北京及其周边地区闪电活动的时空特征

李京校，宋海岩，肖稳安，杜晓宾，郭凤霞

(1．北京市避雷装置安全检测中心，北京100089;2．南京信息工程大学，江苏 南京210044;3．河南省防雷中心，河南郑州450003)

0 引言

随着闪电探测技术的发展，利用闪电定位资料分析闪电时空分布特征可以更加有效地指导防雷工作的开展，目前国内外学者对闪电活动时空分布特征已做了不少研究。Richard and Alan(1997)和Richard and Gary(2001)利用美国国家雷电监测网NLDN(National Lightning Detection Network)探测到的资料对闪电时空分布特征进行了分析，绘制出了美国大陆雷电气候分布图。Richard et al．(2011)对北美闪电监测网NALDN(North American Lightning Detection Network)的闪电定位资料进行了研究。Bogdan and Sorin(2010)、Mazarakis et al．(2008)分别分析了罗马尼亚、希腊的闪电气候特征，均取得不少研究成果。国内王学良等(2010)、焦雪等(2011)、易燕明等(2006)分别分析了湖北省、江苏省、广州市等地的地闪定位资料，并从地闪的日变化、电流强度、空间密度等方面进行了研究。

北京地区是全国重要的政治、经济、文化中心，该区域的防雷工作相当重要，近些年来对该地区闪电活动规律已有不少研究。郑栋等(2005)利用MLDARS闪电定位系统、何晖和李宏宇(2005)利用XDD03A闪电定位仪分析了北京地区地闪时空特征。陶祖钰和赵昕奕(1993)采用LLP80-02型定位系统、周筠珺等(2009)利用ADTD定位系统分析了京、津、冀地区地闪气候特征。此外蔡晓云等(2001，2003)分析了北京地区闪电和冰雹、暴雨关系以及北京市强对流天气中闪电特征。李建华等(2006)分析了北京市强雷暴的地闪活动与雷达回波和降水关系。以上研究基本均是分析地闪定位资料，SAFIR3000闪电定位系统可同时观测云闪和地闪，但目前利用该系统的研究多是针对雷暴天气个例进行的分析。郑栋等(2010)、沈永海等(2010)分别利用SAFIR3000等资料以个例形式研究了北京地区闪电与降水关系。Wang and Liao(2006)利用SAFIR3000等资料分析了台湾地区闪电和强对流天气关系。

总体上，目前研究多集中于分析地闪的时空特征或闪电与强对流天气的关系，而同时分析云闪和地闪时空分布特征的研究很少。近年来对云闪的研究受到广泛关注，其原因为:一是云闪是灾害性天气的前奏，闪电中最频繁发生的是云闪，而且地闪首次放电往往从云闪开始，云闪和地闪的同时监测对了解雷电活动和雷暴天气系统发展演变的关系以及中小尺度灾害性天气的监测预警均具重要有意义;二是随着航空航天事业的发展，云闪的危害也引起人们关注，它可以和空中飞行器，如飞机及运载火箭相互作用产生破坏(乌曼，2011)。本文利用2005—2007年SAFIR3000闪电定位系统的资料，分析了北京及周边地区(天津、唐山、廊坊等)云闪和地闪的时空分布特征，同时对总闪、云闪和地闪特征进行了简要对比，以期对防雷设计、雷击风险评估提供参考和指导。此外通过对SAFIR3000的观测结果分析对于不同闪电定位系统结果的比对研究也有一定意义。

1 资料和方法

本文闪电定位资料由法国DIMENSIONS公司(后被芬兰VAISALA公司收购)研制的SAFIR3000系统提供，该系统对云闪定位采用干涉仪法，对地闪定位采用时差法。其探测基线距离100～200 km，在200 km范围内探测效率为90%，探测定位精度达500 m。SAFIR3000除了探测云闪和地闪发生时间、地点外，还探测了云闪高度以及地闪的强度、回击数目、辐射场场强、上升时间等。本文分析了2005—2007年北京及周边地区(天津、唐山、廊坊等)闪电定位资料，其中2005年9—12月无地闪资料，10—12月无云闪资料，其他年份资料全，无资料的月份不参与平均值统计。2007年以后，由于该定位系统老化等原因，运行较不稳定，所以本文未采用其以后的资料。

对于闪电日变化，按整点时段，如 00:00—01:00，01:00—02:00，……，统计每小时内平均闪电次数。由于SAFIR3000闪电定位系统为世界时，需先转换为北京时间。对于闪电空间分布，按照2 km×2 km网格，统计每一网格内的闪电次数，经过计算和插值得到云闪、地闪、总闪空间分布。此外，在统计时选用云闪起始点高度代表该次云闪高度。

