王凱 周麗雅 鞠曉雨 程向陽(yáng)

(1.安徽省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，安徽 合肥 230061； 2. 大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031;3.蚌埠市氣象局，安徽 蚌埠 233000)

引言

隨著閃電定位技術(shù)、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究雷電活動(dòng)和分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其具有一定的地域特征，地閃頻數(shù)、地閃密度和地閃強(qiáng)度等參數(shù)因地理位置、地形地貌不同而差異較大。由于閃電定位系統(tǒng)能夠全天候、長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行，具有對(duì)閃電發(fā)生信息的自動(dòng)采集、分析處理，定位存儲(chǔ)等功能，越來(lái)越多的學(xué)者運(yùn)用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)閃電定位系統(tǒng)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，包括閃電頻數(shù)、閃電密度、雷電流強(qiáng)度、雷電流幅值概率以及雷電流陡度等各方面的分析，以此來(lái)掌握各地雷電時(shí)空分布活動(dòng)規(guī)律。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者分別對(duì)中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域的上海[1-2]、浙江[3-4]、江蘇[5]、安徽[6]雷電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，也有部分學(xué)者利用閃電定位資料對(duì)較大范圍的協(xié)同發(fā)展區(qū)域如京津冀地區(qū)[7-8]、珠江三角洲地區(qū)[9]和中部五省[10]的雷電活動(dòng)進(jìn)行分析，還有部分研究者利用雷暴日人工觀測(cè)資料，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(Empirical Orthogonal Function，EOF)方法，也稱特征向量分析(Eigenvector Analysis)，或者主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，對(duì)中國(guó)或部分地區(qū)年均雷暴日數(shù)的時(shí)空分布進(jìn)行分析[11-13]。EOF分析方法具有展開(kāi)收斂速度快、集中度高的特點(diǎn)，運(yùn)用在雷電氣候規(guī)律研究中能夠較好地反映出場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)。這種方法展開(kāi)收斂速度快，很容易將大量資料信息濃縮集中。區(qū)別于常規(guī)雷電時(shí)空規(guī)律分析方法，EOF能對(duì)有限區(qū)域內(nèi)不規(guī)則分布的站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間上的分離，且分解的空間結(jié)構(gòu)具有明確的物理意義。但這些研究基于人工觀測(cè)雷暴日數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)本身存在缺陷，數(shù)據(jù)的客觀性和可分析的雷電參數(shù)有限。目前，還沒(méi)有利用閃電定位數(shù)據(jù)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解EOF分析方法對(duì)上海、江蘇、浙江、安徽等大范圍區(qū)域的雷電活動(dòng)特征進(jìn)行分析研究。

作為地理位置毗鄰的中國(guó)長(zhǎng)江三角洲(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)三角”)區(qū)域一體化發(fā)展的上海、江蘇、浙江、安徽三省一市(以下簡(jiǎn)稱“三省一市”)，長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)、氣候、地貌的特殊性及差異性，其整體雷電分布特征如何？本文利用江蘇、浙江和安徽27個(gè)探測(cè)站ADTD閃電定位系統(tǒng)2011—2019年閃電定位資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF分析方法，對(duì)發(fā)生在中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域(江蘇、浙江、上海和安徽)內(nèi)云地閃的閃電極性、閃電頻次、閃電密度和閃電強(qiáng)度的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，為長(zhǎng)三角區(qū)域更好地開(kāi)展雷電防御、雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警以及促進(jìn)區(qū)域一體化發(fā)展提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

閃電資料來(lái)源于2011年1月至2019年12月江蘇省(簡(jiǎn)稱蘇)、浙江省(簡(jiǎn)稱浙)、安徽省(簡(jiǎn)稱皖)ADTD型閃電定位系統(tǒng)的云地閃探測(cè)數(shù)據(jù)，包括云地閃正、負(fù)極性及發(fā)生時(shí)間、位置(經(jīng)緯度)和閃電強(qiáng)度。圖1為中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域ADTD型閃電定位系統(tǒng)探測(cè)站點(diǎn)分布圖。ADTD型閃電定位儀單站最大探測(cè)范圍可達(dá)600 km，平均探測(cè)范圍為300 km，探測(cè)效率為80%—90%。系統(tǒng)由江蘇9個(gè)站點(diǎn)、浙江11個(gè)站點(diǎn)和安徽7個(gè)站點(diǎn)共計(jì)27個(gè)子站組成。閃電定位探測(cè)數(shù)據(jù)由3個(gè)或3個(gè)以上閃電定位儀組網(wǎng)的探測(cè)方式獲得，且站點(diǎn)最少的安徽省區(qū)域內(nèi)，相鄰站點(diǎn)直線距離均不超過(guò)300 km。上海地區(qū)未設(shè)探測(cè)站，該地區(qū)閃電監(jiān)測(cè)由周邊的平湖、南通、定海探測(cè)站覆蓋。因此，長(zhǎng)三角區(qū)域內(nèi)27個(gè)探測(cè)站可有效覆蓋全區(qū)域以保證網(wǎng)內(nèi)的探測(cè)效率。

