崔雪東 張衛(wèi)斌* 顧媛 田德寶

(1 浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008； 2 浙江省嘉興市氣象局，嘉興 314050)

引言

雷電是伴有閃電和雷鳴的自然現(xiàn)象，發(fā)生時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁脈沖，通常伴隨強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣活動[1]，是最嚴(yán)重的十大自然災(zāi)害之一[2]。雷電定位系統(tǒng)是當(dāng)前獲取閃電信息的有效途徑，通過對地閃回?fù)舢a(chǎn)生的電磁場實(shí)現(xiàn)定位，是氣象、電力、航空等部門進(jìn)行雷電監(jiān)測、雷電活動特征分析的重要依據(jù)，對雷電防護(hù)和預(yù)警具有指導(dǎo)意義[3-5]?；?fù)糇鳛槔纂姺烹娺^程中最為強(qiáng)烈的子過程，具有強(qiáng)大的物理破壞性，同時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖可以對電子設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞，一直是雷電研究的重要對象。

一次閃電放電可能有多次回?fù)暨^程，國內(nèi)外研究者采用不同的探測手段針對不同地區(qū)的多回?fù)舻亻W的參數(shù)特征進(jìn)行分析。Saba等[6-7]借助高速攝像機(jī)對巴西某地正、負(fù)地閃的回?fù)籼卣鬟M(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)地閃的多回?fù)粽急冗h(yuǎn)大于正地閃，其中平均回?fù)舸螖?shù)為3.8次，另外正地閃的回?fù)糸g隔平均值為負(fù)地閃的2倍。Thomson等[8]在Florida觀測到每次地閃的平均回?fù)魯?shù)約為4.0次。郄秀書等[9]對蘭州地閃特征分析發(fā)現(xiàn)，繼后回?fù)襞c首次回?fù)魪?qiáng)度比約為0.7，且20%負(fù)地閃的繼后回?fù)魪?qiáng)度大于其對應(yīng)的首次回?fù)?。Zhu等[10]發(fā)現(xiàn)安徽地區(qū)多回?fù)舻亻W占70%，回?fù)舸螖?shù)為3.3次，且回?fù)糸g隔呈近似對數(shù)正態(tài)分布，有近40%的負(fù)地閃繼后回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)簟Ａ硗庖恍W(xué)者[11-14]針對不同的定位網(wǎng)探測數(shù)據(jù)，對多回?fù)舻亻W的參數(shù)特征做了相應(yīng)的分析，無論是地閃中首次回?fù)舻谋壤?，還是繼后回?fù)襞c首次回?fù)魪?qiáng)度之間的關(guān)系等，既有結(jié)果相近之處，也存在研究結(jié)論相差較大之處。

浙江省是我國雷電災(zāi)害的主要發(fā)生地之一，研究人員利用ADTD (Advanced TOA and Direction system)閃電定位系統(tǒng)資料對浙江省及部分地市的雷電特征作了較為詳細(xì)的分析[15-17]。但這些分析并沒有考慮定位資料以放電輻射源的形式給出，只籠統(tǒng)統(tǒng)計(jì)所有回?fù)粜畔?，尤其在考慮地閃頻次、密度及強(qiáng)度特征分析中，需要將多次回?fù)艟垲悶橐淮伍W電并考慮多次回?fù)舻睦纂妳?shù)特征。

本文將利用浙江省二維閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃數(shù)據(jù)，按照一定的聚類標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)分探測地閃的首次回?fù)艉屠^后回?fù)?，并對多回?fù)糸W電進(jìn)行歸閃，進(jìn)而分析浙江地區(qū)多回?fù)舻亻W的參數(shù)特征,為更高質(zhì)量地使用ADTD地閃資料提供技術(shù)支撐，同時(shí)對不同定位系統(tǒng)的對比分析及算法研究提供有意義的參考價(jià)值。

