成勤，張科杰，劉俊，夏羽，毛成忠

(1.宜昌市氣象局，湖北 宜昌443000；2.湖北省防雷中心，湖北 武漢430074)

1 引言

閃電是強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)中的重要天氣現(xiàn)象，往往伴隨著對(duì)流云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展與消亡。根據(jù)經(jīng)典雷電學(xué)原理[1-2]，大氣中通過起電機(jī)制生成的正電荷和負(fù)電荷被分離到不同的區(qū)域，在一定條件下發(fā)生放電就產(chǎn)生了閃電現(xiàn)象。高精度的閃電定位系統(tǒng)是閃電監(jiān)測(cè)和研究的重要手段之一，是強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警的重要基礎(chǔ)[3]。閃電定位資料與傳統(tǒng)的雷暴日記錄相比，不僅提高了時(shí)間和空間分辨率，而且剔除了觀測(cè)時(shí)因人的聽覺和視覺受限而造成的誤差。閃電定位資料不受高山或建筑物遮擋的影響，在探測(cè)范圍內(nèi)無衰減和畸變，彌補(bǔ)了雷達(dá)低仰角探測(cè)常受到地物遮擋的缺點(diǎn)[4]。國際上比較有代表性并具有業(yè)務(wù)功能的閃電定位系統(tǒng)是美國國家閃電定位網(wǎng)(NLDN,National Lightning Detection Network)[5]。目前國內(nèi)具有業(yè)務(wù)功能的地基閃電探測(cè)網(wǎng)有中國氣象局的地閃定位網(wǎng)(ADTD)、國家電網(wǎng)的地閃定位網(wǎng)等。閃電定位資料的應(yīng)用，使得人們對(duì)地閃特征的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣中閃電的活動(dòng)越發(fā)關(guān)注。例如王學(xué)良等[6]利用ADTD閃電定位網(wǎng)對(duì)湖北地區(qū)閃電頻次及雷電流幅值時(shí)間分布特征進(jìn)行分析，宋敏敏等[7]基于國家雷電監(jiān)測(cè)定位網(wǎng)地閃觀測(cè)資料分析了我國中東部3—9月地閃密度和強(qiáng)度的時(shí)空分布和不同等級(jí)分布特征，鄭棟等[8]利用MLDARS閃電定位系統(tǒng)分析了北京及其周邊地區(qū)夏季地閃活動(dòng)時(shí)空分布特征，周成等[9]利用山東ADTD閃電定位資料分析了不同類型短時(shí)強(qiáng)降水與地閃的特征關(guān)系，孟青等[10]結(jié)合高原地閃定位系統(tǒng)和雷達(dá)資料研究了青藏高原那曲地區(qū)地閃與雷達(dá)參量的關(guān)系。以上分析主要是基于閃電的二維分布特征開展。

隨著監(jiān)測(cè)手段的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)發(fā)展了許多具有三維定位功能的研究型閃電定位網(wǎng)。例如閃電VHF輻射源三維定位系統(tǒng)(LLR,3D Location System of Lightning VHF Radiation Pulses)[11]、低頻電場(chǎng)探測(cè)陣列(LFEDA,lowfrequency electric field detection array)[12]、VHF干涉儀定位系統(tǒng)[13]、北京多頻段閃電三維定位網(wǎng)(BLNET)[14]等。三維閃電定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷暴過程從發(fā)展初期到衰退期三維分布的探測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)獲取云閃和云地閃的發(fā)生位置、強(qiáng)度、極性、云閃高度等信息，填補(bǔ)了二維閃電定位系統(tǒng)在垂直方向上的探測(cè)盲區(qū)，為研究雷電物理和災(zāi)害機(jī)制提供技術(shù)支持，可以更進(jìn)一步研究強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理，成為開展雷電科研和預(yù)警業(yè)務(wù)的重要資料，為提供更加準(zhǔn)確的雷暴預(yù)警和防御信息發(fā)揮重要的作用。例如郭潤霞等[3]利用VLF/LF三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)分析了北京地區(qū)總閃、云閃和地閃的時(shí)空分布和電流強(qiáng)度特征，王婷波等[15]利用SAFIR三維定位系統(tǒng)對(duì)比了暴雨和雹暴系統(tǒng)中閃電的特征，王東方等[16]利用北京多頻段閃電三維定位網(wǎng)分析了一次雷暴過程的閃電時(shí)空演化特征，王延?xùn)|等[17]將閃電資料反演成降水資料，同化入中尺度WRF模式中，并成功模擬了四川地區(qū)一次強(qiáng)降水天氣過程。

