2011—2021年安徽省闪电时空分布特征分析

鞠晓雨，王 凯，朱 浩

（1.安徽省气象灾害防御技术中心，安徽 合肥 230031；2.淮河流域气象中心，安徽 合肥 230031）

近年来，随着雷电探测技术的不断发展及资料积累，针对雷电活动的分布特征以及规律有了新的认识，发现其具有一定的地域特征。国内很多学者针对闪电特征和活动规律进行了大量研究，王延慧等[1]基于2013—2016年新疆地闪定位监测资料，统计分析了新疆的地闪活动特征，并指出地闪密度呈现为北疆大于南疆，西部地区大于东部地区，山区大于沙漠戈壁；李婷等[2]利用2009—2012年的雷电流数据，得到了延安地区的雷电流幅值累积概率分布特征及计算公式；王东方等[3]通过分析北京地区的闪电时空分布特征及不同强度等级雷暴对闪电分布的贡献，得出弱雷暴（超强雷暴）次数多（少），产生的闪电少（多），超强雷暴和强雷暴产生的闪电分别占总雷暴闪电的37%和56%；成鹏伟等[4]利用北京市与成都市的闪电定位与卫星资料，得出北京市与成都市地闪主要分布在山地平原交界带且相对海拔较低的地区，北京市与成都市地闪密度与海拔高度呈明显的负相关。此外，还有众多学者利用不同地区的闪电定位资料，分别对浙江、福建、湖北、江苏、上海等地区的闪电特征参数进行了研究[5-9]。

安徽省南北跨度较大，山区、丘陵与平原兼具，四季分明，雷电活动频繁，朱浩等[10]通过统计1998—2012年安徽省雷灾报告发现，全省发生雷灾事故894起，造成人员伤亡373人，导致直接和间接经济损失四千余万元。杨春明等[11]对2010—2012年3—12月逐日闪电数据进行分析，结果表明安徽省正负闪电强度值集中在3~30 kA，陈光舟等[12]研究发现安徽南部的闪电数和平均电流强度比北部大，但北部正地闪比例略高于南部，王凯等[13]根据2011—2013年地闪资料，得出皖南山区地闪电流强度主要集中在10~50 kA，在雷电流强度高值区，正地闪比例略增加。为能够更全面了解安徽省雷电气候特征，本文利用安徽省ADTD（Advanced Direction Finding on Time Difference）闪电定位系统建站以来积累的11 a资料进行统计分析，并结合经验正交函数分解方法（Empirical Orthogonal Function，缩写为EOF）以及NCEP/NCAR再分析资料对全省闪电特征及空间分布开展分析，加深对地闪活动规律的认识，为雷电监测预警、雷电灾害风险区划及雷电防护工作提供支撑。

1 资料与方法

分析数据来源于安徽省ADTD闪电定位系统所探测到的闪电资料，选取建站以来所有完整年度，即2011—2021年1—12月的闪电定位资料，主要信息包括地闪发生的时间、经纬度、回击电流峰值、陡度和极性等。利用NCEP/NCAR再分析资料进行影响因素分析，该资料是美国气象环境预报中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）利用观测资料、预报模式和同化系统对全球从1948年到目前的气象资料进行再分析形成的格点资料，时间长度为2011—2021年，水平分辨率为2.5°×2.5°。

首先，采用IEEE工业组文件规定的质量控制方法，剔除地闪回击电流峰值＜2 kA和＞200 kA的雷电流样本，再运用数理统计分析趋势变化，通过krigin插值计算得到该区域闪电频次格点数据，每个网格的年平均闪电次数即为该点的地闪密度，再结合EOF方法提取主要数据特征量，并利用Origin、Surfer和ArcGIS对闪电定位数据的时空分布和空间模态等进行绘图，最后结合Grads对再分析资料进行成因分析。

2 结果与分析

2.1 年变化特征

2011—2021年共探测到地闪2 632 517次，年均239 320次，由图1可以看出，地闪年际变化差异较大，2011年最高，达361 079次，最少在2017年，为107 611次。11 a负地闪发生2 484 928次，占地闪总数的94.02%，正地闪为147 589次，占地闪总数的5.98%，这与王娟等[14]对2009—2012年中国闪电分布特征的分析以及成勤等[15]对中部5省2007—2010年负地闪发生次数占总地闪95%的结果基本一致，主要因为雷暴云多为三级性电荷结构，大多数地闪通常在中部负电荷区和下部正电荷区之间起始，负极性通道穿过下部正电荷区达到地面，形成负地闪[16-18]。

