新疆不同區(qū)域閃電頻次的時(shí)間變化特征

李博淵，趙江偉，莊曉翠

(阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰 836500)

閃電即雷電，是強(qiáng)對(duì)流天氣(雷暴)的產(chǎn)物之一，常伴隨著瞬間強(qiáng)放電現(xiàn)象，極易造成建筑物、電力電子設(shè)備、家用電器損毀，甚至人身傷害[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，全球每年因雷電造成的人員傷亡超過1萬人，所造成的損失在10億美元以上，閃電被聯(lián)合國公布為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”[2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，閃電所造成的損失日趨嚴(yán)重[3]，因此，對(duì)閃電的深入研究顯得尤為重要。隨著閃電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的不斷完善，對(duì)閃電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量研究，美國的閃電主要發(fā)生在夏季，近幾年有增加的趨勢(shì)，南部的佛羅里達(dá)州閃電具有季節(jié)性、區(qū)域性，閃電活動(dòng)的變化可能與自然或人為引起的氣候變化有關(guān)[4-6]。中國雷電活動(dòng)劃分為4個(gè)區(qū)域，華南地區(qū)最高，西南次之，第3是華東、華北和東北地區(qū)，西北最低[7]。已有一些學(xué)者對(duì)各地閃電的時(shí)空分布特征等進(jìn)行了研究[8-13]。

關(guān)于新疆的閃電也有一些學(xué)者開展了研究。新疆地閃主要出現(xiàn)在6—8月，其中負(fù)閃占總閃的84.7%，閃電密度呈現(xiàn)出北疆大于南疆，西部地區(qū)大于東部地區(qū)，山區(qū)大于沙漠戈壁[14-15]；西天山地區(qū)以正閃為主，正閃占總閃的比例達(dá)66% ，但負(fù)閃強(qiáng)度大于正閃[16]；克拉瑪依閃電日以夏季出現(xiàn)最多，春季次之，秋季較少，冬季沒有觀測(cè)到閃電[17]；塔城地區(qū)年平均閃電日數(shù)16 d，集中出現(xiàn)在春季和夏季，近40 a內(nèi)閃電日數(shù)呈線性減少趨勢(shì)[18]。新疆ADTD雷電探測(cè)定位系統(tǒng)的建設(shè)相對(duì)滯后，對(duì)不同區(qū)域(北疆、南疆、東疆)閃電的時(shí)間變化特征缺少研究。本文運(yùn)用2014—2019年ADTD雷電探測(cè)定位系統(tǒng)獲取的地閃資料，較全面地分析了新疆3個(gè)區(qū)域閃電的時(shí)間變化特征，進(jìn)一步加深對(duì)新疆不同區(qū)域閃電活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)；同時(shí)閃電的發(fā)生總是伴隨強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展和演變，將閃電和強(qiáng)對(duì)流天氣聯(lián)系起來，有助于提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)概況及資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于歐亞大陸腹地，中國西北部。南部是帕米爾高原、昆侖山、阿爾金山及青藏高原，北部是阿爾泰山脈，呈西北東南走向；最具代表性的當(dāng)屬天山山脈，它橫亙新疆中部，將新疆分為南北兩大部分，形成了塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地，以及塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠(圖1)。根據(jù)地形和氣候差異本文將新疆分為北疆、南疆、東疆3個(gè)區(qū)域，對(duì)比研究不同區(qū)域閃電的時(shí)間變化特征。

1.2 資料及方法

所用的閃電資料是新疆39部(圖1)ADTD雷電探測(cè)定位(探測(cè)范圍覆蓋全疆及周邊地區(qū)，簡(jiǎn)稱ADTD)系統(tǒng)獲取的閃電資料，該資料經(jīng)過新疆氣象信息中心進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制。ADTD閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制，利用到達(dá)時(shí)差法的原理對(duì)地閃進(jìn)行定位，有效探測(cè)半徑是150 km，可以給出閃電發(fā)生的時(shí)間、電流強(qiáng)度、極性、經(jīng)緯度、陡度等相關(guān)參數(shù)。閃電數(shù)據(jù)中將回?fù)魯?shù)據(jù)歸為地閃數(shù)據(jù)。按照相鄰兩次回?fù)魯?shù)據(jù)的時(shí)間間隔≤0.5 s，并且這兩次回?fù)舳ㄎ晃恢玫乃骄嚯x≤10 km，同時(shí)滿足這兩個(gè)條件歸為一次閃電，歸閃之后該次地閃的經(jīng)緯度、時(shí)間等數(shù)值取所有回?fù)暨^程的平均值[11,16-17]。

