云貴高原閃電活動(dòng)特征分析

吳安坤， 吳仕軍 ， 曾 勇， 張淑霞

（1.貴州省防雷減災(zāi)中心，貴陽 550081；2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225）

云貴高原閃電活動(dòng)特征分析

吳安坤1，2， 吳仕軍1， 曾 勇1， 張淑霞1

（1.貴州省防雷減災(zāi)中心，貴陽 550081；2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225）

利用全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃資料，分析云貴高原云地閃時(shí)空分布特征，結(jié)果表明：云貴高原以負(fù)極性閃電為主，占95%左右，閃電活動(dòng)主要集中在全年的3-9月、全天的13點(diǎn)至第二天凌晨4點(diǎn)，而正極性閃電頻數(shù)比例卻集中在總閃低發(fā)月、時(shí)段，分別占同期總閃數(shù)的25.9%和11.5%，遠(yuǎn)高于年均比例5%；不同季節(jié)、時(shí)段閃電密度均存在地域性差異，整體呈現(xiàn)中部高于西部、東部；雷電流幅值概率分布曲線呈現(xiàn)正偏態(tài)分布，正極性閃電峰度、偏度較小，較負(fù)極性變化緩慢，進(jìn)一步擬合幅值累積概率分布曲線，擬合優(yōu)度達(dá)0.996 3。

云貴高原；閃電活動(dòng)；時(shí)空分布；幅值概率

0 引言

閃電是指積雨云中不同極性荷電中心之間的放電過程，或云中荷電中心與大地和地物之間的放電過程，或云中荷電中心與云外大氣不同極性大氣體電荷之間的放電過程[1]。沖擊電流大、放電時(shí)間短、電磁輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響著電力、通信、交通、航空、金融等諸多行業(yè)，給人類的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅，已被國際電工委員會(huì)稱為“電子時(shí)代的一大公害”，成為聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。因此，深入研究閃電活動(dòng)規(guī)律對(duì)開展雷電預(yù)警和防護(hù)工作顯得尤為重要。

近十幾年來，隨著閃電探測手段和技術(shù)的進(jìn)度，特別是星基、地基的閃電探測技術(shù)獲得較快的發(fā)展，并積累了大量閃電探測資料，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)全球或區(qū)域閃電活動(dòng)特征方面發(fā)揮了重要作用。袁鐵[2]等利用OTD/LIS 8年閃電資料，按照閃電活動(dòng)頻繁程度將中國分為4個(gè)閃電活動(dòng)帶，其中東南近海區(qū)域是我國閃電活動(dòng)最頻繁的地區(qū)，并逐漸向西北地區(qū)減弱。然而在災(zāi)害性天氣監(jiān)測、預(yù)警等方面，地基因其較高的分辨率體現(xiàn)出較好的優(yōu)越性，在許多國家和地區(qū)都得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用。比如美國的NLDN地閃定位系統(tǒng)，多年來獲得了大量的閃電觀測數(shù)據(jù)，對(duì)分析美國乃至北美的閃電活動(dòng)特征方面發(fā)揮了重要作用。Richard E.Orvil等[3]通過分析國家閃電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)正閃比例月變化較明顯，范圍從4%（8月）到17%（12月），而數(shù)峰值出現(xiàn)在6月和7月；閃電活動(dòng)逐時(shí)變化在12點(diǎn)至20點(diǎn)達(dá)到峰值，而水域附近的地方，閃電活動(dòng)一般在晚上至早晨達(dá)到最大值。國內(nèi)隨著全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)的建成和閃電數(shù)據(jù)的積累，許多學(xué)者對(duì)閃電活動(dòng)特征做了大量的統(tǒng)計(jì)分析，歸納了不少區(qū)域性的閃電活動(dòng)規(guī)律。王娟[4]等分析了全國閃電活動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)地域性、時(shí)間性差異，指出總體分布南部比北部多，東部沿海比西部內(nèi)陸多；閃電白天主要發(fā)生在江浙以及廣東沿海一帶，夜間則主要發(fā)生在云貴、川渝內(nèi)陸地區(qū)。張文煜[5]等、王學(xué)良[6]等、李家啟[7]等、林志強(qiáng)[8]等分別研究了山東、湖北、重慶、西藏地區(qū)閃電活動(dòng)的極性分布、日變化、月變化，閃電密度、強(qiáng)度分布，同一地區(qū)不同區(qū)域閃電活動(dòng)也存在很大的差異。

