云南不同海拔高度的闪电活动分析

论文总字数：15150字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1.引言 3

2资料处理及研究地区概况 4

2.1资料来源 4

2.2处理方法 5

2.3云南省地理环境 5

3云南省地闪时间分布分析 7

3.1雷暴日特征 7

3.2闪电频次特征 8

4.云南地闪空间分布特征 9

4.1闪电强度空间分布 9

4.2闪电频数空间分布 11

5.大幅值地闪（200kA）特征 12

6.结论 14

致谢 16

云南不同海拔高度的闪电活动分析

黄倩玲

，China

Abstract : In order to deeply explore the characteristics of lightning activity at different altitudes, this paper uses Yunnan Province as a research area, and uses the lightning flash materials monitored by the lightning location system in 2014 to analyze the variation of ground lightning activity with altitude. The results show that there is a positive correlation between the number of days of thunderstorms and altitude. The higher the altitude is, the more days of thunderstorms occur; the frequency of ground flashes increases with altitude and peaks at approximately 1,500 m above sea level, and follows. The height of altitude decreases and decreases; negative altitude lightning frequency is much greater than positive ground lightning in any altitude area, but in high altitude areas, the proportion of positive flashes has a significant increase; the higher the altitude, the negative The greater the flash intensity, the stronger the intensity of lightning distribution is in the northwest and gradually decreases toward the southeast; the altitude of high lightning density is about 2000 m, while the altitude of low lightning density is more than 3000 m. Therefore, the density of lightning is highest in the middle altitude region. With the increase of altitude, the density of lightning decreases; in the county area with an altitude of 500-1000 m, large-scale ground flash occurs most easily; Occurs in middle altitude areas.

Key words : Altitude ; lightning frequency ; Thunderstorm day ; lightning intensity ; lightning density ；Large flash

1. 引言

闪电是发生在积雨云云中、云间或云地之间的一个超长距离的强烈放电过程，在这个过程中有着4大特点：1.温度急剧升高，2.冲击波异常猛烈，3.电流强度超大，4.电磁辐射巨大。暴雨、大风、冰雹甚至龙卷风等强对流天气都会在闪电发生的时候出现，它们是重大的气象灾祸。闪电可以在霎时迸发巨大的破坏力，闪电的强电流、高温、冲击波、电磁场和电磁辐射等物理效应会对咱们的日常生活带来巨大的影响，不仅损害我们人民的物质财产，还危及人民的人身安全。

我国地域广阔，地形差别大，气候差别也大，因而任意两个不同地方的闪电活动特征也有很大的不同。在过去，研究学者们会一般运用雷暴日的资料来对闪电活动特征进行研究，但是人工雷暴日观测的方式存在着一定的局限性。随着科学技术的发展，闪电定位系统的研发成功，使得闪电的监测和闪电记录得到了质的飞跃。闪电定位仪所监测出来的结果十分稳定，监测的范围扩大，获得的雷电数据更加丰富，并且不会受人员、气象环境等因素影响，使得闪电监测这件事更加自动化并节省了人力资源，因此采用闪电定位仪所监测出来的的闪电参数分析，会使得分析出来的闪电时空分布特征会更加科学，更加有说服力。在雷电活动规律的探索方面，很多学者对其进行了深入的分析。

