一次特大暴雨過程三維和二維系統(tǒng)閃電特征對比分析

成勤，張科杰，劉俊，夏羽，毛成忠

(1.宜昌市氣象局，湖北 宜昌443000；2.湖北省防雷中心，湖北 武漢430074)

1 引言

閃電是強對流活動中的重要天氣現(xiàn)象，往往伴隨著對流云團的發(fā)生、發(fā)展與消亡。根據(jù)經(jīng)典雷電學原理[1-2]，大氣中通過起電機制生成的正電荷和負電荷被分離到不同的區(qū)域，在一定條件下發(fā)生放電就產(chǎn)生了閃電現(xiàn)象。高精度的閃電定位系統(tǒng)是閃電監(jiān)測和研究的重要手段之一，是強對流天氣監(jiān)測和預警的重要基礎(chǔ)[3]。閃電定位資料與傳統(tǒng)的雷暴日記錄相比，不僅提高了時間和空間分辨率，而且剔除了觀測時因人的聽覺和視覺受限而造成的誤差。閃電定位資料不受高山或建筑物遮擋的影響，在探測范圍內(nèi)無衰減和畸變，彌補了雷達低仰角探測常受到地物遮擋的缺點[4]。國際上比較有代表性并具有業(yè)務功能的閃電定位系統(tǒng)是美國國家閃電定位網(wǎng)(NLDN,National Lightning Detection Network)[5]。目前國內(nèi)具有業(yè)務功能的地基閃電探測網(wǎng)有中國氣象局的地閃定位網(wǎng)(ADTD)、國家電網(wǎng)的地閃定位網(wǎng)等。閃電定位資料的應用，使得人們對地閃特征的認識進一步加深，對強對流天氣中閃電的活動越發(fā)關(guān)注。例如王學良等[6]利用ADTD閃電定位網(wǎng)對湖北地區(qū)閃電頻次及雷電流幅值時間分布特征進行分析，宋敏敏等[7]基于國家雷電監(jiān)測定位網(wǎng)地閃觀測資料分析了我國中東部3—9月地閃密度和強度的時空分布和不同等級分布特征，鄭棟等[8]利用MLDARS閃電定位系統(tǒng)分析了北京及其周邊地區(qū)夏季地閃活動時空分布特征，周成等[9]利用山東ADTD閃電定位資料分析了不同類型短時強降水與地閃的特征關(guān)系，孟青等[10]結(jié)合高原地閃定位系統(tǒng)和雷達資料研究了青藏高原那曲地區(qū)地閃與雷達參量的關(guān)系。以上分析主要是基于閃電的二維分布特征開展。

隨著監(jiān)測手段的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)發(fā)展了許多具有三維定位功能的研究型閃電定位網(wǎng)。例如閃電VHF輻射源三維定位系統(tǒng)(LLR,3D Location System of Lightning VHF Radiation Pulses)[11]、低頻電場探測陣列(LFEDA,lowfrequency electric field detection array)[12]、VHF干涉儀定位系統(tǒng)[13]、北京多頻段閃電三維定位網(wǎng)(BLNET)[14]等。三維閃電定位系統(tǒng)實現(xiàn)了對雷暴過程從發(fā)展初期到衰退期三維分布的探測，能夠?qū)崟r獲取云閃和云地閃的發(fā)生位置、強度、極性、云閃高度等信息，填補了二維閃電定位系統(tǒng)在垂直方向上的探測盲區(qū)，為研究雷電物理和災害機制提供技術(shù)支持，可以更進一步研究強對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展機理，成為開展雷電科研和預警業(yè)務的重要資料，為提供更加準確的雷暴預警和防御信息發(fā)揮重要的作用。例如郭潤霞等[3]利用VLF/LF三維閃電監(jiān)測網(wǎng)分析了北京地區(qū)總閃、云閃和地閃的時空分布和電流強度特征，王婷波等[15]利用SAFIR三維定位系統(tǒng)對比了暴雨和雹暴系統(tǒng)中閃電的特征，王東方等[16]利用北京多頻段閃電三維定位網(wǎng)分析了一次雷暴過程的閃電時空演化特征，王延東等[17]將閃電資料反演成降水資料，同化入中尺度WRF模式中，并成功模擬了四川地區(qū)一次強降水天氣過程。

