王學(xué)良，成勤，王清龍，余田野，張科杰，趙濤

（1.湖北省防雷中心，湖北 武漢430074；2.宜昌市氣象局，湖北 宜昌443000；3.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險預(yù)防湖北省重點(diǎn)實驗室，湖北武漢430074）

1 引言

閃電是伴隨雷暴天氣出現(xiàn)的大氣中一種長距離放電現(xiàn)象，地閃是雷云與地面或物體間的瞬時放電過程。回?fù)羰堑亻W過程中的最強(qiáng)烈的放電過程，具有大電流、高電壓和強(qiáng)烈電磁輻射等特征，地閃回?fù)暨^程常常對電力、建筑物、電氣電子設(shè)備等造成嚴(yán)重威脅，甚至造成人員傷亡[1-3]。因此，人類對雷電現(xiàn)象進(jìn)行了長期不斷的探索，許多國內(nèi)外科學(xué)家對雷電進(jìn)行了無數(shù)次的觀測和試驗研究[4-5]。隨著閃電觀測研究技術(shù)和雷電定位系統(tǒng)(Lightning Location System；LLS)的不斷完善，獲得了海量的雷電活動相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步研究雷電氣候和多回?fù)舻亻W分布特征提供了前所未有的基礎(chǔ)性資料。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)試驗觀測和雷電定位系統(tǒng)資料，對雷電物理及雷電氣候特征方面進(jìn)行了不斷深入研究。張義軍等[6]利用高速攝像觀測自然閃電，結(jié)果表明，90%以上的負(fù)地閃首次回?fù)粝滦刑菁壪葘?dǎo)具有明顯的多級分叉現(xiàn)象，30%的負(fù)地閃具有多個接地點(diǎn)，44%的負(fù)地閃具有多次回?fù)?。國外學(xué)者觀測研究表明，一個地閃中時常會有兩個或多個后續(xù)回?fù)鬧7-8]。王學(xué)良等[9-14]采用湖北省先進(jìn)的時差測向(advanced direction finding on time difference，ADTD)雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料，統(tǒng)計分析了湖北地區(qū)雷電氣候時空分布特征。費(fèi)蕾蕾等[15]對香港地區(qū)的地閃活動時空分布特征及其影響因素進(jìn)行了研究。郭潤霞等[16]研究表明，雷電流強(qiáng)度大于100 kA的閃電很少發(fā)生，閃電頻數(shù)高的時段平均雷電流強(qiáng)度較小，閃電頻數(shù)低的時段平均雷電流強(qiáng)度較大。由于地閃時常存在多重回?fù)?，具有多個接地點(diǎn)，且間隔時間短，造成的雷電災(zāi)害更加嚴(yán)重[6,17-18]。因此，研究多回?fù)舻亻W分布特征對雷電物理研究和雷電災(zāi)害的科學(xué)防御具有十分重要的意義。孔祥貞等[19]對在一次回?fù)暨^程中具有多個接地分支的閃電進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，一次回?fù)舻亩鄠€接地分支，多發(fā)生在首次回?fù)簟Ｔ鹑萚20]選取福建省2013—2015年ADTD閃電定位資料，分析得出首次回?fù)舻碾娏鲝?qiáng)度多數(shù)大于繼后回?fù)舻碾娏鲝?qiáng)度。許維偉等[21]研究了發(fā)生在安徽淮北地區(qū)一次夏季雷暴過程的連續(xù)負(fù)地閃活動表明，總體上后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度遠(yuǎn)弱于首次回?fù)?，但?4.8%的多回?fù)舻亻W至少有一次后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)簟?/p>

上述研究中，對較大區(qū)域和長時間序列的多回?fù)舻亻W及其雷電流幅值分布特征研究較少，尤其是缺乏對多回?fù)舻亻W首次和后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣道鄯e概率分布的研究。而在雷擊事故分析中，缺乏多重回?fù)艋蚝罄m(xù)回?fù)艚y(tǒng)計參數(shù)的支持，統(tǒng)計分析多重雷擊第二次及后續(xù)雷電流幅值累積概率等工作有待進(jìn)一步深入[22]。為此，本文利用2007—2018年湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃資料，對其資料按規(guī)定條件進(jìn)行歸集，統(tǒng)計分析多回?fù)舻亻W和多重回?fù)舸螖?shù)、不同類型多回?fù)舻亻W、首次回?fù)艏昂罄m(xù)回?fù)衾纂娏鞣档壤纂娀顒訁?shù)分布特征，旨在為雷電物理研究和雷電災(zāi)害防御技術(shù)提供參考。

