青藏高原東北邊緣地帶2017—2020年地閃時(shí)空分布特征

唐國(guó)瑛，李豐全，王 鶯，馬 莉

（1.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；3.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅 蘭州 730020）

引言

地閃是云與大地之間的一種高電壓、大電流和強(qiáng)電磁輻射的瞬時(shí)放電現(xiàn)象。雷擊不僅可以引發(fā)森林、建筑物火災(zāi)，油庫(kù)、化工廠爆炸，還可能嚴(yán)重干擾通訊、交通、精密儀器、輸電線路的正常工作，甚至威脅人畜的生命安全。因此研究地閃的時(shí)間分布特征、放電特征及地閃的空間活動(dòng)規(guī)律，將有助于開(kāi)展雷電災(zāi)害防御，雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和城市防雷減災(zāi)工作［1-2］。

近年來(lái)，隨著閃電探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)地閃的時(shí)空分布及其影響因素進(jìn)行了觀測(cè)和研究。李如箭等［3］指出北京地區(qū)地閃月變化呈雙峰結(jié)構(gòu)，頻次高峰月份為6—8月；新疆地區(qū)2013—2016年閃電頻數(shù)的月變化則呈單峰型分布，6—7月為高發(fā)月份［4］；地處我國(guó)華南的廣州市閃電活動(dòng)較為頻繁，4月就進(jìn)入多雷期，5—8月是閃電高發(fā)期［5］，上述研究表明不同區(qū)域地閃的季節(jié)特征有所不同。同樣地，地閃頻次和地閃密度也存在區(qū)域性差異，例如貴州省近10 a來(lái)年平均地閃頻次高達(dá)44.52萬(wàn)次，地閃密度呈明顯的西高東低分布［6］；廣州地區(qū)1999—2008年年平均地閃頻次約7.6萬(wàn)次，地閃密度高值區(qū)大于10.4次·km-2·a-1［5］；劉雪濤等［7］利用1998—2013年TRMM衛(wèi)星資料得到云南地區(qū)平均閃電密度為4.7次·km-2·a-1。我國(guó)西北地區(qū)的地閃活動(dòng)則明顯弱于上述地區(qū)，如新疆地閃密度總體小于0.714次·km-2·a-1［4］；甘肅中部大部分地區(qū)地閃密度小于1次·km-2·a-1［8-9］。地閃的時(shí)空活動(dòng)特征存在局地差異主要是由于地區(qū)間氣候背景、地形地勢(shì)和水系分布等的復(fù)雜多樣［10-12］。

青藏高原東北邊緣地帶地形起伏較大，下墊面分布不均勻，強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)，是我國(guó)雷暴的多發(fā)地之一［13-14］。并且長(zhǎng)期的觀測(cè)結(jié)果表明，中國(guó)內(nèi)陸高原地區(qū)的正地閃比例明顯高于其他地區(qū)［15-16］。此外，由于正地閃具有較長(zhǎng)的云內(nèi)水平放電，空間尺度達(dá)幾十至上百千米，可釋放幾百到幾千庫(kù)倫千米的電荷矩，因此正地閃相比于負(fù)地閃造成的災(zāi)害更為嚴(yán)重［17］。基于此，本文利用2017—2020年ADTD（the advanced toa and direction system）閃電定位資料與氣象站降水量資料，對(duì)青藏高原東北邊緣地帶的地閃活動(dòng)，尤其是正地閃的時(shí)空分布特征、雷電流強(qiáng)度進(jìn)行研究，并將地閃密度與降水量、地形特征相結(jié)合進(jìn)行討論。這不僅有助于認(rèn)識(shí)該地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)規(guī)律和閃電分布特征，也進(jìn)一步為青藏高原東北邊緣地帶的雷電災(zāi)害防御工作提供理論支撐。

