青藏高原閃電活動分布特征分析

格桑扎西 益西拉姆 扎多

（1.西藏山南市瓊結(jié)縣氣象局，西藏 山南 856800；2.西藏山南市氣象局，西藏 山南 856000）

雷暴氣候是發(fā)生在中小尺度對流系統(tǒng)中的常見天氣現(xiàn)象，雷暴的發(fā)生往往伴隨著閃電活動、暴雨災害以及大風等極端天氣。雷暴所造成的危害對自然生態(tài)系統(tǒng)、人類活動、經(jīng)濟社會以及建筑物等均構(gòu)成嚴重的威脅。雷暴云發(fā)生時，在云層與地面之間存在反極性的電荷，形成了一個電容器，且存在一定的電位差，當云層與地面的電位差達到了一定臨界值時，會形成擊穿放電現(xiàn)象，形成了閃電放電現(xiàn)象。有研究資料表明，全球氣候正發(fā)生著顯著性的異常變化特征，而雷暴氣候正屬于全球氣候中十分重要的一部分，極端的雷暴氣候，造成了一系列的災害性氣候，對生態(tài)系統(tǒng)以及人類活動帶來了正面以及負面的影響，但是造成的負面影響尤為突出。從20世紀開始，隨著通訊設備的發(fā)展，人們開始關(guān)注雷擊對通訊電子設備造成的威脅，給電子通訊設備造成的損失日益增多。到20 世紀中期開始，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，敏感的微電子設備造成的損失也越來越嚴重。

有研究資料表明，全球每年因為極端氣候造成的直接經(jīng)濟損失高達2000 億［1］。全球氣候的顯著變化對國家以及人類生命安全構(gòu)成了顯著的威脅，因此區(qū)域性氣溫氣候的研究工作成為了目前的工作熱點［2-3］。青藏高原是我國氣候的重要組成部分，且處于一個較為敏感的地帶。因此，研究西藏地區(qū)地閃時空變化特征，具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)有很多學者對閃電活動在不同區(qū)域的分布特征進行了研究，并且得出了一定的結(jié)論。對于青藏高原地區(qū)主要有：郄秀書等［4］利用青藏高原8 年衛(wèi)星閃電探測器資料，主要研究了青藏高原地區(qū)閃電活動變化特征。結(jié)果表明，青藏高原閃電活動主要集中在中部區(qū)域，在6—8 月份期間出現(xiàn)的閃電頻次最多，且大多集中在14:00～16:00 時之間。齊鵬程等［5］利用青藏高原TRMM測量數(shù)據(jù)，研究了閃電活動與降水量之間的響應關(guān)系。結(jié)果表明，青藏高原閃電活動主要集中在中部以及東北部，但降水量峰值主要集中在東南部區(qū)域。張翠華等［6］利用青藏高原雷暴活動觀測數(shù)據(jù)，分析得出，雷暴活動主要發(fā)生在13:00～19:00 時間段內(nèi)，且在晚上存在一定的弱對流氣候發(fā)生。巴桑次仁等［7］借助遙感衛(wèi)星測量技術(shù)，采用了雷擊地面回擊模型，研究了青藏高原地區(qū)閃電活動過程中雷電流變化趨勢，并估算出了雷電流的峰值大小。

本文主要采用青藏高原地區(qū)WWLLN 閃電定位觀測數(shù)據(jù),通過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理，，研究了該地區(qū)閃電活動時間、空間兩個尺度上的變化特征，研究所得結(jié)論能夠為青藏高原雷電防護設計工程以及雷電災害減災工作提供一定的科學指導意義。