目前，湖北省二維閃電定位系統(tǒng)已經(jīng)在業(yè)務(wù)上穩(wěn)定運(yùn)行，三維閃電定位系統(tǒng)也在業(yè)務(wù)上試運(yùn)行。以往的研究[18-21]和業(yè)務(wù)運(yùn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三維和二維閃電定位系統(tǒng)在二維時(shí)空分布上大體一致，在閃電頻次和正、負(fù)閃電占比上存在一定差異，三維閃電資料的分析和應(yīng)用仍處于初級(jí)階段。

本文選取2020年湖北省梅雨期一次伴有強(qiáng)閃電的特大暴雨過程為例，在簡介本次閃電發(fā)生的天氣背景的基礎(chǔ)上，探究過程中三維(ADTD-2C)和二維(ADTD)系統(tǒng)閃電活動(dòng)特征，進(jìn)一步揭示湖北省閃電活動(dòng)特征，對(duì)比兩套閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果，為閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、升級(jí)和雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供參考依據(jù)。

2 資料來源與說明

二維系統(tǒng)為湖北省ADTD閃電定位系統(tǒng)(以下簡稱二維系統(tǒng))，該系統(tǒng)由中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制，主要用于探測(cè)云地閃電(以下簡稱地閃)，探測(cè)參數(shù)包括地閃發(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度、陡度、極性等。圖1（見下頁）給出了三維和二維閃電定位系統(tǒng)站點(diǎn)分布情況，二維系統(tǒng)包含13個(gè)探測(cè)子站，單站探測(cè)范圍約為150 km，時(shí)間精度優(yōu)于10-7s，網(wǎng)內(nèi)理論空間定位精度優(yōu)于300 m。雷電流幅值和波前陡度值，采用多站信號(hào)強(qiáng)度歸一化(100 km)處理方法，雷電流幅值和波前陡度值網(wǎng)內(nèi)相對(duì)誤差小于15%[22]。

三維系統(tǒng)為湖北省ADTD-2C型VLF/LF閃電定位系統(tǒng)(以下簡稱三維系統(tǒng))。如圖1所示，三維系統(tǒng)由中國科學(xué)院電工研究所制造，包含19個(gè)三維閃電探測(cè)儀，采用3D-TOA閃電定位方法對(duì)閃電輻射源信號(hào)進(jìn)行定位，時(shí)間精度優(yōu)于10-4s，10 kA以上的閃電回?fù)籼綔y(cè)效率達(dá)90%以上，閃電回?fù)舴直媛蕛?yōu)于10-3s，網(wǎng)內(nèi)水平方向平均定位分辨率優(yōu)于300 m、垂直方向優(yōu)于500 m。監(jiān)測(cè)閃電類型包括正地閃(+CG)、負(fù)地閃(-CG)、正云閃(+IC)、負(fù)云閃(-IC)。正云閃指正先導(dǎo)在負(fù)先導(dǎo)之上產(chǎn)生的云閃，負(fù)云閃指負(fù)先導(dǎo)在正先導(dǎo)之上產(chǎn)生的云閃。由于雷暴電荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)際的云閃過程也很復(fù)雜。如果雷暴電荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)偶極性或者反極性特征，這時(shí)的云閃放電結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，通常呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)恃點(diǎn)。如果對(duì)應(yīng)電荷分布呈上正下負(fù)結(jié)構(gòu)，則為正云閃，如果對(duì)應(yīng)電荷分布上負(fù)下正，則為負(fù)云閃[23-24]。

3 閃電發(fā)生條件

3.1 環(huán)流形勢(shì)條件

由6月27日08時(shí)(北京時(shí)，下同)天氣形勢(shì)分析圖(圖2)可知，湖北省位于200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)的輻散區(qū)，抽吸作用有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)維持和發(fā)展。500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢(shì)，副高脊線穩(wěn)定維持在25°N附近，湖北省位于副高脊線與中緯度低壓槽線之間，低槽緩慢東移、逼近副高。中低層有與中緯度低槽相配合的明顯低渦切變，700 hPa和850 hPa低渦中心位置相近，均位于川東。700～925 hPa低空急流與超低空急流強(qiáng)勁，且上下層急流軸近乎重合，出口區(qū)在湖北省宜昌市南部，充沛的水汽和強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)均有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展和維持。

