崔雪東 王康挺

(浙江省氣象安全技術(shù)中心，浙江 杭州 310008)

0 引 言

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和電子信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，雷電對(duì)各行各業(yè)造成的危害和影響越來(lái)越大，雷電災(zāi)害越來(lái)越受到人們和社會(huì)的關(guān)注[1-3]。同時(shí)，隨著雷電物理機(jī)制研究的不斷深入和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)取得顯著提升[4-5]。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)氣象、電力、民航等部門(mén)開(kāi)始建設(shè)時(shí)差測(cè)向原理的閃電定位系統(tǒng)，隨后我國(guó)氣象部門(mén)在各省、市建設(shè)ADTD(Advanced TOA and Direction system)型閃電定位系統(tǒng)，目前已全部建成并穩(wěn)定運(yùn)行10a左右。基于監(jiān)測(cè)的多要素閃電數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)閃電分布特征、雷電機(jī)理和雷電活動(dòng)規(guī)律等作了大量的研究[6-10]，并在災(zāi)害調(diào)查、閃電監(jiān)測(cè)預(yù)警和防護(hù)中取得了較成功的應(yīng)用。另外，不同類(lèi)型的閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，也為評(píng)估閃電資料本身的質(zhì)量提供了基礎(chǔ)并得出一些評(píng)估結(jié)論[11-13]，為進(jìn)一步提高探測(cè)效率提供參考。但相比于利用閃電資料對(duì)雷電活動(dòng)的研究，對(duì)閃電定位資料本身的研究偏少，資料的質(zhì)量卻能夠直接影響研究結(jié)論的科學(xué)性。

目前浙江省運(yùn)行的ADTD閃電定位系統(tǒng)工作在VLF/LF頻段，采用多站測(cè)向時(shí)差聯(lián)合定位技術(shù)，每條定位信息包括雷電回?fù)舭l(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度、電流強(qiáng)度、陡度以及定位方式等，其中定位方式主要有2站混合、2站振幅、3站混合、4站算法。2站定位主要是以磁定向法(MDF)，所以2站定位與多站定位相比在定位精度上存在較大的劣勢(shì)[9]。本文利用浙江省地閃定位資料分析不同定位方式的地閃時(shí)空分布特征、強(qiáng)度特征等，并研究其探測(cè)效率。

1 資料及方法

浙江省ADTD閃電定位系統(tǒng)由11個(gè)觀測(cè)站組成，分別位于省內(nèi)11個(gè)地市。自2007年并入全國(guó)監(jiān)測(cè)網(wǎng)投入使用已運(yùn)行超過(guò)11a。2015年可能由于通道傳輸?shù)膯?wèn)題，3站混合的數(shù)據(jù)缺測(cè)，故本文采用除此年之外2007—2017年間發(fā)生在浙江省境內(nèi)的10a地閃資料。

地閃密度為監(jiān)測(cè)的閃電次數(shù)除以統(tǒng)計(jì)面積，表征閃擊放電頻繁程度。文中采用網(wǎng)格法計(jì)算地閃密度，網(wǎng)格大小取1km×1km。通過(guò)與地閃數(shù)據(jù)的位置關(guān)系統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格的地閃頻次。

2 各定位方式監(jiān)測(cè)的地閃活動(dòng)特征對(duì)比分析

2.1 地閃頻次概況及時(shí)間分布特征

表1為浙江省逐年總地閃及各定位方式監(jiān)測(cè)的地閃統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出地閃頻次存在明顯的年際變化現(xiàn)象，2010年最高，達(dá)到54萬(wàn)多次，2008年最低，僅為28萬(wàn)多次，最高值與最低值相差近一倍。從各定位方式監(jiān)測(cè)到的地閃頻次占比來(lái)看，2站定位的地閃頻次占總地閃的1/3～2/5左右；4站定位的地閃頻次占比比2站定位的占比略高(只有2010年2站定位的占比略高)，占總地閃頻次的一半左右；3站定位的地閃頻次占總地閃的占比最小，最高在20%左右。從10 a平均的結(jié)果來(lái)看，2站定位占37.94%，3站定位占16.40%，4站定位占45.66%。