1 資料及方法

本文資料來源于浙江省ADTD二維閃電定位系統(tǒng)所探測的2007—2018年的地閃數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)于2006年底建成，由分別位于浙江省內(nèi)11個(gè)地市的觀測站組成,采用時(shí)差法和定向時(shí)差聯(lián)合法進(jìn)行定位，探測效率為80%～90%，平均探測范圍為300 km，定位誤差為0.5°。系統(tǒng)探測的每次回?fù)舭ㄒ韵乱兀夯負(fù)魰r(shí)間、位置、強(qiáng)度、陡度、定位方式等。由于二站定位監(jiān)測的地閃集中在各站點(diǎn)周邊，且以各站點(diǎn)為中心呈放射狀分布，定位精度誤差較大[18-19]，故文中所分析的數(shù)據(jù)均已剔除定位方式為二站混合和二站振幅的地閃。

目前對于多回?fù)舻亻W的歸閃沒有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，參照已有的研究，通常將發(fā)生在1 s或0.5 s之內(nèi)的兩次回?fù)羟叶ㄎ痪嚯x小于5 km或10 km定義為一次閃電。本文采取GB/T37047—2018[20]的地閃歸集方法進(jìn)行歸閃。具體方法是首先確定首次回?fù)簦衾^后回?fù)襞c首次回?fù)舻臅r(shí)間間隔小于或等于1 s、距離小于或等于10 km且相鄰回?fù)糁g的時(shí)間間隔小于或等于500 ms則歸并為一條閃電，其中首次回?fù)舻奈恢脼樵摯蔚亻W的雷擊點(diǎn)；當(dāng)不存在滿足條件的繼后回?fù)?，則認(rèn)定此回?fù)魹閱未位負(fù)舻亻W。本文將依據(jù)以上方法對2007—2018年間浙江區(qū)域內(nèi)發(fā)生的所有回?fù)暨M(jìn)行歸并處理。

2 特征分析結(jié)果

2.1 回?fù)舸螖?shù)

根據(jù)對2007—2018年ADTD系統(tǒng)探測回?fù)魯?shù)及歸并地閃的統(tǒng)計(jì)，12年間全省共探測回?fù)?696951次，其中正回?fù)?9188次，占總回?fù)魯?shù)的3.31%。共發(fā)生地閃1930076次，其中單回?fù)舻亻W1414055次，多回?fù)舻亻W516021次，多回?fù)舻亻W占總地閃的26.74%。從單回?fù)舻亻W來看，正單回?fù)舻亻W為86173次，負(fù)單回?fù)舻亻W為1327882次，正單回?fù)舻亻W占總單回?fù)舻亻W的6.09%；而多回?fù)舻亻W中，正多回?fù)舻亻W共1475次，負(fù)多回?fù)舻亻W共516021次，正多回?fù)舻亻W占多回?fù)舻亻W的0.29%。正多回?fù)舻亻W的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正單回?fù)舻亻W的比值，這表明正地閃主要為單次回?fù)?，而?fù)地閃相對于正地閃，更容易產(chǎn)生多回?fù)舻倪^程。

圖1給出正、負(fù)地閃的回?fù)魯?shù)頻次分布。從圖中可以看出，多回?fù)舻亻W的頻次分布具有準(zhǔn)正態(tài)分布特征，地閃頻次比例隨回?fù)魯?shù)的增加急劇減小，負(fù)地閃集中在5次回?fù)粢詢?nèi)，占總負(fù)地閃數(shù)的99%，地閃頻次都超過1萬次；正地閃集中在2次回?fù)粢詢?nèi)。單回?fù)舻亻W所占比例最大，其正地閃高于負(fù)地閃；對于多次回?fù)舻亻W頻次比例，負(fù)地閃比值明顯大于正地閃。本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與部分觀測結(jié)果具有一致性[11-13]。