于龙等依据2007—2012年吉林省雷暴地面观测材料,针对吉林省雷暴日这一个方面，进行了细致的研究。得出了下面几个论断：吉林省中部、东部地区是雷暴发生次数最多的地方，而东北地区发生雷暴的次数较少；吉林省在2009年的时候，发生雷暴的天数最多，在之后的几年，年雷暴日逐渐减少，而且省内各地年雷暴日天数有着相似的变化趋势；在吉林省，4月—10月雷暴发生率达97％，最频繁的雷暴发生时间是在六月和七月，占全国的一半以上。由于每年的天气条件不同，各年月雷暴日天数会有很大的区别^[1]。王力艳等通过分析2008-2011年的黑龙江省闪电定位系统的观测材料，把牡丹江、佳木斯等6个地区作为代表，着重对比研究了这些个地方的闪电活动特征。经研究表明：无论哪个地方，一年四季，负地闪大部分都要比正地闪多得多，7月份都会出现闪电频数的峰值，年变化显著；闪电的日变化特征也很明显，6个地方的闪电频数的高峰将在下午3点之前出现。在黑龙江省的范围内，闪电频数的空间分布不均匀，总闪电频数从高到低排序，绥化地区第一,哈尔滨第二；20-50 KA强度段内的闪电占闪电总量的绝大部分，高强度的闪电只是一小部分，所有区域的正极性闪电强度均高于负极性闪电的强度^[2]。根据2009年6月到2011年5月青藏高原的雷电监测数据，林志强等剖析了青藏高原闪电的时间和空间分布特征。研究结果如下：青藏高原的闪电平均强度在60 kA以上,负地闪占总闪电数的四分之三左右,平均强度约为56 kA,而正地闪占总闪电数的四分之一左右,平均强度大约在83 kA；单峰型分布是闪电频次的日变化特征表现,大部分闪电发生在下午到晚上的时间，并且会在傍晚5点左右达到闪电频次的最高值；每个月的闪电平均强度都大于半百kA，在12月的时候强度大，在8月的时候强度小^[3]。Yiran Xie等利用云南省闪电监测网（YNLDN）从2006年到2010年的云地闪的数据，研究得出以下几点结论：云南省每年大约会有40万个云地闪发生，闪电的频数每年都会因为天气状况的原因而产生显著变化；云地闪密度最高的地域在云南省的东部和中部；在云南省南部和中部观测到的正地闪密度值最高；云地闪的月变化在7月份出现单峰，而正地闪的月变化有两个峰值，一个出现在4月份，另一个出现在8月份；负地闪的首次雷击的电流的月变化很小，正地闪首次雷击的电流的月变化，冬季最大，5月最小^[4]。

目前，无论在国内还是国外，已有不少专家学者研究了不同海拔高度闪电活动的特点，并取得了一定的成绩^[5-6]。在放电通道传输的基本机制的基础上，苟学强等创立了一个闪电通道发展过程的数值模型，模拟研究了一个地域的海拔高度对云地闪闪击距离的作用，结果如下：首先，海拔高度会升高，然后，电场会随之变强，从而连接先导始发门限会下降，闪击距离的范围也会明显增大，体现在从零海拔增加到3km海拔的过程中,闪击距离从大约150米增加至约380米^[7]。在2004—2015年江西省闪电定位系统监测的地闪材料的基础上,刘海兵等针对不同海拔高度变化对江西闪电特征的影响进行了剖析,分析出来的结果如下:绝大部分的闪电发生在海拔高度500m以下的平原,9/10以上的正地闪亦发生在此区域；海拔高度与闪电密度之间是负相关的关系，而且闪电密度的变化率会随着海拔高度的变化而变化；正负闪电平均强度的变化规律同闪电密度相反，与海拔高度是正相关的关系,在不同的海拔高度区间内，平均强度会产生不同的变化，正地闪的变化率比较大，负地闪的变化率就比正地闪小得多；在江西省内，以海拔500米为分界线，低于分界线的区域算是多雷区，高于分界线的地域是少雷区，而且多雷区的面积比少雷区的大得多^[8]。

Mazarakis N研究了希腊地闪的空间分布情况，以及雷电相关活跃天数与相关天气的两者之间的关系。研究表示爱琴海雷电活跃度最低，希腊大陆大部分区域的雷电活跃度比较高；相对闪电密度取决于海拔高度，最高点在希腊北部^[9]。Li Yongfu等采用中国某地2007—2010年闪电定位数据，而闪电定位数据中缺少海拔数据，于是用全球数字高程数据填补上去，用来研究雷电流参数与海拔高度之间的变化规律。研究结果如下：正地闪的雷电流幅值与海拔高度呈现负相关的关系，负地闪也是同样的变化规律；在海拔高的地区，正地闪的比例比低海拔时的比例大得多；海拔高度的上升，正地闪的密度也会跟着有大幅度的增加，但是负地闪密度却恰恰相反，大幅度的下落，并且低海拔地区的负地闪密度是高海拔地区的3倍^[10]。

