基于VLF/LF三維閃電定位儀資料的湖北省閃電特征分析

王 慧，高玉龍，胡 晉

(湖北省黃岡市氣象局，黃岡 438000)

0 引言

閃電是對流天氣發(fā)展到一定程度而產生的天氣現象，根據放電現象分為云地閃(簡稱地閃)和云內閃(簡稱云閃)。地閃在發(fā)生時直接觸及地表，產生的強大電流會對人、建筑物和建筑物內的電子設備造成極大的危害。近幾年來，國內學者對閃電活動特征做了大量的統計分析，總結了一些區(qū)域性的閃電活動規(guī)律特征。王娟[1]、宋敏敏[2]等利用全國的2009—2012年ADTD閃電資料，對中國閃電的時空分布特征進行了分析；李京校[3]等利用SAFIR3000探測資料對北京及周邊地區(qū)云閃和地閃的時空分布特征進行了分析；孫明[4]等對ADTD閃電系統和VLF/LF閃電系統兩種閃電資料進行了對比分析，得出兩者的探測效率、時空分布特征、強度等探測結果存在差異；成勤[5]等利用中國中部五省的ADTD閃電資料，分析了5省區(qū)域閃電頻數、閃電密度及閃電強度等時空分布特征，結果表明閃電密度高值區(qū)分布在湖北省；王學良[6，7]等利用湖北省ADTD閃電資料，分析了湖北省閃電的時空分布特征，發(fā)現湖北省閃電密度高值區(qū)主要在丘陵地區(qū)，并以湖北東南部地區(qū)為最高。上述文獻大多基于ADTD的閃電資料。目前中國的ADTD閃電監(jiān)測定位系統經長時間運行，已不能滿足當前業(yè)務工作的需求，各地開始建設VLF/LF三維閃電定位系統逐步替代ADTD閃電定位系統。因此，基于VLF/LF三維閃電監(jiān)測定位儀資料分析湖北省閃電特征，仍然十分必要。

湖北省氣象局于2014年11月在全省建立了VLF/LF型三維閃電探測定位系統，該系統通過接收閃電回擊輻射的VLF/LF脈沖信號對閃電輻射源信號進行定位，實現了閃電VLF/LF輻射源主要參數的三維定位。其探測特點是定位誤差小、準確度高，水平定位誤差在200 m以內，高度定位誤差在500 m以內。同時建立了三維閃電空間數據庫，為閃電數據可視化與統計分析提供了全面數據支持，為科研與業(yè)務應用提供了很好的支撐作用[8-10]。文章利用湖北省2015—2016年VLF/LF閃電數據資料，對湖北省的云閃和地閃時空分布特征進行分析，以總結湖北省閃電時空分布特征及雷電活動規(guī)律，為湖北省的雷電災害防御提供參考依據。

1 資料與方法

根據地形特點，湖北省氣象局在建立VLF/LF三維閃電定位探測站時，布設點在周邊的山地較密集。文章選取湖北省三維閃電空間數據庫中2015-01-01—2016-12-31三維云閃與地閃數據資料，分析湖北省閃電頻次日變化、月變化、閃電密度分布特征及閃電電流強度分布特征。閃電日變化分析，按照每日24 h整點時段(北京時)統計每小時閃電次數；閃電密度分析，按照經緯度以0.1°×0.1°網格(10 km)，計算每一網格的云閃、地閃發(fā)生的次數，得到該地區(qū)的云閃、地閃及總閃的年平均閃電密度(次·km-2·a-1)；閃電強度分布特征，以5 kA、10 kA、20 kA、40 kA、60 kA、100 kA、150 kA、200 kA、250 kA、>250 kA為電流強度間隔分成10個電流強度段，統計各閃電強度段內的云閃、地閃次數及占總閃次數的百分比，并統計大于各個閃電強度段的累積概率。

2 閃電總體特征分析

統計湖北省2015—2016年總閃、云閃、地閃次數及正閃百分比，可以得出，2 a的總閃次數為1，146，983次，其中，云閃總次數為359，057次，地閃總次數為787，926次，云閃次數少于地閃，這和李京校的分析結果有一定差距，與孫明的分析結果基本一致，判斷是探測儀器原因。在表1中，正云閃占總云閃的31.7%，正地閃占總地閃的13.2%，即正云閃率明顯高于正地閃率。而正地閃為13.2%，則與王娟等的分析結果具有顯著的差異。因此，對于VLF/LF閃電資料的應用，還需要積累長序列時間的數據進行深入細致的分析研究。

