高电压技术 第３７卷第７期２０１１年７月３１日
Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．７，Ｊｕｌｙ
３１，２０１１基于雷电定位数据的雷电流参数随海拔变化规律
李永福１，司马文霞１，陈 林１，杨 鸣１，覃彬全２
（１．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆４０００３０；
２．重庆市防雷中心，重庆４０１１４７
）摘 要：雷电流参数是输电线路设计和改造必不可少的基础参数，为进行雷电参数和雷电规律的统计，以国内某地区２００７—２０１０年雷电定位数据为基础，
利用全球数字高程数据填补了雷电定位数据中缺乏的海拔信息，研究了雷电流幅值、地闪密度、正闪比例等雷电流参数随海拔增加的变化规律。研究表明：由于受到了雷暴云云底离地高度随海拔增大而降低和山区上行雷雷电流幅值普遍偏小等因素影响，正闪和负闪雷电流幅值均随着海拔的增加有所降低，
并进一步得到了其均值对数随海拔变化的线性拟合关系式；负极性地闪密度随海拔的上升有大幅下降，高海拔区域负极性地闪密度仅为低海拔地区的１／３，而正极性地闪密度随着海拔的上升却有较大增加；随着海拔的上升，
正闪在总闪的比例有明显增大，增幅高达３倍；另外，水域对于雷电流相关参数影响较为显著，这可能是造成文中低海拔区域某些雷电参数与高海拔地区呈现出不同规律的原因之一。
关键词：海拔；ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ数据；雷电流幅值；地闪密度；正闪比例；水域中图分类号：ＴＭ８６３
文献标志码：Ａ
文章编号：１００３－６５２０（２０１１）０７－１６３４－
０８基金资助项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２００９ＣＢ７２４５０４
）。Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（９７３Ｐｒｏｇ
ｒａｍ）（２００９ＣＢ７２４５０４）．Ｌａｗ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ
Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ＥｌｅｖａｔｉｏｎＢａｓｅｄ ｏｎ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＤａｔａＬＩ Ｙｏｎｇ－ｆｕ１，ＳＩＭＡ Ｗｅｎ－ｘｉａ１，ＣＨＥＮ Ｌｉｎ１，ＹＡＮＧ Ｍｉｎｇ１，Ｑ
ＩＮ Ｂｉｎ－ｑｕａｎ２（１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＆Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ａｎｄ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
４０００３０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
４０１１４７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｇｌｏｂａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄａｔａ ｉｎｓｏｍｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，ｆｒｏｍ ２００７ｔｏ ２０１０．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｅ ａｌｓｏ ａｄｏｐｔｅｄ ３Ｄｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄａｔａ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ
ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｇｒｏｕｎｄ ｆｌａｓｈ ｄｅｎｓｉｔｙ（ＧＦＤ）ａｎｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｕｎｄｅｒｓｔｏｒｍ ｂａｓｅ ａｂｏｖｅ ｇｒｏｕｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｕｐｇｏｉｎｇ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｌｏｗ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎｓ，ｓｏ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉ－ｔｕｄｅｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ ａｎｄ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａ－ｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｇａｒｉｔｈｍ ｏｆ ｍｅａｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｉｓ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｂｙ ｆｉｔｔｉｎｇ ｌｉｎｅｓ．