川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域閃電時空分布特征＊

喻偉，喻成，劉自牧，文雯

（1.航空工業(yè)成飛集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000；2.四川省氣象服務(wù)中心，四川 成都 610000）

閃電，是云與云之間、云與地面之間的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象，其在出現(xiàn)過程中會釋放出強(qiáng)大能量，進(jìn)而造成人員傷亡、電子系統(tǒng)損壞、火災(zāi)爆炸的事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。全球每年因為雷電造成的人員傷亡超萬人，造成的經(jīng)濟(jì)損失在10 億美元以上[1]。閃電作為雷暴的重要組成部分，是目前航空活動中威脅飛行安全的重要因素，雷暴不僅會對航空飛行器的空中飛行帶來危害，還會造成飛行器無線電通訊和電子設(shè)備故障[2-3]，因此，對于閃電的研究顯得尤為重要。雷暴常伴有閃電、大風(fēng)、強(qiáng)降水、下?lián)舯┝鞯任ｋU天氣[4]。氣象上，對于大風(fēng)、強(qiáng)降水的研究已較成熟，閃電由于發(fā)生時間極短、發(fā)生范圍分散、數(shù)據(jù)難采集等因素，目前對閃電的研究也較有限。國內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為，閃電活動多出現(xiàn)在沿海、山區(qū)、中尺度對流多發(fā)區(qū)和熱帶輻合帶的輻合區(qū)內(nèi)[5]。一些學(xué)者對中國閃電空間分布進(jìn)行統(tǒng)計，劃分出中國4 個雷電活躍區(qū)域，從高到低分別為華南地區(qū)、西南地區(qū)、華東地區(qū)、華北地區(qū)[6]。可見，在中國不同地區(qū)閃電的分布特征存在明顯的差異，整體上中國閃電東多西少，南多北少，沿海高于內(nèi)陸。而四川地區(qū)地形包含高原、山地、平原，地貌復(fù)雜，山脈的動力抬升作用加之四川多夜雨的特征，閃電活動特征與中國大部分地區(qū)有所區(qū)別。

一些學(xué)者對中國不同地區(qū)閃電活動進(jìn)行研究，閃電定位資料較雷達(dá)資料在冰雹、雷暴等過程中有2 h左右的提前量；閃電多發(fā)生在人口密集的城市、高樓和硬化地面；與大氣污染和城市熱島效應(yīng)有關(guān)[7]，然而目前大部分學(xué)者由于閃電數(shù)據(jù)難采集，對閃電的研究多局限于閃電采集點，對于閃電的空間分布研究較為有限。

隨著中國西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，航空事業(yè)對氣象服務(wù)提出了更高的要求，尤其是雷暴天氣服務(wù)，航空飛行器在雷電區(qū)飛行時云中的強(qiáng)烈擾動氣流使飛機(jī)發(fā)生嚴(yán)重的顛簸，飛機(jī)甚至?xí)幱跓o法操作的狀態(tài)，增加了飛行員操作難度，閃電中強(qiáng)烈的雷暴電場會嚴(yán)重干擾或損壞飛機(jī)的無線電通訊或其他飛行電子儀器[8-9]。川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域位于青藏高原東側(cè)，由于高原高大地形的動力和熱力效益，給高原東側(cè)的氣候帶來較大影響，川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域的閃電發(fā)生時空特征也較其他區(qū)域有所不同，由于閃電活動與對流活動之間的緊密聯(lián)系，閃電活動可以作為研究區(qū)域?qū)α骰顒拥囊粋€有效指標(biāo)。與雷達(dá)和衛(wèi)星觀測相比，閃電探測網(wǎng)受地形影響較小，實時性強(qiáng)，覆蓋范圍廣，有可能在川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域?qū)α骰顒拥谋O(jiān)測中發(fā)揮獨特作用。為更好地提供航空氣象保障，利用閃電定位資料來了解川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域內(nèi)閃電天氣現(xiàn)象的分布特征，能在一定程度上提高航空氣象預(yù)報員對雷暴天氣的預(yù)報能力，為管制部門指揮飛機(jī)繞開雷暴區(qū)提供依據(jù)，為航空氣象預(yù)報員在運行中建立閃電氣候情景意識提供幫助。

1 資料與方法

本文研究的范圍為26°N—34°N，100°E—109°E，包含了四川盆地、川西高原的東部、攀西地區(qū)以及甘肅的南部部分地區(qū)。閃電定位數(shù)據(jù)源于國家雷電監(jiān)測網(wǎng)提供的云-地閃電觀測數(shù)據(jù)。閃電數(shù)據(jù)年份為2010—2019 年，能較好地覆蓋研究區(qū)域，閃電定位信息包含閃電發(fā)生時間、閃電強(qiáng)度、閃電波形坡度、閃電發(fā)生位置等，數(shù)據(jù)精度優(yōu)于300 m，探測效率大于80%，數(shù)據(jù)時間分辨率為逐天。

本文采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，分析研究川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域雷電活動的閃電頻次，閃電發(fā)生的逐季、逐月、逐日變化特征和閃電活動的空間分布特征。