图1 2011—2021年安徽省闪电频次与平均地闪回击电流峰值年变化

安徽省地闪年平均回击电流峰值在33.10~41.19 kA，平均值为36.74 kA，年均地闪回击电流峰值的标准差为2.62 kA，年际变化没有明显规律性。进一步对逐年正、负地闪数据进行统计，结果如表2所示，正地闪年平均回击电流峰值为49.9 kA，标准差为4.61 kA；负地闪年平均回击电流峰值为35.9 kA，标准差为2.59 kA，各年平均正地闪回击电流峰值大于负闪回击电流峰值9.66~18.46 kA，平均为14.01 kA。正地闪回击电流峰值和年际波动整体高于负地闪，且正、负回击电流峰值大小与当年对应地闪发生次数没有直接对应关系。

表1 2011—2021年安徽省地闪统计

2.2 月、季变化特征

图2为2011—2021年安徽省逐月平均地闪频次和回击电流峰值变化趋势，总体呈单峰型特征，绝大部分地闪发生在5—9月，该时段地闪次数占全年的90.1%，其中8月闪电发生最多，月平均达82 435次，占全年的34.5%，9月以后地闪次数迅速减少，10月以后仅有零星闪电发生，至次年3月为地闪发生极少期，该结果与现有研究结果一致[10-12]。由此可见，7—8月安徽省雷电活动最频繁，也是做好雷电防护工作的关键时期。从月平均地闪回击电流峰值变化可以看出，其与闪电频次趋势总体相反，整体呈夏季低、秋冬季高的特征，最小值出现在8月，为35.96 kA，自10月后增加明显，最大值出现在12月，为80.84 kA。

图2 2011—2021年安徽省闪电频次与平均地闪回击电流峰值月变化

由表2可以看出，正、负地闪频次在不同季节之间差异较大，但均在夏季达到峰值，春季次之，秋季和冬季较少。安徽省正地闪比例冬季最高、夏季最低，表明安徽省正地闪占总地闪的比例随总地闪发生次数的减少而增多，这与王学良等[19]、杨敏等[20]研究结果一致。正、负地闪回击电流峰值的季节变化与频次相反，正地闪回击电流峰值整体高于负地闪的，且正地闪平均回击电流峰值的季节间波动较负地闪更为显著。安徽省冬季地闪回击电流峰值较大，这可能与冬季较高的正地闪比例和正地闪回击电流峰值有关[21]。

表2 2011—2021年安徽省各季节地闪统计

2.3 日变化特征

图3为2011—2021年安徽省闪电发生频次及地闪回击电流峰值日变化趋势。06—09时地闪发生次数较少且波动平稳，11时为最小值，仅3 893次，之后快速陡增，峰值出现在16时，为24 536次，20时之后减少，正、负地闪日变化趋势基本一致。总体来看，安徽省地闪活动日变化主要集中在午后至傍晚，14—19时是闪电多发时段，每小时闪电次数均在15 000次以上，占全天的57.13%。安徽省总地闪的日变化趋势与湖北、江西等多个周边省份相似[7，9]，但具体时段稍有不同，地闪的这种日变化特征与安徽省午后至傍晚强对流天气活跃的气候特征一致，主要由于上午热力条件不足，不利于地闪形成，午后至傍晚在太阳辐射的加热作用下，下垫面温度升高，热力条件较好，午后强对流有利于闪电发生。

安徽省平均地闪回击电流峰值在一天中的波动较小，相差在5 kA以内，较高值出现在清晨至上午气温相对较低的时段，最大值出现在06时，达40.43 kA，随着回击电流峰值减小，地闪频次逐渐增大，回击电流峰值的最小值出现在14时，为34.6 kA。由图3可知，平均地闪回击电流峰值的日变化趋势整体与频次变化相反，即当闪电较为活跃时，平均回击电流峰值较小，反之较大，该特征与冯真祯等[6]、王学良等[7]研究结果一致。