圖1 正負(fù)地閃回?fù)魯?shù)的頻次分布

通過對地閃回?fù)暨^程中回?fù)魯?shù)統(tǒng)計(jì)，得出負(fù)多回?fù)舻亻W平均繼后回?fù)魯?shù)為1.65次，一次過程最大回?fù)魯?shù)達(dá)21次；而正地閃平均繼后回?fù)魯?shù)為1.04次，一次過程回?fù)魯?shù)最大為5次。可見負(fù)地閃的回?fù)魯?shù)遠(yuǎn)大于正地閃，這可能是因?yàn)檎娏魇状畏烹娽尫诺碾姾闪枯^大，導(dǎo)致其繼后回?fù)舸螖?shù)偏少。

表1列舉了國內(nèi)外學(xué)者依據(jù)不同觀測手段針對不同地區(qū)正、負(fù)多回?fù)舸螖?shù)及單回?fù)舻亻W比例?？梢钥闯?，本文中正、負(fù)地閃平均回?fù)舸螖?shù)和單回?fù)舻亻W比例與曾金全等[12]、李京校等[13]和Qie等[21]觀測結(jié)果基本一致，這些文獻(xiàn)的結(jié)論都基于對閃電定位系統(tǒng)探測地閃的分析所得。另外文中正地閃平均回?fù)舸螖?shù)與單回?fù)舻亻W比例與黎勛等[22]的觀測結(jié)果較為一致，雖然負(fù)地閃的結(jié)果具有一定的相似性，但相比正地閃差異較大。

表1 不同地區(qū)正、負(fù)多回?fù)舻亻W的回?fù)籼卣鹘Y(jié)果對比

2.2 回?fù)魯?shù)的時(shí)間變化

以往的研究表明浙江省地閃具有明顯的時(shí)間分布特征[15,23]，從逐年的總回?fù)魯?shù)、多回?fù)舻亻W數(shù)和總地閃數(shù)來看(圖2)，三者都存在明顯的年際變化，且變化趨勢較為一致，多回?fù)舻亻W數(shù)和總地閃數(shù)與總回?fù)魯?shù)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.89和0.95，回?fù)纛l發(fā)的年份單回?fù)舻亻W和多回?fù)舻亻W頻次也較多。但也存在個(gè)別年份雖然回?fù)魯?shù)較高，但多回?fù)舻亻W數(shù)偏少的情況，比如2010年回?fù)魯?shù)是十來年最高的一年，但多回?fù)舻亻W數(shù)略高于多年平均值，而單回?fù)舻亻W明顯高于其他年份，所占的比重較高。

圖2 2007—2018全省總回?fù)魯?shù)和地閃頻數(shù)的年際分布

從正、負(fù)多回?fù)舻亻W頻次時(shí)段變化來看(圖3)，兩者的變化分布趨勢相似，午后和傍晚多回?fù)舻亻W次數(shù)相對其他時(shí)段為高發(fā)時(shí)段，這與我省雷暴日變化特征相一致。正、負(fù)多回?fù)舻亻W頻次峰值稍有差別，負(fù)多回?fù)舻亻W呈明顯的單峰分布，峰值在15:00，后半夜和上午頻次較少。正多回?fù)舻亻W分布相比負(fù)地閃在時(shí)段分布上更為均勻，呈多峰分布，分別在02：00、16：00和19：00存在峰值，從一日之中的各時(shí)段頻次占比來看，夜晚和上午正多回?fù)舻亻W頻次占比明顯大于負(fù)地閃。

圖3 正、負(fù)多回?fù)舻亻W頻次的日變化

2.3 強(qiáng)度變化

地閃回?fù)綦娏鲝?qiáng)度反映雷暴放電的劇烈程度，是雷電防護(hù)中的重要參數(shù)之一。經(jīng)對回?fù)綦娏鲝?qiáng)度的統(tǒng)計(jì)，負(fù)極性總回?fù)羝骄鶑?qiáng)度為-37.74 kA，正極性總回?fù)羝骄鶑?qiáng)度為56.50 kA；負(fù)單回?fù)舻亻W平均強(qiáng)度為-38.60 kA，正單回?fù)舻亻W平均強(qiáng)度為55.96 kA；負(fù)多回?fù)舻亻W平均強(qiáng)度為-36.89 kA，正多回?fù)舻亻W平均強(qiáng)度為72.06 kA；負(fù)多回?fù)舻亻W首次回?fù)舻亻W強(qiáng)度為-41.53 kA，正多回?fù)舻亻W首次回?fù)舻亻W強(qiáng)度為81.83 kA?？梢娬亻W電流強(qiáng)度明顯大于負(fù)地閃，且正、負(fù)多回?fù)舻亻W首次地閃平均強(qiáng)度明顯大于單回?fù)舻亻W，這也說明了當(dāng)電荷量較大時(shí)，放電通道較好，更易發(fā)生多回?fù)暨^程。

