吴安坤， 吴仕军 ， 曾 勇， 张淑霞

（1.贵州省防雷减灾中心，贵阳 550081；2.成都信息工程大学 大气科学学院，成都 610225）

云贵高原闪电活动特征分析

吴安坤1，2， 吴仕军1， 曾 勇1， 张淑霞1

（1.贵州省防雷减灾中心，贵阳 550081；2.成都信息工程大学 大气科学学院，成都 610225）

利用全国雷电监测定位系统监测的地闪资料，分析云贵高原云地闪时空分布特征，结果表明：云贵高原以负极性闪电为主，占95%左右，闪电活动主要集中在全年的3-9月、全天的13点至第二天凌晨4点，而正极性闪电频数比例却集中在总闪低发月、时段，分别占同期总闪数的25.9%和11.5%，远高于年均比例5%；不同季节、时段闪电密度均存在地域性差异，整体呈现中部高于西部、东部；雷电流幅值概率分布曲线呈现正偏态分布，正极性闪电峰度、偏度较小，较负极性变化缓慢，进一步拟合幅值累积概率分布曲线，拟合优度达0.996 3。

云贵高原；闪电活动；时空分布；幅值概率

0 引言

闪电是指积雨云中不同极性荷电中心之间的放电过程，或云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程，或云中荷电中心与云外大气不同极性大气体电荷之间的放电过程[1]。冲击电流大、放电时间短、电磁辐射强等特点，严重影响着电力、通信、交通、航空、金融等诸多行业，给人类的生命财产安全带来严重的威胁，已被国际电工委员会称为“电子时代的一大公害”，成为联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。因此，深入研究闪电活动规律对开展雷电预警和防护工作显得尤为重要。

近十几年来，随着闪电探测手段和技术的进度，特别是星基、地基的闪电探测技术获得较快的发展，并积累了大量闪电探测资料，为进一步认识全球或区域闪电活动特征方面发挥了重要作用。袁铁[2]等利用OTD/LIS 8年闪电资料，按照闪电活动频繁程度将中国分为4个闪电活动带，其中东南近海区域是我国闪电活动最频繁的地区，并逐渐向西北地区减弱。然而在灾害性天气监测、预警等方面，地基因其较高的分辨率体现出较好的优越性，在许多国家和地区都得到了较快的发展和应用。比如美国的NLDN地闪定位系统，多年来获得了大量的闪电观测数据，对分析美国乃至北美的闪电活动特征方面发挥了重要作用。Richard E.Orvil等[3]通过分析国家闪电监测网数据，发现正闪比例月变化较明显，范围从4%（8月）到17%（12月），而数峰值出现在6月和7月；闪电活动逐时变化在12点至20点达到峰值，而水域附近的地方，闪电活动一般在晚上至早晨达到最大值。国内随着全国雷电监测定位系统的建成和闪电数据的积累，许多学者对闪电活动特征做了大量的统计分析，归纳了不少区域性的闪电活动规律。王娟[4]等分析了全国闪电活动特征，发现呈现地域性、时间性差异，指出总体分布南部比北部多，东部沿海比西部内陆多；闪电白天主要发生在江浙以及广东沿海一带，夜间则主要发生在云贵、川渝内陆地区。张文煜[5]等、王学良[6]等、李家启[7]等、林志强[8]等分别研究了山东、湖北、重庆、西藏地区闪电活动的极性分布、日变化、月变化，闪电密度、强度分布，同一地区不同区域闪电活动也存在很大的差异。

云贵高原位于青藏高原东南侧，属低纬高原，境内地形复杂；同时受青藏高原热力作用和东亚季风的共同影响，具有海拔高、立体气候明显的特征[9]，属气候垂直变化显著的低纬高原季风气候。虽然我国对闪电活动特征做了大量的分析研究，但至今未见对云贵高原作相关的报道。据此，笔者应用全国雷电监测定位系统分布在滇、黔两省的35个子站所监测的近3年（2013—2015年）闪电资料，分析云贵高原云地闪时空分布特征及雷电流幅值分布规律，旨在探清高原地区闪电活动规律，为雷电灾害防御及工程防护提供参考依据。

1 资料来源

文中所用的闪电资料来源于全国雷电监测定位系统ADTD，该系统具有全自动、大范围、高精度、实时监测闪电等特点。其原理是采用遥测法，利用闪电发生的电磁波辐射，采用TOA/MDF算法通过多站对辐射源进行联合定位，记录闪击发生的时间、经纬度位置、强度、极性、陡度等。目前黔、滇两省站点布置共35个，已基本覆盖整个云贵高原。针对TOA/MDF原理监测的闪电记录，Cummins K L[10]提出将探测到时间间隔不大于330 ms、空间间隔不超过10 km的回击定义为一次闪电，文中使用的监测数据以此进行质量控制。

2 时间分布

经统计，云贵高原2013—2015年共发生云地闪（CG）2 884 659 次，其中正闪（PCG）144 332 次，仅占5%。这与雷暴云中电荷结构大致呈现上正下负有关，负电荷接近地面更易于对地进行大规模的放电。