3 閃電活動月變化特征

3.1 總閃的月變化特征

統計湖北省2015—2016年平均總閃及云閃/地閃比月變化(圖1)。從圖1中看到，湖北省的云閃和地閃主要發(fā)生在4—8月，總閃占全年總閃次數的93.4%，在每年10月至次年1月云閃和地閃均極少發(fā)生，4個月的累計總數僅占年總閃的0.5%，可以忽略不計。湖北省月閃電頻數具有明顯的季節(jié)性變化，4月和7—8月為兩個峰值區(qū)。湖北省的閃電從每年的2—3月開始活動，4月急劇增加，5—6月有所減少，至7月達到最高峰值，9月急劇減少。說明在進入4月的春末夏初季節(jié)，隨著暖空氣的活躍及氣溫升高，對流天氣頻繁發(fā)生，閃電活動明顯增加。2—9月的云閃與地閃之比普遍在0.32～0.64，總閃電次數少的2月、3月、9月云地閃之比較高，均在0.6以上，每年初春和初秋，云閃發(fā)生的比例較高。

圖1 湖北省2015—2016年平均總閃及云閃/地閃比月變化

3.2 云閃、地閃的月變化特征

統計湖北省2015—2016年平均云閃、地閃及正云閃、正地閃百分比月變化特征(圖2)。從圖2(a)看到，湖北省云閃活動同樣具有明顯的季節(jié)性變化，4—8月云閃占總云閃次數的92.0%，在7—8月有1個高峰值區(qū)，其次數分別達46，768、40，215次，4—6月在23，600～27，500次。2月、3月、9月正云閃百分比較高，分別占37.0%、36.7%、52.5%，而占比較低的是4月、7月、8月，分別為29.2%、28.8%、29.5%。2—9月正云閃百分比平均值為35.1%。

圖2 湖北省2015—2016年云閃和地閃月變化及占比：(a)云閃；(b)地閃

湖北省地閃月頻數變化與總地閃基本一致(圖2b)。4—8月地閃占總地閃次數的94.0%，兩個峰值區(qū)出現在4月和7月，其次數分別達到86，492次、93，288次。2月、6月、9月正地閃的百分比較高，分別為18.1%、16.1%、17.5%，較低的是4月、5月、8月，分別為9.5%、13.9%、12.8%。2—9月正地閃百分比平均值為14.6%，其值低于正云閃20.5%。

4 閃電活動日變化特征

4.1 總閃的日變化特征

統計分析湖北省2015—2016年平均總閃次數、云閃/地閃之比的日變化可知，總閃的日變化特征基本上呈雙峰單谷型，兩個峰值分別出現在01：00和16：00，最高峰值在16：00，達40，000次以上，01：00的次峰值為27，780余次，低谷值出現在10：00—11：00，為10，000余次。1 d中的15：00—20：00為云閃高發(fā)時段，每小時約在27，000次以上。云閃與地閃之比基本在0.40～0.63，日變化的程度較小，其峰谷區(qū)不是很明顯。3個小峰值分別出現在07：00、13：00和18：00，在總閃的雙峰對應有3個出現在15：00、02：00和22：00的小谷值區(qū)域。

4.2 云閃的日變化特征

統計分析湖北省2015—2016年平均云閃次數、正云閃百分率的日變化可知，云閃的日變化特征有3峰值，分別出現在01：00、07：00和17：00，最高峰值在17：00，達12，500次以上，低谷值出現在09：00—11：00，為3000余次。1 d中的15：00—20：00為云閃高發(fā)時段，每小時約在10，000次以上。從2 a平均正云閃次數所占百分比的日變化得出，正云閃次數的3個低谷值對應總云閃的3個峰值，即正云閃的百分比與云閃次數的日變化分布呈反相位，若云閃次數多，則正云閃百分率低。

4.3 地閃的日變化特征

統計分析湖北省2015—2016年平均地閃次數、正地閃占比例的日變化可知，地閃的日變化特征基本上呈雙峰單谷型，最大峰值出現在16：00，達28，400次，次峰值出現在23：00，為19，650次，低谷值出現在10：00，約為7000次。地閃的高發(fā)時段出現在15：00—17：00，均在25，000次以上。正地閃百分比與總地閃次數的日變化分布呈反相位。

對比2015-2016年湖北省2 a云閃、地閃和總閃的日變化特征，3者的日變化特征基本一致，最大峰值時段(15：00—18：00)與最低谷值時段(09：00—12：00)幾乎完全一致。日變化特征均從14：00—17：00迅速增大到峰值，其后從17：00—20：00逐漸減小到最低值。每天的14：00—17：00是湖北省夏季對流性天氣高發(fā)期，是雷電防御的關鍵時段。在湖北省盛夏季節(jié)的天氣實況中，午后到傍晚經常有雷陣雨天氣發(fā)生。

