崔雪東，顧 媛，徐震宇，王康挺

(浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008)

閃電是自然界中一種常見(jiàn)的放電現(xiàn)象[1]，具有高電壓、大電流、強(qiáng)電磁輻射的特征，常造成嚴(yán)重的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，被列為十大自然災(zāi)害之一[2]。根據(jù)放電的類型分為云地閃和云閃，相比于云閃，地閃直接擊中地面，產(chǎn)生的危害最直接?；?fù)羰情W電最強(qiáng)烈的放電過(guò)程，破壞力強(qiáng)，其特征是雷電防護(hù)研究的重點(diǎn)[3]。

為深入了解并掌握閃電活動(dòng)特征，分析閃電成災(zāi)機(jī)制，中外科學(xué)家采用不同頻段技術(shù)的天線定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)閃電的位置[4-6]，或通過(guò)人工引雷技術(shù)解釋閃電放電的機(jī)理和特征[7-8]。隨著定位技術(shù)的發(fā)展，氣象、電力、民航等部門部署雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地閃信息的實(shí)時(shí)獲取，并對(duì)定位效率的探測(cè)效率及精度進(jìn)行了大量的評(píng)估工作[9]，更高質(zhì)量的地閃數(shù)據(jù)有效應(yīng)用于雷災(zāi)調(diào)查、閃電監(jiān)測(cè)預(yù)警以及防護(hù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[10-11]。目前大量運(yùn)行的二維閃電定位系統(tǒng)受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，只能探測(cè)地閃，且精度和效率較低，而三維定位技術(shù)能以較高的時(shí)間和空間精度描繪閃電的發(fā)生發(fā)展，彌補(bǔ)了二維定位對(duì)云閃探測(cè)的缺陷[12]。近年來(lái)，浙江省氣象局致力于二維閃電定位儀的升級(jí)，并于2018年底完成三維閃電定位儀的組網(wǎng)并正式投入運(yùn)行。

通常情況下無(wú)論是云地閃還是云閃，一次完整的放電過(guò)程可能包括多次回?fù)暨^(guò)程，中外學(xué)者通過(guò)多種探測(cè)手段對(duì)多回?fù)舻姆烹娞卣骷捌浞植甲隽舜罅康姆治?。Tiller等[13]利用電場(chǎng)系統(tǒng)對(duì)佛羅里達(dá)地區(qū)雷暴進(jìn)行了觀測(cè)，對(duì)其地閃首次回?fù)艉屠^后回?fù)暨M(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。Janischewskyj等[14]利用攝像機(jī)記錄的閃電數(shù)據(jù)得出多倫多地區(qū)閃電回?fù)魹?.4次，持續(xù)時(shí)間中值為480 ms，單次回?fù)粽?4.5%。Saba等[15-16]借助高速攝像機(jī)拍攝的光學(xué)資料研究了巴西地區(qū)地閃的回?fù)籼卣?，發(fā)現(xiàn)負(fù)單回?fù)舻亻W占20%，平均回?fù)舸螖?shù)為3.8次，正單回?fù)舻亻W占72%，其中正地閃的間隔時(shí)間是負(fù)地閃的2倍。郄秀書等[4]、黎勛等[3]通過(guò)天線測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)中國(guó)內(nèi)陸高原地區(qū)和北京地區(qū)的回?fù)暨M(jìn)行了分析，重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)了正負(fù)首次回?fù)艉屠^后回?fù)舻膹?qiáng)度特征。另外不少研究通過(guò)閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的地閃資料對(duì)其多回?fù)籼卣髯髁溯^為全面的分析[17-18]。

相比于單回?fù)糸W電，多回?fù)糸W電電荷量較大、作用時(shí)間更長(zhǎng)、破壞性更大，通過(guò)對(duì)回?fù)糸W電的研究有助于深入對(duì)閃電活動(dòng)的了解以及對(duì)雷電防護(hù)的更優(yōu)設(shè)計(jì)。目前的研究主要針對(duì)地閃的多回?fù)籼卣鹘y(tǒng)計(jì)，對(duì)于二維閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)多回?fù)舻亻W也有不少研究，而三維系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的閃電特別是云閃多回?fù)籼卣餮芯枯^少?；谡憬∪S閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2019—2020年的閃電數(shù)據(jù)研究其多回?fù)籼卣骷捌鋾r(shí)空分布，為更優(yōu)使用三維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供參照。

