青藏高原闪电活动分布特征分析

格桑扎西 益西拉姆 扎多

（1.西藏山南市琼结县气象局，西藏 山南 856800；2.西藏山南市气象局，西藏 山南 856000）

雷暴气候是发生在中小尺度对流系统中的常见天气现象，雷暴的发生往往伴随着闪电活动、暴雨灾害以及大风等极端天气。雷暴所造成的危害对自然生态系统、人类活动、经济社会以及建筑物等均构成严重的威胁。雷暴云发生时，在云层与地面之间存在反极性的电荷，形成了一个电容器，且存在一定的电位差，当云层与地面的电位差达到了一定临界值时，会形成击穿放电现象，形成了闪电放电现象。有研究资料表明，全球气候正发生着显著性的异常变化特征，而雷暴气候正属于全球气候中十分重要的一部分，极端的雷暴气候，造成了一系列的灾害性气候，对生态系统以及人类活动带来了正面以及负面的影响，但是造成的负面影响尤为突出。从20世纪开始，随着通讯设备的发展，人们开始关注雷击对通讯电子设备造成的威胁，给电子通讯设备造成的损失日益增多。到20 世纪中期开始，随着计算机技术的飞速发展，敏感的微电子设备造成的损失也越来越严重。

有研究资料表明，全球每年因为极端气候造成的直接经济损失高达2000 亿［1］。全球气候的显著变化对国家以及人类生命安全构成了显著的威胁，因此区域性气温气候的研究工作成为了目前的工作热点［2-3］。青藏高原是我国气候的重要组成部分，且处于一个较为敏感的地带。因此，研究西藏地区地闪时空变化特征，具有十分重要的意义。

目前，国内有很多学者对闪电活动在不同区域的分布特征进行了研究，并且得出了一定的结论。对于青藏高原地区主要有：郄秀书等［4］利用青藏高原8 年卫星闪电探测器资料，主要研究了青藏高原地区闪电活动变化特征。结果表明，青藏高原闪电活动主要集中在中部区域，在6—8 月份期间出现的闪电频次最多，且大多集中在14:00～16:00 时之间。齐鹏程等［5］利用青藏高原TRMM测量数据，研究了闪电活动与降水量之间的响应关系。结果表明，青藏高原闪电活动主要集中在中部以及东北部，但降水量峰值主要集中在东南部区域。张翠华等［6］利用青藏高原雷暴活动观测数据，分析得出，雷暴活动主要发生在13:00～19:00 时间段内，且在晚上存在一定的弱对流气候发生。巴桑次仁等［7］借助遥感卫星测量技术，采用了雷击地面回击模型，研究了青藏高原地区闪电活动过程中雷电流变化趋势，并估算出了雷电流的峰值大小。

本文主要采用青藏高原地区WWLLN 闪电定位观测数据,通过对数据统计处理，，研究了该地区闪电活动时间、空间两个尺度上的变化特征，研究所得结论能够为青藏高原雷电防护设计工程以及雷电灾害减灾工作提供一定的科学指导意义。

1 全球闪电定位系统概况及原理

1.1 定位系统概况

全球闪电定位系统(WWLLN)，最早是由科研院所以及华盛顿大学联合开发出的，能够实时对全球闪电活动进行探测的系统。该系统最早采用时间组到达法TOGA 算法，对闪电活动所产生的电磁辐射信号进行接收，从而实现对闪电进行定位。由于闪电信号传播的距离相对较长，因此在传播过程中会受到色散等效应影响，使得雷电波波形失真，且波形峰值不明显。因此，后来研究者对全球闪电定位系统算法进行了改进，主要通过闪电信号相位变化率来确定信号到达各个测站的时间差。目前，全球共计有50个全球定位系统探测站，其中在亚洲地区分布有6个测站，主要位于中国、新加坡、日本等国家。全球闪电定位系统，主要对闪电发生的时间、经纬度这几个参数进行定位，且时间分辨率为1μs。图1 为全球闪电定位系统空间分布结果，图中显示出，定位系统测站之间距离较远，空间分布及不均匀。