1 全球閃電定位系統(tǒng)概況及原理

1.1 定位系統(tǒng)概況

全球閃電定位系統(tǒng)(WWLLN)，最早是由科研院所以及華盛頓大學聯(lián)合開發(fā)出的，能夠?qū)崟r對全球閃電活動進行探測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)最早采用時間組到達法TOGA 算法，對閃電活動所產(chǎn)生的電磁輻射信號進行接收，從而實現(xiàn)對閃電進行定位。由于閃電信號傳播的距離相對較長，因此在傳播過程中會受到色散等效應影響，使得雷電波波形失真，且波形峰值不明顯。因此，后來研究者對全球閃電定位系統(tǒng)算法進行了改進，主要通過閃電信號相位變化率來確定信號到達各個測站的時間差。目前，全球共計有50個全球定位系統(tǒng)探測站，其中在亞洲地區(qū)分布有6個測站，主要位于中國、新加坡、日本等國家。全球閃電定位系統(tǒng)，主要對閃電發(fā)生的時間、經(jīng)緯度這幾個參數(shù)進行定位，且時間分辨率為1μs。圖1 為全球閃電定位系統(tǒng)空間分布結(jié)果，圖中顯示出，定位系統(tǒng)測站之間距離較遠，空間分布及不均勻。

圖1 全球閃電定位系統(tǒng)空間分布結(jié)果

1.2 探測原理

WWLLN 探測系統(tǒng)，主要是利用閃電信號產(chǎn)生的電磁輻射對閃電位置進行定位，它不同于VLF 閃電定位技術(shù)，在WWLLN 探測系統(tǒng)測站周圍不能安裝類似VLF 波段的探測天線，因為探測天線產(chǎn)生的電磁波會對WWLLN 探測系統(tǒng)造成很大的干擾。所以WWLLN探測系統(tǒng)需要安裝在較高建筑物的頂端，且需要一根1.5 米長的天線，從而垂直電場強度進行探測。然后將探測到的的閃電垂直信號傳輸至高性能計算機進行采樣分析研究，并結(jié)合GPS 高性能計時系統(tǒng)，準確的將閃電發(fā)生的時間進行記錄下來，從而實現(xiàn)對閃電發(fā)生的位置進行定位。

WWLLN探測系統(tǒng)，在最初的測試時期，主要采用的TOA時間差算法，然后將全球所有探測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)傳送至WWLLN 總工作站，總站對接收到的數(shù)據(jù)采用聚類分析算法，對全球閃電活動進行定位，但是，絕大部分閃電信號的頻率較低，且波段脈沖在傳輸過程中以相對較低的衰減率進行傳播。

具體的方法是天線測量由雷電放電產(chǎn)生的極低頻帶的脈沖。當站點接收到的下一個采樣信號超過以前設置的一定閾值Vth 時，該站將被觸發(fā)。我們將第二個樣本編碼時間記錄為觸發(fā)時間。當站首次觸發(fā)時，它將被一系列由輻射信號照亮的其他站點觸發(fā)。觸發(fā)雷擊站的時間被發(fā)送到中央站進行分組處理，以獲得觸發(fā)WWLLN 站時間的數(shù)據(jù)集。時間數(shù)據(jù)組成對配對，以獲得閃電信號的兩個不同電臺之間的時差，并存儲在名為“MAXTOA”的16×16 矩陣空間中。對矩陣進行分析和處理，以獲得閃電定位時間。WWLLN 初始雷電定位方法基于TOA 技術(shù)，當時差殘差較小時，雷電定位精度越高。如果四個或更多站檢測到相同的雷擊，可以進一步優(yōu)化雷擊的時間和位置。

2 青藏高原海拔分布特征

本文利用青藏高原經(jīng)緯度、海拔資料，利用Surfer軟件，繪制出了青藏高原海拔空間分布特征，如圖2所示。從圖中可以看出青藏高原存在海拔分布不均勻特征，總體上來看，在中西部區(qū)域海拔相對較高，而在北部區(qū)域海拔相對較低。

