基于ADTD型閃電定位數(shù)據(jù)的江門閃電特征

吳從權，譚惠冰，張鵑，侯中陽，邢飛，吳斯敏

（江門市氣象局，廣東江門 529000）

雷電災害是聯(lián)合國國際減災委員會公布的最嚴重的十種自然災害之一，經(jīng)常導致人員傷亡，損壞供配電系統(tǒng)、通信設備等，甚至引發(fā)化學品倉庫、油庫、氣庫、彈藥庫等燃燒爆炸，產(chǎn)生不良的社會影響［1-3］。因此，掌握閃電活動時空分布特征，制定雷電防御措施，從而避免或降低雷災造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

近年來，許多專家學者對閃電活動特征進行了大量研究［4-8］。楊春明等［4］基于2010—2012年安徽省閃電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)平原、丘陵與山區(qū)的交接地帶多為閃電強度與密度的高值區(qū)域；楊敏等［5］分析了2007—2015年京津冀地區(qū)的閃電活動特征，發(fā)現(xiàn)山脈與平原過渡帶及海陸交界處的閃電活動最多；劉海兵等［6］分析了江西閃電活動受海拔高度的影響，得出閃電密度與海拔高度呈反向變化；黃潮等［7］分析了2004—2013年惠州市閃電特征，發(fā)現(xiàn)雷擊大地密度自西向東減小；范仲之等［8］利用2008—2011年ADTD閃電定位數(shù)據(jù)分析了山西省閃電時空特征與地形的相關性，得出閃電活躍區(qū)域與海拔變化劇烈的地方一致。

江門位于廣東南部，地處亞熱帶，年雷暴日數(shù)76 d，據(jù)不完全統(tǒng)計，2001年至今平均每年至少2人死于雷擊。本研究采用2017—2019年江門地區(qū)的閃電定位數(shù)據(jù)，對雷電時空分布特征進行研究，以期為開展具有針對性的雷電災害防御工作提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

本研究采用廣東省ADTD雷電定位系統(tǒng)2017—2019年江門地區(qū)的云地閃數(shù)據(jù)，其中閃電數(shù)據(jù)來源于廣東省ADTD雷電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由中國科學研究院空間科學與應用研究中心研究，主要用于監(jiān)測地閃回擊的發(fā)生時間、方位、強度、極性和上升時間等，探測半徑≥300 km、探測效率≥80%、時間精度≤10-7s。圖1為廣東省ADTD閃電定位系統(tǒng)站點分布圖。

圖1 廣東省ADTD閃電定位系統(tǒng)站點分布

為保證地閃數(shù)據(jù)的質(zhì)量，參照文獻［9］剔除雷電流幅值落在［-5，5］kA和≥500 kA，且陡度絕對值為0和≥500 kA/μs。將2017—2019年已進行質(zhì)量控制的全省監(jiān)測數(shù)據(jù)導入ArcGis，基于江門地區(qū)shp底圖獲得研究區(qū)域內(nèi)的地閃回擊數(shù)據(jù)，按時間統(tǒng)計正地閃、負地閃、總地閃及雷電流幅值。把每日08：00—20：00（北京時，下同）（不含08：00，含20：00）、20：00—08：00（不含20：00，含08：00）分別代表白天和夜間。將雷電流幅值以10 kA為間隔，統(tǒng)計各段內(nèi)的正、負地閃回擊頻次及其占總地閃回擊頻次的百分比。根據(jù)《基于雷電定位系統(tǒng)（LLS）的地閃密度 總則》GB/T 37047-2018［10］的要求，將研究區(qū)域劃分為3 km×3 km網(wǎng)格，繪制地閃回擊頻次和平均強度空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 閃電回擊頻次時空特征

1）空間分布。

從2017—2019年江門地區(qū)年平均地閃回擊頻次空間分布（圖2）可知，鶴山市北部及東部和新會區(qū)北部為地閃回擊密度大值區(qū)，最大值出現(xiàn)在鶴山市北部，為7次·km-2·年-1；恩平市、開平市及臺山東部和中部地閃回擊頻次居中；江門中部地閃回擊密度較低。

根據(jù)文獻［11］將該區(qū)域的地形分為平原（海拔高度＜200 m）、丘陵（200 m≤海拔高度＜500 m）、低山（500 m≤海拔高度＜1 000 m）、高山（海拔高度≥1 000 m）。對比圖2發(fā)現(xiàn)，密度值3次·km-2·年-1及以上的地閃活動多對應丘陵、低山地形，平原、高山地形的密度值基本介于0.5～1.5次·km-2·年-1之間。

