山东省近七年闪电分布特征分析

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　　[摘 要]为得到山东省近七年来闪电时空分布特征，利用2008～2014 年的地闪资料，采用fortran与GIS统计软件对原始数据进行整理，利用小波分析与趋势分析方法从闪电频数、月变化、日变化、电流强度、空间密度强度、季节分布、周期、趋势等方面研究了山东省闪电的时空分布特征。
　　[关键词]闪电； 时空特征；小波分析；趋势分析
　　中图分类号：E231 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0394-02
　　研究发现：山东省闪电活动较全国平均而言较为频繁，闪电负地闪占总地闪的绝大数；地闪频数日变化一日内有两个峰值两个低谷；闪电密集区分布在山东半岛的沿海地区以及鲁中鲁南部的丘陵地带；近七年闪电频数的年变化趋势呈递减状态；闪电的活动周期以一季，半年，和一年为主。
　　分析利用近年来闪电时空分布规律，可以对今后几年乃至十几年的闪电活动进行更加精确的预报。由于不同时间，不同地域，和不同的研究重点，闪电活动分析的相关性参数和准确性也有着不同。因此，以山东为例，分析山东地区的闪电分布特征，对山东地区今后对山东地区雷暴危害的预报与预防是十分必要的。
　　1 资料来源与统计方法
　　1.1 资料来源与数据分析
　　山东省闪电定位系统是由中国华云技术开发公司研制生产并布点建设的LD-II型闪电定位系统，主要由13个闪电定位仪（分别布设在章丘、龙口、荣成、即墨、日照、东明、东平、沾化、夏津、鱼台、蒙阴、郯城和昌邑），一个中心数据处理系统和图形显示终端构成，采用磁定向时差综合法进行闪电定位，各个定位仪将接收到的闪电信息和GPS时间信息，通过业务通信网络传送到中心站计算机，通过中心数据系统的计算处理，得到闪击的时间、位置、极性、强度等参数[1]。该系统时钟同步精度可达到0.1μs ，山东省内大部分地区闪电探测效率理论值为95%，定位精度可达到300m。
　　文章所用资料均来自山东省闪电定位系统，通过对闪电资料的统计、处理得出各种数据。电流强度的变化分析是对2008年以来近50万次闪电进行统计得出；平均幅值是对2008-2014年，7年的山东十七地市进行统计，并利用Excel绘出分布图，选取最具代表性的雷暴活动天气，再用MeteoInfo软件的绘制功能绘出地域分布图，表述其空间密度分布以及闪电强度分布；闪电频度、密度、日变化是对某一年的闪电次数进行统计，再Excel软件的绘图功能得出，利用闪电的空间分布是利用地理信息系统对某一年的闪电数据进行采集得出。
　　1.2 统计方法
　　1.21小波分析
　　小波分析也称为多分辨分析，被认为是傅里叶分析方法的突破性进展，在许多的科技领域中有着重要而广泛的应用，如信号处理，图像处理，地震勘探，数字电路等方面。尤其是在信号的处理方面，小波分析具有很明显的优势，因此，在对气象因子的分析中，使用傅立叶变换的方法，可以清晰的显示出气候序列在不同尺度上的不同贡献，而且小波分析则在给出气候序列变化尺度的基础上，还能将变化的时间位置显示出来。故本文将其应用于山东省近七年内逐月闪电周期分布规律的研究。
　　1.22趋势分析
　　气候变化的趋势分析常用最小二乘法，为分析山东省近七年来闪电活动与年份之间的关系，拟用年份与每年闪电活动的数量建立一元线性回归模型。
　　2 山东省闪电幅值变化特征分析
　　为分析电流幅值的变化过程，将雷电流强度分为11 个等级，它们是0～5、5～15、15～25、25～35、35～45、45～55、55～65、65～75、75～85，85～95，95 以上（强度单位kA）。总地闪在5～15 kA的频数最大为245817 次，最大比例为52%；正闪在15～25kA频数最大为4220 次，最大比例为59%，大多数正地闪强度在65 kA以下，大多数负地闪强度在45 kA以下。
