基于浙江省三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)的多回擊閃電參數(shù)的特征分析

崔雪東，顧 媛，徐震宇，王康挺

(浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008)

閃電是自然界中一種常見的放電現(xiàn)象[1]，具有高電壓、大電流、強電磁輻射的特征，常造成嚴(yán)重的人身傷亡和經(jīng)濟損失，被列為十大自然災(zāi)害之一[2]。根據(jù)放電的類型分為云地閃和云閃，相比于云閃，地閃直接擊中地面，產(chǎn)生的危害最直接?；負羰情W電最強烈的放電過程，破壞力強，其特征是雷電防護研究的重點[3]。

為深入了解并掌握閃電活動特征，分析閃電成災(zāi)機制，中外科學(xué)家采用不同頻段技術(shù)的天線定位系統(tǒng)監(jiān)測閃電的位置[4-6]，或通過人工引雷技術(shù)解釋閃電放電的機理和特征[7-8]。隨著定位技術(shù)的發(fā)展，氣象、電力、民航等部門部署雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對地閃信息的實時獲取，并對定位效率的探測效率及精度進行了大量的評估工作[9]，更高質(zhì)量的地閃數(shù)據(jù)有效應(yīng)用于雷災(zāi)調(diào)查、閃電監(jiān)測預(yù)警以及防護設(shè)計等領(lǐng)域[10-11]。目前大量運行的二維閃電定位系統(tǒng)受當(dāng)時技術(shù)水平限制，只能探測地閃，且精度和效率較低，而三維定位技術(shù)能以較高的時間和空間精度描繪閃電的發(fā)生發(fā)展，彌補了二維定位對云閃探測的缺陷[12]。近年來，浙江省氣象局致力于二維閃電定位儀的升級，并于2018年底完成三維閃電定位儀的組網(wǎng)并正式投入運行。

通常情況下無論是云地閃還是云閃，一次完整的放電過程可能包括多次回擊過程，中外學(xué)者通過多種探測手段對多回擊的放電特征及其分布做了大量的分析。Tiller等[13]利用電場系統(tǒng)對佛羅里達地區(qū)雷暴進行了觀測，對其地閃首次回擊和繼后回擊進行了統(tǒng)計分析。Janischewskyj等[14]利用攝像機記錄的閃電數(shù)據(jù)得出多倫多地區(qū)閃電回擊為2.4次，持續(xù)時間中值為480 ms，單次回擊占44.5%。Saba等[15-16]借助高速攝像機拍攝的光學(xué)資料研究了巴西地區(qū)地閃的回擊特征，發(fā)現(xiàn)負單回擊地閃占20%，平均回擊次數(shù)為3.8次，正單回擊地閃占72%，其中正地閃的間隔時間是負地閃的2倍。郄秀書等[4]、黎勛等[3]通過天線測量系統(tǒng)分別對中國內(nèi)陸高原地區(qū)和北京地區(qū)的回擊進行了分析，重點統(tǒng)計了正負首次回擊和繼后回擊的強度特征。另外不少研究通過閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃資料對其多回擊特征作了較為全面的分析[17-18]。

相比于單回擊閃電，多回擊閃電電荷量較大、作用時間更長、破壞性更大，通過對回擊閃電的研究有助于深入對閃電活動的了解以及對雷電防護的更優(yōu)設(shè)計。目前的研究主要針對地閃的多回擊特征統(tǒng)計，對于二維閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測多回擊地閃也有不少研究，而三維系統(tǒng)監(jiān)測的閃電特別是云閃多回擊特征研究較少?；谡憬∪S閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)2019—2020年的閃電數(shù)據(jù)研究其多回擊特征及其時空分布，為更優(yōu)使用三維監(jiān)測數(shù)據(jù)提供參照。

1 資料與方法

浙江省三維閃電定位監(jiān)測網(wǎng)是在原有的二維閃電監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上升級改造而成，基于高精度三維時差定位算法(3D time of arrival，3D-TOA)，實現(xiàn)閃電VLF/LF(very low frequency/low frequency)脈沖信號的時間、極性、強度和三維位置等參數(shù)的定位，大大提高了探測精度和效率，能夠同時探測云閃和云地閃。監(jiān)測網(wǎng)由16臺ADTD-2C型三維閃電定位儀、中心站處理端和3D圖形顯示與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)組成。16臺定位儀合理布置在杭州、平湖、嵊州、長興、定海、洞頭、島石、汾口、三河、江山、霞關(guān)、龍泉、永康、永嘉、泰順、洪家。

