基于閃電定位系統的2014-2020年興安盟閃電活動特征

高 宇

(興安盟氣象局，烏蘭浩特 137400)

0 引言

閃電是強對流天氣過程中隨機發生的劇烈放電現象，高精度、高時空分辨力的閃電定位技術是強對流天氣監測和預警的重要基礎。利用探測率高、準確性更好的閃電定位監測數據對一定區域的閃電進行時空分布特征分析，可以進一步研究強對流天氣的發生、發展機理，同時可以彌補天氣雷達探測距離受限、低仰角地物遮擋等缺點。目前，國內對于閃電的監測主要有VLF/LF型三維閃電定位系統[1]和ADTD型閃電定位系統[2]。國內許多學者對閃電活動特征進行了分析，總結了一些區域性的閃電活動規律：王娟[3]等分析了2009-2012年中國閃電分布特征，指出隨著季風的推進，閃電從南向北，從東向西逐漸增多，閃電密度呈明顯的地域性差異，華南地區、中東部地區及四川盆地為閃電密度的高值區；郭潤霞[4，5]等利用北京地區VLF/LF三維閃電監測定位數據分析了北京地區總閃、云閃、地閃的時空分布特征和電流強度特征，并對典型降雹天氣過程的閃電活動特征進行了詳細分析；朱浩[6]等利用ADTD型閃電定位系統數據分析了安徽省云地閃密度與雷暴日的關系，重新計算了適合安徽省的云地閃密度與雷暴日數關系的擬合公式；陳宇[7]等分析了大連地區閃電活動的特征，并依據模糊函數法綜合閃電頻次與雷擊電流，構建了大連地區雷電危險度綜合指數預測模型，并依據模型對典型雷擊災害進行了評估。內蒙古地區2010年開始布設ADTD型閃電定位系統，2013年8月之后有了較為完整的閃電定位數據。2014年1月，地面觀測中取消了雷暴、閃電等天氣現象記錄，人工記錄數據與儀器數據時間重合度低，無法完成人工觀測雷暴日與閃電定位系統雷電日的對比分析，因此文章主要分析了2014年之后ADTD型閃電定位系統監測到的云地閃數據，以期從總體上認識興安盟閃電活動的時空特征，為后續研究不同強對流風暴中的閃電特征和開展雷電災害風險區劃提供數據支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文章所用資料為2014-2020年內蒙古ADTD型閃電定位系統監測到興安盟境內的地閃數據，各探測站監測的閃電數據可以覆蓋興安盟全境。ADTD型閃電定位系統主要采用時差與磁定向法相結合的原理進行云地閃探測，單站探測范圍為150 km，可以提供每次雷擊發生的位置、時間、經度、緯度、電流強度、陡度、定位誤差和定位方式等信息。

1.2 資料預處理

ADTD型閃電定位系統通過測量閃電回擊產生的電磁輻射場探測云地閃密度，實際易受到周圍電磁環境和地形地貌等多種因素的影響，導致探測結果具有不確定性。目前對內蒙古ADTD閃電定位數據尚未進行相關質量控制措施，直接使用原始數據將影響研究和分析的精確性，文章主要通過剔除異常數據和小幅值雷電流數據對興安盟境內的地閃資料進行預處理。

1.2.1 剔除異常數據

根據1964—2013年興安盟境內8個國家觀測站月雷暴日數的統計，興安盟境內的雷暴和閃電活動主要發生在4—10月(高發期6—8月)，通過統計2014—2020年閃電定位系統的觀測數據，1月、2月、3月、11月、12月很多觀測日興安盟境內只有單次地閃回擊記錄，相關研究表明[8]，閃電經常與強對流過程同時出現，雷暴過程的強弱與地閃頻次呈現很好的相關性，當天氣雷達監測的回波強度不超過40 dBZ，回波頂高不超過6 km時，可認為回擊是由于周圍環境噪音和儀器自身原因造成的不可用記錄，文章在研究時將剔除此條記錄。

1.2.2 小幅值雷電流數據的處理

根據QX/T 405-2017《雷電災害風險區劃技術指南》中的要求，200 kA以上的雷電流出現概率很小且可能超出系統探測范圍，出錯率也較高；2 kA以下的雷電流通常很難準確探測，國內電力系統基本下限在3 kA，而且閃電定位系統探測的小幅值正地閃可能受到云閃的干擾。因此文章研究時，剔除雷電流幅值在0～2 kA和200 kA以上的地閃數據，對閃電數據進行預處理。

1.2.3 研究方法

在分析地閃密度和強度空間分布特征時，采用核密度分析和克里金差值方法，使用1 km×1 km對興安盟區域進行網格化。在計算閃電日數時，當1日中(前1日20:00至當日20:00)興安盟境內至少出現1次地閃即記錄1個雷電日。

