引言

闪电是一种复杂的大气物理现象，是由带电荷的云层内部、云层与云层之间或者云层与大地(云地)之间一种长距离瞬间放电现象，具有大电流、高电压、强电磁辐射等特征。云对地间的闪电对国民经济建设有较大的危害，常对地面建筑物或其他设施造成雷电灾害，甚至人员伤亡。据有关统计, 全球每年因雷电造成的人员伤亡超过1万人, 所造成的损失在10亿美元以上。我国雷暴发生日数超过50天的有21个省(区、市)，最多可达131天。每年大约有3000~4000人因遭受雷电而伤亡^[1]。随着社会和经济的发展，闪电所造成的损失日趋严重，尤其对计算机网络、通信系统等各类微电子设备已造成较为严重威胁。为此，本文利用中国科学院空间科学与应用研究中心提供，并布设在湖北省不同地理位置上的13个雷击探测仪组成的闪电监测定位系统获得的闪电资料，对湖北地区云地闪电资料进行统计分析。旨在进一步揭示湖北地区云地闪电时空分布特征及雷电活动规律，为该地区雷电灾害防御和雷击风险评估工作提供参考依据。

近年来，随着闪电定位技术的发展与完善，国内外学者对闪电特征方面研究报道逐渐增多。Orville和Haffines对美国1995—1997年云地闪电资料进行了分析，指出了闪电总数、正闪电百分率、地闪密度和地理分布特征^[2]；薛秋芳等^[3]利用单站闪电定位系统M-2LDARS监测1995—1997年夏季北京地区的闪电活动，指出了闪电频数的日变化与强对流天气发生有一定对应关系; 何晖等^[4]利用XDD03A雷电探测系统获取的2000—2003年北京云地闪资料，对该地区闪电的日变化、月变化、闪电强度、闪电密度、极性等方面进行了分析研究；王颖等^[5]对2007年夏季我国长江流域及其周边地区地闪分布与不同区域的日变化特征进行了分析；冯桂力等^[6]利用1998—2000年山东地区雷电探测网获取的云对地闪电资料，研究了山东地区闪电时空分布特征，指出了闪电分布与地形和下垫面性质有关，并用闪电定位资料等分析了该地区中尺度系统的闪电活动特征。上述的研究都是根据本地区的闪电资料进行分析，由于闪电的分布具有较强的地域性，而针对湖北地区闪电特性的研究尚未见报道。

1 资料来源与统计方法

文中所采用的闪电资料来源于湖北省闪电监测定位系统探测的云地闪电资料，雷击探测仪分布如图 1所示。每个闪电资料包括闪电时间、地理位置(经纬度)、极性(正、负闪电)和闪电峰值电流强度等4个主要参数。

采用2006年3月至2009年2月，共36个月探测到的云地闪电(包括正、负闪电)资料，统计分析正、负闪电次数及其所占闪电总数的百分比；按照间隔10 kA，把闪电强度≤200 kA的分成20个闪电强度段，分别统计各闪电强度段内的闪电次数及占其闪电总数的百分比，并统计大于各个闪电强度段的累积概率。1日中，按照整点时段如00—01时、01—02时，…，22—23时、23—00时(北京时间)统计每小时内平均闪电次数；一年中各月闪电次数采用近3年平均数；根据湖北省各地区年平均闪电次数与该地区面积(km²)之比得出该地区年平均闪电密度(次/km²·a)。

2 结果与分析 2.1 闪电基本特性

统计资料表明，湖北地区年闪电次数变化较大，在59万次至79万次之间，年平均闪电次数682391次。2006年3月至2009年2月共监测到云地间闪电2047172次，其中负闪电1969535次，占闪电总数的96.2%；正闪电77637次，占闪电总数的3.8%。这主要原因是大多数积雨云上部带正电荷，云体下部带负电荷，因此，云层与地面之间的放电绝大多数为负闪电尤其强暴雨过程负闪占绝对优势^[7-9]。湖北地区正闪电占闪电总数百分比，与许小峰等^[2]报道的美国1992—1994年正闪占闪电总数的4%~5%基本一致，但与我国的北京、山东等地正闪电百分比在12%左右^{[4, 6]}有较大差别。地域上的正、负闪电百分比的变化，可能与局地气候特征及对流云层结构有关，具体原因有待进一步研究。