2 資料來源與統(tǒng)計方法

2.1 資料來源

本文采用的多回?fù)舻亻W資料來源于湖北省氣象部門ADTD雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃資料。該系統(tǒng)是采用磁向和時差聯(lián)合法進(jìn)行雷電探測的第2代地閃定位系統(tǒng)，主要用于云地閃電監(jiān)測，可輸出云地閃電回?fù)酎c(diǎn)的極性、時間、位置、強(qiáng)度等參數(shù)，單站探測范圍約為150 km，回?fù)舭l(fā)生的時間精度優(yōu)于10-7s，組網(wǎng)后網(wǎng)內(nèi)理論定位精度優(yōu)于300 m，雷電流幅值強(qiáng)度相對誤差優(yōu)于15%[23-25]。湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)于2006年建成，包含13個探測子站[26]，自2006年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，除軟件升級外，其他設(shè)備沒有升級改造，并有專業(yè)的維護(hù)保障機(jī)構(gòu)對其日常維護(hù)，以確保LLS正常運(yùn)行。在湖北省境內(nèi)除鄂西北和鄂西南極少部分地區(qū)外，其他地區(qū)的理論探測效率均在85%以上。為了提高雷電監(jiān)測資料的定位精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量，首先對所選取的地閃監(jiān)測資料進(jìn)行質(zhì)量控制，即去掉2站監(jiān)測定位數(shù)據(jù)，只統(tǒng)計3站及以上定位數(shù)據(jù)，并剔除雷電流幅值小于5 kA和大于500 kA的數(shù)據(jù)。

2.2 地閃歸集方法

根據(jù)湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)2007年1月1日—2018年12月31日監(jiān)測的雷電流極性、回?fù)魰r間和經(jīng)緯度等參數(shù)，在未考慮雙極性閃電的情況下，將一個后續(xù)回?fù)襞c其首次回?fù)魵w集為一個地閃應(yīng)滿足以下4個條件[20,27]：(1)后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻睦纂娏鳂O性相同；(2)后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻臅r間間隔小于等于1 s；(3)相鄰回?fù)糁g的時間間隔小于等于500 ms；(4)后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻奈恢镁嚯x小于等于10 km。

2.3 統(tǒng)計方法

在一個地閃中，只有1次回?fù)舻姆Q為單回?fù)舻亻W，具有2個及以上的回?fù)舴Q為多回?fù)舻亻W。一個多回?fù)舻亻W中，第一次回?fù)舴Q為首次回?fù)?，除第一?首次)回?fù)粢酝獾乃谢負(fù)舴Q為后續(xù)回?fù)鬧25]，首次回?fù)艏捌渌泻罄m(xù)回?fù)舯疚姆Q為全回?fù)?。首次回?fù)酎c(diǎn)與后續(xù)回?fù)酎c(diǎn)之間距離，采用Haversine公式計算得到[28-29]。本文規(guī)定：一個多回?fù)舻亻W中，任何一個后續(xù)回?fù)酎c(diǎn)的經(jīng)緯度與首次回?fù)酎c(diǎn)的經(jīng)緯度相同(經(jīng)緯度精度為10-4)，即為多重回?fù)簟Ｈ負(fù)?、首次回?fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舻牟煌愋投嗷負(fù)舻亻W中值雷電流幅值，分別根據(jù)全回?fù)?、首次回?fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舻牟煌愋投嗷負(fù)舻亻W所有回?fù)舸螖?shù)的雷電流幅值絕對值計算得出。分別統(tǒng)計全回?fù)?、首次回?fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舻牟煌愋投嗷負(fù)舻亻W雷電流幅值大于5 kA，10 kA，15 kA，……，190 kA，195 kA，200 kA的正地閃、負(fù)地閃和總地閃(正地閃+負(fù)地閃)回?fù)舸螖?shù)，并計算其正地閃、負(fù)地閃和總地閃大于不同雷電流幅值的回?fù)舸螖?shù)占其總回?fù)舸螖?shù)百分比，即可得到大于不同雷電流幅值的全回?fù)簟⑹状位負(fù)艉秃罄m(xù)回?fù)舨煌愋偷亩嗷負(fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃雷電流幅值累積概率。

