2011—2021年安徽省閃電時空分布特征分析

鞠曉雨，王 凱，朱 浩

（1.安徽省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，安徽 合肥 230031；2.淮河流域氣象中心，安徽 合肥 230031）

近年來，隨著雷電探測技術(shù)的不斷發(fā)展及資料積累，針對雷電活動的分布特征以及規(guī)律有了新的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)其具有一定的地域特征。國內(nèi)很多學(xué)者針對閃電特征和活動規(guī)律進行了大量研究，王延慧等[1]基于2013—2016年新疆地閃定位監(jiān)測資料，統(tǒng)計分析了新疆的地閃活動特征，并指出地閃密度呈現(xiàn)為北疆大于南疆，西部地區(qū)大于東部地區(qū)，山區(qū)大于沙漠戈壁；李婷等[2]利用2009—2012年的雷電流數(shù)據(jù)，得到了延安地區(qū)的雷電流幅值累積概率分布特征及計算公式；王東方等[3]通過分析北京地區(qū)的閃電時空分布特征及不同強度等級雷暴對閃電分布的貢獻，得出弱雷暴（超強雷暴）次數(shù)多（少），產(chǎn)生的閃電少（多），超強雷暴和強雷暴產(chǎn)生的閃電分別占總雷暴閃電的37%和56%；成鵬偉等[4]利用北京市與成都市的閃電定位與衛(wèi)星資料，得出北京市與成都市地閃主要分布在山地平原交界帶且相對海拔較低的地區(qū)，北京市與成都市地閃密度與海拔高度呈明顯的負(fù)相關(guān)。此外，還有眾多學(xué)者利用不同地區(qū)的閃電定位資料，分別對浙江、福建、湖北、江蘇、上海等地區(qū)的閃電特征參數(shù)進行了研究[5-9]。

安徽省南北跨度較大，山區(qū)、丘陵與平原兼具，四季分明，雷電活動頻繁，朱浩等[10]通過統(tǒng)計1998—2012年安徽省雷災(zāi)報告發(fā)現(xiàn)，全省發(fā)生雷災(zāi)事故894起，造成人員傷亡373人，導(dǎo)致直接和間接經(jīng)濟損失四千余萬元。楊春明等[11]對2010—2012年3—12月逐日閃電數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明安徽省正負(fù)閃電強度值集中在3~30 kA，陳光舟等[12]研究發(fā)現(xiàn)安徽南部的閃電數(shù)和平均電流強度比北部大，但北部正地閃比例略高于南部，王凱等[13]根據(jù)2011—2013年地閃資料，得出皖南山區(qū)地閃電流強度主要集中在10~50 kA，在雷電流強度高值區(qū)，正地閃比例略增加。為能夠更全面了解安徽省雷電氣候特征，本文利用安徽省ADTD（Advanced Direction Finding on Time Difference）閃電定位系統(tǒng)建站以來積累的11 a資料進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法（Empirical Orthogonal Function，縮寫為EOF）以及NCEP/NCAR再分析資料對全省閃電特征及空間分布開展分析，加深對地閃活動規(guī)律的認(rèn)識，為雷電監(jiān)測預(yù)警、雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃及雷電防護工作提供支撐。

1 資料與方法

分析數(shù)據(jù)來源于安徽省ADTD閃電定位系統(tǒng)所探測到的閃電資料，選取建站以來所有完整年度，即2011—2021年1—12月的閃電定位資料，主要信息包括地閃發(fā)生的時間、經(jīng)緯度、回?fù)綦娏鞣逯?、陡度和極性等。利用NCEP/NCAR再分析資料進行影響因素分析，該資料是美國氣象環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）利用觀測資料、預(yù)報模式和同化系統(tǒng)對全球從1948年到目前的氣象資料進行再分析形成的格點資料，時間長度為2011—2021年，水平分辨率為2.5°×2.5°。

