基于VLF/LF三維閃電定位系統(tǒng)的廣西閃電時空分布特征

盧炳夫，植耀玲，黃伊曼，覃 章，郭 媛

(1.廣西壯族自治區(qū)防雷中心，廣西 南寧 530022;2.廣西壯族自治區(qū)氣象局機關(guān)服務(wù)中心，廣西 南寧 530022)

0 引言

雷(閃)電是發(fā)生在自然大氣中的瞬間放電過程，并伴有聲光出現(xiàn)[1]，按發(fā)生的位置，可分為云閃(云內(nèi)、云氣、云云放電)和云地閃(云對地放電)兩大類。雷電活動對人類社會的發(fā)展有著重大的影響，一方面它在維持大氣電離層與地球之間的電路平衡及全球氮循環(huán)中的氮氧化物的產(chǎn)生起著非常重要的作用[2]；另一方面雷電災(zāi)害已被聯(lián)合國公布為最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一[3]。自從17世紀(jì)富蘭克林進(jìn)行著名的“風(fēng)箏實驗”以來，許多國家和地區(qū)紛紛利用人工雷暴觀測[4-5]、地基閃電定位[6-8]以及星載閃電探測儀[9-11]等開展了一系列雷電活動研究工作。廣西早在20世紀(jì)50年代末期和21世紀(jì)初就先后開展了人工雷暴觀測和ADTD(僅監(jiān)測云地閃)閃定位監(jiān)測工作，但是，直至2016年三維閃電定位系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)運行之后，廣西才最終實現(xiàn)雷電活動全閃電監(jiān)測，為進(jìn)一步揭示廣西雷電活動規(guī)律特征提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

廣西壯族自治區(qū)防雷中心提供的2016—2019年廣西三維閃電定位數(shù)據(jù)；國家氣候中心提供的1951—2019年74項環(huán)流指數(shù)數(shù)據(jù)。

1.2 資料介紹和方法

廣西三維閃電定位系統(tǒng)[12-13]，由1個數(shù)據(jù)處理中心站和20個三維閃電探測子站(ADTD-2C型閃電定位儀)組成。該系統(tǒng)采用空間時差定位算法(TOA)，實現(xiàn)閃電VLF/LF輻射源的時間、位置、高度、強度及極性等主要參數(shù)的三維定位，既能探測云地閃又能探測到云閃。探測時間精度大于10-4s，閃電強度與極性誤差小于10%，極性準(zhǔn)確率高于99.9%，水平面探測精度在500 m以內(nèi)，垂直方向探測精度在1 000 m以內(nèi)，單站有效探測半徑大于300 km。本文運用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，利用近4 a三維閃電定位數(shù)據(jù)，研究分析廣西閃電活動的時空分布特征，并對其環(huán)流背景以及影響因子進(jìn)行初步探究。

2 時空分布特征

2.1 時間變化特征

2.1.1 年際變化特征 從閃電頻次年分布(圖1)上看，2016—2019年雷電活動年差異較大，其中，2019年最頻繁，總閃頻次超過442萬次，而2018年相對較弱，僅為220萬次左右，最多年份與最少年份相差近1倍。從云閃比(云閃占總閃百分比)上看，全區(qū)云閃比在40%～50%之間，平均約為43.59%，丁旻等[14]和孫明等[15]研究發(fā)現(xiàn)貴州和江蘇的云閃比也分別達(dá)到39.56%和30.49%。在雷電活動偏多的2016年和2019年，云閃比相對偏低，表明雷電活動偏多年份，云地閃發(fā)生概率偏高。無論是云閃還是云地閃，閃電的極性均以負(fù)電荷放電為主，即負(fù)閃，占總閃比值達(dá)75%左右，丁旻[16]等研究貴州地區(qū)三維閃電分布時同樣發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果。

圖1 2016—2019年廣西閃電頻次逐年分布圖Fig.1 2016—2019 Annual distribution of lightning frequency in Guangxi

