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亚马逊东部地区的地闪观测
Arthur C. Almeida , Briacute;gida R. P. Rocha, Joseacute; Ricardo S. Souza, Joseacute; Alberto S. Saacute; , Joseacute; A. Pissolato Filho
Federal University of Para (UFPA) — Av. Augusto Correa no. 1, Belem, PA, 66075-110, Brazil
State University of Campinas (UNICAMP) — C. U. Zeferino Vaz, Campinas, SP, 13083-970, Brazil
摘要：本文分析了亚马逊东部赤道附近地闪的参数、空间和时间分布。通过VAISALA闪电探测网络探测到的地闪（CG）事件约700万次。该数据集由巴西亚马逊保护系统在2006年至2008年间收集，结果展示了该区域地闪密度较高的子区域、闪电极性类型、峰值电流强度以及地闪的小时分布。在被观察的闪电中，电流峰值超过100 kA的闪电占到相当大的百分比（7%）。我们将这项工作的统计结果和世界其他地区的观测结果进行比较，从已发现的差异中，我们建议，为保护亚马逊地区的电力和通信系统不受大气放电的影响，应考虑地闪参数值的区域特性。
关键词：亚马逊地区；大气放电；地闪；电气系统保护
1.引言
巴西亚马逊地区具有面积广阔，湿润热带气候和时常覆盖积雨云的特点，该区域被认为是巴西大部分闪电发生的目标区域。因此，亚马逊地区配电系统的性能受到地闪（CG）事件的显著影响（Santoset 等人，2011）。
然而必须考虑的事实是，目前亚马逊地区正在修建数座水力发电大坝，并在未来十年内通过很长的输电线路向巴西中部和南部地区提供电能。
电力和通信传输经常由于雷击造成中断，导致巴西南部人口最多的州遭受严重的经济损失。因此，亚马逊地区闪电特征的确定对国家经济利益具有重要意义。
在过去几十年中，除了一些开创性研究（Souza等人，1999；Rocha等人，1996），在该地区，依然缺乏现代设备进行闪电观测。近些年安装了区域闪电定位系统之后，亚马逊地区对闪电特征的观测逐渐增多，这些观测将有助于建立闪电参数，以优化电力设施的布置和设备的选用，从而局部输电线路上能够承受大部分雷击。
闪电定位系统（LLS）代表着与闪电变量相关的重要远程数据源，并且该系统覆盖地球的多个区域。全世界有60多个LLS网络（Cummins和Murphy，2009）。对于大型闪电定位系统网络，我们可以提到：欧洲网络（Euclid和Linet）（Diendorfer，2002；Betz等人，2008）、奥地利闪电定位系统（AllS）（Diendorfer等人，1998；Schulz等人，2005）、加拿大闪电探测网络（CLDN）（Burrows等人，2002）、美国国家闪电探测网络（NLDN）（Cummins等人，1998；Biagi等人，2006；Zajac和Rutledge，2001；Orville等人，2002），以及澳大利亚（Kuleshov等，2005），中国（Chen等，2004），日本（Shindo和 Yokoyama，1998年）等其他国家。
巴西有巴西闪电探测网络（BrasilDAT），该网络由47个传感器（Pinto Jr等人，2007；Pinto Jr和Pinto，2008；Naccarato和Pinto Jr，2009；Pinto Jr等人，1996）集成三个区域网络（巴西南部的RINDAT、SIDDEM和亚马逊东部的SIPAM）而组成的。
闪电发生的空间和时间分布取决于区域性气候（Ribeiro等人，2011a）、流行的气象系统（Mattos和Machado，2011）、陆地覆盖率（Ribeiro等人，2011b）、地形（Bourscheidt等人，2009）和其他因素。先前使用SIPAM-LDN收集的数据进行分析初步表明，该区域似乎呈现出更高的闪电发生密度，并产生了比世界首次雷击的电流峰值强度平均值更高的数值（Almeida等人，2010），该值已经在闪电放电保护项目中被采用（Almeida等人，2010）。在12月至5月期间，还观测到该区域闪电发生的密度呈现出明显的季节性增长，符合当地的雨季（Ribeiro等人，2011）。
本文对这一研究方向进行了探讨，并给出合适的建议，能够对亚马逊地区的人、建筑物、通信和电力系统进行充分的保护。
2.方法