圖2 6月27日08時(shí)天氣形勢(shì)分析圖

27日20時(shí)副高略向北抬，低渦仍位于川東，但其東部暖切位置略向東擴(kuò)展，低空急流軸東移且出口區(qū)分散，最強(qiáng)的輻合區(qū)及水汽輸送區(qū)均東移。28日凌晨長江沿線形成東西向梅雨鋒(圖略)。

綜上所述，本次過程是一次發(fā)生在副高外圍，由高空槽、中低層切變線、低空急流和梅雨鋒共同作用下的強(qiáng)對(duì)流過程，具有明顯的不穩(wěn)定形勢(shì)、較好的垂直上升條件、良好的觸發(fā)條件，有利于區(qū)域性閃電的發(fā)生。

3.2 環(huán)境條件

結(jié)合探空資料和人工引雷試驗(yàn)[25-29]，發(fā)現(xiàn)雷暴云的電活動(dòng)主要受雷暴云動(dòng)力、熱力和微物理過程影響，并且與環(huán)境條件密切相關(guān)，地氣溫差、云底高度(CBH)、暖云層厚度(WCD)、對(duì)流不穩(wěn)定能量(CAPE)、有效液水含量(ELWC)、0℃層高度、-10℃層高度、-20℃層高度、垂直風(fēng)切變強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的形成、起電率、起電水凝物粒子分布等有重要影響?？紤]到雷電落區(qū)和活躍時(shí)段，選取27日08時(shí)宜昌站的探空資料(圖3)分析閃電發(fā)生的環(huán)境條件。

圖3 6月27日08時(shí)宜昌站探空?qǐng)D(紅色曲線為狀態(tài)曲線，藍(lán)色和綠色曲線為層結(jié)曲線)

從圖3可以看出，27日08時(shí)濕層伸展到400 hPa附近，整層水汽條件好，850 hPa露點(diǎn)溫度為18℃，比濕達(dá)15.3 J/kg。具有一定的對(duì)流不穩(wěn)定能量，CAPE值為208.3 J/kg。抬升凝結(jié)高度低，為0.56 km，0℃層、-10℃層、-20℃層高度分別為5.5 km、7.4 km、8.9 km，-20℃層和0℃層所在的高度之差為3.4 km，暖云層深厚，混合相區(qū)域高，不僅有利于對(duì)流和起電活動(dòng)，而且使得與起電相關(guān)的冰相粒子分布在較高高度，云中主負(fù)電荷區(qū)深厚，導(dǎo)致大量負(fù)地閃出現(xiàn)。風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，中低層有暖平流增溫增濕。0～3 km垂直風(fēng)切變?yōu)?2.5 m/s，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?3.1 m/s，為中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變，較有利于雷暴云組織化發(fā)展，促使云中粒子發(fā)生碰并和分離，為云內(nèi)載體電荷得以轉(zhuǎn)移而形成電場(chǎng)分布提供一定條件，但不足以使云體發(fā)生明顯傾斜，垂直方向上雷暴云主體上部的正電荷層被負(fù)電荷層阻隔，無法直接暴露于地面之上，致使本次強(qiáng)對(duì)流過程以負(fù)閃為主。

4 閃電特征對(duì)比

4.1 閃電極性

統(tǒng)計(jì)6月27日08時(shí)—28日08時(shí)湖北省三維系統(tǒng)閃電頻數(shù)，結(jié)果如表1所示。統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，湖北省共發(fā)生閃電19287次，其中正云閃2673次，負(fù)云閃4086次，正地閃3777次，負(fù)地閃8751次，云閃與全閃的比值為35.04%，云閃比例比浙江(30%)[30]、江蘇(29.7%)[23]、貴州(34.75%)[31]高，比北京(53.93%[3]、72%[16])、廣西(46.2%)[32]低。正閃與全閃的比值為33.44%，正云閃與云閃的比值為39.55%，正地閃與地閃的比值為30.15%。正云閃在云閃中的占比高于正地閃在地閃中的占比，與郭潤霞等[3,19,30-31]研究結(jié)果一致。雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)一般以偶極性和三極性為主，相對(duì)于上部的主正電荷區(qū)而言，下部的主負(fù)電荷區(qū)距離地面較近，負(fù)電荷與地面之間更易放電，即主負(fù)電荷區(qū)因距離地面更近所以對(duì)地閃的極性影響較大，而云閃則受主正電荷區(qū)和主負(fù)電荷區(qū)的同時(shí)影響，所以相較地閃，在云內(nèi)發(fā)生正閃的幾率更大[3]。