3結(jié)果與分析

3.1多回?fù)舻亻W次數(shù)分布特征

3.1.1 多回?fù)舸螖?shù)分布

統(tǒng)計湖北省2007—2018年雷電監(jiān)測資料表明，正地閃回?fù)艨偞螖?shù)為132736次，其中多回?fù)粽亻W回?fù)舸螖?shù)為5446次；負(fù)地閃回?fù)艨偞螖?shù)為2997000次，其中多回?fù)糌?fù)地閃的回?fù)舸螖?shù)為1776089次。正地閃回?fù)艨偞螖?shù)占總地閃回?fù)艨偞螖?shù)的4.24%，多回?fù)粽亻W回?fù)舸螖?shù)占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨偞螖?shù)的0.31%，說明在多回?fù)舻亻W中，絕大部分為負(fù)地閃，占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨倲?shù)的99.69%。

表1可看出，多回?fù)粽亻W最多回?fù)舸螖?shù)為4次，負(fù)地閃最多回?fù)舸螖?shù)為16次，介于我國北京[30]的14次和安徽北部[21]及美國佛羅里達(dá)州[31]的18次之間；統(tǒng)計顯示，多回?fù)糌?fù)地閃和總地閃次數(shù)、多回?fù)舻亻W次數(shù)占其地閃總數(shù)及占其多回?fù)舻亻W總數(shù)的百分比隨著回?fù)舸螖?shù)的增加均呈指數(shù)減少，其相關(guān)系數(shù)均在0.9977以上。表1中的多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃次數(shù)占其地閃總數(shù)的百分比分別為2.06%、34.76%和32.64%，說明正地閃中97.94%為單回?fù)?，?fù)地閃65.24%為單回?fù)?。這與李京校等[32]利用SAFIR雷電定位系統(tǒng)，統(tǒng)計得出北京及周邊地區(qū)正、負(fù)地閃單回?fù)舭俜直确謩e為87.24%和65.22%相比，正地閃單回?fù)舭俜直扰c北京及周邊地區(qū)差異較大，但與福建[20]正地閃單回?fù)舭俜直葹?8.25%基本一致，負(fù)地閃單回?fù)舭俜直然鞠嗤?。從?中多回?fù)舻亻W次數(shù)占其多回?fù)舻亻W總數(shù)百分比隨回?fù)舸螖?shù)變化可知，多回?fù)糌?fù)地閃中99%以上為7次以下回?fù)簦?次以上回?fù)粼?%以下。3.1.2 多重回?fù)舸螖?shù)分布

表1 2007—2018年多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃次數(shù)及其百分比隨回?fù)舸螖?shù)變化

統(tǒng)計表明，多回?fù)粽亻W中，只有回?fù)舸螖?shù)為2次的發(fā)生了11次多重回?fù)?，約占正地閃回?fù)艨倲?shù)的0.01%，占其后續(xù)回?fù)艨倲?shù)的0.42%。表1中可看出，回?fù)舸螖?shù)在12次及以上的負(fù)地閃發(fā)生次數(shù)在50以下，回?fù)舸螖?shù)為16次的負(fù)地閃次數(shù)僅有1次。為較好地反映統(tǒng)計規(guī)律，本文在研究多回?fù)糌?fù)地閃相關(guān)參數(shù)隨其回?fù)舸螖?shù)變化特征時，采用2～11次回?fù)舸螖?shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。表2中的多重回?fù)舸螖?shù)可知，負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)隨回?fù)舸螖?shù)的增加，呈指數(shù)減少。由于正地閃多重回?fù)舸螖?shù)僅有11次，僅發(fā)生在2次回?fù)舻亩嗷負(fù)粽亻W中，因此，負(fù)地閃和總地閃的多重回?fù)舸螖?shù)及其所占回?fù)艨偞螖?shù)和后續(xù)回?fù)艨倲?shù)百分比幾乎相同。從表2中的負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)可知，負(fù)地閃多重回?fù)舸螖?shù)占總地閃多重回?fù)舸螖?shù)的99.91%，負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)分別占地閃回?fù)艨倲?shù)百分比的0.42%和0.40%，是正地閃多重回?fù)舻?0倍以上，其百分比隨回?fù)舸螖?shù)增加呈指數(shù)減少；負(fù)地閃多重回?fù)舸螖?shù)占其后續(xù)回?fù)舸螖?shù)百分比在0.93%～1.14%之間，平均為1.11%，負(fù)地閃多重回?fù)舸螖?shù)占其后續(xù)回?fù)舸螖?shù)百分比隨回?fù)舸螖?shù)的增加沒有明顯變化，均在1%左右。由此說明，正地閃、負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舻拇螖?shù)分別占其回?fù)艨倲?shù)的0.01%、0.42%和0.40%，在多重回?fù)舻亻W中，99.91%為負(fù)地閃。