2.1.2 年變化特征 廣西一年四季皆有雷電發(fā)生，但是地形地貌和所屬位置差異較大，雷電活動有明顯的地方性季節(jié)特征。從季節(jié)變化上看(表1)，夏季雷電活動最強，閃電頻次占年總頻次高達(dá)63%以上；春季和秋季雷電活動起伏波動較大，春季偏多年份閃電頻次占年總頻次可達(dá)31%以上，偏少年份則不足20%，秋季偏多年份可達(dá)16%以上，偏少年份則僅為5%左右；冬季則幾乎沒有閃電發(fā)生，閃電頻次占年總頻次不足1%。覃衛(wèi)堅[17]等研究也指出廣西春季雷暴日占全年比例約為29.2%，夏季約為56%，秋季為12%，冬季則不足2%。

從月際變化上看(圖2)，除桂東北雷電發(fā)生較早之外(圖2a)，廣西大部地方主要發(fā)生在4—9月期間，區(qū)域典型地市月分布表現(xiàn)為單峰型、雙峰型和多峰型3種類型。單峰型分布在桂中(圖2c)、桂東南(圖2d)地區(qū)，峰值出現(xiàn)在6月；雙峰型分布在桂西北(圖2b)、桂南(圖2e)地區(qū)，峰值分別出現(xiàn)在6月和8月，其中，桂南2個峰值相當(dāng)，而桂西北6月峰值較強；多峰型分布在桂東北地區(qū)，分別在4月、6月及8月出現(xiàn)3個峰值，且4月峰值要偏強。從整體上看(圖2f)，廣西雷電活動月變化表現(xiàn)為雙峰分布，主峰出現(xiàn)在6月，次峰出現(xiàn)在8月。覃衛(wèi)堅[18]研究發(fā)現(xiàn)廣西雷電時數(shù)在6月和8月表現(xiàn)出2個相當(dāng)?shù)姆逯?，但是在區(qū)域變化上桂西、桂南為單峰分布，桂北為雙峰分布，且峰值月份明顯不同。之所以有如此差異，一方面是研究的時間不匹配，另一方面極有可能是人工觀測本身局限性造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的不夠準(zhǔn)確。

表1 2016—2019年廣西季節(jié)閃電頻次分布特征Tab.1 2016—2019 Distribution characteristics of seasonal lightning frequency in Guangxi

圖2 2016—2019年廣西閃電頻次月分布圖Fig.2 2016—2019 Monthly distribution of lightning frequency in Guangxi

2.1.3 日變化特征 從日變化上看(圖3)，桂東北(圖3a)與桂西北(圖3b)、桂中(圖3c)與桂東南(圖3d)閃電活動季節(jié)日變化曲線較為相似，桂南相對復(fù)雜。

春季，桂東北與桂西北的閃電活動表現(xiàn)為夜間—凌晨單峰型，桂西北閃電在傍晚開始活躍，持續(xù)至04時左右，峰值出現(xiàn)在02時，桂東北在21時才開始活躍，于23時迅速達(dá)到峰值，并持續(xù)至06時才明顯減弱；桂中與桂東南表現(xiàn)為午后—凌晨雙峰型，主峰值均出現(xiàn)在午后16時，但是桂中的次峰值出現(xiàn)在02時，桂東南則是07時；桂南在凌晨—午后時段整體呈波動性下降特征。

夏季，桂東北、桂西北、桂中以及桂東南等地區(qū)閃電活動日變化均是午后—傍晚單峰型分布，峰值出現(xiàn)在15—17時之間，而桂南則是呈雙峰分布，除了午后16時主峰值之外，在05時左右還有一個稍弱的峰值。

秋季，桂東北與桂西北閃電日變化呈雙峰分布，桂西北傍晚、凌晨兩個峰值相當(dāng)，而桂東北凌晨次峰值較傍晚主峰值明顯偏小；桂中與桂東南閃電活動日變化與夏季相比變化不大，均為午后單峰型分布；桂南則是在凌晨—午后時段呈現(xiàn)出波動性活躍狀態(tài)。

從全區(qū)上看(圖3f)，春季閃電活動的日變化分別在02時、16時以及22時表現(xiàn)出3個明顯的峰值，而夏秋時節(jié)主要集中在午后—傍晚時段發(fā)生。整體上，廣西區(qū)域雷電活動日變化表現(xiàn)為桂東北夜間—清晨單峰型，桂西北傍晚—深夜單峰型，桂中—桂東南的凌晨午后雙峰型和桂南凌晨—午后多波動下降型4種類型，夏秋時節(jié)則表現(xiàn)為桂南凌晨—午后多波動型和其他地區(qū)的午后—傍晚單峰型兩種類型，這與已有的研究結(jié)論[19]較為相似。

