基于浙江省三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)的多回?fù)糸W電參數(shù)的特征分析

崔雪東，顧 媛，徐震宇，王康挺

(浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008)

閃電是自然界中一種常見的放電現(xiàn)象[1]，具有高電壓、大電流、強電磁輻射的特征，常造成嚴(yán)重的人身傷亡和經(jīng)濟損失，被列為十大自然災(zāi)害之一[2]。根據(jù)放電的類型分為云地閃和云閃，相比于云閃，地閃直接擊中地面，產(chǎn)生的危害最直接?；?fù)羰情W電最強烈的放電過程，破壞力強，其特征是雷電防護(hù)研究的重點[3]。

為深入了解并掌握閃電活動特征，分析閃電成災(zāi)機制，中外科學(xué)家采用不同頻段技術(shù)的天線定位系統(tǒng)監(jiān)測閃電的位置[4-6]，或通過人工引雷技術(shù)解釋閃電放電的機理和特征[7-8]。隨著定位技術(shù)的發(fā)展，氣象、電力、民航等部門部署雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對地閃信息的實時獲取，并對定位效率的探測效率及精度進(jìn)行了大量的評估工作[9]，更高質(zhì)量的地閃數(shù)據(jù)有效應(yīng)用于雷災(zāi)調(diào)查、閃電監(jiān)測預(yù)警以及防護(hù)設(shè)計等領(lǐng)域[10-11]。目前大量運行的二維閃電定位系統(tǒng)受當(dāng)時技術(shù)水平限制，只能探測地閃，且精度和效率較低，而三維定位技術(shù)能以較高的時間和空間精度描繪閃電的發(fā)生發(fā)展，彌補了二維定位對云閃探測的缺陷[12]。近年來，浙江省氣象局致力于二維閃電定位儀的升級，并于2018年底完成三維閃電定位儀的組網(wǎng)并正式投入運行。

通常情況下無論是云地閃還是云閃，一次完整的放電過程可能包括多次回?fù)暨^程，中外學(xué)者通過多種探測手段對多回?fù)舻姆烹娞卣骷捌浞植甲隽舜罅康姆治?。Tiller等[13]利用電場系統(tǒng)對佛羅里達(dá)地區(qū)雷暴進(jìn)行了觀測，對其地閃首次回?fù)艉屠^后回?fù)暨M(jìn)行了統(tǒng)計分析。Janischewskyj等[14]利用攝像機記錄的閃電數(shù)據(jù)得出多倫多地區(qū)閃電回?fù)魹?.4次，持續(xù)時間中值為480 ms，單次回?fù)粽?4.5%。Saba等[15-16]借助高速攝像機拍攝的光學(xué)資料研究了巴西地區(qū)地閃的回?fù)籼卣?，發(fā)現(xiàn)負(fù)單回?fù)舻亻W占20%，平均回?fù)舸螖?shù)為3.8次，正單回?fù)舻亻W占72%，其中正地閃的間隔時間是負(fù)地閃的2倍。郄秀書等[4]、黎勛等[3]通過天線測量系統(tǒng)分別對中國內(nèi)陸高原地區(qū)和北京地區(qū)的回?fù)暨M(jìn)行了分析，重點統(tǒng)計了正負(fù)首次回?fù)艉屠^后回?fù)舻膹姸忍卣?。另外不少研究通過閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃資料對其多回?fù)籼卣髯髁溯^為全面的分析[17-18]。

相比于單回?fù)糸W電，多回?fù)糸W電電荷量較大、作用時間更長、破壞性更大，通過對回?fù)糸W電的研究有助于深入對閃電活動的了解以及對雷電防護(hù)的更優(yōu)設(shè)計。目前的研究主要針對地閃的多回?fù)籼卣鹘y(tǒng)計，對于二維閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測多回?fù)舻亻W也有不少研究，而三維系統(tǒng)監(jiān)測的閃電特別是云閃多回?fù)籼卣餮芯枯^少?；谡憬∪S閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)2019—2020年的閃電數(shù)據(jù)研究其多回?fù)籼卣骷捌鋾r空分布，為更優(yōu)使用三維監(jiān)測數(shù)據(jù)提供參照。