1 資料與方法

浙江省三維閃電定位監(jiān)測(cè)網(wǎng)是在原有的二維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)基礎(chǔ)上升級(jí)改造而成，基于高精度三維時(shí)差定位算法(3D time of arrival，3D-TOA)，實(shí)現(xiàn)閃電VLF/LF(very low frequency/low frequency)脈沖信號(hào)的時(shí)間、極性、強(qiáng)度和三維位置等參數(shù)的定位，大大提高了探測(cè)精度和效率，能夠同時(shí)探測(cè)云閃和云地閃。監(jiān)測(cè)網(wǎng)由16臺(tái)ADTD-2C型三維閃電定位儀、中心站處理端和3D圖形顯示與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)組成。16臺(tái)定位儀合理布置在杭州、平湖、嵊州、長(zhǎng)興、定海、洞頭、島石、汾口、三河、江山、霞關(guān)、龍泉、永康、永嘉、泰順、洪家。

參照已有關(guān)于多回?fù)糸W電的歸閃的研究[17-19]，采用GB/T 37047—2018[20]的地閃歸集方法進(jìn)行聚類。對(duì)于一次閃電的判斷標(biāo)準(zhǔn)是:空間距離在10 km以內(nèi)，時(shí)間差在1 s以內(nèi)且相鄰回?fù)糁g的時(shí)間間隔小于或等于500 ms，電流極性相同的回?fù)魧儆谕淮伍W電，閃電的第一次回?fù)魹槭状位負(fù)?，其他回?fù)魟t為繼后回?fù)?。?dāng)不存在滿足此條件的多次回?fù)簦瑒t認(rèn)定為單次回?fù)糸W電。依據(jù)以上方法對(duì)2019—2020年浙江區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地閃回?fù)艉驮崎W回?fù)暨M(jìn)行歸并處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 回?fù)舸螖?shù)

2019和2020年三維系統(tǒng)分別監(jiān)測(cè)到閃電回?fù)魯?shù)602 594次和768 602次，2020年閃電回?fù)魯?shù)相比2019年高出近30%。兩年內(nèi)共監(jiān)測(cè)到地閃回?fù)魯?shù)986 425次，其中正閃181 453次，負(fù)閃804 972次，云閃回?fù)魯?shù)384 771次，其中負(fù)閃267 406次，正閃117 365次。共發(fā)生地閃621 645次，其中多回?fù)舻亻W174 674次，占總地閃的28.10%，發(fā)生云閃350 981次，其中多回?fù)粼崎W28 120次，占總云閃的8.01%。2019—2020年監(jiān)測(cè)到的地閃回?fù)魯?shù)遠(yuǎn)大于云閃回?fù)魯?shù)，地閃回?fù)魯?shù)為云閃回?fù)魯?shù)的2.56倍。從多回?fù)糸W電占比來(lái)看，多回?fù)舻亻W占比遠(yuǎn)高于多回?fù)粼崎W占比，兩者相差3倍多。

表1為不同回?fù)粜驍?shù)對(duì)應(yīng)的正、負(fù)地閃和云閃次數(shù)及其占總閃次數(shù)百分比分布。從表1中可以看出，單回?fù)魹榈亻W和云閃的主要形式，其中云閃的單回?fù)粽急缺鹊亻W高出近二十個(gè)百分點(diǎn)；另外單回?fù)粽W相比負(fù)閃占比高，都占總閃數(shù)的90%以上。多回?fù)舻亻W和云閃頻次隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈明顯的下降趨勢(shì)，且各回?fù)粜驍?shù)的正閃占比都小于負(fù)閃占比。負(fù)地閃和負(fù)云閃最多一次閃電都達(dá)到14次回?fù)?，而正地閃和正云閃一次閃電的回?fù)魯?shù)最大不超過(guò)10次。

表1 不同回?fù)粜驍?shù)對(duì)應(yīng)的正、負(fù)地閃和云閃次數(shù)和所占百分比分布

地閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.59次，其中正地閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.07次，負(fù)地閃為1.78次。云閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.10次，其中正云閃平均回?fù)舸螖?shù)為1.04次，負(fù)云閃為1.12次。正地閃和正云閃的平均回?fù)舸螖?shù)和最大回?fù)魯?shù)都明顯小于負(fù)閃，可能是因?yàn)檎W電荷量較大，一旦建立起放電通道，每次回?fù)暨^(guò)程泄放的電荷較多，所以在較少的回?fù)暨^(guò)程內(nèi)可完成電荷的釋放。

