黎 奇, 郭鳳霞, 王文博， 夏 欣， 劉 澤, 甘明駿, 張 坤, 蔡彬彬

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 南京 210044)

0 引 言

雷電可對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失[1-3]。隨著雷電災(zāi)害造成的影響越來越不容忽視，研究雷電活動(dòng)(尤其是地閃特征)的重要性日益得到認(rèn)可。掌握雷電活動(dòng)特征對(duì)雷電防護(hù)和危險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)都有重要作用。

西北地區(qū)處于內(nèi)蒙古高原、黃土高原和青藏高原這3大高原的交匯處，區(qū)域內(nèi)的地形復(fù)雜，海拔起伏比較大，高原、山脈、盆地和平原等分布較為廣泛，是強(qiáng)對(duì)流性天氣的多發(fā)地帶。其西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)已成為我國(guó)大氣電學(xué)研究野外觀測(cè)的4個(gè)典型地區(qū)。自20世紀(jì)80年代以來，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過雷暴地面電場(chǎng)反演推斷和多站同步閃電電場(chǎng)變化測(cè)量等多種技術(shù)手段，研究?jī)?nèi)陸高原地區(qū)的雷暴活動(dòng)特征。根據(jù)過頂雷暴的地面電場(chǎng)演變特征，內(nèi)陸高原地區(qū)雷暴可以分為特殊型和常規(guī)型兩類。特殊型雷暴在當(dāng)頂階段地面電場(chǎng)呈正極性，即雷暴下部存在范圍較大的正電荷區(qū)(LPCC)，特殊型雷暴所占比例隨海拔高度的增加有所增加；常規(guī)型雷暴在當(dāng)頂階段地面電場(chǎng)為負(fù)極性，與低海拔地區(qū)常規(guī)雷暴引起的地面電場(chǎng)類似[4]。Qie等[5]發(fā)現(xiàn)青海東部地區(qū)的雷暴云正電荷和負(fù)電荷均可控制地面電場(chǎng)，并指出中國(guó)內(nèi)陸高原正地閃的比例為16%～25%。西北內(nèi)陸高原地區(qū)的雷暴云具有三極性電荷結(jié)構(gòu)，且雷暴云底部的正電荷區(qū)比常規(guī)三極性電荷結(jié)構(gòu)底部的正電荷量大、分布廣[6]。

早期在西北內(nèi)陸高原的西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)進(jìn)行的觀測(cè)和研究，主要是針對(duì)這些地方的雷暴。目前，尚未有研究比較過這4個(gè)地區(qū)的閃電特征。所以很有必要對(duì)這4個(gè)地區(qū)的地閃活動(dòng)特征進(jìn)行對(duì)比分析?；诖?，本研究對(duì)這4個(gè)地區(qū)的地閃活動(dòng)特征進(jìn)行分析比較，這有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)這4個(gè)地區(qū)正、負(fù)地閃活動(dòng)的異同。此外，閃電的類型取決于電荷結(jié)構(gòu)，因此這一研究也有助于我們結(jié)合其他分析對(duì)這4個(gè)地區(qū)電荷結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

1 資料與研究區(qū)域

1.1 資料簡(jiǎn)介

中國(guó)自動(dòng)地閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，開始時(shí)以引進(jìn)國(guó)外地閃定位設(shè)備為主[7]。進(jìn)入90年代后，國(guó)產(chǎn)的閃電定位系統(tǒng)也開始投入業(yè)務(wù)應(yīng)用[7]。國(guó)內(nèi)的地閃定位測(cè)站分布在氣象、電力、電信、民航和部隊(duì)等部門。監(jiān)測(cè)網(wǎng)基本上用于局地的雷電監(jiān)測(cè)，尚未覆蓋全國(guó)。見圖1，2017年底中國(guó)氣象局的地閃監(jiān)測(cè)站點(diǎn)比2009年的明顯增加[8-9]，覆蓋的國(guó)土面積更廣，在青海、內(nèi)蒙古、黑龍江等地增加不少，西藏和新疆兩地實(shí)現(xiàn)了從無到有的變化。此外，分布明顯表現(xiàn)為東部多于西部、南方多于北方。近幾年，中國(guó)氣象局將局地地閃監(jiān)測(cè)網(wǎng)的信息進(jìn)行匯總得到全國(guó)陸地區(qū)域的閃電分布情況，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了雷電信息全國(guó)共享，為我國(guó)雷電信息統(tǒng)計(jì)分析和雷災(zāi)預(yù)防預(yù)警提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 2009、2017年中國(guó)陸地區(qū)域地閃監(jiān)測(cè)站數(shù)量情況Fig.1 Number of CG monitoring stations in China continental area in 2009 and 2017