本文分析了2014年云南省的闪电定位数据，并对当地的闪电数据按照海拔高度的差异进行特征分析。首先分析了云南省不同海拔高度地区雷暴日的情况，其次分别对不同海拔高度地区的闪电频数、正负地闪比例、地闪强度分布和地闪密度分布特征进行剖析。本文研究内容希望能促进云南省能够针对不同海拔高度地区闪电活动的特征，因地制宜实施防雷减灾的措施，减少因雷电活动产生的各种损害。

2资料处理及研究地区概况

2.1资料来源

闪电定位系统（lightning location system，LLS）是一套实时闪电监测系统，能自动将数据记录存储起来，具有范围广和精度高的特点，能够监测到地闪产生的空间分布、时间、强度、陡度和极性等数据参数，这一系列数据对于不仅对雷电监测有重要意义，还对闪电的研究和防御有重要意义。在发生闪电的同时，还存在发生强对流天气的可能性，因此关于灾害性天气的监测和预警也有重要的作用。闪电定位技术是从1970年开始研究的，技术不断成熟，现在已经成为观测闪电最重要的方法。本文所使用到的闪电数据是2014年的闪电定位数据资料，闪电定位的材料记录了每条地闪发生的时间、经度与纬度、极性、强度、陡度、误差等参数。海拔高度数据可以从海拔高度信息查询工具（http://haiba.qhdi.com/）上搜索获取，可以按照经度、纬度的方法搜索，也可以直接搜索地方名，就能得到该位置的海拔高度。

2.2处理方法

先对2014年闪电定位仪的原始数据进行处理，整理成Excel表格，然后筛选出云南省的地闪数据。在数据处理这个方面，系统的运用了数理统计对闪电数据进行统计剖析的方法，统计出雷暴日的天数和正负地闪发生的频数，之后通过Excel制图功能绘制出相关直方图，并分析其与海拔高度之间的关系。接着整理出来的Excel表格和云南省的省界图通过Surfer软件绘制出地闪强度分布图和地闪密度分布图，并分析其变化规律和分布特征。最后，从处理过的云南闪电数据中筛选出强度大于200kA的数据，分析大幅值地闪与海拔高度之间的关系，分析一下大幅值地闪中正负地闪的比例，两者都用Excel画出折线图。得出云南省闪电活动的特征随海拔高度增加的变化规律。

2.3云南省地理环境

云南坐落在中国的西南地区，在东经97°31′至106°11′，北纬21°8′至29°15′之间。云南省的南部是低纬度地域，北回归线在此区域穿过。云南省东西横跨间隔为864.9km，南北纵向的间隔为990km。云南省四周与贵州省、广西壮族自治区、四川省、西藏自治区紧紧相邻，西边部分和南边与他国相邻，有缅甸、老挝和越南。

云南省的地形被分为东西两个区域，东边区域的滇东和滇中高原，组成了云贵高原。它的平均海拔高度大约为2千米，由连绵起伏的小山和圆润丘陵表现出来，逐渐形成喀斯特地貌；西边区域的高山和峡谷相邻，高山的海拔高，而峡谷的海拔比较低，它们之间的海拔高度相差千米以上。5千米以上的高山山顶上，由于海拔过高，所以高山山顶上的积雪常年不化，形成了各种各样的地貌。全省海拔高度差十分巨大，梅里雪山主峰卡瓦格博峰拥有最高的海拔，海拔高度在6000米以上；红河和南溪河交汇处的中越界河是海拔最低的地方，连100米都不到，他们之间的直线距离有900km左右，而海拔高度之间相差6千米左右。

