基于闪电定位系统的2014-2020年兴安盟闪电活动特征

高 宇

(兴安盟气象局，乌兰浩特 137400)

0 引言

闪电是强对流天气过程中随机发生的剧烈放电现象，高精度、高时空分辨力的闪电定位技术是强对流天气监测和预警的重要基础。利用探测率高、准确性更好的闪电定位监测数据对一定区域的闪电进行时空分布特征分析，可以进一步研究强对流天气的发生、发展机理，同时可以弥补天气雷达探测距离受限、低仰角地物遮挡等缺点。目前，国内对于闪电的监测主要有VLF/LF型三维闪电定位系统[1]和ADTD型闪电定位系统[2]。国内许多学者对闪电活动特征进行了分析，总结了一些区域性的闪电活动规律：王娟[3]等分析了2009-2012年中国闪电分布特征，指出随着季风的推进，闪电从南向北，从东向西逐渐增多，闪电密度呈明显的地域性差异，华南地区、中东部地区及四川盆地为闪电密度的高值区；郭润霞[4，5]等利用北京地区VLF/LF三维闪电监测定位数据分析了北京地区总闪、云闪、地闪的时空分布特征和电流强度特征，并对典型降雹天气过程的闪电活动特征进行了详细分析；朱浩[6]等利用ADTD型闪电定位系统数据分析了安徽省云地闪密度与雷暴日的关系，重新计算了适合安徽省的云地闪密度与雷暴日数关系的拟合公式；陈宇[7]等分析了大连地区闪电活动的特征，并依据模糊函数法综合闪电频次与雷击电流，构建了大连地区雷电危险度综合指数预测模型，并依据模型对典型雷击灾害进行了评估。内蒙古地区2010年开始布设ADTD型闪电定位系统，2013年8月之后有了较为完整的闪电定位数据。2014年1月，地面观测中取消了雷暴、闪电等天气现象记录，人工记录数据与仪器数据时间重合度低，无法完成人工观测雷暴日与闪电定位系统雷电日的对比分析，因此文章主要分析了2014年之后ADTD型闪电定位系统监测到的云地闪数据，以期从总体上认识兴安盟闪电活动的时空特征，为后续研究不同强对流风暴中的闪电特征和开展雷电灾害风险区划提供数据支撑。

1 资料与方法

1.1 资料来源

文章所用资料为2014-2020年内蒙古ADTD型闪电定位系统监测到兴安盟境内的地闪数据，各探测站监测的闪电数据可以覆盖兴安盟全境。ADTD型闪电定位系统主要采用时差与磁定向法相结合的原理进行云地闪探测，单站探测范围为150 km，可以提供每次雷击发生的位置、时间、经度、纬度、电流强度、陡度、定位误差和定位方式等信息。

1.2 资料预处理

ADTD型闪电定位系统通过测量闪电回击产生的电磁辐射场探测云地闪密度，实际易受到周围电磁环境和地形地貌等多种因素的影响，导致探测结果具有不确定性。目前对内蒙古ADTD闪电定位数据尚未进行相关质量控制措施，直接使用原始数据将影响研究和分析的精确性，文章主要通过剔除异常数据和小幅值雷电流数据对兴安盟境内的地闪资料进行预处理。

1.2.1 剔除异常数据

根据1964—2013年兴安盟境内8个国家观测站月雷暴日数的统计，兴安盟境内的雷暴和闪电活动主要发生在4—10月(高发期6—8月)，通过统计2014—2020年闪电定位系统的观测数据，1月、2月、3月、11月、12月很多观测日兴安盟境内只有单次地闪回击记录，相关研究表明[8]，闪电经常与强对流过程同时出现，雷暴过程的强弱与地闪频次呈现很好的相关性，当天气雷达监测的回波强度不超过40 dBZ，回波顶高不超过6 km时，可认为回击是由于周围环境噪音和仪器自身原因造成的不可用记录，文章在研究时将剔除此条记录。

1.2.2 小幅值雷电流数据的处理

根据QX/T 405-2017《雷电灾害风险区划技术指南》中的要求，200 kA以上的雷电流出现概率很小且可能超出系统探测范围，出错率也较高；2 kA以下的雷电流通常很难准确探测，国内电力系统基本下限在3 kA，而且闪电定位系统探测的小幅值正地闪可能受到云闪的干扰。因此文章研究时，剔除雷电流幅值在0～2 kA和200 kA以上的地闪数据，对闪电数据进行预处理。

1.2.3 研究方法

在分析地闪密度和强度空间分布特征时，采用核密度分析和克里金差值方法，使用1 km×1 km对兴安盟区域进行网格化。在计算闪电日数时，当1日中(前1日20:00至当日20:00)兴安盟境内至少出现1次地闪即记录1个雷电日。

