基于地基观测的吉林省闪电时空特征分析

王羽飞 李 健 江晓玲 刘 洋

（1.吉林省气象灾害防御技术中心，吉林长春 130062；2.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春 130026）

1 引言

闪电是自然界中一种带有声、光、电，强烈且复杂的大气物理现象，其发生兼具随机性和选择性。目前基于卫星观测、人工观测和地基闪电观测数据，技术人员陆续开展了诸多闪电特征研究工作。在卫星观测数据分析方面，郄秀书等[1-3]用卫星闪电数据对我国闪电活动等进行了分析，但受卫星观测范围及参数影响，研究范围不包括吉林省，或没有细化研究。在人工观测雷暴的数据分析方面，谢静芳等[4]采用雷暴日数据开展了吉林省强对流天气（冰雹）和对流性天气（雷暴）活动与地形关系的分析，揭示了地形的动力和热力条件对雷暴的触发与加强作用。王羽飞等[5]对吉林省30年雷暴日特征进行了统计分析。上述研究均为进一步开展吉林省雷电活动特征研究奠定了基础。随着地基闪电定位系统的布设，许多学者利用ADTD数据，分析了区域闪电活动时空分布、闪电频次特征[6-11]及地闪密度与雷暴日数之间的关系[12-13]。郭润霞等[14]利用三维闪电定位数据分析了北京闪电时空分布和电流强度特征。上述研究工作取得了许多宝贵的科研成果，在此基础上基于地基闪电数据开展较为细致的吉林省闪电活动特征分析，可行且十分有必要。

2 资料和方法

闪电放电辐射出频率范围从极低频到超高频的电磁脉冲，其中以VLF/LF辐射为最强。吉林省2015年6月布设了16站VLF/LF三维闪电定位系统，探测网的站网内平均定位精度指标为水平小于500m，高度（垂直）小于1 000m。该系统利用GPS卫星精确测量雷暴放电产生的VLF/LF电磁脉冲到达时间，并基于宽带网络通信技术和多站TOA时间差定位原理，实现闪电辐射源的三维定位，通过几个测站同时探测闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的位置，实现对云闪、地闪及闪电高度的探测。本文采用统计分析方法，利用2016年6月—2017年5月VLF/LF探测数据进行闪电时空特征分析，此外还用到了1951—2017年地面常规气象台站的雨量观测资料，包括年降水日、降水总量，时间分辨率为24h。

3 闪电总况

吉林省VLF/LF探测系统从2016年6月—2017年5月连续记录了12个月的闪电活动情况，共监测到闪电535 204次，从发生位置来看，地闪占总闪的63.78%；从极性来看，负闪占总闪的75.84%。整体而言，负地闪发生最频繁，占总闪的55.62%，地闪的87.23%，符合我国闪电以负地闪为主的特征，但其占地闪的比例略低于基于ADTD数据统计的全国范围的值（约94%）[13]。

4 时间变化特征

4.1 季节变化特征

对吉林省不同季节闪电频次，云闪、地闪、正闪、负闪频次进行统计（表1）。表1中，季节比为季节内闪电频次与总闪频次之比；云闪比为季节内云闪频次与总闪频次之比；地闪比、正闪比、负闪比同理。从表1中可以看出，闪电活动具有明显的季节变化特征，夏季（6—8月）闪电频次最多，占全年总闪电频次的51.57%；秋季（9—11月）闪电频数较多，占全年总闪电频次的40.69%；春季（3—5月）闪电仅占全年总闪电频次的7.71%；冬季（12—2月）闪电发生最少，仅占0.03%。

表1 2016年6月—2017年5月吉林省闪电季节变化%

从闪电频次随季节变化情况来看，吉林省云闪比、正闪比与季节比特征一致，即夏季最高，秋季次之，冬季最低，其中夏季云闪、正闪比明显高于秋季，为秋季的2～3倍；而地闪比、负闪比与季节比特征不同，主要集中在夏、秋季，且两季地闪比、负闪比相当。