从云南海拔图（图1）上可以看出，云南省是西北高、东南低的地势，从西北向东南海拔高度逐渐下降。云南的西北部分的高海拔是因为青藏高原的存在，海拔是在大约3千米到4千米，南边部分是横断山脉，山地高度不到3千米，在南部以及西南部分，地势变得越来越平坦，南边山的高度比北边的矮了很多，出现了许多广阔的盆地，海拔高度在1000米以下，而某些小部分地区的海拔高度甚至比500米还要低，这些地区通常是热带或者亚热带地区。

云南省的气候类型基本上是亚热带高原季风型，是因为云南常年吹着西南季风，这种类型的气候拥有以下显著的特点：1.年温差较小，2.日温差较大，3.一年中干湿季节分明，4.气温受海拔高度的影响敏感。滇西北由于海拔非常高，气候及其寒冷，一年中，没有夏季，春秋很短，而冬季很长；滇东、滇中四季如春，一旦遇上下雨天气，温度就会大幅降低；滇南、滇西南区域北回归线穿插而过，在北回归线南边的地方，属于热带区域，一年都是夏季。所以，从全省的范围来说，还是夏季的7月份最热，冬季的1月份最冷，而他们之间的温度差却并不大，一般只有10°C左右。

云南省的降水量无论在在区域上和还是在时间上都很不均匀。干季和湿季之间有明显的分别，5～10月为云南的湿季，也就是雨季，集中了绝大部分的降雨量；11月到第二年4月是云南省的干季，即旱季，降水量只有整年的一小部分。云南省一部分的地方降水量高的可以超过2200毫米，少的只有500多毫米，所以降水的区域的分布上存在很大的差异，但是降水量在1000毫米以上的地方占绝大多数。

因为云南省区域地势之间的差距悬殊、气候的类型丰富、降水分配不均匀，而且全国3个雷暴中心中的一个就是在云南的南部地区，南部有频繁的雷暴活动，每年都会因雷电等自然灾害受到一定程度的损失。所以研讨云南省的雷暴活动特征，对云南省开展防雷减灾、人工影响天气等事务都有一定的实际意义和引导作用。

图1.云南省海拔图

（来源：http://www.xtbg.ac.cn/xwzx/kydt/201509/t20150928_4431794.html）

3云南省地闪时间分布分析

3.1雷暴日特征

雷暴日，顾名思义，就是指有雷暴发生的一天就叫做雷暴日，准确地说，在一天的时间内，只要有雷声，这天就算作一个雷暴日，雷暴日数是防雷工程里一项重要的参数，对于防雷建筑得设计有着重要的意义。

将云南省内闪电定位系统监测到的128个县区，根据各自不同的海拔高度分为6个组，海拔高度为0 m - 500 m分为一组，500 m - 1000 m分为一组，以此类推，最后海拔高度2500 m以上的划为一组，一共6个组。

王学良等运用中国中部五个省一共85个气象台站的雷暴日材料，统计并剖析了中部五个省的雷暴日时间分布和空间分布的特征，结论如下：在夏季的时候，雷暴日的天数最多，也就是6月到8月，占全年雷暴日的一半以上^[11]。所以，云南的夏季是雷电活动十分频繁的季节，在此期间天气情况复杂，雷电十分频繁，六、七、八这三个月的雷暴日达到顶峰。以雷电活动多发的8月为例，用Excel统计出每个县区8月的雷暴日天数，根据不同的海拔高度把县区分个组，再根据每个组的县区的数量统计平均一下，得出8月份每个组每个县区平均的雷暴日天数，通过Excel绘制出雷暴日天数关于海拔高度的柱状图（图2）。

图2.云南2014年8月雷暴日天数的柱状图

由图可知，8月份共31天，每一组的平均雷暴日天数都在10天以上，由此看来，8月的确是闪电活动多发的月份。总体趋势为，平均雷暴日天数会随着海拔高度的升高而缓慢上升，两者正相关的关系。海拔高度越高，平均雷暴日天数就越多，海拔2500 m以上的县区（德钦县、中甸县）平均雷暴日为17天，占8月份总天数的54.8 %；而海拔高度0 m—500 m的县区（河口瑶族自治县、水富县、盐津县、元江哈尼族彝族傣族自治县、元阳县）平均雷暴日天数也高达12.8天，与图一的总体趋势不相符合，我认为可能是因为造成这种现象的原因可能是由于低海拔区统计样本数据较少，容易存在偶然性，单个数据的差异导致整体结果的变化。结果表明，雷暴日天数与海拔高度存在一定的正相关性，但是不是绝对的，也存在一点偶然性，影响雷暴日天数的除了海拔高度，还有其他因素存在。