表1 浙江省逐年總地閃數(shù)，各站定位方式監(jiān)測(cè)到的地閃數(shù)及其占總地閃數(shù)的百分比

浙江地區(qū)地閃存在明顯的日變化，主要呈現(xiàn)單峰分布特征，地閃多發(fā)生在午后到傍晚這段時(shí)間[14]。因此，研究逐日各定位方式地閃頻次的特征可了解系統(tǒng)對(duì)不同強(qiáng)弱地閃活動(dòng)的探測(cè)效率。10 a間共計(jì)2294天有地閃發(fā)生，其中日地閃數(shù)小于5次的天數(shù)約占總天數(shù)的2/3；日地閃數(shù)越多，對(duì)應(yīng)的發(fā)生天數(shù)越少(圖略)。圖1表示當(dāng)日地閃數(shù)低于某一值時(shí)，各定位方式監(jiān)測(cè)到的地閃頻次總和占總地閃比重?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)日地閃數(shù)較少時(shí)，主要以2站定位為主，日地閃數(shù)小于500次，2站定位相比于多站定位地閃數(shù)據(jù)的占比之間的差距都比較明顯。隨著日地閃數(shù)的增多，2站定位占比越來(lái)越低，多站定位的占比相應(yīng)提高。值得注意的是，當(dāng)日地閃數(shù)不足九次，2站定位的占比占80%以上，3站定位的占比不足4%。從圖1中各定位方式監(jiān)測(cè)到的地閃頻次占比的曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，各定位方式地閃頻次占比呈近似指數(shù)分布特征。

圖1 日地閃數(shù)與各定位方式監(jiān)測(cè)到的地閃頻次占總地閃頻次百分比的關(guān)系

2.2 地閃空間分布特征

圖2為各定位方式及總的10 a平均地閃密度分布圖。浙江省地閃密度存在明顯的地域性差異，全省地閃活動(dòng)不均勻。地閃高密度區(qū)表現(xiàn)為片狀分布，主要分布在寧波、臺(tái)州東部、金華南部、杭紹交界地區(qū)以及金衢交界地區(qū)等(圖2a)?？傮w而言，東部地閃密度大于西部，浙中地區(qū)大于浙北浙南地區(qū)。從浙江省地形特征來(lái)看(圖3)，高密度區(qū)大部分處于沿海丘陵地帶以及紹興和金華等地山體過(guò)渡帶上。

從各定位方式監(jiān)測(cè)的地閃密度來(lái)看，2站定位的地閃密度大值區(qū)主要集中在探測(cè)站點(diǎn)周邊，并且密度高值區(qū)以各站點(diǎn)的連線呈放射狀分布(圖2b)。3站定位的地閃密度相比于2站和4站定位較低，密度圖上可以直觀看出分布較為稀疏(圖2c)，寧波，臺(tái)州南部、溫州北部以及金衢交界處為高密度區(qū)。4站定位監(jiān)測(cè)的地閃主要分布在寧波、臺(tái)州東部、金華南部以及杭紹交界地區(qū)(圖2d)，高值區(qū)呈現(xiàn)為幾大片狀分布，總體上呈現(xiàn)了總的地閃密度分布特征，沒(méi)有與2站定位類(lèi)似沿各站點(diǎn)的連線呈放射狀的分布特征，說(shuō)明監(jiān)測(cè)結(jié)果受測(cè)站位置影響不大。地閃的空間分布特征與地形和氣候特征等要素之間存在密切關(guān)聯(lián)，但2站定位中的地閃分布主要受測(cè)站位置的影響。從定位的原理可知，兩站交匯誤差比多站交匯誤差大。

圖2 各定位方式監(jiān)測(cè)的地閃密度以及總的地閃密度空間分布(a：各定位方式的總和，b：2站定位，c：3站定位，d：4站定位)

從省內(nèi)11個(gè)地市各定位方式監(jiān)測(cè)的10 a地閃頻次占比來(lái)看(圖4)，衢州地區(qū)2站定位監(jiān)測(cè)的地閃占比最高，溫州和湖州地區(qū)2站定位監(jiān)測(cè)到的地閃與4站定位相當(dāng)，其余地區(qū)地閃則主要以4站定位為主，3站定位最少。另外，紹興、金華和麗水4站定位監(jiān)測(cè)的地閃占比比2站定位高約15%，這可能是因?yàn)榻B興、金華以及麗水大部分區(qū)域地處浙江腹地，周邊站點(diǎn)較多且站點(diǎn)的幾何分布更為合理。探究其根本原因還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)分析。