表2 2007—2018年負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舸螖?shù)及其百分比隨回?fù)舸螖?shù)變化

3.1.3 不同類型多回?fù)舻亻W次數(shù)分布

為便于統(tǒng)計不同類型多回?fù)舻亻W相關(guān)參數(shù)分布特性，本文規(guī)定：在一個多回?fù)舻亻W中，首次回?fù)魪?qiáng)度大于后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度的多回?fù)舻亻W簡稱為F型多回?fù)舻亻W，至少有一次后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣祻?qiáng)度大于首次回?fù)魪?qiáng)度的簡稱為S型多回?fù)舻亻W；F型與S型多回?fù)舻亻W之和稱為多回?fù)舻亻W，簡稱T型多回?fù)舻亻W。

由表3可看出F型多回?fù)粽亻W次數(shù)為2214次，占多回?fù)粽亻W總數(shù)的82.52%，S型多回?fù)粽亻W次數(shù)為469次，占多回?fù)粽亻W總數(shù)的17.48%；F型多回?fù)糌?fù)地閃次數(shù)為376448次，占多回?fù)糌?fù)地閃總數(shù)的57.87%，S型多回?fù)糌?fù)地閃次數(shù)為274105次，占多回?fù)糌?fù)地閃總數(shù)的42.13%；F型多回?fù)艨偟亻W占其總數(shù)的57.97%。S型多回?fù)糌?fù)地閃占多回?fù)糌?fù)地閃總數(shù)42.13%，大于許維偉等[21]研究指出的有34.8%的多回?fù)舻亻W至少有一次后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)舻谋壤?，小于郄秀書等[33]統(tǒng)計研究表明的有54%的負(fù)地閃至少有一次后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次的比例。表3可看出，后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣祻?qiáng)度大于首次回?fù)魪?qiáng)度，多回?fù)粽亻W占其回?fù)艨倲?shù)的8.83%，多回?fù)糌?fù)地閃占其回?fù)艨倲?shù)的19.89%。與郄秀書等[33]的研究結(jié)果為20.1%和許維偉等[20]的統(tǒng)計得出的19.7%基本相同，落在上述兩文獻(xiàn)結(jié)果的區(qū)間之內(nèi)；多回?fù)艨偟亻W后續(xù)回?fù)糁?，?9.86%的后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次強(qiáng)度。由此說明，多回?fù)舻亻W中，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃分別占多回?fù)舻亻W總數(shù)的82.52%和57.87%；在多回?fù)舻亻W后續(xù)回?fù)糁?，正地閃約有9%的后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)魪?qiáng)度，負(fù)地閃約有20%的后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)魪?qiáng)度。

表3 2007—2018年不同類型的多回?fù)舻亻W次數(shù)、回?fù)舸螖?shù)及其百分比分布

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2次回?fù)舻腟型多回?fù)粽亻W次數(shù)占2次回?fù)粽亻W總數(shù)的17.16%，3次和4次回?fù)舻腟型多回?fù)粽亻W次數(shù)分別占其相應(yīng)正地閃總數(shù)的28.79%和28.57%。由圖1可看出，S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比隨著其回?fù)舸螖?shù)的增加大致呈拋物線型變化，回?fù)舸螖?shù)在2～7次時，S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比隨著地閃回?fù)舸螖?shù)的增加而增加，回?fù)舸螖?shù)在7～10次時，隨著地閃回?fù)舸螖?shù)的增加而減少；回?fù)舸螖?shù)在5～7次時，S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比在50%以上，其他回?fù)舸螖?shù)的S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比均在50%以下，其中2次回?fù)舻淖畹蜑?8.14%，10次和11次回?fù)舻陌俜直仍?1%以下。由于多回?fù)粽亻W最多回?fù)舸螖?shù)只有4次，且次數(shù)相對較少，因此，F(xiàn)型和S型多回?fù)艨偟亻W百分比隨地閃回?fù)舸螖?shù)的變化幾乎與負(fù)地閃相同。