2.2 闪电频次的日变化

从图 2可知，湖北地区闪电频次的日变化呈明显的单峰单谷型，最大值出现在15—16时，最小值在09—10时。湖北地区14—17时，年平均每小时内累计闪电次数在50000次以上，最多是15—16时，一小时内闪电次数多达62268次；最少是09—10时，一小时内闪电次数6592次，前者闪电次数是后者的9倍以上。一日中，从上午10时至下午16时，闪电次数呈快速增加状态，平均每小时增加9000次以上；自下午16时开始，到次日上午10时止，闪电次数明显减少，平均每小时减少3000次以上。这说明湖北地区，从上午10时始至下午16时止，发生对流性雷电天气呈明显的上升趋势，从16时至次日上午10时，发生对流性雷电天气明显减少。14—20时每小时闪电次数均在40000次以上，是湖北地区对流性雷电天气集中发生期，也是雷电防御的关键时段。

2.3 闪电频次的月变化

2006年3月至2009年2月云地闪监测资料显示，4—8月发生闪电654464次，占全年闪电总数的95.9%，其中正闪电23218次，占其闪电总数的3.5%；9月至次年3月闪电仅占年闪电总数的4.1%，其中正闪电占其闪电总数的9.5%。说明气温较高的季节里，正闪电占闪电总数百分比较低，反之较高(图 3所示)。

由图 3可知，湖北地区1—8月闪电次数呈逐月增加趋势，8—12月闪电次数逐月减少。4—8月是闪电集中发生期，7—8月闪电次数最多，分别达20万次和25万次以上；9月份急剧减少到1.7万次以下，12月份闪电次数平均仅有2次。湖北地区闪电频次的月变化与45年平均雷电日数月变化基本相同^[10]。

2.4 闪电强度分布特征

图 4给出了不同雷电流强度频次百分率分布情况。由图 4可见，负闪电和总闪电百分率曲线变化几乎完全一致，但正、负闪电分布曲线变化差异较大，其主要原因是负闪电次数占总闪电次数的96%以上。闪电强度在30 kA以下，负闪和总闪电频次百分率随其强度的增加而增加，20~30 kA时达最大值在30%以上；大于30 kA时，负闪和总闪电频次百分率随其强度的增加而减少，尤其在30~70 kA间减少更为显著。正闪电频次最多出现在10~20 kA，大于20 kA以上，正闪电频次百分率随其强度的增加而减少。20~50 kA间，负闪电百分比大于正闪电百分比；大于50 kA以上，正闪电百分比大于负闪电百分比，说明在正、负闪电次数相同的情况下，大于50 kA以上的正闪电次数要多于50 kA以上负闪电次数。图 4结果表明：正、负闪电的强度主要集中在10~50 kA，因此，在雷电防护方面应重点加强对此强度范围内的闪电进行防范。

雷电流幅值概率分布一直是国内外防雷界非常重视的雷电参数之一，在绕击和反击防雷计算中占据十分重要的位置，国内外使用的雷电流幅值分布表达式不同^[11]。从图 5中雷电流幅值累计概率曲线变化可以看出，闪电强度(含正、负闪电)大于30 kA的概率在50%以下，大于40 kA的概率在25%左右，大于60 kA的概率在8.1%，大于100 kA的概率1.56%，大于150 kA的概率0.37%，大于200 kA的概率仅有0.12%。由上述可知，湖北地区的闪电强度不超过60 kA的约占92%，因此，该地区的雷电防护工程设计中，可以根据不同雷电防护水平进行设计。

根据文献[11]给出的Anderson根据Berger实测数据，提出的雷电流幅值分布公式：

$ P = \frac{1}{{1 + {{(\frac{I}{a})}^b}}} $

(1)

式中P为大于某一雷电流幅值的累积概率(%)；I为雷电幅值电流(kA)；a为中值电流，即雷电流幅值大于a的概率为50%；b(b>1) 为雷电流幅值累积概率曲线拟合指数，体现曲线变化程度，相当于曲线斜率的绝对值，b值越大表示幅值概率曲线下降程度越快，电流幅值集中性越强^[11]。经统计分析，当a=29.2，b=3.4时，根据式(1) 计算，绘制图 5中的拟合曲线；从图 5可以看出，拟合曲线与实际监测曲线基本相同，实测值与计算值相关系数高达0.99998。因此，在实际防雷工程设计中，可根据式(1) 计算出大于某雷电强度的累积概率。

