1.青海省雷电灾害防御中心 青海西宁 810001;2.青海省海南州贵南县气象局 青海贵南 813100;3. 青海省曲麻莱气象局 青海曲麻莱 815500
摘要：我国是雷电灾害频发的国家，全国因每年雷电灾害造成的人员伤亡以及财产损失不计其数。因此掌握雷电的活动规律可以为雷电防护工作提供相应的参考数据，尽可能减少雷电灾害而造成的损失。雷电的发生带有一定的时间性，空间性，本文基于青海省雷电监测业务的现状，运用GIS数据处理平台进行雷暴特征、雷电特征的分析，结果表明：青海省的雷暴日，闪电密度的总体分布是，东部远远大于西部；青海省雷暴天气主要集中在7月以及8月，其分布规律总体呈单峰双谷形状，峰值主要集中在午后14时～24时之间；青海省雷电发生的强度通常在50kA以下，并以负极闪电为主。
关键词：青海省；GIS；雷电；分布
1、引言
本文基于地理信息技术在气象雷电资料处理分析的实践理论为基础，运用GIS平台优秀的空间分析能力以及可视化操作等能力，经过分析提取出青海省雷电有效特征信息的前提下，建立能够实现雷电数据可视化的基础上，将青海省雷电相关的数据融合到一个平台上，实现对青海省闪电密度分布，地闪实况监测，雷暴日等值线等有关雷电相关特征图的制作，结合青海省地形地貌，以及气象条件，能够从一个宏观的角度清晰地展现出青海省雷电在时间，空间，强度，极性等方面的规律。
2、青海省雷电分布特征的分析资料说明
2.1青海省雷电灾害概况
地处于我国西北部地区的青海省，由于高原地形的影响，更容易较同纬度地区成为雷电灾害袭击的对象，据不完全统计，近16年，青海省共发生了257起雷电灾害故事，造成直接经济损失847.35万元，每年平均损失达60万元左右；造成人员伤亡为173人，其中死亡67人、伤106人。仅以2011年全国雷电灾害统计结果为例，据不完全统计，2011年全国共发生雷电灾害事故3993起，造成人员伤亡521人，直接经济损失约2亿元，间接经济损失1.8亿元。而青海省共发生14起雷电灾害，直接经济损失110.87万元，造成人员伤亡8人，占全国雷电灾害事故的3.5‰。但从雷电灾害发生的地理分布来看，造成经济损失最重的地区主要分布在东部发达的城镇和工矿企业，该地区面积不到全省总面积的5％，却居住着全省75％的人口，而这些地区造成的人员伤亡人数却十分的少，伤亡最重的地区则是人员相对稀少的农村和牧区，占雷击伤亡人数的98%。从雷电灾害资料发现，农村和牧区因缺乏有效的避雷设施，遭直击雷危害的较为普遍；城镇地区虽然防雷设施较为齐全，受直击雷危害较轻，但在感应雷的防护上投入较少并且漏洞百出。
2.2青海省雷电监测概况
由于青海省地势较高是典型的高原地形，2010年第六次人口普查资料显示，青海省常住人口为562.67万人，平均人口密度7.87人／平方公里，属全国地广人稀的省区。境内东部的西宁市和海东地区自然条件较优越，面积只占全省的2.8％，却集中了全省64.08％的人口，常住人口360.56万人，人口密度176人/平方公里。其余六个州的常住人口202.12万人，人口密度仅2.61人/平方公里。青海省随着地势升高而人口显著递减，即呈现地形“东低西高”，人口“东稠西稀”的基本特点，人口分布极不平衡。对此青海省闪电监测网的建设也与人口密度的分布有关[5]。
青海省雷电业务技术从二十世纪九十年代开始逐步发展，目前青海省共建闪电监测网共11站，其中10个为地面高精度闪电监测网（ADTD)，拟建闪电监测站18站。闪电监测站点主要集中在以西宁市为闪电定位中心站，格尔木、都兰、小灶火、五道梁、沱沱河、德令哈、大柴旦、冷湖、托勒、玛多、达日、久治、河南、杂多、玉树、民和、兴海、玛沁、囊谦等19个站点为闪电定位子站的闪电监测网。
3、基于GIS的雷电数据处理方法
3.1 GIS概述及雷电数据的主要处理方法
3.1.1基于GIS技术的雷电数据处理概述