圖1 中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域ADTD型閃電定位系統(tǒng)探測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of detection sites of ADTD lightning location system in the Yangtze River Delta region of China

1.2 分析方法和數(shù)據(jù)處理

本文運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分析了地閃主要特征參數(shù)和地閃頻次、地閃強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，并將閃電數(shù)據(jù)樣本運(yùn)用反距離加權(quán)平均插值方法，得到分辨率為1個(gè)經(jīng)緯距的閃電強(qiáng)度和閃電頻次等值線圖。同樣的方法，將數(shù)據(jù)進(jìn)行插值統(tǒng)計(jì)得到該區(qū)域網(wǎng)格為1°×1°閃電頻次格點(diǎn)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)矩陣，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF方法分析中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域閃電頻次空間分布的結(jié)構(gòu)特征，提取主要數(shù)據(jù)特征量，得到閃電頻次的主要空間模態(tài)。

本文按照IEEE工業(yè)組文件規(guī)定的質(zhì)量控制方法，統(tǒng)計(jì)分析時(shí)剔除了區(qū)域內(nèi)雷電流絕對(duì)值0—2 kA和大于200 kA的閃電數(shù)據(jù)。某區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的閃電次數(shù)用閃電頻數(shù)表示。

2 結(jié)果分析

2.1 地閃主要參數(shù)特征

2011—2019年長(zhǎng)三角區(qū)域三省一市年平均地閃密度為2.12次/(km2·a)(表1)，其中浙江省年均地閃密度最大為3.015次/(km2·a)，但從地閃強(qiáng)度上來(lái)看，浙江正閃和負(fù)閃均為最小。三省一市各地負(fù)閃占比均大于正閃比例，且負(fù)閃數(shù)均占總閃數(shù)的95%以上，正閃占比為2.50%—5.27%，其平均值為4.45%，浙江省正閃占比最大，上海市最小；正閃平均強(qiáng)度幅值均大于負(fù)閃平均強(qiáng)度幅值。正閃平均強(qiáng)度為58.07 kA，負(fù)閃平均強(qiáng)度為-42.43 kA。負(fù)閃平均強(qiáng)度幅值的最大值(46.69 kA)和正閃平均強(qiáng)度幅值的最大值(61.72 kA)均出現(xiàn)在江蘇省，負(fù)閃平均強(qiáng)度幅值的最小值(36.23 kA)和正閃平均強(qiáng)度幅值的最小值(51.55 kA)均出現(xiàn)在浙江省。

表1 2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域地閃統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of ground lightning in the Yangtze River Delta region of China from 2011 to 2019

2.2 地閃分布時(shí)間變化

2.2.1 閃電頻數(shù)日變化

2011—2019年長(zhǎng)三角三省一市閃電頻數(shù)日變化表現(xiàn)為單峰單谷特征(圖2)，閃電頻數(shù)集中發(fā)生在15—20時(shí)，在16—17時(shí)達(dá)到峰值，這可能與正午之后地面溫度較高，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于閃電形成有關(guān)；00—12時(shí)閃電發(fā)生較少，最小值出現(xiàn)在09—10時(shí)。由于負(fù)閃頻數(shù)占總閃頻數(shù)達(dá)到95%以上，所以負(fù)閃頻數(shù)日變化特征與總閃頻數(shù)基本一致。正閃頻數(shù)最小值出現(xiàn)時(shí)間與總閃頻數(shù)基本一致，正閃頻數(shù)最大值較總閃頻數(shù)略晚出現(xiàn)，峰值出現(xiàn)在18—19時(shí)。長(zhǎng)三角區(qū)域閃電總體時(shí)頻分布與文獻(xiàn)[14-18]所得結(jié)論基本一致。