表1 6月27日08時(shí)—28日08時(shí)湖北省三維系統(tǒng)閃電頻數(shù)統(tǒng)計(jì)表

二維系統(tǒng)測(cè)得該時(shí)段內(nèi)共發(fā)生地閃6770次，其中正地閃1091次，負(fù)地閃5679次，負(fù)地閃與地閃的比值為83.88%，正地閃與地閃的比值為16.12%，正地閃占比顯著高于該系統(tǒng)的多年統(tǒng)計(jì)值(4～5%)[6,22,33]。對(duì)比兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可知，三維系統(tǒng)的地閃數(shù)量多于二維系統(tǒng)，為二維系統(tǒng)的1.85倍，其中正地閃為其3.46倍，負(fù)地閃為其1.54倍。三維系統(tǒng)正地閃在地閃中的占比高于二維系統(tǒng)，與陽宏聲等[21,30,32]結(jié)論一致。

4.2 雷電流幅值

為了分析該次過程中兩套系統(tǒng)雷電流分布情況，對(duì)27日08時(shí)—28日08時(shí)兩套系統(tǒng)中的地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖4a給出了三維系統(tǒng)雷電流幅值概率分布情況，雷電流在某幅值區(qū)間的概率表示該區(qū)間內(nèi)的閃電頻數(shù)在總閃電頻數(shù)中所占的比例。從圖4a中可以看出，總地閃、負(fù)地閃和正地閃概率曲線重合度較高，均呈單峰型分布，總地閃雷電流強(qiáng)度集中在0～30 kA，雷電流概率之和在80%以上，其中，10～20 kA的地閃雷電流概率最高，達(dá)到41.81%。

圖4b給出了二維系統(tǒng)雷電流幅值概率分布情況，負(fù)地閃概率分布情況與總地閃相似，呈單峰型分布，10～50 kA的負(fù)地閃概率為75%，雷電流強(qiáng)度超過100 kA的負(fù)地閃較少，概率僅為5%，但該值依然大于2007—2019年湖北省統(tǒng)計(jì)平均值(1.7%)。正地閃強(qiáng)度幅值分布集中程度相對(duì)較低，10～50 kA的正地閃概率為47.63%，較負(fù)地閃概率明顯偏低，雷電流幅值大于50 kA時(shí)，各幅值區(qū)間的正地閃概率均高于負(fù)地閃，100 kA以上的正地閃概率顯著高于負(fù)地閃概率。

對(duì)比圖4a和圖4b可知，三維系統(tǒng)地閃雷電流幅值概率單峰型分布特征較二維系統(tǒng)更加明顯，且正、負(fù)地閃概率分布曲線一致性更好。也就是說三維系統(tǒng)雷電流幅值分布更加集中(0～30 kA)，二維系統(tǒng)雷電流分布區(qū)間更寬(10～50 kA)，且正、負(fù)地閃雷電流幅值概率分布情況差異較大。

IEEE根據(jù)全球閃電的分布規(guī)律，提出了地閃雷電流幅值累積概率分布公式：

式(1)中P為大于某一雷電流幅值的累積概率；I為雷電幅值電流；a為中值電流，即雷電流幅值大于a的概率為50%；b(b＞1)為雷電流幅值累積概率曲線擬合指數(shù)；IEEE推薦a=31，b=2.6。王學(xué)良等[34]統(tǒng)計(jì)分析了湖北省多年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，對(duì)IEEE推薦值作了修訂，得出湖北地區(qū)適用的地閃雷電流幅值累積概率分布公式(a=29.94，b=3.33)。根據(jù)二維系統(tǒng)(ADTD)和三維系統(tǒng)(ADTD-2C)監(jiān)測(cè)的地閃數(shù)據(jù)，分別作出地閃雷電流幅值累積概率分布曲線，并與湖北省雷電流幅值累積概率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果相比較，結(jié)果如圖4c所示。從圖4c中可以看出本次強(qiáng)對(duì)流天氣過程二維系統(tǒng)的雷電流累積概率分布與湖北省多年統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致性高，各幅值區(qū)間的累積概率略高于統(tǒng)計(jì)值，三維系統(tǒng)的地閃雷電流累積概率較統(tǒng)計(jì)結(jié)果明顯偏小，特別是0～40 kA的雷電流累積概率顯著偏小。三維系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)地閃和云閃，部分雷電流幅值較小的云閃可能被誤判為地閃，造成該系統(tǒng)小幅值地閃電流比例偏大。由以上分析可知，二維系統(tǒng)的雷電流幅值累積概率與湖北省多年統(tǒng)計(jì)值具有更好的相關(guān)性，與李京校等[19]研究結(jié)果一致。