圖1 2007—2018年S型多回?fù)糌?fù)地閃百分比隨地閃回?fù)舸螖?shù)的變化

3.2 雷電流幅值分布特征

3.2.1 全回?fù)衾纂娏鞣捣植?/p>

3.2.1.1 全回?fù)糁兄惦娏?/p>

統(tǒng)計2007—2018年不同類型多回?fù)舻亻W全回?fù)糁兄道纂娏鞣?簡稱中值電流)表明，F(xiàn)型、S型、T型多回?fù)粽亻W中值電流分別為62.20 kA、50.10 kA和59.30 kA，多回?fù)糌?fù)地閃中值電流分別為35.90 kA、34.30 kA和35.10 kA，F(xiàn)型、S型多回?fù)艨偟亻W中值電流與負(fù)地閃相同，T型多回?fù)艨偟亻W中值電流比負(fù)地閃僅大0.1 kA。因多回?fù)糌?fù)地閃回?fù)艨倲?shù)占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨倲?shù)的99.69%，不同類型的多回?fù)糌?fù)地閃與總地閃中值電流差異很小，甚至幾乎相同，因此，本文在分析多回?fù)舻亻W雷電流幅值分布特征時，只分析多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值分布特征。

上述統(tǒng)計結(jié)果表明，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃中值電流最大，S型中值電流最小，T型中值電流介于F型和S型之間；F型多回?fù)粽亻W中值電流比S型大12.10 kA，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流比S型大1.6 kA；F型、S型和T型多回?fù)粽亻W中值電流分別比負(fù)地閃大26.30 kA、15.80 kA和24.20 kA。

3.2.1.2 全回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)的變化

統(tǒng)計表明，2次回?fù)舻腇型、S型和T型正地閃中值電流分別為62.40 kA、49.90 kA和59.30 kA，3次回?fù)舻闹兄惦娏鞣謩e為61.90 kA、63.00 kA和62.45 kA。由圖2可看出，全回?fù)鬎型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨著回?fù)舸螖?shù)的增加整體均呈明顯減少趨勢；回?fù)舸螖?shù)相同的情況下，F(xiàn)型中值電流最大，S型中值電流最小，二者相差在0.3～1.6 kA之間，T型中值電流介于F型和S型之間。由此可見，多回?fù)糌?fù)地閃的中值電流隨著地閃回?fù)舸螖?shù)的增加呈減少趨勢，F(xiàn)型中值電流比S型中值電流相對較大。

圖2 全回?fù)舨煌愋投嗷負(fù)糌?fù)地閃中值電流隨回?fù)舸螖?shù)變化

3.2.2 首次回?fù)衾纂娏鞣捣植?/p>

3.2.2.1 首次回?fù)糁兄惦娏?/p>

統(tǒng)計顯示，F(xiàn)型、S型和T型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為104.30 kA、40.20 kA和90.90 kA，多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為49.10 kA、31.50 kA和40.00 kA?？梢?，與全回?fù)粢粯樱現(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏髯畲?，S型中值電流最小，T型中值電流介于F型和S型之間；F型、S型和T型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e比負(fù)地閃大8.70 kA、55.20 kA和50.90 kA；F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞅榷嗷負(fù)糌?fù)地閃大55.20 kA。由此說明，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏髯畲?，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏髟?00 kA以上，在雷電防護(hù)工程中，應(yīng)重點(diǎn)防御F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)舸罄纂娏鞣狄鸬姆磽簟?/p>

3.2.2.2 首次回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)的變化

統(tǒng)計表明，F(xiàn)型、S型和T型3次回?fù)粽亻W首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為122.70 kA、52.40 kA和115.10 kA，比2次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e大19.55 kA、12.65 kA和24.50 kA。由圖3可看出，F(xiàn)型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏麟S其回?fù)舸螖?shù)的增加整體呈增加趨勢，如2次回?fù)舻腇型、S型和T型中值電流分別為45.20 kA、30.20 kA和38.30 kA，10次回?fù)舻呢?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為79.15 kA、43.90 kA和63.50 kA?；?fù)舸螖?shù)相同的情況下，F(xiàn)型中值電流最大，S型中值電流最小，二者相差在15.00～35.25 kA之間，T型中值電流介于F型和S型之間。

圖3 不同類型多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)變化

3.2.3 后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣捣植?/p>

3.2.3.1 后續(xù)回?fù)糁兄惦娏?/p>

統(tǒng)計表明，F(xiàn)型、S型和T型多回?fù)粽亻W后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為42.00 kA、60.30 kA和43.90 kA；F型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為30.90 kA、36.20 kA和33.00 kA。統(tǒng)計資料得出，雷電流幅值多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)舻闹兄惦娏鞅戎捣謩e為0.48和0.83，雷電流幅值算術(shù)平均比值分別為0.52和0.77，算術(shù)平均的比值比曾金全等[20]統(tǒng)計得出的福建省多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃比值為0.60和0.80要稍小一些，但多回?fù)糌?fù)地閃比值比郄秀書等[33]研究中國內(nèi)地高原多回?fù)糌?fù)地閃的比值為0.70要大。這種差異可能與統(tǒng)計樣本數(shù)量、統(tǒng)計方法以及地理氣候環(huán)境有關(guān)。