闪电定位资料中，对于云闪SAFIR3000系统记录的是每次辐射放电点的位置和时间;对于地闪，系统记录的是所有回击的信息，即地闪资料实际为回击资料。鉴于这些，从以下两个方面对闪电定位资料进行了预处理:

1)闪电识别

对于SAFIR3000云闪定位资料，相邻放电点作为一次云闪的标准是:100 ms和7 km，即相邻2个放电点时间间隔在100 ms，空间距离在7 km，所有相邻点属于同一次云闪(Pineda et al．，2007)。统计时要先判断两次相邻放电点间隔时间是否小于100 ms，然后判断两次放电点距离是否小于7 km，若两条同时满足，认为是同一次云闪，否则认为是两次或多次云闪。

针对地闪资料，该SAFIR3000系统区分了首次回击和继后回击。统计闪电次数以及电流强度分布时，选用首次回击的时间、强度，定义为该次闪电的时间、强度(刘方兴等，1997;陈渭民，2006)，把回击资料转换为闪电资料。

另外，该闪电定位资料中很多正闪电流强度小于10 kA。观测表明正闪回击发生之前经常显示有活跃的云内闪电，持续时间平均超过100 ms，正闪可以是通过延伸很长的云闪分支开始的(陈渭民，2006)，云闪中具有小峰值的电流符合正闪条件而被闪电定位仪误做正闪，所以小于10 kA的正闪在统计时作为云闪来处理(Pineda et al．，2007)。

2)统计区域

该SAFIR3000系统由三个探测子站组成(分别是怀柔、丰润、永清，图1)，中心处理站位于北京市气象局院内。鉴于SAFIR3000系统在探测子站之间的区域探测精度较高(VAISALA，2004)，所以选择距离两两测站连线中点100 km以内数据统计，区域外数据不在统计范围内，如图1所示。根据三个子站的位置，得到两两站点连线的中心点 A(116.519 5°E，39.829 9°N)、B(117.362 2°E，40.077 3°N)、C(117.287 0°E，39.549 4°N)，到这三个点中任何一点距离小于100 km的闪电保留，若到这三个点距离均大于100 km的闪电不在本文统计范围内。分析闪电空间分布特征时，鉴于廊坊分两块区域，把较小的区域(即在京津之间)称为“廊坊(东北区)”，较大的区域称为“廊坊(西南区)”，全文同。

图1 探测站点分布(“▲”标示)和统计区域(虚线内)示意图Fig．1 Detecting stations'distribution(represented by“▲”)and the area studied in the research(in the dashed line)

2 闪电总体特征

表1给出2005—2007年SAFIR3000闪电定位系统观测到的北京及周边地区总闪、云闪、地闪次数分布。由表1可以看到，闪电中地闪比例很小，地闪占总闪(云闪和地闪)百分比为9.60%，这和Pineda et al．(2007)利用SAFIR资料分析地中海区域闪电特征得到地闪占总闪比例陆地为14.9%、海洋为13.0%，以及郄秀书等(2001)分析中国内陆高原地区地闪比例在15%以下基本接近。

表1 总闪、云闪、地闪次数分布Table 1 Frequency distribution of total lightning，IC and CG lightning

由表2看出地闪大部分为负闪，原因是对流云中负电荷主要位于云体的中下部，正电荷主要位于云体的上部，云的主体部分和地面之间更易发生负闪(陈渭民，2006;焦雪等，2011)。正闪电流3 a平均值大于负闪电流平均值(绝对值)，其原因可能是由于负闪发生机会明显高于正闪，致使云中负电荷所造成的电场强度还没有达到很高，云地放电就发生了(冯桂力等，2002)。

表2 地闪分布Table 2 Frequency distribution of CG lightning

3 云闪分布特征

3.1 云闪次数时间分布

由云闪次数日分布(图2)可知，2005年日分布呈双峰特征，最大峰值出现在17:00，次峰值在00:00。2006年和2007年均为单峰，峰值分别在19:00和20:00，其中2006年19:00的峰值表现特别突出。由3 a平均值看出，一天当中15:00—次日00:00为云闪高发时段，占全天云闪的63.48%，其中19:00为云闪的主峰，占全天的8.19%。从12:00—17:00云闪次数逐渐增加，17:00—20:00维持在较高值，从20:00—次日03:00为减少时期，03:00—12:00维持在较低值。上午随着太阳辐射增强，地面开始升温，下午到傍晚这段时间地面热量较多，地面温度较高，加上近地层的水汽，大气易出现不稳定，容易发生强对流天气，从而引起较多闪电(何晖和李宏宇，2005)。