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析新疆不同區(qū)域閃電頻次的時(shí)間變化特征。由于新疆閃電主要發(fā)生在5—9月(暖季)[14]，因此選用2014—2019年暖季全疆范圍內(nèi)閃電資料，對(duì)新疆3個(gè)不同區(qū)域閃電的年、月、旬、日，各時(shí)段發(fā)生的總閃及正、負(fù)閃頻次的時(shí)間變化進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 北疆

2.1.1 年變化 由北疆2014—2019年閃電頻次年變化圖(圖2a)可知，近6 a年平均總閃為27 192次，主要以負(fù)閃為主，負(fù)閃占總閃的84%，略低于全疆[11]。2014、2016、2019年閃電頻次發(fā)生較多，分別為47 041、44 275、51 069次，2019年最多；2018年最少(21 180次)，最多年份是最少的2.4倍。正閃最多年份(6 992次)是最少年(3 567)的2.0倍。負(fù)閃占比最高出現(xiàn)在2014年(90%)，其次是2019年(86%)；最低出現(xiàn)在2017年(78%)，其次是2015年(81%)?？傮w來看，負(fù)閃占比與總閃有關(guān)，總閃越多負(fù)閃占比相對(duì)較高。

2.1.2 月變化 北疆閃電頻次的月變化呈單峰型分布(圖2b)，5月至6月迅速增多， 7月繼續(xù)增多，且總閃7月達(dá)峰值，頻次為15 938次，之后，迅速減少，9月最少(1 597次)?？傞W頻次最多月是最少月10.0倍。由圖2b可知，北疆閃電主要集中在6—7月，與短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生時(shí)段一致[23]。負(fù)閃占比峰值出現(xiàn)在7月(87%)，與總閃頻次峰值一致；其他月份為76%～85%，9月最低?？梢姡苯驹麻W電的負(fù)閃與正閃占比特征也是總閃頻次越多，負(fù)閃占比越高，正閃占比越低，與年正、負(fù)閃占比規(guī)律一致。

2.1.3 旬變化 分析北疆近6 a暖季閃電頻次的旬變化(圖3a)可知，該區(qū)域旬閃電頻次呈單峰型分布。5月上旬至6月下旬閃電頻次迅速增多，總閃7月上旬達(dá)峰值(6 197次)，7月中旬和下旬，閃電頻次略有減小，7月下旬至8月上旬閃電頻次迅速減小，之后至9月下旬閃電頻次緩慢減小，達(dá)暖季北疆旬最小值(390次)。正閃與總閃的演變一致，也在7月上旬達(dá)峰值(882次)；負(fù)閃則在6月下旬達(dá)峰值(5 439次)，超前總閃和正閃1旬。北疆暖季閃電頻次旬最大值是最小值的15.9倍。北疆閃電頻次的活躍期與短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)時(shí)段基本一致[21-22]，主要原因是北疆6月下旬至7月下旬，冷暖空氣較活躍，有利于對(duì)流天氣發(fā)生，也說明閃電與對(duì)流天氣呈正相關(guān)。負(fù)閃占比最高為88%，出現(xiàn)在6月下旬，而閃電頻次高發(fā)時(shí)段負(fù)閃占比為86%～88%，其他時(shí)段低于該值，為72%～84%，最低出現(xiàn)在9月中旬為(72%)?？梢?，負(fù)閃占比也遵循總閃越多負(fù)閃占比相對(duì)較高的規(guī)律，與年、月變化一致。

2.1.4 日變化 北疆閃電頻次日變化呈單峰型分布，集中發(fā)生在午后至傍晚，峰值出現(xiàn)在16時(shí)(圖3b)，與該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的活躍時(shí)段一致[23]?？傞W和負(fù)閃16時(shí)為峰值，分別為3 829次、3 291次；正閃峰值出現(xiàn)在17時(shí)，頻次為568次，比負(fù)閃滯后1 h。總閃和負(fù)閃的谷值出現(xiàn)在09時(shí)(397次、336次)，正閃出現(xiàn)在10時(shí)(53次)，比負(fù)閃也滯后1 h。日變化峰值是谷值的9.6倍。正閃峰值滯后負(fù)閃1 h的主要原因可能是由于負(fù)閃占總閃的絕大多數(shù)，且相對(duì)于正閃而言離地面較近，負(fù)閃發(fā)生概率明顯高于正閃，致使云地放電過程中負(fù)閃早于正閃達(dá)到峰值(谷值)[7]。日變化中，負(fù)閃、正閃占比平均為85%、15%，負(fù)閃占比最高出現(xiàn)在07時(shí)(90%)，但午后至傍晚為閃電頻次高發(fā)時(shí)段，負(fù)閃占比為82%～88%；因此，總體上仍遵循總閃頻次越多，負(fù)閃占比越高，正閃占比越低的規(guī)律，與年、旬、月變化一致。