　　对五年平均雷电流的平均幅值进行分析，聊城、烟台、威海、青岛、日照、东营、菏泽雷电流幅值偏高，这些地区主要是山区、沿海和黄河入海口。济宁、泰安、济南、枣庄、莱芜、淄博、临沂等地势较平缓的内陆平原地带雷电流平均幅值较小。在山东省近五年来17地的雷电流幅值统计中，平均幅值最大值分布于威海，为17.8kA，最小值分布于2012年泰安，为9.8kA。其中威海、烟台、青岛日照雷电流平均幅值年差距较大，而枣庄、莱芜、淄博、临沂等地在五年内平均值变化不大，较为平均。
　　3闪电密度空间分布规律
　　3.1 闪电密度空间分布
　　利用2008-2014年全山东省雷电监测定位网获得的闪电空间定位信息，通过对地面资料的观测和对卫星云图、雷达回波资料的浏览分析，闪电的空间分布数据进行检验，整理，研究和用fortran软件处理后得出了山东省近七年来平均闪电空间分布情况可以分析出，鲁西北地区，鲁西地区闪电活动最活跃，其闪电密度最大为13.76次/km2/a，位于德州市武城县四女寺镇庙留庄村；闪电密度分布较稀疏的地区位于山东半岛的南部地区和鲁西南地区，在这两块区域中，闪电密度大多小于1.0次/km2/a。而山东省境内的闪电平均密度则为1.33次/km2/a。
　　3.2 山东省雷暴日分布规律
　　雷暴日是指一年中某地区有雷击活动的天数，一天中只要听到一次以上的雷声就算一个雷暴日，雷暴日为人工观测数据。山东地区平均雷暴日数约为20.97天；最大雷暴日数为36天，出现在滨州市邹平县平原村。山东西北部，西部、山东中部和山东东南部分地区的年平均雷暴日数在25天以上，属于中雷区，山东半岛地区和山东西南部分地区年平均雷暴日数在25天以下，属于少雷区。
　　3.3 闪电空间分布与季节性变化关系
　　不同的季节出现的闪电密度和闪电强度分布的地区存在较大差异，其中闪电的高发期主要在夏季，其次为春季，冬季的闪电强度与密度均有所减弱，而秋季则是闪电的最不活跃时期。夏季闪电最活跃，密度值高，而且分布区域面积大。鲁中与鲁南的交界处，山东半岛内陆的丘陵地区和最东部临海的荣成市为山东省闪电活动的高发地区。之所以如此分布，可以归结为以下两方面的原因：首先，山东省位于沿海地区，也恰好位于夏季风登陆的地区，受到了亚洲夏季风和海洋环流的强烈影响。海上的湿润空气被强劲的夏季风送往内陆，为内陆送来了丰富的降水和频繁的闪电活动。其次，鲁中地区多以丘陵，高地和山区为主，其大气层底部的对流活动相对而言较为强烈，而半岛南部地区因为靠近大海，水汽的供应相较内陆而言更为充沛，受夏季风的影响，加上内陆的高地势对气流的抬升作用，空气的对流运动容易形成，因而容易产生频繁的降水天气，带动了频繁的闪电运动，使得夏季成为闪电活动最活跃的地区。秋季闪电活动相比夏季有明显减弱，主要分布在鲁西北地区中部，山东半岛南部近海海域和鲁南东南部区域。闪电活动在冬季相对较少，分析其原因，來自西伯利亚的冷高压控制了气层底部，冬季风向南推进，风向以北风为主，受到来自亚欧大陆的寒流影响，空气寒冷干燥，不易产生降水和雷电。发生的雷电主要集中在鲁中鲁南以及半岛地区。 　　4正负闪比例与闪电频数变化特征
　　4.1 闪电正负闪比例特征
　　选取全省境内共8个月有雷电出现（表1）。雷电正、负闪击合计33767次，其中正闪3323次，负闪30444次，正闪占9.84%。
　　4.2 闪电频数的季节性变化
　　山东省的闪电活动具有很强的季节性，春季和冬季闪电数量十分稀疏，从四月份开始，闪电的活动开始频繁起来并渐渐增加，一直到八月达到闪电活动数量的最高峰，此时处于夏季。山东省的闪电活动主要集中于夏季，六月至八月之间的闪电活动次数近乎概括了全年的闪电活动总次数，八月份闪电活动次数在一万次以上，约占全年闪电总次数的一半以上。
