雷暴活动全闪电定位及空间演变过程分析

（1. 广州供电局有限公司电力试验研究院广州 510080 2. 武汉大学电气与自动化学院武汉 430072）

摘要该文基于全闪电定位系统，采用网格空间时间密度法对广州地区夏季一次雷暴活动的空间演变过程进行全闪电定位和空间演变过程分析，得到雷暴在不同时刻的扩散面积、主放电中心的坐标、移动速度、移动方向，并画出了地域演变图像。该雷暴为一次过境雷暴，雷暴起始时沿东北方向以平均67km/h的速度移动，移动过程中全闪电平均影响范围达258.5km2，雷暴活动一段时间后，在广州南部发现另一处雷暴向北方移动，两处雷暴汇合后又分开向东边移动，后一处雷暴平均速度为14.72km/h，行进中全闪电平均影响范围达221.2km2。

0 引言

电网故障统计表明，超高压交流输电线路中雷击引起的跳闸占40%～70%，对雷电活动的发展过程的研究和合理的线路防雷保护是特高压直流输电线路安全运行的重要保障[1]。雷电活动与对流性天气事件的发生密切相关，而对流性天气的发生、发展有着很大的突发性。结合多种探测手段，对雷暴云进行监测，充分研究雷电活动的发展规律，可以对雷电活动特性进行深入了解，有效地提高雷电预警的质量和水平，减小雷电灾害带来的生命财产损失[2-3]。

闪电定位系统通过对闪电辐射的声、光、电磁场信息的测量，确定闪电放电的位置和放电参数，地基闪电定位技术应用最为广泛，低频段一般采用磁定向（Magnetic Direction Finding, MDF）、时差（Time of Arrival, TA）法以及磁定向和时间差联合法实现定位，甚高频段还有采用干涉仪定位法[4-6]。空基雷电定位系统往往基于云顶闪电光学辐射的时空特征及光谱特征，如光学瞬态探测器（Optical Transient Detector, OTD）、闪电成像传感器（Lightning Imaging Sensor, LIS）、快速在轨瞬变事件记录仪（Fast on- Orbit Recording of Transient, FORTE）等[7-10]。许多国家和地区部署了地基闪电定位系统，如美国的国家闪电监测网（National Lightning Detection Network, NLDN）和中国电网的地闪定位系统[11]。

全闪电包括云闪和地闪。云闪指云内或云间发生的闪电放电；地闪指对地发生的闪电放电。全闪电定位系统通常既能对地闪进行定位，也能对占闪电绝大多数的云闪进行定位。相对于地闪定位系统，全闪电定位系统定位结果能够更好地用于雷暴活动的监测与预警。

本文基于全闪电定位系统，采用网格时间空间密度方法，分析了广州地区一次夏季雷暴活动的地域演变过程，得到雷暴不同时刻的扩散面积、主放电中心坐标、移动速度和移动方向，画出了地域演变图像，有效地反映了雷暴的运动趋势，为精细化雷暴活动预警提供了技术手段。

1 数据来源和分析方法

1.1 数据来源

广州市四季雨量充足，夏季是闪电活动的频发季节[12-13]。利用全闪电定位系统数据对广州市夏季一次雷暴过程的地域演变进行分析。

全闪电三维定位系统采用超低频/低频（Very Low Frequency/ Low Frequency, VLF/LF）技术进行闪电探测，该探测网有9个子站，站点间的距离为20～40km，每个站点能够探测的范围为200km，站网探测覆盖面积超过40 000km2，能有效覆盖广州地区雷电活动，各站点位置如图1所示。

1.2 分析方法

对全闪电探测网探测到的全闪电数据进行处理，计算出雷暴发生发展过程中雷暴移动方向、雷暴移动速度、雷暴扩散面积等特征量，结合雷暴中心的移动方向，反映雷电活动空间演变过程。

从空间维度进行分析时，将经度[112.5°, 114.5°]、纬度[22°, 24°]划分为200×200的网格，一个网格经纬度为0.01×0.01，将一段时间内的全闪电数据转化成全闪电空间-时间密度（Space Time Density, STD）。通过八连通区域算法找到紧密相关的放电区域，即得到若干个闪电空间-时间邻域（Space Time Neighborhood,STN），然后确定有效的空间-时间STN区域的个数。

为了减小分散的闪电定位点对区域计算影响，对每个网格进行闪电密度的阈值min STD设置，规定闪电次数超过该阈值的网格被计入放电区域。设置扩散面积（Valid Area, VA）的阈值min VA，扩散面积超过该阈值的空间-时间邻域STN被定为一个有效STN。