一般認(rèn)為地閃的首次回?fù)糨^繼后回?fù)舻碾妶鰪?qiáng)度大，通過對正、負(fù)閃回?fù)羝骄鶑?qiáng)度隨回?fù)粜驍?shù)變化的分析(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)首次回?fù)舻钠骄鶑?qiáng)度明顯大于繼后回?fù)?。正?fù)地閃繼后回?fù)羝骄鶑?qiáng)度隨回?fù)魯?shù)的增加而下降，其中正閃的下降速度快于負(fù)閃。但就一次多回?fù)舻亻W而言，并非所有的首次回?fù)綦娏鲝?qiáng)度最大，正、負(fù)地閃首次回?fù)魹橐淮芜^程回?fù)糇畲笾档陌俜直确謩e為72.69%和55.00%，約2/5的閃電至少有1次繼后回?fù)魪?qiáng)度比首次回?fù)魪?qiáng)。其他學(xué)者通過觀測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果[9,11]，只是在比例上各不相同，在雷電防護(hù)中應(yīng)考慮此現(xiàn)象。

圖4 隨回?fù)粜驍?shù)變化的正負(fù)地閃回?fù)羝骄鶑?qiáng)度分布

圖5通過對不同電流強(qiáng)度區(qū)間首次回?fù)魯?shù)和繼后回?fù)魯?shù)的占比來重點(diǎn)分析多回?fù)舻亻W的強(qiáng)度特征，正、負(fù)首次回?fù)魯?shù)和繼后回?fù)魯?shù)隨強(qiáng)度變化呈明顯的對數(shù)正態(tài)分布，電流強(qiáng)度在15～45 kA的回?fù)舭l(fā)生最多。從首次回?fù)襞c繼后回?fù)舻膹?qiáng)度分布來看，首次回?fù)艉屠^后回?fù)魪?qiáng)度的峰值基本一致，但繼后回?fù)粝啾仁状位負(fù)舻膹?qiáng)度分布更為集中，在15～45 kA之間，正極性首次回?fù)粽?2.07%，正極性繼后回?fù)粽?0.32%，負(fù)極性首次回?fù)粽?5.43%，負(fù)極性繼后回?fù)粽?5.52%，繼后回?fù)粽急容^首次回?fù)舾呤鄠€(gè)百分點(diǎn)。從正、負(fù)回?fù)舻膹?qiáng)度分布來看，負(fù)回?fù)粝啾日負(fù)舻膹?qiáng)度分布更為集中，在15～35 kA強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)，負(fù)回?fù)粽急容^正回?fù)舾呷鄠€(gè)百分點(diǎn)；另外在首次回?fù)艉屠^后回?fù)纛l次峰值的強(qiáng)度區(qū)間分布上，負(fù)閃回?fù)舴逯翟?0～25 kA，而正閃回?fù)舴逯翟?5～30 kA，高于負(fù)閃一個(gè)區(qū)間。

圖5 正(a)、負(fù)(b)首次地閃和繼后地閃的電流強(qiáng)度分布(實(shí)線為50%分位強(qiáng)度值，虛線分別為25%和75%分位強(qiáng)度值)