2.2 時(shí)空分布

研究表明閃電的發(fā)生具有明顯的時(shí)間和空間分布特征。圖1(a)為逐月總地閃和云閃數(shù)以及多回?fù)舻亻W和云閃的占比分布，可以發(fā)現(xiàn)地閃和云閃主要發(fā)生在夏季，其中7月份最多，另外春季冷暖氣流交匯頻繁，閃電也較易發(fā)生，而冬季很少有閃電發(fā)生。從多回?fù)糸W電的占比來(lái)看，多回?fù)糸W電也具有明顯的月際變化，總體上閃電頻數(shù)較高的月份更易發(fā)生多回?fù)糸W電，多回?fù)舻亻W占比遠(yuǎn)高于多回?fù)粼崎W，夏季多回?fù)舻亻W占總地閃數(shù)的1/3左右，而多回?fù)粼崎W占比不足10%。

圖1(b)為閃電頻數(shù)和多回?fù)糸W電占比的地區(qū)分布，可以看出地閃和云閃具有明顯的地域分布，浙南地區(qū)閃電頻數(shù)顯著高于浙北地區(qū)，近一半的閃電集中分布在溫州和麗水地區(qū)。多回?fù)舻亻W和云閃的占比具有同樣的分布特征，浙南地區(qū)相比浙北地區(qū)閃電更易發(fā)生多回?fù)暨^(guò)程，尤其嘉湖平湖地區(qū)，閃電頻數(shù)和多回?fù)糸W電占比遠(yuǎn)低于其他地區(qū)。這可能是因?yàn)檎憬喜康貐^(qū)多丘陵，山坡對(duì)氣流抬升作用有利于雷暴云的垂直發(fā)展。

圖1 地閃和云閃頻數(shù)以及多回?fù)舻亻W和云閃占比分布

2.3 強(qiáng)度變化

閃電電流強(qiáng)度反映了雷暴放電的劇烈程度，是雷電防護(hù)中的重要參數(shù)之一。表2列出了正、負(fù)極性單次回?fù)艉投嗷負(fù)糸W電的首次與繼后回?fù)綦娏鲝?qiáng)度算術(shù)平均和幾何平均統(tǒng)計(jì)值?？梢钥闯?，單次回?fù)舻亻W和云閃的電流強(qiáng)度平均值最大，正、負(fù)單次回?fù)舻亻W電流強(qiáng)度算術(shù)平均值為23.15 kA和-24.31 kA，幾何平均值為15.19 kA和-19.71 kA；正、負(fù)單次回?fù)粼崎W的算術(shù)平均值為17.26 kA和-15.13 kA，幾何平均值為12.26 kA和-12.66 kA。單次回?fù)舻亻W平均強(qiáng)度明顯大于云閃平均強(qiáng)度，正單次回?fù)粽亻W強(qiáng)度算術(shù)平均值大于負(fù)閃，而單次回?fù)粽崎W強(qiáng)度幾何平均值小于負(fù)閃。

村長(zhǎng)說(shuō)，你也太不把村長(zhǎng)當(dāng)干部了，等著。村長(zhǎng)立馬就給肉仔打電話。肉仔現(xiàn)在不賣豬肉，他搞了個(gè)基建隊(duì)，當(dāng)起了包工頭，手頭有點(diǎn)米米。村長(zhǎng)找肉仔借錢，叫他馬上送到茶場(chǎng)來(lái)。肉仔起先以為村長(zhǎng)在賓館打炮，被派出所抓了。后來(lái)聽(tīng)說(shuō)是送錢到茶場(chǎng)，就不明白了，未必一個(gè)成天把拉鏈拉得整整齊齊的人還這么浪漫？！村長(zhǎng)把他一頓罵，方才急急找了一輛蹦蹦車，就是那種三輪摩的，顛顛簸簸趕到茶場(chǎng)，把一包用報(bào)紙包著的鈔票送來(lái)。村長(zhǎng)當(dāng)著大家的面，把報(bào)紙包遞給牛皮糖說(shuō)，點(diǎn)點(diǎn)。

對(duì)于多回?fù)舻亻W而言，首次回?fù)羝骄鶑?qiáng)度大于繼后回?fù)羝骄鶑?qiáng)度，負(fù)地閃平均強(qiáng)度小于正地閃。而多回?fù)粼崎W中，正閃首次回?fù)羝骄鶑?qiáng)度卻小于繼后回?fù)?，?fù)閃首次回?fù)羝骄鶆t大于繼后回?fù)?。這可能與云對(duì)地和云際放電機(jī)理有關(guān)。