云貴高原位于青藏高原東南側(cè)，屬低緯高原，境內(nèi)地形復(fù)雜；同時(shí)受青藏高原熱力作用和東亞季風(fēng)的共同影響，具有海拔高、立體氣候明顯的特征[9]，屬氣候垂直變化顯著的低緯高原季風(fēng)氣候。雖然我國對(duì)閃電活動(dòng)特征做了大量的分析研究，但至今未見對(duì)云貴高原作相關(guān)的報(bào)道。據(jù)此，筆者應(yīng)用全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)分布在滇、黔兩省的35個(gè)子站所監(jiān)測的近3年（2013—2015年）閃電資料，分析云貴高原云地閃時(shí)空分布特征及雷電流幅值分布規(guī)律，旨在探清高原地區(qū)閃電活動(dòng)規(guī)律，為雷電災(zāi)害防御及工程防護(hù)提供參考依據(jù)。

1 資料來源

文中所用的閃電資料來源于全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)ADTD，該系統(tǒng)具有全自動(dòng)、大范圍、高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測閃電等特點(diǎn)。其原理是采用遙測法，利用閃電發(fā)生的電磁波輻射，采用TOA/MDF算法通過多站對(duì)輻射源進(jìn)行聯(lián)合定位，記錄閃擊發(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度位置、強(qiáng)度、極性、陡度等。目前黔、滇兩省站點(diǎn)布置共35個(gè)，已基本覆蓋整個(gè)云貴高原。針對(duì)TOA/MDF原理監(jiān)測的閃電記錄，Cummins K L[10]提出將探測到時(shí)間間隔不大于330 ms、空間間隔不超過10 km的回?fù)舳x為一次閃電，文中使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)以此進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 時(shí)間分布

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，云貴高原2013—2015年共發(fā)生云地閃（CG）2 884 659 次，其中正閃（PCG）144 332 次，僅占5%。這與雷暴云中電荷結(jié)構(gòu)大致呈現(xiàn)上正下負(fù)有關(guān)，負(fù)電荷接近地面更易于對(duì)地進(jìn)行大規(guī)模的放電。

2.1 日變化

云貴高原閃電日變化逐時(shí)均有閃電發(fā)生，云地閃CG日變化呈現(xiàn)“單峰單谷”變化，閃電頻次低值區(qū)出現(xiàn)在正午前的5 h內(nèi)，10點(diǎn)達(dá)到最小值，13點(diǎn)候呈現(xiàn)上升趨勢，17點(diǎn)達(dá)到一天中的最大值，見圖1（a），這與郄秀書[11]等研究青藏高原的閃電活動(dòng)峰值出現(xiàn)在17點(diǎn)一致。正地閃PCG大致呈現(xiàn)“準(zhǔn)單峰單谷”，閃電頻次谷值出現(xiàn)在11點(diǎn)，峰值約為谷值的6倍，且峰值較CG滯后7個(gè)小時(shí)至0時(shí)，見圖1（c）。PCG比例高值區(qū)出現(xiàn)在早晨8點(diǎn)至10點(diǎn)，該時(shí)段閃電活動(dòng)較弱，CG頻次為一天中的低值區(qū)；隨后迅速下降至極值點(diǎn)14時(shí)，較CG峰值點(diǎn)提前3 h；這可能與高原大氣輻射有關(guān)，午后至傍晚受到太陽輻射的加熱作用，下墊面溫度升高，結(jié)合溫差起電機(jī)制[1]，負(fù)離子向熱端運(yùn)動(dòng)，致使更多的負(fù)電荷堆積，閃電通道建立后，更多的負(fù)電荷運(yùn)輸至地面，PCG的比例急劇減少。全天各時(shí)段平均正閃強(qiáng)度均大于負(fù)閃，此結(jié)果與諸多學(xué)者的結(jié)果一致，主要是由于負(fù)閃發(fā)生的機(jī)會(huì)多于正閃，而云中電荷守恒，單次正閃的強(qiáng)度就比負(fù)閃強(qiáng)[12]。