圖2 青藏高原海拔空間分布(單位:m）

3 閃電活動時間變化特征

3.1 閃電頻次日變化特征

本文利用青藏高原2016 年WWLLN 閃電定位系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，首先對質(zhì)量控制后的閃電資料，采用了常規(guī)的統(tǒng)計方法，統(tǒng)計出了一天24 小時內(nèi)，每個小時內(nèi)發(fā)生的閃電頻次，用統(tǒng)計結(jié)果研究該地區(qū)閃電頻次日變化規(guī)律。圖3為對閃電資料統(tǒng)計出的總閃電頻次日變化結(jié)果，圖中顯示出，青藏高原閃電活動具有顯著的日分布差異性，即在每個時間段內(nèi)發(fā)生的閃電頻次不一致。該地區(qū)閃電頻次主要集中在13:00～24:00是時間段內(nèi)，除了18:00 時，對于18:00 時可能由于閃電定位系統(tǒng)自身定位誤差造成。從圖中還可以看出，該地區(qū)在17:00 左右總閃電頻次均達到了峰值，統(tǒng)計出的總閃電頻次為31335 次，占全天發(fā)生閃電頻次的10.4%，造成閃電活動集中在下午至傍晚時刻，最主要是因為下午時刻青藏高原陽光較為充足，使得地面輻射較強，使得地表的水蒸氣蒸發(fā)較為迅速，從而造成了較快的上升氣流，而上升氣流是雷暴發(fā)生的必要條件之一。在07:00～12:00 時間段內(nèi)，統(tǒng)計出的總閃電頻次均相對較少，統(tǒng)計出這個時間段內(nèi)的總閃電頻次為21339次，占全天發(fā)生閃電頻次的7.09%.

圖3 青藏高原總閃電頻次日變化分布結(jié)果

3.2 閃電頻次月變化特征

本文利用青藏高原2016 年WWLLN 閃電定位系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，首先對質(zhì)量控制后的閃電資料，采用了常規(guī)的統(tǒng)計方法，統(tǒng)計出了全年內(nèi)，每個月份下發(fā)生的閃電頻次，用統(tǒng)計結(jié)果研究該地區(qū)閃電頻次月變化規(guī)律。圖4為對閃電資料統(tǒng)計出的總閃電頻次月變化結(jié)果，從統(tǒng)計結(jié)果表中可以看出，對3年內(nèi)每個月份下閃電資料進行歸類統(tǒng)計，顯示出青藏高原在每個月份下均有閃電活動的發(fā)生，且在每個月份下，統(tǒng)計出的正閃頻次、負閃頻次以及總閃電頻次不一致。從圖中可以看出，青藏高原總閃電頻次變化趨勢屬于雙峰值的變化類型?？傞W電頻次均從1 月份開始緩慢增加，然后從5 月份開始閃電頻次增加的幅度將對較大，且均在6月份閃電活動達到了第一個峰值。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，在6 月份總閃電頻次為76443 次，占全年發(fā)生閃電頻次的22.6%；7 月份閃電頻次較6 月份有所減少，在7 月份總閃電頻次為48774 次，占全年發(fā)生閃電頻次的14.4%；在8 月份閃電活動達到了第二個峰值，在8 月份總閃電頻次為80813 次，占全年發(fā)生閃電頻次的23.9%；從10 月份開始閃電頻次減少幅度遞減幅度相對較大。在11—12月份期間，閃電頻次波動幅度較小。

圖4 青藏高原逐月總閃電頻次分布結(jié)果

綜上分析，青藏高原閃電活動主要集中在6—9月這4 個月份期間，這4 個月份期間發(fā)生的閃電頻次占全年的96.7%，春季、冬季發(fā)生的閃電活動較少。最主要是因為，青藏高原夏季氣溫相對較高，造成了較快的上升氣流，并結(jié)合一定的地形原因，造成了夏季閃電活動較多。