1 資料與方法

浙江省三維閃電定位監(jiān)測網(wǎng)是在原有的二維閃電監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上升級改造而成，基于高精度三維時差定位算法(3D time of arrival，3D-TOA)，實現(xiàn)閃電VLF/LF(very low frequency/low frequency)脈沖信號的時間、極性、強度和三維位置等參數(shù)的定位，大大提高了探測精度和效率，能夠同時探測云閃和云地閃。監(jiān)測網(wǎng)由16臺ADTD-2C型三維閃電定位儀、中心站處理端和3D圖形顯示與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)組成。16臺定位儀合理布置在杭州、平湖、嵊州、長興、定海、洞頭、島石、汾口、三河、江山、霞關(guān)、龍泉、永康、永嘉、泰順、洪家。

參照已有關(guān)于多回?fù)糸W電的歸閃的研究[17-19]，采用GB/T 37047—2018[20]的地閃歸集方法進(jìn)行聚類。對于一次閃電的判斷標(biāo)準(zhǔn)是:空間距離在10 km以內(nèi)，時間差在1 s以內(nèi)且相鄰回?fù)糁g的時間間隔小于或等于500 ms，電流極性相同的回?fù)魧儆谕淮伍W電，閃電的第一次回?fù)魹槭状位負(fù)?，其他回?fù)魟t為繼后回?fù)簟．?dāng)不存在滿足此條件的多次回?fù)簦瑒t認(rèn)定為單次回?fù)糸W電。依據(jù)以上方法對2019—2020年浙江區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地閃回?fù)艉驮崎W回?fù)暨M(jìn)行歸并處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 回?fù)舸螖?shù)

2019和2020年三維系統(tǒng)分別監(jiān)測到閃電回?fù)魯?shù)602 594次和768 602次，2020年閃電回?fù)魯?shù)相比2019年高出近30%。兩年內(nèi)共監(jiān)測到地閃回?fù)魯?shù)986 425次，其中正閃181 453次，負(fù)閃804 972次，云閃回?fù)魯?shù)384 771次，其中負(fù)閃267 406次，正閃117 365次。共發(fā)生地閃621 645次，其中多回?fù)舻亻W174 674次，占總地閃的28.10%，發(fā)生云閃350 981次，其中多回?fù)粼崎W28 120次，占總云閃的8.01%。2019—2020年監(jiān)測到的地閃回?fù)魯?shù)遠(yuǎn)大于云閃回?fù)魯?shù)，地閃回?fù)魯?shù)為云閃回?fù)魯?shù)的2.56倍。從多回?fù)糸W電占比來看，多回?fù)舻亻W占比遠(yuǎn)高于多回?fù)粼崎W占比，兩者相差3倍多。

表1為不同回?fù)粜驍?shù)對應(yīng)的正、負(fù)地閃和云閃次數(shù)及其占總閃次數(shù)百分比分布。從表1中可以看出，單回?fù)魹榈亻W和云閃的主要形式，其中云閃的單回?fù)粽急缺鹊亻W高出近二十個百分點；另外單回?fù)粽W相比負(fù)閃占比高，都占總閃數(shù)的90%以上。多回?fù)舻亻W和云閃頻次隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈明顯的下降趨勢，且各回?fù)粜驍?shù)的正閃占比都小于負(fù)閃占比。負(fù)地閃和負(fù)云閃最多一次閃電都達(dá)到14次回?fù)?，而正地閃和正云閃一次閃電的回?fù)魯?shù)最大不超過10次。

表1 不同回?fù)粜驍?shù)對應(yīng)的正、負(fù)地閃和云閃次數(shù)和所占百分比分布

地閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.59次，其中正地閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.07次，負(fù)地閃為1.78次。云閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.10次，其中正云閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.04次，負(fù)云閃為1.12次。正地閃和正云閃的平均回?fù)舸螖?shù)和最大回?fù)魯?shù)都明顯小于負(fù)閃，可能是因為正閃電荷量較大，一旦建立起放電通道，每次回?fù)暨^程泄放的電荷較多，所以在較少的回?fù)暨^程內(nèi)可完成電荷的釋放。