目前，湖北省二維閃電定位系統(tǒng)已經(jīng)在業(yè)務上穩(wěn)定運行，三維閃電定位系統(tǒng)也在業(yè)務上試運行。以往的研究[18-21]和業(yè)務運行對比發(fā)現(xiàn)，三維和二維閃電定位系統(tǒng)在二維時空分布上大體一致，在閃電頻次和正、負閃電占比上存在一定差異，三維閃電資料的分析和應用仍處于初級階段。

本文選取2020年湖北省梅雨期一次伴有強閃電的特大暴雨過程為例，在簡介本次閃電發(fā)生的天氣背景的基礎(chǔ)上，探究過程中三維(ADTD-2C)和二維(ADTD)系統(tǒng)閃電活動特征，進一步揭示湖北省閃電活動特征，對比兩套閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測效果，為閃電監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行、升級和雷電監(jiān)測預警工作提供參考依據(jù)。

2 資料來源與說明

二維系統(tǒng)為湖北省ADTD閃電定位系統(tǒng)(以下簡稱二維系統(tǒng))，該系統(tǒng)由中國科學院空間科學與應用研究中心研制，主要用于探測云地閃電(以下簡稱地閃)，探測參數(shù)包括地閃發(fā)生的時間、位置、強度、陡度、極性等。圖1（見下頁）給出了三維和二維閃電定位系統(tǒng)站點分布情況，二維系統(tǒng)包含13個探測子站，單站探測范圍約為150 km，時間精度優(yōu)于10-7s，網(wǎng)內(nèi)理論空間定位精度優(yōu)于300 m。雷電流幅值和波前陡度值，采用多站信號強度歸一化(100 km)處理方法，雷電流幅值和波前陡度值網(wǎng)內(nèi)相對誤差小于15%[22]。

三維系統(tǒng)為湖北省ADTD-2C型VLF/LF閃電定位系統(tǒng)(以下簡稱三維系統(tǒng))。如圖1所示，三維系統(tǒng)由中國科學院電工研究所制造，包含19個三維閃電探測儀，采用3D-TOA閃電定位方法對閃電輻射源信號進行定位，時間精度優(yōu)于10-4s，10 kA以上的閃電回擊探測效率達90%以上，閃電回擊分辨率優(yōu)于10-3s，網(wǎng)內(nèi)水平方向平均定位分辨率優(yōu)于300 m、垂直方向優(yōu)于500 m。監(jiān)測閃電類型包括正地閃(+CG)、負地閃(-CG)、正云閃(+IC)、負云閃(-IC)。正云閃指正先導在負先導之上產(chǎn)生的云閃，負云閃指負先導在正先導之上產(chǎn)生的云閃。由于雷暴電荷結(jié)構(gòu)的復雜性，實際的云閃過程也很復雜。如果雷暴電荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)偶極性或者反極性特征，這時的云閃放電結(jié)構(gòu)相對簡單，通常呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)恃點。如果對應電荷分布呈上正下負結(jié)構(gòu)，則為正云閃，如果對應電荷分布上負下正，則為負云閃[23-24]。

3 閃電發(fā)生條件

3.1 環(huán)流形勢條件

由6月27日08時(北京時，下同)天氣形勢分析圖(圖2)可知，湖北省位于200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)的輻散區(qū)，抽吸作用有利于垂直上升運動維持和發(fā)展。500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢，副高脊線穩(wěn)定維持在25°N附近，湖北省位于副高脊線與中緯度低壓槽線之間，低槽緩慢東移、逼近副高。中低層有與中緯度低槽相配合的明顯低渦切變，700 hPa和850 hPa低渦中心位置相近，均位于川東。700～925 hPa低空急流與超低空急流強勁，且上下層急流軸近乎重合，出口區(qū)在湖北省宜昌市南部，充沛的水汽和強烈上升運動均有利于強對流天氣發(fā)展和維持。