參照已有關(guān)于多回擊閃電的歸閃的研究[17-19]，采用GB/T 37047—2018[20]的地閃歸集方法進行聚類。對于一次閃電的判斷標(biāo)準(zhǔn)是:空間距離在10 km以內(nèi)，時間差在1 s以內(nèi)且相鄰回擊之間的時間間隔小于或等于500 ms，電流極性相同的回擊屬于同一次閃電，閃電的第一次回擊為首次回擊，其他回擊則為繼后回擊。當(dāng)不存在滿足此條件的多次回擊，則認(rèn)定為單次回擊閃電。依據(jù)以上方法對2019—2020年浙江區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地閃回擊和云閃回擊進行歸并處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 回擊次數(shù)

2019和2020年三維系統(tǒng)分別監(jiān)測到閃電回擊數(shù)602 594次和768 602次，2020年閃電回擊數(shù)相比2019年高出近30%。兩年內(nèi)共監(jiān)測到地閃回擊數(shù)986 425次，其中正閃181 453次，負閃804 972次，云閃回擊數(shù)384 771次，其中負閃267 406次，正閃117 365次。共發(fā)生地閃621 645次，其中多回擊地閃174 674次，占總地閃的28.10%，發(fā)生云閃350 981次，其中多回擊云閃28 120次，占總云閃的8.01%。2019—2020年監(jiān)測到的地閃回擊數(shù)遠大于云閃回擊數(shù)，地閃回擊數(shù)為云閃回擊數(shù)的2.56倍。從多回擊閃電占比來看，多回擊地閃占比遠高于多回擊云閃占比，兩者相差3倍多。

表1為不同回擊序數(shù)對應(yīng)的正、負地閃和云閃次數(shù)及其占總閃次數(shù)百分比分布。從表1中可以看出，單回擊為地閃和云閃的主要形式，其中云閃的單回擊占比比地閃高出近二十個百分點；另外單回擊正閃相比負閃占比高，都占總閃數(shù)的90%以上。多回擊地閃和云閃頻次隨回擊序數(shù)的增加呈明顯的下降趨勢，且各回擊序數(shù)的正閃占比都小于負閃占比。負地閃和負云閃最多一次閃電都達到14次回擊，而正地閃和正云閃一次閃電的回擊數(shù)最大不超過10次。

表1 不同回擊序數(shù)對應(yīng)的正、負地閃和云閃次數(shù)和所占百分比分布

地閃平均回擊次數(shù)為1.59次，其中正地閃平均回擊次數(shù)為1.07次，負地閃為1.78次。云閃平均回擊次數(shù)為1.10次，其中正云閃平均回擊次數(shù)為1.04次，負云閃為1.12次。正地閃和正云閃的平均回擊次數(shù)和最大回擊數(shù)都明顯小于負閃，可能是因為正閃電荷量較大，一旦建立起放電通道，每次回擊過程泄放的電荷較多，所以在較少的回擊過程內(nèi)可完成電荷的釋放。

2.2 時空分布

研究表明閃電的發(fā)生具有明顯的時間和空間分布特征。圖1(a)為逐月總地閃和云閃數(shù)以及多回擊地閃和云閃的占比分布，可以發(fā)現(xiàn)地閃和云閃主要發(fā)生在夏季，其中7月份最多，另外春季冷暖氣流交匯頻繁，閃電也較易發(fā)生，而冬季很少有閃電發(fā)生。從多回擊閃電的占比來看，多回擊閃電也具有明顯的月際變化，總體上閃電頻數(shù)較高的月份更易發(fā)生多回擊閃電，多回擊地閃占比遠高于多回擊云閃，夏季多回擊地閃占總地閃數(shù)的1/3左右，而多回擊云閃占比不足10%。

圖1(b)為閃電頻數(shù)和多回擊閃電占比的地區(qū)分布，可以看出地閃和云閃具有明顯的地域分布，浙南地區(qū)閃電頻數(shù)顯著高于浙北地區(qū)，近一半的閃電集中分布在溫州和麗水地區(qū)。多回擊地閃和云閃的占比具有同樣的分布特征，浙南地區(qū)相比浙北地區(qū)閃電更易發(fā)生多回擊過程，尤其嘉湖平湖地區(qū)，閃電頻數(shù)和多回擊閃電占比遠低于其他地區(qū)。這可能是因為浙江南部地區(qū)多丘陵，山坡對氣流抬升作用有利于雷暴云的垂直發(fā)展。