圖4 三維系統(tǒng)(a)、二維系統(tǒng)(b)雷電流幅值概率和累計(jì)概率(c)分布圖

4.3 時(shí)間分布

為了解本次過程中閃電的時(shí)頻變化特征及差異，分別對(duì)三維和二維系統(tǒng)的小時(shí)閃電頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，地閃頻數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示，云閃頻數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 三維系統(tǒng)云閃時(shí)頻分布圖

4.3.1 地閃時(shí)間分布

圖5a為三維系統(tǒng)地閃時(shí)頻分布圖，三維系統(tǒng)地閃主要有兩個(gè)活躍時(shí)段，第一段為27日13—15時(shí)，第二段為27日20時(shí)—28日01時(shí)。總地閃頻數(shù)和負(fù)地閃頻數(shù)極大值均出現(xiàn)在27日23時(shí)，分別為1946次和1423次，正地閃頻數(shù)極大值出現(xiàn)在21時(shí)，為551次。負(fù)地閃占比大部分在60%～80%之間，最大值為78.35%，出現(xiàn)在27日15時(shí)，最小值為54.84%，出現(xiàn)在28日04時(shí)，平均值為68.40%。

圖5b為二維系統(tǒng)地閃時(shí)頻分布圖，二維系統(tǒng)地閃活躍時(shí)段及變化趨勢(shì)與三維系統(tǒng)大體一致，主要活躍時(shí)段在27日13—15時(shí)和27日20時(shí)—28日01時(shí)，另外在28日05時(shí)前后閃電活動(dòng)有所增加，出現(xiàn)一個(gè)小峰值?？偟亻W頻數(shù)和負(fù)地閃頻數(shù)極大值均出現(xiàn)在27日23時(shí)，分別為1077次和992次，正地閃頻數(shù)極大值出現(xiàn)在20時(shí)，為146次。負(fù)地閃占比變幅較大，過程開始和結(jié)束階段負(fù)地閃占比低于平均值(83.88%)，過程中負(fù)地閃維持較高占比：過程開始時(shí)(27日09—12時(shí))負(fù)地閃占比為62%～70%；過程中27日13時(shí)—28日07時(shí)，負(fù)地閃占比大多在80%以上，最大值為95.83%，出現(xiàn)在27日15時(shí)，最小值為70.83%，出現(xiàn)在28日07時(shí)，平均值為83.46%；過程結(jié)束時(shí)(28日08時(shí))負(fù)地閃占比驟降，負(fù)閃比例低于50%，主要為負(fù)地閃頻數(shù)減少造成，對(duì)比地面觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖略)可知，該時(shí)段閃電主要分布在梅雨鋒前部的強(qiáng)降水區(qū)。

圖5 三維系統(tǒng)(a)、二維系統(tǒng)(b)地閃時(shí)頻分布圖

對(duì)比兩套系統(tǒng)地閃逐小時(shí)數(shù)據(jù)可知，兩套系統(tǒng)總地閃和負(fù)地閃活躍時(shí)段基本一致，除28日03—06時(shí)外，其余時(shí)段三維閃電定位系統(tǒng)閃電頻數(shù)均多于二維系統(tǒng)。28日04—08時(shí)閃電活動(dòng)先增加后減少，出現(xiàn)階段性峰值(05時(shí))，該特征在二維系統(tǒng)的負(fù)地閃頻數(shù)變化中體現(xiàn)最為明顯，閃電落區(qū)主要在荊門市京山市。對(duì)比降水?dāng)?shù)據(jù)可知，28日04—08時(shí)降水增加，降水量峰值出現(xiàn)在07時(shí)，符合負(fù)地閃頻數(shù)峰值與降水量峰值相關(guān)性好、且峰值提前或落后的結(jié)論[9,29,35-37]，對(duì)比雷達(dá)回波數(shù)據(jù)可知，28日04—08時(shí)對(duì)流增強(qiáng)，因此判斷該時(shí)段系統(tǒng)數(shù)據(jù)可信度高。除27日10—12時(shí)和28日08時(shí)外，三維系統(tǒng)負(fù)地閃占比數(shù)值和變幅均小于二維系統(tǒng)。

