2011—2021年安徽省閃電時空分布特征分析

鞠曉雨，王 凱，朱 浩

（1.安徽省氣象災害防御技術中心，安徽 合肥 230031；2.淮河流域氣象中心，安徽 合肥 230031）

近年來，隨著雷電探測技術的不斷發展及資料積累，針對雷電活動的分布特征以及規律有了新的認識，發現其具有一定的地域特征。國內很多學者針對閃電特征和活動規律進行了大量研究，王延慧等[1]基于2013—2016年新疆地閃定位監測資料，統計分析了新疆的地閃活動特征，并指出地閃密度呈現為北疆大于南疆，西部地區大于東部地區，山區大于沙漠戈壁；李婷等[2]利用2009—2012年的雷電流數據，得到了延安地區的雷電流幅值累積概率分布特征及計算公式；王東方等[3]通過分析北京地區的閃電時空分布特征及不同強度等級雷暴對閃電分布的貢獻，得出弱雷暴（超強雷暴）次數多（少），產生的閃電少（多），超強雷暴和強雷暴產生的閃電分別占總雷暴閃電的37%和56%；成鵬偉等[4]利用北京市與成都市的閃電定位與衛星資料，得出北京市與成都市地閃主要分布在山地平原交界帶且相對海拔較低的地區，北京市與成都市地閃密度與海拔高度呈明顯的負相關。此外，還有眾多學者利用不同地區的閃電定位資料，分別對浙江、福建、湖北、江蘇、上海等地區的閃電特征參數進行了研究[5-9]。

安徽省南北跨度較大，山區、丘陵與平原兼具，四季分明，雷電活動頻繁，朱浩等[10]通過統計1998—2012年安徽省雷災報告發現，全省發生雷災事故894起，造成人員傷亡373人，導致直接和間接經濟損失四千余萬元。楊春明等[11]對2010—2012年3—12月逐日閃電數據進行分析，結果表明安徽省正負閃電強度值集中在3~30 kA，陳光舟等[12]研究發現安徽南部的閃電數和平均電流強度比北部大，但北部正地閃比例略高于南部，王凱等[13]根據2011—2013年地閃資料，得出皖南山區地閃電流強度主要集中在10~50 kA，在雷電流強度高值區，正地閃比例略增加。為能夠更全面了解安徽省雷電氣候特征，本文利用安徽省ADTD（Advanced Direction Finding on Time Difference）閃電定位系統建站以來積累的11 a資料進行統計分析，并結合經驗正交函數分解方法（Empirical Orthogonal Function，縮寫為EOF）以及NCEP/NCAR再分析資料對全省閃電特征及空間分布開展分析，加深對地閃活動規律的認識，為雷電監測預警、雷電災害風險區劃及雷電防護工作提供支撐。

1 資料與方法

分析數據來源于安徽省ADTD閃電定位系統所探測到的閃電資料，選取建站以來所有完整年度，即2011—2021年1—12月的閃電定位資料，主要信息包括地閃發生的時間、經緯度、回擊電流峰值、陡度和極性等。利用NCEP/NCAR再分析資料進行影響因素分析，該資料是美國氣象環境預報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）利用觀測資料、預報模式和同化系統對全球從1948年到目前的氣象資料進行再分析形成的格點資料，時間長度為2011—2021年，水平分辨率為2.5°×2.5°。

首先，采用IEEE工業組文件規定的質量控制方法，剔除地閃回擊電流峰值＜2 kA和＞200 kA的雷電流樣本，再運用數理統計分析趨勢變化，通過krigin插值計算得到該區域閃電頻次格點數據，每個網格的年平均閃電次數即為該點的地閃密度，再結合EOF方法提取主要數據特征量，并利用Origin、Surfer和ArcGIS對閃電定位數據的時空分布和空間模態等進行繪圖，最后結合Grads對再分析資料進行成因分析。

2 結果與分析

2.1 年變化特征

2011—2021年共探測到地閃2 632 517次，年均239 320次，由圖1可以看出，地閃年際變化差異較大，2011年最高，達361 079次，最少在2017年，為107 611次。11 a負地閃發生2 484 928次，占地閃總數的94.02%，正地閃為147 589次，占地閃總數的5.98%，這與王娟等[14]對2009—2012年中國閃電分布特征的分析以及成勤等[15]對中部5省2007—2010年負地閃發生次數占總地閃95%的結果基本一致，主要因為雷暴云多為三級性電荷結構，大多數地閃通常在中部負電荷區和下部正電荷區之間起始，負極性通道穿過下部正電荷區達到地面，形成負地閃[16-18]。

