当前世界环境gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

许多领域的专家都面临着雷电防护和雷击放电空间分布评估的问题。高层建筑和场地开发数量增加;工业上广泛使用易燃易爆物质;在电子和通信领域，对雷电放电产生的干扰作出反应的灵敏电子器件的应用越来越广泛。因此，雷击造成的损害、业务中断可能会发生，在某些情况下可能是致命的。gydF4y2Ba

在包括哈萨克斯坦在内的许多国家，闪电信息的主要来源仍然是气象站提供的视觉和听觉观测和时间仪器观测(例如在机场)。目前，哈萨克斯坦有328个气象站。视觉和听觉的闪电活动检测方法可以确定~15公里半径内的闪电。因此，在一个站点的观测允许覆盖~707公里gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba区域和328个站点可提供约232000公里范围内的闪电活动信息gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(占全国面积的8.5%)。大多数观测站位于该国有人居住的地区，但是闪电的时空分布不仅对安全很重要，而且对科学也很重要。例如，有假设认为闪电分布的不规则性可能是由不同岩石岩性的不同电导率引起的(Sokolov, S.， 2008;Nelson, h.r.， 2013;Sibert J.， 2013)，并且可以使用闪电数据进行自然资源定位(Sibert J.， 2013)。gydF4y2Ba

此外，详细的雷电放电时空分布图是评估电力工业目标防雷措施的必要条件。雷电放电信号是计算输电线路、接地装置、中继器上的感应电压所必需的。哈萨克斯坦的大部分地区没有闪电观测站;有必要发展雷电危害评估方法，而不仅仅是在定性层面上。gydF4y2Ba

本研究的目的是利用全球电磁传感器网络低频探测雷电干扰的数据，提供哈萨克斯坦雷电放电的时空分布特征。gydF4y2Ba

该结果是基于2016年3月至10月闪电期间闪电事件数据的收集、处理和可视化。gydF4y2Ba

数据与方法gydF4y2Ba

本研究的基础数据是由地面闪电定位系统WWLLN(全球闪电定位网络)接收到的若干次闪电放电。闪电定位的方法是利用信号到达远端天线的时间差(TOGA法-群到达时间)来确定到闪电放电的距离(Dowden, r.l.，2002)。至少需要5个站点的数据。气象站可位于距离雷击点数千公里的地方。目前，该网络在全球有70个站点，根据世界范围内的最新研究，30ka电流雷电检测的平均效率约为30%。需要注意的是，网络的效率是基于检测到的雷击放电次数相对于雷击放电总数的比值。gydF4y2Ba

自2015年以来，哈萨克斯坦空间技术与技术研究所(Inchin, a.s.，2016)一直在开发哈萨克斯坦闪电探测网络(KazLDN)。在哈萨克斯坦东南地区雷暴监测项目的框架内，开发了用于近地面电磁场强度测量的分布式传感器网络。极低频(3- 300khz)电磁场干扰数据由传感器采集，存储在KazLDN服务器的数据库中。gydF4y2Ba

从2016年开始，WWLLN数据也被收集到KazLDN服务器上，用于进一步比较闪电放电位置确定的结果。WWLLN提供1小时的数据开放访问，延迟6小时gydF4y2Ba* .kmlgydF4y2Ba档案格式可透过计划网页(gydF4y2Bawwlln.netgydF4y2Ba）.开发了每小时从WWLLN服务器自动读取数据的脚本。40gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-56年gydF4y2Ba^ogydF4y2BaN和46gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-88年gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba选取E区进行数据选取。WWLLN记录了每一次闪电放电的时间(以分钟为精度)、位置(经纬度)、余量(以微秒为单位，1 μs ~ 0.3 km)和注册台站数(不少于5个)。gydF4y2Ba

选取2016年3月至10月的日、月和整个闪电季节的数据，分析哈萨克斯坦境内的闪电活动。gydF4y2Ba

落在长度为子午线和纬度为1的球面矩形上的闪电密度和闪电时数gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba提取。使用SURFER软件以视觉方式呈现结果(gydF4y2Bahttp://www.goldensoftware.com/products/surfergydF4y2Ba）.gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