圖2 2017—2019年江門地區(qū)地閃密度分布

2）年際分布。

統(tǒng)計2017—2019年江門地區(qū)的地閃回擊頻次，得出共發(fā)生地閃回擊76 308次，其中正地閃回擊為2 563次，負地閃回擊為73 745次，分別占總回擊頻次的3.36%和96.64%，與王學良等［12］研究湖北正地閃比例在3%～5%的結論基本一致，但與馮桂力等［13］分析山東省正閃比例為12.24%有較大區(qū)別。張義軍等［14］研究指出，南方地區(qū)的雷暴云電荷結構多表現(xiàn)為偶極性（上正下負），北方地區(qū)的雷暴云電荷結構多數(shù)為三級性（上正-中負-下次正），電荷結構不同是造成南北方地區(qū)正地閃回擊占比存在較大差異的原因之一。從2017—2019年江門地區(qū)的地閃回擊頻次逐年分布（圖3）也可以看出，江門地區(qū)地閃回擊大部分為負地閃。這是由于上正下負的雷暴云結構使得負電荷區(qū)與地面距離較近，更容易擊穿空氣從而對地產(chǎn)生放電效應［15］。

圖3 2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊頻數(shù)逐年分布

3）月分布。

從2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊頻數(shù)的逐月分布（圖略）可以發(fā)現(xiàn)，地閃回擊頻次具有明顯的季節(jié)變化，主要集中在5—9月份，占總地閃回擊頻次的89.27%，其中6—8月份為高發(fā)月份，占總頻次的69.45%，6月份閃電活動最為活躍，占總頻次的25.16%，11月至次年2月地閃回擊頻次非常少，僅占總頻次的0.01%，這是因為盛夏受太陽輻射對流活動旺盛，云體發(fā)展高，有利于云內(nèi)正負電荷的碰撞與分離，導致閃電發(fā)生次數(shù)多；而冬季對流活動弱，使得閃電活動明顯減少。負地閃回擊頻次月分布與總地閃回擊頻次月份基本一致，正地閃回擊頻次變化相對較平緩，6—8月頻次最多，占正地閃回擊頻次的58.6%。

圖4為2017—2019年江門地區(qū)每年地閃回擊頻次逐月變化，由圖4可以看出，2017年地閃回擊頻次表現(xiàn)為單峰型分布，2018年呈現(xiàn)出雙峰值型分布，2019年呈現(xiàn)出多峰值分布。其中，2017年峰值出現(xiàn)在7月份；2018年的主峰出現(xiàn)在8月份，次峰出現(xiàn)在6月份；2019年主峰出現(xiàn)在6月份，次峰分別出現(xiàn)在4和9月。

圖4 2017—2019年江門地區(qū)每年地閃回擊頻次逐月變化

4）日分布。

圖5是2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊頻次日變化，可以看出地閃回擊總頻次、負地閃回擊頻次和正地閃回擊頻次均呈現(xiàn)多峰變化。從00：00到03：00，地閃回擊頻次出現(xiàn)第1個峰值，之后一直到10：00，頻次呈波動式變化；10：00開始地閃回擊頻次大幅增加，持續(xù)到13：00，隨后開始逐漸下降；到19：00又出現(xiàn)小幅增加。地閃活動高發(fā)時段主要集中在12：00—17：00，占總回擊頻次的47.8%，這是因為午后太陽輻射使得地表溫度升高，易形成對流天氣，從而有利于出現(xiàn)雷暴和閃電。

圖5 2017—2019年江門地區(qū)每年地閃回擊頻次逐時變化

2.2 雷電流時間特征

1）年變化。

表1給出了2017—2019年逐年江門地區(qū)正、負、總地閃回擊及晝夜地閃回擊雷電流平均值。由表1可以看出，正地閃回擊在48.7～55 kA，平均值為51.3 kA；負地閃回擊電流介于36.2～37.5 kA，平均值為37.0 kA；總地閃回擊在36.6～38.1 kA，平均值為37.4 kA。3年平均正地閃電流大于負地閃電流12.5～17.5 kA，平均值為14.2 kA；夜間地閃平均電流大于白天地閃平均電流，且兩者差在6.2～7.5 kA，平均值為6.5 kA。

表1 2017—2019年江門地區(qū)正、負、總地閃回擊及晝夜地閃回擊雷電流平均值統(tǒng)計 kA

2）月變化。

圖6是2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊平均強度按不同極性逐月分布曲線，發(fā)現(xiàn)正地閃和負地閃變化趨勢比較一致。