從表2中可以看出地閃和云閃的單次回?fù)艉褪状位負(fù)羝骄鶑?qiáng)度總體上大于繼后回?fù)舻钠骄鶑?qiáng)度，一般認(rèn)為每次閃電過(guò)程的首次放電比較強(qiáng)。圖2為正、負(fù)多回?fù)舻亻W和云閃電流強(qiáng)度算術(shù)平均值隨回?fù)粜驍?shù)的分布。地閃和云閃平均強(qiáng)度總體上隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈下降的趨勢(shì)，其中地閃的變化趨勢(shì)相比云閃更為明顯。負(fù)地閃較正地閃的下降趨勢(shì)更為平緩，首次回?fù)羝骄鶑?qiáng)度為-28.49 kA，第14次回?fù)舻钠骄鶑?qiáng)度大概在-17 kA左右；正地閃首次回?fù)羝骄鶑?qiáng)度為20.75 kA，而最弱一次回?fù)舻钠骄鶑?qiáng)度僅為8 kA左右。云閃中正閃平均強(qiáng)度隨回?fù)魯?shù)的下降趨勢(shì)同樣比負(fù)閃更為劇烈，云閃首次回?fù)舻钠骄鶑?qiáng)度不是回?fù)糁凶顝?qiáng)的，其中正云閃首次回?fù)舯鹊诙偷谌位負(fù)舻钠骄鶑?qiáng)度小。負(fù)云閃的平均強(qiáng)度明顯小于正云閃，各回?fù)粜驍?shù)平均強(qiáng)度差異不大。

圖2 隨回?fù)粜驍?shù)的正負(fù)閃回?fù)羝骄鶑?qiáng)度分布

表2 正負(fù)極性回?fù)舻亻W和云閃雷電流強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

之前有研究表明，對(duì)于一次閃電過(guò)程，并非所有的首次回?fù)綦娏鲝?qiáng)度最大，通過(guò)對(duì)每次回?fù)暨^(guò)程電流強(qiáng)度最大的回?fù)魯?shù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，地閃和云閃首次回?fù)綦娏鳛橐淮伍W電過(guò)程最強(qiáng)的百分比分別為45.73%和47.97%，超過(guò)一半的閃電過(guò)程中至少有一次繼后回?fù)綦娏鲝?qiáng)度比首次回?fù)魪?qiáng)，在雷電防護(hù)中應(yīng)充分重視此現(xiàn)象。為了進(jìn)一步了解繼后回?fù)襞c首次回?fù)舻年P(guān)系，避免閃電距離不確定性帶來(lái)的回?fù)魪?qiáng)度之間的不可比性。地閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)魪?qiáng)度比值的算術(shù)平均值和幾何平均值分別為1.11和0.89，云閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)魪?qiáng)度比值的算術(shù)平均值和幾何平均值分別為1.19和0.99。圖3為繼后回?fù)魪?qiáng)度與首次回?fù)魪?qiáng)度比值的頻率統(tǒng)計(jì)圖。云閃和地閃強(qiáng)度比值分布都呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，集中分布在0～2之間，其中云閃相比地閃分布更為集中。地閃最大分布在比值為0.7處，即繼后回?fù)魪?qiáng)度為首次回?fù)魪?qiáng)度的7/10，占總回?fù)魯?shù)的8.54%；云閃最大分布在比值為1處，占總回?fù)魯?shù)的11.54%。在比值0～1之間，地閃占總回?fù)魯?shù)的58.40%，云閃占總回?fù)魯?shù)的52.37%。雖然地閃和云閃所有閃電過(guò)程中有超過(guò)一半的閃電過(guò)程存在一次繼后回?fù)舸笥谑状位負(fù)簦ㄟ^(guò)所有繼后回?fù)襞c其首次回?fù)舻谋戎蛋l(fā)現(xiàn)，地閃大部分首次回?fù)舸笥诶^后回?fù)?，云閃也有超過(guò)一半的首次回?fù)舸笥诶^后回?fù)簟?/p>

圖3 地閃和云閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)綦娏鲝?qiáng)度振幅比頻率分布

2.4 間隔時(shí)間

表3給出了所有多回?fù)舻亻W和云閃過(guò)程中所包含的繼后回?fù)襞c前一次回?fù)糁g的間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)分布，地閃和云閃間隔時(shí)間的算術(shù)平均值分別為118.71 ms和113.54 ms，地閃略大于云閃，而兩者的幾何平均值分別為79.58 ms和54.82 ms，地閃明顯大于云閃。正、負(fù)地閃和云閃的算術(shù)平均值和幾何平均值相差無(wú)幾，除了負(fù)地閃幾何平均值遠(yuǎn)大于正地閃，是正地閃的2.6倍。