3.2.3.2 后續(xù)回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)的變化

統(tǒng)計可知，F(xiàn)型、S型和T型3次回?fù)粽亻W后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為47.95 kA、64.15 kA和51.10 kA，比2次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e大6.05 kA、3.85 kA和7.40 kA。由圖4可看出，S型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨其回?fù)舸螖?shù)的增加呈減少趨勢，如2次回?fù)舻闹兄惦娏鳛?0.40 kA，7次以上的回?fù)糁兄惦娏髟?2.10～32.50 kA之間；F型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨其回?fù)舸螖?shù)的增加整體呈弱的增加趨勢，如2次回?fù)舻闹兄惦娏鳛?0.10 kA，7次以后的回?fù)糁兄惦娏髟?2.05～32.30 kA之間，其主要原因是首次回?fù)舻闹兄惦娏鲝?qiáng)度隨其回?fù)舸螖?shù)的增加而增加，后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)糁兄惦娏鲝?qiáng)度呈一定比例關(guān)系，因此，多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏麟S其回?fù)舸螖?shù)的增加呈弱的增加趨勢；T型多回?fù)糌?fù)地閃中值電流隨其回?fù)舸螖?shù)的增加呈弱的減少趨勢，除2次回?fù)敉猓渲兄惦娏髟?2.10～32.80 kA之間，其主要原因是F型和S型多回?fù)糌?fù)地閃共同影響的結(jié)果。由此可見，多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏髟?0.40 kA以下，2次以上回?fù)舻闹兄惦娏髟?6 kA以下，7次以上回?fù)舻腇型、S型和T型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏髭呌谙嗤?，其中值電流?2.10～32.50 kA之間。

圖4 不同類型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)糁兄惦娏麟S回?fù)舸螖?shù)變化

3.3 雷電流幅值累積概率分布特征

3.3.1 雷電流幅值累積概率統(tǒng)計分布特征

雷電流幅值概率分布一直是國內(nèi)外防雷界非常重視的雷電參數(shù)之一，在繞擊和反擊防雷計算中占據(jù)十分重要的位置，根據(jù)雷電防護(hù)分類和繞擊區(qū)段的雷電流幅值[34-35]，表4給出了不同回?fù)纛愋秃筒煌愋偷亩嗷負(fù)舻亻W及其不同雷電流幅值累積概率分布。由表4可看出，雷電流幅值大于100 kA、150 kA和200 kA時，除S型多回?fù)粽亻W首次回?fù)衾纂娏鞣荡笥?00 kA外，其他不同回?fù)纛愋秃筒煌愋投嗷負(fù)粽亻W的雷電流幅值累積概率均大于相應(yīng)多回?fù)糌?fù)地閃。如全回?fù)鬞型正地閃雷電流幅值大于100 kA的累積概率為24.95%，負(fù)地閃為1.97%，是負(fù)地閃累積概率的12.64倍，說明多回?fù)粽亻W發(fā)生大于100 kA的雷電流幅值概率是多回?fù)糌?fù)地閃的12倍以上，更易發(fā)生雷電反擊的危害。雷電流幅值小于等于40 kA，不同回?fù)纛愋秃筒煌愋投嗷負(fù)粽亻W的雷電流幅值累積概率均小于相應(yīng)多回?fù)糌?fù)地閃，如全回?fù)鬞型正地閃雷電流幅值累積概率為27.76%，負(fù)地閃為62.68%，后者是前者的2.26倍，說明多回?fù)糌?fù)地閃發(fā)生繞擊區(qū)段的雷電流幅值概率是多回?fù)粽亻W的2倍以上。

表4 2007—2018年不同多回?fù)舻亻W、回?fù)纛愋屠纂娏鞣道鄯e概率(%)

比較表4中不同回?fù)纛愋偷腡型多回?fù)舻亻W可看出，雷電流幅值大于100 kA，T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)舾怕首畲?，分別為44.06%和4.64%，后續(xù)回?fù)舾怕首钚?，分別為6.41%和0.43%；雷電流幅值小于等于40 kA，T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣蹈怕首畲?，分別為41.80%和69.92%，首次回?fù)糇钚?，分別為13.31%和50.15%。比較表4中各不同類型多回?fù)舻亻W可見，雷電流幅值大于100 kA，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的首次回?fù)舾怕首畲蠓謩e為52.21%和7.94%，F(xiàn)型后續(xù)回?fù)舾怕首钚。謩e為3.70%和0.11%；雷電流幅值小于等于40 kA，S型多回?fù)粽亻W首次回?fù)舾怕首畲鬄?9.89%，F(xiàn)型首次回?fù)舾怕首钚?.56%；F型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣敌∮诘扔?0 kA的概率最大為77.71%，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃首次回?fù)舾怕首钚?1.01%。