2.2 月變化

云貴高原閃電月變化逐月均有閃電發(fā)生，云地閃CG月變化呈現(xiàn)“雙峰”變化，主要集中在3—9月，占總閃電頻數(shù)的96.6%；夏季太陽直射點(diǎn)北移，太平洋水汽源源不斷地輸送至高原，形成的暖濕氣流上升易于強(qiáng)對(duì)流天氣的形成，不穩(wěn)定能量的增強(qiáng)為雷暴天氣的產(chǎn)生提供了必要條件，閃電高發(fā)月分布在6—8月，閃電頻次均達(dá)400 000次，見圖2（a）。正地閃PCG月變化呈現(xiàn)“多峰”變化，高發(fā)月較CG分散，集中在3—8月，占總閃電頻數(shù)的92.2%；而正閃頻數(shù)占總閃的比例隨月份呈現(xiàn)“單峰”變化，峰值區(qū)域集中在11月到下一年的2月，分布在冬季，占25.9%，遠(yuǎn)高于年均比例5%，其原因是發(fā)生冬季雷暴時(shí)，由于較強(qiáng)的風(fēng)切變，使雷暴云中上正下負(fù)的偶極電荷結(jié)構(gòu)傾斜，從而使處于云上部的正電荷較易對(duì)地發(fā)生放電[13]。此外，全年逐月平均正閃強(qiáng)度均亦大于負(fù)閃，可達(dá)負(fù)閃強(qiáng)度的2倍，見圖2（b）。

圖1 云貴高原閃電逐時(shí)變化Fig.1 The hourly variation of the Yunnan-Guizhou plateau lightning

圖2 云貴高原閃電逐月變化Fig.2 The monthly variation of the Yunnan-Guizhou plateau lightning

3 空間分布

地閃密度是指單位面積內(nèi)的閃電次數(shù)，表征閃擊放電頻繁程度。M.Suzuki[14]提出地閃密度為雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的閃電次數(shù)除以統(tǒng)計(jì)面積。由圖3可見，云貴高原閃電密度分布呈地域性差異，高值區(qū)分布呈現(xiàn)片狀分布，整體呈現(xiàn)中部高于西部、東部；由于變性的極地大陸氣團(tuán)和西南氣流受云貴高原地形阻滯，形成滇黔準(zhǔn)靜止鋒常年活動(dòng)于貴陽至昆明之間，造成云貴高原閃電活動(dòng)集中在哀牢山及烏蒙山以東的大部分區(qū)域，閃電密度可達(dá) 5.91次/（km·a）。

圖3 云貴高原年均閃電密度分布（單位：次/（km·a）)Fig.3 The average lightning density distribution of Yunnan Guizhou Plateau