图1 全球闪电定位系统空间分布结果

1.2 探测原理

WWLLN 探测系统，主要是利用闪电信号产生的电磁辐射对闪电位置进行定位，它不同于VLF 闪电定位技术，在WWLLN 探测系统测站周围不能安装类似VLF 波段的探测天线，因为探测天线产生的电磁波会对WWLLN 探测系统造成很大的干扰。所以WWLLN探测系统需要安装在较高建筑物的顶端，且需要一根1.5 米长的天线，从而垂直电场强度进行探测。然后将探测到的的闪电垂直信号传输至高性能计算机进行采样分析研究，并结合GPS 高性能计时系统，准确的将闪电发生的时间进行记录下来，从而实现对闪电发生的位置进行定位。

WWLLN探测系统，在最初的测试时期，主要采用的TOA时间差算法，然后将全球所有探测系统测量数据传送至WWLLN 总工作站，总站对接收到的数据采用聚类分析算法，对全球闪电活动进行定位，但是，绝大部分闪电信号的频率较低，且波段脉冲在传输过程中以相对较低的衰减率进行传播。

具体的方法是天线测量由雷电放电产生的极低频带的脉冲。当站点接收到的下一个采样信号超过以前设置的一定阈值Vth 时，该站将被触发。我们将第二个样本编码时间记录为触发时间。当站首次触发时，它将被一系列由辐射信号照亮的其他站点触发。触发雷击站的时间被发送到中央站进行分组处理，以获得触发WWLLN 站时间的数据集。时间数据组成对配对，以获得闪电信号的两个不同电台之间的时差，并存储在名为“MAXTOA”的16×16 矩阵空间中。对矩阵进行分析和处理，以获得闪电定位时间。WWLLN 初始雷电定位方法基于TOA 技术，当时差残差较小时，雷电定位精度越高。如果四个或更多站检测到相同的雷击，可以进一步优化雷击的时间和位置。

2 青藏高原海拔分布特征

本文利用青藏高原经纬度、海拔资料，利用Surfer软件，绘制出了青藏高原海拔空间分布特征，如图2所示。从图中可以看出青藏高原存在海拔分布不均匀特征，总体上来看，在中西部区域海拔相对较高，而在北部区域海拔相对较低。

图2 青藏高原海拔空间分布(单位:m）

3 闪电活动时间变化特征

3.1 闪电频次日变化特征

本文利用青藏高原2016 年WWLLN 闪电定位系统观测数据，首先对质量控制后的闪电资料，采用了常规的统计方法，统计出了一天24 小时内，每个小时内发生的闪电频次，用统计结果研究该地区闪电频次日变化规律。图3为对闪电资料统计出的总闪电频次日变化结果，图中显示出，青藏高原闪电活动具有显著的日分布差异性，即在每个时间段内发生的闪电频次不一致。该地区闪电频次主要集中在13:00～24:00是时间段内，除了18:00 时，对于18:00 时可能由于闪电定位系统自身定位误差造成。从图中还可以看出，该地区在17:00 左右总闪电频次均达到了峰值，统计出的总闪电频次为31335 次，占全天发生闪电频次的10.4%，造成闪电活动集中在下午至傍晚时刻，最主要是因为下午时刻青藏高原阳光较为充足，使得地面辐射较强，使得地表的水蒸气蒸发较为迅速，从而造成了较快的上升气流，而上升气流是雷暴发生的必要条件之一。在07:00～12:00 时间段内，统计出的总闪电频次均相对较少，统计出这个时间段内的总闪电频次为21339次，占全天发生闪电频次的7.09%.

