浙江省沿海陸域與舟山海域地閃回擊特征分析

陳軍 孫軼 李京校 張驍 林偉 于夢穎

(1 舟山市氣象局，舟山 316021;2 北京市氣象災(zāi)害防御中心，北京 100088;3 岱山縣氣象局，岱山 316200)

引言

國內(nèi)外對陸地以及海洋區(qū)域的閃電活動已進行了一定研究。利用地閃定位系統(tǒng)，馮桂力等[1]研究了山東北部一次中尺度對流系統(tǒng)，正地閃平均峰值電流強度為33.22 kA，負地閃峰值電流強度平均為10.29 kA。李家啟等[2]研究重慶市2006—2009年閃電特征表明，正地閃僅占3.58%，正地閃平均雷電流幅值(59.6 kA)明顯大于負地閃(39.4 kA)。崔海華等[3]研究指出京津冀地區(qū)正地閃占地閃總數(shù)7.33%,河南為3.16%,內(nèi)蒙古高原為9.60%，京津冀地區(qū)正地閃與負地閃的平均雷電流強度分別為74.16 kA、40.46 kA。Chai等[4]研究2006—2012年湖北閃電定位資料表明，正地閃占總地閃數(shù)5.4%。宋曉爽等[5]研究指出，上海及周邊地區(qū)正地閃比例8.5%，陸地上的地閃密度要顯著高于湖泊和海洋上的地閃密度,而海洋上的正地閃比例顯著高于陸地。王娟等[6]研究指出，全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)ADTD獲取的2009年1月至2012年12月云地閃電中正地閃占5%左右。

根據(jù)美國NLDN定位數(shù)據(jù)，美國1992—1994年正地閃占總地閃比例4.2%～4.9%[7]。張義軍等[8]研究指出全球閃電密度高值區(qū)主要分布在海岸地區(qū)、山地地區(qū)、中尺度氣旋多發(fā)地區(qū)以及熱帶輻合帶的輻合區(qū)內(nèi),大陸、海島、沿海地區(qū)所發(fā)生的閃電占全球的88%，陸地和海洋閃電密度比近似為10∶1。

浙江省位于27°02′～31°11′N，118°01′～123°10′E，東西和南北的直線距離均為450 km左右，陸域面積10.18萬km2。舟山市位于29°32′～31°04′N，121°30′～123°25′E，舟山海域遼闊，總面積2.22萬km2，舟山群島為我國第一大群島，位于長江口以南、杭州灣以東的浙江省北部海域，島礁眾多，星羅棋布，有大小島嶼1390個，島嶼陸地面積1371 km2。

本文依據(jù)浙江省閃電定位系統(tǒng)2016—2020年資料，通過大數(shù)據(jù)分析對浙江省陸域與舟山海域進行地閃雷電參數(shù)分析，研究了地閃回擊密度、正地閃回擊占總地閃回擊的比例、正地閃和負地閃回擊的電流強度、正負地閃回擊逐月和逐時比例等地閃活動特征，通過比較分析，對于雷電災(zāi)害防御具有一定的參考價值。

1 資料和方法

1.1 資料遴選

浙江省閃電定位系統(tǒng)于2007年建成，由12個站組成，中心站位于杭州，其他11個子站分別位于11個市的氣象觀測站內(nèi)，采用ADTD閃電探測儀[9-10](由原中科院空間中心開發(fā)，核心部件為IMPACT傳感器)，組網(wǎng)密度約9000 km2/個，設(shè)計定位精度為500 m,探測效率為80%～90%。通過不同站同時(GPS全球定位自動授時)測量云地閃電回擊輻射的電磁場來確定閃電源的電流參數(shù)，采用了Uman 和Mclain 提出的傳輸線回擊電流模型，即假定電流波形不發(fā)生彎曲和雷電流沿通道傳播時不發(fā)生衰減，應(yīng)用閃電探測中較為先進的時差測向混合技術(shù),并用卡方函數(shù)最小化算法最后定位[11]。