3.1 季節(jié)變化

云貴高原閃電頻繁程度存在顯著的季節(jié)性變化，閃電活動(dòng)主要發(fā)生在夏季，年平均閃電密度可達(dá)4.6次/km2，春季次之，秋季顯著減弱，而冬季年平均閃電密度低至0.14次/km2，為全年最弱。此外，不同季節(jié)閃電密度存在區(qū)域性差異，春季在高原東部，貴州省的大部分區(qū)域存在高密度區(qū)；春末受西太平洋副高北上及東亞季風(fēng)的影響，整個(gè)春節(jié)在貴州東南部黎平、從江、榕江、荔波等地出現(xiàn)最大值，其他區(qū)域大部分均為低值密度區(qū)，見圖4（a）。夏季屬閃電高發(fā)季節(jié)，閃電密度高且分布面較廣，隨著西南季風(fēng)和副高的共同推進(jìn)，閃電高發(fā)區(qū)逐漸向西北推進(jìn)，位于高原中部區(qū)域；最大值區(qū)域也隨之西移，出現(xiàn)在云南昆明、麗江東南部及昭通西北部，閃電密度值在2.69次/（km·a），見圖4（b），這可能與局地地形環(huán)境的影響有關(guān)。到了秋季，副高逐漸退去，西南季風(fēng)也隨之減弱，高原主要受大陸干燥性氣團(tuán)控制，熱力和水汽條件減弱，閃電密度顯著減小，最大閃電密度小于1.30 次/（km·a），出現(xiàn)在貴州黔西南北部、云南曲靖南部區(qū)域，見圖4（c）。冬季云貴高原閃電活動(dòng)顯著減少，閃電密度低且分布區(qū)域較小，集中分布在高原東北部和西南部，最大值區(qū)域位于貴州北部遵義地區(qū)，最大地閃密度低至 0.15 次/（km·a），見圖4（d）。

圖4 云貴高原地閃密度季節(jié)變化（單位：次/（km·a）)Fig.4 Seasonal variation of the Yunnan Guizhou plateau ground flash density

3.2 時(shí)段變化

受太陽輻射和地形變化的影響，云貴高原閃電頻繁程度呈現(xiàn)顯著的時(shí)段性及地域性變化，見圖5。閃電活動(dòng)主要發(fā)生在下午（14—19時(shí)），閃電密度可達(dá) 3.65 次/（km·a），高值區(qū)分布在高原中部，最大值位于云南昆明、昭通等地；20點(diǎn)至次日1點(diǎn)次之，閃電活動(dòng)頻繁程度整體向東偏移，但高值區(qū)雖仍位于高原中部附近；后半夜顯著減弱，高密度區(qū)基本移至貴州境內(nèi)，位于貴州的東南部，最大閃電密度可達(dá) 1.13 次/（km·a）；而上午（08—13 時(shí)）最大閃電密度低至0.50次/km2，為全天最弱，高密度區(qū)主要分布在哀牢山以東及貴州中部、東部區(qū)域。

4 幅值分布

圖5 云貴高原地閃密度時(shí)段變化（單位：次/（km·a））Fig.5 Period variation of the Yunnan Guizhou Plateau ground flash density

云貴高原正（PCG）、負(fù)（NCG）極性閃電及總閃（CG）幅值均值分別為 61.72 kA、40.00 kA、42.05 kA。其中NCG及CG集中分布在10～75 kA，約占91.2%；而PCG分布較NCG、CG更為扁平，主要集中在10～115 kA。進(jìn)一步分析近3年雷電流幅值分布，正、負(fù)極性閃電及總閃均呈現(xiàn)先上升后下降的分布規(guī)律，幅值概率分布均呈現(xiàn)正偏態(tài)分布，峰值點(diǎn)分布為37 kA、26 kA、26 kA。負(fù)極性閃電占總閃的95%左右，兩者幅值分布基本呈現(xiàn)一致；正極性閃電峰度較小，較負(fù)極性、總閃變化緩慢，見圖6（a）。

同時(shí)，雷電流幅值累積概率分布是雷電活動(dòng)重要的參數(shù)之一，在繞擊和反擊防雷計(jì)算中占據(jù)十分重要的位置[15]。 根據(jù) Pobolansky[16－17]、CIGRE[18]及 IEEE工作組[19]分別提出雷電流幅值累積概率表達(dá)式，結(jié)合其特點(diǎn)，歸納表達(dá)式為 PI=1/[1+（I/a）b]。 據(jù)此，對(duì)幅值累積概率分布進(jìn)行擬合，得云貴高原雷電流幅值累積概率計(jì)算公式：擬合優(yōu)度R=0.996 3，殘差平方和 RSS=0.000 2，擬合效果很好，結(jié)合圖6（b）看出，擬合曲線與實(shí)際監(jiān)測值基本一致。