4.3.2 云閃時(shí)間分布

由圖6可以看出，正云閃、負(fù)云閃和總云閃活躍時(shí)段一致，為27日20時(shí)—28日01時(shí)，該時(shí)段云閃頻數(shù)占整個(gè)過程的72%?？傇崎W、正云閃和負(fù)云閃均在27日21時(shí)和23時(shí)出現(xiàn)極大值。負(fù)地閃占比大部分在50%～70%之間，最大值為78.26%，出現(xiàn)在28日04時(shí)，最小值為46.34%，出現(xiàn)在28日06時(shí)，平均值為60.45%。此外，27日13、15時(shí)負(fù)云閃、總云閃頻數(shù)和負(fù)云閃占比出現(xiàn)階段性峰值，與三維地閃時(shí)頻特征一致。

4.4 空間分布

4.4.1 地閃水平空間分布

為了對(duì)比本次過程中三維和二維地閃空間分布特征，計(jì)算三維和二維閃電密度。閃電密度是指閃電頻數(shù)密度，將湖北省劃分為0.03°×0.03°的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格內(nèi)的閃電頻數(shù)，閃電頻數(shù)與網(wǎng)格面積之比即為閃電密度。

圖7為三維系統(tǒng)地閃落區(qū)、密度圖。從圖7a可以看出，三維系統(tǒng)正負(fù)地閃交錯(cuò)分布，負(fù)地閃多于正地閃。閃電集中分布明顯，絕大部分位于鄂西南至鄂東北西部一線，湖北省內(nèi)其他地區(qū)僅有少量閃電零星分布。從圖7b可以看出，湖北省內(nèi)閃電密度差異大，根據(jù)閃電密度大小，在圖中將閃電主要落區(qū)用橢圓形圖框標(biāo)出。三維地閃密度最大值為5.78 fl/(km2·d)，大于3.0 fls/(km2·d)的密度值有9個(gè)，主要分布在荊門市京山市、孝感市安陸市(區(qū)域B)和黃岡市中部(區(qū)域D)。荊門市中東部和宜昌東部(區(qū)域A)閃電密度較高，最大值為2.2 fl/(km2·d)。恩施南部的(區(qū)域C和區(qū)域E)以及黃岡市東南部(區(qū)域F)閃電密度絕大部分小于1 flashes/(km2·d)，最大值為1.1 fl/(km2·d)。

圖7 三維系統(tǒng)地閃落區(qū)(a)、密度(b)分布圖

圖8為二維系統(tǒng)地閃落區(qū)、密度圖。從圖8a可以看出，二維與三維地閃密集區(qū)基本重合。其中區(qū)域A、B、C正負(fù)閃電交錯(cuò)分布，負(fù)閃占比均遠(yuǎn)高于正閃，區(qū)域C負(fù)閃占比為71%，區(qū)域A、B負(fù)閃密度均在80%以上。區(qū)域E正閃多于負(fù)閃，正閃占比高達(dá)64%。區(qū)域D面積最小，但負(fù)閃密集，負(fù)閃占比達(dá)96%。從圖8b可以看出，二維與三維系統(tǒng)地閃密度分布特征基本一致，但數(shù)值大小有差異。二維地閃密度最大值為2.39 fl/(km2·d)，大于2.0 fl/(km2·d)的密度值有2個(gè)，大于1.4 fl/(km2·d)的密度值有14個(gè)，主要分布在區(qū)域B和區(qū)域A，區(qū)域D地閃密度較高，最大值為1.1 fl/(km2·d)。恩施南部的(區(qū)域C和區(qū)域E)閃電密度小于1 fl/(km2·d)，最大值為0.5 fl/(km2·d)。

