基于ADTD資料的浙江地區多回擊地閃特征分析

崔雪東 張衛斌* 顧媛 田德寶

(1 浙江省氣象安全技術中心，杭州 310008； 2 浙江省嘉興市氣象局，嘉興 314050)

引言

雷電是伴有閃電和雷鳴的自然現象，發生時產生強烈的電磁脈沖，通常伴隨強降水等災害性天氣活動[1]，是最嚴重的十大自然災害之一[2]。雷電定位系統是當前獲取閃電信息的有效途徑，通過對地閃回擊產生的電磁場實現定位，是氣象、電力、航空等部門進行雷電監測、雷電活動特征分析的重要依據，對雷電防護和預警具有指導意義[3-5]。回擊作為雷電放電過程中最為強烈的子過程，具有強大的物理破壞性，同時產生的電磁脈沖可以對電子設備造成嚴重的損壞，一直是雷電研究的重要對象。

一次閃電放電可能有多次回擊過程，國內外研究者采用不同的探測手段針對不同地區的多回擊地閃的參數特征進行分析。Saba等[6-7]借助高速攝像機對巴西某地正、負地閃的回擊特征進行了統計分析，發現負地閃的多回擊占比遠大于正地閃，其中平均回擊次數為3.8次，另外正地閃的回擊間隔平均值為負地閃的2倍。Thomson等[8]在Florida觀測到每次地閃的平均回擊數約為4.0次。郄秀書等[9]對蘭州地閃特征分析發現，繼后回擊與首次回擊強度比約為0.7，且20%負地閃的繼后回擊強度大于其對應的首次回擊。Zhu等[10]發現安徽地區多回擊地閃占70%，回擊次數為3.3次，且回擊間隔呈近似對數正態分布，有近40%的負地閃繼后回擊強度大于首次回擊。另外一些學者[11-14]針對不同的定位網探測數據，對多回擊地閃的參數特征做了相應的分析，無論是地閃中首次回擊的比例，還是繼后回擊與首次回擊強度之間的關系等，既有結果相近之處，也存在研究結論相差較大之處。

浙江省是我國雷電災害的主要發生地之一，研究人員利用ADTD (Advanced TOA and Direction system)閃電定位系統資料對浙江省及部分地市的雷電特征作了較為詳細的分析[15-17]。但這些分析并沒有考慮定位資料以放電輻射源的形式給出，只籠統統計所有回擊信息，尤其在考慮地閃頻次、密度及強度特征分析中，需要將多次回擊聚類為一次閃電并考慮多次回擊的雷電參數特征。

本文將利用浙江省二維閃電定位系統監測的地閃數據，按照一定的聚類標準，區分探測地閃的首次回擊和繼后回擊，并對多回擊閃電進行歸閃，進而分析浙江地區多回擊地閃的參數特征,為更高質量地使用ADTD地閃資料提供技術支撐，同時對不同定位系統的對比分析及算法研究提供有意義的參考價值。

1 資料及方法

本文資料來源于浙江省ADTD二維閃電定位系統所探測的2007—2018年的地閃數據。該系統于2006年底建成，由分別位于浙江省內11個地市的觀測站組成,采用時差法和定向時差聯合法進行定位，探測效率為80%～90%，平均探測范圍為300 km，定位誤差為0.5°。系統探測的每次回擊包括以下要素：回擊時間、位置、強度、陡度、定位方式等。由于二站定位監測的地閃集中在各站點周邊，且以各站點為中心呈放射狀分布，定位精度誤差較大[18-19]，故文中所分析的數據均已剔除定位方式為二站混合和二站振幅的地閃。

目前對于多回擊地閃的歸閃沒有一個公認的標準，參照已有的研究，通常將發生在1 s或0.5 s之內的兩次回擊且定位距離小于5 km或10 km定義為一次閃電。本文采取GB/T37047—2018[20]的地閃歸集方法進行歸閃。具體方法是首先確定首次回擊，若繼后回擊與首次回擊的時間間隔小于或等于1 s、距離小于或等于10 km且相鄰回擊之間的時間間隔小于或等于500 ms則歸并為一條閃電，其中首次回擊的位置為該次地閃的雷擊點；當不存在滿足條件的繼后回擊，則認定此回擊為單次回擊地閃。本文將依據以上方法對2007—2018年間浙江區域內發生的所有回擊進行歸并處理。