Ｇｒｏｕｎｄ ｆｌａｓｈ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｏｆ ｎｅｇａ－ｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｓｈａｒｐｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ＧＦＤ ｏｆ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ ｉｎ ｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｒｅ－ｇｉｏｎ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｏｎｌｙ
１／３ｏｆ ＧＦＤ ｏｆ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ ｉｎ ｌｏｗ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｒｅｇｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｒｙ，ＧＦＤ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ ｉｎ－ｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｌａｓｈｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓｂｙ ３００％．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｗａｔｅｒ ａｒｅａ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｂｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇ
ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｌｏｗ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｒｅｇｉｏｎｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｖａｔｉｏｎ；ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ；ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ；ｇｒｏｕｎｄ ｆｌａｓｈ ｄｅｎｓｉｔｙ；ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅｆｌａｓｈ；ｗａｔｅｒ
ａｒｅａ０ 引言
雷电参数和雷电规律的统计是指导输电线路防
雷设计、改造和研究雷电特性的基础［１－
３］，在电力系
统形成的初期，雷电相关参数规律的研究就引起了
国内外学者的广泛关注［４］
。在早期，由于测量技术
的限制，雷电参数统计数据的主要来源限于气象观测站和少量布置于不同地区高塔上的雷电记录仪
（如磁钢棒等）［５－
６］，由此获得的早期雷电活动规律和
基本参数，如雷电日、雷电流波形和幅值等，为各等级输电线路的设计和改造提供了重要参考，但由于布置于高塔的雷电记录仪器获得数据较为困难（仅能记录击于杆塔之上或附近的地闪），数据记录较少且不全面，其推导出来的雷电参数和活动规律较为粗糙。实际运行经验表明，
以传统雷电参数和雷电规律为基础设计和改造的输电线路防雷效果并不完
４
３６１
全令人满意，尤其在超特高压输电线路，雷击跳闸已经成为引起跳闸的主要原因［７－８］，雷击绕击跳闸率也普遍超过计算值［９］。
近年来，随着雷电远程定位理论的成熟和雷电监测网的初步形成［１０－１２］，雷电的监测和记录也得到了质的飞跃，各类雷电属性记录更加完备、雷电定位更加精确、雷电记录更加全面。国内外学者应用数理统计、数据挖掘等方法对近年来各地雷电监测网积累的海量雷电定位数据统计挖掘，得到了更为丰富的雷电研究资料，并对各类雷电参数和雷电规律进行了修正。文［１３］以广东省雷电定位系统为例，结合超特高压输电线路耐雷评估模型，研究了基于雷电定位数据的超特高压输电线路耐雷性能评估方法；文［１４］统计了１９８９—１９９８年美国雷电监测网历史数据，得到了美国平均闪电密度、闪电频数、年雷暴时数等雷电关键参数；文［９］利用雷电定位数据研究了雷电流幅值的分布特征，指出ＩＥＥＥ推荐拟合公式较规程公式更符合我国雷电流幅值分布情况；文［１５］对日本１９９２—１９９５年雷电定位数据分析发现，雷击次数与雷电日关系随季节的变化而变化，难以用简单公式来表达；文［１６］基于数据挖掘方法，对雷电流幅值随海拔的变化规律进行了初步探索，但由于其研究区域海拔跨度较小、雷电数据时空范围较小、未计入纬度影响等原因，研究成果中雷电流幅值与海拔变化关系并不明显。