圖8 二維系統(tǒng)地閃落區(qū)(a)、密度(b)分布圖

對(duì)比三維和二維地閃數(shù)據(jù)可知，三維系統(tǒng)和二維系統(tǒng)地閃密集區(qū)基本一致，主要有以下幾點(diǎn)差異：(1)三維系統(tǒng)地閃頻數(shù)多于二維系統(tǒng)，其中正地閃增加比例最高，三維系統(tǒng)正地閃頻數(shù)為二維系統(tǒng)的3.46倍，地閃密度極值和平均值均大于二維系統(tǒng)；(2)區(qū)域A、B處，三維系統(tǒng)中正負(fù)閃電交錯(cuò)分布，負(fù)閃比例與該系統(tǒng)平均值相當(dāng)，而二維系統(tǒng)中，正負(fù)地閃存在空間分離現(xiàn)象，宜昌市東部負(fù)地閃密集分布，正閃分布在負(fù)閃密集區(qū)的西南側(cè)（即宜昌市中部），孝感市中部負(fù)地閃密集，正閃稀少，隨州市南部正地閃密集，負(fù)地閃較少；(3)區(qū)域E處，三維系統(tǒng)正地閃頻數(shù)小于負(fù)地閃，而二維系統(tǒng)中正地閃頻數(shù)多于負(fù)地閃；(4)區(qū)域D處，三維系統(tǒng)中負(fù)閃占比為82%，地閃密度最大值為3.41 fl/(km2·d)，二維系統(tǒng)中正地閃頻數(shù)驟減，負(fù)地閃占比達(dá)96%，地閃密度最大值為1.1 fl/(km2·d)；(5)三維系統(tǒng)中黃岡市東南部(區(qū)域F)有一地閃密集區(qū)，閃電絕大部分發(fā)生于27日15時(shí)，二維系統(tǒng)中該處地閃不活躍。對(duì)比雷達(dá)回波和雨量數(shù)據(jù)可知，15時(shí)該處對(duì)流發(fā)展，并造成附近測(cè)站17.2 mm/h的降水，因此確定該時(shí)段三維系統(tǒng)閃電數(shù)據(jù)可靠。對(duì)比兩套系統(tǒng)站點(diǎn)分布圖(圖1)可知，造成區(qū)域F閃電密度差異的原因是二維系統(tǒng)在上述區(qū)域站點(diǎn)密度較小，探測(cè)效率理論上達(dá)到85%，難以監(jiān)測(cè)到全部地閃。

4.4.2 云閃水平空間分布

圖9為二維系統(tǒng)地閃落區(qū)、密度圖。從圖9a可以看出，三維系統(tǒng)正、負(fù)云閃交錯(cuò)分布。閃電集中分布于鄂西南至鄂東北西部一線，與三維系統(tǒng)地閃落區(qū)基本一致。從圖9b可以看出，三維云閃密度最大值為2.3 fl/(km2·d)，大于2.0 fl/(km2·d)的密度值有2個(gè)，大于1.4 fl/(km2·d)的密度值有11個(gè)，主要分布在區(qū)域B、D、A，區(qū)域C、E、F的閃電密度小于1 fl/(km2·d)，最大值為0.5 fl/(km2·d)。對(duì)比地閃密度分布情況可知，三維云閃密度大小與二維地閃相當(dāng)，分布特征與三維地閃一致。

圖9 三維系統(tǒng)云閃落區(qū)(a)、密度(b)分布圖

對(duì)比天氣形勢(shì)分析圖(圖2)和閃電分布情況(圖7、8、9)，本次過程兩套閃電定位系統(tǒng)地閃密集區(qū)基本一致，且和云閃密集區(qū)基本重合，均呈西南-東北走向分布，主要分布在槽前正渦度區(qū)，主要包括27日850 hPa暖式切變線尾部的南側(cè)與27日20時(shí)低空急流出口區(qū)之間(區(qū)域A)、27日08時(shí)低空、超低空急流出口區(qū)左側(cè)(區(qū)域C、E)、700 hPa與850 hPa暖式切變線尾部之間(區(qū)域B)。上述部分結(jié)論與李建華等[36,38]結(jié)論一致。此外在黃岡市中部(區(qū)域D)和東南部(區(qū)域F)的山地迎風(fēng)坡閃電密度也較大，主要是因?yàn)橛L(fēng)坡山地地形的抬升作用，不僅有利于觸發(fā)對(duì)流，也可使對(duì)流增強(qiáng)。