2 特征分析結果

2.1 回擊次數

根據對2007—2018年ADTD系統探測回擊數及歸并地閃的統計，12年間全省共探測回擊2696951次，其中正回擊89188次，占總回擊數的3.31%。共發生地閃1930076次，其中單回擊地閃1414055次，多回擊地閃516021次，多回擊地閃占總地閃的26.74%。從單回擊地閃來看，正單回擊地閃為86173次，負單回擊地閃為1327882次，正單回擊地閃占總單回擊地閃的6.09%；而多回擊地閃中，正多回擊地閃共1475次，負多回擊地閃共516021次，正多回擊地閃占多回擊地閃的0.29%。正多回擊地閃的比值遠遠低于正單回擊地閃的比值，這表明正地閃主要為單次回擊，而負地閃相對于正地閃，更容易產生多回擊的過程。

圖1給出正、負地閃的回擊數頻次分布。從圖中可以看出，多回擊地閃的頻次分布具有準正態分布特征，地閃頻次比例隨回擊數的增加急劇減小，負地閃集中在5次回擊以內，占總負地閃數的99%，地閃頻次都超過1萬次；正地閃集中在2次回擊以內。單回擊地閃所占比例最大，其正地閃高于負地閃；對于多次回擊地閃頻次比例，負地閃比值明顯大于正地閃。本文的統計結果與部分觀測結果具有一致性[11-13]。

圖1 正負地閃回擊數的頻次分布

通過對地閃回擊過程中回擊數統計，得出負多回擊地閃平均繼后回擊數為1.65次，一次過程最大回擊數達21次；而正地閃平均繼后回擊數為1.04次，一次過程回擊數最大為5次。可見負地閃的回擊數遠大于正地閃，這可能是因為正電流首次放電釋放的電荷量較大，導致其繼后回擊次數偏少。

表1列舉了國內外學者依據不同觀測手段針對不同地區正、負多回擊次數及單回擊地閃比例。可以看出，本文中正、負地閃平均回擊次數和單回擊地閃比例與曾金全等[12]、李京校等[13]和Qie等[21]觀測結果基本一致，這些文獻的結論都基于對閃電定位系統探測地閃的分析所得。另外文中正地閃平均回擊次數與單回擊地閃比例與黎勛等[22]的觀測結果較為一致，雖然負地閃的結果具有一定的相似性，但相比正地閃差異較大。

表1 不同地區正、負多回擊地閃的回擊特征結果對比

2.2 回擊數的時間變化

以往的研究表明浙江省地閃具有明顯的時間分布特征[15,23]，從逐年的總回擊數、多回擊地閃數和總地閃數來看(圖2)，三者都存在明顯的年際變化，且變化趨勢較為一致，多回擊地閃數和總地閃數與總回擊數的相關系數分別達到0.89和0.95，回擊頻發的年份單回擊地閃和多回擊地閃頻次也較多。但也存在個別年份雖然回擊數較高，但多回擊地閃數偏少的情況，比如2010年回擊數是十來年最高的一年，但多回擊地閃數略高于多年平均值，而單回擊地閃明顯高于其他年份，所占的比重較高。

圖2 2007—2018全省總回擊數和地閃頻數的年際分布

從正、負多回擊地閃頻次時段變化來看(圖3)，兩者的變化分布趨勢相似，午后和傍晚多回擊地閃次數相對其他時段為高發時段，這與我省雷暴日變化特征相一致。正、負多回擊地閃頻次峰值稍有差別，負多回擊地閃呈明顯的單峰分布，峰值在15:00，后半夜和上午頻次較少。正多回擊地閃分布相比負地閃在時段分布上更為均勻，呈多峰分布，分別在02：00、16：00和19：00存在峰值，從一日之中的各時段頻次占比來看，夜晚和上午正多回擊地閃頻次占比明顯大于負地閃。