地理信息系统(GIS)是一种综合处理和分析地理空间数据的技术，主要以地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图象和图形有关，而与GIS相结的雷电监测预警技术正在成为防雷专业中一个的新研究方向。但是，雷电气象数据十分庞杂，监测预警方法不成熟，主要以结合中尺度雷电气象资料迫来进行分析处理。通过结合所需要结合得气象数据进行综合统计分析，提供一种可视化、形象化、业务化的雷电分析方法，为雷电监测预警提供科学依据。而数据融合也是一门跨学科的综合信息处理理论，它可以将具有时空特征和属性特征的气象资料，分别提取出时间信息、空间信息、属性信息、共享信息等。因此,综合运用GIS和信息融合技术，使这些气象资料能够整合到一个平台中，通过建立雷电资料数据库，将可以更加全面、综合地进行雷电监测预警研究[6]。
3.1.2雷电观测资料的处理与分析
GIS数据的来源主要以地图数据、影像数据、地形数据、属性数据、元数据为主。具体可以分为空间数据，包括地图数据、地形数据、网格数据、样本数据、符号数据等地理实体或现象有关的数据[7]。时间数据，包括闪电与时间相关的数据组成，如闪电随时的特征信息，随月的特征信息，随年的特征信息等与时间相关的数据。自身属性，包括闪电极性，频数，电流强度等有关的数据。
GIS的功能是基于对地图的操作,这其中包括基本操作、图层控制、测距等。GIS基本操作功能，包括地图缩放、地图漫游、测距、图层控制、图元标注等地理信息的处理。运用程序加载电子地图之前,首先需要使用ArcGIS Map桌面应用软件对原始地图进行配色、标注、优化、图层管理等操作。尤其是，矢量图层数据含大量的矢量数据(Layer)和属性数据(DataSet)，如果同时将所有图层都装载至内存，将消耗大量的时间和空间。因此，可以根据比例尺的大小控制图层的显示与否，比例尺较小时则显示粗略图层，比例尺较大时显示细致图层。最终，使之形成一个完整地图解决方案，用于应用软件的背景地图显示。除此之外，程序运行时，还需要动态生成项目图层，例如雷电定位数据图层、专题信息图层、电场数据图层等内存图层[8]。
3.2研究雷电灾害时空分布的主要技术指标
在评估雷电危险性最重要的一环是进行大气雷电环境评价，必须根据全球及建设项目在地雷暴天气卫星云图、雷暴天气大气环流形势、雷暴天气雷达回波、雷电监测等历史资料确定其雷电活动时空分布特征以及雷电主导方向、次主导方向等。雷电危险性评估还要根据建设项目所在的地形、土壤状况和气候背景等分析雷电散流分布特征。
A雷电与局地气候以及地形、地貌之间的关系
B雷电活动的时空分布特征：①闪电密度分布特征②闪电强度与空间的分布特征③闪电随时间的分布特征④地闪强度特征
需要补充的是，为了表征雷电的年、月、日分布和强弱活动特点，必须要定义一些参数，主要有闪电逐时分布、闪电逐年分布、历年闪电总次数对比图和闪电密度等参量。
4、青海省雷电分布规律研究
4.1青海省雷电时间分布规律
2014年青海省雷电活动主要出现在夏季，根据全省地闪定位监测数据显示：地闪（云地闪回击）频次共计33666次,其中负地闪29659次，占总地闪次数的88%，正地闪4007次，占总地闪次数的12%；2012年地闪最早出现于1月09日，出现地点为天峻县西部的夏日哈曲乡附近，距县城约32km；最晚监测到的地闪记录为12月13日，出现地点在果洛州玛沁县西北部的曲什温乡附近，距县城约97公里。
根据各州地市县气象部门雷电灾害上报情况统计，2014年青海省共发生雷电灾害事故4起，其中人身伤亡事故2起，受伤6人，造成直接经济损失约7万元。
由2014年全省地闪监测时间分布图中显示（图一），青海省地区闪击次数月变化呈单峰双谷分布，峰值主要出现在7月份，且峰值特征比较突出，闪电月变化比较剧烈。1月、2月、3月、4月、11月、12月闪电发生次数较少且2月份全省境内没有地闪出现，地闪最早出现在1月9日4时48分，最晚出现在12月13日2时44分。7～8月为全省雷电活动的旺盛期，地闪频次均超过了10000次以上，两月地闪次数占总地闪次数的74.2%，9月份以后地闪次数明显减少，12月中旬全省雷电活动结束。
图一 2014年全省地闪逐月分布图.png)
通过上述分析可以看出，一个雷暴日内往往会发生多次闪击，尤其在青海夏季的7月、8月闪击总次数有时每日可达上千次。因此可以得知，在相同环境下，夏季发生的一个强雷暴日其危险程度将大于春秋冬季节发生的雷暴日。