圖2 2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域逐時(shí)閃電頻率變化Fig.2 The diurnal variation of lightning frequency in the Yangtze River Delta region of China from 2011 to 2019

2.2.2 閃電頻數(shù)月變化

2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域逐月閃電總頻數(shù)從2月開(kāi)始增加，8月最多，7月次多，8月中旬后迅速減少；一年中，負(fù)閃頻數(shù)與總閃頻數(shù)月變化特征一致，閃電集中分布在5—9月，其閃電頻數(shù)占全年閃電頻數(shù)的92.18%，從10月至次年2月閃電頻數(shù)僅占全年閃電頻數(shù)的1.36%。正閃頻數(shù)在7月最多，8月次之。5—9月正閃頻數(shù)占全年正閃頻數(shù)的80.37%，且4月、7月、11月正閃活躍，呈現(xiàn)出3次峰值，分別占全年正閃頻數(shù)的10.45%、24.93%、1.53%。

圖3 2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域逐月閃電頻率變化Fig.3 The monthly variation of lightning frequency in the Yangtze River Delta region of China from 2011 to 2019

2.2.3 閃電強(qiáng)度日變化

2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域三省一市正閃和負(fù)閃平均強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖略)，雷電強(qiáng)度幅值日變化不明顯，正閃和負(fù)閃強(qiáng)度幅值均呈規(guī)律性波動(dòng)，正閃強(qiáng)度幅值最大值(54.34 kA)出現(xiàn)在10時(shí)，然后逐漸回落，直至15時(shí)雷電強(qiáng)度最小(46.09 kA)，此后又緩慢抬升至次日10時(shí)達(dá)到峰值。負(fù)閃強(qiáng)度幅值最大值(39.48 kA)出現(xiàn)在07時(shí)，然后逐漸回落，直至14時(shí)雷電強(qiáng)度最小(34.38 kA)，此后又緩慢抬升,至次日07時(shí)達(dá)到峰值。

2.2.4 閃電強(qiáng)度月變化

由2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域三省一市正閃和負(fù)閃月平均強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知(圖略)，正閃和負(fù)閃強(qiáng)度幅值變化較為明顯，且兩者變化趨勢(shì)一致，每年7月、8月雷電強(qiáng)度幅值最小，正閃最小值為43.34 kA，負(fù)閃最小值為36.06 kA。此后逐月增加，正閃和負(fù)閃強(qiáng)度幅值在12月均達(dá)到最大值，正閃為104.08 kA，負(fù)閃為96.16 kA。此后又逐漸降低。

2.3 地閃分布空間變化

2.3.1 閃電頻次空間分布

2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域，閃電頻次總體呈現(xiàn)南強(qiáng)北弱的分布(圖4)。由于負(fù)閃數(shù)均占總閃數(shù)的95%以上，總閃頻次空間分布由負(fù)閃決定?？傞W頻次分布兩個(gè)大值區(qū)域中，一個(gè)大值區(qū)域位于浙江南部，閃電頻次梯度變化大，以浙南為核心的高頻區(qū)向周邊逐漸降低，總閃頻次中心最高值達(dá)到280000次直至浙江的沿海地區(qū)頻次逐漸降低至80000次。另一個(gè)處于長(zhǎng)三角中部地區(qū)，大部分地區(qū)總閃頻次在140000次以上，核心最大值位于蘇浙皖三省交界處總閃頻次達(dá)到160000次。蘇皖北部平原及江蘇和上海沿海低海拔地區(qū)閃電頻次相對(duì)較低，大部分地區(qū)在60000次，最少20000次?？梢?jiàn)閃電頻次與海拔高度的空間分布較為吻合。浙江麗水、浙皖交界、皖南山區(qū)高海拔地區(qū)均出現(xiàn)了高頻次閃電分布。這與重慶地區(qū)雷暴日空間分布[13]研究得到雷暴分布呈現(xiàn)出高山向丘陵低山逐漸遞減的特征結(jié)論一致。

總閃、正負(fù)閃頻次單位為次圖4 2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域總閃頻次(a)、正閃頻次(b)、負(fù)閃頻次(c)空間分布Fig.4 Spatial distributions of the total lightning frequency (a)，the positive lightningfrequency (b)，the negative lightning frequency (c) in the Yangtze River Delta region of China from 2011 to 2019