圖3 正、負多回擊地閃頻次的日變化

2.3 強度變化

地閃回擊電流強度反映雷暴放電的劇烈程度，是雷電防護中的重要參數之一。經對回擊電流強度的統計，負極性總回擊平均強度為-37.74 kA，正極性總回擊平均強度為56.50 kA；負單回擊地閃平均強度為-38.60 kA，正單回擊地閃平均強度為55.96 kA；負多回擊地閃平均強度為-36.89 kA，正多回擊地閃平均強度為72.06 kA；負多回擊地閃首次回擊地閃強度為-41.53 kA，正多回擊地閃首次回擊地閃強度為81.83 kA。可見正地閃電流強度明顯大于負地閃，且正、負多回擊地閃首次地閃平均強度明顯大于單回擊地閃，這也說明了當電荷量較大時，放電通道較好，更易發生多回擊過程。

一般認為地閃的首次回擊較繼后回擊的電場強度大，通過對正、負閃回擊平均強度隨回擊序數變化的分析(圖4)，可以發現首次回擊的平均強度明顯大于繼后回擊。正負地閃繼后回擊平均強度隨回擊數的增加而下降，其中正閃的下降速度快于負閃。但就一次多回擊地閃而言，并非所有的首次回擊電流強度最大，正、負地閃首次回擊為一次過程回擊最大值的百分比分別為72.69%和55.00%，約2/5的閃電至少有1次繼后回擊強度比首次回擊強。其他學者通過觀測試驗發現類似的結果[9,11]，只是在比例上各不相同，在雷電防護中應考慮此現象。

圖4 隨回擊序數變化的正負地閃回擊平均強度分布

圖5通過對不同電流強度區間首次回擊數和繼后回擊數的占比來重點分析多回擊地閃的強度特征，正、負首次回擊數和繼后回擊數隨強度變化呈明顯的對數正態分布，電流強度在15～45 kA的回擊發生最多。從首次回擊與繼后回擊的強度分布來看，首次回擊和繼后回擊強度的峰值基本一致，但繼后回擊相比首次回擊的強度分布更為集中，在15～45 kA之間，正極性首次回擊占32.07%，正極性繼后回擊占50.32%，負極性首次回擊占75.43%，負極性繼后回擊占85.52%，繼后回擊占比較首次回擊高十多個百分點。從正、負回擊的強度分布來看，負回擊相比正回擊的強度分布更為集中，在15～35 kA強度區間內，負回擊占比較正回擊高三十多個百分點；另外在首次回擊和繼后回擊頻次峰值的強度區間分布上，負閃回擊峰值在20～25 kA，而正閃回擊峰值在25～30 kA，高于負閃一個區間。

圖5 正(a)、負(b)首次地閃和繼后地閃的電流強度分布(實線為50%分位強度值，虛線分別為25%和75%分位強度值)

通過強度的四分位分布可以看出，首次回擊的各分位的強度值都明顯大于繼后回擊各分位的強度值；且首次回擊的強度分布較繼后回擊更為離散，尤其首次回擊75%分位與中分位之間的強度差值大于其他區間。從地閃的極性來看，正閃的四分位強度遠大于負閃，正閃25%分位與中分位強度是負閃的1.5倍左右，而75%分位則達到2倍左右，反映了正閃容易產生較大強度的放電。

2.4 間隔時間

通過對多回擊地閃相鄰兩次回擊間隔時間進行統計，總的地閃間隔時間算術平均值為138.11 ms，幾何平均值為98.85 ms，其中負地閃間隔時間算術平均值為138.14 ms，幾何平均值為98.95 ms，正地閃間隔時間算術平均值為125.47 ms，幾何平均值為56.73 ms。間隔時間的幾何平均值遠小于算術平均值，另外正地閃的間隔時間小于負地閃。從各類研究的結果來看[9,12,22]，相鄰多回擊地閃之間的間隔時間相差較大，本文結果與曾金全[12]研究結果相近。不同的歸閃方法和不同的樣本量都可能導致平均間隔時間之間存在較大的差異。以每5 ms為間隔統計各區間回擊次數占總回擊數的百分比(圖6)，可以看出，不同回擊間隔時間與分布頻次服從對數正態分布，發生頻數最高的間隔時間約為60 ms，回擊間隔時間主要集中在30～130 ms之間，占所有回擊數的59.15%，當間隔時間大于250 ms，每個區間內回擊頻次占比均不足1%。