1 資料與方法

地閃數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省氣象局ADTD閃電定位網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料。ADTD閃電定位技術(shù)主要采用長(zhǎng)基線、時(shí)差法對(duì)閃電輻射的甚低頻信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位，其探測(cè)效率可達(dá)90%以上［18］，探測(cè)范圍平均約300 km，定位誤差小于500 m［19-20］，探測(cè)數(shù)據(jù)包括地閃發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)（經(jīng)緯度）、回?fù)綦娏鳂O性和峰值強(qiáng)度等雷電參數(shù)。

在計(jì)算地閃密度時(shí)，將研究區(qū)分割成多個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格。選擇網(wǎng)格大小時(shí)，應(yīng)保證每個(gè)網(wǎng)格單元的大小和觀測(cè)周期都滿足（1）式中的最低要求：

式中：NG（次·km-2·a-1）為地閃密度；Tobs（a）為觀測(cè)周期；Acell（km2）是每個(gè)網(wǎng)格單元面積。參考2005—2017年甘肅省平均地閃密度NG=0.222次·km-2·a-1［21］，即當(dāng)Tobs=4 a時(shí)，Acell≥91 km2為宜，即網(wǎng)格邊長(zhǎng)取大于等于10 km。本文實(shí)際分析中為了做圖美觀清晰，網(wǎng)格邊長(zhǎng)取為15 km。此外，根據(jù)觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，ADTD中小于10 kA的正地閃可能是云閃誤測(cè)導(dǎo)致，因此統(tǒng)計(jì)過(guò)程中剔除了回?fù)舴逯祻?qiáng)度小于10 kA的正地閃數(shù)據(jù)。

降水資料下載自2017—2020年全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)（CIMISS），采用青藏高原東北邊緣地帶共455個(gè)氣象臺(tái)站的逐日降水量數(shù)據(jù)。

文中附圖涉及的行政邊界均基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS（2019）1822號(hào)的中國(guó)地圖制作，底圖無(wú)修改。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷電參數(shù)時(shí)間分布特征

2.1.1 地閃數(shù)的年、月、日變化

2017—2020年研究區(qū)共發(fā)生10.82萬(wàn)余次地閃，年平均地閃頻數(shù)約2.71萬(wàn)次。如圖1（a）所示，總地閃數(shù)和負(fù)地閃數(shù)年變化趨勢(shì)相同，兩者在2018年存在明顯躍增，這一年總閃數(shù)4.08萬(wàn)余次，是2017年（1.94萬(wàn)余次）的2.10倍；負(fù)地閃數(shù)3.6萬(wàn)余次，是2017年的2.22倍。正地閃數(shù)2017、2018、2019、2020年分別約0.31、0.47、0.39、0.46萬(wàn)次。

圖1 青藏高原東北邊緣地帶2017—2020年地閃數(shù)（a）和負(fù)、正地閃占總閃比例（b）的年際變化Fig.1 Inter-annual change of the CG lightning flashes number（a）and percentage of negative and positive CG flashes in total flash number（b）from 2017 to 2020 in the northeastern verge of Tibetan Plateau

正、負(fù)地閃占總閃百分比的年際變化如圖1（b）所示，整體上正、負(fù)地閃占總閃比例的變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。年平均正、負(fù)地閃占總閃比例分別約15.73%和84.27%，負(fù)地閃約為正地閃的5.36倍。以往研究表明，正地閃平均占總閃的10%左右，但不同地區(qū)有所差異，如美國(guó)和馬來(lái)西亞正地閃占比分別約3%～9%和21.91%［22-23］。中國(guó)的京津冀地區(qū)、浙江省和廣東省正地閃占比分別約7%［24］、5.09%［25］和4.65%［9］。研究區(qū)正地閃占比明顯高于上述平均海拔較低的區(qū)域。張廷龍等［26］研究認(rèn)為相比于傳統(tǒng)的三極性電荷結(jié)構(gòu)，我國(guó)內(nèi)陸高原上空的雷暴云通常呈現(xiàn)特殊的電荷結(jié)構(gòu)特征，即雷暴云底部存在電荷密度和范圍均較大的正電荷區(qū)［27］，更易發(fā)生底部正電荷區(qū)與地面之間的正地閃，因此青藏高原東北邊緣地帶的正地閃占比較高。