中國(guó)氣象局地閃監(jiān)測(cè)網(wǎng)中使用的閃電定位系統(tǒng)ADTD，是由中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制，采用時(shí)差法和定向時(shí)差聯(lián)合法對(duì)地閃進(jìn)行定位。單站的探測(cè)范圍為150 km，其探測(cè)效率可達(dá)到80%～90%，定位精度500 m[10]。單站的平均運(yùn)行率2009年約為89.37%，而2017年為95%以上[8-9]。觀測(cè)的信息為閃擊記錄，具體為閃擊發(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度、強(qiáng)度、極性、陡度、定位方式以及省、市、縣。

1.2 資料處理

筆者選用了2016年1月1日到2018年12月31日全國(guó)陸地范圍內(nèi)的地閃資料。首先將閃擊記錄轉(zhuǎn)換為閃電資料(稱之為歸閃)。歸閃指標(biāo)為一次地閃中的首次回?fù)襞c最后一次回?fù)糁g的距離在10 km內(nèi)、時(shí)間差在1 s內(nèi)，且相鄰回?fù)糁g的時(shí)間不超過0.5 s[11-12]。地閃的位置取所有回?fù)舻慕?jīng)緯度平均值，峰值為首次回?fù)舻姆逯?。歸閃同時(shí)，將電流值小于10 kA的正回?fù)羧サ?，防止云閃誤判為正地閃[11]。

1.3 研究區(qū)域選取

為了分析西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)鲞@4個(gè)地方的地閃特征，本研究選取了4個(gè)地區(qū)的經(jīng)緯度范圍，見表1。值得注意的是，4個(gè)地區(qū)的經(jīng)緯度范圍都包含了周邊區(qū)域，分析的實(shí)則是西北內(nèi)陸高原4個(gè)地區(qū)為中心的地閃特征。此外，由于選擇的4個(gè)地區(qū)范圍大小不一致，在比較和分析4個(gè)地區(qū)的地閃數(shù)量時(shí)，只比較變化趨勢(shì)特點(diǎn)，不比較地閃數(shù)量。

表1 4個(gè)地區(qū)的經(jīng)緯度信息Table 1 Longitude and latitude information of 4 regions

2 結(jié)果分析

2.1 4個(gè)地區(qū)地閃數(shù)量的日變化特征

見圖2(a)，西藏那曲地區(qū)正地閃呈單峰單谷分布，集中出現(xiàn)在14：00-24：00，高頻期為15：00-21：00。青海大通地區(qū)正地閃呈雙峰雙谷分布，主要集中在14：00-22:00，高頻期為16:00-19:00。甘肅蘭州地區(qū)正地閃呈雙峰雙谷分布，主要集中在14:00-22:00，高頻期為16:00-19:00，且4:00-9:00時(shí)段數(shù)量高于其他地區(qū)。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)閃電呈單峰單谷分布，主要集中在14:00-20:00，高頻期為15:00-19:00。比較4個(gè)地區(qū)的正地閃數(shù)量，西藏那曲、青海大通和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)均在18：00左右達(dá)到最大值，而甘肅蘭州則在19：00左右；達(dá)到最小值的情況為甘肅蘭州的最早，約為6：00左右，西藏那曲和甘肅平?jīng)龅膭t為其次，約11：00左右，青海大通的最晚，約12：00左右。由此可見，4個(gè)地區(qū)的正地閃達(dá)到峰值和谷值的時(shí)間略有差異。