而早期研究表明，雷电流幅值和地闪密度与海拔因素密切相关［１，４］。本文以国内某地区２００７－０４—２０１０－０８雷电监测网历史数据（以下简称２００７—２０１０年数据）为基础，利用全球数字高程（海拔）３０ｍ精度数据ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ，基于ＧＩＳ软件对地闪点的海拔信息进行了补充，系统地研究了海拔对雷电流幅值、地闪密度、正负闪比例等输电线路耐雷评估和雷电预警关键参数的影响。
１ 数据来源
１．１ 雷电监测网
我国雷电定位系统始建于２０世纪８０年代末，为引进于美国的基于定向和时差综合定位法的雷电定向定位设备，９０年代初随着第１套国产雷电定位系统在安徽成功运行，我国雷电监测网开始进入全面布网阶段，至２００６年已形成了覆盖全国电网和绝大部分国土面积的全国雷电监测网［１２］。目前，在此基础上，各省市电力和气象部门积累了多年海量的雷电历史监测数据。
本文研究区域为西部某地区，面积达８万余ｋｍ２，其市内的５个探测站和临近接壤省市的１１个
探测站构成了该地区的雷电监测网，完整地覆盖了该地区，雷电探测站分布如图１所示
。
图１ 雷电探测站及海拔高度分布示意图Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ
１．２ 海拔数据获取
国内雷电监测网所记录地闪位置信息只包含地闪点的二维坐标（经纬度），缺乏地闪点的海拔数据［１２］，故本文将首先对雷电定位数据进行海拔数据的补充。大范围的海拔数据目前主要通过全球数字高程数据获得，主要包括ＧＴＯＰ０５、ＧＴＯＰ０３０、ＧＬＯＢＥ、ＳＲＴＭ、ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ等数据集［１７］，其具体信息如表１所示。其中ＳＲＴＭ和ＡＳＴＥＲＧＤＥＭ分别为航天飞机和卫星测量，精度较高，水平精度均达到了３０、９０ｍ（考虑到安全因素，ＳＲＴＭ数据中国区域只公布了９０ｍ精度数据），并被广泛应用于能源勘探、自然资源保护、环境管理等领域。ＳＲＴＭ数据在测量时由于天气等因素，部分区域出现了少量空白，虽然可以通过数学方法进行修正，但其整体精确度受到了一定影响［１８］。
本文采用目前最新的ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ数据集，ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型）是美国航天局（ＮＡＳＡ）与日本经济产业省（ＭＥＴＩ）于２００９－０６－３０共同推出的目前最新的、覆盖面最广的、精度最高的全球电子地形数据。其根据ＮＡＳＡ的新一代对地观测卫星ＴＥＲ－ＲＡ的详尽观测结果制作完成，覆盖了范围为北纬８３°到南纬８３°之间的所有陆地区域，垂直精度达２０ｍ，水平精度达３０ｍ，研究区域ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ海拔分布如图１所示。
由图１可知，ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ数据较为完整，研
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３
６
１
李永福，司马文霞，陈 林，等．基于雷电定位数据的雷电流参数随海拔变化规律
表１ 全球数字高程数据
Ｔａｂ．１ Ｇｌｏｂａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｄａｔａ
数据集水平分辨率垂直精度
ＤＣＷ １：１，０００，０００ １ｋｍ间距等高线
ＧＴＯＰ０５ １０′、５′随数据源变化
ＧＴＯＰ０３０ ３０″１６０ｍ
ＧＬＯＢＥ ３０″变化
ＳＲＴＭ ３０ｍ、９０ｍ１６ｍＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ ３０ｍ２０ｍ
究区域内基本上不包含空白和异常数据，且地形细节表现较好，与实际地貌相近。本文研究区域经度跨度约为５°，纬度跨度约为４．５°，海拔范围为＋８０余ｍ～＋２７００余ｍ，西部地区主要为海拔较低的平原地带，海拔较高的高山地区则主要分布于研究区域的东北方向，主要面积集中于海拔１００～２０００ｍ，占全部面积的９８．６３％，海拔２０００ｍ以上的区域较少，仅有１０００余ｋｍ２，如图２所示。
２ 结果及分析
雷电流幅值主要受到海拔、纬度、地形、土壤电阻率、空气离子浓度等因素影响［４，１９］，其中影响较为显著的因素为海拔和纬度两类，由于本文研究区域纬度跨度较大，为获得较为准确的海拔影响关系，需要对雷电流幅值进行纬度修正。考虑到研究区域主要集中于北纬３０°附近，故采用如下公式对不同纬度雷电流幅值进行修正［１］