圖2為研究區(qū)閃電活動(dòng)逐月分布，可以看出正、負(fù)地閃的月變化與總閃趨勢(shì)相同，呈明顯的“單峰”變化特征。夏季（6—8月）由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)，容易引發(fā)深對(duì)流和形成不穩(wěn)定層結(jié)，為閃電活動(dòng)高發(fā)期，占全年總地閃數(shù)的70.11%，8月地閃數(shù)達(dá)到全年最大值，約占全年31.12%；9月之后北方秋季到來(lái)，溫度逐漸降低，地閃活動(dòng)逐漸減少，約占全年12.77%；冬季（12月至次年2月）研究區(qū)氣溫低，蒸騰作用較弱，天氣干燥，不利于強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)發(fā)生，地閃占比僅0.04%；春季3月以后隨著氣溫升高，地面熱力活動(dòng)開(kāi)始加強(qiáng)，冰雪融化蒸發(fā)，對(duì)流活動(dòng)逐漸增多，進(jìn)而產(chǎn)生少量地閃，約占總地閃的17.08%。

圖2 2017—2020年青藏高原東北邊緣地帶地閃頻次的月際變化Fig.2 The monthly variation of the CG lightning frequency in the northeastern verge of Tibetan Plateau during 2017-2020

研究區(qū)地閃活動(dòng)呈現(xiàn)典型的“單峰”型日變化特征（圖3），且日變化幅度較大（約10%）?？傞W和負(fù)地閃高發(fā)期在08：00—17：00（北京時(shí)，下同），峰值集中出現(xiàn)在10：00—12：00，谷值出現(xiàn)在01：00—03：00。閃電活動(dòng)的日變化具有地域性特征，大部分地區(qū)雷暴日變化峰值出現(xiàn)在午后至傍晚，內(nèi)陸高原地區(qū)閃電活動(dòng)高峰主要在14：00—16：00［28］；少數(shù)地區(qū)的閃電活動(dòng)具有明顯的夜發(fā)性，如地處四川盆地的成都市地閃峰值出現(xiàn)在午夜01：00—03：00；而北京地閃峰值則呈雙峰特征，峰值分別出現(xiàn)在20：00—23：00和01：00—04：00［29］。這都與當(dāng)?shù)貜?qiáng)對(duì)流雷暴天氣出現(xiàn)的時(shí)間或下墊面等因素有很大的相關(guān)性［30］。

圖3 2017—2020年青藏高原東北邊緣地帶地閃逐時(shí)發(fā)生頻率變化Fig.3 The hourly variation of the CG lightning frequency in the northeastern verge of Tibetan Plateau during 2017-2020

青藏高原東北邊緣地帶正地閃與負(fù)地閃的日變化趨勢(shì)相似，但正地閃峰值比負(fù)地閃峰值晚1 h。前人研究也發(fā)現(xiàn)了正地閃峰值在時(shí)間上有滯后現(xiàn)象［15，31］，這可能與正地閃在雷暴消散期出現(xiàn)的比例較高有關(guān)［32］。

2.1.2 雷電流強(qiáng)度月變化

閃電接地通道中回?fù)綦娏鞯膹?qiáng)度表征地閃的強(qiáng)弱。圖4為研究區(qū)雷電流強(qiáng)度的逐月變化，由于1—3月、11—12月地閃數(shù)很少，在樣本數(shù)量很少的情況下，其平均電流強(qiáng)度的代表性有限，因此只給出4—10月的平均電流強(qiáng)度?？梢钥闯觯?—10月平均電流強(qiáng)度在40～55 kA，正、負(fù)極性平均電流分別約63.65、40.70 kA，正極性平均電流遠(yuǎn)大于負(fù)極性平均電流，是負(fù)極性地閃的1.56倍。相比湖北省正、負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度（分別為42.24、32.33 kA）［33］、浙江省正、負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度（分別為36.21、26.78 kA）［25］等，研究區(qū)正、負(fù)地閃的平均電流強(qiáng)度均偏大。