2.3.2 閃電強(qiáng)度空間分布

與閃電頻次相反，2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域閃電強(qiáng)度分布均呈現(xiàn)出北強(qiáng)南弱的特征(圖5)。無(wú)論正閃還是負(fù)閃，長(zhǎng)三角三省一市閃電強(qiáng)度幅值低值區(qū)出現(xiàn)在浙南地區(qū)，大部分地區(qū)總閃強(qiáng)度幅值小于44 kA，最小強(qiáng)度幅值為32 kA。三省交界處也出現(xiàn)低值區(qū)域，中心最小值為40 kA。閃電強(qiáng)度大值區(qū)分布在蘇皖北部和上海，蘇皖北部地區(qū)大部分總閃強(qiáng)度幅值均大于48 kA，皖北平原地區(qū)中心最大值總閃強(qiáng)度幅值為60 kA。

單位為kA圖5 2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域總閃強(qiáng)度(a)、正閃強(qiáng)度(b)、負(fù)閃強(qiáng)度(c)空間分布Fig.5 Spatial distributions of the total lightning current intensity (a)，the positive lightning current intensity (b) and the negative lightning current intensity (c) in the Yangtze River Delta region of China from 2011 to 2019

2.3.3 頻次分布主成分分析

為進(jìn)一步分析中國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)三省一市閃電頻次空間特征，用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法對(duì)2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)三省一市閃電頻次進(jìn)行計(jì)算，分解后提取特征值大于1的11個(gè)特征向量，累計(jì)方差貢獻(xiàn)占比71.03%。2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域閃電頻次主成分分析特征值及顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表2。為找出有意義的物理信號(hào)，排除無(wú)意義的噪音信息，根據(jù)North等[19]提出的計(jì)算特征值誤差范圍對(duì)特征值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。除特征值8、10未通過(guò)檢驗(yàn)，其他均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。另外從特征值碎石圖(圖略)可以發(fā)現(xiàn)，曲線在第4個(gè)特征值到第5個(gè)特征值發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，且前4個(gè)特征值的累積貢獻(xiàn)達(dá)到51.07%，能夠反映中國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)三省一市閃電頻次分布特征的主要信息。綜上，閃電活動(dòng)頻率經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解前4個(gè)特征向量空間分布形式能夠代表中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域閃電頻次的典型分布型。

表2 2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域閃電頻次主成分分析特征值及顯著性檢驗(yàn)Table 2 Characteristic value and significance test of principal component analysis on lightning frequency in the Yangtze River Delta region of China from 2011 to 2019

選取前4個(gè)特征向量進(jìn)行分析，2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)三省一市總閃頻次EOF第1—4模態(tài)見(jiàn)圖6，依次劃分為全區(qū)一致型、南北反相型、交錯(cuò)反相型和東西反相型。

圖6a為第一模態(tài)系數(shù)分布，方差貢獻(xiàn)占比21.82%，是最主要的特征。第一模態(tài)空間函數(shù)在長(zhǎng)三角區(qū)域內(nèi)均為正值，表明長(zhǎng)三角區(qū)域閃電活動(dòng)在空間上具有一致性，閃電頻次變化具有趨勢(shì)基本一致。因此劃為整體一致型，反映了長(zhǎng)三角地區(qū)閃電發(fā)生具有同步變化特征?？臻g函數(shù)大值區(qū)往往集中在安徽、江蘇、浙江三省交界區(qū)域。

圖6b為第二模態(tài)系數(shù)分布，方差貢獻(xiàn)占比12.59%。零度線在沿江流域，空間函數(shù)分布江南、江北呈反相變化的特征，正值區(qū)域的中心分布在蘇皖北部，負(fù)值區(qū)域的中心分布在浙江南部，說(shuō)明長(zhǎng)三角區(qū)域南北地區(qū)閃電發(fā)生具有反向差異。這一模態(tài)代表了蘇皖北部雷電活動(dòng)與浙南地區(qū)相反的兩種分布類型，即蘇皖北部地區(qū)雷電活動(dòng)頻繁，浙南地區(qū)雷電活動(dòng)較少的分布型或蘇皖北部地區(qū)雷電活動(dòng)較少，浙南地區(qū)雷電活動(dòng)頻繁的分布形勢(shì)，因此劃為南北反相型。

