闪电是指积雨云中不同符号荷电中心之间的放电过程,或云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程,或云中荷电中心与云外大气不同符号大气体荷电中心之间的放电过程,根据闪电部位分为云闪和地闪两大类。其中地闪对人类造成的危害最为直接,其特征分析一直是气象学者研究的重点。通过闪电定位资料开展地闪密度、强度等特征分析及雷电易发区划的研究较多(薛根元等,2004;冯民学等,2008;柴东红等,2011)。学者们在研究地闪电活动规律时,大多是探讨雷暴的气候特征(黄涛等,2012;许迎杰等,2008),分析地闪在强对流天气系统中的发展过程(Ezcurra et al.,2002;Katsanos et al.,2007)、时空分布特征(刘彬贤等,2015;韩芙蓉等,2017;刘平英等,2018;苗春生等,2018),针对云闪的研究较少,对比分析闪电监测资料与人工观测雷暴日的研究也不多。在雷暴过程中,云闪往往比地闪早10～15 min发生,对云闪的探测研究也十分重要(张敏锋等,1998)。特别是在雷电活动频繁发生的区域研究云闪分布特征和活动规律,可对地闪的预警预报提供参考依据。从人工观测资料来看,西双版纳是全国雷暴日数最多的地区之一,是公认的“雷都”。但根据近十年的闪电定位监测资料统计结果,西双版纳并不是云南省雷电密度和最高区域。本文采用最新的三维闪电监测资料,分析西双版纳闪电活动的时空分布特征,同时将三维闪电监测资料运用网格法转化为雷电活动日资料,与人工观测雷暴日作对比分析,探究“雷都”并不是全省雷电活动最密集区域的原因,为雷电监测预警和雷电灾害风险管控提供更为科学准确的参考依据。

1 资料与方法

云南省2016年建成24套VLF/LF三维闪电定位监测系统,选取该系统2017—2018年闪电监测资料,结合1987—2006年西双版纳国家站人工雷暴日观测数据,采用数理统计方法,分析西双版纳地区闪电活动的时空分布特征。

为了将闪电监测数据与人工雷暴日观测数据进行定量对比分析,用网格法将三维闪电资料转化为雷电活动日资料。网格法的原理是将三维闪电数据按时间、经纬度、雷电流幅值、极性、闪电性质存入数据库,将西双版纳行政区域数字地图进行等面积网格划分,设定每个网格为一个统计单元,将闪电资料数据库按经纬度与数字地图网格进行匹配,规定某个网格如在一天出现一次闪电记为一个网格雷电活动日。其实质就是将闪电监测区域划分成一个个均匀连续分布的观测站,关键在于选取合适的网格尺寸。分别将云闪、地闪、总闪数据按5 km×5 km、10 km×10 km、30 km×30 km、50 km×50 km、100 km×100 km网格精度进行网格雷电活动日统计,并与人工观测年均雷暴日数据进行对比分析,发现30 km×30 km网格统计值与人工观测雷暴日分布最为接近,因此选定30 km×30 km网格作为网格雷电活动日的网格划分参数。

2 闪电活动总体特征

2017年1月—2018年12月VLF/LF三维闪电定位监测系统共记录了西双版纳地区155472次闪电活动,其中云闪36087次,地闪119385次。一般而言,云闪应多于地闪,云闪与地闪的比率Z值应该大于1,不同地区的Z值在15～55之间变化(马明等,2004),但西双版纳地区Z值为03,云闪明显少于地闪。

全国范围来看,负地闪占地闪总数的94％以上,正地闪仅占5％左右(王娟和谌芸,2015;杨敏和杨晓亮,2016)。如表1所示,西双版纳地区负闪频次均高于正闪,但正地闪比例高达191％,明显高于全国平均值。正云闪占云闪总闪的3724％,云闪平均强度为3142 kA。地闪平均强度为2254 kA,其中,正地闪强度2027 kA,较负地闪强度2481 kA。一般来说,正地闪常伴随较强的放电过程,负地闪强度仅为正地闪的500％左右(孙京等,2017),西双版纳地区的正地闪频次虽然较多,但平均强度低于全国平均值。

3 闪电时间分布特征

3.1 闪电月分布特征

如图1所示,西双版纳地区云闪、地闪、总闪月变化趋势相同。闪电高发期为3—10月,占全年总闪次数的98％;闪电峰值出现在7—8月,占全年总闪次数的40％;7月总闪次数最多,为15835次;总闪频次较高的3—10月,地闪多于云闪;而总闪频次较低的11月—次年2月,地闪少于云闪。地闪较多月,正闪所占比例较低,地闪较少月,正闪所占比例可达50％以上

   图12017-2018年西双版纳地区闪电频次的逐月变化

如图2所示,西双版纳地区闪电强度月平均值在20～35 KA之间,云闪强度明显高于地闪强度。闪电频次最高的7月闪电强度较低,仅为23 kA;9月起闪电频次逐渐降低,雷电流强度却逐渐增加,11月达到最大值334 kA。这是由于春冬两季,西双版纳地区闪电多为正闪,而正闪强度明显高于负闪。

3.2 闪电日分布特征

如图3所示,西双版纳地区云闪、地闪、总闪日变化趋势相同且特征明显,呈单峰单谷型。08—12时(北京时,下同)闪电频次较少,为全天闪电频次低谷区。13时之后,闪电频次明显增加,15—18时闪电频次最为频繁,为全天闪电频次峰值区。18时以后,闪电频次逐渐减少。这是由于午后开始受强烈的太阳辐射,下垫面温度升高,容易形成热力对流和抬升动力条件导致闪电发生,而夜间大气辐射冷却,热力条件减弱,导致闪电活动减弱。在闪电频次峰值区,正闪比例最低,只占10％～15％。而闪电频次低谷区,正闪比例最高,达到40％左右。