圖6 2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊平均電流逐月變化

正地閃強度除9—10月之間出現(xiàn)了小波動，3—8月表現(xiàn)得比較平穩(wěn)；負地閃強度在3—8月呈減少-增加-減少變化，8月之后開始上升，10月到達峰值。統(tǒng)計資料表明，負地閃強度最大值出現(xiàn)在10月，為43.37 kA，最小值出現(xiàn)在3月，為31.55 kA，兩者相差11.82 kA；正地閃強度最大值出現(xiàn)在2月，為66.65 kA，最小值出現(xiàn)在9月，為46.27 kA，兩者相差20.38 kA，約為負地閃強度變化的兩倍，有研究指出，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能與空氣密度有關［16］。

3）日變化。

繪制2017-2019年江門地區(qū)地閃回擊平均強度按不同極性逐月分布曲線（圖7）。從圖7可以看出，正地閃05：00—11：00呈單峰單谷分布，12：00開始呈現(xiàn)波動式變化，最小值出現(xiàn)在13：00，為42.93 kA，至次日04：00達到最大，為59.62 kA；負地閃在05：00—10：00波動較大，最大值出現(xiàn)在05：00為46.89 kA，11：00至次日04：00大致呈單峰分布，最小值出現(xiàn)在19：00為30.41 kA，且最大值和最小時的出現(xiàn)時間均遲于正地閃，但最大強度與最小強度差值基本一致。綜上可知，正地閃和負地閃最大值出現(xiàn)在清晨，最小值出現(xiàn)在午后至傍晚時段。

圖7 2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊平均電流逐小時分布

4）區(qū)間變化。

圖8是2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊按不同電流強度區(qū)間繪制的頻次分布曲線。從圖8可知，負地閃回擊頻次和總地閃回擊頻次的變化曲線比較相似，但正地閃回擊頻次與總地閃回擊頻次的變化曲線有一定差別。負地閃回擊電流主要集中在10～50 kA，占負地閃總數(shù)的85.4%，其中20～30 kA區(qū)間的負地閃回擊頻次占比最多，為33.4%，回擊頻次從5～30 kA迅速上升，30 kA之后緩慢下降。正地閃回擊電流主要分布20～60 kA，占正地閃總數(shù)的65.5%，30～40 kA區(qū)間的正地閃回擊頻次占比最多，為20%，回擊頻次的上升和下降隨電流區(qū)間變化比較平緩。

圖8 2017—2019年江門地區(qū)地閃回擊頻次按不同強度區(qū)間的變化曲線

從2017—2019年江門地區(qū)不同電流區(qū)間的回擊頻次占總頻次的百分比及其累計頻率變化曲線（圖略）可以看出，總地閃回擊電流主要集中在10～50 kA，其中20～30 kA比例最大，為33.0%，30～40 kA次之，為26.3%。隨著電流的增大，地閃回擊頻次呈現(xiàn)出下降趨勢，≤50 kA地閃回擊頻次的累計頻率上升幅值較大，＞50 kA地閃回擊頻次的累計頻率變化較平緩。根據(jù)雷電防護 第1部分：準則（GB/T 21714.1-2015）［17］的規(guī)定“第Ⅳ級雷電防護等級對應的雷電流的最小值是16 kA，最大值是100 kA”，當雷電流幅值超出最大值或小于最小值時，可能產(chǎn)生反擊或繞擊風險。因此，統(tǒng)計這兩種幅值電流的占比，可為雷電防護工程設計提供參考。經(jīng)統(tǒng)計得出≤16 kA的地閃回擊頻次占總地閃回擊頻次的4.6%，≥100 kA的地閃回擊頻次占總地閃回擊頻次的2.6%。

3 結論

1）2017—2019年，江門地區(qū)閃電活動總體上呈現(xiàn)四周高、中間低的特點，以負地閃為主，6—8月份為高發(fā)月份，占總頻次的69.45%，日變化均表現(xiàn)出多峰型，高發(fā)時段集中在12：00—17：00，占總回擊頻次的47.8%。

2）正地閃回擊電流年平均值為51.3 kA，負地閃回擊電流年平均值為37.0 kA，夜間地閃平均電流大于白天地閃平均。正、負地閃電流月平均值變化較一致，正地閃日分布在05：00—11：00呈現(xiàn)單峰單谷特征；負地閃在11：00至次日04：00大致呈單峰型形特征，且最大值和最小值的出現(xiàn)時間均晚于正地閃。

3）負地閃和總地閃回擊電流主要集中在10～50 kA，其中20～30 kA區(qū)間的地閃回擊頻次占比最多，分別為33.4%、33.0%。正地閃回擊電流主要分布20～60 kA，其中30～40 kA區(qū)間的正地閃回擊頻次占比最多，為20%；≤16 kA的地閃回擊頻次占總地閃回擊頻次的4.6%；≥100 kA的地閃回擊頻次占總地閃回擊頻次的2.6%。