基于ADTD的城市與平原不同下墊面狀況對閃電特征影響的分析

李政 范是琪 趙濤 王小飛

摘要：利用湖北省ADTD閃電定位系統記錄的江漢平原天門市、仙桃市、潛江市城市下墊面與3個城市外圍平原下墊面的地閃數據，通過對地閃數據中閃電頻次、閃電極性、閃電幅值、累積概率等閃電特征進行歸納分析對比，從而揭示湖北省內在同一大氣環流背景下城市與平原2種不同下墊面狀況對閃電具體特征的影響。結果表明，在同一大氣環流背景下，城市與平原下墊面之間同時發生閃電的相關系數較高，因為下墊面特征產生的局部閃電比例較低;城市下墊面對應的正閃電比例高于平原下墊面，但是其正閃平均幅值較低，呈負相關;城市下墊面的閃電幅值分布更加集中，主要在20-35 kA;城市下墊面與平原下墊面相比，雷電流平均幅值大0.91 kA，雷電流累積概率中值電流大0.90 kA，60.0 kA以上的雷電流也表現為城市下墊面更多。

關鍵詞：ADTD;下墊面;閃電特征;湖北省

中圖分類號：S42;P427.32

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 20-0071-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.20.015

閃電是云與云之間、云與地之間或者云內部各部位之間的強放電現象。其中對人類危害最大的主要是云與地之間放電，也叫云地閃。云地閃可以分為上行先導和下行先導，但是最后雷擊點都是在下墊面上，不同下墊面會影響雷擊先導，也會對閃電特征產生影響。此外，下墊面的特征，如不同的地形、地質、土壤和植被等，地形的曲折起伏、植被和土地的利用類型等也會影響下墊面上部邊界層的熱力和動力過程，進而對天氣過程產生不同程度的影響，最后影響到閃電的特征。

關于下墊面對閃電天氣過程的影響研究較多，有分析指出，下墊面特性（植被和土壤）的變化影響了地表能量和熱通量及對流有效位能[1-3]。土地利用類型的改變使地表加熱產生空間變化從而加強了強對流天氣。Chen等[4]分析指出，臺北市城市化進程改變下墊面狀況使大氣邊界層的動力和物理過程被迫改變，城市熱島效應引起的中尺度環流加強了主城區下風向的對流活動。徐蓉等[5]利用數值模擬南京市下墊面特征對雷暴過程的影響，表明雷暴發生前期，南京市熱島效應明顯，其次，城市上空的感熱通量較高，結合城郊下墊面熱力差異造成的城市熱島環流，加強了城區的輻合上升，為雷暴的形成提供了重要的抬升作用。

上述研究主要分析了下墊面對水汽、熱量、動力的影響，但是具體到在這種影響下不同下墊面之間發生閃電的具體特征（如閃電極性、幅值、陡度）差異方面的研究較為鮮見。本研究將探討不同下墊面之間發生閃電的差異，以期為城市和農村開展精細化防雷減災工作提供理論依據。

1 資料獲取與處理

江漢平原位于長江中游，漢江中下游，湖北省的中南部，西起宜昌枝江，東迄武漢，北自荊門鐘祥，南與洞庭湖平原相連，面積約4.6萬km2。選取ADTD閃電定位系統2007-2015年記錄的云地閃資料[6-13]，通過對比分析江漢平原仙桃市、潛江市、天門市市區與附近平原的云地閃特征來反映城市下墊面與平原下墊面對閃電特征的影響。從圖1可以看出，平原下墊面主要是以綠色農田為主，而在城市部分卻是人工改造后的灰色鋼筋水泥。不同下墊面的坐標選取范圍如表1所示。

2 不同下墊面閃電頻次特征分析

2.1 日變化分布

江漢平原是典型的亞熱帶季風氣候，所選取的對比區域都在江漢平原內，之間并沒有大的山川、水域影響天氣環流，所以其所處的地理位置大尺度的天氣環流背景是相同的。

將閃電發生時間按照24 h日變化進行歸納，結果見圖2。由圖2可以看出，研究區域內的城市、平原下墊面閃電頻次有較大差異，但是它們所對應的閃電頻次日變化曲線基本一致。在一天中閃電發生最多的是16：00和3：00，2個波峰。發生閃電最少的是6：00和12：00，2個波谷。