图3 青藏高原总闪电频次日变化分布结果

3.2 闪电频次月变化特征

本文利用青藏高原2016 年WWLLN 闪电定位系统观测数据，首先对质量控制后的闪电资料，采用了常规的统计方法，统计出了全年内，每个月份下发生的闪电频次，用统计结果研究该地区闪电频次月变化规律。图4为对闪电资料统计出的总闪电频次月变化结果，从统计结果表中可以看出，对3年内每个月份下闪电资料进行归类统计，显示出青藏高原在每个月份下均有闪电活动的发生，且在每个月份下，统计出的正闪频次、负闪频次以及总闪电频次不一致。从图中可以看出，青藏高原总闪电频次变化趋势属于双峰值的变化类型。总闪电频次均从1 月份开始缓慢增加，然后从5 月份开始闪电频次增加的幅度将对较大，且均在6月份闪电活动达到了第一个峰值。根据统计结果显示，在6 月份总闪电频次为76443 次，占全年发生闪电频次的22.6%；7 月份闪电频次较6 月份有所减少，在7 月份总闪电频次为48774 次，占全年发生闪电频次的14.4%；在8 月份闪电活动达到了第二个峰值，在8 月份总闪电频次为80813 次，占全年发生闪电频次的23.9%；从10 月份开始闪电频次减少幅度递减幅度相对较大。在11—12月份期间，闪电频次波动幅度较小。

图4 青藏高原逐月总闪电频次分布结果

综上分析，青藏高原闪电活动主要集中在6—9月这4 个月份期间，这4 个月份期间发生的闪电频次占全年的96.7%，春季、冬季发生的闪电活动较少。最主要是因为，青藏高原夏季气温相对较高，造成了较快的上升气流，并结合一定的地形原因，造成了夏季闪电活动较多。

3.3 代表区域闪电密度月变化特征

本文首先对青藏高原行政区域面积进行经纬度划分，将大区域划分成个代表区域，为高原西部、高原中部、高原中北部、西藏南部、高原东北部。图5 为青藏高原不同区域逐月闪电密度分布结果，从图中可以看出，不同区域之间闪电密度月分布情况不一致，且每个月份下统计出的闪电密度值不相同。总体看来，不同区域内闪电密度月分布情况，均呈单峰值变化类型。其中高原西部区域，闪电密度值从1 月份开始缓慢的增加，从4月份开始增加的幅度相对较大，在7月份闪电密度值达到了峰值，统计出的闪电密度值为0.015fl·km-2·a-1，闪电活动相对较弱，而从7 月份之后闪电活动呈逐月递减的变化趋势。

图5 青藏高原不同区域逐月闪电密度分布结果

在高原中部区域，闪电密度值也从1 月份开始缓慢的增加，从4月份开始增加的幅度相对较大，在7月份闪电密度值达到了峰值，统计出的闪电密度值为0.02fl·km-2·a-1，闪电活动略强于西部区域，而从7 月份之后闪电活动呈逐月递减的变化趋势。在高原北部区域，闪电活动变化趋势与西部、中部相一致，均在7 月份闪电活动达到了峰值，统计出的闪电密度值为0.017fl·km-2·a-1。

在西藏南部区域，闪电密度值也从1 月份开始迅速的增加，从2月份开始增加的幅度相对较大，在5月份闪电密度值达到了峰值，统计出的闪电密度值为0.024fl·km-2·a-1，闪电活动强于高原西部、中部、中北部区域，而从5 月份之后闪电活动呈逐月递减的变化趋势。

在高原东北部区域，闪电密度值也从1 月份开始缓慢的增加，从4 月份开始增加的幅度相对较大，在7月份闪电密度值达到了峰值，统计出的闪电密度值为0.025fl·km-2·a-1，闪电活动强于其余区域，而从7 月份之后闪电活动呈逐月递减的变化趋势。

4 闪电活动空间分布特征

4.1 闪电密度年分布特征

防雷工程设计人员，在对重要建筑物以及危险性较高的场所进行防雷工程设计时，区域性闪电密度是一个重要指标，该指标能够对防雷工程设计起到一定的借鉴作用。落雷密度主要利用该区域内统计出的闪电频次，在除以所研究的区域面积。计算表达式为：