2.1 日变化

云贵高原闪电日变化逐时均有闪电发生，云地闪CG日变化呈现“单峰单谷”变化，闪电频次低值区出现在正午前的5 h内，10点达到最小值，13点候呈现上升趋势，17点达到一天中的最大值，见图1（a），这与郄秀书[11]等研究青藏高原的闪电活动峰值出现在17点一致。正地闪PCG大致呈现“准单峰单谷”，闪电频次谷值出现在11点，峰值约为谷值的6倍，且峰值较CG滞后7个小时至0时，见图1（c）。PCG比例高值区出现在早晨8点至10点，该时段闪电活动较弱，CG频次为一天中的低值区；随后迅速下降至极值点14时，较CG峰值点提前3 h；这可能与高原大气辐射有关，午后至傍晚受到太阳辐射的加热作用，下垫面温度升高，结合温差起电机制[1]，负离子向热端运动，致使更多的负电荷堆积，闪电通道建立后，更多的负电荷运输至地面，PCG的比例急剧减少。全天各时段平均正闪强度均大于负闪，此结果与诸多学者的结果一致，主要是由于负闪发生的机会多于正闪，而云中电荷守恒，单次正闪的强度就比负闪强[12]。

2.2 月变化

云贵高原闪电月变化逐月均有闪电发生，云地闪CG月变化呈现“双峰”变化，主要集中在3—9月，占总闪电频数的96.6%；夏季太阳直射点北移，太平洋水汽源源不断地输送至高原，形成的暖湿气流上升易于强对流天气的形成，不稳定能量的增强为雷暴天气的产生提供了必要条件，闪电高发月分布在6—8月，闪电频次均达400 000次，见图2（a）。正地闪PCG月变化呈现“多峰”变化，高发月较CG分散，集中在3—8月，占总闪电频数的92.2%；而正闪频数占总闪的比例随月份呈现“单峰”变化，峰值区域集中在11月到下一年的2月，分布在冬季，占25.9%，远高于年均比例5%，其原因是发生冬季雷暴时，由于较强的风切变，使雷暴云中上正下负的偶极电荷结构倾斜，从而使处于云上部的正电荷较易对地发生放电[13]。此外，全年逐月平均正闪强度均亦大于负闪，可达负闪强度的2倍，见图2（b）。

图1 云贵高原闪电逐时变化Fig.1 The hourly variation of the Yunnan-Guizhou plateau lightning

图2 云贵高原闪电逐月变化Fig.2 The monthly variation of the Yunnan-Guizhou plateau lightning

3 空间分布

地闪密度是指单位面积内的闪电次数，表征闪击放电频繁程度。M.Suzuki[14]提出地闪密度为雷电定位系统监测的闪电次数除以统计面积。由图3可见，云贵高原闪电密度分布呈地域性差异，高值区分布呈现片状分布，整体呈现中部高于西部、东部；由于变性的极地大陆气团和西南气流受云贵高原地形阻滞，形成滇黔准静止锋常年活动于贵阳至昆明之间，造成云贵高原闪电活动集中在哀牢山及乌蒙山以东的大部分区域，闪电密度可达 5.91次/（km·a）。

图3 云贵高原年均闪电密度分布（单位：次/（km·a）)Fig.3 The average lightning density distribution of Yunnan Guizhou Plateau

3.1 季节变化

云贵高原闪电频繁程度存在显著的季节性变化，闪电活动主要发生在夏季，年平均闪电密度可达4.6次/km2，春季次之，秋季显著减弱，而冬季年平均闪电密度低至0.14次/km2，为全年最弱。此外，不同季节闪电密度存在区域性差异，春季在高原东部，贵州省的大部分区域存在高密度区；春末受西太平洋副高北上及东亚季风的影响，整个春节在贵州东南部黎平、从江、榕江、荔波等地出现最大值，其他区域大部分均为低值密度区，见图4（a）。夏季属闪电高发季节，闪电密度高且分布面较广，随着西南季风和副高的共同推进，闪电高发区逐渐向西北推进，位于高原中部区域；最大值区域也随之西移，出现在云南昆明、丽江东南部及昭通西北部，闪电密度值在2.69次/（km·a），见图4（b），这可能与局地地形环境的影响有关。到了秋季，副高逐渐退去，西南季风也随之减弱，高原主要受大陆干燥性气团控制，热力和水汽条件减弱，闪电密度显著减小，最大闪电密度小于1.30 次/（km·a），出现在贵州黔西南北部、云南曲靖南部区域，见图4（c）。冬季云贵高原闪电活动显著减少，闪电密度低且分布区域较小，集中分布在高原东北部和西南部，最大值区域位于贵州北部遵义地区，最大地闪密度低至 0.15 次/（km·a），见图4（d）。

图4 云贵高原地闪密度季节变化（单位：次/（km·a）)Fig.4 Seasonal variation of the Yunnan Guizhou plateau ground flash density