找到每一个有效的STN区域的边界坐标，勾勒出各个STN区域的轮廓。把每一个网格内闪电的次数占该STN区域内总闪电次数的比例设为权重，对该STN区域内的网格坐标进行加权平均，得到雷暴的主放电中心坐标（Center, C）的经纬度坐标。

采用主放电中心坐标C和雷暴有效扩展面积VA，计算扩散面积等效VA对应的扩散半径VA-R，做出相应的全闪电和地闪地域演变图，表现雷暴地域演变过程中雷暴移动路径和移动过程中影响的地域范围。分析涉及参数及定义见表1。

2 闪电密度

2.1 闪电活动密度分布

对经度为[112.5°, 114.5°]、纬度为[22°, 24°] 的观测区域进行不同时间尺度的网格划分，按经纬度分为200份共200×200个网格，设定网格经度×纬度为0.01×0.01的小方格，统计每个小方格内的闪电次数，用不同颜色变化来表示网格内闪电次数多少。

对2014年8月19日12:30～17:30共5h的闪电数据进行地域演变的分析，将上述包含广州市的指定地域范围进行网格划分，得到每个网格的闪电密度，观察雷暴整体STD的分布情况，整体观察该次雷暴活动的影响范围。

图2列出了该时间段内全闪电密度，网格颜色由浅到深代表了网格内闪电次数从0～20（或大于20）。可以看出，广州地区中部区域和南部区域闪电密度较大，局部地区网格次数达到甚至超过20，北部闪电密度较小，只有少数地区闪电次数达到15。整个过程雷暴几乎覆盖整个广州市，影响范围大、持续时间较长、局部地区雷暴强度强。

2.2 闪电密度时段分布

将时间尺度降至到1h，图3为每小时的闪电密度分布。由图3a中看到，雷暴在13:00～14:00时间段在广州西南部，1h后移动至广州中部，到15:00雷暴开始往东北部移动，并逐渐消散，如图3c所示，1h后闪电密度降低，雷暴开始进入消亡阶段。整个过程中，局部地区闪电密度大，雷暴移动方向明显。

3 雷暴活动地域演变过程

3.1 全闪电密度图过程分析

将时间尺度降低至12min，把不同时间段内雷暴活动情况进行对比，得到雷暴活动的地域演变大致过程如图4所示。

由图4a、图4b看可以看出，在12:36～12:48时间段内，广州西南方（佛山地区）已有一定数量的闪电聚集，形成了两个空间-时间区域STN。随着时间的推移，在13:12～13:24时间段，观察图4c发现，闪电聚集区不断变大并且向东北方向移动。48min后，雷暴继续向东北移动。

由图4d、图4e发现，在14:00～14:12和14:48～15:00时间段，雷暴开始进入广州地区，移动至广州中部地区停留了一段时间，随后雷暴向北部移动至广州最北边后逐渐消散，如图4f～图4h所示。

对整个过境雷暴观察发现，该过境雷暴有3个起始点。从12:36～12:48时间段开始，图4a中可明显看出，在（112.74°, 22.64°）和（112.66°, 22.8°）两处有一大一小两个闪电聚集区，扩散面积（VA）分别为73km2和36km2。以此为起始点，雷暴沿两条路径发展。到13:24～13:36时间段，两个雷暴聚集到一起，并在后续过程中一起移动，设路线为M，与此同时，坐标为（113.2°, 22.83°）处有一个新的雷暴生成，设路线为N，新雷暴扩散面积（VA）为78km2，且朝向M发展，在14:24时M和N交汇于点（113.59°, 23.195°），此时雷暴扩散面积（VA）达到最大，为503km2。此后，N与M分离，两者各自朝向新的方向移动。雷暴N于15:00开始消亡，而雷暴M则持续时间较长，于16:00开始消亡。

3.2 全闪电密度过程分析

为了更加清晰地展现出雷暴发展过程，分别将整个雷暴过程中的两条线路的空间-时间邻域（STN）的主放电中心C和雷暴扩散面积（VA）进行统计，得到表2所示结果，主放电中心的坐标表示为（C-lon，C-lat）（C-lon、C-lat为经度、纬度坐标），扩散半径为VA-R。