2.2月變化分布

從圖3可以看出，城市與平原下墊面兩者之間閃電頻次的月變化規律基本一致。7月閃電頻次發生最多，12月發生最少，全年呈現一個單峰形態。

2.3 閃電發生相關系數分析

以城市下墊面發生閃電為基數，統計在同一個自然日內平原下墊面也發生閃電時的相關系數（圖4），2009、2012、2013年3年相關系數都是100.00%，最低的是2014年，相關系數為57.00%，2007-2015年總的相關系數是93.83%。這2個不同下墊面之間發生閃電的相關系數非常高，說明這2個不同下墊面之間發生閃電的規律基本一致，推測認為，在相同的大氣環流背景下，下墊面狀況不是影響閃電是否發生的決定因素[14]。

3 不同下墊面閃電幅值特征分析

3.1 閃電極性的差異性分析

將城市、平原下墊面發生正、負閃電極性按照所占總閃比例及正、負閃電的平均幅值進行歸納統計，結果見圖5。從圖5可以看出，2個下墊面之間負閃、總閃的平均幅值相差較小，但是與正閃相差較大。其中，平原下墊面的正閃平均幅值是+58.63kA，而城市下墊面的正閃平均幅值是+52.49 kA。而從其所占比例來看，2個下墊面之間的規律相反。其中，平原下墊面正閃只占總閃的6.14%，而城市下墊面正閃所占比例達9.42%。

從統計結果來看，城市下墊面比平原下墊面正閃比例要高近53.00%，這是因為城市下墊面比平原下墊面有更多的高聳建筑物，有利于主要存在于雷暴云頂部的正電荷擊穿空氣對大地放電[15，16]。

3.2 閃電幅值最大頻次分析

將城市、平原下墊面不同閃電幅值的頻次進行統計，結果如圖6所示。城市、平原下墊面閃電幅值頻次分布變化曲線基本相同，都是呈單波峰曲線。但是，城市下墊面的曲線要比平原下墊面前移了一部分。其中，城市下墊面最大頻次對應的閃電幅值是27 kA，平原下墊面最大頻次對應的閃電幅值是24 kA，兩者之間相差3 kA。表明雖然城市、平原下墊面的閃電平均幅值差別不大，但是城市下墊面比平原下墊面不同閃電幅值的頻次分布更加平均，主要集中在20-35 kA。

3.3 雷電流幅值累積概率特征分析

將城市、平原下墊面雷電流幅值按照lkA為單位分別統計雷電流幅值大于1、2、3，…，120 kA的次數（120 kA以上雷電流幅值占總閃比例不到萬分之三）。計算城市、平原下墊面的閃電次數大于不同雷電流幅值時占其總閃電次數的百分比，得到城市、平原下墊面的雷電流幅值累積概率，結果見圖7。從圖7可以看出，城市下墊面與平原下墊面對應的雷電流幅值累積概率分布曲線基本相同，但是城市下墊面曲線要略微上揚，這也與城市下墊面雷電流平均幅值較大一致。

學術界把累積概率等于50%時對應的雷電流幅值稱為中值電流。統計結果表明，城市下墊面中值電流大約為28.7 kA，平原下墊面中值電流約為27.8 kA，兩者相差0.90 kA，這與2個不同下墊面平均雷電流幅值相差0.91 kA相近。但是，本研究統計的中值電流要小于王學良等[17]統計的湖北省全省的中值電流（ 29.9 kA），也小于廣州市中值電流（36.7 kA）[18]，但是大于海南省的中值電流（ 10.2 kA）[19]。

在累積概率為10%時，城市下墊面對應的雷電流幅值為60.0 kA，而平原下墊面只有55.0 kA，這說明城市下墊面的較大雷電流幅值占比多于平原下墊面。

4 小結

1）居于同一大氣環流背景下的城市下墊面和平原下墊面之間，閃電發生的規律基本一致，說明下墊面特征不是影響閃電是否發生的決定因素，更多地是影響局部水汽輸送、溫度抬升，從而影響強對流天氣的發展過程。

2）城市下墊面的正閃比例比平原下墊面的正閃比例高近53.00%。這可能是因為城市下墊面比平原下墊面有更多的高聳建筑物，有利于主要集中在雷暴云頂部的正電荷擊穿空氣形成正極性閃電。

