2013—2016年新疆地閃活動特征分析

王延慧，張建濤，買買提艾力·買買提依明，黃曉露，錢 勇

（1.新疆氣象災害防御技術中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊830054）

閃電是在對流性天氣中常伴有的大氣放電現象，它的分布特征能在一定程度上反映強烈局地天氣變化情況[1]，研究閃電活動的特征參數在雷電防護等領域具有一定的應用價值[2]。目前，閃電定位探測技術己日趨成熟，采用綜合磁向法Magnetic Direction Finder（MDF）和Time of Arrival（TOA）的時差測向混合法己在美國閃電定位觀測網等獲得較好的應用[3]，其主要應用領域為氣象部門、電力行業和航空航天部門。

新疆礦產資源豐富，擁有眾多能源設施，一旦出現雷擊事故，將會造成巨大的經濟損失和社會影響。據相關統計，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，被聯合國公布為“最嚴重的十種自然災害之一”[4]。為有效地開展防雷減災工作，提高對雷電災害的實際防御能力，觀測和分析新疆地閃活動的分布顯得尤為重要，通過對地閃定位資料的研究，可從總體上認識新疆地閃活動的分布特征，為防雷減災制定科學的雷電防護措施提供客觀依據。

近十幾年來，隨著雷電探測技術和手段的進步，國內外學者對閃電活動規律進行了大量的研究。Rudlosky等[5]研究發現佛羅里達州的閃電具有季節性、區域性以及隨風暴尺度變化的特點；Gabriele等[6]研究了美國16 a云地閃電活動，指出極端雷電活動主要集中在美國中部以及阿巴拉契亞山脈西部，閃電主要發生在夏季，且最近幾年有增加的趨勢。我國氣象學者[7-12]也對閃電活動特征做了大量的統計分析，總結了一些區域性的閃電活動規律。包斌等[13]利用39 a氣象觀測站的閃電資料，對新疆閃電的時空分布特征進行了統計分析。霍廣勇、柳志慧等[14-15]利用新疆的雷暴觀測資料，統計分析了當地的雷暴分布特征。王紅等[16]對新疆2012年的閃電監測數據分析指出：全年云地閃6—7月出現的頻次最高；正、負地閃主要發生時間均分布在14—19時。從以上研究中不難發現，對新疆地區地閃活動特征的研究大都以雷暴日資料及一年地閃數據為基礎，很少利用多年地閃定位資料進行分析。

本文主要利用新疆2013—2016年近4 a的地閃定位監測資料，運用數理統計、ArcGIS、Origin等方法和軟件，全面的分析新疆地閃活動的時空、強度及其概率的變化特征，有利于掌握當地的地閃活動規律，為新疆長期氣候變化及雷電預警預報的研究提供基礎參數，同時也為新疆的防雷減災工作提供科學的理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料

文中所使用的資料由新疆地閃監測定位系統Active Divectory Topology Diagrammer（ADTD）獲取，運用2013年1月1日00：00（北京時間BT，下同）原2016年12月31日00：00的地閃定位監測資料，對新疆近4 a的地閃特征及規律進行分析。新疆地閃定位監測網于2011年7月—2012年11月安裝完成，至今共布設了49個監測站點（圖1），探測范圍可覆蓋新疆全境（73毅耀96毅E、34毅耀49毅N）及周邊地區，布設基線距離是180 km。該系統高度自動化，可全天連續運行，時間精度高，探測范圍廣。系統有4種地閃定位算法，分別為二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法，可提供地閃發生的時間、經緯度和強度等要素，結果以圖形實時顯示并且可以存檔形成數據庫。

圖1 新疆地閃定位監測站點分布

1.2 數據處理方法

本文提取了地閃定位原始數據中的地閃發生時間、經緯度及強度，運用數理統計方法進行分析。首先，地閃定位系統工作范圍大，邊境處測站通常能測到境外的地閃，例如塔城和庫爾勒地區的測站，常能監測到發生在哈薩克斯坦和吉爾吉斯坦的地閃，這部分數據對本文研究并無意義，故從原始數據中剔除；其次，新疆人工觀測雷暴初始日為4月，終止日為10月，故剔除4月以前10月以后的數據，以提高數據質量。再次，閃電定位儀的低頻探頭有可能將小幅值的云閃誤判為地閃，為減少小幅值閃電資料的誤差對整體數據的干擾，采用數理統計、MATLAB對數正態分布等方法，找到小幅值電流數據的干擾區間為-2~2 kA[17]，并剔除這部分數據；最后，在所有涉及地閃時空分布的分析中，需使用地閃數據，這就需要將回擊數據歸為地閃數據，本文按照相鄰兩次回擊數據的時間間隔小于或等于0.5 s，并且這兩次回擊定位位置的水平距離小于或等于10 km，同時滿足這兩個條件歸為一次地閃，歸閃之后該次地閃的經緯度、時間等數值取所有回擊過程的平均值[18-19]；而在雷電流強度分析中，則直接使用回擊數據。

