高 宇

(興安盟氣象局，烏蘭浩特 137400)

0 引言

閃電是強(qiáng)對(duì)流天氣過程中隨機(jī)發(fā)生的劇烈放電現(xiàn)象，高精度、高時(shí)空分辨力的閃電定位技術(shù)是強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測和預(yù)警的重要基礎(chǔ)。利用探測率高、準(zhǔn)確性更好的閃電定位監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)一定區(qū)域的閃電進(jìn)行時(shí)空分布特征分析，可以進(jìn)一步研究強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理，同時(shí)可以彌補(bǔ)天氣雷達(dá)探測距離受限、低仰角地物遮擋等缺點(diǎn)。目前，國內(nèi)對(duì)于閃電的監(jiān)測主要有VLF/LF型三維閃電定位系統(tǒng)[1]和ADTD型閃電定位系統(tǒng)[2]。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)閃電活動(dòng)特征進(jìn)行了分析，總結(jié)了一些區(qū)域性的閃電活動(dòng)規(guī)律：王娟[3]等分析了2009-2012年中國閃電分布特征，指出隨著季風(fēng)的推進(jìn)，閃電從南向北，從東向西逐漸增多，閃電密度呈明顯的地域性差異，華南地區(qū)、中東部地區(qū)及四川盆地為閃電密度的高值區(qū)；郭潤霞[4，5]等利用北京地區(qū)VLF/LF三維閃電監(jiān)測定位數(shù)據(jù)分析了北京地區(qū)總閃、云閃、地閃的時(shí)空分布特征和電流強(qiáng)度特征，并對(duì)典型降雹天氣過程的閃電活動(dòng)特征進(jìn)行了詳細(xì)分析；朱浩[6]等利用ADTD型閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析了安徽省云地閃密度與雷暴日的關(guān)系，重新計(jì)算了適合安徽省的云地閃密度與雷暴日數(shù)關(guān)系的擬合公式；陳宇[7]等分析了大連地區(qū)閃電活動(dòng)的特征，并依據(jù)模糊函數(shù)法綜合閃電頻次與雷擊電流，構(gòu)建了大連地區(qū)雷電危險(xiǎn)度綜合指數(shù)預(yù)測模型，并依據(jù)模型對(duì)典型雷擊災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)估。內(nèi)蒙古地區(qū)2010年開始布設(shè)ADTD型閃電定位系統(tǒng)，2013年8月之后有了較為完整的閃電定位數(shù)據(jù)。2014年1月，地面觀測中取消了雷暴、閃電等天氣現(xiàn)象記錄，人工記錄數(shù)據(jù)與儀器數(shù)據(jù)時(shí)間重合度低，無法完成人工觀測雷暴日與閃電定位系統(tǒng)雷電日的對(duì)比分析，因此文章主要分析了2014年之后ADTD型閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到的云地閃數(shù)據(jù)，以期從總體上認(rèn)識(shí)興安盟閃電活動(dòng)的時(shí)空特征，為后續(xù)研究不同強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴中的閃電特征和開展雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文章所用資料為2014-2020年內(nèi)蒙古ADTD型閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到興安盟境內(nèi)的地閃數(shù)據(jù)，各探測站監(jiān)測的閃電數(shù)據(jù)可以覆蓋興安盟全境。ADTD型閃電定位系統(tǒng)主要采用時(shí)差與磁定向法相結(jié)合的原理進(jìn)行云地閃探測，單站探測范圍為150 km，可以提供每次雷擊發(fā)生的位置、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、電流強(qiáng)度、陡度、定位誤差和定位方式等信息。

1.2 資料預(yù)處理

ADTD型閃電定位系統(tǒng)通過測量閃電回?fù)舢a(chǎn)生的電磁輻射場探測云地閃密度，實(shí)際易受到周圍電磁環(huán)境和地形地貌等多種因素的影響，導(dǎo)致探測結(jié)果具有不確定性。目前對(duì)內(nèi)蒙古ADTD閃電定位數(shù)據(jù)尚未進(jìn)行相關(guān)質(zhì)量控制措施，直接使用原始數(shù)據(jù)將影響研究和分析的精確性，文章主要通過剔除異常數(shù)據(jù)和小幅值雷電流數(shù)據(jù)對(duì)興安盟境內(nèi)的地閃資料進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.1 剔除異常數(shù)據(jù)