其中，N 为2016 年期间根据WWLLN 资料统计出的总闪频次，S 为所研究区域的行政面积。

本文利用青藏高原2016 年WWLLN 闪电定位系统观测数据，首先对质量控制后的闪电资料，以及通过统计年鉴查询青藏高原的行政面积。

本文首先对行政区域面积进行经纬度划分，将大区域划分成若干个小区域，本文在划分过程中使用的小区域经纬度范围为0.20E ×0.20N，然后分别统计出，在每个小区域内发生的闪电频次。图6 为计算出的闪电密度空间分布特征。图中显示出，在不同的区域出现的落雷密度不相同，即青藏高原落雷密度没有较好的一致性。按照闪电密度值对青藏高原进行区域划分，可以划分成闪电密度值大于4 fl·km-2·a-1为闪电高值区域，在3-4 fl·km-2·a-1为闪电较为活跃区域，在1.5-3 fl·km-2·a-1为闪电一般活跃区域，低于1.5fl·km-2·a-1为闪电较弱区域。则可以看出，青藏高原存在两个闪电活动高值区域，主要位于中部那区附近，探测到的闪电密度最大值为6.2 fl·km-2·a-1，另一个闪电活动高值区域，位于青藏高原东北部区域，该区域中绝大部分面积上的闪电密度值大于5 fl·km-2·a-1。在青藏高原中北部区域，探测到的闪电密度值要稍弱于上述两个区域，但闪电活动要高于其它区域，它与青藏高原中部闪电活动被唐古拉山脉分割开。在西藏南部以及青藏高原南部、北部等区域，探测到的闪电活动密度值普遍低于5 fl·km-2·a-1，说明了这几个区域闪电活动相对较弱。

图6 青藏高原闪电密度空间分布

4.2 闪电密度月分布特征

本文首先对行政区域面积进行经纬度划分，将大区域划分成若干个小区域，本文在划分过程中使用的小区域经纬度范围为0.20E ×0.20N，然后分别统计出4—9 月份期间，在每个小区域内发生的闪电频次，然后除以相对面积，来研究青藏高原地区闪电活动月分布情况。图7为青藏高原代表月闪电密度空间分布结果。从图中可以看出，在不同的月份下青藏高原闪电密度空间分布不一致。总体上呈现出，闪电活动随着月份的增加呈先向西部发展后再向东部退却的变化特征。图7(a)青藏高原4 月份闪电密度空间分布结果显示出，在该月份下青藏高原闪电活动相对较弱，统计出的闪电密度值普遍小于0.1 fl·km-2·a-1，闪电活动主要集中在四川盆地区域；图7(b)青藏高原5 月份闪电密度空间分布结果显示出，在该月份下青藏高原中部以及中东部区域闪电活动较为活跃，统计出的闪电密度值普遍大于0.3 fl·km-2·a-1，且在经纬度(32N,92E)附近，闪电密度值达到了0.39 fl·km-2·a-1；图7(c)青藏高原6 月份闪电密度空间分布结果显示出，在该月份下青藏高原闪电活动较5月份呈现向西发展的变化趋势，且在经纬度(33N,92E)附近，闪电密度值达到了峰值1.1 fl·km-2·a-1；图7(d)青藏高原7 月份闪电密度空间分布结果显示，在该月份下青藏高原闪电活动较6月份呈继续向西发展的变化趋势，且闪电密度值普遍高于0.4 fl·km-2·a-1，闪电密度最大值较6 月份向西偏移，相比于6 月份，7 月份闪电活动覆盖范围相对较大，但总体强度变化较小，在西部以及南部区域闪电活动偏强，而在四川盆地闪电活动相对较弱。图7(e)青藏高原8 月份闪电密度空间分布结果显示出，在该月份下青藏高原闪电活动整体相对较弱，且没有显著的高值分布中心，在青藏高原西部以及中部区域，闪电活动较强，统计出的密度值高于0.6 fl·km-2·a-1；图7(f)青藏高原9 月份闪电密度空间分布结果显示出，在该月份下青藏高原闪电活动减弱的强度较为显著，且逐渐向东部区域发展，统计出的闪电密度值普遍高于0.4 fl·km-2·a-1，同时在青藏高原中部区域有小部分区域闪电活动相对较强，闪电密度值分布于0.4-0.5fl·km-2·a-1之间，而在高原西部区域闪电密度值主要以低于0.2 fl·km-2·a-1为主。