2.1 SIPAM雷电探测网
2005年，巴西亚马逊保护系统机构（SIPAM）开始运行VAISALA ，它包含12个LPATS- IV传感器网络，该网络集中在位于巴西北部贝乐姆市的CP 8000站。图1显示了SIPAM LDN传感器的地理位置分布。
该系统收集的数据以连续顺序储存在中心站，并以UALF格式恢复为文本文件，其中每个闪电事件联系着25个属性。
选择2006年10月至2008年12月期间观察到的一组闪电事件进行分析，这些数据在系统正常运行的周期内获得。数据处理过程中排除了确定为云闪事件的闪电，以及峰值电流高于250 kA的闪电。
考虑到云闪对电力系统影响较小，因此排除了云闪。在主要研究事件中，忽略了负峰值或正峰值电流超过250 kA的大约9000次闪电（所选总体事件的0.13%），但随后其作为一组单独的高峰值电流值数据集，在被称为超级闪电的的范围内对其进行分析。这种划分的原因是，峰值电流值来自理论模型，这些值可能被高估（Cooray，2009），VAISALA LPATS IV用户指南手册表明这些记录可能不可靠。除这些情况外，我们仅分析在经度41°至55°W和纬度1°至15°S之间的地理坐标定义的范围内收集的数据。鉴于该LDN在所考虑的区域内具有50%至80%的探测效率（DE），并显示了边界外闪电探测效率的突然衰减，因此在获得LDN数据时对空间覆盖进行了限制，如Pereira等人（2008）和Naccarato和Pinto Jr（2009）在研究中做的。
3．结果和讨论
将收集的数据输入后，经过处理产生了如图2所示的闪电密度分布图。这张图显示了三个地闪发生密度较高的主要区域，其中两个在2°到10°S之间呈现南北分布，被5°到7°S之间的较低密度区域隔开。第一个区域大约集中在4°S，48°W，这是系统的最佳效率点，其位于帕雷奥州东部。第二个是大约在8°S，48°W，在托坎廷斯州北部，那里是一片山区。第三个是闪电密度较高的条带，在整个大陆上呈西北-东南走向，但距离大西洋不太远，紧挨着马兰霍州和朴州的沿海地区。其中心位于圣路易斯湾，约2°S，44°W。该地区经常被海风产生的飑线所覆盖。很明显，改变这三个区域地闪密度图形状的主要因素是该LDN的传感器分布和检测效率。然而，该区域的气候和地形也会对CG闪电事件分布产生影响，已经发现，它们对这些区域CG闪电密度分布非常重要。
在被分析区域中很大一部分达到了11次/km2/年的地闪闪电密度。考虑到前面提到的该系统的探测效率，对于这种类型的闪电，密度值实际上可以翻倍，这将使该区域的地闪密度值处于比世界其他地方更高的水平，它还可以与圣保罗市城区的17次/km2/年进行比较，这是Pinto Jr.（2008）记录了所有类型的闪电的密度。
对CG的完整数据集进行处理，以每小时为间隔和四种等级的首次雷击峰值电流强度来划分闪电。设定的电流值间隔为：0-30；31-50；51-100；和101-250 kA，结果如图3所示。
由当前峰值间隔划分的闪电事件数的小时演变表明，地闪发生率在当地时间15时达到峰值。直到天亮前19时（LT），闪电活动仍然很频繁，之后下降到另一水平。黎明后，闪电活动再次减弱，在大约10时（LT）时达到其最小日值。根据TRMM-LIS卫星数据，Souza等人（2009）在巴西南部观察到闪电事件数呈现类似的小时分布。
这些结果表明，在该地区，设备和输电线路受损的风险在10至15时之间增加了约15倍。因此，日常的外部检查和维护应在早上进行，避免在下午工作，以尽量减少现场技术人员伤亡的风险。
从图3可以明显看出，超过100 kA的高峰值电流的闪电可能发生在一天中的任何时间。这些闪电发生率的变化似乎和其他电流分布间隔的闪电是一致的。
图4根据数据中首次雷击的极性显示了每小时的地闪分布。每种极性闪电的数量用百分比来衡量。负极性首次雷击的百分比在所有时间都超过了正极性，在11到19时之间，负极性闪电比正极性的比例要高得多。另一方面，正极性首次雷击的比例远高于在地球其他地区观察到的地闪比率的5%到15%。这个现象的原因还需要进一步的研究来确定，这是否是一个区域特征，或者可能是由于VAISALA系统偶尔将云闪事件误判为正地闪所致。为了避免正极性地闪数据被污染，Naccarato和Pinto Jr.（2009）在巴西东南部通过BrasilDAT收集的数据进行正极性地闪分析时，忽略了小峰值电流的闪电数据。然而，在这项工作中，所有电流值的闪电都应在极性分析中被考虑。
图5显示了以10 kA为间隔的峰值电流的对数正态分布。我们可以观察到，最高的值属于10-20 kA的等级间隔。这些电流峰值略高于Jerauld等人（2005）发现的相应值。我们数据的中位数为42 kA，平均值为49 kA，标准差为35 kA。这些值与Pinto Jr（2008）在巴西东南部的一个闪电监测塔测得的值相似。