由云闪次数季节变化分布(图3)可知，夏季云闪最多，为414 406次，占全年云闪的91.66%;冬季最少，为91次，占全年的0.02%;春季、秋季分别为19 136次和18 478次，占全年的4.23%和4.09%。夏季(6—8月)之所以云闪次数多，是因为该地区地处暖温带半湿润大陆性季风气候区，夏季高温多雨(郭虎等，2008)。6月开始，该地区主要受东南海洋暖湿气流影响，对流活动频繁，云体发展较高，有利于云内正负电荷在不同部位的形成和积累，易引发闪电;到了9月该地区转北风，对流活动减少，闪电次数变少。冬季因受西伯利亚及蒙古西北气流控制，气候寒冷干燥，闪电活动非常少。

图3 云闪次数的季节变化Fig．3 Seasonal variation of IC lightning frequency

图2 云闪次数的日变化Fig．2 Daily variation of IC lightning frequency

3.2 云闪次数空间分布

从云闪次数空间分布(图4)可看到，2005年云闪高值区位于北京东北部到承德西南部一带，呈西南—东北走向，密度约为36次/(km2·a);2006年高值区位于天津北部和廊坊(东北区)交界处一带，最高值约为50次/(km2·a);2007年高发区主要在北京南部的大兴区和东部的顺义区、天津北部的蓟县等，最高值约为40次/(km2·a)。总的来说，云闪高值区呈片状或带状分布，高值区从2005年到2007年有从东北部向西南部移动的趋势。

云闪的3 a平均高值区在北京东北部、天津北部、承德西南部一带，最大云闪密度为 30次/(km2·a)。云闪的3 a平均低值区基本位于北京西北部、唐山东部、廊坊(西南区)西部，其值约为0.5次/(km2·a)。其他地区云闪密度大多在10～15次/(km2·a)之间。

云闪高值区域在北京东北部、天津北部、承德西南部一带。陶祖钰和赵昕奕(1993)认为，这和山脉、河流等地形密切相关:该区域水体有温榆河、潮白河、密云水库、干桥水库，提供了充沛的水汽;山体为燕山山脉，山峦起伏，地貌复杂，形成的水汽团遇到高山阻挡，抬升形成强对流。郑栋等(2005年)分析该区域闪电特征时也指出，闪电活动多出现在水体和山脉附近，在特定时段山脉和水体具有热力抬升或动力抬升的条件，并有较为充足的水汽供应，有利于云内起电形成雷暴。

3.3 云闪高度时间分布

SAFIR3000闪电定位系统记录了云闪每次放电点高度(海拔高度)，统计每次云闪起始放电点的高度，得到云闪高度情况如表3所示。从云闪总数中抽取有高度记录的云闪进行统计，分别得到2005—2007年云闪平均高度，其中2005年高度最高，2006年最低。此外3 a平均云闪高度为10.96 m，高度在9～10 km的云闪最多，占云闪总数的10.97%，这和沈永海等(2010)统计北京两次强雷暴个例得到云闪频次峰值出现高度分布在8～11 km较为一致。

图4 云闪次数的空间分布(单位:次/(km2·a)) a．2005年;b．2006年;c．2007;d．3 a平均Fig．4 Spatial distribution of IC lightning frequency(units:times/(km2·a)) a．2005;b．2006;c．2007;d．average frequency from 2005 to 2007

表3 云闪高度的平均值和次数Table 3 The average height and frequency of IC lightning

由云闪高度日变化(图5)可知，高度日变化特征并不明显，不同时段高度平均值主要分布在8.5～12.5 km之间。其中10:00—15:00高度偏高，15:00—23:00偏低，00:00—10:00变化起伏较大，总体偏小，在02:00和07:00时各处于谷值。

由云闪高度随季节变化(图6)看出，夏季云闪高度最高，平均高度为10.95 m，秋季次之，平均为9.81 m;接着是春季，平均为9.75 m;冬季最低，平均为9.59 m。最高季节(夏季)比最低季节(冬季)高约1.36 km。夏季云闪高度最高原因一是夏季对流发展旺盛，对流云可达到较高高度，携带的电荷离子可以达到较高高度;二是夏季高空0℃等温线高度最高，发生云闪的高度也较高。

为了对SAFIR3000系统探测云闪有更多了解，本文也统计了有高度记录的云闪空间分布(图7)。由图7可见，有高度记录的云闪分布在以探测站为圆心，以约80 km为半径的圆形内部。即三个探测站所在位置是虽能探测到云闪，但是无云闪高度记录的区域，其半径约为7 km。这与SAFIR3000系统自身有关，即在探测站上方及其附近区域的云闪的高度探测不到。

