西北內(nèi)陸高原四個地區(qū)的地閃活動特征

黎 奇, 郭鳳霞, 王文博， 夏 欣， 劉 澤, 甘明駿, 張 坤, 蔡彬彬

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室， 南京 210044)

0 引 言

雷電可對人類生命財產(chǎn)帶來巨大損失[1-3]。隨著雷電災(zāi)害造成的影響越來越不容忽視，研究雷電活動(尤其是地閃特征)的重要性日益得到認(rèn)可。掌握雷電活動特征對雷電防護和危險天氣預(yù)報都有重要作用。

西北地區(qū)處于內(nèi)蒙古高原、黃土高原和青藏高原這3大高原的交匯處，區(qū)域內(nèi)的地形復(fù)雜，海拔起伏比較大，高原、山脈、盆地和平原等分布較為廣泛，是強對流性天氣的多發(fā)地帶。其西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)已成為我國大氣電學(xué)研究野外觀測的4個典型地區(qū)。自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)學(xué)者通過雷暴地面電場反演推斷和多站同步閃電電場變化測量等多種技術(shù)手段，研究內(nèi)陸高原地區(qū)的雷暴活動特征。根據(jù)過頂雷暴的地面電場演變特征，內(nèi)陸高原地區(qū)雷暴可以分為特殊型和常規(guī)型兩類。特殊型雷暴在當(dāng)頂階段地面電場呈正極性，即雷暴下部存在范圍較大的正電荷區(qū)(LPCC)，特殊型雷暴所占比例隨海拔高度的增加有所增加；常規(guī)型雷暴在當(dāng)頂階段地面電場為負(fù)極性，與低海拔地區(qū)常規(guī)雷暴引起的地面電場類似[4]。Qie等[5]發(fā)現(xiàn)青海東部地區(qū)的雷暴云正電荷和負(fù)電荷均可控制地面電場，并指出中國內(nèi)陸高原正地閃的比例為16%～25%。西北內(nèi)陸高原地區(qū)的雷暴云具有三極性電荷結(jié)構(gòu)，且雷暴云底部的正電荷區(qū)比常規(guī)三極性電荷結(jié)構(gòu)底部的正電荷量大、分布廣[6]。

早期在西北內(nèi)陸高原的西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)進行的觀測和研究，主要是針對這些地方的雷暴。目前，尚未有研究比較過這4個地區(qū)的閃電特征。所以很有必要對這4個地區(qū)的地閃活動特征進行對比分析。基于此，本研究對這4個地區(qū)的地閃活動特征進行分析比較，這有助于我們進一步認(rèn)識這4個地區(qū)正、負(fù)地閃活動的異同。此外，閃電的類型取決于電荷結(jié)構(gòu)，因此這一研究也有助于我們結(jié)合其他分析對這4個地區(qū)電荷結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。

1 資料與研究區(qū)域

1.1 資料簡介

中國自動地閃監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，開始時以引進國外地閃定位設(shè)備為主[7]。進入90年代后，國產(chǎn)的閃電定位系統(tǒng)也開始投入業(yè)務(wù)應(yīng)用[7]。國內(nèi)的地閃定位測站分布在氣象、電力、電信、民航和部隊等部門。監(jiān)測網(wǎng)基本上用于局地的雷電監(jiān)測，尚未覆蓋全國。見圖1，2017年底中國氣象局的地閃監(jiān)測站點比2009年的明顯增加[8-9]，覆蓋的國土面積更廣，在青海、內(nèi)蒙古、黑龍江等地增加不少，西藏和新疆兩地實現(xiàn)了從無到有的變化。此外，分布明顯表現(xiàn)為東部多于西部、南方多于北方。近幾年，中國氣象局將局地地閃監(jiān)測網(wǎng)的信息進行匯總得到全國陸地區(qū)域的閃電分布情況，進一步實現(xiàn)了雷電信息全國共享，為我國雷電信息統(tǒng)計分析和雷災(zāi)預(yù)防預(yù)警提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 2009、2017年中國陸地區(qū)域地閃監(jiān)測站數(shù)量情況Fig.1 Number of CG monitoring stations in China continental area in 2009 and 2017

中國氣象局地閃監(jiān)測網(wǎng)中使用的閃電定位系統(tǒng)ADTD，是由中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制，采用時差法和定向時差聯(lián)合法對地閃進行定位。單站的探測范圍為150 km，其探測效率可達到80%～90%，定位精度500 m[10]。單站的平均運行率2009年約為89.37%，而2017年為95%以上[8-9]。觀測的信息為閃擊記錄，具體為閃擊發(fā)生的時間、經(jīng)緯度、強度、極性、陡度、定位方式以及省、市、縣。

