(dòng)頻次數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，確定變異函數(shù)模型。利用GS+軟件得到數(shù)據(jù)的球形模型、指數(shù)模型、高斯模型擬合參數(shù)（見(jiàn)表3），其中，高斯模型自相關(guān)性、擬合程度最好（見(jiàn)圖3）。綜上所述，在廣元市雷電易發(fā)區(qū)的區(qū)劃研究中，選用克里金-高斯函數(shù)模型進(jìn)行插值分析。

目前，對(duì)雷電易發(fā)區(qū)的劃分級(jí)數(shù)雖然還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343—2012）中，按照雷暴日數(shù)劃分了4個(gè)雷電活動(dòng)等級(jí)，利用雷擊大地年平均密度計(jì)算公式（[Ng=0.1Td]）計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的雷擊大地年平均密度分別為2.5次/（km2·a）、4.0次/（km2·a）、9.0次/（km2·a）。對(duì)廣元市雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所統(tǒng)計(jì)的廣元市各區(qū)縣行政區(qū)域年平均雷暴日數(shù)進(jìn)行計(jì)算，廣元市的雷擊大地年平均密度最大僅為6.5次/（km2·a），廣元市雷電易發(fā)區(qū)劃分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)三個(gè)等級(jí)最佳。在ArcGIS標(biāo)準(zhǔn)分類方法中，自然斷點(diǎn)分級(jí)法能使每一組數(shù)據(jù)內(nèi)部的相似性最大，而組與組之間的相異性最大，同時(shí)能兼顧每組要素的范圍和個(gè)數(shù)盡量相近，廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分中使用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法進(jìn)行等級(jí)劃分。

2 雷電易發(fā)區(qū)劃分

雷電易發(fā)區(qū)劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個(gè)等級(jí)，自然斷點(diǎn)為2.15和3.57，即平均雷擊大地密度≤2.15次/（km2·a）為低易發(fā)區(qū)，平均雷擊大地密度在2.15～3.57次/（km2·a）為中易發(fā)區(qū)，平均雷擊大地密度≥3.57次/（km2·a）為高易發(fā)區(qū)。通過(guò)研究可知廣元市雷電易發(fā)性由南向北逐漸降低，高易發(fā)區(qū)主要分布在劍閣縣以及青川縣南部，昭化區(qū)西部和中部;雷電中易發(fā)區(qū)主要分布在青川縣中部，利州區(qū)、旺蒼縣南部以及蒼溪縣大部分區(qū)域;雷電低易發(fā)區(qū)主要分布在朝天區(qū)以及旺蒼北部，青川的北部和西部。

表4為利用人工觀測(cè)年均雷暴日數(shù)計(jì)算出的雷擊大地年平均密度。按照區(qū)劃研究中的自然斷點(diǎn)劃分，除青川觀測(cè)點(diǎn)為低易發(fā)區(qū)外，其余觀測(cè)點(diǎn)位于中易發(fā)區(qū)，對(duì)比區(qū)劃圖中觀測(cè)點(diǎn)所在地理位置的雷電易發(fā)性狀況，青川縣、蒼溪縣、旺蒼縣、劍閣縣觀測(cè)點(diǎn)在區(qū)劃圖中的易發(fā)性同人工觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算劃分出的易發(fā)性結(jié)果一致，市本級(jí)觀測(cè)點(diǎn)雖處于雷電低易發(fā)區(qū)，但在距離其不到1 km處有雷電中易發(fā)區(qū)分布，這一區(qū)域是在人工觀測(cè)雷電的距離范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，該研究方法能完成對(duì)廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分。廣元市雷電易發(fā)性由南向北逐漸降低。高易發(fā)區(qū)主要分布在劍閣縣以及青川縣南部，昭化區(qū)西部和中部;雷電中易發(fā)區(qū)主要分布在青川縣中部，利州區(qū)、旺蒼縣南部以及蒼溪縣大部分區(qū)域;雷電低易發(fā)區(qū)主要分布在朝天區(qū)以及旺蒼北部，青川的北部和西部。

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