尽管VAISALA LPATS IV用户指南手册不建议使用所谓的超级闪电数据，即记录在250 kA以上的闪电峰值电流，我们只是进行了额外的分析，并获得以下结果。
分析了包含峰值电流大于250kA的闪电事件的单独数据集，显示了如图6中的分布。对于这些闪电，观察到负地闪的频率更高、强度更大。记录的最大正负峰值电流被视为异常值，且未显示在柱状图上。如预期的那样，两种极性的闪电数量都随电流强度增加而衰减，并保持在如图5中观察到的相同特性。
4.结论
我们分析了2006年10月至2008年12月在亚马逊东部区域，SIPAM LDN记录的一个约700万次闪电事件的数据集。
绘制了这些闪电事件的闪电极性和峰值电流强度，以及空间和时间分布图，以寻求保护电力系统的方法，以防设施遭到雷击。
闪电的空间分布显示了三个高密度的区域，分别是：贝乐姆市的南面、托坎廷斯州的北部和圣路易斯湾的内陆，简单的给出了地闪发生率较高的位置。
在所研究的矩形大面积区域上，CG发生密度高达11次/km2/年。由于其传感器空间配置，系统的检测效率计算在50％到80％之间，该值可能低于其实际值。
每小时闪电事件分布表明，一天中最大可能出现闪电的时间为15至20小时。在一天中的这些时间里，如果想将雷电危害降到最低，应避免对电力系统进行外部操作。
在被分析的闪电中，93%的闪电的峰值电流低于100 kA。剩下的7%被确定在100至250 kA之间，与世界其他地方的统计数字相比，这是一个很高的比例。约九千次闪电峰值电流超过250 kA，占分析数据集的0.13%。由于这些闪电是由系统的五个或六个传感器检测到的，它们应被分开进行额外的处理。这些区域的地闪首次雷击电流的中值确定为42 kA，平均值为49 kA。这些数值在文献中被认为是很大的，但与其他学者在巴西东南部的一个仪表塔上测得的数值是一致的。
这项工作提供了有关亚马逊地区地闪特征的有用信息，在保护该地区的生命和财产时，应考虑这些特征。
参考文献：
Almeida, A.C., Rocha, B.R.P., Souza, J.R.S., Monteiro, J.H.A., Saacute;, J.A.S., 2010. Cloudto-ground lightning observations over the eastern Amazon Region: subsidies for the protection of electric systems. Proceedings of 30th International Conference Lightning Protection-ICLP 2010. Cagliari, Italy.
Betz, H.-D., Schmidt, K., Oettinger, W.P., 2008. LINET — an international VLF/ LF lightning detection network in Europe. In: Betz, H.-D., Schumann, U., Laroche, P. (Eds.), Lightning — Principles, Instruments and Applications. Springer-Verlag, Dordrecht, NL. ch. 5.
Biagi, C.J., Cummins, K.L., Kehoe, K.E., Krider, E.P., 2006. National Lightning Detection Network NLDN) performance in southern Arizona. J. Geophys. Res. 112, D05208. doi:10.1029/2006JD007341.
Bourscheidt, V., Pinto Jr., O., Naccarato, K.P., Pinto, I.R.C.A., 2009. The influence of topography on the cloud-to-ground lig
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资料编号：[18895]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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