通過強(qiáng)度的四分位分布可以看出，首次回?fù)舻母鞣治坏膹?qiáng)度值都明顯大于繼后回?fù)舾鞣治坏膹?qiáng)度值；且首次回?fù)舻膹?qiáng)度分布較繼后回?fù)舾鼮殡x散，尤其首次回?fù)?5%分位與中分位之間的強(qiáng)度差值大于其他區(qū)間。從地閃的極性來看，正閃的四分位強(qiáng)度遠(yuǎn)大于負(fù)閃，正閃25%分位與中分位強(qiáng)度是負(fù)閃的1.5倍左右，而75%分位則達(dá)到2倍左右，反映了正閃容易產(chǎn)生較大強(qiáng)度的放電。

2.4 間隔時(shí)間

通過對多回?fù)舻亻W相鄰兩次回?fù)糸g隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總的地閃間隔時(shí)間算術(shù)平均值為138.11 ms，幾何平均值為98.85 ms，其中負(fù)地閃間隔時(shí)間算術(shù)平均值為138.14 ms，幾何平均值為98.95 ms，正地閃間隔時(shí)間算術(shù)平均值為125.47 ms，幾何平均值為56.73 ms。間隔時(shí)間的幾何平均值遠(yuǎn)小于算術(shù)平均值，另外正地閃的間隔時(shí)間小于負(fù)地閃。從各類研究的結(jié)果來看[9,12,22]，相鄰多回?fù)舻亻W之間的間隔時(shí)間相差較大，本文結(jié)果與曾金全[12]研究結(jié)果相近。不同的歸閃方法和不同的樣本量都可能導(dǎo)致平均間隔時(shí)間之間存在較大的差異。以每5 ms為間隔統(tǒng)計(jì)各區(qū)間回?fù)舸螖?shù)占總回?fù)魯?shù)的百分比(圖6)，可以看出，不同回?fù)糸g隔時(shí)間與分布頻次服從對數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻數(shù)最高的間隔時(shí)間約為60 ms，回?fù)糸g隔時(shí)間主要集中在30～130 ms之間，占所有回?fù)魯?shù)的59.15%，當(dāng)間隔時(shí)間大于250 ms，每個(gè)區(qū)間內(nèi)回?fù)纛l次占比均不足1%。

圖6 多地閃回?fù)糸g隔時(shí)間分布次數(shù)及其占總次數(shù)的百分比

回?fù)糸g隔時(shí)間對回?fù)舸螖?shù)有著決定性的作用，首次回?fù)舭l(fā)生之后，雷電放電通道的導(dǎo)電性要好于首次回?fù)糁?，若間隔時(shí)間較短，則可產(chǎn)生更多的繼后回?fù)?。圖7通過不同次數(shù)正負(fù)多回?fù)舻亻W的幾何平均間隔時(shí)間分布來展示兩者之間的關(guān)系?？梢娬⒇?fù)地閃的平均間隔時(shí)間總體上隨回?fù)魯?shù)的增多而減小，負(fù)閃的平均間隔時(shí)間從123.15 ms(回?fù)魯?shù)為2)下降到23.76 ms(回?fù)魯?shù)為14)，正閃的平均間隔時(shí)間從57.31 ms(回?fù)魯?shù)為2)下降到25.01 ms(回?fù)魯?shù)為5)。負(fù)閃回?fù)舸螖?shù)大于8次，平均間隔時(shí)間均不足60 ms。