圖1 2011—2021年安徽省閃電頻次與平均地閃回擊電流峰值年變化

安徽省地閃年平均回擊電流峰值在33.10~41.19 kA，平均值為36.74 kA，年均地閃回擊電流峰值的標準差為2.62 kA，年際變化沒有明顯規律性。進一步對逐年正、負地閃數據進行統計，結果如表2所示，正地閃年平均回擊電流峰值為49.9 kA，標準差為4.61 kA；負地閃年平均回擊電流峰值為35.9 kA，標準差為2.59 kA，各年平均正地閃回擊電流峰值大于負閃回擊電流峰值9.66~18.46 kA，平均為14.01 kA。正地閃回擊電流峰值和年際波動整體高于負地閃，且正、負回擊電流峰值大小與當年對應地閃發生次數沒有直接對應關系。

表1 2011—2021年安徽省地閃統計

2.2 月、季變化特征

圖2為2011—2021年安徽省逐月平均地閃頻次和回擊電流峰值變化趨勢，總體呈單峰型特征，絕大部分地閃發生在5—9月，該時段地閃次數占全年的90.1%，其中8月閃電發生最多，月平均達82 435次，占全年的34.5%，9月以后地閃次數迅速減少，10月以后僅有零星閃電發生，至次年3月為地閃發生極少期，該結果與現有研究結果一致[10-12]。由此可見，7—8月安徽省雷電活動最頻繁，也是做好雷電防護工作的關鍵時期。從月平均地閃回擊電流峰值變化可以看出，其與閃電頻次趨勢總體相反，整體呈夏季低、秋冬季高的特征，最小值出現在8月，為35.96 kA，自10月后增加明顯，最大值出現在12月，為80.84 kA。

圖2 2011—2021年安徽省閃電頻次與平均地閃回擊電流峰值月變化

由表2可以看出，正、負地閃頻次在不同季節之間差異較大，但均在夏季達到峰值，春季次之，秋季和冬季較少。安徽省正地閃比例冬季最高、夏季最低，表明安徽省正地閃占總地閃的比例隨總地閃發生次數的減少而增多，這與王學良等[19]、楊敏等[20]研究結果一致。正、負地閃回擊電流峰值的季節變化與頻次相反，正地閃回擊電流峰值整體高于負地閃的，且正地閃平均回擊電流峰值的季節間波動較負地閃更為顯著。安徽省冬季地閃回擊電流峰值較大，這可能與冬季較高的正地閃比例和正地閃回擊電流峰值有關[21]。

表2 2011—2021年安徽省各季節地閃統計

2.3 日變化特征

圖3為2011—2021年安徽省閃電發生頻次及地閃回擊電流峰值日變化趨勢。06—09時地閃發生次數較少且波動平穩，11時為最小值，僅3 893次，之后快速陡增，峰值出現在16時，為24 536次，20時之后減少，正、負地閃日變化趨勢基本一致。總體來看，安徽省地閃活動日變化主要集中在午后至傍晚，14—19時是閃電多發時段，每小時閃電次數均在15 000次以上，占全天的57.13%。安徽省總地閃的日變化趨勢與湖北、江西等多個周邊省份相似[7，9]，但具體時段稍有不同，地閃的這種日變化特征與安徽省午后至傍晚強對流天氣活躍的氣候特征一致，主要由于上午熱力條件不足，不利于地閃形成，午后至傍晚在太陽輻射的加熱作用下，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。

安徽省平均地閃回擊電流峰值在一天中的波動較小，相差在5 kA以內，較高值出現在清晨至上午氣溫相對較低的時段，最大值出現在06時，達40.43 kA，隨著回擊電流峰值減小，地閃頻次逐漸增大，回擊電流峰值的最小值出現在14時，為34.6 kA。由圖3可知，平均地閃回擊電流峰值的日變化趨勢整體與頻次變化相反，即當閃電較為活躍時，平均回擊電流峰值較小，反之較大，該特征與馮真禎等[6]、王學良等[7]研究結果一致。

