基于VLF/LF三維閃電定位儀資料的湖北省閃電特征分析

王 慧，高玉龍，胡 晉

(湖北省黃岡市氣象局，黃岡 438000)

0 引言

閃電是對流天氣發(fā)展到一定程度而產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象，根據(jù)放電現(xiàn)象分為云地閃(簡稱地閃)和云內(nèi)閃(簡稱云閃)。地閃在發(fā)生時(shí)直接觸及地表，產(chǎn)生的強(qiáng)大電流會(huì)對人、建筑物和建筑物內(nèi)的電子設(shè)備造成極大的危害。近幾年來，國內(nèi)學(xué)者對閃電活動(dòng)特征做了大量的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了一些區(qū)域性的閃電活動(dòng)規(guī)律特征。王娟[1]、宋敏敏[2]等利用全國的2009—2012年ADTD閃電資料，對中國閃電的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析；李京校[3]等利用SAFIR3000探測資料對北京及周邊地區(qū)云閃和地閃的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析；孫明[4]等對ADTD閃電系統(tǒng)和VLF/LF閃電系統(tǒng)兩種閃電資料進(jìn)行了對比分析，得出兩者的探測效率、時(shí)空分布特征、強(qiáng)度等探測結(jié)果存在差異；成勤[5]等利用中國中部五省的ADTD閃電資料，分析了5省區(qū)域閃電頻數(shù)、閃電密度及閃電強(qiáng)度等時(shí)空分布特征，結(jié)果表明閃電密度高值區(qū)分布在湖北??；王學(xué)良[6，7]等利用湖北省ADTD閃電資料，分析了湖北省閃電的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)湖北省閃電密度高值區(qū)主要在丘陵地區(qū)，并以湖北東南部地區(qū)為最高。上述文獻(xiàn)大多基于ADTD的閃電資料。目前中國的ADTD閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行，已不能滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)工作的需求，各地開始建設(shè)VLF/LF三維閃電定位系統(tǒng)逐步替代ADTD閃電定位系統(tǒng)。因此，基于VLF/LF三維閃電監(jiān)測定位儀資料分析湖北省閃電特征，仍然十分必要。

湖北省氣象局于2014年11月在全省建立了VLF/LF型三維閃電探測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過接收閃電回?fù)糨椛涞腣LF/LF脈沖信號(hào)對閃電輻射源信號(hào)進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)了閃電VLF/LF輻射源主要參數(shù)的三維定位。其探測特點(diǎn)是定位誤差小、準(zhǔn)確度高，水平定位誤差在200 m以內(nèi)，高度定位誤差在500 m以內(nèi)。同時(shí)建立了三維閃電空間數(shù)據(jù)庫，為閃電數(shù)據(jù)可視化與統(tǒng)計(jì)分析提供了全面數(shù)據(jù)支持，為科研與業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了很好的支撐作用[8-10]。文章利用湖北省2015—2016年VLF/LF閃電數(shù)據(jù)資料，對湖北省的云閃和地閃時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，以總結(jié)湖北省閃電時(shí)空分布特征及雷電活動(dòng)規(guī)律，為湖北省的雷電災(zāi)害防御提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

根據(jù)地形特點(diǎn)，湖北省氣象局在建立VLF/LF三維閃電定位探測站時(shí)，布設(shè)點(diǎn)在周邊的山地較密集。文章選取湖北省三維閃電空間數(shù)據(jù)庫中2015-01-01—2016-12-31三維云閃與地閃數(shù)據(jù)資料，分析湖北省閃電頻次日變化、月變化、閃電密度分布特征及閃電電流強(qiáng)度分布特征。閃電日變化分析，按照每日24 h整點(diǎn)時(shí)段(北京時(shí))統(tǒng)計(jì)每小時(shí)閃電次數(shù)；閃電密度分析，按照經(jīng)緯度以0.1°×0.1°網(wǎng)格(10 km)，計(jì)算每一網(wǎng)格的云閃、地閃發(fā)生的次數(shù)，得到該地區(qū)的云閃、地閃及總閃的年平均閃電密度(次·km-2·a-1)；閃電強(qiáng)度分布特征，以5 kA、10 kA、20 kA、40 kA、60 kA、100 kA、150 kA、200 kA、250 kA、>250 kA為電流強(qiáng)度間隔分成10個(gè)電流強(qiáng)度段，統(tǒng)計(jì)各閃電強(qiáng)度段內(nèi)的云閃、地閃次數(shù)及占總閃次數(shù)的百分比，并統(tǒng)計(jì)大于各個(gè)閃電強(qiáng)度段的累積概率。