Ｉ３０＝Ｉ×１０－１０．６７×１０－３（３０－λ）。（１）式中，Ｉ为修正前地闪点雷电流幅值，ｋＡ；λ为地闪点纬度；Ｉ
３０
为修正到纬度３０°后的雷电流幅值，ｋＡ。
雷电定位数据统计分析的前提是网格的划分和网格大小的选择，考虑到网格划分覆盖的完整性和划分的简洁性，国内外学者大多使用矩形网格均匀划分研究区域，但目前网格大小的选择国内外还没统一标准［１４，２０］，一般考虑到网格统计数据和气象观测站历史数据的对比，在统计雷电日、雷电小时等参数时常采用经纬度跨度为０．２°左右（气象观测站监听范围）的矩形［２０］，但由于本文研究中并不存在需要与气象类历史数据进行比较的问题，而且研究区域地形起伏较大，海拔高度随经纬度变化较为明显，网格较大的分析方法明显不适用。为获得更为准确的分析结果，本文采用小网格方法，网格大小设置为ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ全球高程数据的水平精度３０ｍ，海拔统计步长为５０ｍ。
２．１ 海拔对雷电流幅值影响
由于海拔步长较小，
为保证每个海拔统计区间
图２ 面积分布图
Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｅａ
内有充足的样本量，对２００７—２０１０年数据作为一个整体所得到的统计数据进行分析和拟合：基于地理信息系统（ＧＩＳ）软件提取ＡＳＴＥＲ ＧＤＥＭ栅格数据集中每条雷电定位数据中的海拔信息［２１］，得到雷电数据的三维空间信息，由于该数据集中水平精度已达到了３０ｍ，远远超过了雷电定位系统精度（＜１ｋｍ）［１２］，原始海拔提取数据已完全符合分析的精度要求，所以在提取过程中并未采用插值方法对地闪点海拔进行进一步估计，以免引入由插值产生的不确定误差；采用经验公式（１）对每条雷电定位记录的雷电流幅值进行纬度修正；以５０ｍ为步长统计每个海拔区间内雷电流幅值均值对数，其结果如图３～５所示，分别为总闪（正闪与负闪之和）、正闪、负闪电流幅值均值对数与海拔高度间关系。
由图３可知，总闪雷电流幅值均值对数与海拔的关系大致可分为两个区间，当海拔小于２５０ｍ时，总闪电流幅值均值对数随着海拔的上升而增加，即总闪电流幅值在此区间内随海拔的增加有上升趋势；第二区间位于海拔３００～２７００ｍ，整个区间内雷电流幅值均值对数呈线性下降趋势，即总闪电流幅值随着海拔的增加而下降，尤其是在３００～２０００ｍ范围内，该趋势十分明显，在２０００～２７００ｍ内，由于该海拔范围内面积急剧减少（如图２所示），统计样本的不足，造成总闪雷电流幅值均值对数在该范围内波动较大，但雷电流幅值均值对数还是呈现出了良好的下降趋势，进一步基于最小二乘法对３００～２７００ｍ区间的数据进行线性拟合，得到红色拟合直线，拟合公式为
ｌｇＩｍｅａｎ＝１．６１１６２－５．４５４９４×１０－６ Ｈ。（２）式中，Ｈ为海拔高度，单位ｍ；Ｉ
ｍｅａｎ
为总闪雷电流幅值均值，单位ｋＡ，以下同。
与图３类似，图４中正闪雷电流幅值均值对数
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３
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１高电压技术 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１１，３７（７）
图３ 海拔与总闪电流幅值均值对数关系Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｇａｒｉｔｈｍ ｏｆｍｅａｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｆｌａｓｈ
整体随海拔的增加呈现出了较为明显的下降趋势，即随着海拔的上升正闪雷电流幅值逐渐降低，同样在海拔区间的两端，大约为＜１５０ｍ和＞２４００ｍ的海拔范围，数据波动较大，其原因为海拔范围的两端统计面积的减少造成了雷电流统计样本的缺乏，使得统计结果不够稳定。对于波动较小，统计样本充足的区间进行线性拟合，得到正闪雷电流幅值均值对数ｌｇＩ＋
ｍｅａｎ
和海拔Ｈ的关系为
ｌｇＩ＋ｍｅａｎ＝１．７８３５５－１．２６４８８×１０－５ Ｈ。（３） 如图５所示，海拔与负闪雷电流幅值均值对数ｌｇＩ＋ｍｅａｎ关系同样可分为两个区间，在＜２５０ｍ的区域，雷电流幅值均值对数随着海拔的增加有很强的上升趋势，相应的雷电流幅值随海拔的增加而增加；海拔＞２５０ｍ为第２区间，在该区间内，趋势恰与第一区间趋势相反，雷电流幅值均值对数随海拔的增加呈现出了下降趋势，即负闪雷电流幅值随着海拔的增大而下降（＞２０００ｍ后由于统计面积的减少，统计样本不足，造成了较大的波动），其线性拟合公式为