5 閃電密度分布特征

5.1 總閃密度分布特征

統計2015—2016年閃電密度，按照0.1°×0.1°(10 km)網格，計算每一網格內年平均發(fā)生的總閃、云閃和地閃次數，用總閃電次數除以網格的面積，得到湖北省年平均總閃密度分布。由此可以看出，湖北省總閃的密度分布有明顯的地域差異，有2個高密度值區(qū)域：一個在湖北省東南部的武漢、鄂州、黃石、黃岡及咸寧北部的平原與丘陵地區(qū)，密度值普遍為4次·km-2·a-1以上，中心最大密度值為12～16次·km-2·a-1，位于黃岡市黃州、團風地區(qū)；另一個在湖北省西南部的咸豐、恩施及宣恩部分的高山地區(qū)，密度值普遍為4次·km-2·a-1，中心最大密度值為8～12次·km-2·a-1，位于咸豐與湖南省交界地區(qū)。湖北省的仙桃、巴東、遠安與南漳交界的部分地區(qū)密度為4～8次·km-2·a-1，其他大部分地區(qū)密度為1～4次·km-2·a-1。

5.2 云閃、地閃的密度分布特征

統計得出湖北省云閃、地閃的年均密度分布特征與總閃特征基本一致。云閃的高密度中心值有所變化，位于咸豐的高密度中心值為6～10次·km-2·a-1，位于黃州、團風的高密度中心值為2～4次·km-2·a-1，少數地區(qū)為4～8次·km-2·a-1，其他大部分地區(qū)為1～2次·km-2·a-1。地閃的2個高密度中心值區(qū)域變化不大，中心密度在6～10次·km-2·a-1的范圍內。

6 閃電強度分布特征

對2015—2016年閃電電流強度特征進行分析，統計計算各區(qū)間段內云閃、地閃次數占總閃次數的百分比，以及小于各個電流強度值的累積百分率。圖3是2015—2016年不同電流強度發(fā)生次數的百分比及電流強度累積百分率分布。可見，云閃、地閃的電流強度百分比與電流強度累積百分率分布較為一致，在圖3(a)中，10～60 kA云閃電流強度所占百分比最大，為81.6%，其中正云閃占總數的81.3%、負云閃占81.7%。分析云閃強度的累積百分率，強度≤60 kA的正云閃占總云閃的95.1%，強度≤60 kA的負云閃占總云閃的93.4%，強度≤100 kA云閃的累積百分率為98.5%。

圖3 2015—2016年不同強度閃電發(fā)生次數百分比及電流強度累計百分率分布：(a)云閃；(b)地閃

在圖3(b)中，強度在10～60 kA的地閃占地閃總次數的86.4%，其中正地閃占總數的69.1%，負地閃占89.1%，負地閃高出正地閃20.0%。分析地閃強度的累積百分率，強度≤60 kA的正地閃占85.6%，強度≤60 kA的負地閃占93.0%，強度≤100 kA地閃累積百分率為97.7%，其中負地閃占98.2%。

雷擊災害事件主要是由地閃造成的，而強度在10～60 kA區(qū)間負地閃比率明顯高于正地閃，且負地閃發(fā)生次數也高于正地閃，因此在雷電防護方面應重點防范強度范圍在10～60 kA內的負地閃。

7 結束語

通過對湖北省2 a的VLF/LF三維閃電探測定位系統的閃電資料分析表明：

1)地閃的發(fā)生次數多于云閃次數，云閃中的正云閃比例高于地閃中的正地閃比例。云閃和地閃的高發(fā)月份為4—8月，約占全年閃電總數的93%；兩個峰值分別出現在4月和7月；云閃和地閃均在4月開始急劇增加，5月明顯減少，至8月增加到最高峰值，每年的10月至次年1月云閃、地閃發(fā)生次數極少，可忽略不計。

2)云閃和地閃的日變化特征基本一致，每日15：00—20：00為多發(fā)時段，其中云閃的最大峰值出現在17：00，地閃的最大峰值出現在16：00；每日09：00—12：00為少發(fā)時段，云閃和地閃的最小值均出現在上午10：00。

3)總閃空間密度分布存在一定地域差異，有2個高密度值區(qū)域，一個位于湖北省東部黃州與團風的丘陵、湖泊地區(qū)，中心最大密度值為12～16次·km-2·a-1；另一個在湖北省的西南部的咸豐與湖南交界處的高山地區(qū)，中心最大密度值為8～12次·km-2·a-1。云閃和地閃密度高值區(qū)也在這兩個地區(qū)，密度約為15～20次·km-2·a-1。

4)云閃與地閃的電流強度主要分布在10～60 kA，該強度范圍的云閃次數占總次數的81.6%，地閃占總次數的86.4%。在閃電強度10～60 kA區(qū)間段中，云閃中正、負比例基本一致，而地閃中負地閃高出正地閃20.0%。