首先，采用IEEE工業(yè)組文件規(guī)定的質(zhì)量控制方法，剔除地閃回?fù)綦娏鞣逯担? kA和＞200 kA的雷電流樣本，再運用數(shù)理統(tǒng)計分析趨勢變化，通過krigin插值計算得到該區(qū)域閃電頻次格點數(shù)據(jù)，每個網(wǎng)格的年平均閃電次數(shù)即為該點的地閃密度，再結(jié)合EOF方法提取主要數(shù)據(jù)特征量，并利用Origin、Surfer和ArcGIS對閃電定位數(shù)據(jù)的時空分布和空間模態(tài)等進行繪圖，最后結(jié)合Grads對再分析資料進行成因分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 年變化特征

2011—2021年共探測到地閃2 632 517次，年均239 320次，由圖1可以看出，地閃年際變化差異較大，2011年最高，達361 079次，最少在2017年，為107 611次。11 a負(fù)地閃發(fā)生2 484 928次，占地閃總數(shù)的94.02%，正地閃為147 589次，占地閃總數(shù)的5.98%，這與王娟等[14]對2009—2012年中國閃電分布特征的分析以及成勤等[15]對中部5省2007—2010年負(fù)地閃發(fā)生次數(shù)占總地閃95%的結(jié)果基本一致，主要因為雷暴云多為三級性電荷結(jié)構(gòu)，大多數(shù)地閃通常在中部負(fù)電荷區(qū)和下部正電荷區(qū)之間起始，負(fù)極性通道穿過下部正電荷區(qū)達到地面，形成負(fù)地閃[16-18]。

圖1 2011—2021年安徽省閃電頻次與平均地閃回?fù)綦娏鞣逯的曜兓?/p>

安徽省地閃年平均回?fù)綦娏鞣逯翟?3.10~41.19 kA，平均值為36.74 kA，年均地閃回?fù)綦娏鞣逯档臉?biāo)準(zhǔn)差為2.62 kA，年際變化沒有明顯規(guī)律性。進一步對逐年正、負(fù)地閃數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示，正地閃年平均回?fù)綦娏鞣逯禐?9.9 kA，標(biāo)準(zhǔn)差為4.61 kA；負(fù)地閃年平均回?fù)綦娏鞣逯禐?5.9 kA，標(biāo)準(zhǔn)差為2.59 kA，各年平均正地閃回?fù)綦娏鞣逯荡笥谪?fù)閃回?fù)綦娏鞣逯?.66~18.46 kA，平均為14.01 kA。正地閃回?fù)綦娏鞣逯岛湍觌H波動整體高于負(fù)地閃，且正、負(fù)回?fù)綦娏鞣逯荡笮∨c當(dāng)年對應(yīng)地閃發(fā)生次數(shù)沒有直接對應(yīng)關(guān)系。

表1 2011—2021年安徽省地閃統(tǒng)計

2.2 月、季變化特征

圖2為2011—2021年安徽省逐月平均地閃頻次和回?fù)綦娏鞣逯底兓厔?，總體呈單峰型特征，絕大部分地閃發(fā)生在5—9月，該時段地閃次數(shù)占全年的90.1%，其中8月閃電發(fā)生最多，月平均達82 435次，占全年的34.5%，9月以后地閃次數(shù)迅速減少，10月以后僅有零星閃電發(fā)生，至次年3月為地閃發(fā)生極少期，該結(jié)果與現(xiàn)有研究結(jié)果一致[10-12]。由此可見，7—8月安徽省雷電活動最頻繁，也是做好雷電防護工作的關(guān)鍵時期。從月平均地閃回?fù)綦娏鞣逯底兓梢钥闯觯渑c閃電頻次趨勢總體相反，整體呈夏季低、秋冬季高的特征，最小值出現(xiàn)在8月，為35.96 kA，自10月后增加明顯，最大值出現(xiàn)在12月，為80.84 kA。

圖2 2011—2021年安徽省閃電頻次與平均地閃回?fù)綦娏鞣逯翟伦兓?/p>

由表2可以看出，正、負(fù)地閃頻次在不同季節(jié)之間差異較大，但均在夏季達到峰值，春季次之，秋季和冬季較少。安徽省正地閃比例冬季最高、夏季最低，表明安徽省正地閃占總地閃的比例隨總地閃發(fā)生次數(shù)的減少而增多，這與王學(xué)良等[19]、楊敏等[20]研究結(jié)果一致。正、負(fù)地閃回?fù)綦娏鞣逯档募竟?jié)變化與頻次相反，正地閃回?fù)綦娏鞣逯嫡w高于負(fù)地閃的，且正地閃平均回?fù)綦娏鞣逯档募竟?jié)間波動較負(fù)地閃更為顯著。安徽省冬季地閃回?fù)綦娏鞣逯递^大，這可能與冬季較高的正地閃比例和正地閃回?fù)綦娏鞣逯涤嘘P(guān)[21]。