3.3 代表區(qū)域閃電密度月變化特征

本文首先對青藏高原行政區(qū)域面積進行經(jīng)緯度劃分，將大區(qū)域劃分成個代表區(qū)域，為高原西部、高原中部、高原中北部、西藏南部、高原東北部。圖5 為青藏高原不同區(qū)域逐月閃電密度分布結(jié)果，從圖中可以看出，不同區(qū)域之間閃電密度月分布情況不一致，且每個月份下統(tǒng)計出的閃電密度值不相同?？傮w看來，不同區(qū)域內(nèi)閃電密度月分布情況，均呈單峰值變化類型。其中高原西部區(qū)域，閃電密度值從1 月份開始緩慢的增加，從4月份開始增加的幅度相對較大，在7月份閃電密度值達到了峰值，統(tǒng)計出的閃電密度值為0.015fl·km-2·a-1，閃電活動相對較弱，而從7 月份之后閃電活動呈逐月遞減的變化趨勢。

圖5 青藏高原不同區(qū)域逐月閃電密度分布結(jié)果

在高原中部區(qū)域，閃電密度值也從1 月份開始緩慢的增加，從4月份開始增加的幅度相對較大，在7月份閃電密度值達到了峰值，統(tǒng)計出的閃電密度值為0.02fl·km-2·a-1，閃電活動略強于西部區(qū)域，而從7 月份之后閃電活動呈逐月遞減的變化趨勢。在高原北部區(qū)域，閃電活動變化趨勢與西部、中部相一致，均在7 月份閃電活動達到了峰值，統(tǒng)計出的閃電密度值為0.017fl·km-2·a-1。

在西藏南部區(qū)域，閃電密度值也從1 月份開始迅速的增加，從2月份開始增加的幅度相對較大，在5月份閃電密度值達到了峰值，統(tǒng)計出的閃電密度值為0.024fl·km-2·a-1，閃電活動強于高原西部、中部、中北部區(qū)域，而從5 月份之后閃電活動呈逐月遞減的變化趨勢。

在高原東北部區(qū)域，閃電密度值也從1 月份開始緩慢的增加，從4 月份開始增加的幅度相對較大，在7月份閃電密度值達到了峰值，統(tǒng)計出的閃電密度值為0.025fl·km-2·a-1，閃電活動強于其余區(qū)域，而從7 月份之后閃電活動呈逐月遞減的變化趨勢。

4 閃電活動空間分布特征

4.1 閃電密度年分布特征

防雷工程設計人員，在對重要建筑物以及危險性較高的場所進行防雷工程設計時，區(qū)域性閃電密度是一個重要指標，該指標能夠?qū)Ψ览坠こ淘O計起到一定的借鑒作用。落雷密度主要利用該區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計出的閃電頻次，在除以所研究的區(qū)域面積。計算表達式為：

其中，N 為2016 年期間根據(jù)WWLLN 資料統(tǒng)計出的總閃頻次，S 為所研究區(qū)域的行政面積。

本文利用青藏高原2016 年WWLLN 閃電定位系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，首先對質(zhì)量控制后的閃電資料，以及通過統(tǒng)計年鑒查詢青藏高原的行政面積。

本文首先對行政區(qū)域面積進行經(jīng)緯度劃分，將大區(qū)域劃分成若干個小區(qū)域，本文在劃分過程中使用的小區(qū)域經(jīng)緯度范圍為0.20E ×0.20N，然后分別統(tǒng)計出，在每個小區(qū)域內(nèi)發(fā)生的閃電頻次。圖6 為計算出的閃電密度空間分布特征。圖中顯示出，在不同的區(qū)域出現(xiàn)的落雷密度不相同，即青藏高原落雷密度沒有較好的一致性。按照閃電密度值對青藏高原進行區(qū)域劃分，可以劃分成閃電密度值大于4 fl·km-2·a-1為閃電高值區(qū)域，在3-4 fl·km-2·a-1為閃電較為活躍區(qū)域，在1.5-3 fl·km-2·a-1為閃電一般活躍區(qū)域，低于1.5fl·km-2·a-1為閃電較弱區(qū)域。則可以看出，青藏高原存在兩個閃電活動高值區(qū)域，主要位于中部那區(qū)附近，探測到的閃電密度最大值為6.2 fl·km-2·a-1，另一個閃電活動高值區(qū)域，位于青藏高原東北部區(qū)域，該區(qū)域中絕大部分面積上的閃電密度值大于5 fl·km-2·a-1。在青藏高原中北部區(qū)域，探測到的閃電密度值要稍弱于上述兩個區(qū)域，但閃電活動要高于其它區(qū)域，它與青藏高原中部閃電活動被唐古拉山脈分割開。在西藏南部以及青藏高原南部、北部等區(qū)域，探測到的閃電活動密度值普遍低于5 fl·km-2·a-1，說明了這幾個區(qū)域閃電活動相對較弱。