圖2 6月27日08時天氣形勢分析圖

27日20時副高略向北抬，低渦仍位于川東，但其東部暖切位置略向東擴展，低空急流軸東移且出口區(qū)分散，最強的輻合區(qū)及水汽輸送區(qū)均東移。28日凌晨長江沿線形成東西向梅雨鋒(圖略)。

綜上所述，本次過程是一次發(fā)生在副高外圍，由高空槽、中低層切變線、低空急流和梅雨鋒共同作用下的強對流過程，具有明顯的不穩(wěn)定形勢、較好的垂直上升條件、良好的觸發(fā)條件，有利于區(qū)域性閃電的發(fā)生。

3.2 環(huán)境條件

結(jié)合探空資料和人工引雷試驗[25-29]，發(fā)現(xiàn)雷暴云的電活動主要受雷暴云動力、熱力和微物理過程影響，并且與環(huán)境條件密切相關(guān)，地氣溫差、云底高度(CBH)、暖云層厚度(WCD)、對流不穩(wěn)定能量(CAPE)、有效液水含量(ELWC)、0℃層高度、-10℃層高度、-20℃層高度、垂直風切變強度等參數(shù)對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的形成、起電率、起電水凝物粒子分布等有重要影響。考慮到雷電落區(qū)和活躍時段，選取27日08時宜昌站的探空資料(圖3)分析閃電發(fā)生的環(huán)境條件。

圖3 6月27日08時宜昌站探空圖(紅色曲線為狀態(tài)曲線，藍色和綠色曲線為層結(jié)曲線)

從圖3可以看出，27日08時濕層伸展到400 hPa附近，整層水汽條件好，850 hPa露點溫度為18℃，比濕達15.3 J/kg。具有一定的對流不穩(wěn)定能量，CAPE值為208.3 J/kg。抬升凝結(jié)高度低，為0.56 km，0℃層、-10℃層、-20℃層高度分別為5.5 km、7.4 km、8.9 km，-20℃層和0℃層所在的高度之差為3.4 km，暖云層深厚，混合相區(qū)域高，不僅有利于對流和起電活動，而且使得與起電相關(guān)的冰相粒子分布在較高高度，云中主負電荷區(qū)深厚，導致大量負地閃出現(xiàn)。風向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，中低層有暖平流增溫增濕。0～3 km垂直風切變?yōu)?2.5 m/s，0～6 km垂直風切變?yōu)?3.1 m/s，為中等強度垂直風切變，較有利于雷暴云組織化發(fā)展，促使云中粒子發(fā)生碰并和分離，為云內(nèi)載體電荷得以轉(zhuǎn)移而形成電場分布提供一定條件，但不足以使云體發(fā)生明顯傾斜，垂直方向上雷暴云主體上部的正電荷層被負電荷層阻隔，無法直接暴露于地面之上，致使本次強對流過程以負閃為主。

4 閃電特征對比

4.1 閃電極性

統(tǒng)計6月27日08時—28日08時湖北省三維系統(tǒng)閃電頻數(shù)，結(jié)果如表1所示。統(tǒng)計時段內(nèi)，湖北省共發(fā)生閃電19287次，其中正云閃2673次，負云閃4086次，正地閃3777次，負地閃8751次，云閃與全閃的比值為35.04%，云閃比例比浙江(30%)[30]、江蘇(29.7%)[23]、貴州(34.75%)[31]高，比北京(53.93%[3]、72%[16])、廣西(46.2%)[32]低。正閃與全閃的比值為33.44%，正云閃與云閃的比值為39.55%，正地閃與地閃的比值為30.15%。正云閃在云閃中的占比高于正地閃在地閃中的占比，與郭潤霞等[3,19,30-31]研究結(jié)果一致。雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)一般以偶極性和三極性為主，相對于上部的主正電荷區(qū)而言，下部的主負電荷區(qū)距離地面較近，負電荷與地面之間更易放電，即主負電荷區(qū)因距離地面更近所以對地閃的極性影響較大，而云閃則受主正電荷區(qū)和主負電荷區(qū)的同時影響，所以相較地閃，在云內(nèi)發(fā)生正閃的幾率更大[3]。