图3 2011—2021年安徽省闪电频次与平均地闪回击电流峰值日变化

2.4 空间分布特征

选取2011—2021年安徽省闪电定位资料，以1 km×1 km网格，利用krigin插值法得到安徽省地闪密度和回击电流峰值空间分布。安徽省年平均地闪密度为1.72次/（km2·a），由北向南整体呈递增的分布特征（图4a），密度较高区域集中在滁州东部、六安东部以及长江以南部分地区，其中皖南山区的池州东北部及南部、宣城东部、铜陵东部地区为地闪密度高值中心，局部地区超过了4.20次/（km2·a），淮河以北地区年均地闪密度在1.00次/（km2·a）以下，这与王凯等[12]针对安徽皖南山区地闪特征对比分析的结果基本一致。安徽南北部地貌特征及气候差异较大，安徽北部以平原为主，中部多为平原与丘陵的过渡区域，南部山区平均海拔约为500 m，郑栋等[21]研究结果表明，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和动力抬升条件，并提供充足的水汽，则更有利于雷暴的形成。李家启等[23]研究表明重庆丘陵山区的地形对中尺度雷暴有动力抬升作用，导致山区闪电频数高于丘陵和平原地区。

近11 a安徽省地闪回击电流峰值空间分布如图4b所示，主要分布在30~60 kA，各市均存在若干个块状高值区，表明全省均有强雷电活动发生，但高值区个数由北向南明显减少，块状高值区主要集中分布在亳州、淮北、宿州等地，其次为六安、淮南南部、合肥以及马鞍山一带，最后零星分布在长江以南地区，与图4a对比发现，全省地闪回击电流峰值与地闪密度空间分布大致相反。

图4 2011—2021年安徽省地闪密度（a）与回击电流峰值（b）空间分布

2.5 地闪频次分布主成分分析

为更好地了解安徽省地闪频次的空间分布特征，对2011—2021年全省闪电资料进行主成分分析，其载荷向量能较好地反映地闪密度的空间异常特征。表3给出了2011—2021年安徽省闪电频次主成分分析特征值及显著性检验。根据主成分分析，特征值＞1或累计贡献率＞80%的提取原则，提取前5个主成分，特征值分别为12.91、4.46、3.36、2.20、1.38，累计方差贡献占比90.05%，能够全面反映安徽省地闪频次的典型分布型。

表3 2011—2021年安徽省闪电频次主成分分析特征值及显著性检验

选取前5个特征向量进行具体分析，得到2011—2021年安徽省总地闪频次EOF第1～5模态（图5）。图5a为第一模态系数分布，方差贡献占比达到47.83%，是最主要的特征。第一模态空间函数在安徽省内均为正值，表明安徽省闪电活动在空间上具有一致性，且闪电频次变化趋势基本一致，因此划为全省一致型。

图5b为第二模态系数分布，方差贡献占比16.53%。正值区域的中心位于皖鄂交界的大别山区，说明大别山区的闪电频次往往异常高于其它地区，并与淮河上游地区呈现反向差异特征。这一模态正好代表了大别山区在安徽省雷电活动的特殊地位，雷电活动频繁，划为大别山区型。

图5c为第三模态系数分布，方差贡献占比12.44%，空间函数正值大值区位于皖北，负值中心位于江淮之间东部，说明江淮之间东部地区的雷电频次偏少，雷电活动不频繁。与其他地区不同，当皖北、皖南雷电活动频繁时，江淮之间东部的雷电相对较少，因此划分为江淮东部型。

图5d为第四模态的系数分布，方差贡献占比8.16%，零度线基本沿着长江将安徽省分割为南北两部分，且空间函数呈现江南、江北反相的分布特征，正大值区位于浙皖交界的山区。由此可见，在安徽省雷电活动分布上，长江起到了分界线的作用，江南、江北形成明显反差，皖南山区雷电活动异常频繁，因此划分为江南江北型。

图5e为第五模态的系数分布，方差贡献占比5.09%，空间函数正值大值区基本沿淮河呈带状分布，在淮河上下游各出现一个正值中心，表明沿淮河地区雷电活动频繁，特别是豫皖交界的淮河上游地区雷电活动异常偏多，突出了沿淮河一带雷电活动的整体一致性，因此划分为沿淮型。