3.2闪电频次特征

2014年云南省不同海拔高度县区的正、负地闪频数比例统计。正地闪数是指在云中正极性电荷与大地之间发生的闪电频数，强度是正数，而负地闪数指在云中负极性电荷与大地之间发生的闪电频数，强度是负数。表1是2014年云南不同海拔高度的正、负地闪频次及其所占总地闪比例表。

表1 .不同海拔高度总、正、负地闪频次及正负地闪比例统计表

由上表我们可以看出，海拔高度0 m—500 m的区间每年平均发生了3890次地闪，其中正地闪有181次，大约占总地闪的4.7 %，而负地闪发生了3709次，大约占总地闪的95.3 %；海拔高度500 m—1000 m的区间每年平均发生4931次地闪，当中正地闪有268次，占总地闪的5.4 %左右，负地闪发生了4663次，占总地闪的94.6 %；海拔高度1000 m—1500 m的区间每年平均发生了6403次地闪，正地闪有328次，大概占总地闪的5.1 %，负地闪发生了6076次，大概占总地闪的94.9 %；海拔高度1500 m—2000 m的区间每年平均发生6186次地闪，这个区间里正地闪有265次，占总地闪的4.3 %，负地闪发生了5921次，占总地闪的96.7 %；海拔高度2000 m—2500 m的区间每年平均发生4299次地闪，正地闪占总地闪的4.2 %，有182次，但是负地闪发生了4117次，占总地闪的95.8 %；最后，海拔高度2500 m以上的区间每年地闪平均发生1435次，当中正地闪有109次，差不多占总地闪的7.6 %，负地闪发生了1326次，占总地闪的92.4 %。

2014年云南总发生736985次地闪，其中正地闪有34818次，负地闪发生了702167次，分别大约占总地闪的4.7%和95.3 %。由此可知，无论什么海拔高度的区间，总地闪的绝大部分都是负地闪，即云南的闪电极性主要以负极性地闪为主，所以正、负地闪的比例与海拔高度没有什么直接关系。

将表1的数据用Excel工具绘制成柱状图（如图3）

图3.不同海拔高度的地闪频次柱状图

从整体上来看，总地闪频次会先随着海拔高度上升而增加，在海拔高度1000 m—1500 m的区间内，地闪频次达到最高值，然后随着海拔高度的继续升高，地闪频次会减少。正、负地闪频次随海拔高度的变化规律同总地闪频次一样。

从海拔高度2000 m—2500 m的区间到2500 m以上的区间，总地闪频次从4299下降为1439，急剧下降。可能是因为海拔高度2500 m以上的县区只有两个，样本数量较少，容易因为一个县区偶然性的数据而导致了平均地闪频次的减少。有图可知，地闪频次在海拔高度1000 m—1500 m的范围内数值最大，总地闪频次高达6403以上，海拔高度1500 m—2000 m的范围内地闪频数也很高，而且1000 m—1500 m和1500 m—2000 m两个范围内总地闪频次差不多，都是6000多；并且海拔高度500 m—1000 m和2000 m—2500 m范围内的总地闪频次也差不多，都是4000多。所以，闪电频次主要集中在海拔高度1000 m—2000 m的范围内。

4.云南地闪空间分布特征

4.1闪电强度空间分布

根据2014年闪电定位仪的数据和云南省的省界图可以用Surfer软件，做出关于云南省全省范围内的闪电强度分布图。图4是云南省2014年6、7、8、9月份地闪强度的分布图。

图4（a）6月份闪电强度分布图 图4（b）7月份闪电强度分布图

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