圖3 2016—2019年廣西閃電活動日變化圖Fig.3 2016—2019 Daily variation of lightning activity in Guangxi

2.2 云閃高度特征

從云閃高度上看(圖4)，在年際(圖4a)、季節(jié)(圖4b)和區(qū)域(圖4c)分布上，云閃頻次隨高度變化趨勢一致，分別在0～1 km以及3～4 km的高度上出現(xiàn)2個峰值，其中，0～1 km高度閃電活動最頻繁，在1～2 km及8 km以上高度，閃電發(fā)生概率較低，在2～7 km高度上，閃電占云閃比值可達(dá)60%左右。這與丁旻[16]和郭潤霞[20]研究發(fā)現(xiàn)貴州及北京地區(qū)云閃集中發(fā)生在9 km以下高度上，在2～7 km以及3～6 km高度上最頻繁的結(jié)論較為一致。

不同年份、季節(jié)以及區(qū)域云閃變化差異主要體現(xiàn)在2～7 km高度上。雷電活動偏多年份(2016年、2019年)，該高度上云閃標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)偏小，表明云閃平均高度偏低；而偏少年份(2017年、2018年)則是偏大，平均高度偏高；在季節(jié)變化上，從春季到秋季，該高度上云閃標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)是一個增大的趨勢，表明云閃平均高度隨季節(jié)變化呈增大趨勢；在區(qū)域變化上，該高度上云閃標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)桂西北最大，依次是桂中、桂南、桂東北，最后是桂東南，表明桂西北云閃平均高度最高，然后依次是桂中、桂南、桂東北，桂東南則是相對偏低。

圖4 2016—2019年廣西云閃頻次隨高度分布圖Fig.4 2016—2019 IC frequency distribution with height in Guangxi

2.3 空間分布特征

從年空間分布上看(圖5a～5c)，全區(qū)雷電活動分布不均，整體上呈現(xiàn)出桂西、桂北少，桂東桂南多的趨勢，其中又表現(xiàn)出桂南、桂東南、桂西北及桂東北部4個密度大值區(qū)域。在4個大值區(qū)域中，桂東北柳州的融水縣—融安縣，桂西北的百色市右江區(qū)，桂東南貴港市東部—梧州市西北部、玉林市北部，桂南防城港市東南部—欽州西部以及南寧市中南部等區(qū)域總閃密度值在30次·(km2·a)-1以上，局部云地閃甚至高達(dá)25次·(km2·a)-1，其下墊面主要表現(xiàn)為山脈迎風(fēng)坡或河谷抬升地形。在以往的研究[21]中，僅僅得出桂南、桂東南是廣西雷電活動高發(fā)區(qū)域，其它地區(qū)相對偏少的結(jié)論。

從季節(jié)上看，春季(圖5d～5f)，受大尺度冷暖氣流頻繁交匯影響，閃電活動主要集中在桂東(貴港東部—梧州北部—賀州南部)及桂東北(柳州北部—桂林西北部)地區(qū)；夏季(圖5g～5i)，在午后太陽輻射升溫和地形抬升作用之下，全區(qū)雷電活動進(jìn)入爆發(fā)期，除桂東、桂東北之外，桂南、桂西北均出現(xiàn)強雷電活動區(qū)域，且閃電密度值較春季明顯增強一倍；秋季(圖5j～5l)，廣西雷電活動進(jìn)入衰減期，閃電活動主要集中在桂南—桂東南一帶，且較春夏時節(jié)明顯偏弱。

對比云地閃(圖5b、5e、5h、5k)和云閃(圖5c、5f、5i、5l)，全區(qū)云地閃活動明顯強于云閃，尤其是在雷電活動頻繁區(qū)域，即閃電密度大值區(qū)域，云地閃密度值更大，極值更集中。

圖5 2016—2019年廣西閃電密度分布圖(單位：次·(km2·a)-1)Fig.5 2016—2019 Distribution of lightning density in Guangxi(year：a、b、c；spring：d、e、f；summer：g、h、i；autumn：j、k、l；unit：fl·(km2·a)-1)

