基于ADTD型闪电定位数据的江门闪电特征

吴从权，谭惠冰，张鹃，侯中阳，邢飞，吴斯敏

（江门市气象局，广东江门 529000）

雷电灾害是联合国国际减灾委员会公布的最严重的十种自然灾害之一，经常导致人员伤亡，损坏供配电系统、通信设备等，甚至引发化学品仓库、油库、气库、弹药库等燃烧爆炸，产生不良的社会影响［1-3］。因此，掌握闪电活动时空分布特征，制定雷电防御措施，从而避免或降低雷灾造成的人员伤亡和财产损失。

近年来，许多专家学者对闪电活动特征进行了大量研究［4-8］。杨春明等［4］基于2010—2012年安徽省闪电数据，发现平原、丘陵与山区的交接地带多为闪电强度与密度的高值区域；杨敏等［5］分析了2007—2015年京津冀地区的闪电活动特征，发现山脉与平原过渡带及海陆交界处的闪电活动最多；刘海兵等［6］分析了江西闪电活动受海拔高度的影响，得出闪电密度与海拔高度呈反向变化；黄潮等［7］分析了2004—2013年惠州市闪电特征，发现雷击大地密度自西向东减小；范仲之等［8］利用2008—2011年ADTD闪电定位数据分析了山西省闪电时空特征与地形的相关性，得出闪电活跃区域与海拔变化剧烈的地方一致。

江门位于广东南部，地处亚热带，年雷暴日数76 d，据不完全统计，2001年至今平均每年至少2人死于雷击。本研究采用2017—2019年江门地区的闪电定位数据，对雷电时空分布特征进行研究，以期为开展具有针对性的雷电灾害防御工作提供理论依据。

1 资料与方法

本研究采用广东省ADTD雷电定位系统2017—2019年江门地区的云地闪数据，其中闪电数据来源于广东省ADTD雷电定位系统，该系统是由中国科学研究院空间科学与应用研究中心研究，主要用于监测地闪回击的发生时间、方位、强度、极性和上升时间等，探测半径≥300 km、探测效率≥80%、时间精度≤10-7s。图1为广东省ADTD闪电定位系统站点分布图。

图1 广东省ADTD闪电定位系统站点分布

为保证地闪数据的质量，参照文献［9］剔除雷电流幅值落在［-5，5］kA和≥500 kA，且陡度绝对值为0和≥500 kA/μs。将2017—2019年已进行质量控制的全省监测数据导入ArcGis，基于江门地区shp底图获得研究区域内的地闪回击数据，按时间统计正地闪、负地闪、总地闪及雷电流幅值。把每日08：00—20：00（北京时，下同）（不含08：00，含20：00）、20：00—08：00（不含20：00，含08：00）分别代表白天和夜间。将雷电流幅值以10 kA为间隔，统计各段内的正、负地闪回击频次及其占总地闪回击频次的百分比。根据《基于雷电定位系统（LLS）的地闪密度 总则》GB/T 37047-2018［10］的要求，将研究区域划分为3 km×3 km网格，绘制地闪回击频次和平均强度空间分布图。

2 结果与分析

2.1 闪电回击频次时空特征

1）空间分布。

从2017—2019年江门地区年平均地闪回击频次空间分布（图2）可知，鹤山市北部及东部和新会区北部为地闪回击密度大值区，最大值出现在鹤山市北部，为7次·km-2·年-1；恩平市、开平市及台山东部和中部地闪回击频次居中；江门中部地闪回击密度较低。

根据文献［11］将该区域的地形分为平原（海拔高度＜200 m）、丘陵（200 m≤海拔高度＜500 m）、低山（500 m≤海拔高度＜1 000 m）、高山（海拔高度≥1 000 m）。对比图2发现，密度值3次·km-2·年-1及以上的地闪活动多对应丘陵、低山地形，平原、高山地形的密度值基本介于0.5～1.5次·km-2·年-1之间。