4.2 月变化特征

从逐月总闪、云闪、地闪总量上来看（图1），5—10月为闪电高发期，经计算，这一阶段发生的闪电占全年总闪电频数的98.6%，负闪总数%的76.22%，地闪总数的64.03%。整体而言，正、负闪，云、地闪的变化趋势与总闪基本一致。5月闪电较多，6月闪电频数迅速增大，7月大幅下降，8月再次略有上升，9月达到最大，10月回落，呈6月、9月双峰型。6月和9月在夏、秋两季闪电总量贡献最大，其中6月占夏季闪电的56.90%，9月占秋季闪电的85.30%。闪电频数最大峰值出现在9月，占全年总闪电频数的34.71%，云闪和地闪总数分别占全年的25.45%、39.96%，正闪和负闪总数分别占全年的21.06%和39.06%。而11月—3月闪电最少。这种9月出现闪电频次峰值的现象，与基于30 a人工观测雷暴日分析得到的单峰分布不同[5]。郑栋等和周明薇等[15-16]分析了我国地闪活动和降水关系的区域差异，得出闪电由南向北和气候趋于干旱对应关系增强的特征以及随着统计尺度的增大，地闪频数与降水量的相关性相应变大的特征。经统计，2016年9月吉林省降水日为1961—2017年降水日数的历史排名第2位；为1951—2017年降水总量历史排名第3位。说明吉林省闪电频次与降水总量具有较好的相关性。6—8月吉林省雨量充沛，高温潮湿，其中6月吉林省受东北冷涡影响，低温多雨，因此闪电活动旺盛，也出现了闪电频次峰值。

图1 2016年6月—2017年5月吉林省逐月云、地、总闪（a）和正、负、总闪（b）变化特征

4.3 旬变化特征

将旬总闪电频次为2 000次以上的月份，按频次排序，结果显示9月中旬发生闪电最多，其次是9月上旬和6月中、下旬（表2）。7月下旬和8月上旬闪电活动也较多，这与副热带高压的西伸和北抬有关。但不可忽视的是，9月下旬和10月上旬依然是较集中的闪电发生段；除以往的6月、7月、8月主汛期为闪电防御重点月份外，5月上、中、下旬闪电频次也均超过了6 000次，且5月下旬达到20 000次以上；4月中旬闪电量达5 000次以上，云闪和地闪频次相当。因此4月中旬至10月上旬应为雷电灾害防御的重点时期。

表2 2016年6月—2017年5月吉林省闪电频次旬变化

在5—10月共18旬中，除6月下旬、7月中旬云闪总数明显大于地闪总数，10月下旬云地闪总数略大于地闪外，其它15旬，均为负闪多于正闪。而在闪电发生较少的1—4月及11—12月，这一情况有所不同，共15旬云闪总数大于地闪总数。

4.4 日变化特征

将统计时段内的闪电数据进行逐小时频数统计（图2）。根据总闪频次统计，闪电通常发生在午间至次日凌晨（11—02时），该时段闪电频次占闪电总频次的87.64%。日闪电活动呈单峰型，时间跨度宽，其中14—21时为闪电高发段，占闪电总频次的87.30%。16—19时的时闪电频次均大于4万次，占闪电总频次的31.09%。18时闪电频次为最多，占闪电总频次的8.27%。这是由于白天近地面层湍流活动逐渐增强，特别是午后到傍晚对流旺盛，为一天中对流最易发展成熟的时段，有利于闪电发生。张鸿发等[3]利用TRMM卫星闪电成像感应器（LIS）数据对我国18—38°N和74—124°E区域闪电资料进行分析，得到中国区域闪电傍晚18时达到最高峰，高发时间主要在傍晚的结论。虽然LIS数据仅覆盖热带和亚热带地区，吉林省不在其探测范围内，但本文统计时段内的吉林省闪电峰值所在时间与利用卫星数据分析的闪电峰值时间吻合较好。而与王娟等[13]基于ADTD数据分析得到的14时以后易出现雷电天气一致；与王娟等[13]基于ADTD数据分析得出的我国16时前后是一天中强对流天气高发时段的结论相比，峰值时间延后2h。该峰值时间的延后与热力条件及能量累积有关。由图2中还可看出，从凌晨3时至上午10时为闪电的少发时段，云闪和地闪的逐时频数变化趋势大体上与总闪一致，主峰值发生时段也基本一致。