圖6 青藏高原閃電密度空間分布

4.2 閃電密度月分布特征

本文首先對行政區(qū)域面積進行經(jīng)緯度劃分，將大區(qū)域劃分成若干個小區(qū)域，本文在劃分過程中使用的小區(qū)域經(jīng)緯度范圍為0.20E ×0.20N，然后分別統(tǒng)計出4—9 月份期間，在每個小區(qū)域內(nèi)發(fā)生的閃電頻次，然后除以相對面積，來研究青藏高原地區(qū)閃電活動月分布情況。圖7為青藏高原代表月閃電密度空間分布結(jié)果。從圖中可以看出，在不同的月份下青藏高原閃電密度空間分布不一致?？傮w上呈現(xiàn)出，閃電活動隨著月份的增加呈先向西部發(fā)展后再向東部退卻的變化特征。圖7(a)青藏高原4 月份閃電密度空間分布結(jié)果顯示出，在該月份下青藏高原閃電活動相對較弱，統(tǒng)計出的閃電密度值普遍小于0.1 fl·km-2·a-1，閃電活動主要集中在四川盆地區(qū)域；圖7(b)青藏高原5 月份閃電密度空間分布結(jié)果顯示出，在該月份下青藏高原中部以及中東部區(qū)域閃電活動較為活躍，統(tǒng)計出的閃電密度值普遍大于0.3 fl·km-2·a-1，且在經(jīng)緯度(32N,92E)附近，閃電密度值達到了0.39 fl·km-2·a-1；圖7(c)青藏高原6 月份閃電密度空間分布結(jié)果顯示出，在該月份下青藏高原閃電活動較5月份呈現(xiàn)向西發(fā)展的變化趨勢，且在經(jīng)緯度(33N,92E)附近，閃電密度值達到了峰值1.1 fl·km-2·a-1；圖7(d)青藏高原7 月份閃電密度空間分布結(jié)果顯示，在該月份下青藏高原閃電活動較6月份呈繼續(xù)向西發(fā)展的變化趨勢，且閃電密度值普遍高于0.4 fl·km-2·a-1，閃電密度最大值較6 月份向西偏移，相比于6 月份，7 月份閃電活動覆蓋范圍相對較大，但總體強度變化較小，在西部以及南部區(qū)域閃電活動偏強，而在四川盆地閃電活動相對較弱。圖7(e)青藏高原8 月份閃電密度空間分布結(jié)果顯示出，在該月份下青藏高原閃電活動整體相對較弱，且沒有顯著的高值分布中心，在青藏高原西部以及中部區(qū)域，閃電活動較強，統(tǒng)計出的密度值高于0.6 fl·km-2·a-1；圖7(f)青藏高原9 月份閃電密度空間分布結(jié)果顯示出，在該月份下青藏高原閃電活動減弱的強度較為顯著，且逐漸向東部區(qū)域發(fā)展，統(tǒng)計出的閃電密度值普遍高于0.4 fl·km-2·a-1，同時在青藏高原中部區(qū)域有小部分區(qū)域閃電活動相對較強，閃電密度值分布于0.4-0.5fl·km-2·a-1之間，而在高原西部區(qū)域閃電密度值主要以低于0.2 fl·km-2·a-1為主。