表1 6月27日08時—28日08時湖北省三維系統(tǒng)閃電頻數(shù)統(tǒng)計表

二維系統(tǒng)測得該時段內(nèi)共發(fā)生地閃6770次，其中正地閃1091次，負地閃5679次，負地閃與地閃的比值為83.88%，正地閃與地閃的比值為16.12%，正地閃占比顯著高于該系統(tǒng)的多年統(tǒng)計值(4～5%)[6,22,33]。對比兩套監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可知，三維系統(tǒng)的地閃數(shù)量多于二維系統(tǒng)，為二維系統(tǒng)的1.85倍，其中正地閃為其3.46倍，負地閃為其1.54倍。三維系統(tǒng)正地閃在地閃中的占比高于二維系統(tǒng)，與陽宏聲等[21,30,32]結(jié)論一致。

4.2 雷電流幅值

為了分析該次過程中兩套系統(tǒng)雷電流分布情況，對27日08時—28日08時兩套系統(tǒng)中的地閃數(shù)據(jù)進行對比分析。圖4a給出了三維系統(tǒng)雷電流幅值概率分布情況，雷電流在某幅值區(qū)間的概率表示該區(qū)間內(nèi)的閃電頻數(shù)在總閃電頻數(shù)中所占的比例。從圖4a中可以看出，總地閃、負地閃和正地閃概率曲線重合度較高，均呈單峰型分布，總地閃雷電流強度集中在0～30 kA，雷電流概率之和在80%以上，其中，10～20 kA的地閃雷電流概率最高，達到41.81%。

圖4b給出了二維系統(tǒng)雷電流幅值概率分布情況，負地閃概率分布情況與總地閃相似，呈單峰型分布，10～50 kA的負地閃概率為75%，雷電流強度超過100 kA的負地閃較少，概率僅為5%，但該值依然大于2007—2019年湖北省統(tǒng)計平均值(1.7%)。正地閃強度幅值分布集中程度相對較低，10～50 kA的正地閃概率為47.63%，較負地閃概率明顯偏低，雷電流幅值大于50 kA時，各幅值區(qū)間的正地閃概率均高于負地閃，100 kA以上的正地閃概率顯著高于負地閃概率。

對比圖4a和圖4b可知，三維系統(tǒng)地閃雷電流幅值概率單峰型分布特征較二維系統(tǒng)更加明顯，且正、負地閃概率分布曲線一致性更好。也就是說三維系統(tǒng)雷電流幅值分布更加集中(0～30 kA)，二維系統(tǒng)雷電流分布區(qū)間更寬(10～50 kA)，且正、負地閃雷電流幅值概率分布情況差異較大。