图5 2011—2021年安徽省总地闪频次EOF分解的前5个模态

3 影响因素分析

雷暴等强对流天气的发生发展需要具备：充足的水汽、不稳定层结和抬升机制[24]。图6给出了2011—2021年安徽省上空500 hPa平均相对湿度、850 hPa平均比湿、850 hPa平均假相当位温和沿114°～120°E平均垂直速度的纬度—高度剖面图。由图6a和6b可以看出，500 hPa相对湿度和850 hPa平均比湿的数值自南向北递减，高值中心位于皖南山区，表明安徽省南部较北部水汽条件更好。图6c为2011—2021年850 hPa平均假相当位温的分布状况。安徽省整体呈南高北低态势，南部等值线密集，而假相当位温是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量，反映大气中能量的分布和层结状况[25]，位势梯度大，大气较不稳定，是对流发生的有利条件之一。此外，潮湿的空气给负闪电的形成提供条件，而热力不稳定和上升气流密切相关，其可将过冷水滴抬升至冰相混合区，从而形成较大的电荷浓度，利于雷暴起电[26]。

除了水汽、热力条件之外，雷暴等强对流天气的触发机制也非常重要，通过将114°～120°E的平均垂直速度沿着经向垂直剖面，得到纬度—高度剖面图（图6d）。安徽省南部地区（低于32°N）上空，垂直速度基本为负值，500 hPa左右上升明显，有利于雷暴等对流能量的释放，而北部地区（高于32°N）整层高空上升速度为正，主要为下沉气流。综上所述，安徽省南北地区在水汽、热力和触发机制方面存在明显差异，且南部地区均优于北部地区，易发生雷暴等强对流天气。

图6 2011—2021年500 hPa平均相对湿度（a，单位：%）、850 hPa平均比湿（b，单位：g/kg）、850 hPa平均假相当位温（c，单位：K）和沿114°～120°E平均垂直速度的纬度—高度剖面（d，单位：Pa/s）

4 结论与讨论

通过对2011—2012年安徽省地闪资料进行时空分析，得出以下主要结论：

（1）2011—2021年安徽省总地闪次数为2 632 517次，年际变化差异较大，总体呈振荡减少趋势，负地闪占地闪总数的94.02%，平均地闪回击电流峰值为35.9 kA。月变化呈单峰型特征，正、负地闪频数均在8月达到峰值，但正地闪比例随总地闪发生次数的减少而增多，冬季正地闪比例达32.1%，且正地闪回击电流峰值季节间波动高于负地闪，冬季较高的正地闪比例和正地闪回击电流峰值可能为安徽省冬季整体地闪回击电流峰值较大的原因。

（2）安徽省地闪主要集中出现在午后时段，平均地闪回击电流峰值在一天中的波动较小，相差在5 kA以内，日变化趋势整体与频次变化相反，即当地闪较为活跃时，平均回击电流峰值较小，反之较大。

（3）近11 a安徽省年平均地闪密度为1.72次/（km2·a），山区高于平原，自皖北平原向皖南山区整体递增，高值区位于皖南山区的池州东北部及南部、宣城东部、铜陵东部等地区，年均地闪回击电流峰值方面，空间分布与平均地闪密度大致相反，高值区零星分布于全省各市，但高值区个数由北向南减少。

（4）安徽省闪电活动在空间上具有一致性，但南北存在一定差异，全省闪电活动的空间异常分布型依次划分为全省一致型、大别山区型、江淮东部型、江南江北型和沿淮型。

（5）近11 a安徽省南部地区的水汽条件、热力条件、触发机制均优于北部地区，南部易发生雷暴等强对流天气，与闪电频次的分布特征一致。

（6）本文分析了安徽省2011—2021年闪电时空分布特征，但由于安徽省地貌类型复杂多样，山地、丘陵与平原相间分布，今后需结合不同下垫面的大气不稳定参数、海拔等要素开展相关性及个例研究，进一步了解全省闪电活动规律，为不同地区的雷电防御措施提供理论支撑。