表2 2011—2021年安徽省各季節(jié)地閃統(tǒng)計

2.3 日變化特征

圖3為2011—2021年安徽省閃電發(fā)生頻次及地閃回?fù)綦娏鞣逯等兆兓厔荨?6—09時地閃發(fā)生次數(shù)較少且波動平穩(wěn)，11時為最小值，僅3 893次，之后快速陡增，峰值出現(xiàn)在16時，為24 536次，20時之后減少，正、負(fù)地閃日變化趨勢基本一致?？傮w來看，安徽省地閃活動日變化主要集中在午后至傍晚，14—19時是閃電多發(fā)時段，每小時閃電次數(shù)均在15 000次以上，占全天的57.13%。安徽省總地閃的日變化趨勢與湖北、江西等多個周邊省份相似[7，9]，但具體時段稍有不同，地閃的這種日變化特征與安徽省午后至傍晚強對流天氣活躍的氣候特征一致，主要由于上午熱力條件不足，不利于地閃形成，午后至傍晚在太陽輻射的加熱作用下，下墊面溫度升高，熱力條件較好，午后強對流有利于閃電發(fā)生。

安徽省平均地閃回?fù)綦娏鞣逯翟谝惶熘械牟▌虞^小，相差在5 kA以內(nèi)，較高值出現(xiàn)在清晨至上午氣溫相對較低的時段，最大值出現(xiàn)在06時，達40.43 kA，隨著回?fù)綦娏鞣逯禍p小，地閃頻次逐漸增大，回?fù)綦娏鞣逯档淖钚≈党霈F(xiàn)在14時，為34.6 kA。由圖3可知，平均地閃回?fù)綦娏鞣逯档娜兆兓厔菡w與頻次變化相反，即當(dāng)閃電較為活躍時，平均回?fù)綦娏鞣逯递^小，反之較大，該特征與馮真禎等[6]、王學(xué)良等[7]研究結(jié)果一致。

圖3 2011—2021年安徽省閃電頻次與平均地閃回?fù)綦娏鞣逯等兆兓?/p>

2.4 空間分布特征

選取2011—2021年安徽省閃電定位資料，以1 km×1 km網(wǎng)格，利用krigin插值法得到安徽省地閃密度和回?fù)綦娏鞣逯悼臻g分布。安徽省年平均地閃密度為1.72次/（km2·a），由北向南整體呈遞增的分布特征（圖4a），密度較高區(qū)域集中在滁州東部、六安東部以及長江以南部分地區(qū)，其中皖南山區(qū)的池州東北部及南部、宣城東部、銅陵東部地區(qū)為地閃密度高值中心，局部地區(qū)超過了4.20次/（km2·a），淮河以北地區(qū)年均地閃密度在1.00次/（km2·a）以下，這與王凱等[12]針對安徽皖南山區(qū)地閃特征對比分析的結(jié)果基本一致。安徽南北部地貌特征及氣候差異較大，安徽北部以平原為主，中部多為平原與丘陵的過渡區(qū)域，南部山區(qū)平均海拔約為500 m，鄭棟等[21]研究結(jié)果表明，閃電活動多出現(xiàn)在水體和山脈附近，在特定時段山脈和水體具有熱力和動力抬升條件，并提供充足的水汽，則更有利于雷暴的形成。李家啟等[23]研究表明重慶丘陵山區(qū)的地形對中尺度雷暴有動力抬升作用，導(dǎo)致山區(qū)閃電頻數(shù)高于丘陵和平原地區(qū)。

近11 a安徽省地閃回?fù)綦娏鞣逯悼臻g分布如圖4b所示，主要分布在30~60 kA，各市均存在若干個塊狀高值區(qū)，表明全省均有強雷電活動發(fā)生，但高值區(qū)個數(shù)由北向南明顯減少，塊狀高值區(qū)主要集中分布在亳州、淮北、宿州等地，其次為六安、淮南南部、合肥以及馬鞍山一帶，最后零星分布在長江以南地區(qū)，與圖4a對比發(fā)現(xiàn)，全省地閃回?fù)綦娏鞣逯蹬c地閃密度空間分布大致相反。