2 結果與分析

2.1 地閃的年變化

從圖2中可以看出：2013—2016年地閃定位系統監測全疆發生地閃年均達55538次，主要以負地閃為主，占地閃總數的84.7%。地閃分布呈現先減少后增多的趨勢。其中，2013年共發生地閃61380次，負地閃占總地閃的85.6%；2014年發生地閃比2013年少了145次，正地閃僅占12.0%。2015年發生地閃最少，比地閃發生最多年減少了將近25.8%，正地閃占總地閃的18.0%；2016年地閃發生54020次，比2015年增加了21.8%。新疆近4a的年均正地閃所占比例為15.3%，最小為12.0%，最大為18.0%，與內蒙古的正地閃所占比例相比，高于內蒙古高原[20]的9.6%，是因為新疆緯度較高，隨著緯度增高正地閃比例也有所增大。

圖2 2013—2016年新疆正、負及總地閃頻數以及正地閃比例變化

2.2 地閃的時空分布

2.2.1 空間分布特征

利用GIS軟件繪制了新疆地區1伊1 km網格的地閃密度圖，從圖3中可以看出新疆地區地閃密度總體值小于0.714次/（km2·a），2013—2016年新疆地閃密度最大值區均集中在新疆的北部（天山以北）和西部，以阿勒泰地區吉木乃縣為密度最大區；地閃密度最小區集中在南疆沙漠戈壁地區，主要出現在塔什庫爾干塔吉克自治縣、若羌縣、和田縣。地閃密度最大值由2013年，隨著年份的增加而逐漸減小，直到2016年又開始增加。

2013年新疆地閃密度大值區主要集中在阿勒泰地區、塔城東部和南部地區及克拉瑪依、瑪納斯、奎屯、沙灣、呼圖壁一線，而南疆的地閃密度值最小（圖3a）；2014年新疆地閃密度大值區主要分布在吉木乃縣、和布克賽爾蒙古自治縣和哈密地區，南疆的地閃密度值最小（圖3b）；阿勒泰和塔城地區為2015年新疆地閃密度大值區，而密度最小區分布在南疆（圖3c）；2016年新疆地閃密度大值區主要分布在吉木乃、塔城東部和南部地區以及新和、疏附縣，密度最小區分布在南疆（圖3d）。2013—2016年的平均地閃密度分布圖（圖3e）可知，新疆密度大值區呈片狀和帶狀分布，主要集中在阿勒泰和塔城地區的西部和北部及瑪納斯、克拉瑪依、奎屯、沙灣、昌吉一線，而南疆的和田地區及且末和若羌縣的地閃密度值最小。

圖3 2013—2016年新疆地閃密度的空間分布

由此可見，新疆的地閃密度分布呈現明顯的地域性差異，表現出北疆大于南疆，西部地區大于東部地區，山區大于沙漠戈壁地區的形式。天山山脈北部及北疆地區為地閃密度高值地區，最大值位于塔城和阿勒泰之間地區，天山西部為地閃密度較高地區，東部僅哈密地區地閃密度較高。地閃密度低值地區為塔克拉瑪干沙漠南部的和田等地。這與新疆地區山脈位置分布有很高的一致性。由于天山山脈對冷空氣的阻擋作用，形成了北疆氣溫低，降水較多，閃電也較多；南疆氣溫高，降水較少，閃電少的特點。而準噶爾山，西天山和帕米爾高原對冷空氣的阻擋，使得東部氣溫低，降水少而西部氣溫較高，降水較多。全疆地閃分布也呈現出西部多于東部的形勢。另外，沙漠地區降水極少，異常干燥，水汽極少，很難產生閃電。