2 閃電總體特征分析

統(tǒng)計(jì)湖北省2015—2016年總閃、云閃、地閃次數(shù)及正閃百分比，可以得出，2 a的總閃次數(shù)為1，146，983次，其中，云閃總次數(shù)為359，057次，地閃總次數(shù)為787，926次，云閃次數(shù)少于地閃，這和李京校的分析結(jié)果有一定差距，與孫明的分析結(jié)果基本一致，判斷是探測儀器原因。在表1中，正云閃占總云閃的31.7%，正地閃占總地閃的13.2%，即正云閃率明顯高于正地閃率。而正地閃為13.2%，則與王娟等的分析結(jié)果具有顯著的差異。因此，對于VLF/LF閃電資料的應(yīng)用，還需要積累長序列時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入細(xì)致的分析研究。

3 閃電活動(dòng)月變化特征

3.1 總閃的月變化特征

統(tǒng)計(jì)湖北省2015—2016年平均總閃及云閃/地閃比月變化(圖1)。從圖1中看到，湖北省的云閃和地閃主要發(fā)生在4—8月，總閃占全年總閃次數(shù)的93.4%，在每年10月至次年1月云閃和地閃均極少發(fā)生，4個(gè)月的累計(jì)總數(shù)僅占年總閃的0.5%，可以忽略不計(jì)。湖北省月閃電頻數(shù)具有明顯的季節(jié)性變化，4月和7—8月為兩個(gè)峰值區(qū)。湖北省的閃電從每年的2—3月開始活動(dòng)，4月急劇增加，5—6月有所減少，至7月達(dá)到最高峰值，9月急劇減少。說明在進(jìn)入4月的春末夏初季節(jié)，隨著暖空氣的活躍及氣溫升高，對流天氣頻繁發(fā)生，閃電活動(dòng)明顯增加。2—9月的云閃與地閃之比普遍在0.32～0.64，總閃電次數(shù)少的2月、3月、9月云地閃之比較高，均在0.6以上，每年初春和初秋，云閃發(fā)生的比例較高。

圖1 湖北省2015—2016年平均總閃及云閃/地閃比月變化

3.2 云閃、地閃的月變化特征

統(tǒng)計(jì)湖北省2015—2016年平均云閃、地閃及正云閃、正地閃百分比月變化特征(圖2)。從圖2(a)看到，湖北省云閃活動(dòng)同樣具有明顯的季節(jié)性變化，4—8月云閃占總云閃次數(shù)的92.0%，在7—8月有1個(gè)高峰值區(qū)，其次數(shù)分別達(dá)46，768、40，215次，4—6月在23，600～27，500次。2月、3月、9月正云閃百分比較高，分別占37.0%、36.7%、52.5%，而占比較低的是4月、7月、8月，分別為29.2%、28.8%、29.5%。2—9月正云閃百分比平均值為35.1%。

圖2 湖北省2015—2016年云閃和地閃月變化及占比：(a)云閃；(b)地閃

湖北省地閃月頻數(shù)變化與總地閃基本一致(圖2b)。4—8月地閃占總地閃次數(shù)的94.0%，兩個(gè)峰值區(qū)出現(xiàn)在4月和7月，其次數(shù)分別達(dá)到86，492次、93，288次。2月、6月、9月正地閃的百分比較高，分別為18.1%、16.1%、17.5%，較低的是4月、5月、8月，分別為9.5%、13.9%、12.8%。2—9月正地閃百分比平均值為14.6%，其值低于正云閃20.5%。