3.2 时段变化

受太阳辐射和地形变化的影响，云贵高原闪电频繁程度呈现显著的时段性及地域性变化，见图5。闪电活动主要发生在下午（14—19时），闪电密度可达 3.65 次/（km·a），高值区分布在高原中部，最大值位于云南昆明、昭通等地；20点至次日1点次之，闪电活动频繁程度整体向东偏移，但高值区虽仍位于高原中部附近；后半夜显著减弱，高密度区基本移至贵州境内，位于贵州的东南部，最大闪电密度可达 1.13 次/（km·a）；而上午（08—13 时）最大闪电密度低至0.50次/km2，为全天最弱，高密度区主要分布在哀牢山以东及贵州中部、东部区域。

4 幅值分布

图5 云贵高原地闪密度时段变化（单位：次/（km·a））Fig.5 Period variation of the Yunnan Guizhou Plateau ground flash density

云贵高原正（PCG）、负（NCG）极性闪电及总闪（CG）幅值均值分别为 61.72 kA、40.00 kA、42.05 kA。其中NCG及CG集中分布在10～75 kA，约占91.2%；而PCG分布较NCG、CG更为扁平，主要集中在10～115 kA。进一步分析近3年雷电流幅值分布，正、负极性闪电及总闪均呈现先上升后下降的分布规律，幅值概率分布均呈现正偏态分布，峰值点分布为37 kA、26 kA、26 kA。负极性闪电占总闪的95%左右，两者幅值分布基本呈现一致；正极性闪电峰度较小，较负极性、总闪变化缓慢，见图6（a）。

同时，雷电流幅值累积概率分布是雷电活动重要的参数之一，在绕击和反击防雷计算中占据十分重要的位置[15]。 根据 Pobolansky[16－17]、CIGRE[18]及 IEEE工作组[19]分别提出雷电流幅值累积概率表达式，结合其特点，归纳表达式为 PI=1/[1+（I/a）b]。 据此，对幅值累积概率分布进行拟合，得云贵高原雷电流幅值累积概率计算公式：拟合优度R=0.996 3，残差平方和 RSS=0.000 2，拟合效果很好，结合图6（b）看出，拟合曲线与实际监测值基本一致。

5 结论

基于全国雷电监测定位系统获取的闪电资料，分析云贵高原云地闪时空分布特征及雷电流幅值分布规律，得如下结论：

图6 雷电流幅值分布Fig.6 The distribution of lightning current amplitude

1）云贵高原以负极性闪电为主，占95%左右。闪电活动主要集中在全年的3—9月、全天的13—04时，其中6—8月、15—20时为高发期；随着闪电活动的减弱，正极性闪电频数比例却增大，峰值区域集中在11—2月、05—11时，分布占同期总闪数的25.9%、11.5%，远高于年均比例5%。

2）高原闪电密度存在地域性差异，整体中部高于西部、东部；闪电活动频繁程度随夏、春、秋、冬季依次呈现季节性递减，而时段变化有强到弱依次为下午、前半夜、后半夜、上午。

3）不同季节、时段闪电密度均存在地域性差异。春季多发生在云贵高原东部，贵州的大部分地区，夏秋季节向西部移动，集中分布在高原中部，后冬季移至高原东部，贵州东部和北部区域；上午多发生在云南中部和贵州中北部，随后下午到前半夜多发生在高原中部。

4）拟合云贵高原雷电流幅值累积概率计算公式，拟合优度达0.996 3；幅值概率分布曲线呈现正偏态分布，正极性闪电幅值分布概率曲线峰度较小，较负极性变化缓慢。

由于文中的闪电资料来源于全国雷电监测定位系统，该系统监测的闪电数据采用二维定位，即不能监测云闪，必定导致数据不完整。因此，在后续的工作中将考虑结合热带测雨卫星（TRMM）闪电成像传感器（LIS）记录的1995年至今的闪电成像信息，弥补云闪资料缺失的同时，增加闪电资料时间序列，从而得到更为全面的结论。

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Analysis of the Characteristics of Lightning Activities in Yunnan Guizhou Plateau

WU Ankun1，2， WU Shijun1， ZENG Yong1， ZHANG Shuxia1
（1 Guizhou Lightning Protection and Disaster Reduction Center，Guiyang 550081，China;2.College of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Using the cloud-to-ground lighning data in the National Lightning Monitoring and positioning system，Yunnan Guizhou Plateau space-time distribution characteristics of cloud to ground lightning were analyzed， the results show that:Yunnan-Guizhou Plateau is mainly negative lightning，accounting for about 95%，and lightning activities are mainly concentrated in March to September，13pm-4am ，While the number of positive lightning frequency is concentrated in the total low month，period of time，respectively，the total number of flash in the same period of 11.5%，25.9%，much higher than the average annual rate of 5%.There are regional differences in different seasons and time periods，and the overall presentation is higher than that in the West and the East.The amplitude probability distribution curve of the lightning current is presented with normal distribution，positive lightning kurtosis and skewness is small， and changing slowly compared with negative polarity， further amplitude fitting cumulative probability distribution curve，the goodness of fit degree of 0.996 3.

the Yunnan-Guizhou plateau； lightning activity； space-time distribution； probability amplitude

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.015

2015-12-12

吴安坤 （1986—），男，工程师，现从事雷电科学与防护技术研究。