表3 地閃和云閃回?fù)糸g隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從地閃和云閃回?fù)裘? ms間隔分布直方圖來(lái)看(圖4)，地閃不同回?fù)糸g隔時(shí)間與分布頻次呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻率最高的間隔時(shí)間約為50 ms，回?fù)糸g隔時(shí)間主要集中在25～105 ms，占所有回?fù)魯?shù)的56.72%，當(dāng)回?fù)糸g隔時(shí)間大于165 ms，每個(gè)間隔區(qū)間內(nèi)回?fù)纛l次占比均不足1%。云閃不同回?fù)糸g隔時(shí)間與分布頻次呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻次最高的間隔時(shí)間約為20 ms，占總回?fù)魯?shù)的6.1%，次高點(diǎn)的間隔時(shí)間約為5 ms，占總回?fù)魯?shù)的5.1%?；?fù)糸g隔時(shí)間主要集中在0～70 ms，占所有回?fù)魯?shù)的54.97%，當(dāng)回?fù)糸g隔時(shí)間大于115 ms，每個(gè)間隔區(qū)間內(nèi)回?fù)纛l次占比均不足1%。綜上，云閃的回?fù)糸g隔時(shí)間分布較地閃更為集中，且集中區(qū)域的回?fù)糸g隔時(shí)間比地閃小。

圖4 閃電回?fù)糸g隔時(shí)間頻次直方圖及頻率分布

回?fù)糸g隔時(shí)間的長(zhǎng)短影響每次閃電過(guò)程的回?fù)魯?shù)量，若放電通道導(dǎo)電性好，則回?fù)糸g隔時(shí)間較短，易發(fā)生更多的回?fù)簟D5為不同回?fù)舸螖?shù)正、負(fù)多回?fù)舻亻W和云閃平均間隔時(shí)間的分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，無(wú)論是地閃還是云閃，正閃還是負(fù)閃，隨著一次閃電過(guò)程回?fù)魯?shù)的增加，平均間隔時(shí)間呈減少的趨勢(shì)，云閃這種減小趨勢(shì)比地閃快，正閃比負(fù)閃快。負(fù)地閃平均間隔時(shí)間從152.14 ms下降到62.11 ms，正地閃平均間隔時(shí)間從130.81 ms快速下降到25.85 ms；負(fù)云閃平均間隔時(shí)間從118.74 ms下降到20.94 ms，正云閃從111.26 ms下降到49.03 ms。

2.5 間隔距離

3 結(jié)論

利用2019—2020年浙江省三維閃電定位系統(tǒng)探測(cè)資料，并對(duì)閃電資料進(jìn)行歸閃，分析了該地區(qū)地閃和云閃的多回?fù)籼卣髦饕玫揭韵陆Y(jié)論。

(1)2019—2020年共監(jiān)測(cè)地閃回?fù)魯?shù)986 425次，云閃回?fù)魯?shù)384 771次，其中多回?fù)舻亻W和云閃分別占28.10%和8.01%。地閃和云閃存在明顯的年變化和地域分布，其中多回?fù)舻亻W和云閃集中分布夏季和浙南地區(qū)。多回?fù)舻亻W和云閃頻次隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈明顯的下降趨勢(shì)，且各回?fù)粜驍?shù)的正閃占比都小于負(fù)閃占比。地閃和云閃平均回?fù)魯?shù)分別為1.59次和1.10次。

(2)單回?fù)艉褪状位負(fù)舻亻W與云閃的平均電流強(qiáng)度總體上大于繼后回?fù)舻钠骄鶑?qiáng)度。地閃和云閃平均強(qiáng)度隨回?fù)粜驍?shù)的增加呈下降的趨勢(shì)，其中地閃的變化趨勢(shì)相比云閃更為明顯。對(duì)地閃和云閃資料的繼后回?fù)艉褪状螐?qiáng)度比值統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其比值成對(duì)數(shù)正態(tài)分布，集中在0～2，云閃分布更為集中，且比值的峰值大于地閃。超過(guò)一半的地閃和云閃過(guò)程存在一次繼后回?fù)魪?qiáng)度大于首次回?fù)簟?/p>

(3)地閃和云閃的回?fù)糸g隔時(shí)間算術(shù)平均值約115 ms，其幾何平均值差異較大。不同回?fù)舸螖?shù)的云閃和地閃平均間隔時(shí)間隨回?fù)魯?shù)增加而減少。地閃和云閃回?fù)糸g隔時(shí)間呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其云閃分布更為集中，且集中區(qū)域的回?fù)糸g隔時(shí)間更小。

(4)多回?fù)舻亻W和云閃繼后回?fù)襞c首次回?fù)衾讚酎c(diǎn)間隔距離算術(shù)平均值分別為1.57 km和2.72 km，幾何平均值分別為0.84 km和1.55 km。兩者都呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其中云閃分布較為分散。