3 環(huán)流背景分析

研究表明[22]，春季來自孟加拉灣和南海暖濕氣流和西風(fēng)帶南下的冷空氣在華南頻繁交綏為廣西大范圍雷暴天氣的產(chǎn)生提供了大尺度環(huán)流背景場，而夏季受西太平洋副熱帶高壓(下文簡稱西太洋副高)邊緣西風(fēng)帶擾動影響，廣西也容易出現(xiàn)強雷電天氣。統(tǒng)計1951—2019年東亞上空環(huán)流指數(shù)(圖6a)發(fā)現(xiàn)，2016—2019年，印緬槽和東亞大槽較常年偏強，且東亞大槽位置偏東，不同的是亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)在2016年及2019年較常年平均偏強，亞歐中高緯西風(fēng)帶沿經(jīng)向發(fā)展，高空槽轉(zhuǎn)豎加深，有利槽后西北氣流引導(dǎo)地面冷空氣南下影響廣西，與印緬槽前的西南暖濕氣流頻繁交綏，導(dǎo)致降雨與雷電明顯增多；而2017年及2018年，雖然西南水汽輸送仍然比較強，但是亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)較常年明顯偏弱，東亞中高緯西風(fēng)帶較為平直，不利于高空西北氣流引導(dǎo)地面冷空氣南下影響廣西，雷電活動相對偏少。

統(tǒng)計夏季西太平洋副高指數(shù)(圖6b)發(fā)現(xiàn)，2016—2019年，西太平洋副高均較常年面積偏大、強度偏強，且西伸脊點位置偏西，不同的是2018年脊線位置較常年(26.3°N附近)異常偏北(30°N附近)，2017年異常偏南(24°N附近)，2016級2019年則是略微偏南(25.5～26°N之間)。這表明廣西夏季雷電活動受西太平洋副高平均脊線位置影響較大，當(dāng)平均脊線位置異常偏北時，廣西受其南側(cè)較為平直的偏東氣流控制，強對流天氣發(fā)展被抑制，雷電活動偏少；同樣異常偏南時，廣西整體位于副高下沉氣流控制區(qū)內(nèi)，天氣多以晴好為主，雷電不易發(fā)生；而當(dāng)受其邊緣偏南氣流影響時，將會促進(jìn)強對流天氣的發(fā)展，導(dǎo)致強雷電活動爆發(fā)，如2016和2019年夏季廣西雷電活動較2017和2018年明顯偏多。

4 結(jié)論

本文利用廣西近4 a三維閃電定位資料，詳細(xì)分析廣西雷電活動的年變化、月變化、日變化、云閃高度以及空間分布等規(guī)律特征，并對其大尺度環(huán)流背景以及影響因子進(jìn)行初步探究。所用的閃電監(jiān)測資料具有精準(zhǔn)性、全面性以及連續(xù)性等特點，研究的結(jié)果較為客觀的反映了廣西雷電活動的實際特征，對開展強對流天氣監(jiān)測和雷電預(yù)警有重要意義和參考價值。研究得到的主要結(jié)論如下。

①廣西雷電活動主要發(fā)生在4—9月汛期期間；區(qū)域月變化表現(xiàn)為桂中及桂南單峰型、桂西北和桂南雙峰型及桂東北多波動型等3種類型，全區(qū)整體表現(xiàn)為雙峰型，其中主峰出現(xiàn)在6月，次峰為8月；日變化季節(jié)性、區(qū)域性差異明顯，春季呈多波動變化，夏秋季節(jié)多集中在午后—傍晚時段發(fā)生，桂南、桂東北波動較大，桂西北、桂中、桂東南相對平穩(wěn)。

②廣西雷電活動云地閃較云閃偏多，閃電的極性以負(fù)閃為主，云閃高度較為集中在0～1 km及2～7 km之間，2～7 km高度上閃電頻次的年際、季節(jié)性、區(qū)域性差異顯著。

③廣西雷電活動空間分布不均，桂南、桂東相對偏多，桂西、桂北相對偏少，主要表現(xiàn)為桂南、桂東南、桂西北及桂東北4個雷電活動頻繁區(qū)域。

④春季印緬槽和亞洲經(jīng)向環(huán)流偏強有利于廣西雷電發(fā)生，反之則不利；夏季，西太平洋副熱帶高壓平均脊線位置對廣西雷電活動有較好的指示意義，當(dāng)平均脊線位置較常年(26.3°N)略微偏南(25.5～26°N)時有利于雷電發(fā)生,異常偏南或偏北則不利。