圖4 2011—2021年安徽省地閃密度（a）與回?fù)綦娏鞣逯担╞）空間分布

2.5 地閃頻次分布主成分分析

為更好地了解安徽省地閃頻次的空間分布特征，對2011—2021年全省閃電資料進行主成分分析，其載荷向量能較好地反映地閃密度的空間異常特征。表3給出了2011—2021年安徽省閃電頻次主成分分析特征值及顯著性檢驗。根據(jù)主成分分析，特征值＞1或累計貢獻率＞80%的提取原則，提取前5個主成分，特征值分別為12.91、4.46、3.36、2.20、1.38，累計方差貢獻占比90.05%，能夠全面反映安徽省地閃頻次的典型分布型。

表3 2011—2021年安徽省閃電頻次主成分分析特征值及顯著性檢驗

選取前5個特征向量進行具體分析，得到2011—2021年安徽省總地閃頻次EOF第1～5模態(tài)（圖5）。圖5a為第一模態(tài)系數(shù)分布，方差貢獻占比達到47.83%，是最主要的特征。第一模態(tài)空間函數(shù)在安徽省內(nèi)均為正值，表明安徽省閃電活動在空間上具有一致性，且閃電頻次變化趨勢基本一致，因此劃為全省一致型。

圖5b為第二模態(tài)系數(shù)分布，方差貢獻占比16.53%。正值區(qū)域的中心位于皖鄂交界的大別山區(qū)，說明大別山區(qū)的閃電頻次往往異常高于其它地區(qū)，并與淮河上游地區(qū)呈現(xiàn)反向差異特征。這一模態(tài)正好代表了大別山區(qū)在安徽省雷電活動的特殊地位，雷電活動頻繁，劃為大別山區(qū)型。

圖5c為第三模態(tài)系數(shù)分布，方差貢獻占比12.44%，空間函數(shù)正值大值區(qū)位于皖北，負(fù)值中心位于江淮之間東部，說明江淮之間東部地區(qū)的雷電頻次偏少，雷電活動不頻繁。與其他地區(qū)不同，當(dāng)皖北、皖南雷電活動頻繁時，江淮之間東部的雷電相對較少，因此劃分為江淮東部型。

圖5d為第四模態(tài)的系數(shù)分布，方差貢獻占比8.16%，零度線基本沿著長江將安徽省分割為南北兩部分，且空間函數(shù)呈現(xiàn)江南、江北反相的分布特征，正大值區(qū)位于浙皖交界的山區(qū)。由此可見，在安徽省雷電活動分布上，長江起到了分界線的作用，江南、江北形成明顯反差，皖南山區(qū)雷電活動異常頻繁，因此劃分為江南江北型。

圖5e為第五模態(tài)的系數(shù)分布，方差貢獻占比5.09%，空間函數(shù)正值大值區(qū)基本沿淮河呈帶狀分布，在淮河上下游各出現(xiàn)一個正值中心，表明沿淮河地區(qū)雷電活動頻繁，特別是豫皖交界的淮河上游地區(qū)雷電活動異常偏多，突出了沿淮河一帶雷電活動的整體一致性，因此劃分為沿淮型。

圖5 2011—2021年安徽省總地閃頻次EOF分解的前5個模態(tài)

3 影響因素分析

雷暴等強對流天氣的發(fā)生發(fā)展需要具備：充足的水汽、不穩(wěn)定層結(jié)和抬升機制[24]。圖6給出了2011—2021年安徽省上空500 hPa平均相對濕度、850 hPa平均比濕、850 hPa平均假相當(dāng)位溫和沿114°～120°E平均垂直速度的緯度—高度剖面圖。由圖6a和6b可以看出，500 hPa相對濕度和850 hPa平均比濕的數(shù)值自南向北遞減，高值中心位于皖南山區(qū)，表明安徽省南部較北部水汽條件更好。圖6c為2011—2021年850 hPa平均假相當(dāng)位溫的分布狀況。安徽省整體呈南高北低態(tài)勢，南部等值線密集，而假相當(dāng)位溫是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量，反映大氣中能量的分布和層結(jié)狀況[25]，位勢梯度大，大氣較不穩(wěn)定，是對流發(fā)生的有利條件之一。此外，潮濕的空氣給負(fù)閃電的形成提供條件，而熱力不穩(wěn)定和上升氣流密切相關(guān)，其可將過冷水滴抬升至冰相混合區(qū)，從而形成較大的電荷濃度，利于雷暴起電[26]。