IEEE根據(jù)全球閃電的分布規(guī)律，提出了地閃雷電流幅值累積概率分布公式：

式(1)中P為大于某一雷電流幅值的累積概率；I為雷電幅值電流；a為中值電流，即雷電流幅值大于a的概率為50%；b(b＞1)為雷電流幅值累積概率曲線擬合指數(shù)；IEEE推薦a=31，b=2.6。王學良等[34]統(tǒng)計分析了湖北省多年雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，對IEEE推薦值作了修訂，得出湖北地區(qū)適用的地閃雷電流幅值累積概率分布公式(a=29.94，b=3.33)。根據(jù)二維系統(tǒng)(ADTD)和三維系統(tǒng)(ADTD-2C)監(jiān)測的地閃數(shù)據(jù)，分別作出地閃雷電流幅值累積概率分布曲線，并與湖北省雷電流幅值累積概率統(tǒng)計分析結(jié)果相比較，結(jié)果如圖4c所示。從圖4c中可以看出本次強對流天氣過程二維系統(tǒng)的雷電流累積概率分布與湖北省多年統(tǒng)計結(jié)果一致性高，各幅值區(qū)間的累積概率略高于統(tǒng)計值，三維系統(tǒng)的地閃雷電流累積概率較統(tǒng)計結(jié)果明顯偏小，特別是0～40 kA的雷電流累積概率顯著偏小。三維系統(tǒng)同時監(jiān)測地閃和云閃，部分雷電流幅值較小的云閃可能被誤判為地閃，造成該系統(tǒng)小幅值地閃電流比例偏大。由以上分析可知，二維系統(tǒng)的雷電流幅值累積概率與湖北省多年統(tǒng)計值具有更好的相關(guān)性，與李京校等[19]研究結(jié)果一致。

圖4 三維系統(tǒng)(a)、二維系統(tǒng)(b)雷電流幅值概率和累計概率(c)分布圖

4.3 時間分布

為了解本次過程中閃電的時頻變化特征及差異，分別對三維和二維系統(tǒng)的小時閃電頻數(shù)進行統(tǒng)計，地閃頻數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示，云閃頻數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

圖6 三維系統(tǒng)云閃時頻分布圖

4.3.1 地閃時間分布

圖5a為三維系統(tǒng)地閃時頻分布圖，三維系統(tǒng)地閃主要有兩個活躍時段，第一段為27日13—15時，第二段為27日20時—28日01時。總地閃頻數(shù)和負地閃頻數(shù)極大值均出現(xiàn)在27日23時，分別為1946次和1423次，正地閃頻數(shù)極大值出現(xiàn)在21時，為551次。負地閃占比大部分在60%～80%之間，最大值為78.35%，出現(xiàn)在27日15時，最小值為54.84%，出現(xiàn)在28日04時，平均值為68.40%。

圖5b為二維系統(tǒng)地閃時頻分布圖，二維系統(tǒng)地閃活躍時段及變化趨勢與三維系統(tǒng)大體一致，主要活躍時段在27日13—15時和27日20時—28日01時，另外在28日05時前后閃電活動有所增加，出現(xiàn)一個小峰值。總地閃頻數(shù)和負地閃頻數(shù)極大值均出現(xiàn)在27日23時，分別為1077次和992次，正地閃頻數(shù)極大值出現(xiàn)在20時，為146次。負地閃占比變幅較大，過程開始和結(jié)束階段負地閃占比低于平均值(83.88%)，過程中負地閃維持較高占比：過程開始時(27日09—12時)負地閃占比為62%～70%；過程中27日13時—28日07時，負地閃占比大多在80%以上，最大值為95.83%，出現(xiàn)在27日15時，最小值為70.83%，出現(xiàn)在28日07時，平均值為83.46%；過程結(jié)束時(28日08時)負地閃占比驟降，負閃比例低于50%，主要為負地閃頻數(shù)減少造成，對比地面觀測數(shù)據(jù)(圖略)可知，該時段閃電主要分布在梅雨鋒前部的強降水區(qū)。

圖5 三維系統(tǒng)(a)、二維系統(tǒng)(b)地閃時頻分布圖

對比兩套系統(tǒng)地閃逐小時數(shù)據(jù)可知，兩套系統(tǒng)總地閃和負地閃活躍時段基本一致，除28日03—06時外，其余時段三維閃電定位系統(tǒng)閃電頻數(shù)均多于二維系統(tǒng)。28日04—08時閃電活動先增加后減少，出現(xiàn)階段性峰值(05時)，該特征在二維系統(tǒng)的負地閃頻數(shù)變化中體現(xiàn)最為明顯，閃電落區(qū)主要在荊門市京山市。對比降水數(shù)據(jù)可知，28日04—08時降水增加，降水量峰值出現(xiàn)在07時，符合負地閃頻數(shù)峰值與降水量峰值相關(guān)性好、且峰值提前或落后的結(jié)論[9,29,35-37]，對比雷達回波數(shù)據(jù)可知，28日04—08時對流增強，因此判斷該時段系統(tǒng)數(shù)據(jù)可信度高。除27日10—12時和28日08時外，三維系統(tǒng)負地閃占比數(shù)值和變幅均小于二維系統(tǒng)。