图2 2017—2019年江门地区地闪密度分布

2）年际分布。

统计2017—2019年江门地区的地闪回击频次，得出共发生地闪回击76 308次，其中正地闪回击为2 563次，负地闪回击为73 745次，分别占总回击频次的3.36%和96.64%，与王学良等［12］研究湖北正地闪比例在3%～5%的结论基本一致，但与冯桂力等［13］分析山东省正闪比例为12.24%有较大区别。张义军等［14］研究指出，南方地区的雷暴云电荷结构多表现为偶极性（上正下负），北方地区的雷暴云电荷结构多数为三级性（上正-中负-下次正），电荷结构不同是造成南北方地区正地闪回击占比存在较大差异的原因之一。从2017—2019年江门地区的地闪回击频次逐年分布（图3）也可以看出，江门地区地闪回击大部分为负地闪。这是由于上正下负的雷暴云结构使得负电荷区与地面距离较近，更容易击穿空气从而对地产生放电效应［15］。

图3 2017—2019年江门地区地闪回击频数逐年分布

3）月分布。

从2017—2019年江门地区地闪回击频数的逐月分布（图略）可以发现，地闪回击频次具有明显的季节变化，主要集中在5—9月份，占总地闪回击频次的89.27%，其中6—8月份为高发月份，占总频次的69.45%，6月份闪电活动最为活跃，占总频次的25.16%，11月至次年2月地闪回击频次非常少，仅占总频次的0.01%，这是因为盛夏受太阳辐射对流活动旺盛，云体发展高，有利于云内正负电荷的碰撞与分离，导致闪电发生次数多；而冬季对流活动弱，使得闪电活动明显减少。负地闪回击频次月分布与总地闪回击频次月份基本一致，正地闪回击频次变化相对较平缓，6—8月频次最多，占正地闪回击频次的58.6%。

图4为2017—2019年江门地区每年地闪回击频次逐月变化，由图4可以看出，2017年地闪回击频次表现为单峰型分布，2018年呈现出双峰值型分布，2019年呈现出多峰值分布。其中，2017年峰值出现在7月份；2018年的主峰出现在8月份，次峰出现在6月份；2019年主峰出现在6月份，次峰分别出现在4和9月。

图4 2017—2019年江门地区每年地闪回击频次逐月变化

4）日分布。

图5是2017—2019年江门地区地闪回击频次日变化，可以看出地闪回击总频次、负地闪回击频次和正地闪回击频次均呈现多峰变化。从00：00到03：00，地闪回击频次出现第1个峰值，之后一直到10：00，频次呈波动式变化；10：00开始地闪回击频次大幅增加，持续到13：00，随后开始逐渐下降；到19：00又出现小幅增加。地闪活动高发时段主要集中在12：00—17：00，占总回击频次的47.8%，这是因为午后太阳辐射使得地表温度升高，易形成对流天气，从而有利于出现雷暴和闪电。

图5 2017—2019年江门地区每年地闪回击频次逐时变化

2.2 雷电流时间特征

1）年变化。

表1给出了2017—2019年逐年江门地区正、负、总地闪回击及昼夜地闪回击雷电流平均值。由表1可以看出，正地闪回击在48.7～55 kA，平均值为51.3 kA；负地闪回击电流介于36.2～37.5 kA，平均值为37.0 kA；总地闪回击在36.6～38.1 kA，平均值为37.4 kA。3年平均正地闪电流大于负地闪电流12.5～17.5 kA，平均值为14.2 kA；夜间地闪平均电流大于白天地闪平均电流，且两者差在6.2～7.5 kA，平均值为6.5 kA。

表1 2017—2019年江门地区正、负、总地闪回击及昼夜地闪回击雷电流平均值统计 kA

2）月变化。

图6是2017—2019年江门地区地闪回击平均强度按不同极性逐月分布曲线，发现正地闪和负地闪变化趋势比较一致。

图6 2017—2019年江门地区地闪回击平均电流逐月变化

正地闪强度除9—10月之间出现了小波动，3—8月表现得比较平稳；负地闪强度在3—8月呈减少-增加-减少变化，8月之后开始上升，10月到达峰值。统计资料表明，负地闪强度最大值出现在10月，为43.37 kA，最小值出现在3月，为31.55 kA，两者相差11.82 kA；正地闪强度最大值出现在2月，为66.65 kA，最小值出现在9月，为46.27 kA，两者相差20.38 kA，约为负地闪强度变化的两倍，有研究指出，出现这一现象的主要原因可能与空气密度有关［16］。