2.2 時空分布

研究表明閃電的發(fā)生具有明顯的時間和空間分布特征。圖1(a)為逐月總地閃和云閃數(shù)以及多回?fù)舻亻W和云閃的占比分布，可以發(fā)現(xiàn)地閃和云閃主要發(fā)生在夏季，其中7月份最多，另外春季冷暖氣流交匯頻繁，閃電也較易發(fā)生，而冬季很少有閃電發(fā)生。從多回?fù)糸W電的占比來看，多回?fù)糸W電也具有明顯的月際變化，總體上閃電頻數(shù)較高的月份更易發(fā)生多回?fù)糸W電，多回?fù)舻亻W占比遠(yuǎn)高于多回?fù)粼崎W，夏季多回?fù)舻亻W占總地閃數(shù)的1/3左右，而多回?fù)粼崎W占比不足10%。

圖1(b)為閃電頻數(shù)和多回?fù)糸W電占比的地區(qū)分布，可以看出地閃和云閃具有明顯的地域分布，浙南地區(qū)閃電頻數(shù)顯著高于浙北地區(qū)，近一半的閃電集中分布在溫州和麗水地區(qū)。多回?fù)舻亻W和云閃的占比具有同樣的分布特征，浙南地區(qū)相比浙北地區(qū)閃電更易發(fā)生多回?fù)暨^程，尤其嘉湖平湖地區(qū)，閃電頻數(shù)和多回?fù)糸W電占比遠(yuǎn)低于其他地區(qū)。這可能是因為浙江南部地區(qū)多丘陵，山坡對氣流抬升作用有利于雷暴云的垂直發(fā)展。

圖1 地閃和云閃頻數(shù)以及多回?fù)舻亻W和云閃占比分布

2.3 強度變化

閃電電流強度反映了雷暴放電的劇烈程度，是雷電防護(hù)中的重要參數(shù)之一。表2列出了正、負(fù)極性單次回?fù)艉投嗷負(fù)糸W電的首次與繼后回?fù)綦娏鲝姸人阈g(shù)平均和幾何平均統(tǒng)計值?？梢钥闯觯瑔未位?fù)舻亻W和云閃的電流強度平均值最大，正、負(fù)單次回?fù)舻亻W電流強度算術(shù)平均值為23.15 kA和-24.31 kA，幾何平均值為15.19 kA和-19.71 kA；正、負(fù)單次回?fù)粼崎W的算術(shù)平均值為17.26 kA和-15.13 kA，幾何平均值為12.26 kA和-12.66 kA。單次回?fù)舻亻W平均強度明顯大于云閃平均強度，正單次回?fù)粽亻W強度算術(shù)平均值大于負(fù)閃，而單次回?fù)粽崎W強度幾何平均值小于負(fù)閃。

村長說，你也太不把村長當(dāng)干部了，等著。村長立馬就給肉仔打電話。肉仔現(xiàn)在不賣豬肉，他搞了個基建隊，當(dāng)起了包工頭，手頭有點米米。村長找肉仔借錢，叫他馬上送到茶場來。肉仔起先以為村長在賓館打炮，被派出所抓了。后來聽說是送錢到茶場，就不明白了，未必一個成天把拉鏈拉得整整齊齊的人還這么浪漫？！村長把他一頓罵，方才急急找了一輛蹦蹦車，就是那種三輪摩的，顛顛簸簸趕到茶場，把一包用報紙包著的鈔票送來。村長當(dāng)著大家的面，把報紙包遞給牛皮糖說，點點。

對于多回?fù)舻亻W而言，首次回?fù)羝骄鶑姸却笥诶^后回?fù)羝骄鶑姸?，?fù)地閃平均強度小于正地閃。而多回?fù)粼崎W中，正閃首次回?fù)羝骄鶑姸葏s小于繼后回?fù)?，?fù)閃首次回?fù)羝骄鶆t大于繼后回?fù)?。這可能與云對地和云際放電機理有關(guān)。