圖4 2017—2020年4—10月青藏高原東北邊緣地帶雷電流強(qiáng)度的逐月變化Fig.4 The monthly variation of the CG lightning current intensity in the northeastern verge of Tibetan Plateau from April to October during 2017-2020

綜上可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是高原與否，與負(fù)地閃相比，正地閃在整個(gè)雷暴生命史期間的發(fā)生概率一般較低，但其回?fù)綦娏鲝?qiáng)度一般大于負(fù)地閃。

2.2 地閃密度空間分布

地閃密度是計(jì)算雷擊風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)行防雷減災(zāi)設(shè)計(jì)的重要雷電參考依據(jù)。研究區(qū)2017—2020年各年和4 a平均地閃密度的精細(xì)化分布如圖5所示?？梢钥闯?，各年地閃活動(dòng)頻繁的區(qū)域較一致，但2018年平?jīng)?、慶陽(yáng)、天水、隴南市的地閃密度比其他年份更大，這也與2018年地閃數(shù)更多相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)這種情況可能與當(dāng)年?yáng)|亞夏季風(fēng)活動(dòng)頻繁有關(guān)［34］。

圖5 青藏高原東北邊緣地帶2017—2020年各年及4 a平均地閃密度空間分布（單位：次·km-2·a-1）（a）2017，（b）2018，（c）2019，（d）2020，（e）年平均Fig.5 The spatial distribution of the CG flashes density from 2017 to 2020 and annual mean values in the northeastern verge of Tibetan Plateau（Unit：fl·km-2·a-1）（a）2017，（b）2018，（c）2019，（d）2020，（e）annual mean values

研究區(qū)地閃密度具有明顯的區(qū)域性差異，4 a來(lái)地閃密度高值區(qū)（大于0.24次·km-2·a-1）主要集中在蘭州市永登縣，甘南藏族自治州碌曲縣南部、瑪曲縣的西北部和東南部及合作市一帶，天水市張家川回族自治縣，慶陽(yáng)市華池縣、環(huán)縣、鎮(zhèn)原縣、慶城縣，隴南市南部和文縣。李江林等［34］指出青藏高原與黃土高原過(guò)渡區(qū)雷暴活動(dòng)較為頻繁，尤其是甘南地區(qū)，而甘南州雷暴多發(fā)區(qū)位于西南部的瑪曲、碌曲縣到東北部的合作市之間［13］。因此這些地區(qū)的建筑物設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)雷電防護(hù)。蘭州市中、南部，定西市，白銀市，臨夏市中部，天水市西部，隴南市北部等區(qū)域地閃密度極小，在0.12次·km-2·a-1以下。

上述研究表明，青藏高原東北邊緣地帶的正地閃占比高，回?fù)綦娏鲝?qiáng)度大，因此為了加深對(duì)正地閃空間分布特征的認(rèn)識(shí)，從而加強(qiáng)對(duì)正地閃的監(jiān)測(cè)與防范，圖6給出了該地區(qū)2017—2020年各年和4 a平均正地閃密度的空間分布圖?？梢钥闯?，4 a來(lái)正地閃高發(fā)區(qū)主要集中出現(xiàn)在瑪曲縣和碌曲縣大部，定西市與甘南州交界處和慶陽(yáng)市中南部。

圖6 青藏高原東北部邊緣地帶2017—2020年各年及4 a平均正地閃密度空間分布（單位：次·km-2·a-1）（a）2017，（b）2018，（c）2019，（d）2020，（e）年平均Fig.6 The spatial distribution of the positive CG flashes density from 2017 to 2020 and annual mean values in the northeastern verge of Tibetan Plateau（Unit：fl·km-2·a-1）（a）2017，（b）2018，（c）2019，（d）2020，（e）annual mean values

2.3 地閃密度與降水量的關(guān)系

由于2017—2020年每年1—3月、11—12月地閃數(shù)非常少，因此只對(duì)比4—10月的月平均降水量和地閃密度空間分布。從圖7可以看到青藏高原東北邊緣地帶的降水量具有明顯的季節(jié)性差異，夏季降水最多，尤其是8月。并且從圖8、圖2中，均可以看出地閃活動(dòng)集中出現(xiàn)在夏季。因此通過(guò)對(duì)比圖7和圖8，認(rèn)為在時(shí)間尺度上研究區(qū)的地閃活動(dòng)與降水量有較好的一致性。