3）日变化。

绘制2017-2019年江门地区地闪回击平均强度按不同极性逐月分布曲线（图7）。从图7可以看出，正地闪05：00—11：00呈单峰单谷分布，12：00开始呈现波动式变化，最小值出现在13：00，为42.93 kA，至次日04：00达到最大，为59.62 kA；负地闪在05：00—10：00波动较大，最大值出现在05：00为46.89 kA，11：00至次日04：00大致呈单峰分布，最小值出现在19：00为30.41 kA，且最大值和最小时的出现时间均迟于正地闪，但最大强度与最小强度差值基本一致。综上可知，正地闪和负地闪最大值出现在清晨，最小值出现在午后至傍晚时段。

图7 2017—2019年江门地区地闪回击平均电流逐小时分布

4）区间变化。

图8是2017—2019年江门地区地闪回击按不同电流强度区间绘制的频次分布曲线。从图8可知，负地闪回击频次和总地闪回击频次的变化曲线比较相似，但正地闪回击频次与总地闪回击频次的变化曲线有一定差别。负地闪回击电流主要集中在10～50 kA，占负地闪总数的85.4%，其中20～30 kA区间的负地闪回击频次占比最多，为33.4%，回击频次从5～30 kA迅速上升，30 kA之后缓慢下降。正地闪回击电流主要分布20～60 kA，占正地闪总数的65.5%，30～40 kA区间的正地闪回击频次占比最多，为20%，回击频次的上升和下降随电流区间变化比较平缓。

图8 2017—2019年江门地区地闪回击频次按不同强度区间的变化曲线

从2017—2019年江门地区不同电流区间的回击频次占总频次的百分比及其累计频率变化曲线（图略）可以看出，总地闪回击电流主要集中在10～50 kA，其中20～30 kA比例最大，为33.0%，30～40 kA次之，为26.3%。随着电流的增大，地闪回击频次呈现出下降趋势，≤50 kA地闪回击频次的累计频率上升幅值较大，＞50 kA地闪回击频次的累计频率变化较平缓。根据雷电防护 第1部分：准则（GB/T 21714.1-2015）［17］的规定“第Ⅳ级雷电防护等级对应的雷电流的最小值是16 kA，最大值是100 kA”，当雷电流幅值超出最大值或小于最小值时，可能产生反击或绕击风险。因此，统计这两种幅值电流的占比，可为雷电防护工程设计提供参考。经统计得出≤16 kA的地闪回击频次占总地闪回击频次的4.6%，≥100 kA的地闪回击频次占总地闪回击频次的2.6%。

3 结论

1）2017—2019年，江门地区闪电活动总体上呈现四周高、中间低的特点，以负地闪为主，6—8月份为高发月份，占总频次的69.45%，日变化均表现出多峰型，高发时段集中在12：00—17：00，占总回击频次的47.8%。

2）正地闪回击电流年平均值为51.3 kA，负地闪回击电流年平均值为37.0 kA，夜间地闪平均电流大于白天地闪平均。正、负地闪电流月平均值变化较一致，正地闪日分布在05：00—11：00呈现单峰单谷特征；负地闪在11：00至次日04：00大致呈单峰型形特征，且最大值和最小值的出现时间均晚于正地闪。

3）负地闪和总地闪回击电流主要集中在10～50 kA，其中20～30 kA区间的地闪回击频次占比最多，分别为33.4%、33.0%。正地闪回击电流主要分布20～60 kA，其中30～40 kA区间的正地闪回击频次占比最多，为20%；≤16 kA的地闪回击频次占总地闪回击频次的4.6%；≥100 kA的地闪回击频次占总地闪回击频次的2.6%。