一般而言，在500 hPa附近的對流層中高層往往有冷槽或冷渦系統影響新疆，在中低層850 hPa有暖氣層與其上的干冷空氣相配合，700 hPa或850 hPa往往還存在風的切變和輻合區。另外，在地面上有時可分析出冷鋒或中尺度的高壓。上述環流背景為對流性天氣系統的發生發展提供了非常有利的條件，這也是雷電天氣發生的常見環流特征[21]。

2.2.2 年變化特征

圖4為新疆地閃的年分布圖，從圖4中可以看出新疆地閃年分布成單峰型，總地閃主要集中在5—9月，占地閃總數的97.8%，高發期在6—8月，占地閃總數的82.1%。其中，正、負和總地閃峰值出現在6月，分別占地閃總數的5.3%、31.3%、36.6%。6—8月空氣中水汽含量充足，而溫暖潮濕的上升氣流是產生雷電的必要條件之一；同時盛夏對流旺盛，0益層高度較高，所積累的不穩定能量增強，對流活動向上發展，這有利于云內正負電荷相互碰撞摩擦后在不同部位形成和積累，最終形成閃電。而正、負和總地閃在4月、10月均發生地閃較少，其中10月最少，分別僅占地閃總數的0.1%、0.3%和0.4%。可能是天氣轉涼，大氣中水汽含量下降的緣故。新疆冬半年11月—次年3月則基本無發生地閃活動。這是因為冬季氣溫較低且空氣干燥，熱力作用較弱，對流天氣很難產生。另外，從圖中還可以看出，正地閃占總地閃百分比與正地閃頻數的年變化形式基本相反，正地閃占總地閃百分比最大值出現在4月，高達25.6%，最小值出現在8月，僅為13.5%。

圖4 2013—2016年新疆地閃活動年變化

2.2.3 日變化特征

新疆地閃日變化成單峰分布（圖5），且逐小時內都有地閃發生，地閃主要集中在14—20時。總地閃在24—04時處于低值區，05時開始地閃發生次數逐漸減少，至10時地閃發生次數降至谷值，僅占地閃總數的0.7%。11時開始地閃發生次數又逐漸增多，至17時地閃次數達到一天中的峰值，為地閃總數的10.5%，之后又開始下降。負地閃和總地閃頻數的日變化曲線基本一致，而正地閃日變化則相對較緩慢，最大值出現在16時，為谷值的9.8倍，比負地閃峰值早1 h。正地閃占總地閃百分比在08—10時出現高值，該時段地閃活動較弱，負地閃次數少，總地閃次數減少，使得正地閃百分比較高。低值時段則主要在17—18時，與負地閃峰值出現時間相同或者晚1 h。由上可知，新疆一般在14時以后比較容易出現強對流天氣，而在16時前后是一天中強對流天氣高發時段，這與王娟[7]等的研究結論相一致。主要是因為午后至傍晚受到太陽輻射的加熱作用，下墊面溫度升高，熱力條件較好，午后強對流有利于閃電發生。

圖5 2013—2016年新疆地閃活動日變化

2.3 地閃的強度變化

2.3.1 強度概率變化特征

新疆地閃次數百分率呈現單峰型分布（圖6），且負地閃的分布曲線與總地閃基本一致，而正地閃與負地閃的分布則差異很大，主要原因是負地閃約占總地閃的比重較大。負、總地閃強度在30 kA以下時，負地閃和總地閃次數百分率隨其強度的增加而增加，以上則相反。負、總地閃強度主要集中在20耀60 kA，均在20耀40 kA之間出現頻率較高，分別占相應總數的77.0%、71.0%，且均在20耀30 kA地閃出現頻率達到最大，最大值分別為32.8%、29.9%；而正地閃強度則在30耀60 kA之間出現頻率最高，占正地閃次數的57.3%，其中正地閃強度在30耀40 kA時，正地閃出現頻率達到峰值，為正地閃次數的16.5%。地閃強度在40 kA以上時，正地閃次數百分率隨其強度的增加而減小，以下則反之。另外，地閃強度在10耀40 kA時負地閃次數百分率高于正地閃次數百分率，在50 kA及以上則相反，即在地閃強度高值區正地閃所占比率高于負地閃。

60%以上的正地閃強度約60 kA，10%以下的正地閃強度在110 kA以上，100 kA以下的正地閃占正地閃次數的87.4%；而60%以上的負地閃強度約30 kA，90%以上的負地閃強度在60 kA以下，100 kA以下的負地閃占負地閃次數的97.1%；平均而言，正地閃平均電流大，而負地閃則相對較小。