圖3 浙江省地形圖

圖4 浙江省各地市各定位方式監(jiān)測(cè)的地閃占總地閃的百分比

2.3 地閃強(qiáng)度特征

正地閃的峰值電流和所中和的電荷量比一般的負(fù)地閃大得多[15]，在雷電防護(hù)中對(duì)正地閃的防范意義重大。從逐年各定位方式監(jiān)測(cè)到的正地閃占總地閃的百分比可以看出(圖5)，除了2016年正地閃占總地閃的比例相比其他年份明顯偏高，各定位方式監(jiān)測(cè)的正地閃占比基本在5%以下。其中2站定位監(jiān)測(cè)到的正地閃相比于多站定位略高，3站和4站定位的正地閃占比相差無(wú)幾，同樣在2016年各定位方式差異較為明顯。

圖6給出了各定位方式監(jiān)測(cè)的正、負(fù)地閃年平均強(qiáng)度分布，由圖可知，正負(fù)地閃年平均強(qiáng)度存在著波動(dòng)，這種波動(dòng)對(duì)各定位方式表現(xiàn)出一致性，但總體而言這種波動(dòng)幅度不大。正地閃強(qiáng)度明顯高于負(fù)地閃，4站定位的正負(fù)地閃強(qiáng)度的差異更大。從10a平均地閃強(qiáng)度來(lái)看，2站定位正地閃強(qiáng)度為28.98 kA，負(fù)地閃為22.26 kA；3站定位正地閃強(qiáng)度為35.70 kA，負(fù)地閃為26.44 kA；4站定位正地閃強(qiáng)度為67.59 kA，負(fù)地閃為42.67 kA。4站定位的正負(fù)地閃強(qiáng)度遠(yuǎn)大于2站和3站定位地閃強(qiáng)度，相差一倍左右；3站定位地閃強(qiáng)度略大于2站定位。

圖5 逐年各定位方式監(jiān)測(cè)的正地閃占總地閃的百分比

圖6 各定位方式監(jiān)測(cè)的正、負(fù)地閃年平均雷電流強(qiáng)度

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)浙江省ADTD閃電定位資料，分析了不同定位方式監(jiān)測(cè)的地閃活動(dòng)特征，主要結(jié)果與結(jié)論如下：

1)地閃存在明顯的年際變化現(xiàn)象，年度總地閃最高和最低頻次相差近一倍。從各定位方式監(jiān)測(cè)的地閃頻次占比來(lái)看，2站定位占總地閃的1/3左右，4站定位占總地閃的一半左右，3站定位占比最少。

2)各定位方式監(jiān)測(cè)到的地閃頻次占比與日地閃數(shù)的關(guān)系呈近似指數(shù)分布特征。當(dāng)日地閃數(shù)較少時(shí)，主要以2站定位為主，隨著日地閃數(shù)增加，2站定位占比減少，多站定位占比增多。

3)全省地閃密集區(qū)主要呈現(xiàn)為片狀分布，主要分布在沿海地區(qū)、麗水南部、杭紹和金衢交界地區(qū)。2站定位監(jiān)測(cè)的地閃集中在每個(gè)站點(diǎn)周邊，且以各站點(diǎn)的連線呈放射狀分布特征，而多站定位的地閃空間分布未發(fā)現(xiàn)其受站點(diǎn)位置的影響，說(shuō)明2站定位監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)空間分布不合理。另外紹興、金華和麗水等地4站定位監(jiān)測(cè)到的地閃數(shù)據(jù)比例更高。

4)各定位方式監(jiān)測(cè)的正地閃占總地閃基本在5%以下，其中2站定位占比相比于多站定位略高。從強(qiáng)度上來(lái)看，4站定位的正、負(fù)地閃雷電流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于2站和3站定位地閃強(qiáng)度，相差近一倍；3站定位的地閃強(qiáng)度略大于2站定位。

5)多站定位數(shù)據(jù)的占比和其特征一定程度上可用來(lái)說(shuō)明閃電定位系統(tǒng)的質(zhì)量及其探測(cè)效率，在地閃數(shù)據(jù)使用過(guò)程中對(duì)地閃位置精度有要求的應(yīng)剔除2站定位的地閃數(shù)據(jù)。本文為合理使用ADTD型地閃數(shù)據(jù)提供了參考依據(jù)。