本文采用浙江省閃電定位系統(tǒng)2016—2020年的地閃探測資料，包括地閃的時間、極性、位置、回擊電流峰值等參數(shù)。為對浙江省陸域和舟山海域的雷電參數(shù)作精確分析，先進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[12]。閃電定位系統(tǒng)存在誤觸發(fā)的情形，有一些無效數(shù)據(jù)，對于二站振幅和二站混合的定位算法，二站定位誤差很大[13]，因其探測精度較低，予以過濾，僅保留3站以上定位算法數(shù)據(jù)。地閃定位系統(tǒng)的探測效率是隨著距離站網(wǎng)中心的距離快速衰減的，舟山海域?qū)儆谡憬〉亻W定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的外緣，其探測效率和精度會有所下降。另外，鑒于測量數(shù)據(jù)中有極小部分電流強度超過了300 kA，國外研究者普遍認為自然界最大的正地閃電流強度在300 kA左右[11]。一部分數(shù)據(jù)顯示測得峰值電流為0及10 kA以下，可能是ADTD地閃定位系統(tǒng)誤判為正地閃的云閃數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，-10～0 kA的負地閃占比極低，不足1%，對計算結(jié)果不會產(chǎn)生影響，故不作濾除。綜合以上考量，遴選了-300～0 kA，10～300 kA范圍[14]作為研究分析對象。除了首次回擊，ADTD具備一定的后續(xù)回擊探測能力，在雷電防御實踐中，每一次地閃回擊均可能對生命或地面設(shè)施造成較大危害，本文以地閃回擊特征分析為主,不將一次閃電過程中可能包含的多次回擊進行歸閃處理。

1.2 分析方法

對浙江省陸域、舟山海域地閃回擊特征分區(qū)域進行統(tǒng)計和分析(本文指的是地閃回擊，下同)。對地閃回擊密度的分析采用網(wǎng)格法[15]，對閃電定位資料統(tǒng)計各評估網(wǎng)格單元的地閃密度，評估網(wǎng)格單元大小設(shè)定為0.01°×0.01°。按照地球半徑6371.004 km，以30°N線為標尺，對其每1個經(jīng)緯度網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為距離和面積，0.01°×0.01°相當(dāng)于1.069665 km2。

2 地閃特征

2.1 浙江省陸域地閃特征

根據(jù)Access和Matlab分析結(jié)果，浙江省陸域的年平均地閃回擊密度為1.97 次·km-2·a-1，年平均正地閃回擊密度為0.1 次·km-2·a-1，年平均負地閃回擊密度為1.87 次·km-2·a-1，如圖1～3所示。浙江省陸域總地閃回擊密度分布極不均勻，南部的地閃回擊密度顯著高于北部，地閃回擊密度較大值位于浙西丘陵和浙東丘陵，浙北平原相對較低。

圖1 浙江省2016—2020年平均地閃回擊密度分布

分析表明，浙江省陸域正地閃回擊占總地閃回擊的5.1%。正地閃回擊平均電流強度為42.49 kA，負地閃為33.61 kA，正負電流強度比值為1.26，若采用區(qū)域分析的方法，以29.5°N為界線將浙江省陸域大致分成北部和南部，其正、負地閃回擊電流強度對比如表1所示。

表1 浙江省陸域北部和南部正、負地閃回擊電流強度對比

分析數(shù)據(jù)顯示，北部和南部地閃回擊平均電流強度對比為：①浙江省陸域北部的正地閃回擊平均電流強度(57.67 kA)大于南部的正地閃回擊平均

圖2 浙江省2016—2020年平均正地閃回擊密度分布

圖3 浙江省2016—2020年平均負地閃回擊密度分布

電流強度(36.73 kA)，北部正地閃與南部正地閃回擊平均電流強度比值為1.57；②北部的負地閃回擊電流強度(39.54 kA)大于南部的負地閃回擊電流強度(31.74 kA)，其比值為1.25；③北部的正地閃回擊電流強度(57.67 kA)大于負地閃回擊電流強度(39.54kA)，其比值為1.46；④南部的正地閃回擊電流強度(36.73 kA)大于負地閃回擊電流強度(31.74 kA)，其比值為1.16。