圖2 2016-2018年4個(gè)地區(qū)的地閃數(shù)量的平均日變化Fig.2 Average diurnal variation characteristics of cloud-to-ground lightning (CG) numbers in the four areas from 2016 to 2018

見圖2(b)，4個(gè)地區(qū)的負(fù)地閃數(shù)量日變化大致呈現(xiàn)單峰單谷分布。西藏那曲地區(qū)的主要集中在13：00-23：00，高頻期為14：00-21：00。青海大通地區(qū)則主要集中在13：00-22:00，高頻期為15:00-20:00。甘肅蘭州地區(qū)主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-19:00。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-19:00。其中西藏那曲、青海大通和甘肅蘭州地區(qū)均在18：00 左右達(dá)到最大值，而甘肅平?jīng)鰟t在17：00左右；達(dá)到最小值的情況為甘肅蘭州的最早，約為6：00左右，而西藏那曲、甘肅平?jīng)龊颓嗪４笸ǖ募s11：00左右。

見圖2(c)，西藏那曲地區(qū)總地閃主要集中在12：00-24：00，高頻期為14：00-20：00。青海大通地區(qū)的主要集中在13：00-21:00，高頻期為15:00-20:00。甘肅蘭州地區(qū)則主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-20:00。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-20:00。4個(gè)地區(qū)的地閃數(shù)量日變化呈現(xiàn)單峰單谷分布，與負(fù)地閃的日變化趨勢(shì)基本一致，這是因?yàn)榈亻W中以發(fā)生負(fù)地閃為主，正地閃很少。

總的來看，4個(gè)地區(qū)地閃數(shù)量在15:00-19:00為高頻期，午夜和上午較少。這可能是由于高原地區(qū)在午后因輻射效應(yīng)而加熱，從而使地面溫度升高，加之高原地形的影響，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的形成有促進(jìn)作用。

見圖3(a)，西藏那曲地區(qū)正、負(fù)地閃占地閃的比率情況隨小時(shí)的變化不大，且正地閃的比率只占5%～20%。見圖3(b)，青海大通的正、負(fù)地閃占總地閃的比例隨小時(shí)變化明顯。上午溫度較低，其發(fā)生的正地閃比較多，而在午后，隨著溫度的上升，正地閃占總地閃的比例明顯下降。見圖3(c)，甘肅蘭州地區(qū)，特征與青海大通類似。見圖3(d)，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)，午后的正地閃發(fā)生比例要比12：00以前的大，這與圖3中其它3個(gè)地方的特征不同。

圖3 2016-2018年4個(gè)地區(qū)正、負(fù)地閃占總地閃的百分比平均日變化Fig.3 Average diurnal variation characteristics of the percentage of PCGs and NCGs in total CGs in the four areas from 2016 to 2018

2.2 4個(gè)地區(qū)地閃數(shù)量的月變化特征

為了更好地研究4個(gè)地區(qū)的地閃特征，將全國(guó)陸地區(qū)域的地閃密度情況也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。見圖4，整個(gè)陸地區(qū)域的閃電主要集中在5月-9月份，即對(duì)應(yīng)于春末秋初這個(gè)時(shí)間段[13]。這主要是因?yàn)?、5月份，夏季風(fēng)開始影響中國(guó)，在8月達(dá)到最強(qiáng)，所以8月是我國(guó)閃電活動(dòng)最強(qiáng)的月份。從9月開始，冬季風(fēng)從北方開始進(jìn)入我國(guó)，導(dǎo)致了閃電活動(dòng)的急劇減少，在11月份達(dá)到最低[13]。地閃以負(fù)地閃為主，正地閃很少，這與云內(nèi)電荷分布結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般而言，正電荷分布于云內(nèi)上部區(qū)域，而負(fù)電荷主要集中在中部，離地面更近，使得負(fù)電荷更易對(duì)地放電。此外，正地閃在冷的月份發(fā)生的比率更高,負(fù)地閃則相反。