2.5 闪电密度分布特征

从图 6可以看出，湖北地区闪电密度分布呈明显的地域性差异，最大值9.55次/km²·a，出现在鄂东南的嘉鱼县附近；最小值出现在鄂西北、鄂西南和鄂东北个别边缘地区，闪电次数一般在1~2次/km²·a。在鄂东南和鄂西局部地区有两个闪电高密度区，一个在嘉鱼、咸宁、黄石、鄂州一带，为闪电高密度区，闪电密度在6~9次/km²·a左右；另一个位于鄂西的远安、当阳附近，为闪电次高密度区，闪电次数在5~7次/km²·a左右；其他地区闪电次数为2~5次/km²·a。湖北边缘地区闪电密度较小的原因除地表地质状况影响之外，主要是湖北地区边缘区域的闪电理论探测效率一般在80%~85%之间(图 7所示)。

湖北地区闪电密度分布与地表地质状况密切相关，一般在山区与平原交接地带，闪电密度明显高于其他地区，湖北地区两个闪电高密度区基本上都发生在山区与丘陵、平原交接地带。为了进一步了解地表地质状况对云地闪电的影响，选取闪电理论探测效率都在90%以上的山区和平原县市各5个，分别对其近3年的雷暴日数和闪电密度进行统计(见表 1)。从表 1可以看出，鄂西南5个山区县的年平均雷暴日数41天，年平均闪电密度为2.5次/km²·a；江汉平原的5个县市的年平均雷暴日数29天，年平均闪电密度为5.0次/km²·a。也就是说，尽管山区县市的雷暴日数是平原县市的1.4倍，但闪电定位监测到的年平均闪电密度仅是平原县市的50%。造成上述的原因一方面可能是山区县市多岩石，土壤电阻率较大，不利于云地间闪电发生，而地处江汉平原的县市，因地表绝大部分为农田，水域分布广泛，土壤水分含量丰富，土壤电阻率较低，有利于云地间闪电的发生；另一方面可能与山区局地小气候环境有关，也就是说在山区由于特殊地形的影响，局部雷电天气较多，但每次雷电天气发生时持续时间较短，即雷电日数较多，但闪电次数并不多，其他方面的原因有待深入研究。

3 结论与讨论

2006年3月至2009年2月湖北省的云地闪电资料统计表明：

(1) 负闪电占闪电总数的96.2%，正闪电占闪电总数的3.8%，但因地域的变化而有一定差异。

(2) 湖北地区闪电频次的日变化呈明显的单峰单谷型。1日中，最大值出现在15—16时，最小值在09—10时。14—20时是湖北地区对流性雷电天气集中发生期。

(3) 湖北地区4—8月闪电次数占全年闪电总数的95.9%，其中正闪电占其闪电总数的3.5%；9月至次年3月闪电仅占全年闪电总数的4.1%，其中正闪电占其闪电总数的9.5%，说明气温较高的季节里，正闪电占闪电总数百分率较低，反之较高。4—8月是闪电集中发生期，7—8月闪电次数最多，湖北地区闪电频次的月变化与雷电日数月变化基本相同。

(4) 各闪电强度的负闪和总闪电频次百分率曲线变化几乎完全一致。闪电强度在30 kA以下，负闪和总闪电频次百分率随其强度的增加而增加，负闪和总闪电频次百分率在20~30 kA时达最大值30%以上，正闪电频次百分率最大出现在10~20 kA。正、负闪电强度主要集中在10~50 kA，因此，在雷电防护方面应重点加强对此强度范围内的闪电进行防范。

(5) 湖北地区大于某一雷电流幅值的累积概率公式为：

$ P = \frac{1}{{1 + {{(\frac{I}{{29.2}})}^{3.4}}}} $

(2)

经统计分析，实测值与计算值相关系数达0.99998。因此，在实际防雷工程设计中，可根据式(2) 计算出大于某雷电强度的累积概率。

(6) 湖北地区闪电密度分布呈明显的地域性差异，鄂东南和鄂西局部地区存在两个闪电高密度区，一个位于嘉鱼、咸宁、黄石、鄂州一带；另一个在鄂西的远安、当阳附近。山区与丘陵、平原交接地带，即地表状况发生明显变化的地带，是雷电多发地带。

此外，分析还发现，湖北地区鄂西南山区雷电日数较多，闪电密度不一定随之增加，尤其是鄂西南部分山区县市。造成上述的原因一方面可能是山区县市多岩石，土壤电阻率较大，不利于云地间闪电发生，另一方面可能与山区局地小气候环境有关，也就是说在山区由于特殊地形的影响，局部雷电天气较多，但每次雷电天气发生时持续时间较短，即雷电日数较多，但闪电次数并不多，其他方面的原因有待深入研究。