研究發(fā)現(xiàn)，浙江省陸域北部正、負地閃回擊平均電流強度均分別比南部強；浙江省陸域北部的正地閃回擊顯著大于負地閃回擊電流強度，而浙江省陸域南部的正地閃回擊略大于負地閃回擊電流強度，其程度顯著下降。

按照不同月份和時次，對浙江省陸域的正負地閃回擊次數(shù)進行統(tǒng)計，如圖4～7所示，從月分布看，5—9月占96%，1月、2月、11月、12月幾乎很少；從每日時次分布看，13:00—23:00占84%，其他時段很少；從正負地閃回擊逐月對比，1—4月，11、12月正地閃回擊占比較高，其中2月正地閃回擊占比66%，1月正地閃回擊占比53%，11月正地閃回擊占比46%；從正負地閃回擊逐時對比，01:00—11:00正地閃回擊占比均超過10%，其中03:00—04:00占比達23%,04:00—05:00占比達24%。

圖4 浙江省陸域2016—2020年正、負地閃回擊次數(shù)占比年變化

圖5 浙江省陸域2016—2020年正、負地閃回擊次數(shù)占比日變化

圖6 浙江省陸域2016—2020年逐月正、負地閃回擊次數(shù)占比

圖7 浙江省陸域2016—2020年逐時正、負地閃回擊次數(shù)占比

2.2 舟山海域地閃特征

舟山海域如圖8所示，舟山海域的年平均地閃回擊密度為0.54 次·km-2·a-1，年平均正地閃回擊密度為0.06 次·km-2·a-1，年平均負地閃回擊密度為0.48 次·km-2·a-1，如圖9～11所示。發(fā)現(xiàn)舟山海域地閃回擊密度分布極不均勻，其地閃回擊密度較大值有若干離散區(qū)域，杭州灣東部和洋山港以西海域、西部比鄰寧波島嶼、舟山本島中北部、舟山六橫島南部、金塘島南部相對較大，圖中清晰可見舟山部分海域地閃回擊密度較高，是一個值得注意的現(xiàn)象。

圖8 舟山海域主要島嶼分布

圖9 舟山海域2016—2020年平均地閃回擊密度分布

圖10 舟山海域2016—2020年平均正地閃回擊密度分布

圖11 舟山海域2016—2020年平均負地閃回擊密度分布

正地閃回擊密度峰值位于舟山本島南部海域、舟山本島中北部。負地閃回擊密度峰值位于杭州灣東部和洋山港以西海域、舟山六橫島南部、金塘島南部。

分析表明，舟山海域正地閃回擊占總地閃回擊的11.1%。正地閃回擊平均電流強度為49.81 kA，負地閃回擊平均電流強度為47.77 kA，正負電流強度比值為1.04，若采用區(qū)域分析的方法，以30°N為界線將舟山海域大致分成北部和南部，其正負地閃回擊電流強度及比值如表2所示。

表2 舟山海域北部和南部正、負地閃回擊電流強度對比

北部和南部地閃回擊平均電流強度對比為：①舟山海域北部的正地閃回擊電流強度(54.91 kA)大于南部的正地閃回擊電流強度(43.70 kA)，北部正地閃與南部正地閃回擊電流強度比值為1.26；②北部的負地閃回擊電流強度(51.60 kA)大于南部的負地閃回擊電流強度43.16 kA，其比值為1.20；③北部的正地閃回擊電流強度(54.91 kA)大于負地閃回擊電流強度(51.60 kA)，其比值為1.06；④南部的正地閃回擊電流強度(43.70 kA)稍大于負地閃回擊電流強度(43.16 kA)，其比值為1.01。

研究發(fā)現(xiàn)，舟山海域北部正、負地閃回擊平均電流強度均分別比南部強，北部的正地閃回擊平均電流強度大于負地閃強度，而南部的正地閃回擊平均電流強度稍大于負地閃回擊強度，其強度顯著下降。