2.2 南疆

2.2.1 年變化 由圖4a可知，近6 a暖季南疆閃電頻次年變化相對(duì)平緩，總閃頻次明顯少于北疆，北疆是南疆的2.5倍。總閃和負(fù)閃2019年發(fā)生頻次最多，分別為19 387次、16 995次。2016年正閃發(fā)生頻次最多，為2 743次。2014年南疆總閃頻次最少，為11 965次，最多年是最少年的1.6倍；正閃最少年出現(xiàn)在2018年，為1 666次，正閃最多年也是最少年的1.6倍。南疆負(fù)閃占比平均為87%，高于北疆，主要是因?yàn)楸苯暥容^南疆高，隨著緯度增高負(fù)閃比例也有所減小[14]。負(fù)閃占比為84%～89%，占比最少出現(xiàn)在2016年和2017年(84%)。南、北疆閃電頻次的年差異與氣候差異有關(guān)。由于南疆盆地塔克拉瑪干沙漠地形特殊性和北、西、南三面環(huán)山的地貌特征，使得南疆夏季水汽含量明顯少于北疆，因此閃電頻次明顯少于北疆。 正負(fù)閃占比規(guī)律與北疆基本一致。

2.2.2 月變化 近6 a南疆閃電頻次月變化呈明顯的單峰型(圖4b)，與北疆相似，峰值出現(xiàn)在6月，月總閃頻次為4 763次，負(fù)閃為4 296次，正閃為494次。5月閃電發(fā)生頻次最少，為1 735次，負(fù)閃和正閃分別為1 400次和334次。最多月是最少月的2.7倍。7月閃電頻次迅速減少，之后閃電頻次緩慢減少，說明南疆閃電頻次的月變化沒有北疆劇烈。負(fù)、正閃占比平均為86%、14%。負(fù)閃占比為81%～90%，最高也出現(xiàn)6月，為90%；最低出現(xiàn)在5月(81%)，高于北疆(圖4b)。負(fù)閃占比月分布規(guī)律與北疆一致。

2.2.3 旬變化 近6 a南疆閃電頻次的旬變化呈雙峰分布特征(圖5a)，與北疆不同。5上旬至6月中旬閃電頻次逐漸增加，6月中旬至下旬閃電頻次迅速增加，并在下旬達(dá)主峰值，總閃頻次為2 189次，該時(shí)間為正閃的次峰值(236次)。6月下旬至7月下旬，閃電頻次迅速減小，之后逐漸增加，在8月中旬出現(xiàn)弱峰值；8月下旬略減少，9月上旬迅速增多出現(xiàn)次峰值，總閃頻次為1 579次，此時(shí)為正閃的主峰值(288次)。9月中、下旬閃電頻次迅速減小，下旬為暖季閃電頻次的最小值(243次)。南疆暖季旬閃電頻次的最大值是最小值得9.0倍，小于北疆，這也進(jìn)一步說明，南疆閃電頻次旬變化沒有北疆劇烈。南疆閃電頻次主峰值時(shí)段，負(fù)閃占比為89%～90%，其他時(shí)段為73%～89%，因此，總體上，暖季南疆負(fù)閃與正閃占比的旬變化依然是總閃頻次越多負(fù)閃占比越高的規(guī)律?？梢姡辖W電頻次有2個(gè)活躍期，分別為6月上旬至7月上旬，8月中旬至9月上旬，而短時(shí)強(qiáng)降水也有2個(gè)活躍期，分別為6月中旬至7月上旬、8月中旬至9月上旬，與閃電頻次基本一致[24]，這也進(jìn)一步說明，閃電總是與對(duì)流天氣關(guān)系密切。