從表2中可以看出地閃和云閃的單次回?fù)艉褪状位負(fù)羝骄鶑姸瓤傮w上大于繼后回?fù)舻钠骄鶑姸龋话阏J(rèn)為每次閃電過程的首次放電比較強。圖2為正、負(fù)多回?fù)舻亻W和云閃電流強度算術(shù)平均值隨回?fù)粜驍?shù)的分布。地閃和云閃平均強度總體上隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈下降的趨勢，其中地閃的變化趨勢相比云閃更為明顯。負(fù)地閃較正地閃的下降趨勢更為平緩，首次回?fù)羝骄鶑姸葹?28.49 kA，第14次回?fù)舻钠骄鶑姸却蟾旁?17 kA左右；正地閃首次回?fù)羝骄鶑姸葹?0.75 kA，而最弱一次回?fù)舻钠骄鶑姸葍H為8 kA左右。云閃中正閃平均強度隨回?fù)魯?shù)的下降趨勢同樣比負(fù)閃更為劇烈，云閃首次回?fù)舻钠骄鶑姸炔皇腔負(fù)糁凶顝姷?，其中正云閃首次回?fù)舯鹊诙偷谌位負(fù)舻钠骄鶑姸刃?。?fù)云閃的平均強度明顯小于正云閃，各回?fù)粜驍?shù)平均強度差異不大。

圖2 隨回?fù)粜驍?shù)的正負(fù)閃回?fù)羝骄鶑姸确植?/p>

表2 正負(fù)極性回?fù)舻亻W和云閃雷電流強度統(tǒng)計

之前有研究表明，對于一次閃電過程，并非所有的首次回?fù)綦娏鲝姸茸畲螅ㄟ^對每次回?fù)暨^程電流強度最大的回?fù)魯?shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，地閃和云閃首次回?fù)綦娏鳛橐淮伍W電過程最強的百分比分別為45.73%和47.97%，超過一半的閃電過程中至少有一次繼后回?fù)綦娏鲝姸缺仁状位負(fù)魪姡诶纂姺雷o(hù)中應(yīng)充分重視此現(xiàn)象。為了進(jìn)一步了解繼后回?fù)襞c首次回?fù)舻年P(guān)系，避免閃電距離不確定性帶來的回?fù)魪姸戎g的不可比性。地閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)魪姸缺戎档乃阈g(shù)平均值和幾何平均值分別為1.11和0.89，云閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)魪姸缺戎档乃阈g(shù)平均值和幾何平均值分別為1.19和0.99。圖3為繼后回?fù)魪姸扰c首次回?fù)魪姸缺戎档念l率統(tǒng)計圖。云閃和地閃強度比值分布都呈對數(shù)正態(tài)分布，集中分布在0～2之間，其中云閃相比地閃分布更為集中。地閃最大分布在比值為0.7處，即繼后回?fù)魪姸葹槭状位負(fù)魪姸鹊?/10，占總回?fù)魯?shù)的8.54%；云閃最大分布在比值為1處，占總回?fù)魯?shù)的11.54%。在比值0～1之間，地閃占總回?fù)魯?shù)的58.40%，云閃占總回?fù)魯?shù)的52.37%。雖然地閃和云閃所有閃電過程中有超過一半的閃電過程存在一次繼后回?fù)舸笥谑状位負(fù)?，但通過所有繼后回?fù)襞c其首次回?fù)舻谋戎蛋l(fā)現(xiàn)，地閃大部分首次回?fù)舸笥诶^后回?fù)簦崎W也有超過一半的首次回?fù)舸笥诶^后回?fù)簟?/p>

圖3 地閃和云閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)綦娏鲝姸日穹阮l率分布

2.4 間隔時間

表3給出了所有多回?fù)舻亻W和云閃過程中所包含的繼后回?fù)襞c前一次回?fù)糁g的間隔時間統(tǒng)計分布，地閃和云閃間隔時間的算術(shù)平均值分別為118.71 ms和113.54 ms，地閃略大于云閃，而兩者的幾何平均值分別為79.58 ms和54.82 ms，地閃明顯大于云閃。正、負(fù)地閃和云閃的算術(shù)平均值和幾何平均值相差無幾，除了負(fù)地閃幾何平均值遠(yuǎn)大于正地閃，是正地閃的2.6倍。