4.3.2 云閃時間分布

由圖6可以看出，正云閃、負云閃和總云閃活躍時段一致，為27日20時—28日01時，該時段云閃頻數(shù)占整個過程的72%。總云閃、正云閃和負云閃均在27日21時和23時出現(xiàn)極大值。負地閃占比大部分在50%～70%之間，最大值為78.26%，出現(xiàn)在28日04時，最小值為46.34%，出現(xiàn)在28日06時，平均值為60.45%。此外，27日13、15時負云閃、總云閃頻數(shù)和負云閃占比出現(xiàn)階段性峰值，與三維地閃時頻特征一致。

4.4 空間分布

4.4.1 地閃水平空間分布

為了對比本次過程中三維和二維地閃空間分布特征，計算三維和二維閃電密度。閃電密度是指閃電頻數(shù)密度，將湖北省劃分為0.03°×0.03°的網(wǎng)格，統(tǒng)計各網(wǎng)格內(nèi)的閃電頻數(shù)，閃電頻數(shù)與網(wǎng)格面積之比即為閃電密度。

圖7為三維系統(tǒng)地閃落區(qū)、密度圖。從圖7a可以看出，三維系統(tǒng)正負地閃交錯分布，負地閃多于正地閃。閃電集中分布明顯，絕大部分位于鄂西南至鄂東北西部一線，湖北省內(nèi)其他地區(qū)僅有少量閃電零星分布。從圖7b可以看出，湖北省內(nèi)閃電密度差異大，根據(jù)閃電密度大小，在圖中將閃電主要落區(qū)用橢圓形圖框標出。三維地閃密度最大值為5.78 fl/(km2·d)，大于3.0 fls/(km2·d)的密度值有9個，主要分布在荊門市京山市、孝感市安陸市(區(qū)域B)和黃岡市中部(區(qū)域D)。荊門市中東部和宜昌東部(區(qū)域A)閃電密度較高，最大值為2.2 fl/(km2·d)。恩施南部的(區(qū)域C和區(qū)域E)以及黃岡市東南部(區(qū)域F)閃電密度絕大部分小于1 flashes/(km2·d)，最大值為1.1 fl/(km2·d)。

圖7 三維系統(tǒng)地閃落區(qū)(a)、密度(b)分布圖

圖8為二維系統(tǒng)地閃落區(qū)、密度圖。從圖8a可以看出，二維與三維地閃密集區(qū)基本重合。其中區(qū)域A、B、C正負閃電交錯分布，負閃占比均遠高于正閃，區(qū)域C負閃占比為71%，區(qū)域A、B負閃密度均在80%以上。區(qū)域E正閃多于負閃，正閃占比高達64%。區(qū)域D面積最小，但負閃密集，負閃占比達96%。從圖8b可以看出，二維與三維系統(tǒng)地閃密度分布特征基本一致，但數(shù)值大小有差異。二維地閃密度最大值為2.39 fl/(km2·d)，大于2.0 fl/(km2·d)的密度值有2個，大于1.4 fl/(km2·d)的密度值有14個，主要分布在區(qū)域B和區(qū)域A，區(qū)域D地閃密度較高，最大值為1.1 fl/(km2·d)。恩施南部的(區(qū)域C和區(qū)域E)閃電密度小于1 fl/(km2·d)，最大值為0.5 fl/(km2·d)。