按照不同月份和時次，對舟山海域的正負地閃回擊次數(shù)進行統(tǒng)計，如圖12～15所示。從逐月分布看，5—9月占92%，1月、2月、11月、12月幾乎很少，從每日時次分布看，出現(xiàn)3個峰值區(qū)，02:00—06:00占19%，13:00—16:00占16%,18:00—23:00占36%，其他時段也時有發(fā)生；從正負地閃回擊逐月對比，1—4月、11月正地閃回擊占比較高，其中1、2月正地閃回擊均超過50%，1月正地閃回擊占比69%，2月正地閃回擊占比73%，11月占比達40%；從正負地閃回擊逐時對比，有16個時段正地閃回擊比例超過10%，07:00—08:00正地閃回擊占比出現(xiàn)峰值，達21%，所有時段正地閃回擊占比均超過6%。

圖12 舟山海域2016—2020年正、負地閃回擊次數(shù)占比年變化

圖13 舟山海域2016—2020年正、負地閃回擊次數(shù)占比日變化

圖14 舟山海域2016—2020年逐月正、負地閃回擊次數(shù)占比

圖15 舟山海域2016—2020年逐時正、負地閃回擊次數(shù)占比

2.3 浙江省陸域、舟山海域地閃地域差異及分析

浙江省陸域、舟山海域?qū)Ρ缺砻?，地閃回擊密度存在較大區(qū)別：①浙江省陸域年均地閃回擊密度為1.97 次·km-2·a-1，遠大于舟山海域的0.54 次·km-2·a-1，其比值為3.65；②浙江省陸域年均正地閃回擊密度為0.10 次·km-2·a-1，大于舟山海域的0.06 次·km-2·a-1，其比值為1.67；③浙江省陸域年均負地閃回擊密度為1.87 次·km-2·a-1，遠大于舟山海域的0.48 次·km-2·a-1，其比值為3.90；④浙江省陸域正地閃回擊占總地閃回擊的5.1%，舟山海域正地閃回擊占總地閃回擊的11.1%，其比值為0.46。

浙江省陸域、舟山海域的北部區(qū)域的正、負地閃回擊電流強度均明顯強于南部區(qū)域。地閃平均電流強度存在較大區(qū)別：①舟山海域的正、負地閃回擊電流強度均分別比浙江省陸域的強；②舟山海域的正、負地閃回擊電流強度比值明顯小于浙江省陸域。

浙江省陸域和舟山海域的地閃回擊主要發(fā)生在5—9月，1—2月、11—12月幾乎很少；浙江省陸域地閃回擊主要發(fā)生在13:00—23:00，占84%，舟山海域則出現(xiàn)3個峰值區(qū)，02:00—06:00占19%，13:00—16:00占16%,18:00—23:00占36%；浙江省陸域和舟山海域1—4月、11月正地閃回擊占均比較高，其中1—2月超過50%,冬季的正地閃回擊數(shù)占比較高；浙江省陸域有11個時段正地閃回擊占比超過10%，舟山海域有16個時段正地閃回擊占比超過10%。

舟山海域的地閃地域特征顯著，正地閃回擊的比例特別高，正地閃回擊的平均電流強度稍大于負地閃回擊，利用氣象學(xué)和大氣電學(xué)對其進行初步分析,主要有以下5個因素：①根據(jù)舟山市歷年氣象觀測資料，一年四季均有可能發(fā)生雷暴，冬季雷暴會產(chǎn)生更多的正地閃[11]。②影響舟山海域的天氣系統(tǒng)以前部層狀降水中尺度對流系統(tǒng)為主，利于正地閃的產(chǎn)生[16]，受高空風(fēng)影響，隨著颮線平移，雷暴云正負電荷結(jié)構(gòu)傾斜，正負電荷區(qū)出現(xiàn)水平方向上的錯位，云地閃頂部電荷結(jié)構(gòu)變形，可能導(dǎo)致正地閃增加[17]。③雖然大部分地閃活動具有快速生成并消亡的特性，但是舟山海域地理位置特殊，位于杭州灣外口，杭州灣南側(cè)的寧波距離舟山本島約20 km，杭州灣北側(cè)的上海距離洋山島約25 km，距離泗礁島約50 km，舟山陸域面積很小，最大的舟山本島僅502 km2，不利于本地雷暴的生成，易受從上海南部、浙江北部或中部朝東方向發(fā)展移動的線狀中尺度強對流系統(tǒng)(MCS，也稱為颮線)影響[18]，抵達舟山海域時，線狀中尺度對流系統(tǒng)以消散階段為主，導(dǎo)致層狀云區(qū)的正地閃相對頻繁[1]，這也正是舟山海域正地閃比例比較高的主要原因之一。④正地閃頻繁觸發(fā)，使大量正電荷快速釋放到地面，正電荷區(qū)攜帶的電荷顯著減少，出現(xiàn)了正地閃回擊的平均電流強度稍大于負地閃回擊的情形。⑤根據(jù)陳淑琴等[19]對舟山多普勒雷達回波資料的分析，沿著杭州灣入海對流單體，在海岸線北側(cè)大概率發(fā)展加強或維持，在海岸線南側(cè)入海時大概率減弱，一定程度上導(dǎo)致了正地閃回擊平均電流強度在舟山海域的南北差異。