图6 云闪高度的季节变化Fig．6 Seasonal variation of IC lightning height

图7 有高度记录的云闪空间分布(空白圆圈表示三个探测站所在位置)Fig．7 Spatial distribution of IC lightning whose height is detected(White dots denote the locations of the three detecting stations)

图5 云闪高度的日变化Fig．5 Daily variation of IC lightning height

4 地闪分布特征

4.1 地闪次数时间分布

从地闪3 a平均日变化(图8)看出，正闪变化呈双峰分布，主峰出现在18:00，次峰出现在00:00，谷值出现在05:00，最大值为最小值的5.7倍，正闪的日变化相对于负闪较为缓慢。负闪总体也呈双峰特点，主峰、次峰分别出现在00:00和19:00，谷值出现在09:00，最大值约为最小值的的4.5倍;从09:00—19:00，负闪次数一直呈增加趋势，从17:00—次日01:00均维持在较高值，从00:00—03:00呈下降趋势。总地闪变化趋势特点和负闪基本一致。郑栋等(2005)分析该地区地闪也得双峰分布特征，但峰值出现时间稍有差别。

17:00—次日01:00地闪较多的原因参见本文第3.1节分析。从00:00—06:00(除了03:00)，地闪次数较多可能与这个时段降雨有关，北京地区凌晨有更适合雷暴云产生发展的条件。吴正华(1993)通过收集整理30余年京津冀地区45个地面气象站历年夏季逐时降水资料发现该地区夏季在凌晨为降水概率峰值。

正闪百分比(图8)高值时段一是在闪电活动变化的剧烈期(15:00—18:00)，该时段正闪次数依次增加;二是在闪电活动较弱期(08:00—10:00)，该时段正闪次数并非很高，但是总地闪次数较少，可能致使正闪百分比较高。低值时段主要分布在00:00—07:00(03:00除外)。

由地闪3 a平均月变化(图9)可见，正闪、负闪、总地闪次数均是4—7月依次增加，7—10月依次减少，7月最大，6—8月为闪电高发月份。7月正闪、负闪、总地闪次数分别占全年的 43.09%、43.82%、43.7%。6—8月闪电次数多原因见本文第3.1节原因分析。

正闪百分比最大的是在4月，为63.21%;正闪百分比最小的是8月，为9.33%。正闪百分比在夏季(6—8月)较低，在春季、秋季较高，正闪占总地闪百分比与正闪次数月际变化基本相反。本文统计得到的正闪百分比16.44%与周筠珺等(2009)统计的10.86%相比稍偏大。偏大原因可能与统计的时间段不同，天气特征(对流层特征)不同有关。

4.2 地闪空间分布

从地闪空间分布(图10)可以看到，2005年地闪高值区集中在北京东北部到承德西南部一带，近似呈带状分布;2006年、2007年每年地闪分布较为分散。地闪密度3 a平均高值区主要在北京东北部、天津北部、承德西南部的潮白河流域和燕山山脉一带，密度值约为5.0次/(km2·a)。何晖和李宏宇(2005)得到该区域地闪高值区数值为4.49次/(km2·a)，本文和其接近但稍偏高。次高值区在北京中部地区，密度值约为4.5次/(km2·a)，其他大部分地区在0.8～1.5次/(km2·a)之间。低值区主要在唐山东南部，北京西北部，地闪密度在0.2～0.8次/(km2·a)之间。

图8 地闪3 a平均的日变化及正闪百分比Fig．8 Average daily variation of CG lightning frequency and percentage of positive lightning in three years

北京东北部、天津北部、承德西南部为地闪密度高值区(这和陶祖钰和赵昕奕(1993)分析得到的一致)，原因参见本文第3.2节分析。北京中部地区闪电较多因为中部是北京城区所在地，这里人口密集，高楼和硬化地面多以及大气污染等原因，易出现城市热岛效应(吴正华，1993;郑祚芳等，2006)，热岛效应对闪电活动也有贡献，谢从刚(2007)在分析武汉闪电分布时也得类似特征。他认为城市郊区地表夜间经过辐射降温与城区热岛形成一定温差，热岛抬升作用显现出来，较易形成雷暴云，从而引发闪电。北京西北部也有高山，闪电密度值并不大，原因有待于进一步探讨。

图9 地闪3 a平均的月变化及正闪百分比Fig．9 Average monthly variation of CG lightning frequency and percentage of positive lightning in three years

图 10 地闪的空间分布(单位:次/(km2·a)) a．2005 年;b．2006 年;c．2007;d．3 a平均Fig．10 Spatial distribution of CG lightning frequency(units:times/(km2·a)) a．2005;b．2006;c．2007;d．average frequency from 2005 to 2007