1.2 資料處理

筆者選用了2016年1月1日到2018年12月31日全國陸地范圍內(nèi)的地閃資料。首先將閃擊記錄轉(zhuǎn)換為閃電資料(稱之為歸閃)。歸閃指標(biāo)為一次地閃中的首次回?fù)襞c最后一次回?fù)糁g的距離在10 km內(nèi)、時間差在1 s內(nèi)，且相鄰回?fù)糁g的時間不超過0.5 s[11-12]。地閃的位置取所有回?fù)舻慕?jīng)緯度平均值，峰值為首次回?fù)舻姆逯怠w閃同時，將電流值小于10 kA的正回?fù)羧サ?，防止云閃誤判為正地閃[11]。

1.3 研究區(qū)域選取

為了分析西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)鲞@4個地方的地閃特征，本研究選取了4個地區(qū)的經(jīng)緯度范圍，見表1。值得注意的是，4個地區(qū)的經(jīng)緯度范圍都包含了周邊區(qū)域，分析的實則是西北內(nèi)陸高原4個地區(qū)為中心的地閃特征。此外，由于選擇的4個地區(qū)范圍大小不一致，在比較和分析4個地區(qū)的地閃數(shù)量時，只比較變化趨勢特點，不比較地閃數(shù)量。

表1 4個地區(qū)的經(jīng)緯度信息Table 1 Longitude and latitude information of 4 regions

2 結(jié)果分析

2.1 4個地區(qū)地閃數(shù)量的日變化特征

見圖2(a)，西藏那曲地區(qū)正地閃呈單峰單谷分布，集中出現(xiàn)在14：00-24：00，高頻期為15：00-21：00。青海大通地區(qū)正地閃呈雙峰雙谷分布，主要集中在14：00-22:00，高頻期為16:00-19:00。甘肅蘭州地區(qū)正地閃呈雙峰雙谷分布，主要集中在14:00-22:00，高頻期為16:00-19:00，且4:00-9:00時段數(shù)量高于其他地區(qū)。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)閃電呈單峰單谷分布，主要集中在14:00-20:00，高頻期為15:00-19:00。比較4個地區(qū)的正地閃數(shù)量，西藏那曲、青海大通和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)均在18：00左右達到最大值，而甘肅蘭州則在19：00左右；達到最小值的情況為甘肅蘭州的最早，約為6：00左右，西藏那曲和甘肅平?jīng)龅膭t為其次，約11：00左右，青海大通的最晚，約12：00左右。由此可見，4個地區(qū)的正地閃達到峰值和谷值的時間略有差異。

圖2 2016-2018年4個地區(qū)的地閃數(shù)量的平均日變化Fig.2 Average diurnal variation characteristics of cloud-to-ground lightning (CG) numbers in the four areas from 2016 to 2018

見圖2(b)，4個地區(qū)的負(fù)地閃數(shù)量日變化大致呈現(xiàn)單峰單谷分布。西藏那曲地區(qū)的主要集中在13：00-23：00，高頻期為14：00-21：00。青海大通地區(qū)則主要集中在13：00-22:00，高頻期為15:00-20:00。甘肅蘭州地區(qū)主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-19:00。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-19:00。其中西藏那曲、青海大通和甘肅蘭州地區(qū)均在18：00 左右達到最大值，而甘肅平?jīng)鰟t在17：00左右；達到最小值的情況為甘肅蘭州的最早，約為6：00左右，而西藏那曲、甘肅平?jīng)龊颓嗪４笸ǖ募s11：00左右。

見圖2(c)，西藏那曲地區(qū)總地閃主要集中在12：00-24：00，高頻期為14：00-20：00。青海大通地區(qū)的主要集中在13：00-21:00，高頻期為15:00-20:00。甘肅蘭州地區(qū)則主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-20:00。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)主要集中在13:00-22:00，高頻期為15:00-20:00。4個地區(qū)的地閃數(shù)量日變化呈現(xiàn)單峰單谷分布，與負(fù)地閃的日變化趨勢基本一致，這是因為地閃中以發(fā)生負(fù)地閃為主，正地閃很少。

總的來看，4個地區(qū)地閃數(shù)量在15:00-19:00為高頻期，午夜和上午較少。這可能是由于高原地區(qū)在午后因輻射效應(yīng)而加熱，從而使地面溫度升高，加之高原地形的影響，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，對強對流天氣的形成有促進作用。