4 閃電活動(dòng)日變化特征

4.1 總閃的日變化特征

統(tǒng)計(jì)分析湖北省2015—2016年平均總閃次數(shù)、云閃/地閃之比的日變化可知，總閃的日變化特征基本上呈雙峰單谷型，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在01：00和16：00，最高峰值在16：00，達(dá)40，000次以上，01：00的次峰值為27，780余次，低谷值出現(xiàn)在10：00—11：00，為10，000余次。1 d中的15：00—20：00為云閃高發(fā)時(shí)段，每小時(shí)約在27，000次以上。云閃與地閃之比基本在0.40～0.63，日變化的程度較小，其峰谷區(qū)不是很明顯。3個(gè)小峰值分別出現(xiàn)在07：00、13：00和18：00，在總閃的雙峰對應(yīng)有3個(gè)出現(xiàn)在15：00、02：00和22：00的小谷值區(qū)域。

4.2 云閃的日變化特征

統(tǒng)計(jì)分析湖北省2015—2016年平均云閃次數(shù)、正云閃百分率的日變化可知，云閃的日變化特征有3峰值，分別出現(xiàn)在01：00、07：00和17：00，最高峰值在17：00，達(dá)12，500次以上，低谷值出現(xiàn)在09：00—11：00，為3000余次。1 d中的15：00—20：00為云閃高發(fā)時(shí)段，每小時(shí)約在10，000次以上。從2 a平均正云閃次數(shù)所占百分比的日變化得出，正云閃次數(shù)的3個(gè)低谷值對應(yīng)總云閃的3個(gè)峰值，即正云閃的百分比與云閃次數(shù)的日變化分布呈反相位，若云閃次數(shù)多，則正云閃百分率低。

4.3 地閃的日變化特征

統(tǒng)計(jì)分析湖北省2015—2016年平均地閃次數(shù)、正地閃占比例的日變化可知，地閃的日變化特征基本上呈雙峰單谷型，最大峰值出現(xiàn)在16：00，達(dá)28，400次，次峰值出現(xiàn)在23：00，為19，650次，低谷值出現(xiàn)在10：00，約為7000次。地閃的高發(fā)時(shí)段出現(xiàn)在15：00—17：00，均在25，000次以上。正地閃百分比與總地閃次數(shù)的日變化分布呈反相位。

對比2015-2016年湖北省2 a云閃、地閃和總閃的日變化特征，3者的日變化特征基本一致，最大峰值時(shí)段(15：00—18：00)與最低谷值時(shí)段(09：00—12：00)幾乎完全一致。日變化特征均從14：00—17：00迅速增大到峰值，其后從17：00—20：00逐漸減小到最低值。每天的14：00—17：00是湖北省夏季對流性天氣高發(fā)期，是雷電防御的關(guān)鍵時(shí)段。在湖北省盛夏季節(jié)的天氣實(shí)況中，午后到傍晚經(jīng)常有雷陣雨天氣發(fā)生。

5 閃電密度分布特征

5.1 總閃密度分布特征

統(tǒng)計(jì)2015—2016年閃電密度，按照0.1°×0.1°(10 km)網(wǎng)格，計(jì)算每一網(wǎng)格內(nèi)年平均發(fā)生的總閃、云閃和地閃次數(shù)，用總閃電次數(shù)除以網(wǎng)格的面積，得到湖北省年平均總閃密度分布。由此可以看出，湖北省總閃的密度分布有明顯的地域差異，有2個(gè)高密度值區(qū)域：一個(gè)在湖北省東南部的武漢、鄂州、黃石、黃岡及咸寧北部的平原與丘陵地區(qū)，密度值普遍為4次·km-2·a-1以上，中心最大密度值為12～16次·km-2·a-1，位于黃岡市黃州、團(tuán)風(fēng)地區(qū)；另一個(gè)在湖北省西南部的咸豐、恩施及宣恩部分的高山地區(qū)，密度值普遍為4次·km-2·a-1，中心最大密度值為8～12次·km-2·a-1，位于咸豐與湖南省交界地區(qū)。湖北省的仙桃、巴東、遠(yuǎn)安與南漳交界的部分地區(qū)密度為4～8次·km-2·a-1，其他大部分地區(qū)密度為1～4次·km-2·a-1。

5.2 云閃、地閃的密度分布特征

統(tǒng)計(jì)得出湖北省云閃、地閃的年均密度分布特征與總閃特征基本一致。云閃的高密度中心值有所變化，位于咸豐的高密度中心值為6～10次·km-2·a-1，位于黃州、團(tuán)風(fēng)的高密度中心值為2～4次·km-2·a-1，少數(shù)地區(qū)為4～8次·km-2·a-1，其他大部分地區(qū)為1～2次·km-2·a-1。地閃的2個(gè)高密度中心值區(qū)域變化不大，中心密度在6～10次·km-2·a-1的范圍內(nèi)。