5 总闪、云闪和地闪分布特征对比

由总闪、云闪和地闪3 a平均日变化对比(图11)可知，总闪、云闪和地闪日变化起伏均较大，变化趋势基本一致，从12:00—16:00为总闪上升阶段，16:00—次日 00:00为高发时段，从 00:00—03:00为下降阶段，03:00—12:00为少发时段。较地闪而言，总闪与云闪变化更为一致。云闪高发时段比地闪开始的早，结束的早。从地闪占总闪比例来看，00:00—13:00地闪比例较大，06:00比例最大(为14.4%)，13:00—23:00比例较小，16:00比例最小(为6.78%)。

图12给出了总闪、云闪和地闪3a平均月变化对比。三者均是6—8月为高发月份，其中7月均为最大月份，总闪和云闪月变化更接近一致。云闪从1—12月均有发生，地闪在4—10月之间发生。云闪次数6月比8月多，地闪则6月比8月少。地闪占总闪比例3—8月依次增加，8—11月总体减少(10月略有增大)，其中最大月份为 8月(为13.65%)，其次较大的为 7月和 6月，分别为9.01%和7.74%，这和郭虎等(2008)分析的北京地闪占总闪比例接近一致(7月和8月分别为9.2%和11.1%)。6—8月既是云闪高发月份，又是地闪高发月份，在这些月份更要做好雷电防护和管理工作。

图11 总闪、云闪和地闪3 a平均的日变化对比Fig．11 Contrast of the average daily variation of total lightning，IC and CG lightning frequency in three years

图12 总闪、云闪和地闪3 a平均的月变化对比Fig．12 Contrast of the average monthly variation of total lightning，IC and CG lightning frequency in three years

从总闪3 a平均值空间分布(图13)和图4d、图10d对比中可看到，总闪、云闪和地闪3 a平均高值区空间分布基本吻合，均为北京东北部、天津北部和承德西南部，低值区也基本一致，主要为北京西北部和唐山东南部。高值区分布和郭虎等(2008)利用卫星资料分析该地区总闪得到的结果基本一致。另外，云闪高值区密度(约为30次/(km2·a))为地闪高值区密度(约为5次/(km2·a))的6倍。空中形成雷暴云后，至于产生较多地闪还是云闪，与雷暴活动的强度有关，受微物理过程、云内电荷结构和位置等因素影响。

图13、图4d和图10d有一共同特征是，怀柔站到丰润站连线上闪电密度偏低，偏低区呈较规则的带状分布，而该带两旁均是闪电高密度区。这可能为闪电定位系统自身缘故，在某两两测站之间存在探测盲区，探测效率偏低。

图13 总闪3 a平均值的空间分布(单位:次/(km2·a))Fig．13 Spatial distribution of average frequency of total lightning in three years(units:times/(km2·a))

6 结论和讨论

1)云闪高发时段在15:00—次日00:00，占全天的63.48%，峰值在19:00，占全天的8.19%。主要发生在6—8月，占全年的91.66%，峰值在7月，占全年的47.26%。云闪空间分布高值区密度约为30次/(km2·a)，分布在北京东北部、天津北部、承德西南部一带，主要和这里的水体、山脉地形等关系密切。云闪平均高度为10.96 km，高度分布在9～10 km的最多，占云闪总数的10.97%;平均高度日变化差异不大，季节变化夏季最高，冬季最低。

2)地闪高发时段在17:00—次日01:00，峰值在00:00和19:00，高发月份在6—8月，峰值在7月。正闪占地闪总数的16.44%，夏季该百分比较低，春、秋季较高，其月际变化与正闪次数月际变化相反。地闪分布高值区密度约为5次/(km2·a)，高值区域分布和云闪基本一致，高值区密度数值云闪约为地闪的6倍。

3)云闪和地闪时间变化规律基本相似，不同之处在于地闪在00:00—06:00发生次数也较多，云闪多为单峰，地闪为双峰，另外云闪高值时段开始与结束比地闪均早。总闪和云闪时空分布特征更为相似，由SAFIR3000得到的总闪高值区分布和卫星探测得到的基本一致。

本文统计出的云闪高度偏高，可能是SAFIR3000系统所测的云闪高度存在较大误差，以后可结合雷达探测资料等对其进行订正。对于闪电的空间分布，由于闪电定位系统布站有限，只能从站点分布位置选择要统计的地区，统计区域受限制。另外，怀柔站到丰润站之间闪电密度偏低，原因需从闪电定位系统自身做进一步研究。

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