2 閃電活動的時間變化特征

2.1 川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域閃電頻次月變化

對2010—2019 年川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域內(nèi)閃電發(fā)生頻次進(jìn)行逐月統(tǒng)計，結(jié)果如圖1 所示。由圖1可知，區(qū)域內(nèi)閃電呈現(xiàn)單峰特征主要集中在4—9 月，高發(fā)月份為6—8 月，閃電峰值出現(xiàn)在7 月，約361 萬次。6—8 月空氣中水汽充足，而溫暖潮濕的上升氣流是產(chǎn)生雷電的必要條件，同時夏季對流旺盛，有利于不穩(wěn)定能量的增強(qiáng)，最終形成雷電。冬半年10 月至次年3 月發(fā)生閃電很少，但是每月均有閃電出現(xiàn)，這是因為冬半年溫度較低，大氣熱力作為不明顯，對流不強(qiáng)，但是當(dāng)強(qiáng)冷空氣南下時，也會出現(xiàn)閃電的現(xiàn)象，10 月較9 月閃電頻次迅速減小，可能是因為10 月氣溫迅速轉(zhuǎn)涼，大氣中水汽量下降明顯的緣故。

圖1 2010—2019 年飛行區(qū)域內(nèi)逐月閃電發(fā)生頻次

2.2 川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域內(nèi)各季節(jié)閃電頻次所占比例

飛行區(qū)域內(nèi)各季節(jié)閃電發(fā)生頻次所占比例如圖2所示。由圖2 可知，夏季閃電最多，占全年的68%；其次為春季，占全年19%；然后是秋季，占13%；冬季最少。夏季是川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域閃電高發(fā)季節(jié)，冬季則很少有閃電活動，這是由于冬季氣溫普遍較低，并且大氣干燥，對流較弱，大氣運動的摩擦起電較弱，因此是閃電次數(shù)最少的時期。

2.3 川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域閃電頻次年變化

2010—2019 年飛行區(qū)域內(nèi)閃電發(fā)生頻次年變化如圖3 所示。由圖3 可知，川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域內(nèi)年均閃電發(fā)生頻次為1 364 833 次。10 年中，閃電發(fā)生頻次存在明顯的年變化特征，其中2013 年閃電發(fā)生頻次最高，為2 005 500 次；2015 年閃電發(fā)生頻次最低，為982 579 次，閃電高發(fā)年數(shù)量為閃電低發(fā)年生產(chǎn)數(shù)量的1 倍以上。

圖3 2010—2019 年飛行區(qū)域內(nèi)閃電發(fā)生頻次年變化

3 川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域閃電空間分布

2010—2019 年飛行區(qū)域內(nèi)閃電發(fā)生空間分布如圖4 所示。由圖4 可知，川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域內(nèi)，閃電空間分布存在明顯的大值中心，大值中心位于盆地南部的瀘州境內(nèi)，大值區(qū)中心最高頻次達(dá)50 萬次，盆地南部大部分區(qū)域閃電頻次在35 萬次以上，閃電發(fā)生頻次其次為盆地西部到中部、重慶中部和西部地區(qū)，發(fā)生頻次為25 萬～35 萬次；盆地的其余區(qū)域發(fā)生閃電的頻次明顯減少，但仍然明顯高于川西高原和攀西地區(qū)，發(fā)生次數(shù)為10 萬～25 萬次；攀西地區(qū)發(fā)生閃電的頻次明顯高于川西高原，維持在5 萬～15 萬次，其中攀西地區(qū)南部存在一個閃電相對高發(fā)區(qū)，共發(fā)生閃電25 萬次；川西高原及四川北部地區(qū)閃電活動頻次較低，為1 萬～10 萬次。

四川區(qū)域內(nèi)年降水量空間分布如圖5 所示。由圖5可知，整個川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域閃電活動頻次與區(qū)域內(nèi)強(qiáng)降水量較為一致，其中四川盆地西部到南部降水量較大，也對應(yīng)閃電發(fā)生最活躍區(qū)域，具有較好的一致性。且閃電多活躍在復(fù)雜地形的過渡地帶，這主要是由該地區(qū)地形地貌、日加熱狀況、下墊面情況和大氣中水汽含量等因素共同決定的。而盆地與山區(qū)的過渡地帶，由于盆地水汽充足，并且水汽向山區(qū)移動時，由于地形抬升作用，則有利于云內(nèi)起電，形成雷暴。

圖5 四川區(qū)域內(nèi)年降水量空間分布

4 結(jié)論

本文對2010—2019 年川、甘地區(qū)航空器飛行區(qū)域閃電時空分布特征進(jìn)行分析，得出的主要結(jié)論如下：①閃電的逐月發(fā)生頻次呈現(xiàn)單峰特征，主要集中在4—9 月，高發(fā)月份為6—8 月，閃電峰值出現(xiàn)在7 月，為361 萬次。10 月至次年3 月發(fā)生閃電很少，但是每月均有閃電出現(xiàn)。②各季節(jié)閃電發(fā)生頻次所占比例區(qū)別較大，夏季閃電最多，占全年的68%，春季、秋季分別占全年19%、13%；冬季最少。閃電發(fā)生頻次存在明顯的年變化特征，高發(fā)年發(fā)生頻次可以達(dá)到低發(fā)年的1 倍以上。③區(qū)域內(nèi)閃電空間分布存在明顯的大值中心，大值中心位于盆地南部的瀘州境內(nèi)。總體而言，閃電發(fā)生頻次四川盆地多于攀西地區(qū)，川西高原最少。④閃電活動頻次與區(qū)域內(nèi)強(qiáng)降水量較為一致，四川盆地西部到南部降水量較大，也對應(yīng)閃電發(fā)生最活躍區(qū)域，具有較好的一致性。