　　4.3 闪电频数的日变化
　　选取2013，2011两年山东省地闪的日变化，通过分析两年的闪电活动日变化可知，闪电活动最频繁的时段有两个，均在凌晨2：00-3：00与午后16：00-17：00之间，由此可见，在凌晨和傍晚闪电活动达到峰值，而闪电活动的最低值均发生在正午时分。
　　5 闪电年变化趋势分析
　　统计得出，闪击次数大于800000次每年的集中分布于2008，2010，2011，2012四年间，2009，2013，2014年闪电活动次数明显较少，从大致趋势来看，2011年闪电活动最为频繁，雷击次数最多，之后逐年递减，至2014年达到最少。根据统计图添加一元线性趋势线来拟合数据，可以看出2008年至2014年间雷电活動数量的总趋势呈负增长状态，斜率k为-144111.607（个/年），表示其负增长率；截距b为1000000（个），粗略表达其年变化的初始值。R2表示年份与闪电活动的多元线性回归关系为0.54208，计算可得相关系数R为0.7362，相关系数与多元线性回归关系均反映了年份和闪电活动数量之间的相关关系，其密切程度取决于是否接近1，越接近1关系越密切，越接近0则越没有相关性，由此可知，山东省近七年年份变化与闪电活动关系相当密切，呈明显递减趋势。
　　6结论
　　本文利用2010～2014年地闪定位资料分析了山东省的地闪分布特征，结论如下：
　　（1）.山东省的闪电活动具有很强的季节性，春季和冬季闪电数量十分稀疏，从四月份开始，闪电的活动开始频繁起来并渐渐增加，一直到八月达到闪电活动数量的最高，山东省的闪电活动主要集中于夏季，六月至八月之间的闪电活动次数近乎概括了全年的闪电活动总次数
　　（2）.鲁西北地区，鲁西地区闪电活动最活跃，其闪电密度最大为13.76次/km2/a，山东省境内的闪电平均密度则为1.33次/km2/a。山东省年平均雷暴日数为19.48天，而雷暴日数最大的地区位于山东省中部的丘陵地带。
　　（3）.在电流等级3至5之间，正地闪累计的百分比要明显小于负地闪，正负闪总比例集中在电流等级4处。在15kA以下，正地闪占的百分比很小，而当电流大于55kA时，正地闪的累计百分比却要高于负地闪。100kA为地闪的极限，大于100kA的闪电以云闪为主。
　　（4）.山东地区地形地貌多样，干湿条件不同，因此闪电活动的分布有很大的地域差异性。夏季全省地闪密度均在0.4 次/ km2/a 以上，大于1.6 次/ km2/a 的地闪高值区主要分布在鲁中地区，东营的东北一隅以及胶东地区（烟台和青岛市大部）和菏泽市曹县地区。
　　（5）.山东省的闪电空间分布与季节有关，春季闪电活动少且主要分布于山东半岛地区，夏季闪电活动频繁，分布范围以鲁中，鲁南的丘陵地带以及东南沿海地区为主，秋季闪电活动不频繁，分布较为零散，冬季闪电活动集中在鲁南地区近似带状分布。
　　（6）.2008年至2014年间山东省的闪电活动数量的总趋势近似呈负增长状态，年份与闪电活动规律的相关系数较高，较清晰的反映了近七年闪电活动数量的下降趋势。
　　（7）.山东省近七年闪电变化过程中，2009至2013年的闪电变化季节性规律较强，总体变化趋势通常以一季，半年，一年为周期循环。
　　参考文献：
　　[1]郭凤霞， 张义军， 言穆弘. 雷暴云首次放电前两种非感应起电参数化方案的比较[J]. 大气科学， 2010， 34（2）：361-373.
　　[2]郭凤霞， 孙京. 雷暴云起电机制及其数值模拟的回顾与进展[J]. 高原气象， 2012， 31（3）：862-874.
　　[3]王学良， 刘学春， 黄小彦，等. 湖北地区云地闪电时空分布特征分析[J]. 气象， 2010，36（10）：359-362.
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