图2 2016年6月—2017年5月吉林省闪电频次逐时变化

5 空间分布特征

5.1 总闪频次水平空间分布

将吉林省划分为0.05°×0.05°的网格，统计网格内的闪电频次，得到闪电空间分布特征（图3a）。吉林省大部分地区网格内累计落雷次数小于100次，平均地面落雷密度小于4次/（km2·a）。西部和南部闪电频次较低，平均闪电密度小于2次/（km2·a）。闪电高密度区可归纳为3个，一是松原、四平、长春西及吉林中西部；二是东部延边州的汪清、延吉、龙井；三是偏南部的靖宇县、白山市、通化县等地。其中长岭、公主岭、榆树、伊通、九台、德惠、靖宇、白山市、汪清等地网格内闪电密度可达8次/（km2·a）以上。从地形及高程上看，吉林省地势由东南向西北倾斜，呈现明显的东南高、西北低的特征。全省自东南向西北由中山低山区、低山丘陵区、中部台地平原区，逐渐过渡到西北部沙丘覆盖冲击平原区。闪电密度的3个高值区域都处于山脉与平原的过渡区域，这些地方的地表较潮湿，水汽供应较充足，午后太阳辐射加热地面，低层大气受热抬升，利于对流发展形成雷暴。

5.2 云闪与地闪频次水平空间分布

对云闪频数的密度分布（图3b）进行统计发现，云闪密度存在2个明显高值区。第一个高值区位于松原南部与四平的交界处，即长岭北与双辽和公主岭南一带，呈东西走向；以及其东部和南部的公主岭、伊通、农安、德惠、九台、永吉、磐石，自西向东呈两条平行的连珠状。这一高值区网格内最大云闪频次为152次，年落雷密度最大值达6.08次/（km2·a）。另一个高值区位于延边地区中东部，即汪清、延吉、龙井、和龙、珲春一带，主要呈西南—东北走向。这一高值区网格内云闪频次局部可达133次，落雷密度达5.32次/（km2·a）。吉林省其他大部分地区云闪密度很小，小于2次/（km2·a）。此外，对地闪频数空间分布（图3c）进行统计分析，对比可以发现地闪的空间分布与总闪空间分布基本一致。

图3 2016年6月—2017年5月吉林省总闪（a）、云闪（b）、地闪（c）空间分布特征

6 结语

（1）2016年6月—2017年5月吉林省闪电活动频繁，符合我国闪电以负地闪为主的特征，但其占地闪比例略低于基于ADTD数据统计的全国范围的值。闪电活动具有明显的季节变化特征，夏季最多。5—10月为闪电高发期，占全年总闪电频数的98.6%，并呈6月、9月双峰型，其中9月中旬发生闪电最多，与基于30a人工观测雷暴日分析得到的单峰分布不同。4月中旬—10月上旬应为雷电灾害防御重点期。闪电通常发生在午间至次日凌晨（11—02时），呈单峰型，时间跨度宽，其中14—21时为闪电高发段，以18时为最多，比王娟等基于ADTD数据分析得出的全国闪电峰值时间延后2h。这是因为吉林省所处纬度较高，太阳辐射加热略慢，下垫面温度升高滞后，峰值时间有所延迟。

（2）吉林省大部分地区平均地面落雷密度小于4次/（km2·a），闪电高密度区可归纳为3个，一是松原、四平、长春西及吉林中西部；二是延边州的汪清、延吉、龙井；三是靖宇县、白山市、通化县等地。

（3）未来可利用静止卫星探测到的闪电数据，与地基数据进行匹配处理，通过2种数据结合，获得更加完整、准确的闪电分布信息，并在对雷电活动监测和分析的基础上，分析闪电气候变化情况，同时进一步找寻其与强对流和降水相关的监测预警指标。