從空間來(lái)看，圖7中甘南藏族自治州、隴南市南部、慶陽(yáng)市、平?jīng)鍪薪邓科?，總體上與地閃密度空間分布（圖8）有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)位處青藏高原、黃土高原、山地的交匯過(guò)渡地帶，地勢(shì)由西向東逐漸下降，海拔落差大。其中，甘南藏族自治州地處青藏高原東北部邊緣，大部分海拔超過(guò)3000 m，下墊面分布不均勻，地形復(fù)雜，有利于局部對(duì)流的產(chǎn)生，是甘肅省的雷暴中心之一。而隴南市南部地區(qū)植被覆蓋率高，屬于長(zhǎng)江流域，充足的水汽條件有利于雷暴天氣的發(fā)生，再加上此地多山地，空氣受到山體阻礙，沿著迎風(fēng)坡上升，形成上冷下暖的大氣層結(jié)、對(duì)流加劇，容易形成對(duì)流雷暴。因此，青藏高原東北邊緣地帶的地閃活動(dòng)與降水量有很好的一致性。

圖7 青藏高原東北邊緣地帶2017—2020年4—10月逐月平均降水量空間分布（單位：mm）Fig.7 The spatial distribution of monthly mean precipitation from April to October during 2017-2020 in the northeastern verge of Tibetan Plateau（Unit：mm）

圖8 青藏高原東北邊緣地帶2017—2020年4—10月逐月平均地閃密度空間分布（單位：次·km-2）Fig.8 The spatial distribution of monthly average CG lightning density from April to October during 2017-2020 in the northeastern verge of Tibetan Plateau（Unit：fl·km-2）

3 結(jié)論

利用甘肅省2017—2020年ADTD地閃資料和全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)（CIMISS）氣象臺(tái)站的逐日降水量數(shù)據(jù)，通過(guò)分析青藏高原東北邊緣地帶地閃，尤其是正地閃發(fā)生的時(shí)空分布特征、雷電流強(qiáng)度的月平均特征及地閃密度和降水量之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1）青藏高原東北邊緣地帶年平均地閃頻數(shù)為2.71萬(wàn)次，正、負(fù)地閃數(shù)分別占總閃的15.73%和84.27%。閃電活動(dòng)月際變化呈明顯的“單峰”特征，夏季閃電最多，占全年70.11%。地閃活動(dòng)的日變化呈“單峰”型，總閃和負(fù)地閃峰值出現(xiàn)在10：00—12：00，正地閃峰值比負(fù)地閃峰值滯后約1 h。

（2）4—10月平均電流強(qiáng)度為40～55 kA。正、負(fù)極性平均電流分別約為63.65、40.70 kA，正極性平均電流遠(yuǎn)大于負(fù)極性平均電流，青藏高原東北邊緣地帶的防雷減災(zāi)工作應(yīng)加強(qiáng)對(duì)正地閃的監(jiān)測(cè)與防范。

（3）青藏高原東北邊緣地帶地閃密度高值區(qū)主要在蘭州市永登縣，甘南藏族自治州碌曲縣南部、瑪曲縣的西北部和東南部及合作市一帶，天水市張家川回族自治縣，慶陽(yáng)市華池縣、環(huán)縣、鎮(zhèn)原縣、慶城縣，隴南市南部和文縣。正地閃高發(fā)區(qū)主要集中在瑪曲縣和碌曲縣大部、定西市和甘南州交界處及慶陽(yáng)市中南部。以上地區(qū)應(yīng)當(dāng)普及防雷科普知識(shí)、加強(qiáng)雷電防范措施。

（4）地閃密度的時(shí)空分布與降水量有較好的一致性。

本文研究涉及資料僅有4 a，長(zhǎng)期的閃電活動(dòng)特征還需要進(jìn)一步的研究與驗(yàn)證。