表3 地閃和云閃回?fù)糸g隔時間統(tǒng)計

從地閃和云閃回?fù)裘? ms間隔分布直方圖來看(圖4)，地閃不同回?fù)糸g隔時間與分布頻次呈對數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻率最高的間隔時間約為50 ms，回?fù)糸g隔時間主要集中在25～105 ms，占所有回?fù)魯?shù)的56.72%，當(dāng)回?fù)糸g隔時間大于165 ms，每個間隔區(qū)間內(nèi)回?fù)纛l次占比均不足1%。云閃不同回?fù)糸g隔時間與分布頻次呈對數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻次最高的間隔時間約為20 ms，占總回?fù)魯?shù)的6.1%，次高點的間隔時間約為5 ms，占總回?fù)魯?shù)的5.1%?；?fù)糸g隔時間主要集中在0～70 ms，占所有回?fù)魯?shù)的54.97%，當(dāng)回?fù)糸g隔時間大于115 ms，每個間隔區(qū)間內(nèi)回?fù)纛l次占比均不足1%。綜上，云閃的回?fù)糸g隔時間分布較地閃更為集中，且集中區(qū)域的回?fù)糸g隔時間比地閃小。

圖4 閃電回?fù)糸g隔時間頻次直方圖及頻率分布

回?fù)糸g隔時間的長短影響每次閃電過程的回?fù)魯?shù)量，若放電通道導(dǎo)電性好，則回?fù)糸g隔時間較短，易發(fā)生更多的回?fù)簟D5為不同回?fù)舸螖?shù)正、負(fù)多回?fù)舻亻W和云閃平均間隔時間的分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是地閃還是云閃，正閃還是負(fù)閃，隨著一次閃電過程回?fù)魯?shù)的增加，平均間隔時間呈減少的趨勢，云閃這種減小趨勢比地閃快，正閃比負(fù)閃快。負(fù)地閃平均間隔時間從152.14 ms下降到62.11 ms，正地閃平均間隔時間從130.81 ms快速下降到25.85 ms；負(fù)云閃平均間隔時間從118.74 ms下降到20.94 ms，正云閃從111.26 ms下降到49.03 ms。

2.5 間隔距離

3 結(jié)論

利用2019—2020年浙江省三維閃電定位系統(tǒng)探測資料，并對閃電資料進(jìn)行歸閃，分析了該地區(qū)地閃和云閃的多回?fù)籼卣髦饕玫揭韵陆Y(jié)論。

(1)2019—2020年共監(jiān)測地閃回?fù)魯?shù)986 425次，云閃回?fù)魯?shù)384 771次，其中多回?fù)舻亻W和云閃分別占28.10%和8.01%。地閃和云閃存在明顯的年變化和地域分布，其中多回?fù)舻亻W和云閃集中分布夏季和浙南地區(qū)。多回?fù)舻亻W和云閃頻次隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈明顯的下降趨勢，且各回?fù)粜驍?shù)的正閃占比都小于負(fù)閃占比。地閃和云閃平均回?fù)魯?shù)分別為1.59次和1.10次。

(2)單回?fù)艉褪状位負(fù)舻亻W與云閃的平均電流強度總體上大于繼后回?fù)舻钠骄鶑姸?。地閃和云閃平均強度隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈下降的趨勢，其中地閃的變化趨勢相比云閃更為明顯。對地閃和云閃資料的繼后回?fù)艉褪状螐姸缺戎到y(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其比值成對數(shù)正態(tài)分布，集中在0～2，云閃分布更為集中，且比值的峰值大于地閃。超過一半的地閃和云閃過程存在一次繼后回?fù)魪姸却笥谑状位負(fù)簟?/p>

(3)地閃和云閃的回?fù)糸g隔時間算術(shù)平均值約115 ms，其幾何平均值差異較大。不同回?fù)舸螖?shù)的云閃和地閃平均間隔時間隨回?fù)魯?shù)增加而減少。地閃和云閃回?fù)糸g隔時間呈對數(shù)正態(tài)分布，其云閃分布更為集中，且集中區(qū)域的回?fù)糸g隔時間更小。

(4)多回?fù)舻亻W和云閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)衾讚酎c間隔距離算術(shù)平均值分別為1.57 km和2.72 km，幾何平均值分別為0.84 km和1.55 km。兩者都呈對數(shù)正態(tài)分布，其中云閃分布較為分散。