ｌｇＩ－ｍｅａｎ＝１．６１５０４－１．７４６１４×１０－５ Ｈ。（４） 上述分析可知，雷电流幅值和海拔关系密切，无论是总闪、正闪还是负闪，其均值对数在＞２５０ｍ的海拔高度范围内均体现出了较好的线性下降关系，由于负闪占总闪比例＞８０％［２２－２３］，所以总闪和负闪雷电流幅值均值对数随海拔变化趋势基本一致。而正、负闪雷电流幅值均随着海拔高度的增加而减小，这与雷暴云云底在海拔较高地区离地高度较平原低和山区上行雷较平原地区多有关。如图６所示，为典型雷暴云结构，其负电荷主要分布于雷暴云底部，在底部中央存在少量的正电荷，而大量的正电荷则分布于雷暴云顶，当雷暴云中正电荷或负电荷与大地之间的电场强度达到临界击穿场强时，雷
暴云和
图４ 海拔与正闪电流幅值均值对数关系Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｇａｒｉｔｈｍ ｏｆ
ｍｅａｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｌａｓ
ｈ
图５ 海拔与负闪电流幅值均值对数关系Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｇａｒｉｔｈｍ ｏｆ
ｍｅａｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｌａｓ
ｈ
图６ 雷暴云位置示意图
Ｆｉｇ．６ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｔｈｕｎｄｅｒｓｔｏｒｍ
大地之间将会产生梯级先导，梯级先导在云地强电场下继续发展，直至与迎面先导相遇，进而引起地闪放电［３］。在高海拔地区由于雷暴云的离地高度会较低海拔地区有所减小，雷暴云与地面的临界击穿场强因离地高度的减小会更容易达到，在大量电荷形成之前雷暴云电荷和大地之间就已达到临界击穿场强，因此随着海拔高度的增加负闪雷电流幅值会有
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李永福，司马文霞，陈 林，等．基于雷电定位数据的雷电流参数随海拔变化规律
显著下降；而大部分正电荷位于雷暴云上层，雷暴云在发展过程中由于受到对流层顶的限制，云顶会在水平方向向四周扩散形成“云砧”［２４］，而云顶由于仍处于对流层顶附近，垂直高度不会随海拔的变化而出现较大变化，位于层顶的大量正电荷离地高度的变化相对较小，所以正闪雷电流幅值受到海拔因素的影响较小，正闪雷电流幅值均值对数拟合曲线斜率绝对值小于负闪拟合曲线，正闪雷电流幅值随海拔升高的减小速率较负闪小（如表２所示）。其次，由于海拔较高地区多为山区地带，在山区中上行雷比例要比同纬度平原地区更大，而上行雷的雷电流幅值普遍小于下行雷，因此这也在一定程度上造成了雷电流幅值随海拔高度增加而减小这一趋势［１，４］。
表２ 拟合结果
Ｔａｂ．２ Ｆｉｔｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ
参数斜率截距总闪雷电流幅值－５．４５４９４×１０－６ １．６１１６２
正闪雷电流幅值－１．２６４８８×１０－５ １．７８３５５
负闪雷电流幅值－１．７４６１４×１０－５ １．６１５０４
２．２ 海拔对地闪密度影响
地闪密度是表征雷暴云对地放电频繁程度的重要参数，在早期，由于地闪密度无法直接通过测量得到，一般通过雷电日和经验公式来间接推导其值［４］。近年来各国雷电监测网逐渐成形，Ｍ．Ｓｕｚｕｋｉ提出地闪密度可直接用雷电定位系统测量的落雷次数除以受雷面积得到［２５］。参照２．１节分析方法，选用３０ｍ×３０ｍ矩形网格对研究区域正极性、负极性和总（正极性和负极性）的地闪密度与海拔关系进行了研究，结果如图７～９所示。
同样由于负闪在总闪比例中比例较大，总地闪密度和负极性地闪密度随海拔变化规律相似，均呈现出三段式变化规律，在海拔＜３００ｍ，总地闪密度和负极性地闪密度随着海拔的上升而增加，在３００ｍ左右达到极大值，其分别达到了３．９８４次／（ｋｍ２·ａ）和３．８７７次／（ｋｍ２·ａ）；在３００～２２００ｍ海拔高度范围内，地闪密度随着海拔高度的上升而开始下降，在２２００ｍ时总地闪密度和负极性地闪密度分别减小到了１．３６８次／（ｋｍ２·ａ）和１．２７６次／（ｋｍ２·ａ），仅为低海拔地区负极性地闪密度的１／３；在＞２２００ｍ海拔区间，总地闪密度和负极性地闪密度又呈现出了上升趋势。
正极性地闪密度变换规律则较为简单，其值在统计海拔区域范围内均随着海拔高度的上升而
增
图７ 海拔与总地闪密度关系
Ｆｉｇ．７ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ
ｆｌａｓｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｆｌａｓ
ｈ
图８ 海拔与正极性地闪密度关系
Ｆｉｇ．８ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ
ｆｌａｓｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ
加，从５０ｍ左右的０．０８７４次／（ｋｍ２·ａ）增加到２５００余ｍ的０．１７４０次／（ｋｍ２·ａ），高海拔地区地闪密度几乎为低海拔地区地闪密度的２倍。
２．３ 海拔对正负闪比例影响