表2列出了12:36～13:12时间段内每6min雷暴M两个不同起点的雷暴主放电中心坐标及扩散面积，在13:24左右，两个雷暴合并成雷暴M。

表3列出了雷暴合并后，雷暴M主放电中心C走向和扩散面积（VA），可以看出，最大扩散面积为503km2，扩散面积圆的半径为12.65km。雷暴M扩散面积（VA）的平均值为258.5km2，扩散半径为9.07km，相比3.1节中本地雷暴平均扩散面积49.1km2，扩散半径3.865km，该过境雷暴的强度比本地雷暴要大得多。

表4列出了该雷暴路线N的主放电中心C、扩散面积（VA）及扩散半径VA-R。可以看出，雷暴N在13:12开始出现，起初雷暴强度不大，扩散面积为78km2，随着雷暴N向北移动，VA也逐渐变大，与雷暴M重合之前最大扩散面积为219km2。到14:24时与雷暴M重合，此时整个过境雷暴扩散面积达到最大。随后向广州东部移动，雷暴扩散面积逐渐减小，整个过程持续时间比雷暴M短，在约15:00后消亡。

由主放电中心坐标以及其在地图上对应的实际距离，经过一系列计算，得出雷暴的移动速度和主放电中心C的移动方向。表5和表6记录了雷暴M的移动速度和每隔12min移动的距离及方向。可以看出，雷暴M1移动的速度比M2快，两者合并后，在14:12～14:24时间段内速度达到最大，为125.06km/h，雷暴M的平均速度为67.81km/h。相比之下，雷暴N的移动速度较为缓慢，最快仅为28.86km/h，平均速度为14.72km/h。

计算每12min内密度STN区域的主放电中心C的经纬度和对应的雷暴扩展扩散面积（VA），把主放电中心C位置当作雷暴中心，通过其位置改变来描述雷暴的运动趋势，用雷暴扩展扩散半径（VA-R）变化大小表现雷暴影响范围的变化，雷暴的地域演变过程就能直观表现出来。圆圈区域大小等于实际相应的雷暴扩展扩散面积（VA）。

经过处理后，可直观地看到雷暴地域演变过程中，雷暴中心的移动路线和整个移动过程中造成影响的地域范围。该过境雷暴有三个起始点，其中雷暴M自12:36开始，有两个起始点，于13:12～13:24时间段内重合，一起向广州北部移动，如图5a所示；雷暴N于13:12开始从广州西南方向向北移动，其移动特征量见表7，在14:24时间段内与雷暴M重合，随后向广州东部移动，如图5b所示。

4 结论

本文基于全闪电定位系统，通过网格时间空间密度法对广州地区一次夏季雷暴活动的地域演变过程进行了分析，得到雷暴不同时刻的扩散面积、主放电中心坐标、移动速度、移动方向，画出了地域演变图像，有效地掌握了雷暴的运动趋势，为精细化雷暴活动预警提供了技术手段，主要结论如下：

1）本次雷暴为一过境雷暴，从广州西南部向东北部运动，整个过程持续约5h。在整个过程中，广州地区的中部区域和南部区域闪电密度较大，局部地区网格全闪电次数达到甚至超过20次。

2）在12:30～17:30期间，雷暴M朝着约东北方向以平均67km/h的速度移动，行进中全闪电平均影响范围达258.5km2，雷暴M活动一段时间后，在广州南部发现另一雷暴N，向着北方移动，与雷暴M在14:24汇合后又分开向东边移动，雷暴N平均速度为14.72km/h，行进中全闪电平均影响范围达221.2km2。

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Total Lightning Location of Thunderstorm Activities and Spatial Evolution Process Analysis

（1. Lightning Protection Center of Guangdong Province Guangzhou 510080 China 2. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China）

Abstract Based on the total lightning location system, this paper analyzes the spatial evolution process of a summer thunderstorm activity in Guangzhou city in detail by the grid space time density method. The spreading area, the main discharge center, the moving speed and the moving direction at different periods of the thunderstorm are obtained. The image of regional evolution is drawn showing that the thunderstorm is a transit thunderstorm. The initial thunderstorm moved at an average speed of 67km/h toward the northeast. The spreading area of the total lightning during the movement reached 258.5km2. Another thunderstorm was found in southern Guangzhou moving northward after a period. After the two thunderstorms merged, they moved to the east separately. The average speed of the latter thunderstorm was 14.72km/h, and the spreading area during the movement reached 221.2km2.

keywords：Thunderstorm activity, lightning location system, spatial evolution, total lightning

王红斌男，1972年生，教授级高工，研究方向为电力设备状态监测及故障诊断。E-mail: tinna2008@163.com

蔡力男，1987年生，博士，副教授，研究方向为雷电探测与雷电防护。E-mail: cail@whu.edu.cn（通信作者）