根據(jù)1964—2013年興安盟境內(nèi)8個(gè)國家觀測站月雷暴日數(shù)的統(tǒng)計(jì)，興安盟境內(nèi)的雷暴和閃電活動(dòng)主要發(fā)生在4—10月(高發(fā)期6—8月)，通過統(tǒng)計(jì)2014—2020年閃電定位系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，1月、2月、3月、11月、12月很多觀測日興安盟境內(nèi)只有單次地閃回?fù)粲涗?，相關(guān)研究表明[8]，閃電經(jīng)常與強(qiáng)對(duì)流過程同時(shí)出現(xiàn)，雷暴過程的強(qiáng)弱與地閃頻次呈現(xiàn)很好的相關(guān)性，當(dāng)天氣雷達(dá)監(jiān)測的回波強(qiáng)度不超過40 dBZ，回波頂高不超過6 km時(shí)，可認(rèn)為回?fù)羰怯捎谥車h(huán)境噪音和儀器自身原因造成的不可用記錄，文章在研究時(shí)將剔除此條記錄。

1.2.2 小幅值雷電流數(shù)據(jù)的處理

根據(jù)QX/T 405-2017《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)指南》中的要求，200 kA以上的雷電流出現(xiàn)概率很小且可能超出系統(tǒng)探測范圍，出錯(cuò)率也較高；2 kA以下的雷電流通常很難準(zhǔn)確探測，國內(nèi)電力系統(tǒng)基本下限在3 kA，而且閃電定位系統(tǒng)探測的小幅值正地閃可能受到云閃的干擾。因此文章研究時(shí)，剔除雷電流幅值在0～2 kA和200 kA以上的地閃數(shù)據(jù)，對(duì)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.3 研究方法

在分析地閃密度和強(qiáng)度空間分布特征時(shí)，采用核密度分析和克里金差值方法，使用1 km×1 km對(duì)興安盟區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化。在計(jì)算閃電日數(shù)時(shí)，當(dāng)1日中(前1日20:00至當(dāng)日20:00)興安盟境內(nèi)至少出現(xiàn)1次地閃即記錄1個(gè)雷電日。

2 時(shí)間分布

2.1 年變化特征

文章利用2014—2020年閃電定位儀監(jiān)測到的地閃數(shù)據(jù)，分析了近7 a興安盟地區(qū)閃電活動(dòng)特征(表1)。地閃數(shù)據(jù)中，負(fù)閃比例明顯高于正閃，這與大多數(shù)學(xué)者的研究是一致的，負(fù)閃頻次占總閃頻次的73.73%，總閃頻次較多的年份，負(fù)閃頻次比例也明顯升高(2017年占比82.15%，2019年占比78.78%)。地閃平均強(qiáng)度為47.20 kA，正閃平均強(qiáng)度明顯高于負(fù)閃?？傮w來看，除2017年和2019年閃電活動(dòng)異?；钴S外，興安盟閃電年變化趨勢不顯著。

2.2 月變化特征

興安盟閃電活動(dòng)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征，閃電最早開始于3月(僅2020年)，最晚結(jié)束于10月。年平均月閃電頻次呈現(xiàn)單峰分布(圖1)。在閃電頻次較少的月份(春季和初夏)，正閃比例較高，所占比例超過50%。隨著夏季的來臨，閃電頻次迅速增加，正閃比例也迅速下降，所占比例在20%左右。

表1 2014—2020年興安盟閃電特征

圖1 2014-2020年閃電頻次月變化

從不同年份、不同月份閃電強(qiáng)度的平均值可知，春季4月閃電強(qiáng)度最強(qiáng)，平均值達(dá)到102.53 kA，主要因?yàn)樵诔醮杭竟?jié)，興安盟多孤立的閃電活動(dòng)，閃電頻次少，單次閃電強(qiáng)度強(qiáng)。5月開始，隨著閃電頻次的快速增多，閃電平均強(qiáng)度迅速減小，且各月之間差異不大，閃電平均強(qiáng)度在42～60 kA，正閃平均強(qiáng)度在63～73 kA，負(fù)閃平均強(qiáng)度在38～48 kA。