見圖3(a)，西藏那曲地區(qū)正、負(fù)地閃占地閃的比率情況隨小時的變化不大，且正地閃的比率只占5%～20%。見圖3(b)，青海大通的正、負(fù)地閃占總地閃的比例隨小時變化明顯。上午溫度較低，其發(fā)生的正地閃比較多，而在午后，隨著溫度的上升，正地閃占總地閃的比例明顯下降。見圖3(c)，甘肅蘭州地區(qū)，特征與青海大通類似。見圖3(d)，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)，午后的正地閃發(fā)生比例要比12：00以前的大，這與圖3中其它3個地方的特征不同。

圖3 2016-2018年4個地區(qū)正、負(fù)地閃占總地閃的百分比平均日變化Fig.3 Average diurnal variation characteristics of the percentage of PCGs and NCGs in total CGs in the four areas from 2016 to 2018

2.2 4個地區(qū)地閃數(shù)量的月變化特征

為了更好地研究4個地區(qū)的地閃特征，將全國陸地區(qū)域的地閃密度情況也進行了統(tǒng)計。見圖4，整個陸地區(qū)域的閃電主要集中在5月-9月份，即對應(yīng)于春末秋初這個時間段[13]。這主要是因為4、5月份，夏季風(fēng)開始影響中國，在8月達到最強，所以8月是我國閃電活動最強的月份。從9月開始，冬季風(fēng)從北方開始進入我國，導(dǎo)致了閃電活動的急劇減少，在11月份達到最低[13]。地閃以負(fù)地閃為主，正地閃很少，這與云內(nèi)電荷分布結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般而言，正電荷分布于云內(nèi)上部區(qū)域，而負(fù)電荷主要集中在中部，離地面更近，使得負(fù)電荷更易對地放電。此外，正地閃在冷的月份發(fā)生的比率更高,負(fù)地閃則相反。

圖4 2016-2018年中國陸地區(qū)域平均地閃密度及閃電類型百分比月變化Fig.4 Monthly variation of average CG densities and average lightning density percentage in China continental area from 2016 to 2018

由圖5(a)得，正地閃主要發(fā)生于6月-9月。西藏那曲和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的正地閃數(shù)量都呈雙峰值變化，西藏那曲地區(qū)在6月和9月達到峰值，而甘肅平?jīng)龅貐^(qū)正地閃在6月和8月達到峰值。青海大通和甘肅蘭州地區(qū)則為單峰值變化，均在8月達到峰值。

圖5 2016～2018年4個地區(qū)地閃數(shù)量的平均月變化特征Fig.5 Average monthly variation characteristics of CG numbers in the four areas from 2016 to 2018 (the same as Fig.2)

見圖5(b)，負(fù)地閃的主要發(fā)生月份與正地閃一致。4個地區(qū)的地閃數(shù)量基本上均為雙峰值變化，其西藏那曲地區(qū)最為明顯。除了在8月(西藏那曲為9月)達到峰值，6月為達到的另外一個峰值，這與圖4全國陸地的情況不一致。

總體來看，4個地區(qū)的總地閃均在11月-次年3月內(nèi)活動較弱，而5月-9月為地閃高發(fā)期，其中8月地閃數(shù)量基本上最多，6月其次。地閃中以負(fù)地閃為主，正地閃的數(shù)量很少。這與整個中國陸地區(qū)域的總體特征一致而稍有差異，應(yīng)進一步研究以加深認(rèn)識。

見圖6，正地閃占總地閃平均百分比情況為西藏那曲地區(qū)13.3%，青海大通地區(qū)17%，甘肅蘭州地區(qū)21.5%和甘肅平?jīng)龅貐^(qū)26.4%。從西藏那曲到甘肅平?jīng)?，正地閃比例越來越大，這可能是地理環(huán)境和氣象條件等差異造成的。此外，4個地區(qū)都表現(xiàn)為越冷的月份，對應(yīng)的正地閃比例越高。

圖6 2016-2018年4個地區(qū)地閃數(shù)量的平均月變化特征Fig.6 Average monthly variation characteristics of CG numbers in the four areas from 2016 to 2018 (the same as fig.3)

2.3 4個地區(qū)地閃峰值電流的月變化特征

地閃過程是由下行梯級先導(dǎo)、回?fù)舻冗^程組成[14]。而回?fù)暨^程相比地閃的其它過程，其峰值電流大、釋放能量多，對電子行業(yè)和電力部門等造成的損害更大。地閃峰值電流是地閃中重要的參量之一。其在雷電風(fēng)險評估、感應(yīng)電壓計算、閃電定位和雷災(zāi)事故鑒定等方面都需要考慮。對4個地區(qū)的地閃峰值電流進行初步的分析。見圖7，中國陸地區(qū)域正地閃平均峰值電流主要分布在50 kA～70 kA，負(fù)地閃的主要在35 kA～50 kA(絕對值)。