圖4 2016-2018年中國(guó)陸地區(qū)域平均地閃密度及閃電類型百分比月變化Fig.4 Monthly variation of average CG densities and average lightning density percentage in China continental area from 2016 to 2018

由圖5(a)得，正地閃主要發(fā)生于6月-9月。西藏那曲和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的正地閃數(shù)量都呈雙峰值變化，西藏那曲地區(qū)在6月和9月達(dá)到峰值，而甘肅平?jīng)龅貐^(qū)正地閃在6月和8月達(dá)到峰值。青海大通和甘肅蘭州地區(qū)則為單峰值變化，均在8月達(dá)到峰值。

圖5 2016～2018年4個(gè)地區(qū)地閃數(shù)量的平均月變化特征Fig.5 Average monthly variation characteristics of CG numbers in the four areas from 2016 to 2018 (the same as Fig.2)

見圖5(b)，負(fù)地閃的主要發(fā)生月份與正地閃一致。4個(gè)地區(qū)的地閃數(shù)量基本上均為雙峰值變化，其西藏那曲地區(qū)最為明顯。除了在8月(西藏那曲為9月)達(dá)到峰值，6月為達(dá)到的另外一個(gè)峰值，這與圖4全國(guó)陸地的情況不一致。

總體來看，4個(gè)地區(qū)的總地閃均在11月-次年3月內(nèi)活動(dòng)較弱，而5月-9月為地閃高發(fā)期，其中8月地閃數(shù)量基本上最多，6月其次。地閃中以負(fù)地閃為主，正地閃的數(shù)量很少。這與整個(gè)中國(guó)陸地區(qū)域的總體特征一致而稍有差異，應(yīng)進(jìn)一步研究以加深認(rèn)識(shí)。

見圖6，正地閃占總地閃平均百分比情況為西藏那曲地區(qū)13.3%，青海大通地區(qū)17%，甘肅蘭州地區(qū)21.5%和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)26.4%。從西藏那曲到甘肅平?jīng)?，正地閃比例越來越大，這可能是地理環(huán)境和氣象條件等差異造成的。此外，4個(gè)地區(qū)都表現(xiàn)為越冷的月份，對(duì)應(yīng)的正地閃比例越高。

圖6 2016-2018年4個(gè)地區(qū)地閃數(shù)量的平均月變化特征Fig.6 Average monthly variation characteristics of CG numbers in the four areas from 2016 to 2018 (the same as fig.3)

2.3 4個(gè)地區(qū)地閃峰值電流的月變化特征

地閃過程是由下行梯級(jí)先導(dǎo)、回?fù)舻冗^程組成[14]。而回?fù)暨^程相比地閃的其它過程，其峰值電流大、釋放能量多，對(duì)電子行業(yè)和電力部門等造成的損害更大。地閃峰值電流是地閃中重要的參量之一。其在雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、感應(yīng)電壓計(jì)算、閃電定位和雷災(zāi)事故鑒定等方面都需要考慮。對(duì)4個(gè)地區(qū)的地閃峰值電流進(jìn)行初步的分析。見圖7，中國(guó)陸地區(qū)域正地閃平均峰值電流主要分布在50 kA～70 kA，負(fù)地閃的主要在35 kA～50 kA(絕對(duì)值)。

圖7 2016～2018年中國(guó)陸地區(qū)域地閃平均峰值電流(絕對(duì)值)月變化Fig.7 Monthly variation of CG average peak current (absolute value) in China continental area from 2016 to 2018

見圖8(a)，西藏那曲地區(qū)正地閃的平均峰值電流值為56.9 kA，最大值出現(xiàn)在1月，為95 kA，其次在8月和12月值較大。青海大通地區(qū)的平均值為34.8 kA，最大值出現(xiàn)在9月份。甘肅蘭州地區(qū)的平均值則為58.2 kA，3月-10月均較大，在50 kA～70 kA。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)平均值為68 kA，3月份達(dá)到峰值，11月份最小。