上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，多回?fù)粽亻W雷電流幅值大于100 kA的概率是多回?fù)糌?fù)地閃發(fā)生概率的12倍以上，多回?fù)糌?fù)地閃發(fā)生雷電流幅值小于等于40 kA的概率是多回?fù)粽亻W的2倍以上；多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)衾纂娏鞣荡笥?00 kA的概率最大，分別為44.06%和4.64%，后續(xù)回?fù)舳嗷負(fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值小于等于40 kA的概率最大，分別為41.80%和69.92%，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的首次回?fù)衾纂娏鞣荡笥?00 kA的概率最大分別為52.21%和7.94%，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣敌∮诘扔?0 kA的概率最大為77.71%。由此可見，在防御雷電反擊方面，應(yīng)重點(diǎn)考慮多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)?，尤其是F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)?；在雷電繞擊防護(hù)方面，應(yīng)重點(diǎn)防御多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)簦绕涫荈型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)簟?/p>

3.3.2 雷電流幅值累積概率擬合公式

我國學(xué)者研究表明，采用IEEE工作組推薦的表達(dá)式擬合雷電流幅值累積概率的效果要好于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的表達(dá)式[35-38]。因此，根據(jù)IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率公式，可將雷電流幅值累積概率分布擬合成如下表達(dá)式[35,39-42]：

上式中的I為雷電流幅值，I∈(2 kA，200 kA]。P是指雷電流幅值＞I的累積概率；參數(shù)a表示中值雷電流幅值，即雷電流幅值＞a的累積概率為50%，隨著a的增大，中值雷電流幅值增大，反映某一地區(qū)的雷電流幅值普遍較大；參數(shù)b反映了曲線變化程度，隨著b增大，中值雷電流附近的曲線變陡，雷電流幅值集中性越強(qiáng)[35-36]。

根據(jù)2007—2018年全回?fù)?、首次回?fù)艉秃罄m(xù)回?fù)鬎型、S型和T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值，計算其大于不同雷電流幅值的累積概率，根據(jù)趙淳等[43]提供的“中值電流”法，分別計算上述各類型大于不同雷電流幅值累積概率表達(dá)式中的a、b參數(shù)值(表5)。統(tǒng)計分析表明，表5中擬合得出的各不同類型的多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的a值與統(tǒng)計得出的中值電流基本相同，正地閃相差絕對值在0.02～0.47 kA，負(fù)地閃相差絕對值小于等于0.06 kA；正地閃擬合公式的相關(guān)系數(shù)在0.9944～0.9994之間，負(fù)地閃擬合公式的相關(guān)系數(shù)在0.9984～0.9995之間，說明擬合效果顯著。

表5 2007—2018年不同多回?fù)舻亻W、回?fù)纛愋屠纂娏鞣道鄯e概率擬合公式中的a、b參數(shù)值

從表5中可看出，各不同類型的多回?fù)粽亻Wa值均大于相應(yīng)類型的負(fù)地閃，b值均小于相應(yīng)類型的負(fù)地閃；在T型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃中，首次回?fù)舻腶值最大，后續(xù)回?fù)舻腶值最小。說明各不同類型的多回?fù)粽亻W的中值電流均大于負(fù)地閃，首次回?fù)舸笥诤罄m(xù)回?fù)?，多回?fù)糌?fù)地閃的雷電流幅值累積概率曲線，在中值電流附近均比正地閃要更陡一些。

為進(jìn)一步了解雷電流幅值累積概率曲線中的中值電流a值附近的集中性與反映曲線陡度的b值之間的關(guān)系，統(tǒng)計表5中正地閃和負(fù)地閃a值±10 kA、±15 kA和±20 kA，雷電流幅值累計概率，并與表5中的b值進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明，a值附近的雷電流幅值累積概率與b值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.9112～0.8734，達(dá)極顯著水平。統(tǒng)計可知，隨著中值電流附近雷電流變化幅度的增加，其相關(guān)系數(shù)呈減少趨勢。由此說明，雷電流幅值累積概率曲線的b值越大，其中值電流附近的累計概率越大，雷電流的堆積性越強(qiáng)。上述分析表明，在實際雷電防護(hù)工程應(yīng)用中，可根據(jù)表5中的相關(guān)數(shù)據(jù)得到不同類型多回?fù)舻亻W的雷電流幅值累計概率擬合公式，進(jìn)一步了解中值電流大小及其附近雷電流幅值分布的集中性。