除了水汽、熱力條件之外，雷暴等強對流天氣的觸發(fā)機制也非常重要，通過將114°～120°E的平均垂直速度沿著經(jīng)向垂直剖面，得到緯度—高度剖面圖（圖6d）。安徽省南部地區(qū)（低于32°N）上空，垂直速度基本為負(fù)值，500 hPa左右上升明顯，有利于雷暴等對流能量的釋放，而北部地區(qū)（高于32°N）整層高空上升速度為正，主要為下沉氣流。綜上所述，安徽省南北地區(qū)在水汽、熱力和觸發(fā)機制方面存在明顯差異，且南部地區(qū)均優(yōu)于北部地區(qū)，易發(fā)生雷暴等強對流天氣。

圖6 2011—2021年500 hPa平均相對濕度（a，單位：%）、850 hPa平均比濕（b，單位：g/kg）、850 hPa平均假相當(dāng)位溫（c，單位：K）和沿114°～120°E平均垂直速度的緯度—高度剖面（d，單位：Pa/s）

4 結(jié)論與討論

通過對2011—2012年安徽省地閃資料進行時空分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）2011—2021年安徽省總地閃次數(shù)為2 632 517次，年際變化差異較大，總體呈振蕩減少趨勢，負(fù)地閃占地閃總數(shù)的94.02%，平均地閃回?fù)綦娏鞣逯禐?5.9 kA。月變化呈單峰型特征，正、負(fù)地閃頻數(shù)均在8月達到峰值，但正地閃比例隨總地閃發(fā)生次數(shù)的減少而增多，冬季正地閃比例達32.1%，且正地閃回?fù)綦娏鞣逯导竟?jié)間波動高于負(fù)地閃，冬季較高的正地閃比例和正地閃回?fù)綦娏鞣逯悼赡転榘不帐《菊w地閃回?fù)綦娏鞣逯递^大的原因。

（2）安徽省地閃主要集中出現(xiàn)在午后時段，平均地閃回?fù)綦娏鞣逯翟谝惶熘械牟▌虞^小，相差在5 kA以內(nèi)，日變化趨勢整體與頻次變化相反，即當(dāng)?shù)亻W較為活躍時，平均回?fù)綦娏鞣逯递^小，反之較大。

（3）近11 a安徽省年平均地閃密度為1.72次/（km2·a），山區(qū)高于平原，自皖北平原向皖南山區(qū)整體遞增，高值區(qū)位于皖南山區(qū)的池州東北部及南部、宣城東部、銅陵東部等地區(qū)，年均地閃回?fù)綦娏鞣逯捣矫?，空間分布與平均地閃密度大致相反，高值區(qū)零星分布于全省各市，但高值區(qū)個數(shù)由北向南減少。

（4）安徽省閃電活動在空間上具有一致性，但南北存在一定差異，全省閃電活動的空間異常分布型依次劃分為全省一致型、大別山區(qū)型、江淮東部型、江南江北型和沿淮型。

（5）近11 a安徽省南部地區(qū)的水汽條件、熱力條件、觸發(fā)機制均優(yōu)于北部地區(qū)，南部易發(fā)生雷暴等強對流天氣，與閃電頻次的分布特征一致。

（6）本文分析了安徽省2011—2021年閃電時空分布特征，但由于安徽省地貌類型復(fù)雜多樣，山地、丘陵與平原相間分布，今后需結(jié)合不同下墊面的大氣不穩(wěn)定參數(shù)、海拔等要素開展相關(guān)性及個例研究，進一步了解全省閃電活動規(guī)律，為不同地區(qū)的雷電防御措施提供理論支撐。