圖6 2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域總閃頻次EOF分解的第1模態(tài)(a)、第2模態(tài)(b)、第3模態(tài)(c)、第4空模態(tài)(d)空間分布Fig.6 Spatial distributions of modalities of the first (a)，the second (b)，the third (c)，the fourth (d)spatial vector fields of EOF decomposition of total lightning frequency in the Yangtze River Delta region of China from 2011 to 2019

圖6c為第三模態(tài)系數(shù)分布，方差貢獻(xiàn)占比9.19%，模態(tài)相對(duì)空間函數(shù)由北向南依次劃分為正值區(qū)—負(fù)值區(qū)—正值區(qū)，空間函數(shù)符號(hào)交錯(cuò)反向，以長(zhǎng)江為界，兩條零度線分別位于沿江江南和沿江江北。正負(fù)相間的分布形勢(shì)表明，當(dāng)長(zhǎng)三角中部區(qū)域雷電活動(dòng)較少時(shí)，蘇皖北部和浙江南部的雷電活動(dòng)則較為頻繁，尤其是浙江南部地區(qū)。當(dāng)長(zhǎng)三角中部區(qū)域雷電活動(dòng)頻繁時(shí)，蘇皖北部和浙江南部的雷電活動(dòng)則相對(duì)較少，因此劃分為交錯(cuò)反相型。

圖6d為第四模態(tài)的系數(shù)分布，方差貢獻(xiàn)占比7.47%，零度線將長(zhǎng)三角區(qū)域劃分成東西兩部分，且空間函數(shù)呈現(xiàn)東西反相的分布特征。從第四模態(tài)可知，當(dāng)長(zhǎng)三角區(qū)域東部沿江地區(qū)雷電活動(dòng)頻繁時(shí)，長(zhǎng)三角內(nèi)陸西部地區(qū)雷電活動(dòng)較少。反之，長(zhǎng)三角區(qū)域東部沿江地區(qū)雷電活動(dòng)較少時(shí)，長(zhǎng)三角內(nèi)陸西部地區(qū)雷電活動(dòng)則較為頻繁，因此劃分為東西反相型。

3 結(jié)論與討論

(1)2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域三省一市負(fù)閃頻數(shù)遠(yuǎn)大于正閃頻數(shù)，正閃平均強(qiáng)度幅值大于負(fù)閃平均強(qiáng)度幅值。浙江年均地閃密度最大，但平均閃電強(qiáng)度最小，江蘇平均閃電強(qiáng)度最大。

(2)2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域總閃頻數(shù)時(shí)間分布曲線均表現(xiàn)為單峰單谷特征；閃電頻數(shù)在16—17時(shí)達(dá)到日峰值，8月達(dá)到年峰值。值得注意的是正閃頻數(shù)最大值較總閃(負(fù)閃)略有提前出現(xiàn)在7月，且在4月、11月表現(xiàn)也較為活躍。

(3)2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域年平均閃電強(qiáng)度時(shí)間分布特征曲線表明，正閃和負(fù)閃在強(qiáng)度上具有較好的一致性，兩者變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)波動(dòng)變化，且幅度變化不大。正閃和負(fù)閃強(qiáng)度峰值均出現(xiàn)在12月，正閃強(qiáng)度最大值為104.08 kA，負(fù)閃強(qiáng)度最大值為-96.16 kA。

(4)2011—2019年中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)域閃電頻數(shù)、閃電強(qiáng)度空間分布表明，閃電頻次和閃電強(qiáng)度兩者分布特征具有反向性，同時(shí)與地形有密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這與京津冀地區(qū)時(shí)空分布特征[7]研究得到閃電強(qiáng)度較大的地區(qū)閃電密度較小的結(jié)論一致。長(zhǎng)三角區(qū)域浙南、三省交界和皖南高海拔地區(qū)閃電頻次高、閃電強(qiáng)度低，蘇皖北部、上海及江蘇沿海低海拔地區(qū)閃電頻次低、閃電強(qiáng)度高。

(5)從閃電頻次主成分分析研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)三角區(qū)域閃電頻次空間函數(shù)分布表現(xiàn)出全區(qū)一致性的特征，同時(shí)也存在區(qū)域反相差異，包括南北反相、交錯(cuò)反相和東西反相。