圖1 地閃和云閃頻數(shù)以及多回擊地閃和云閃占比分布

2.3 強度變化

閃電電流強度反映了雷暴放電的劇烈程度，是雷電防護中的重要參數(shù)之一。表2列出了正、負極性單次回擊和多回擊閃電的首次與繼后回擊電流強度算術(shù)平均和幾何平均統(tǒng)計值?？梢钥闯觯瑔未位負舻亻W和云閃的電流強度平均值最大，正、負單次回擊地閃電流強度算術(shù)平均值為23.15 kA和-24.31 kA，幾何平均值為15.19 kA和-19.71 kA；正、負單次回擊云閃的算術(shù)平均值為17.26 kA和-15.13 kA，幾何平均值為12.26 kA和-12.66 kA。單次回擊地閃平均強度明顯大于云閃平均強度，正單次回擊正地閃強度算術(shù)平均值大于負閃，而單次回擊正云閃強度幾何平均值小于負閃。

村長說，你也太不把村長當(dāng)干部了，等著。村長立馬就給肉仔打電話。肉仔現(xiàn)在不賣豬肉，他搞了個基建隊，當(dāng)起了包工頭，手頭有點米米。村長找肉仔借錢，叫他馬上送到茶場來。肉仔起先以為村長在賓館打炮，被派出所抓了。后來聽說是送錢到茶場，就不明白了，未必一個成天把拉鏈拉得整整齊齊的人還這么浪漫？！村長把他一頓罵，方才急急找了一輛蹦蹦車，就是那種三輪摩的，顛顛簸簸趕到茶場，把一包用報紙包著的鈔票送來。村長當(dāng)著大家的面，把報紙包遞給牛皮糖說，點點。

對于多回擊地閃而言，首次回擊平均強度大于繼后回擊平均強度，負地閃平均強度小于正地閃。而多回擊云閃中，正閃首次回擊平均強度卻小于繼后回擊，負閃首次回擊平均則大于繼后回擊。這可能與云對地和云際放電機理有關(guān)。

從表2中可以看出地閃和云閃的單次回擊和首次回擊平均強度總體上大于繼后回擊的平均強度，一般認(rèn)為每次閃電過程的首次放電比較強。圖2為正、負多回擊地閃和云閃電流強度算術(shù)平均值隨回擊序數(shù)的分布。地閃和云閃平均強度總體上隨回擊序數(shù)的增加呈下降的趨勢，其中地閃的變化趨勢相比云閃更為明顯。負地閃較正地閃的下降趨勢更為平緩，首次回擊平均強度為-28.49 kA，第14次回擊的平均強度大概在-17 kA左右；正地閃首次回擊平均強度為20.75 kA，而最弱一次回擊的平均強度僅為8 kA左右。云閃中正閃平均強度隨回擊數(shù)的下降趨勢同樣比負閃更為劇烈，云閃首次回擊的平均強度不是回擊中最強的，其中正云閃首次回擊比第二和第三次回擊的平均強度小。負云閃的平均強度明顯小于正云閃，各回擊序數(shù)平均強度差異不大。

圖2 隨回擊序數(shù)的正負閃回擊平均強度分布

表2 正負極性回擊地閃和云閃雷電流強度統(tǒng)計

之前有研究表明，對于一次閃電過程，并非所有的首次回擊電流強度最大，通過對每次回擊過程電流強度最大的回擊數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，地閃和云閃首次回擊電流為一次閃電過程最強的百分比分別為45.73%和47.97%，超過一半的閃電過程中至少有一次繼后回擊電流強度比首次回擊強，在雷電防護中應(yīng)充分重視此現(xiàn)象。為了進一步了解繼后回擊與首次回擊的關(guān)系，避免閃電距離不確定性帶來的回擊強度之間的不可比性。地閃繼后回擊與首次回擊強度比值的算術(shù)平均值和幾何平均值分別為1.11和0.89，云閃繼后回擊與首次回擊強度比值的算術(shù)平均值和幾何平均值分別為1.19和0.99。圖3為繼后回擊強度與首次回擊強度比值的頻率統(tǒng)計圖。云閃和地閃強度比值分布都呈對數(shù)正態(tài)分布，集中分布在0～2之間，其中云閃相比地閃分布更為集中。地閃最大分布在比值為0.7處，即繼后回擊強度為首次回擊強度的7/10，占總回擊數(shù)的8.54%；云閃最大分布在比值為1處，占總回擊數(shù)的11.54%。在比值0～1之間，地閃占總回擊數(shù)的58.40%，云閃占總回擊數(shù)的52.37%。雖然地閃和云閃所有閃電過程中有超過一半的閃電過程存在一次繼后回擊大于首次回擊，但通過所有繼后回擊與其首次回擊的比值發(fā)現(xiàn)，地閃大部分首次回擊大于繼后回擊，云閃也有超過一半的首次回擊大于繼后回擊。