圖8 二維系統(tǒng)地閃落區(qū)(a)、密度(b)分布圖

對比三維和二維地閃數(shù)據(jù)可知，三維系統(tǒng)和二維系統(tǒng)地閃密集區(qū)基本一致，主要有以下幾點差異：(1)三維系統(tǒng)地閃頻數(shù)多于二維系統(tǒng)，其中正地閃增加比例最高，三維系統(tǒng)正地閃頻數(shù)為二維系統(tǒng)的3.46倍，地閃密度極值和平均值均大于二維系統(tǒng)；(2)區(qū)域A、B處，三維系統(tǒng)中正負閃電交錯分布，負閃比例與該系統(tǒng)平均值相當，而二維系統(tǒng)中，正負地閃存在空間分離現(xiàn)象，宜昌市東部負地閃密集分布，正閃分布在負閃密集區(qū)的西南側(cè)（即宜昌市中部），孝感市中部負地閃密集，正閃稀少，隨州市南部正地閃密集，負地閃較少；(3)區(qū)域E處，三維系統(tǒng)正地閃頻數(shù)小于負地閃，而二維系統(tǒng)中正地閃頻數(shù)多于負地閃；(4)區(qū)域D處，三維系統(tǒng)中負閃占比為82%，地閃密度最大值為3.41 fl/(km2·d)，二維系統(tǒng)中正地閃頻數(shù)驟減，負地閃占比達96%，地閃密度最大值為1.1 fl/(km2·d)；(5)三維系統(tǒng)中黃岡市東南部(區(qū)域F)有一地閃密集區(qū)，閃電絕大部分發(fā)生于27日15時，二維系統(tǒng)中該處地閃不活躍。對比雷達回波和雨量數(shù)據(jù)可知，15時該處對流發(fā)展，并造成附近測站17.2 mm/h的降水，因此確定該時段三維系統(tǒng)閃電數(shù)據(jù)可靠。對比兩套系統(tǒng)站點分布圖(圖1)可知，造成區(qū)域F閃電密度差異的原因是二維系統(tǒng)在上述區(qū)域站點密度較小，探測效率理論上達到85%，難以監(jiān)測到全部地閃。

4.4.2 云閃水平空間分布

圖9為二維系統(tǒng)地閃落區(qū)、密度圖。從圖9a可以看出，三維系統(tǒng)正、負云閃交錯分布。閃電集中分布于鄂西南至鄂東北西部一線，與三維系統(tǒng)地閃落區(qū)基本一致。從圖9b可以看出，三維云閃密度最大值為2.3 fl/(km2·d)，大于2.0 fl/(km2·d)的密度值有2個，大于1.4 fl/(km2·d)的密度值有11個，主要分布在區(qū)域B、D、A，區(qū)域C、E、F的閃電密度小于1 fl/(km2·d)，最大值為0.5 fl/(km2·d)。對比地閃密度分布情況可知，三維云閃密度大小與二維地閃相當，分布特征與三維地閃一致。

圖9 三維系統(tǒng)云閃落區(qū)(a)、密度(b)分布圖

對比天氣形勢分析圖(圖2)和閃電分布情況(圖7、8、9)，本次過程兩套閃電定位系統(tǒng)地閃密集區(qū)基本一致，且和云閃密集區(qū)基本重合，均呈西南-東北走向分布，主要分布在槽前正渦度區(qū)，主要包括27日850 hPa暖式切變線尾部的南側(cè)與27日20時低空急流出口區(qū)之間(區(qū)域A)、27日08時低空、超低空急流出口區(qū)左側(cè)(區(qū)域C、E)、700 hPa與850 hPa暖式切變線尾部之間(區(qū)域B)。上述部分結(jié)論與李建華等[36,38]結(jié)論一致。此外在黃岡市中部(區(qū)域D)和東南部(區(qū)域F)的山地迎風坡閃電密度也較大，主要是因為迎風坡山地地形的抬升作用，不僅有利于觸發(fā)對流，也可使對流增強。