2.2.4 日變化 由圖5b可知，近6 a南疆暖季閃電頻次的日變化，總體上與北疆一致，呈單峰型分布。午后14時(shí)—17時(shí)閃電頻次迅速增多，18時(shí)繼續(xù)增多，并達(dá)一日中的峰值(1 521次)，但正閃峰值出現(xiàn)在17時(shí)(154次)，早于負(fù)閃1 h，與北疆不同；18時(shí)—22時(shí)閃電頻次迅速減小，23時(shí)至次日10時(shí)閃電頻次緩慢下降，并達(dá)谷值(115次)，正閃谷值與北疆一致，出現(xiàn)在11時(shí)，滯后負(fù)閃1 h。南疆暖季閃電頻次的日變化峰值是谷值的13.2倍，明顯高于北疆，說明南疆暖季閃電頻次的日變化比北疆劇烈。主要原因是南疆位于塔克拉瑪干沙漠，屬于典型的內(nèi)陸荒漠極端干旱氣候，白天升溫迅速，夜間降溫迅速，氣溫日較差大于北疆。白天大氣的不穩(wěn)定性迅速增大，更有利于對(duì)流的發(fā)生，夜間由于降溫迅速大氣快速趨于穩(wěn)定，發(fā)生閃電的概率小。南疆暖季閃電的日變化中，峰值時(shí)段負(fù)閃占比為90%～91%，高于北疆，其他時(shí)段為71%～88%；負(fù)、正閃平均占比83%、17%。因此，總體上，日變化中負(fù)閃與正閃占比規(guī)律與北疆一致。

2.3 東疆

2.3.1 年變化 由圖6a可知，東疆暖季閃電頻次的年變化與南、北疆明顯不同，近6 a總閃頻次為3 627次，明顯少于南疆和北疆；北疆閃電頻次是東疆的10倍，南疆是東疆的4倍。東疆2014年閃電頻次最多，明顯多于其他年份，總閃頻次為8 064次，2015、2016年迅速減小，2016年總閃頻次最少(1 875次)，之后閃電頻次逐年緩慢增多。東疆暖季閃電頻次最多年是最少年的4.3倍，正閃最多年(954次)是最少年(260次)的3.7倍，明顯高于北疆和南疆。負(fù)閃占比2014年最高(88%)，其次是2018年(87%)；2015年最低(81%)，其次是2019年(85%)。可見東疆負(fù)閃占比規(guī)律與北疆、南疆有些差異，可能與東疆特殊的地形有關(guān)：中部為天山山脈，北部為蒙古高原，東、南為青藏高原，西為火焰山和塔克拉瑪干沙漠；天山山脈和蒙古高原呈西北東南向。

2.3.2 月變化 近6 a東疆閃電頻次月變化與北疆相似，集中發(fā)生在6月和7月，峰值出現(xiàn)在6月，與南疆相同(圖6b)。峰值月總閃發(fā)生頻次為1 507次，負(fù)閃為1 248次，正閃為259次(圖6b)。8、9月閃電頻次迅速減少，9月發(fā)生頻次最少(89次)；其次是5月(105次)，但負(fù)閃最少發(fā)生在5月(66次)。東疆暖季閃電頻次最多月是最少月的16.9倍，月變化比南疆劇烈。東疆暖季負(fù)、正閃占比平均分別為82%、18%。負(fù)閃占比最高出現(xiàn)7、8月為89%；最低出現(xiàn)在5月(63%)，為負(fù)閃占比最低月。負(fù)閃占比峰值月與閃電頻次發(fā)生峰值月不同。正負(fù)閃占比規(guī)律與南、北疆存在一些差異。

2.3.3 旬變化 由圖7a可知，近6 a東疆暖季閃電頻次旬變化分布與北疆基本一致，呈單峰型分布。6月上旬至下旬閃電頻次迅速增多，并在下旬達(dá)峰值，總閃為813次，負(fù)閃為709次，但正閃在6月中旬達(dá)峰值(131次)，超前負(fù)閃。6月下旬至7月上旬閃電頻次迅速減小，7月中旬略有增多，7月下旬迅速減小，之后緩慢減小。5月下旬閃電頻次最少(27次)，但正閃最少出現(xiàn)在9月上旬和下旬(4次)。閃電頻次最多旬是最少旬的30.1倍，正閃則為32.8倍，明顯高于北疆和南疆，進(jìn)一步說明東疆閃電頻次變化是全疆最劇烈的區(qū)域。東疆暖季旬負(fù)、正閃占比平均分別為81%、19%。負(fù)閃占比最高旬，出現(xiàn)在8月中旬，高達(dá)93%，明顯高于南疆和北疆。在閃電頻次旬峰值中，負(fù)閃占比為87%。在夏季閃電頻次多發(fā)時(shí)段6上旬至7月下旬，負(fù)閃占比為75%～90%，其他時(shí)段為38%～93%；5月上旬為負(fù)閃占比最低的旬(38%)，也是全疆負(fù)閃占比最低的旬?？梢姡?月上旬正閃占比超過了負(fù)閃，為62%，5月中旬之后開始負(fù)閃占比超過正閃；閃電發(fā)生頻次的峰值出現(xiàn)在6月下旬，負(fù)閃占比最大出現(xiàn)在8月中旬(93%)。東疆負(fù)閃、正閃的占比規(guī)律在旬變化中與南疆和北疆有些差異，可能與其特殊的地形有關(guān)。