2.4 陸地與海洋的地閃地域差異

根據(jù)國內(nèi)外文獻[1-7]，對正地閃占總地閃的比例、各地正地閃平均電流強度與負地閃平均電流強度的對比匯總?cè)绫?、表4所示。

表3 正地閃占總地閃數(shù)比例對比

表4 正地閃平均電流強度與負地閃平均電流強度對比

表中統(tǒng)計信息表明，世界各地報告的陸地和海洋的正地閃占總地閃數(shù)比例變化較大，海洋上的正地閃占總地閃數(shù)比例比較高；陸地上的正地閃平均電流強度與負地閃平均電流強度的比值基本都遠大于1，如京津冀、山東、重慶等正地閃遠大于負地閃平均電流強度，而海洋上的正地閃平均電流強度稍大于負地閃，這個發(fā)現(xiàn)有待進一步研究。

3 結(jié)論和討論

通過對浙江省閃電定位系統(tǒng)2016—2020年數(shù)據(jù)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)陸域年均地閃回擊密度為1.97 次·km-2·a-1，年平均正地閃回擊密度為0.10 次·km-2·a-1，正地閃回擊占總地閃回擊的5.1%，正地閃回擊平均電流強度為42.49 kA，負地閃回擊平均電流強度為33.61 kA，正負電流強度比值為1.26。

(2)舟山海域年均地閃回擊密度為0.54 次·km-2·a-1，年平均正地閃回擊密度為0.06 次·km-2·a-1，正地閃回擊占總地閃回擊的11.1%，平均正地閃回擊強度為49.81 kA，平均負地閃回擊強度為47.77 kA，電流強度比值為1.04。

(3)浙江省陸域、舟山海域的北部區(qū)域的正、負地閃回擊電流強度均明顯強于南部區(qū)域；舟山海域的正地閃和負地閃回擊電流強度均分別比浙江省陸域的強，舟山海域的正負地閃回擊電流強度比值明顯小于浙江省陸域。

(4)不同區(qū)域正地閃與負地閃回擊平均電流強度的比值有較大差異，舟山海域的正地閃回擊的比例特別高，正地閃回擊的平均電流強度稍大于負地閃回擊。

(5)舟山海域易受從上海南部、浙江北部或中部朝東方向發(fā)展移動的中尺度強對流系統(tǒng)影響，抵達舟山的線狀中尺度對流系統(tǒng)以消散階段為主，導(dǎo)致層狀云區(qū)的正地閃相對頻繁；沿著杭州灣入海對流單體，在海岸線北側(cè)大概率發(fā)展加強或維持，在海岸線南側(cè)入海時大概率減弱，一定程度上導(dǎo)致了正地閃回擊平均電流強度在舟山海域的南北差異。

(6)浙江省陸域和舟山海域的地閃主要發(fā)生在5—9月，1—2月、11—12月幾乎很少，冬季的正地閃回擊數(shù)占比較高。

(7)出于探測效率和定位精度等因素的綜合考慮，分析時刪除了二站定位算法的數(shù)據(jù)，地閃密度值可能偏低，浙江省多丘陵，海岸線較長，探測站所處地形地表的不規(guī)則起伏環(huán)境可能對閃電定位系統(tǒng)探測精度和效率有一定影響[20]。

(8)陸地與海洋的地閃活動具有較大的差異，相關(guān)問題有待進一步研究。