6 閃電強(qiáng)度分布特征

對2015—2016年閃電電流強(qiáng)度特征進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各區(qū)間段內(nèi)云閃、地閃次數(shù)占總閃次數(shù)的百分比，以及小于各個(gè)電流強(qiáng)度值的累積百分率。圖3是2015—2016年不同電流強(qiáng)度發(fā)生次數(shù)的百分比及電流強(qiáng)度累積百分率分布?？梢姡崎W、地閃的電流強(qiáng)度百分比與電流強(qiáng)度累積百分率分布較為一致，在圖3(a)中，10～60 kA云閃電流強(qiáng)度所占百分比最大，為81.6%，其中正云閃占總數(shù)的81.3%、負(fù)云閃占81.7%。分析云閃強(qiáng)度的累積百分率，強(qiáng)度≤60 kA的正云閃占總云閃的95.1%，強(qiáng)度≤60 kA的負(fù)云閃占總云閃的93.4%，強(qiáng)度≤100 kA云閃的累積百分率為98.5%。

圖3 2015—2016年不同強(qiáng)度閃電發(fā)生次數(shù)百分比及電流強(qiáng)度累計(jì)百分率分布：(a)云閃；(b)地閃

在圖3(b)中，強(qiáng)度在10～60 kA的地閃占地閃總次數(shù)的86.4%，其中正地閃占總數(shù)的69.1%，負(fù)地閃占89.1%，負(fù)地閃高出正地閃20.0%。分析地閃強(qiáng)度的累積百分率，強(qiáng)度≤60 kA的正地閃占85.6%，強(qiáng)度≤60 kA的負(fù)地閃占93.0%，強(qiáng)度≤100 kA地閃累積百分率為97.7%，其中負(fù)地閃占98.2%。

雷擊災(zāi)害事件主要是由地閃造成的，而強(qiáng)度在10～60 kA區(qū)間負(fù)地閃比率明顯高于正地閃，且負(fù)地閃發(fā)生次數(shù)也高于正地閃，因此在雷電防護(hù)方面應(yīng)重點(diǎn)防范強(qiáng)度范圍在10～60 kA內(nèi)的負(fù)地閃。

7 結(jié)束語

通過對湖北省2 a的VLF/LF三維閃電探測定位系統(tǒng)的閃電資料分析表明：

1)地閃的發(fā)生次數(shù)多于云閃次數(shù)，云閃中的正云閃比例高于地閃中的正地閃比例。云閃和地閃的高發(fā)月份為4—8月，約占全年閃電總數(shù)的93%；兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在4月和7月；云閃和地閃均在4月開始急劇增加，5月明顯減少，至8月增加到最高峰值，每年的10月至次年1月云閃、地閃發(fā)生次數(shù)極少，可忽略不計(jì)。

2)云閃和地閃的日變化特征基本一致，每日15：00—20：00為多發(fā)時(shí)段，其中云閃的最大峰值出現(xiàn)在17：00，地閃的最大峰值出現(xiàn)在16：00；每日09：00—12：00為少發(fā)時(shí)段，云閃和地閃的最小值均出現(xiàn)在上午10：00。

3)總閃空間密度分布存在一定地域差異，有2個(gè)高密度值區(qū)域，一個(gè)位于湖北省東部黃州與團(tuán)風(fēng)的丘陵、湖泊地區(qū)，中心最大密度值為12～16次·km-2·a-1；另一個(gè)在湖北省的西南部的咸豐與湖南交界處的高山地區(qū)，中心最大密度值為8～12次·km-2·a-1。云閃和地閃密度高值區(qū)也在這兩個(gè)地區(qū)，密度約為15～20次·km-2·a-1。

4)云閃與地閃的電流強(qiáng)度主要分布在10～60 kA，該強(qiáng)度范圍的云閃次數(shù)占總次數(shù)的81.6%，地閃占總次數(shù)的86.4%。在閃電強(qiáng)度10～60 kA區(qū)間段中，云閃中正、負(fù)比例基本一致，而地閃中負(fù)地閃高出正地閃20.0%。