通过上述技术，选择了必要的数据，得到了以下结果。gydF4y2Ba

2016年3月至10月，在共和国境内总共有40人死亡gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-56年gydF4y2Ba^ogydF4y2BaN, 46gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-88年gydF4y2Ba^ogydF4y2BaE) WWLLN网络共检测到1,151,001个事件。我们认为每一次闪电放电都是一个事件。指定时段内闪电放电按月分布的直方图如图1所示。gydF4y2Ba

从图中可以看出，大多数闪电放电发生在夏季，从5月到8月，最多的是7月。近93%的事件发生在这段时间。在冬季观察到一些中风，但与夏季相比，此类事件的数量并不多，因此本研究不考虑。gydF4y2Ba

图1:三月份雷击放电分布图gydF4y2Ba 直到10月gydF4y2Ba 点击此处查看图gydF4y2Ba

每月闪电活动gydF4y2Ba

按月闪电活动分布图(图2)。五月每日中风人数为3 000至5 000人，惟最后几天中风人数超过25 000人。6月每日平均中风数约为1万例，7月为1.5万例。3月、4月和10月的闪电活动普遍具有偶然性。5月的2天(30日和31日)和7月的若干天(6日和7日、25日和26日)是全年最强的风暴日。每日闪电次数超过24,000次。gydF4y2Ba

图2:每月闪电活动曲线图gydF4y2Ba 点击此处查看图gydF4y2Ba

每日闪电活动gydF4y2Ba

众所周知，白天的闪电活动是不均匀的，因此随着时间的变化，雷击数的分布是有意义的。哈萨克斯坦有两个时区:+6 UTC(国家中部和东部)和+5 UTC(共和国西部)。为了评估一种共同趋势，我们忽略了这种差异。图3显示了两种雷暴天气的日雷暴活动图。图3a显示了5月30日至6月1日一天中不同时间(当地时间)的笔划数，图3b显示了7月6日至7月8日的笔划数。注意，在这两种情况下，低闪电活动都发生在上午8-9点和午夜。天文台在下午1时3分观察到强烈的闪电活动，并在下午1时3分达到最高峰。gydF4y2Ba

闪电活动空间分布gydF4y2Ba

如前所述，对哈萨克斯坦地区闪电活动的研究仅限于40 -56°N和46 - 88°e。对于该地区闪电活动的纬向和纵向分布(图4)。gydF4y2Ba

图3:5月30日至6月1日(a)及7月6日至8日(b)的闪电活动gydF4y2Ba 点击此处查看图gydF4y2Ba

图4:哈萨克斯坦闪电活动的纬向(a)和纬向(b)分布gydF4y2Ba 点击此处查看图gydF4y2Ba

从图4(a)可以看出，闪电活动的最小值在北纬43-45度之间。据推测，这是因为在这些纬度的地区大部分是哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦南部的沙漠地带gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-51年gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba北纬地区是哈萨克斯坦的主要领土。在这里，全年的闪电活动在整个经度上大约有95000次。至于纵向分布，这里我们看到64的最小值gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba这是因为这里的干旱和沙漠地区。闪电活动随经度和局地最大值的增加呈稳定增长趋势gydF4y2Ba^ogydF4y2BaE.它与这样一个事实有关，即在这个国家的南部是山区和哈萨克斯坦高地，在这个经度上的国家的中部。gydF4y2Ba

2016年闪电时数gydF4y2Ba

对2016年哈萨克斯坦的闪电时数进行了估计。结果的映射如图5所示。gydF4y2Ba

图五:二零零零年有闪电的时数分布图gydF4y2Ba 2016年哈萨克斯坦gydF4y2Ba 点击此处查看图gydF4y2Ba

这些1的估计值gydF4y2Ba^ogydF4y2Bax1gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba提供箱子(共计615个)。通常，这种估计是基于对地面闪电密度分布的视觉和听觉观测，以击数表示至1公里gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba一年内地表的面积。这样，得到的冲程数为平方公里，事件数为1gydF4y2Ba^ogydF4y2BaN…1gydF4y2Ba^ogydF4y2BaBin是划分这个单元格区域的必要条件。由于经纬度不同，单元格的面积也不同，因此无法应用通用方法。gydF4y2Ba

但对部分细胞进行了定量比较。例如，对于单元格48gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-49年gydF4y2Ba^ogydF4y2BaN和75gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-76年gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba面积是8194公里gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