圖3 地閃和云閃繼后回擊與首次回擊電流強度振幅比頻率分布

2.4 間隔時間

表3給出了所有多回擊地閃和云閃過程中所包含的繼后回擊與前一次回擊之間的間隔時間統(tǒng)計分布，地閃和云閃間隔時間的算術(shù)平均值分別為118.71 ms和113.54 ms，地閃略大于云閃，而兩者的幾何平均值分別為79.58 ms和54.82 ms，地閃明顯大于云閃。正、負地閃和云閃的算術(shù)平均值和幾何平均值相差無幾，除了負地閃幾何平均值遠大于正地閃，是正地閃的2.6倍。

表3 地閃和云閃回擊間隔時間統(tǒng)計

從地閃和云閃回擊每5 ms間隔分布直方圖來看(圖4)，地閃不同回擊間隔時間與分布頻次呈對數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻率最高的間隔時間約為50 ms，回擊間隔時間主要集中在25～105 ms，占所有回擊數(shù)的56.72%，當(dāng)回擊間隔時間大于165 ms，每個間隔區(qū)間內(nèi)回擊頻次占比均不足1%。云閃不同回擊間隔時間與分布頻次呈對數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻次最高的間隔時間約為20 ms，占總回擊數(shù)的6.1%，次高點的間隔時間約為5 ms，占總回擊數(shù)的5.1%?；負糸g隔時間主要集中在0～70 ms，占所有回擊數(shù)的54.97%，當(dāng)回擊間隔時間大于115 ms，每個間隔區(qū)間內(nèi)回擊頻次占比均不足1%。綜上，云閃的回擊間隔時間分布較地閃更為集中，且集中區(qū)域的回擊間隔時間比地閃小。

圖4 閃電回擊間隔時間頻次直方圖及頻率分布

回擊間隔時間的長短影響每次閃電過程的回擊數(shù)量，若放電通道導(dǎo)電性好，則回擊間隔時間較短，易發(fā)生更多的回擊。圖5為不同回擊次數(shù)正、負多回擊地閃和云閃平均間隔時間的分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是地閃還是云閃，正閃還是負閃，隨著一次閃電過程回擊數(shù)的增加，平均間隔時間呈減少的趨勢，云閃這種減小趨勢比地閃快，正閃比負閃快。負地閃平均間隔時間從152.14 ms下降到62.11 ms，正地閃平均間隔時間從130.81 ms快速下降到25.85 ms；負云閃平均間隔時間從118.74 ms下降到20.94 ms，正云閃從111.26 ms下降到49.03 ms。

2.5 間隔距離

3 結(jié)論

利用2019—2020年浙江省三維閃電定位系統(tǒng)探測資料，并對閃電資料進行歸閃，分析了該地區(qū)地閃和云閃的多回擊特征主要得到以下結(jié)論。

(1)2019—2020年共監(jiān)測地閃回擊數(shù)986 425次，云閃回擊數(shù)384 771次，其中多回擊地閃和云閃分別占28.10%和8.01%。地閃和云閃存在明顯的年變化和地域分布，其中多回擊地閃和云閃集中分布夏季和浙南地區(qū)。多回擊地閃和云閃頻次隨回擊序數(shù)的增加呈明顯的下降趨勢，且各回擊序數(shù)的正閃占比都小于負閃占比。地閃和云閃平均回擊數(shù)分別為1.59次和1.10次。

(2)單回擊和首次回擊地閃與云閃的平均電流強度總體上大于繼后回擊的平均強度。地閃和云閃平均強度隨回擊序數(shù)的增加呈下降的趨勢，其中地閃的變化趨勢相比云閃更為明顯。對地閃和云閃資料的繼后回擊和首次強度比值統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其比值成對數(shù)正態(tài)分布，集中在0～2，云閃分布更為集中，且比值的峰值大于地閃。超過一半的地閃和云閃過程存在一次繼后回擊強度大于首次回擊。

(3)地閃和云閃的回擊間隔時間算術(shù)平均值約115 ms，其幾何平均值差異較大。不同回擊次數(shù)的云閃和地閃平均間隔時間隨回擊數(shù)增加而減少。地閃和云閃回擊間隔時間呈對數(shù)正態(tài)分布，其云閃分布更為集中，且集中區(qū)域的回擊間隔時間更小。

(4)多回擊地閃和云閃繼后回擊與首次回擊雷擊點間隔距離算術(shù)平均值分別為1.57 km和2.72 km，幾何平均值分別為0.84 km和1.55 km。兩者都呈對數(shù)正態(tài)分布，其中云閃分布較為分散。