4.4.3 云閃垂直空間分布

為了了解本次過程垂直方向上閃電的活動(dòng)特征，以1 km為單元，統(tǒng)計(jì)各高度層發(fā)生的云閃數(shù)量，分析結(jié)果如圖10所示。本次過程云閃高度在0.39～29.38 km，主要發(fā)生在10 km以下，占總云閃的72.64%，其中2～4 km云閃分布密集，占總云閃的47.24%，21 km以上的云閃頻數(shù)占總云閃頻數(shù)的8.66%，各高度層上的總云閃頻數(shù)均不足100次。正云閃和負(fù)云閃頻數(shù)與總云閃頻數(shù)的變化趨勢(shì)一致。各高度層的負(fù)閃頻數(shù)均大于正閃頻數(shù)，17 km以下負(fù)云閃占比變化幅度較小，最大值為56.38%，最小值為64.52%，平均值為60.68%，17 km以上負(fù)閃占比變化幅度略有增大。

圖10 三維系統(tǒng)云閃高度分布圖

5 小結(jié)與討論

本次過程是一次發(fā)生在副熱帶高壓外圍，由高空槽、中低層切變線、低空急流和梅雨鋒共同作用下的強(qiáng)對(duì)流過程，天氣形勢(shì)和環(huán)境條件均有利于區(qū)域性雷電發(fā)生。分析三維(ADTD-2C)和二維(ADTD)閃電定位系統(tǒng)的閃電時(shí)空分布特征及差異，得出以下結(jié)論。

(1)本次過程地閃多于云閃，無論云閃還是地閃，均以負(fù)極性為主。三維系統(tǒng)正地閃在地閃中的占比，低于正云閃在云閃中的占比，高于二維系統(tǒng)正地閃在地閃中的占比，二維系統(tǒng)正地閃占比明顯高于其多年統(tǒng)計(jì)值。

(2)三維系統(tǒng)雷電流幅值分布較集中(0～30 kA)，二維雷電流分布相對(duì)分散(10～50 kA)，三維系統(tǒng)的雷電流幅值累積概率較湖北省多年統(tǒng)計(jì)值明顯偏小，二維系統(tǒng)的雷電流幅值累積概率略高于多年統(tǒng)計(jì)值，與統(tǒng)計(jì)值分布趨勢(shì)一致性更好。

(3)兩套系統(tǒng)總地閃和負(fù)地閃活躍時(shí)段基本一致。大部分時(shí)段內(nèi)，三維系統(tǒng)閃電頻數(shù)較二維系統(tǒng)多、負(fù)地閃在地閃中的占比數(shù)值和變幅均較二維系統(tǒng)小。正、負(fù)云閃和總云閃峰值出現(xiàn)時(shí)段與地閃相同，且該時(shí)段云閃頻數(shù)在總云閃中占比增加。

(4)本次過程兩套閃電定位系統(tǒng)地閃密集區(qū)基本一致，且和云閃密集區(qū)基本重合，閃電分布集中程度高，主要分布在槽前正渦度區(qū)。三維系統(tǒng)地閃密度大于二維系統(tǒng)，最大值分別為5.78 fl/(km2·d)和2.39 fl/(km2·d)。三維系統(tǒng)中正、負(fù)閃電交錯(cuò)分布，二維系統(tǒng)中正負(fù)地閃空間分離現(xiàn)象明顯。云閃密度數(shù)值與二維地閃相當(dāng)、分布特征與三維地閃一致。

(5)本次過程云閃主要發(fā)生在10 km以下，占總云閃的72.64%，其中2～4 km云閃分布密集，占總云閃的47.24%，21 km以上云閃較少發(fā)生。各高度層的負(fù)閃頻數(shù)均大于正閃頻數(shù)，17 km以下負(fù)云閃占比變化幅度較小，平均值為60.68%，17 km以上負(fù)閃占比變化幅度略有增大。

對(duì)于兩套系統(tǒng)有明顯分歧的地閃落區(qū)，需要結(jié)合雷達(dá)、降水等觀測(cè)資料和雷災(zāi)事件進(jìn)行驗(yàn)證。雷暴云中的閃電活動(dòng)受到天氣系統(tǒng)、環(huán)境條件等多種因素影響，每次過程的時(shí)空分布特征不盡相同，今后工作中將積累更多不同類型系統(tǒng)影響下的個(gè)例，對(duì)兩套系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)一步揭示湖北省閃電活動(dòng)特征，并為閃電定位系統(tǒng)的校驗(yàn)、升級(jí)提供參考依據(jù)。

致謝：湖北省防雷中心王學(xué)良研究員級(jí)高級(jí)工程師、宜昌市氣象局羅劍琴研究員級(jí)高級(jí)工程師和李芳高級(jí)工程師對(duì)本文撰寫提供了指導(dǎo)和幫助，謹(jǐn)致謝忱！