圖8(b)中，西藏那曲地區(qū)負(fù)地閃強(qiáng)度的平均值為43.7 kA，12月和1月較大，其他月份在30 kA～60 kA。青海大通地區(qū)的平均值為35.7 kA，3月閃電強(qiáng)度超過50 kA，其它月份在20 kA～30 kA。甘肅蘭州地區(qū)則平均值為38.4 kA，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)平均值為32.6 kA。整體來看，越冷的月份，負(fù)地閃峰值電流越大，反之。負(fù)地閃的峰值電流的此特征要比正地閃的(圖8(a))明顯。這與圖7相比，正、負(fù)地閃峰值電流的分布范圍都要比4個(gè)地區(qū)的小。

圖8 2016-2018年4個(gè)地區(qū)正、負(fù)地閃峰值電流(絕對(duì)值)月變化Fig.8 Monthly variation of average peak current(absolute value) of PCG and NCG in the four areas from 2016 to 2018

總體而言，4個(gè)地區(qū)的正地閃峰值電流在3月-11月的變化范圍為45 kA～90 kA，3月-5月(春季)較大，冬季幾乎沒有正地閃發(fā)生。而在12月-次年2月，只在西藏那曲地區(qū)有正地閃發(fā)生，其中1月高達(dá)95 kA。除8月和11月外，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的地閃峰值電流比其它3個(gè)地方的大，在50 kA～70 kA 范圍內(nèi)波動(dòng)。而4個(gè)地區(qū)的負(fù)地閃峰值電流，總體上都表現(xiàn)為越冷的季節(jié)其值越大。此外，結(jié)合圖5可得，負(fù)地閃雖頻次高于正地閃，但其峰值電流強(qiáng)度明顯小于正地閃的。

3 結(jié)論與討論

利用中國(guó)氣象局地閃監(jiān)測(cè)網(wǎng)中使用的閃電定位系統(tǒng)ADTD提供的2016-2018年全國(guó)陸地范圍的地閃資料，對(duì)西北內(nèi)陸高原中西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)鲞@4個(gè)地區(qū)地閃數(shù)量和峰值電流參數(shù)的時(shí)間變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：總地閃數(shù)量日變化呈單峰值分布，主要發(fā)生于15:00-19:00。發(fā)生月份主要在6月-9月，11月-次年2月很少。負(fù)地閃的變化規(guī)律與總地閃的變化規(guī)律基本一致，這是因?yàn)榈亻W以發(fā)生負(fù)地閃為主。4個(gè)地區(qū)的負(fù)地閃和總地閃達(dá)到峰值和谷值的時(shí)間基本一致，而4個(gè)地區(qū)的正地閃達(dá)到峰值和谷值的時(shí)間有些差異。此外，4個(gè)地區(qū)的正地閃峰值電流變化范圍為45 kA～90 kA，負(fù)地閃的為10 kA～50 kA，且正、負(fù)地閃峰值范圍均大于全國(guó)陸地區(qū)域的。具有差異的是甘肅平?jīng)龅貐^(qū)正地閃峰值電流達(dá)到最大值68 kA，青海大通地區(qū)達(dá)到最小值 34.8 kA；西藏那曲地區(qū)負(fù)地閃峰值電流達(dá)到最大值43.7 kA，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)達(dá)到最小值32.6 kA。

本研究考慮了地閃數(shù)量和地閃峰值電流等參量，對(duì)西北內(nèi)陸高原4個(gè)地區(qū)的地閃特征進(jìn)行分析，以期對(duì)此高原地區(qū)的地閃有更詳細(xì)的認(rèn)識(shí)。但所用的方法會(huì)帶來一定的誤差，主要來自以下3個(gè)方面：內(nèi)陸高原等地區(qū)，由于環(huán)境惡劣，地閃探測(cè)器布站少，可能會(huì)使捕捉到的地閃頻次少于實(shí)際發(fā)生的；由于地閃探測(cè)器只能觀測(cè)到地閃，沒有對(duì)云閃的情況進(jìn)行分析；ADTD探測(cè)效率有限，測(cè)到的往往是峰值電流比較大的地閃，這也會(huì)給結(jié)果造成一定的誤差。以上在后續(xù)研究還需要進(jìn)一步完善。