圖3 2011—2021年安徽省閃電頻次與平均地閃回擊電流峰值日變化

2.4 空間分布特征

選取2011—2021年安徽省閃電定位資料，以1 km×1 km網格，利用krigin插值法得到安徽省地閃密度和回擊電流峰值空間分布。安徽省年平均地閃密度為1.72次/（km2·a），由北向南整體呈遞增的分布特征（圖4a），密度較高區域集中在滁州東部、六安東部以及長江以南部分地區，其中皖南山區的池州東北部及南部、宣城東部、銅陵東部地區為地閃密度高值中心，局部地區超過了4.20次/（km2·a），淮河以北地區年均地閃密度在1.00次/（km2·a）以下，這與王凱等[12]針對安徽皖南山區地閃特征對比分析的結果基本一致。安徽南北部地貌特征及氣候差異較大，安徽北部以平原為主，中部多為平原與丘陵的過渡區域，南部山區平均海拔約為500 m，鄭棟等[21]研究結果表明，閃電活動多出現在水體和山脈附近，在特定時段山脈和水體具有熱力和動力抬升條件，并提供充足的水汽，則更有利于雷暴的形成。李家啟等[23]研究表明重慶丘陵山區的地形對中尺度雷暴有動力抬升作用，導致山區閃電頻數高于丘陵和平原地區。

近11 a安徽省地閃回擊電流峰值空間分布如圖4b所示，主要分布在30~60 kA，各市均存在若干個塊狀高值區，表明全省均有強雷電活動發生，但高值區個數由北向南明顯減少，塊狀高值區主要集中分布在亳州、淮北、宿州等地，其次為六安、淮南南部、合肥以及馬鞍山一帶，最后零星分布在長江以南地區，與圖4a對比發現，全省地閃回擊電流峰值與地閃密度空間分布大致相反。

圖4 2011—2021年安徽省地閃密度（a）與回擊電流峰值（b）空間分布

2.5 地閃頻次分布主成分分析

為更好地了解安徽省地閃頻次的空間分布特征，對2011—2021年全省閃電資料進行主成分分析，其載荷向量能較好地反映地閃密度的空間異常特征。表3給出了2011—2021年安徽省閃電頻次主成分分析特征值及顯著性檢驗。根據主成分分析，特征值＞1或累計貢獻率＞80%的提取原則，提取前5個主成分，特征值分別為12.91、4.46、3.36、2.20、1.38，累計方差貢獻占比90.05%，能夠全面反映安徽省地閃頻次的典型分布型。

表3 2011—2021年安徽省閃電頻次主成分分析特征值及顯著性檢驗

選取前5個特征向量進行具體分析，得到2011—2021年安徽省總地閃頻次EOF第1～5模態（圖5）。圖5a為第一模態系數分布，方差貢獻占比達到47.83%，是最主要的特征。第一模態空間函數在安徽省內均為正值，表明安徽省閃電活動在空間上具有一致性，且閃電頻次變化趨勢基本一致，因此劃為全省一致型。

圖5b為第二模態系數分布，方差貢獻占比16.53%。正值區域的中心位于皖鄂交界的大別山區，說明大別山區的閃電頻次往往異常高于其它地區，并與淮河上游地區呈現反向差異特征。這一模態正好代表了大別山區在安徽省雷電活動的特殊地位，雷電活動頻繁，劃為大別山區型。

圖5c為第三模態系數分布，方差貢獻占比12.44%，空間函數正值大值區位于皖北，負值中心位于江淮之間東部，說明江淮之間東部地區的雷電頻次偏少，雷電活動不頻繁。與其他地區不同，當皖北、皖南雷電活動頻繁時，江淮之間東部的雷電相對較少，因此劃分為江淮東部型。

圖5d為第四模態的系數分布，方差貢獻占比8.16%，零度線基本沿著長江將安徽省分割為南北兩部分，且空間函數呈現江南、江北反相的分布特征，正大值區位于浙皖交界的山區。由此可見，在安徽省雷電活動分布上，長江起到了分界線的作用，江南、江北形成明顯反差，皖南山區雷電活動異常頻繁，因此劃分為江南江北型。

圖5e為第五模態的系數分布，方差貢獻占比5.09%，空間函數正值大值區基本沿淮河呈帶狀分布，在淮河上下游各出現一個正值中心，表明沿淮河地區雷電活動頻繁，特別是豫皖交界的淮河上游地區雷電活動異常偏多，突出了沿淮河一帶雷電活動的整體一致性，因此劃分為沿淮型。