如图4—5所示,闪电强度日分布相对平均,波动幅度较小。云闪强度明显大于地闪,强度约为地闪的13倍。各时次平均云闪强度在28～34 kA、地闪强度在20～29 kA范围内波动。08—23时,负云闪强度大于正云闪强度,其他时段正云闪强度大于负云闪强度;12—22时,负地闪强度大于正地闪强度,其他时段正地闪强度略大于负地闪强度。正地闪强度波动幅度相对较大。地闪频次峰值区,正地闪强度也较小,地闪频次谷值区,正地闪强度较大。

4 闪电空间分布特征

4.1 闪电密度特征

如图6所示,西双版纳地区2017—2018年平均闪电密度115次/(km2·a),地闪和云闪密度的空间分布情况与总闪基本一致。闪电密度空间分布总体呈中部、北部高,南部、东部低的趋势。密度大值区主要为大渡岗、普文、勐旺和景讷等地区,平均闪电密度大于16次/(km2·a)。勐腊中部和南部地区的年平均闪电密度相对较小。云闪密度大值区分布相对集中,仅在大渡岗、普文小部分区域。

4.2 闪电强度特征

如图7所示,西双版纳地区第闪和云闪强度的空间分布与总闪基本一致。闪电强度呈北部弱,南部和东西部地区强。闪电密度分布与闪电强度分布呈反相关关系,闪电高密度区对应闪电低强度区,闪电高强度区对应高闪低密度区。南部地区闪电强度最大,也是传统人工观测雷暴日数最多区域,人工观测雷暴日与闪电密度空间分布有差异,与闪电强度相关性大。

5 网格雷电活动日数对比分析

5.1 人工观测雷暴日数与网络雷电活动日数月分布

网格法统计西双版纳地区云闪、地闪、总闪年平均网格雷电活动日数分别为173、1705、209 d。统计1987—2006年西双版纳国家站人工雷暴日观测数据,西双版纳地区人工观测年平均雷暴日14505 d。网络雷电活动日数明显多于人工观测雷电日数,这是由于仪器监测更为精准。地闪网格雷电活动日数与人工观测雷暴日数最为接近,这是由于人工观测手段为肉眼识别,不能观测到离地较远的云闪。由图8可见,西双版纳地区人工观测雷暴日月分布与网格雷电活动日月分布变化趋势是一致的,4—10月雷暴日数较多,11月—次年3月雷暴日数较少。

5.2 网格雷电日数与地闪密度对比分析

如图9所示,在全省范围内,西双版纳并不是地闪密度最高区域。这与西双版纳是公认的“雷都”的结论似乎不符。但将闪电探测数据用网格法转化为网格雷电活动日数据后,西双版纳确实是全省雷电活动日最高区域,这表明西双版纳区域全年经常有雷电活动发生,但每次雷电活动过程的闪击次数并不高,所以其单位面积发生的地闪次数在全省范围不是最高的。这也表明人工观测数据与闪电定位探测数据并不冲突。闪电定位探测数据在空间维度上更精细。

6 结论与讨论

1)西双版纳地区云闪、地闪时间变化特征基本一致,干湿季节特征明显,高发期为3—10月,峰值出现在7—8月;日变化呈单峰单谷型,15—18时闪电频繁,16—17时达到峰值,07—12时闪电频次较少,10—11时为闪电活动谷值。负闪频次高于正闪,雨季闪电集中地闪多于云闪,干季闪电较少云闪多于地闪。闪电频次与强度在时空分布上呈反相关,闪电频次最高的7月强度反而较弱,地闪强度峰值出现在雷电活动较少的11月。

2)与全国大部地区不同,西双版纳地区地闪活动频次总体高于云闪。地闪活动中正地闪占191％,正地闪比例明显高于全国其他地区,但其强度低于全国正闪强度平均值。当电荷分布高度较低时,更容易产生地闪,西双版纳地区常年湿度较大,湿空气导电性好,容易建立地闪通道,地处热带,局地强对流天气多,抬升凝结高度较低,雷暴云底及电荷分布高度也较低,因此有利于形成地闪,这可能是西双版纳地区地闪比云闪多的原因。

3)西双版纳地区云闪、地闪密度的空间分布基本一致,均为北部地区多,南部和东西部少。闪电强度北部高、南部和东西部低。闪电密度与强度呈相反分布,闪电密度低值区对应闪电强度高值区。云闪主要发生在8 km以下,平均高度仅为4914 km,云闪高度相对较低低、电荷分布集中,这可能是云闪强度略高于地闪的原因之一。

4)人工观测雷暴日与网格雷电活动日的月变化具有较好的一致性。西双版纳地区人工观测年平均雷暴日145 d,2017—2018年云闪、地闪、总闪网格雷电活动日分别为173、1705、209 d,是名副其实“雷都”。人工观测年平均雷暴日数与地闪网格雷电活动日数最为接近。

5)西双版纳并不是地闪密度最高区域,却是全省雷电活动日最高区域,这表明西双版纳区域全年经常有雷电活动发生,但每次雷电活动过程的闪击次数并不高,所以其单位面积发生的地闪次数在全省范围不是最高的。

参考文献