4.4.3 云閃垂直空間分布

為了了解本次過程垂直方向上閃電的活動特征，以1 km為單元，統(tǒng)計各高度層發(fā)生的云閃數(shù)量，分析結(jié)果如圖10所示。本次過程云閃高度在0.39～29.38 km，主要發(fā)生在10 km以下，占總云閃的72.64%，其中2～4 km云閃分布密集，占總云閃的47.24%，21 km以上的云閃頻數(shù)占總云閃頻數(shù)的8.66%，各高度層上的總云閃頻數(shù)均不足100次。正云閃和負云閃頻數(shù)與總云閃頻數(shù)的變化趨勢一致。各高度層的負閃頻數(shù)均大于正閃頻數(shù)，17 km以下負云閃占比變化幅度較小，最大值為56.38%，最小值為64.52%，平均值為60.68%，17 km以上負閃占比變化幅度略有增大。

圖10 三維系統(tǒng)云閃高度分布圖

5 小結(jié)與討論

本次過程是一次發(fā)生在副熱帶高壓外圍，由高空槽、中低層切變線、低空急流和梅雨鋒共同作用下的強對流過程，天氣形勢和環(huán)境條件均有利于區(qū)域性雷電發(fā)生。分析三維(ADTD-2C)和二維(ADTD)閃電定位系統(tǒng)的閃電時空分布特征及差異，得出以下結(jié)論。

(1)本次過程地閃多于云閃，無論云閃還是地閃，均以負極性為主。三維系統(tǒng)正地閃在地閃中的占比，低于正云閃在云閃中的占比，高于二維系統(tǒng)正地閃在地閃中的占比，二維系統(tǒng)正地閃占比明顯高于其多年統(tǒng)計值。

(2)三維系統(tǒng)雷電流幅值分布較集中(0～30 kA)，二維雷電流分布相對分散(10～50 kA)，三維系統(tǒng)的雷電流幅值累積概率較湖北省多年統(tǒng)計值明顯偏小，二維系統(tǒng)的雷電流幅值累積概率略高于多年統(tǒng)計值，與統(tǒng)計值分布趨勢一致性更好。

(3)兩套系統(tǒng)總地閃和負地閃活躍時段基本一致。大部分時段內(nèi)，三維系統(tǒng)閃電頻數(shù)較二維系統(tǒng)多、負地閃在地閃中的占比數(shù)值和變幅均較二維系統(tǒng)小。正、負云閃和總云閃峰值出現(xiàn)時段與地閃相同，且該時段云閃頻數(shù)在總云閃中占比增加。

(4)本次過程兩套閃電定位系統(tǒng)地閃密集區(qū)基本一致，且和云閃密集區(qū)基本重合，閃電分布集中程度高，主要分布在槽前正渦度區(qū)。三維系統(tǒng)地閃密度大于二維系統(tǒng)，最大值分別為5.78 fl/(km2·d)和2.39 fl/(km2·d)。三維系統(tǒng)中正、負閃電交錯分布，二維系統(tǒng)中正負地閃空間分離現(xiàn)象明顯。云閃密度數(shù)值與二維地閃相當、分布特征與三維地閃一致。

(5)本次過程云閃主要發(fā)生在10 km以下，占總云閃的72.64%，其中2～4 km云閃分布密集，占總云閃的47.24%，21 km以上云閃較少發(fā)生。各高度層的負閃頻數(shù)均大于正閃頻數(shù)，17 km以下負云閃占比變化幅度較小，平均值為60.68%，17 km以上負閃占比變化幅度略有增大。

對于兩套系統(tǒng)有明顯分歧的地閃落區(qū)，需要結(jié)合雷達、降水等觀測資料和雷災事件進行驗證。雷暴云中的閃電活動受到天氣系統(tǒng)、環(huán)境條件等多種因素影響，每次過程的時空分布特征不盡相同，今后工作中將積累更多不同類型系統(tǒng)影響下的個例，對兩套系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比分析，進一步揭示湖北省閃電活動特征，并為閃電定位系統(tǒng)的校驗、升級提供參考依據(jù)。

致謝：湖北省防雷中心王學良研究員級高級工程師、宜昌市氣象局羅劍琴研究員級高級工程師和李芳高級工程師對本文撰寫提供了指導和幫助，謹致謝忱！