2.3 日變化特征

閃電頻次的日變化呈現(xiàn)近似單峰分布(圖2)，正、負(fù)閃峰、谷值出現(xiàn)的時(shí)間段基本相近。近7 a白天(08:00-20:00)發(fā)生地閃64，182次，占地閃總數(shù)的65.6%；夜間(20:00-次日08:00)發(fā)生地閃33，677次，占地閃總數(shù)的34.4%，全天各個(gè)時(shí)段均有地閃活動(dòng)。午后正閃頻次陡增，逐時(shí)正閃頻次極大值是極小值的14倍左右。負(fù)閃頻次在12:00之后急劇上升，16:00之后急劇下降，22:00至次日12:00，上升和下降趨勢比較平緩?？傮w來看，隨著白天太陽輻射的增加和熱力對(duì)流的發(fā)展，在12:00前后，閃電頻次迅速上升，16:00-17:00達(dá)到峰值，12:00-22:00是閃電的多發(fā)時(shí)段，占全天閃電頻次的71.5%。閃電強(qiáng)度與閃電頻次呈現(xiàn)近似反位相分布，在閃電頻次較少的時(shí)段，閃電強(qiáng)度較大，在閃電頻次較多的時(shí)段，閃電強(qiáng)度較小。由于正閃頻次明顯少于負(fù)閃，因此正閃逐時(shí)強(qiáng)度變化較負(fù)閃劇烈。

圖2 2014-2020年閃電頻次日變化

3 空間分布

3.1 閃電密度特征

圖3給出了近7 a平均閃電密度分布。2014-2020年興安盟年均閃電密度0.25次/km2，密度大值區(qū)主要在科右中旗吐列毛都，密度中心值達(dá)0.76次/km2，次高值區(qū)在科右中旗東南部高力板，大部分區(qū)域閃電密度不足0.3次/km2。不同年份閃電密度差異較大，如在閃電頻次較多的2017年，密度大值區(qū)位于科右中旗東南部，密度中心值達(dá)2.41次/km2，在閃電頻次較少的2014年，密度大值區(qū)位于扎賚特旗東部，密度中心值為0.74次/km2。2016年之后閃電密度中心值均超過1次/km2，閃電活動(dòng)的空間差異更為顯著，且不難發(fā)現(xiàn)，近5 a科右中旗西北部與突泉縣西北部一帶閃電活動(dòng)均較其他區(qū)域頻繁。

圖3 2014-2020年平均地閃密度

3.2 閃電雷電流強(qiáng)度特征

對(duì)不同雷電流強(qiáng)度區(qū)間閃電頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，閃電雷電流強(qiáng)度集中在10～60 kA，該區(qū)間內(nèi)閃電頻數(shù)占總閃的77.8%，其中30～40 kA頻率最高，達(dá)22.9%，雷電流強(qiáng)度在100 kA以上的僅占6.9%，說明很少發(fā)生。正閃雷電流強(qiáng)度集中在20～80 kA，該區(qū)間正閃頻數(shù)占正閃總數(shù)的78.9%，其中40～50 kA頻率最高，達(dá)17.9%，100 kA以上頻率為14.4%。負(fù)閃雷電流強(qiáng)度集中在10～50 kA，該區(qū)間負(fù)閃頻數(shù)占負(fù)閃總數(shù)的79.0%，其中20～30 kA頻率最高，達(dá)27.5%，100 kA以上頻率為4.2%。上述結(jié)果顯示，無論是空間分布還是區(qū)間分布，負(fù)閃雷電流強(qiáng)度分布相對(duì)更為集中。

4 結(jié)束語

ADTD閃電定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)云地閃的快速定位，探測效率高，能有效彌補(bǔ)雷達(dá)探測受限的缺點(diǎn)，有利于對(duì)閃電特征開展更為全面的探究和分析。文章利用2014-2020年云地閃數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了興安盟閃電活動(dòng)規(guī)律和特征，后續(xù)將針對(duì)典型強(qiáng)對(duì)流天氣過程，將閃電資料與多普勒雷達(dá)資料相結(jié)合，充分發(fā)揮二者的互補(bǔ)性，細(xì)致分析不同類型強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的閃電和雷達(dá)回波特征，為提高雷暴等災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)和預(yù)警水平提供理論支撐。