4.2青海省雷电空间分布特征
2014年全省各地地闪定位仪所监测的（云地闪回击）资料统计结果显示：西宁市及其辖区（包括三县）是雷电活动最为频繁的地区，地闪频次最高（地闪次数为7398次），其次是海南地区和果洛地区（地闪次数分别为6181次、6067次），海西地区和玉树地区地闪频次最低（地闪次数分别为877次、340次）。由于地闪监测站点的布设未能覆盖玉树地区和海西西部，因此这两个州的监测数据大多数为远距离大电流地闪数据，海西地区和玉树地区的平均电流强度均在114kA以上,较远的站点则无法监测到地闪（茫崖、大柴旦、冷湖、德令哈、五道梁、沱沱河）。而从人工实际观测的雷暴日数来看（40年雷暴观测资料），我省玉树地区是雷电高发区（年平均雷暴日数达62.1天），雷暴日数最高的为囊谦县（年平均雷暴日达73.1天）；海西地区雷暴日最少，9个站点的平均雷暴日仅有8天（不包括五道梁和沱沱河两个站点），雷暴日数最少的为冷湖县（年平均雷暴日2.4天）。详细见图（图二）：
图二.png)
4.2.1雷电闪击密度
图三 2014年全省雷电闪击密度分布图.png)
由图三可以观察到青海省雷电空间分布主要集中在四个区域，分别是西宁市辖区，海南藏族自治州，海东地区，以及果洛藏族自治州，其中西宁辖区颜色十分显著，是雷电活动最为频繁的地区。其次为海东地区，海南藏族自治州，果洛藏族自治州。对于海西蒙古族藏族自治州，其中柴达木盆地占据了其大部分面积，因此，柴达木及柴达木盆地周边地区干旱少雨，尤其是柴达木盆地极大部分地区都是沙漠，其地形以及气象条件难以有效地形成降雨天气，因此此地区较其他地区很少有雷暴天气发生。对于玉树藏族自治区，其平均海拔较高，其中可可西里自然野生动物保护区坐落于此，此地区大部分人迹罕至，雷电监测站点数不多，其大部分的资料来源来自于较远距离雷电监测站检测到的雷电数据，在此不予讨论。
需要补充的是在四个闪电密度主要分布区域里，其中有四个闪电密度高值区，分别是大通县（闪电条数3748条），互助县（闪电条数3022条），共和县（2550条），玛沁县（闪电条数1909条）。综合地理人口的分布状况来看，西宁辖区，海东地区，海南藏族自治州，果洛藏族自治周市人口主要集中地区也是雷电密度高值区，其中西宁辖区是全省经济最发达的地区，对此，在雷电防御事业上的建设过程中，相对于其他区域，这四个区域应该加强雷电防御等级，最大化的减少雷电灾害所带来的经济损失。
4.2.2青海省地闪分布
图四 2014年青海省地闪实况监测图.png)
由青海省地闪实况监测图正负闪叠加图（图四）中可以看出，闪电降落的地点大部分集中在西宁辖区，海南藏族自治州，果洛藏族自治州，海东地区以及玉树藏族自治州的少数地区，监测显示地闪主要集中在经度98.5°～102.6°，纬度33.3°～38.0°的范围内，其中地闪密度偏高的主要在36°～37°。结合图二可以看到青海省地区闪电极性以负极性为主，西宁辖区及周边地区负闪密度特征十分显著。而黄南藏族自治州周边地区正闪密度特征十分显著。海西蒙古族藏族自治州和玉树藏族自治州正负闪发生频率较少，且正负闪密度相对比较平均。因此2014年青海省雷电密度有着以下特征：
青海省雷电空间分布特点主要表现为东密西疏，且东部雷电密度远远大于西部雷电密度。
青海省东北部雷电多以负极性闪电为主，其西宁辖区及周边地区最为显著，而东南部局部地区以正极性闪电密度特征十分显著，结合雷电学原理可知，正极性闪电通常比负极性闪电电流强度要大的多，因此此地区要做好相关防御措施。
青海省主要雷电发生地点集中在东北部（结合图三）的西宁辖区及周边地区。此区域内人口分布密度较大，因此容易引起雷电造成的人员伤亡事故。
4.2.3青海省雷电区域划分
青海省有一半以上的区域处于海拔3000m以上，境内地形复杂多变，水汽含量较低，但由于高原夏季强烈的加热作用，使得有利于中小尺度的对流发展，从而对雷电的产生创造了一定的条件。加之，青海省人口分布主要集中在青海省东部地区。青海省文化经济中心青海省省会西宁也包括在其中。结合青海省闪电空间分布信息，雷电密度分布信息，以及雷电时间分布信息、地闪电流强度发生频次等信息，可以将青海省划分为四个雷暴等级区：