圖7 不同回?fù)舸螖?shù)正負(fù)多回?fù)舻亻W的平均間隔時(shí)間分布

2.5 雷擊點(diǎn)間隔

對于一次多回?fù)舻亻W過程，每次回?fù)舻睦讚酎c(diǎn)可能不在同一位置，一般使用首次回?fù)舻睦讚酎c(diǎn)作為此次地閃的回?fù)粑恢?。不同回?fù)舻膿舻攸c(diǎn)位置差距可在一定程度上反映探測系統(tǒng)的定位誤差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，所有多回?fù)舻亻W繼后回?fù)襞c首次回?fù)糁g距離算術(shù)平均值為1.68 km，幾何平均值為0.72 km，圖8為其0.1 km間隔的回?fù)纛l數(shù)分布，可見多回?fù)舻亻W的回?fù)纛l次呈準(zhǔn)正態(tài)分布特征，繼后回?fù)襞c首次回?fù)舻幕負(fù)酎c(diǎn)距離越長，回?fù)纛l數(shù)越少。大部分繼后回?fù)襞c首次回?fù)艟嚯x在1 km范圍內(nèi)，占總頻數(shù)的54.63%，尤其集中在0.2 km以內(nèi)，占總回?fù)魯?shù)的23.43%。Srivastava等[24]和Chen等[25]基于不同地區(qū)的閃電定位系統(tǒng)，利用高塔閃電評估表明大范圍的定位網(wǎng)探測的地閃誤差在幾百米到幾公里之間。

圖8 不同繼后回?fù)襞c首次回?fù)舻幕負(fù)酎c(diǎn)距離的頻數(shù)分布

3 結(jié)論與討論

本文通過浙江省ADTD監(jiān)測的2007—2018年的地閃資料統(tǒng)計(jì)分析了多回?fù)舻亻W的分布規(guī)律和相關(guān)參數(shù)特征，得到以下結(jié)論：

(1)浙江省多回?fù)舻亻W占總地閃的26.74%，其中正閃以單回?fù)舻亻W為主；正、負(fù)多回?fù)舻亻W頻次隨回?fù)粜驍?shù)的增加而急劇減少；正、負(fù)多回?fù)舻亻W平均回?fù)魯?shù)分別為1.05次和1.65次?；?fù)魯?shù)和地閃數(shù)具有較好的對應(yīng)關(guān)系，存在明顯的年際變化。在日變化上，正、負(fù)多回?fù)舻亻W分別呈多峰和單峰分布，午后和傍晚為地閃的多發(fā)時(shí)段。

(2)正、負(fù)多回?fù)舻亻W平均電流強(qiáng)度分別為72.06 kA和-36.89 kA，首次回?fù)舻钠骄娏鲝?qiáng)度明顯大于繼后回?fù)?，繼后回?fù)羝骄鶑?qiáng)度隨回?fù)魯?shù)的增加而下降，但就每次放電過程而言，約40%的閃電至少有1次繼后回?fù)魪?qiáng)度比首次回?fù)魪?qiáng)。首次回?fù)魯?shù)和繼后回?fù)魯?shù)隨強(qiáng)度變化呈明顯的對數(shù)正態(tài)分布，集中分布在15～45 kA之間，其中繼后回?fù)艉拓?fù)閃的強(qiáng)度分布相比首次回?fù)艉驼W更為集中。

(3)正、負(fù)地閃回?fù)糸g隔時(shí)間算術(shù)平均值平均分別為125.47 ms和138.14 ms，幾何平均值分別為56.73 ms和98.95 ms；不同回?fù)糸g隔時(shí)間與分布頻次呈對數(shù)正態(tài)分布，集中分布在30～130ms之間；不同回?fù)舸螖?shù)的地閃的平均間隔時(shí)間隨回?fù)魯?shù)的增多而減小。

(4)多回?fù)舻亻W繼后回?fù)襞c首次回?fù)糁g距離算術(shù)平均值為1.68 km，幾何平均值為0.72 km，不同回?fù)糸g隔距離回?fù)魯?shù)呈準(zhǔn)正態(tài)分布，集中在距離為1 km范圍內(nèi)，回?fù)魯?shù)隨回?fù)糸g隔距離呈下降趨勢。

(5)本文對多回?fù)舻亻W相關(guān)參數(shù)特征分析結(jié)論與其他學(xué)者的研究結(jié)果基本規(guī)律大致一致，但具體數(shù)值存在差異，這一方面是因?yàn)樘綔y手段或探測設(shè)備的不同；另一方面雷電本身具有隨機(jī)性且受地域、地形、氣象條件等諸多因素影響。這種差異性值得今后進(jìn)一步研究，并在研究的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制，為雷電防災(zāi)減災(zāi)提供更優(yōu)的數(shù)據(jù)支撐。