4 結(jié)論

(1)多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃次數(shù)占其地閃總數(shù)的百分比分別為2.06%、34.76%和32.64%；多回?fù)糌?fù)地閃回?fù)舸螖?shù)占多回?fù)艨偟亻W回?fù)艨倲?shù)的99.69%；多回?fù)糌?fù)地閃99%以上為7次以下回?fù)?。多回?fù)粽亻W、負(fù)地閃和總地閃多重回?fù)舻拇螖?shù)分別占其回?fù)艨倲?shù)的0.01%、0.42%和0.40%，在多重回?fù)舻亻W中，99.91%為負(fù)地閃。

(2)多回?fù)舻亻W中，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃分別占多回?fù)舻亻W總數(shù)的82.52%和57.87%；在多回?fù)舻亻W后續(xù)回?fù)糁校亻W約有9%的后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)魪?qiáng)度，負(fù)地閃約有20%的后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)魪?qiáng)度。

(3)多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃中值電流分別為59.30 kA和35.10 kA，首次回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為90.90 kA和40.00 kA，后續(xù)回?fù)糁兄惦娏鞣謩e為43.90 kA和33.00 kA；F型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)舻闹兄惦娏髯畲蠓謩e為104.30 kA和49.10 kA。多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)襞c首次回?fù)糁兄惦娏鞯谋戎捣謩e為0.48和0.83。

(4)首次回?fù)糁?，多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值大于100 kA的累積概率分別為44.06%和4.64%，F(xiàn)型多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃大于100 kA的累積概率最大分別為52.21%和7.94%；后續(xù)回?fù)糁?，多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃雷電流幅值小于等于40 kA的累積概率分別為41.80%和69.92%，F(xiàn)型多回?fù)糌?fù)地閃雷電流幅值小于等于40 kA的累積概率最大為77.71%。

(5)擬合得出的不同類型的多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃的a值與統(tǒng)計得出的中值電流基本相同，擬合效果顯著。擬合公式中a值附近的雷電流幅值累積概率與b值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，b值越大，其中值電流附近的累計概率越大，雷電流的堆積性越強(qiáng)。

5 討 論

(1)在雷電防護(hù)工程應(yīng)用中，可根據(jù)表5中的相關(guān)數(shù)據(jù)得到不同類型多回?fù)舻亻W的雷電流幅值累積概率擬合公式中的a值和b值，可得到某一區(qū)域中值電流及中值電流附近雷電流幅值分布的集中性。在防御雷電反擊方面，應(yīng)重點(diǎn)考慮多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃首次回?fù)?，尤其是F型多回?fù)粽亻W首次回?fù)?；在雷電繞擊防護(hù)方面，應(yīng)重點(diǎn)防御多回?fù)粽亻W和負(fù)地閃后續(xù)回?fù)?，尤其是F型多回?fù)糌?fù)地閃后續(xù)回?fù)簟?/p>

(2)本文在統(tǒng)計分析時，去掉了2個站監(jiān)測的地閃資料，僅采用3站及以上的監(jiān)測資料，這樣就可能將某一次多回?fù)舻亻W中，只能兩站監(jiān)測的較小雷電流，尤其是后續(xù)回?fù)糨^小的雷電流幅值資料去掉，其結(jié)果在一定程度上增加了后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣灯骄岛椭兄惦娏鳌?/p>

(3)本文是基于LLS監(jiān)測得到的雷電流幅值，因此，統(tǒng)計分析的雷電流幅值可能與實際值有一定誤差，但得出的不同類型多回?fù)舻亻W雷電流幅值及其變化趨勢應(yīng)該是可信的。因雷擊大地的雷電流幅值強(qiáng)度與天氣系統(tǒng)、雷雨云電荷分布、地理氣候、地理緯度、海拔高度等有關(guān)，而且雷電對地放電具有隨機(jī)性和復(fù)雜性。因此，本文研究的多回?fù)舻亻W次數(shù)、雷電流幅值變化規(guī)律及其在雷電防護(hù)工程的應(yīng)用，以及繼后回?fù)綦娏鲝?qiáng)度大于首次回?fù)舻脑蜻€有待應(yīng)用檢驗和進(jìn)一步深入研究。