圖5 2011—2021年安徽省總地閃頻次EOF分解的前5個模態

3 影響因素分析

雷暴等強對流天氣的發生發展需要具備：充足的水汽、不穩定層結和抬升機制[24]。圖6給出了2011—2021年安徽省上空500 hPa平均相對濕度、850 hPa平均比濕、850 hPa平均假相當位溫和沿114°～120°E平均垂直速度的緯度—高度剖面圖。由圖6a和6b可以看出，500 hPa相對濕度和850 hPa平均比濕的數值自南向北遞減，高值中心位于皖南山區，表明安徽省南部較北部水汽條件更好。圖6c為2011—2021年850 hPa平均假相當位溫的分布狀況。安徽省整體呈南高北低態勢，南部等值線密集，而假相當位溫是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量，反映大氣中能量的分布和層結狀況[25]，位勢梯度大，大氣較不穩定，是對流發生的有利條件之一。此外，潮濕的空氣給負閃電的形成提供條件，而熱力不穩定和上升氣流密切相關，其可將過冷水滴抬升至冰相混合區，從而形成較大的電荷濃度，利于雷暴起電[26]。

除了水汽、熱力條件之外，雷暴等強對流天氣的觸發機制也非常重要，通過將114°～120°E的平均垂直速度沿著經向垂直剖面，得到緯度—高度剖面圖（圖6d）。安徽省南部地區（低于32°N）上空，垂直速度基本為負值，500 hPa左右上升明顯，有利于雷暴等對流能量的釋放，而北部地區（高于32°N）整層高空上升速度為正，主要為下沉氣流。綜上所述，安徽省南北地區在水汽、熱力和觸發機制方面存在明顯差異，且南部地區均優于北部地區，易發生雷暴等強對流天氣。

圖6 2011—2021年500 hPa平均相對濕度（a，單位：%）、850 hPa平均比濕（b，單位：g/kg）、850 hPa平均假相當位溫（c，單位：K）和沿114°～120°E平均垂直速度的緯度—高度剖面（d，單位：Pa/s）

4 結論與討論

通過對2011—2012年安徽省地閃資料進行時空分析，得出以下主要結論：

（1）2011—2021年安徽省總地閃次數為2 632 517次，年際變化差異較大，總體呈振蕩減少趨勢，負地閃占地閃總數的94.02%，平均地閃回擊電流峰值為35.9 kA。月變化呈單峰型特征，正、負地閃頻數均在8月達到峰值，但正地閃比例隨總地閃發生次數的減少而增多，冬季正地閃比例達32.1%，且正地閃回擊電流峰值季節間波動高于負地閃，冬季較高的正地閃比例和正地閃回擊電流峰值可能為安徽省冬季整體地閃回擊電流峰值較大的原因。

（2）安徽省地閃主要集中出現在午后時段，平均地閃回擊電流峰值在一天中的波動較小，相差在5 kA以內，日變化趨勢整體與頻次變化相反，即當地閃較為活躍時，平均回擊電流峰值較小，反之較大。

（3）近11 a安徽省年平均地閃密度為1.72次/（km2·a），山區高于平原，自皖北平原向皖南山區整體遞增，高值區位于皖南山區的池州東北部及南部、宣城東部、銅陵東部等地區，年均地閃回擊電流峰值方面，空間分布與平均地閃密度大致相反，高值區零星分布于全省各市，但高值區個數由北向南減少。

（4）安徽省閃電活動在空間上具有一致性，但南北存在一定差異，全省閃電活動的空間異常分布型依次劃分為全省一致型、大別山區型、江淮東部型、江南江北型和沿淮型。

（5）近11 a安徽省南部地區的水汽條件、熱力條件、觸發機制均優于北部地區，南部易發生雷暴等強對流天氣，與閃電頻次的分布特征一致。

（6）本文分析了安徽省2011—2021年閃電時空分布特征，但由于安徽省地貌類型復雜多樣，山地、丘陵與平原相間分布，今后需結合不同下墊面的大氣不穩定參數、海拔等要素開展相關性及個例研究，進一步了解全省閃電活動規律，為不同地區的雷電防御措施提供理論支撐。