2 时间分布

2.1 年变化特征

文章利用2014—2020年闪电定位仪监测到的地闪数据，分析了近7 a兴安盟地区闪电活动特征(表1)。地闪数据中，负闪比例明显高于正闪，这与大多数学者的研究是一致的，负闪频次占总闪频次的73.73%，总闪频次较多的年份，负闪频次比例也明显升高(2017年占比82.15%，2019年占比78.78%)。地闪平均强度为47.20 kA，正闪平均强度明显高于负闪。总体来看，除2017年和2019年闪电活动异常活跃外，兴安盟闪电年变化趋势不显著。

2.2 月变化特征

兴安盟闪电活动呈现明显的季节特征，闪电最早开始于3月(仅2020年)，最晚结束于10月。年平均月闪电频次呈现单峰分布(图1)。在闪电频次较少的月份(春季和初夏)，正闪比例较高，所占比例超过50%。随着夏季的来临，闪电频次迅速增加，正闪比例也迅速下降，所占比例在20%左右。

表1 2014—2020年兴安盟闪电特征

图1 2014-2020年闪电频次月变化

从不同年份、不同月份闪电强度的平均值可知，春季4月闪电强度最强，平均值达到102.53 kA，主要因为在初春季节，兴安盟多孤立的闪电活动，闪电频次少，单次闪电强度强。5月开始，随着闪电频次的快速增多，闪电平均强度迅速减小，且各月之间差异不大，闪电平均强度在42～60 kA，正闪平均强度在63～73 kA，负闪平均强度在38～48 kA。

2.3 日变化特征

闪电频次的日变化呈现近似单峰分布(图2)，正、负闪峰、谷值出现的时间段基本相近。近7 a白天(08:00-20:00)发生地闪64，182次，占地闪总数的65.6%；夜间(20:00-次日08:00)发生地闪33，677次，占地闪总数的34.4%，全天各个时段均有地闪活动。午后正闪频次陡增，逐时正闪频次极大值是极小值的14倍左右。负闪频次在12:00之后急剧上升，16:00之后急剧下降，22:00至次日12:00，上升和下降趋势比较平缓。总体来看，随着白天太阳辐射的增加和热力对流的发展，在12:00前后，闪电频次迅速上升，16:00-17:00达到峰值，12:00-22:00是闪电的多发时段，占全天闪电频次的71.5%。闪电强度与闪电频次呈现近似反位相分布，在闪电频次较少的时段，闪电强度较大，在闪电频次较多的时段，闪电强度较小。由于正闪频次明显少于负闪，因此正闪逐时强度变化较负闪剧烈。

图2 2014-2020年闪电频次日变化

3 空间分布

3.1 闪电密度特征

图3给出了近7 a平均闪电密度分布。2014-2020年兴安盟年均闪电密度0.25次/km2，密度大值区主要在科右中旗吐列毛都，密度中心值达0.76次/km2，次高值区在科右中旗东南部高力板，大部分区域闪电密度不足0.3次/km2。不同年份闪电密度差异较大，如在闪电频次较多的2017年，密度大值区位于科右中旗东南部，密度中心值达2.41次/km2，在闪电频次较少的2014年，密度大值区位于扎赉特旗东部，密度中心值为0.74次/km2。2016年之后闪电密度中心值均超过1次/km2，闪电活动的空间差异更为显著，且不难发现，近5 a科右中旗西北部与突泉县西北部一带闪电活动均较其他区域频繁。

图3 2014-2020年平均地闪密度

3.2 闪电雷电流强度特征

对不同雷电流强度区间闪电频率进行统计分析，闪电雷电流强度集中在10～60 kA，该区间内闪电频数占总闪的77.8%，其中30～40 kA频率最高，达22.9%，雷电流强度在100 kA以上的仅占6.9%，说明很少发生。正闪雷电流强度集中在20～80 kA，该区间正闪频数占正闪总数的78.9%，其中40～50 kA频率最高，达17.9%，100 kA以上频率为14.4%。负闪雷电流强度集中在10～50 kA，该区间负闪频数占负闪总数的79.0%，其中20～30 kA频率最高，达27.5%，100 kA以上频率为4.2%。上述结果显示，无论是空间分布还是区间分布，负闪雷电流强度分布相对更为集中。

4 结束语

ADTD闪电定位系统能够实现对云地闪的快速定位，探测效率高，能有效弥补雷达探测受限的缺点，有利于对闪电特征开展更为全面的探究和分析。文章利用2014-2020年云地闪数据，统计分析了兴安盟闪电活动规律和特征，后续将针对典型强对流天气过程，将闪电资料与多普勒雷达资料相结合，充分发挥二者的互补性，细致分析不同类型强对流风暴的闪电和雷达回波特征，为提高雷暴等灾害性天气的预报和预警水平提供理论支撑。