3）2個下墊面樣本的正、負閃電平均幅值與正負閃電頻次占比呈反相關，正閃多的下墊面其正閃平均幅值低，負閃多的下墊面其負閃平均幅值低。假設在本研究所取的江漢平原下墊面樣本中，單位面積大氣中一定時間內產生的正、負電荷是相同的，那么放電次數多的，也就是閃電頻次高的，必然每次放電釋放的電荷少，雷電流的平均幅值低。

4）城市下墊面與平原下墊面相比，雷電流平均幅值大0.91 kA，雷電流累積概率中值電流大0.90 kA。城市下墊面的閃電頻次分布也更加集中，閃電幅值主要分布在20-35 kA。同時，城市下墊面大幅值雷電流占比更高，其閃電雷電流幅值大于60.0 kA的占比為10.0%，而在平原下墊面這一數值只有7.7%。在雷電防護設計中，要針對城市下墊面這一特點，有效采取防雷措施。

參考文獻：

[1]羅哲賢，下墊面狀況變化對氣候的影響[J].新疆氣象，1991，14（71：2-9.

[2]杜繼穩，梁俊生，胡春娟，等.植被覆蓋變化對區域氣候變化影響的數值模擬研究進展[J].西北林學院學報，2001，16（2）：22-27.

[3]梁玲，呂世華，尚倫宇.黃土高原植被改變對夏季當地氣候影響的數值模擬[J].高原氣象，2008，27（2）：293-300.

[4] CHEN T C.TSAY J D. MATSUMOTO J，et al.Impact of the summermonsoon westerlies on the south China sea tropical cyclone genesisin MaV[Jl.Weather and forecasting. 2017， 32（3）：925-947.

[5]徐蓉，苗峻峰，談哲敏南京地區城市下墊面特征對雷暴過程影響的數值模擬[J].大氣科學，2013，37（6）：1235-1246.

[6]曾慶峰，張其林，賴鑫，等，深圳市閃電定位系統資料誤差分析及其優化[J]氣象科技，2015，43（3）：530-536.

[7]秦建峰，劉夢雨，吳吳.ADTD雷電探測系統典型故障分析[J].氣象科技，2012，40（2）：180-184.

[8]馮志偉，肖穩安，馬金福，等.基于地閃數據的雷電流幅值累積概率公式探討[J].氣象科技，2012，40（1）：137-140.

[9]陳家宏，童雪芳，谷山強，等.雷電定位系統測量的雷電流幅值分布特征[J]高電壓技術，2013，39（9）：1893-1897

[10]王巨豐，齊沖，車治穎，等.雷電流最大陡度及幅值的頻率分布[J].中國電機工程學報，2007，27（3）：106-110.

[11]張義軍，孟青，馬明，等，閃電探測技術發展和資料應用[J].應用氣象學報，2006，17（5）：611-619.

[12]易笑園，張義軍，李培彥，等.MCS中地閃活動特征與雷達資料相關個例分析[J].氣象科技，2007，35（5）：665-670

[13] ANDERSON R B，ERIKSSON A J.Lightning parameters for engi-neering application[J] .Electra. 1980， 69： 65-102.

[14]翟國慶，丁華君，高坤.中尺度下墊面特征對氣旋暴雨影響的數值試驗[J].杭州大學學報，1995，22（2）：185-190.

[15]王華，孫繼松.下墊面物理過程在一次北京地區強冰雹天氣中的作用[J].氣象，2008，34（3）：16-21.

[16]張朝林，苗世光，李青春，等，北京精細下墊面信息引入對暴雨模擬的影響[J].地球物理學報，2007，50（5）：1373-1382.

[17]王學良，張科杰，余田野，等.雷電流幅值概率分布特征及累積概率分段修訂[J]。氣象科技，2016，44（6）：1037-1042.

[18]陸國俊，熊俊，陳家宏，等廣州地域1999-2008年地閃密度圖及雷電參數分析[J].高電壓技術，2009，36（12）：2930-2936.

[19]童雪芳，陳家宏，陳欽柱海南電網雷電參數特征及應用研究[Jl.電磁避雷器.2015（1）：134-138.

作者簡介：李政（1984-），男，江蘇沭陽人，副高級工程師，碩士，主要從事雷電防護技術和雷電風險評估方法的研究，（電話）027-67848265（電子信箱）45078168@qq.com。