圖7 青藏高原代表月閃電密度空間分布

綜合上述分析可以看出，青藏高原閃電活動在逐月的變化過程中，總體呈現(xiàn)出從東部逐漸向西部發(fā)展，然后又向東部逐漸消退的變化規(guī)律。閃電活動從3 月份開始出現(xiàn)，在5 月份期間逐漸向高原西部區(qū)域發(fā)展，在7 月、8 月期間，閃電活動達到了峰值，從9 月份開始閃電活動逐漸向東部區(qū)域退卻，到11月份時候閃電活動幾乎消失，相對較少。

5 結(jié)論

本文主要采用青藏高原地區(qū)WWLLN 閃電定位觀測數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理，研究了該地區(qū)閃電活動時間、空間兩個尺度上的變化特征，研究所得結(jié)論能夠為青藏高原雷電防護設計工程以及雷電災害減災工作提供一定的科學指導意義。研究得出了以下結(jié)論：（1）青藏高原閃電活動具有顯著的日分布差異性，即在每個時間段內(nèi)發(fā)生的閃電頻次不一致。該地區(qū)閃電頻次主要集中在13:00～24:00 時間段內(nèi)，該地區(qū)在17:00左右總閃電頻次均達到了峰值,統(tǒng)計出的總閃電頻次為31335 次，占全天發(fā)生閃電頻次的10.4%.（2）青藏高原在每個月份下均有閃電活動的發(fā)生，總閃電頻次不一致，屬于雙峰值的變化類型。均在6 月份閃電活動達到了第一個峰值。在6 月份總閃電頻次為76443 次，占全年發(fā)生閃電頻次的22.6%；在8 月份閃電活動達到了第二個峰值，在8 月份總閃電頻次為80813 次，占全年發(fā)生閃電頻次的23.9%.（3）不同區(qū)域之間閃電密度月分布情況不一致，且每個月份下統(tǒng)計出的閃電密度值不相同。不同區(qū)域內(nèi)閃電密度月分布情況，均呈單峰值變化類型。其中高原西部、中部、中北、東北區(qū)域，閃電密度值從1月份開始緩慢的增加，從4月份開始增加的幅度相對較大，在7月份閃電密度值達到了峰值，而從7 月份之后閃電活動呈逐月遞減的變化趨勢。在西藏南部區(qū)域，閃電密度值也從1 月份開始迅速的增加，從2 月份開始增加的幅度相對較大，在5月份閃電密度值達到了峰值，閃電活動強于高原西部、中部、中北部區(qū)域，而從5 月份之后閃電活動呈逐月遞減的變化趨勢。（4）青藏高原落雷密度沒有較好的一致性，存在兩個閃電活動高值區(qū)域，主要位于中部那曲附近，探測到的閃電密度最大值為6.2 fl·km-2·a-1，另一個閃電活動高值區(qū)域，位于青藏高原東北部區(qū)域，該區(qū)域中絕大部分面積上的閃電密度值大于5 fl·km-2·a-1。在青藏高原中北部區(qū)域，探測到的閃電密度值要稍弱于上述兩個區(qū)域，但閃電活動要高于其它區(qū)域。在西藏南部以及青藏高原南部、北部等區(qū)域，探測到的閃電活動密度值普遍低于5 fl·km-2·a-1。（5）青藏高原閃電活動在逐月的變化過程中，總體呈現(xiàn)出從東部逐漸向西部發(fā)展，然后又向東部逐漸消退的變化規(guī)律。閃電活動從3月份開始出現(xiàn)，在5月份期間逐漸向高原西部區(qū)域發(fā)展，在7月、8月期間，閃電活動達到了峰值，從9月份開始閃電活動逐漸向東部區(qū)域退卻，到11月份時候閃電活動幾乎消失，相對較少。