圖6 地閃強度的正、負地閃次數占各自地閃總頻次的百分率以及累計百分率變化

2.3.2 強度年變化特征

新疆地閃雷電流強度全年變化幅度較小（圖7），均呈現先減小后增大的變化趨勢，且正、負和總地閃最大值均出現在10月，峰值依次為78.9、52.1、56.8 kA。且總地閃和負地閃的月平均雷電流強度變化趨勢基本一致，最小值均出現在7月，分別為35.6、32.0 kA。其中，總地閃的平均雷電流強度年均值為37.1 kA，負地閃5—9月的平均雷電流強度主要集中在32.0耀37.2 kA，雷電流強度年均值為33.4 kA；而正地閃的平均雷電流強度最小值出現在6月，為58.3 kA，雷電流強度年均值為59.7 kA，從整體數據上看，正地閃的平均雷電流強度為負地閃的1.8倍。因正地閃具有大的峰值電流、長的連續電流放電過程及遠的中和電荷矩，相對而言，所造成的危害更加嚴重[22]。

圖7 2013—2016年新疆地閃強度的年變化

2.3.3 強度日變化特征

圖8為新疆地閃平均雷電流強度的日變化。一天內各個時段正地閃的雷電流強度均大于負地閃，約為負地閃的1.8倍。正地閃的雷電流強度在17—21時比較小，其他時段雷電強度值較大，且變化幅度不大，最大值（68.4 kA）出現在06時，最小值出現在21時，為56.6 kA。正地閃的雷電流強度日均值為59.7 kA，分別為負地閃和總地閃的1.8和1.6倍；負地閃各個時段的雷電流強度均小于總地閃，且變化特征與總地閃相似，負地閃和總地閃上午的雷電流強度均大于下午的雷電流強度，且雷電流強度最大值均出現在05時，峰值分別為42.8、46.0 kA，最小值均出現在18時，谷值依次為30.8、34.4 kA。

3 結論

（1）2013—2016年全疆發生地閃年均達55 538次，以負地閃為主，占地閃總數的84.7%。新疆近4 a的年均正地閃所占比例為15.3%，高于內蒙古高原的9.6%。

圖8 2013—2016年新疆地閃強度的日變化

（2）新疆地區地閃密度總體值小于0.714次/（km2·a），呈現出北疆大于南疆，西部地區大于東部地區，山區大于沙漠戈壁地區的形式。天山山脈北部既北疆地區為地閃密度高值地區，天山西部為地閃密度較高地區，東部僅哈密地區地閃密度較高。地閃密度低值地區為塔克拉瑪干沙漠南部的和田等地。這與新疆地區山脈位置分布有很高的一致性。

（3）新疆地閃年變化成單峰型，總地閃主要集中在5—9月，高發期在6—8月，占地閃總數的82.1%。其中，正、負和總地閃峰值均出現在6月，10月最少。正地閃占總地閃百分比與正地閃頻數的年變化形式基本相反，正地閃占總地閃百分比最大值出現在4月，高達25.6%，最小值出現在8月。

（4）新疆地閃日變化成單峰分布，且逐小時內都有地閃發生，主要集中在14—20時。總地閃于17時地閃次數達到一天中的峰值，為地閃總數的10.5%。負地閃和總地閃頻數的日變化曲線基本一致，而正地閃日變化則相對較緩慢，最大值出現在16時。正地閃占總地閃百分比在08—10時出現高值。

（5）新疆地閃強度百分率呈現單峰型分布，且負地閃的分布曲線與總地閃基本一致。負、總地閃強度在20耀30 kA地閃出現頻率達到最大；而正地閃強度在30耀40 kA時，正地閃出現頻率達到峰值，為正地閃次數的16.5%。地閃強度在40 kA以上時，正地閃次數百分率隨其強度的增加而減小，以下則反之。平均而言，正地閃平均電流大，而負地閃則相對較小。

（6）新疆地閃雷電流強度全年變化幅度較小，均呈現先減小后增大的變化趨勢，且最大值均出現在10月。總地閃和負地閃的月平均雷電流強度變化趨勢基本一致；正地閃的月平均雷電流強度最小值出現在6月，為58.3 kA；一天內各個時段正地閃的平均雷電流強度均大于負地閃，約為負地閃的1.8倍，上午的平均雷電流強度皆大于下午的平均雷電流強度。

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