图7 青藏高原代表月闪电密度空间分布

综合上述分析可以看出，青藏高原闪电活动在逐月的变化过程中，总体呈现出从东部逐渐向西部发展，然后又向东部逐渐消退的变化规律。闪电活动从3 月份开始出现，在5 月份期间逐渐向高原西部区域发展，在7 月、8 月期间，闪电活动达到了峰值，从9 月份开始闪电活动逐渐向东部区域退却，到11月份时候闪电活动几乎消失，相对较少。

5 结论

本文主要采用青藏高原地区WWLLN 闪电定位观测数据，通过对数据统计处理，研究了该地区闪电活动时间、空间两个尺度上的变化特征，研究所得结论能够为青藏高原雷电防护设计工程以及雷电灾害减灾工作提供一定的科学指导意义。研究得出了以下结论：（1）青藏高原闪电活动具有显著的日分布差异性，即在每个时间段内发生的闪电频次不一致。该地区闪电频次主要集中在13:00～24:00 时间段内，该地区在17:00左右总闪电频次均达到了峰值,统计出的总闪电频次为31335 次，占全天发生闪电频次的10.4%.（2）青藏高原在每个月份下均有闪电活动的发生，总闪电频次不一致，属于双峰值的变化类型。均在6 月份闪电活动达到了第一个峰值。在6 月份总闪电频次为76443 次，占全年发生闪电频次的22.6%；在8 月份闪电活动达到了第二个峰值，在8 月份总闪电频次为80813 次，占全年发生闪电频次的23.9%.（3）不同区域之间闪电密度月分布情况不一致，且每个月份下统计出的闪电密度值不相同。不同区域内闪电密度月分布情况，均呈单峰值变化类型。其中高原西部、中部、中北、东北区域，闪电密度值从1月份开始缓慢的增加，从4月份开始增加的幅度相对较大，在7月份闪电密度值达到了峰值，而从7 月份之后闪电活动呈逐月递减的变化趋势。在西藏南部区域，闪电密度值也从1 月份开始迅速的增加，从2 月份开始增加的幅度相对较大，在5月份闪电密度值达到了峰值，闪电活动强于高原西部、中部、中北部区域，而从5 月份之后闪电活动呈逐月递减的变化趋势。（4）青藏高原落雷密度没有较好的一致性，存在两个闪电活动高值区域，主要位于中部那曲附近，探测到的闪电密度最大值为6.2 fl·km-2·a-1，另一个闪电活动高值区域，位于青藏高原东北部区域，该区域中绝大部分面积上的闪电密度值大于5 fl·km-2·a-1。在青藏高原中北部区域，探测到的闪电密度值要稍弱于上述两个区域，但闪电活动要高于其它区域。在西藏南部以及青藏高原南部、北部等区域，探测到的闪电活动密度值普遍低于5 fl·km-2·a-1。（5）青藏高原闪电活动在逐月的变化过程中，总体呈现出从东部逐渐向西部发展，然后又向东部逐渐消退的变化规律。闪电活动从3月份开始出现，在5月份期间逐渐向高原西部区域发展，在7月、8月期间，闪电活动达到了峰值，从9月份开始闪电活动逐渐向东部区域退却，到11月份时候闪电活动几乎消失，相对较少。