球面S以子午线和纬度为界的空间面积(以度表示)由式(1)计算:gydF4y2Ba

式中，r——地球半径。gydF4y2Ba

若r= 6371.302 km，则gydF4y2Ba

根据WWLLN的数据，该地区有2,035次中风。因此，对于这个单元格，1公里的冲程数gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(NgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)是~ 0.25冲程/公里gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。从这里，可以确定雷暴的持续时间，以小时为单位gydF4y2Ba_dgydF4y2Ba由式(2)[7]:gydF4y2Ba

我们得到雷暴的持续时间在给定的小区大约是3,7小时。让我们将此结果与图6所示的数值作比较，该数值取自《建筑物及构筑物防雷指引》(RD 34.21.222- 87,1987)。gydF4y2Ba

图6:闪电平均持续时间的地图部分gydF4y2Ba 到欧亚号只需几个小时gydF4y2Ba 点击此处查看图gydF4y2Ba

在这张地图上，我们可以看到，在考虑的区域，雷暴的年平均持续时间为20至40小时，比我们的值高5-10倍。55-56号牢房gydF4y2Ba^ogydF4y2BaN - 85gydF4y2Ba^ogydF4y2Ba-86年gydF4y2Ba^ogydF4y2BaE NgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba值= 0,18冲程/公里gydF4y2Ba^2gydF4y2BaTgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba= 2,61(图6 40-60小时)，这也与托木斯克地区(俄罗斯联邦)科学家使用另一种方法获得的结果不同。在(Gorbatenko, V.， 2009)中，他们表明该地区的闪电放电密度在0.8到2.2次/公里之间变化gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。这种结果差异的原因有待于更长期的统计数据的进一步研究。gydF4y2Ba

2016年中风密度gydF4y2Ba

基于WWLLN网络数据绘制的2016年雷电放电密度图如图7所示。其中，密度是网络每单位面积检测到的雷击次数。还提供了垃圾箱的估计数1Ñ…10。gydF4y2Ba

从图7中可以划分出2016年哈萨克斯坦雷电最危险的地区。在哈萨克斯坦东部靠近塞米市和下卡梅诺戈尔斯克市的地区，在巴甫洛达尔地区，在哈萨克斯坦西部的阿特劳和西哈萨克斯坦地区，以及咸海北部，观测到一年中年度闪电放电次数最多。脑卒中发生率最低的是后颧区。gydF4y2Ba

图7:2016年基于WWLLN数据的笔画密度图gydF4y2Ba 点击此处查看图gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

基于WWLLN网络数据，对2016年哈萨克斯坦境内闪电活动的时空分布进行了研究。2016年闪电放电最多的是夏季，从5月到8月，最多的是7月。每日闪电在上午8-9点和午夜活动低，在下午1-3点活动高。空间分布分析表明，雷击活动最小值在43 ~ 45之间gydF4y2Ba^ogydF4y2BaN纬度，并为纵向分布的最小值在64gydF4y2Ba^ogydF4y2BaE。gydF4y2Ba

获得了哈萨克斯坦的雷击时数和雷击密度图。计算了每平方公里雷击数和闪电持续时间(小时)。并将所得结果与旧闪电平均小时图数据进行了比较。现在，WWLLN网络是哈萨克斯坦整个地区唯一可用的雷电放电数据来源。第一个结果显示，即使在WWLLN中宣布闪电放电登记的平均有效性为30%，但与基于视觉和听觉观测以及本地自动探测系统的数据所得的结果相比，以小时为单位的雷暴持续时间的结果严重低估了。因此，可以得出这样的结论:在哈萨克斯坦地区，WWLLN网对雷电放电的实际平均探测效率可能在5-10%之间。但是，很难估计，因为不同地区的效率不同。首先，从事实可以看出，WWLLN的台站是非等间隔的。然而，需要更多时间的进一步研究来证实这些说法。gydF4y2Ba

综上所述，发展雷电自动探测网络是哈萨克斯坦的需要。由于我们的网络的近站位置，我们将获得更详细的闪电数据。这样的网络已经建成，并将于2017年投入使用。gydF4y2Ba

致谢gydF4y2Ba

这项工作得到了哈萨克斯坦共和国教育和科学部0100/GF4基金的支持。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba

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