圖7 2016～2018年中國陸地區(qū)域地閃平均峰值電流(絕對值)月變化Fig.7 Monthly variation of CG average peak current (absolute value) in China continental area from 2016 to 2018

見圖8(a)，西藏那曲地區(qū)正地閃的平均峰值電流值為56.9 kA，最大值出現(xiàn)在1月，為95 kA，其次在8月和12月值較大。青海大通地區(qū)的平均值為34.8 kA，最大值出現(xiàn)在9月份。甘肅蘭州地區(qū)的平均值則為58.2 kA，3月-10月均較大，在50 kA～70 kA。甘肅平?jīng)龅貐^(qū)平均值為68 kA，3月份達到峰值，11月份最小。

圖8(b)中，西藏那曲地區(qū)負(fù)地閃強度的平均值為43.7 kA，12月和1月較大，其他月份在30 kA～60 kA。青海大通地區(qū)的平均值為35.7 kA，3月閃電強度超過50 kA，其它月份在20 kA～30 kA。甘肅蘭州地區(qū)則平均值為38.4 kA，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)平均值為32.6 kA。整體來看，越冷的月份，負(fù)地閃峰值電流越大，反之。負(fù)地閃的峰值電流的此特征要比正地閃的(圖8(a))明顯。這與圖7相比，正、負(fù)地閃峰值電流的分布范圍都要比4個地區(qū)的小。

圖8 2016-2018年4個地區(qū)正、負(fù)地閃峰值電流(絕對值)月變化Fig.8 Monthly variation of average peak current(absolute value) of PCG and NCG in the four areas from 2016 to 2018

總體而言，4個地區(qū)的正地閃峰值電流在3月-11月的變化范圍為45 kA～90 kA，3月-5月(春季)較大，冬季幾乎沒有正地閃發(fā)生。而在12月-次年2月，只在西藏那曲地區(qū)有正地閃發(fā)生，其中1月高達95 kA。除8月和11月外，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的地閃峰值電流比其它3個地方的大，在50 kA～70 kA 范圍內(nèi)波動。而4個地區(qū)的負(fù)地閃峰值電流，總體上都表現(xiàn)為越冷的季節(jié)其值越大。此外，結(jié)合圖5可得，負(fù)地閃雖頻次高于正地閃，但其峰值電流強度明顯小于正地閃的。

3 結(jié)論與討論

利用中國氣象局地閃監(jiān)測網(wǎng)中使用的閃電定位系統(tǒng)ADTD提供的2016-2018年全國陸地范圍的地閃資料，對西北內(nèi)陸高原中西藏那曲、青海大通、甘肅蘭州和甘肅平?jīng)鲞@4個地區(qū)地閃數(shù)量和峰值電流參數(shù)的時間變化特征進行了分析。結(jié)果表明：總地閃數(shù)量日變化呈單峰值分布，主要發(fā)生于15:00-19:00。發(fā)生月份主要在6月-9月，11月-次年2月很少。負(fù)地閃的變化規(guī)律與總地閃的變化規(guī)律基本一致，這是因為地閃以發(fā)生負(fù)地閃為主。4個地區(qū)的負(fù)地閃和總地閃達到峰值和谷值的時間基本一致，而4個地區(qū)的正地閃達到峰值和谷值的時間有些差異。此外，4個地區(qū)的正地閃峰值電流變化范圍為45 kA～90 kA，負(fù)地閃的為10 kA～50 kA，且正、負(fù)地閃峰值范圍均大于全國陸地區(qū)域的。具有差異的是甘肅平?jīng)龅貐^(qū)正地閃峰值電流達到最大值68 kA，青海大通地區(qū)達到最小值 34.8 kA；西藏那曲地區(qū)負(fù)地閃峰值電流達到最大值43.7 kA，甘肅平?jīng)龅貐^(qū)達到最小值32.6 kA。

本研究考慮了地閃數(shù)量和地閃峰值電流等參量，對西北內(nèi)陸高原4個地區(qū)的地閃特征進行分析，以期對此高原地區(qū)的地閃有更詳細(xì)的認(rèn)識。但所用的方法會帶來一定的誤差，主要來自以下3個方面：內(nèi)陸高原等地區(qū)，由于環(huán)境惡劣，地閃探測器布站少，可能會使捕捉到的地閃頻次少于實際發(fā)生的；由于地閃探測器只能觀測到地閃，沒有對云閃的情況進行分析；ADTD探測效率有限，測到的往往是峰值電流比較大的地閃，這也會給結(jié)果造成一定的誤差。以上在后續(xù)研究還需要進一步完善。