5 結(jié)論

基于全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)獲取的閃電資料，分析云貴高原云地閃時(shí)空分布特征及雷電流幅值分布規(guī)律，得如下結(jié)論：

圖6 雷電流幅值分布Fig.6 The distribution of lightning current amplitude

1）云貴高原以負(fù)極性閃電為主，占95%左右。閃電活動(dòng)主要集中在全年的3—9月、全天的13—04時(shí)，其中6—8月、15—20時(shí)為高發(fā)期；隨著閃電活動(dòng)的減弱，正極性閃電頻數(shù)比例卻增大，峰值區(qū)域集中在11—2月、05—11時(shí)，分布占同期總閃數(shù)的25.9%、11.5%，遠(yuǎn)高于年均比例5%。

2）高原閃電密度存在地域性差異，整體中部高于西部、東部；閃電活動(dòng)頻繁程度隨夏、春、秋、冬季依次呈現(xiàn)季節(jié)性遞減，而時(shí)段變化有強(qiáng)到弱依次為下午、前半夜、后半夜、上午。

3）不同季節(jié)、時(shí)段閃電密度均存在地域性差異。春季多發(fā)生在云貴高原東部，貴州的大部分地區(qū)，夏秋季節(jié)向西部移動(dòng)，集中分布在高原中部，后冬季移至高原東部，貴州東部和北部區(qū)域；上午多發(fā)生在云南中部和貴州中北部，隨后下午到前半夜多發(fā)生在高原中部。

4）擬合云貴高原雷電流幅值累積概率計(jì)算公式，擬合優(yōu)度達(dá)0.996 3；幅值概率分布曲線呈現(xiàn)正偏態(tài)分布，正極性閃電幅值分布概率曲線峰度較小，較負(fù)極性變化緩慢。

由于文中的閃電資料來源于全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)監(jiān)測的閃電數(shù)據(jù)采用二維定位，即不能監(jiān)測云閃，必定導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。因此，在后續(xù)的工作中將考慮結(jié)合熱帶測雨衛(wèi)星（TRMM）閃電成像傳感器（LIS）記錄的1995年至今的閃電成像信息，彌補(bǔ)云閃資料缺失的同時(shí)，增加閃電資料時(shí)間序列，從而得到更為全面的結(jié)論。

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Analysis of the Characteristics of Lightning Activities in Yunnan Guizhou Plateau

WU Ankun1，2， WU Shijun1， ZENG Yong1， ZHANG Shuxia1
（1 Guizhou Lightning Protection and Disaster Reduction Center，Guiyang 550081，China;2.College of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Using the cloud-to-ground lighning data in the National Lightning Monitoring and positioning system，Yunnan Guizhou Plateau space-time distribution characteristics of cloud to ground lightning were analyzed， the results show that:Yunnan-Guizhou Plateau is mainly negative lightning，accounting for about 95%，and lightning activities are mainly concentrated in March to September，13pm-4am ，While the number of positive lightning frequency is concentrated in the total low month，period of time，respectively，the total number of flash in the same period of 11.5%，25.9%，much higher than the average annual rate of 5%.There are regional differences in different seasons and time periods，and the overall presentation is higher than that in the West and the East.The amplitude probability distribution curve of the lightning current is presented with normal distribution，positive lightning kurtosis and skewness is small， and changing slowly compared with negative polarity， further amplitude fitting cumulative probability distribution curve，the goodness of fit degree of 0.996 3.

the Yunnan-Guizhou plateau； lightning activity； space-time distribution； probability amplitude

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.015

2015-12-12

吳安坤 （1986—），男，工程師，現(xiàn)從事雷電科學(xué)與防護(hù)技術(shù)研究。