强雷区
包括玉树藏族自治区大部分地区和果洛藏族自治州东南部，位于处于青海省腹地三江源头和青海省东南部，地势较高，人口分布稀少，主要以畜牧业为主，是雷电频发地区，年平均雷暴日大于60天；
高雷区
包括西宁辖区，海东部分地区，海北大部分地区，果洛藏族自治区西北部，三江源以东和唐古拉地区，年雷暴日在40～60天。其中西宁辖区是青海省工农业最发达、人口最密集、工矿企业最多的地区，同时也是雷电受灾最多的地区。而果洛西北部三江源以东和唐古拉地区，虽年雷暴日达到50.9 天，但大部分地区为无人区,雷电灾害相对较少；
多雷区
海东大部、海南大部、唐古拉以北地区。年雷暴日在20～40天，其中海东地区雷电灾害最多。
少雷区
包括柴达木盆地以及周边地区，年雷暴日在20天以下，柴达木盆地以沙漠为主，气候干燥少雨缺乏雷电生成条件，雷电灾害大部分集中在格尔木地区。
图五 青海省年平均雷暴日分布.png)
4.3雷电强度特征分析
雷击产生电流大小的强度与地理位置、地质条件、季节和气象条件等许多因素有关。一般平原地区比山地地区的雷电流强度大，正闪击雷比负闪击雷大，第一闪击雷电流比随后闪击大。研究资料表明，各次雷击闪电电流大小和波形差别很大，尤其是不同种类放电差别更大。雷电电流的大小和雷电电流的波形是描述雷电电流特征的重要参数。近年来的大量观测表明雷电电流具有单极性的脉冲波型，大约有80%～90%的雷电是负极性的。雷雨云对大地放电多为负闪击，其电流峰值以20～50kA居多。通常一次闪电包括3～4次方电，一般是以第一次的电流强度最大。正闪击的电流比负闪击的电流大，其峰值往往在100kA以上。
雷电电流是具有波头陡（ms级）、幅值高（kA）和频谱宽（GHz）等特征的典型大功率的脉冲电流。其中电流波形图陡度越大雷电的能量就越大，其破坏力就越大。
图六 2012年青海省地闪强度.png)
2014年全省总地闪强度分布统计结果表明（图六），地闪强度主要集中在50kA以下。其中20kA以下的地闪次数约为11446次，占总地闪次数的34％，20kA～50kA地闪次数约为18180次，占总地闪次数的54％，50kA～100kA地闪次数约为3367次，占总地闪次数的10％，100kA以上的地闪次数约为673次，占总地闪次数的2％。综合分析表明，青海省地闪强度有两个高值分别是，20kA以下以及20到50kA，这表明青海省雷电强度符合雷电发生规律。
5、总结及展望
青海省的雷暴日，闪电密度的总体分布是，东部远远大于西部。从地形以及气象条件上来看上来看，东部地形及气象条件有利于雷电的产生，且雷电多发区集中在人口分布密度较大的区域。
青海省雷暴天气主要集中在7月以及8月，其分布规律总体呈单峰双谷形状，峰值主要集中在午后14时～24时之间。，从一月份到五月份闪电频数变化不大，二月闪电发生次数通常较少，以五月份为转折点，雷电频次开始激增，直到9月份开始递减。
青海省雷发生的电强度通常在50kA以下，占总闪电数的88％，并以负极闪电为主，符合雷电分布规律。
青海省雷电主要发生在青海省东部，其中包括青海省经济，工业，农业发展较发达的地区，并且此区域居住着本省75％人的人口，因此此区域的雷电防御应该应起人们的注意。
目前青海省雷电雷电监测技术尚未成熟，还没有建成覆盖青海省全境范围的雷电监测网雷电预警预报、雷电研究方面的工作相当薄弱，防雷减灾工作实际状况与青海省日益增长经济社会发展日需求极不协调，防雷知识的普及严重落后，严重制约了青海省全面实施雷电业务建设的进程。
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论文作者:孔尚成1,王敏1,赵久渊2,赵超君3
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/8
标签：雷电论文; 青海省论文; 雷暴论文; 地区论文; 闪电论文; 藏族论文; 数据论文; 《基层建设》2016年15期论文;