2 時間分布

2.1 年變化特征

文章利用2014—2020年閃電定位儀監測到的地閃數據，分析了近7 a興安盟地區閃電活動特征(表1)。地閃數據中，負閃比例明顯高于正閃，這與大多數學者的研究是一致的，負閃頻次占總閃頻次的73.73%，總閃頻次較多的年份，負閃頻次比例也明顯升高(2017年占比82.15%，2019年占比78.78%)。地閃平均強度為47.20 kA，正閃平均強度明顯高于負閃。總體來看，除2017年和2019年閃電活動異常活躍外，興安盟閃電年變化趨勢不顯著。

2.2 月變化特征

興安盟閃電活動呈現明顯的季節特征，閃電最早開始于3月(僅2020年)，最晚結束于10月。年平均月閃電頻次呈現單峰分布(圖1)。在閃電頻次較少的月份(春季和初夏)，正閃比例較高，所占比例超過50%。隨著夏季的來臨，閃電頻次迅速增加，正閃比例也迅速下降，所占比例在20%左右。

表1 2014—2020年興安盟閃電特征

圖1 2014-2020年閃電頻次月變化

從不同年份、不同月份閃電強度的平均值可知，春季4月閃電強度最強，平均值達到102.53 kA，主要因為在初春季節，興安盟多孤立的閃電活動，閃電頻次少，單次閃電強度強。5月開始，隨著閃電頻次的快速增多，閃電平均強度迅速減小，且各月之間差異不大，閃電平均強度在42～60 kA，正閃平均強度在63～73 kA，負閃平均強度在38～48 kA。

2.3 日變化特征

閃電頻次的日變化呈現近似單峰分布(圖2)，正、負閃峰、谷值出現的時間段基本相近。近7 a白天(08:00-20:00)發生地閃64，182次，占地閃總數的65.6%；夜間(20:00-次日08:00)發生地閃33，677次，占地閃總數的34.4%，全天各個時段均有地閃活動。午后正閃頻次陡增，逐時正閃頻次極大值是極小值的14倍左右。負閃頻次在12:00之后急劇上升，16:00之后急劇下降，22:00至次日12:00，上升和下降趨勢比較平緩。總體來看，隨著白天太陽輻射的增加和熱力對流的發展，在12:00前后，閃電頻次迅速上升，16:00-17:00達到峰值，12:00-22:00是閃電的多發時段，占全天閃電頻次的71.5%。閃電強度與閃電頻次呈現近似反位相分布，在閃電頻次較少的時段，閃電強度較大，在閃電頻次較多的時段，閃電強度較小。由于正閃頻次明顯少于負閃，因此正閃逐時強度變化較負閃劇烈。

圖2 2014-2020年閃電頻次日變化

3 空間分布

3.1 閃電密度特征

圖3給出了近7 a平均閃電密度分布。2014-2020年興安盟年均閃電密度0.25次/km2，密度大值區主要在科右中旗吐列毛都，密度中心值達0.76次/km2，次高值區在科右中旗東南部高力板，大部分區域閃電密度不足0.3次/km2。不同年份閃電密度差異較大，如在閃電頻次較多的2017年，密度大值區位于科右中旗東南部，密度中心值達2.41次/km2，在閃電頻次較少的2014年，密度大值區位于扎賚特旗東部，密度中心值為0.74次/km2。2016年之后閃電密度中心值均超過1次/km2，閃電活動的空間差異更為顯著，且不難發現，近5 a科右中旗西北部與突泉縣西北部一帶閃電活動均較其他區域頻繁。

圖3 2014-2020年平均地閃密度

3.2 閃電雷電流強度特征

對不同雷電流強度區間閃電頻率進行統計分析，閃電雷電流強度集中在10～60 kA，該區間內閃電頻數占總閃的77.8%，其中30～40 kA頻率最高，達22.9%，雷電流強度在100 kA以上的僅占6.9%，說明很少發生。正閃雷電流強度集中在20～80 kA，該區間正閃頻數占正閃總數的78.9%，其中40～50 kA頻率最高，達17.9%，100 kA以上頻率為14.4%。負閃雷電流強度集中在10～50 kA，該區間負閃頻數占負閃總數的79.0%，其中20～30 kA頻率最高，達27.5%，100 kA以上頻率為4.2%。上述結果顯示，無論是空間分布還是區間分布，負閃雷電流強度分布相對更為集中。

4 結束語

ADTD閃電定位系統能夠實現對云地閃的快速定位，探測效率高，能有效彌補雷達探測受限的缺點，有利于對閃電特征開展更為全面的探究和分析。文章利用2014-2020年云地閃數據，統計分析了興安盟閃電活動規律和特征，后續將針對典型強對流天氣過程，將閃電資料與多普勒雷達資料相結合，充分發揮二者的互補性，細致分析不同類型強對流風暴的閃電和雷達回波特征，為提高雷暴等災害性天氣的預報和預警水平提供理論支撐。