圖6 多地閃回擊間隔時間分布次數及其占總次數的百分比

回擊間隔時間對回擊次數有著決定性的作用，首次回擊發生之后，雷電放電通道的導電性要好于首次回擊之前，若間隔時間較短，則可產生更多的繼后回擊。圖7通過不同次數正負多回擊地閃的幾何平均間隔時間分布來展示兩者之間的關系。可見正、負地閃的平均間隔時間總體上隨回擊數的增多而減小，負閃的平均間隔時間從123.15 ms(回擊數為2)下降到23.76 ms(回擊數為14)，正閃的平均間隔時間從57.31 ms(回擊數為2)下降到25.01 ms(回擊數為5)。負閃回擊次數大于8次，平均間隔時間均不足60 ms。

圖7 不同回擊次數正負多回擊地閃的平均間隔時間分布

2.5 雷擊點間隔

對于一次多回擊地閃過程，每次回擊的雷擊點可能不在同一位置，一般使用首次回擊的雷擊點作為此次地閃的回擊位置。不同回擊的擊地點位置差距可在一定程度上反映探測系統的定位誤差。經統計，所有多回擊地閃繼后回擊與首次回擊之間距離算術平均值為1.68 km，幾何平均值為0.72 km，圖8為其0.1 km間隔的回擊頻數分布，可見多回擊地閃的回擊頻次呈準正態分布特征，繼后回擊與首次回擊的回擊點距離越長，回擊頻數越少。大部分繼后回擊與首次回擊距離在1 km范圍內，占總頻數的54.63%，尤其集中在0.2 km以內，占總回擊數的23.43%。Srivastava等[24]和Chen等[25]基于不同地區的閃電定位系統，利用高塔閃電評估表明大范圍的定位網探測的地閃誤差在幾百米到幾公里之間。

圖8 不同繼后回擊與首次回擊的回擊點距離的頻數分布

3 結論與討論

本文通過浙江省ADTD監測的2007—2018年的地閃資料統計分析了多回擊地閃的分布規律和相關參數特征，得到以下結論：

(1)浙江省多回擊地閃占總地閃的26.74%，其中正閃以單回擊地閃為主；正、負多回擊地閃頻次隨回擊序數的增加而急劇減少；正、負多回擊地閃平均回擊數分別為1.05次和1.65次。回擊數和地閃數具有較好的對應關系，存在明顯的年際變化。在日變化上，正、負多回擊地閃分別呈多峰和單峰分布，午后和傍晚為地閃的多發時段。

(2)正、負多回擊地閃平均電流強度分別為72.06 kA和-36.89 kA，首次回擊的平均電流強度明顯大于繼后回擊，繼后回擊平均強度隨回擊數的增加而下降，但就每次放電過程而言，約40%的閃電至少有1次繼后回擊強度比首次回擊強。首次回擊數和繼后回擊數隨強度變化呈明顯的對數正態分布，集中分布在15～45 kA之間，其中繼后回擊和負閃的強度分布相比首次回擊和正閃更為集中。

(3)正、負地閃回擊間隔時間算術平均值平均分別為125.47 ms和138.14 ms，幾何平均值分別為56.73 ms和98.95 ms；不同回擊間隔時間與分布頻次呈對數正態分布，集中分布在30～130ms之間；不同回擊次數的地閃的平均間隔時間隨回擊數的增多而減小。

(4)多回擊地閃繼后回擊與首次回擊之間距離算術平均值為1.68 km，幾何平均值為0.72 km，不同回擊間隔距離回擊數呈準正態分布，集中在距離為1 km范圍內，回擊數隨回擊間隔距離呈下降趨勢。

(5)本文對多回擊地閃相關參數特征分析結論與其他學者的研究結果基本規律大致一致，但具體數值存在差異，這一方面是因為探測手段或探測設備的不同；另一方面雷電本身具有隨機性且受地域、地形、氣象條件等諸多因素影響。這種差異性值得今后進一步研究，并在研究的基礎上加強對數據質量的控制，為雷電防災減災提供更優的數據支撐。