2.3.4 日變化 由圖7b可知，近6 a東疆暖季閃電頻次的日變化與南疆和北疆略有差異。在12時(shí)—15時(shí)閃電頻次迅速增多，并在15時(shí)達(dá)峰值(401次)，正閃的峰值滯后1 h，出現(xiàn)在16時(shí)(65次)。16時(shí)—22時(shí)閃電頻次迅速減小，22時(shí)—00時(shí)略有增多，出現(xiàn)一個(gè)弱峰值(117次)。00時(shí)—10時(shí)閃電頻次呈緩慢波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，分別在05時(shí)、07時(shí)、09時(shí)出現(xiàn)弱峰值，10時(shí)為閃電頻次最少的時(shí)次(31次)。東疆正閃的變化較復(fù)雜，01時(shí)、03時(shí)、04時(shí)、11時(shí)均為正閃最少的時(shí)次(7次)。日變化最大值是最小值的12.9倍。東疆暖季負(fù)、正閃占比日平均為86%、14%，負(fù)閃占比最大的出現(xiàn)在00時(shí)(93%)，正閃占比最大出現(xiàn)在閃電頻次最少的10時(shí)(26%)。在閃電活躍時(shí)段12時(shí)—20時(shí)負(fù)閃占比為82%～87%，在閃電不活躍時(shí)段負(fù)閃占比為74%～93%?？梢?，東疆負(fù)閃、正閃占比的日變化規(guī)律與南疆和北疆也存在一些差異。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)2014—2019年暖季新疆39部ADTD雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)獲取的地閃資料，針對(duì)不同區(qū)域閃電的時(shí)間變化特征進(jìn)行了分析，初步得到以下結(jié)論。

(1)近6 a北疆閃電頻次年、月、旬、日最多是最少的2.4倍、10.0倍、15.9倍、9.6倍。月、旬、日變化均呈單峰型。6月下旬和7月上旬為閃電峰值時(shí)段；總閃和正閃峰值出現(xiàn)在7月上旬，負(fù)閃峰值超前正閃1旬。日變化總閃和負(fù)閃16時(shí)為峰值，正閃峰值滯后負(fù)閃1 h。

(2)近6 a南疆閃電頻次明顯少于北疆，北疆是南疆的2.5倍。閃電2014年最少，正閃2016年最多。旬變化呈雙峰型，月、日變化呈單峰型。6月為峰值；旬變化峰值分別出現(xiàn)在6月下旬、9月上旬。日變化峰值出現(xiàn)在18時(shí)，比北疆滯后2 h；正閃峰值早于負(fù)閃1 h。年、月、旬、日閃電最多是最少的1.6倍、2.7倍、9.0倍、13.2倍，日變化高于北疆，其他變化低于北疆，說明南疆閃電頻次的日變化比北疆劇烈。

(3)近6 a東疆閃電頻次明顯少于南疆、北疆，北疆閃電頻次是東疆的10倍，南疆是東疆的4倍。該區(qū)域閃電頻次2014年最多，2016年最少?？傮w上，月、旬、日變化呈單峰型。月峰值出現(xiàn)在6月，同南疆；集中發(fā)生在6—7月，同北疆。6月下旬為峰值，正閃峰值超前1旬。日峰值出現(xiàn)在15時(shí)，超前北疆和南疆；正閃滯后1 h。年、月、旬、日最多是最少年的4.3倍、16.9倍、30.1倍、12.9倍，除日變化幅度略低于南疆外，其他明顯高于北疆和南疆，尤其是旬，說明，東疆閃電變化是全疆最劇烈的區(qū)域。

(4)北疆、南疆負(fù)閃占比遵循總閃頻次越多，負(fù)閃占比越高，正閃占比越低的規(guī)律，但東疆存在一些差異，可能與東疆特殊的地形有關(guān)，有待在今后的工作中進(jìn)一步探討。