２００７—２０１０年正闪数占总闪数比例与海拔高度关系如图１０所示，在海拔＜２５０ｍ时，正闪比例从平均海拔９０余ｍ的４．６％随着海拔高度的上升下降到极小值２．５％（平均海拔约为２７０ｍ），当海拔继续上升时，正闪比例逐渐增大，到２３００ｍ左右时甚至达到了１０．８８％，为正闪比例极小值２．５％的４倍。
３ 讨论
由第２章分析可知，海拔对雷电流幅值、地闪密度、正闪比例的影响较为显著，但往往在低海拔区域（＜２５０ｍ），雷电流参数统计结果却与海拔＞２５０ｍ区域的雷电参数统计结果规律不同，如前章研究中
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１高电压技术 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１１，３７（７）
图９ 海拔与负极性地闪密度关系
Ｆｉｇ．９ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ
ｆｌａｓｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｌａｓｈ
的负闪雷电流幅值均值对数、正闪比例等。本文认为一方面是因为海拔＜２５０ｍ区域面积较少，统计样本的缺乏对统计结果的精度有一定影响，另外一方面可能是雷电流相关参数除了纬度之外还存在其他影响显著的因素，而本文研究区域中江河湖泊较多，水域面积较大，所以本文中低海拔区域与海拔较高区域统计结果相异的原因之一可能来自于水域的影响。
图１１为本文研究地区海拔２５０ｍ及以下区域，显然，海拔０～２５０ｍ的低海拔区域与研究区域内江河的位置和形状比较相符，海拔２５０ｍ及以下区域基本上均位于江河的周围，所以本文认为，海拔＜２５０ｍ与海拔＞２５０ｍ区域雷电流统计参数之所以呈现出不同的规律，第２个原因可能源于雷暴云在形成和放电过程中水域和陆地在水汽的提供、土壤电阻率等方面的差异。
另外，目前输电线路防雷设计与改造中，大多采用负极性雷作为防雷参考，而由本文分析可知，在高海拔地区，正极性地闪密度较低海拔地区更大，正闪比例也随着海拔高度的增加而有显著增大，所以在今后的高海拔输电线路设计、改造中，应适当考虑正极性雷对输电线路雷电屏蔽的影响。
４ 结论
１）由于雷暴云云底离地高度随海拔的增加而降低，使得在高海拔地区在大量电荷积聚之前云地之间已经达到临界击穿场强；海拔较高的山区上行雷较平原地区比例更大，而上行雷电流幅值一般较低，所以正负闪雷电流幅值随着海拔的增加而降低。较正闪来说，由于雷暴云负电荷离地高度随海拔变化更为明显，负闪雷电流幅值这种减小趋势更为显著。
２）正极性地闪密度随着海拔的上升而增加，
高
图１０ 海拔与正闪比例关系
Ｆｉｇ．１０ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｌａｓ
ｈ
图１１ 海拔２５０ｍ及以下区域
Ｆｉｇ．１１ Ｒｅｇｉｏｎｓ ｂｅｌｏｗ ２５０ｍ
海拔地区地闪密度约为低海拔的２倍；负极性地闪密度随海拔的上升而降低，高海拔地区地闪密度约为低海拔地区的１／３。
３）正闪在总闪中比例随着海拔的增加而上升，本文中高海拔正闪比例比低海拔地区高出３倍。
４）水域对雷电流幅值、地闪密度、正闪比例影响明显，在＜２５０ｍ的江河区域，雷电流三类参数均表现出了与＞２５０ｍ的非水域区域不同特性。
５）高海拔输电线路设计中，应当注意到正极性雷对输电线路雷电屏蔽的影响。
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李永福
１９８６—，
男，博士生目前在重庆大学“输配电装备及系统安全与新技术”国家重点实验室攻读博士学位。主要从事输电线路防雷方面的研究Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｑｕｌｉｙｆ＠ｃｑ
ｕ．ｅｄｕ．ｃ
ｎＳＩＭＡ Ｗｅｎ－
ｘｉａＰｈ．Ｄ．，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ
司马文霞
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女，博士，教授，博导主要从事电力系统的防雷与过电压防护研究、特殊环境中外绝缘放电特性及机理的研究
Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｑｓｍｗｘ＠ｃｑ
ｕ．ｅｄｕ．ｃ
ｎＣＨＥＮ ＬｉｎＰｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ
陈 林
１９８０—，
男，博士生，讲师目前在重庆大学“输配电装备及系统安全与新技术”国家重点实验室攻读博士学位。研究领域为无线通信系统、雷电定位监测等Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｌｉｎ＠ｃｑ
ｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期 ２０１１－０４－２０ 修回日期 ２０１１－０６－２５ 编辑 曹昭君
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