泰安地區(qū)地閃時空分布特征

孫麗娜

（泰安市氣象局，山東　泰安　271000）

泰安地區(qū)地閃時空分布特征

孫麗娜

（泰安市氣象局，山東泰安271000）

利用泰安地區(qū)2007—2014年的地閃資料，研究該區(qū)域范圍內(nèi)地閃時空分布特征及其規(guī)律。結(jié)果表明：泰安地區(qū)負地閃比例為 98.54%，遠大于正地閃比例1.46%；地閃活動的空間分布總體表現(xiàn)為東部多于西部、山地多于平原；地閃夏季發(fā)生最多，春季次之，再次秋季，冬季最少；負地閃、總地閃8月份最多，正地閃7月份最多；地閃的日變化曲線總體不具有明顯的峰谷型；正地閃平均電流強度為24.15kA，明顯大于負地閃平均電流強度9.92kA；正地閃電流強度主要集中分布在 10～20kA，其次為 20～30kA，負地閃電流強度主要集中分布在-10～0kA，其次為-20～-10kA。

地閃活動；地閃密度；地閃強度

引言

閃電是雷暴云能量釋放過程中一種強烈的大氣放電現(xiàn)象。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高科技電子、通訊等設(shè)備的廣泛應(yīng)用，雷暴所造成的災(zāi)害越來越多。研究閃電活動規(guī)律，對防雷減災(zāi)具有重要意義［1-4］。孫景群通過分析氣象臺站的雷電資料，得出了中國雷暴活動的地理分布特征和時間變化特征［5］。Reap等通過對 1985和 1986年兩年4—9月美國強風暴實驗室（NSSL）的閃電定位資料進行分析，給出了該地區(qū)閃電的時空分布特征，提供了該地區(qū)雷電防護的依據(jù)［6］；Christian等利用衛(wèi)星探測器光學(xué)瞬態(tài)探測器（OTD）觀測全球閃電密度分布，發(fā)現(xiàn)當今全球每一秒鐘平均發(fā)生46次閃電，而中國平均每分鐘發(fā)生77次閃電［7］；馮桂力等利用1998—2000年山東地區(qū)閃電探測資料對部分城市市區(qū)閃電密度的統(tǒng)計分析表明，魯中地區(qū)的城市應(yīng)該加強防雷工作［8］。中國是雷暴多發(fā)的國家之一，泰安地區(qū)雷暴日數(shù)在全國屬于中等［5，9］。有學(xué)者對泰安地區(qū)雷暴做了一些研究［10-12］，陳善炳統(tǒng)計得出泰山1954—1996年年平均雷暴日數(shù)為31.1d，年際變化在17～45d之間，6—8月份占全年的83.6%，7月份最多，占全年的40%；賈漢奎等利用1953—2010 年地面觀測資料分析得出，泰安雷暴日數(shù)總體呈下降趨勢，年平均雷暴日數(shù)為 31.3d，一年中只有 1月份沒有雷暴，7月份最多，午后到上半夜是雷暴的多發(fā)時段。

此文利用閃電定位資料對泰安地區(qū)的地閃時空分布特征進行分析，以期為泰安地區(qū)地閃活動的監(jiān)測與防雷減災(zāi)工作提供理論支持。

1　資料來源和分析方法

所用資料由山東省氣象局閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)（LD-II）提供，時間為2007—2014年。該系統(tǒng)采用定向時差綜合定位技術(shù)，主站設(shè)在山東省氣象局數(shù)據(jù)處理監(jiān)控中心，13個子站分別設(shè)在煙臺龍口、威海榮成、青島即墨、日照、臨沂蒙陰、臨沂郯城、濰坊昌邑、濱州沾化、德州夏津、濟南章丘、泰安東平、濟寧魚臺、菏澤東明，覆蓋山東全省。定位系統(tǒng)對探測數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化處理后提供每個閃電發(fā)生的時間、經(jīng)緯度、電流強度、極性等參數(shù)［13］。

把時間間隔小于330ms、空間間隔小于10km的所有回擊定義為一次閃電［14］。研究區(qū)域為泰安地區(qū)及其周圍少部分區(qū)域，將35°38′～36°28′N和116°02′～117°59′E之間的區(qū)域分成0.01o×0.01o的網(wǎng)格，然后統(tǒng)計每個格距范圍內(nèi)的地閃總數(shù)，用每個網(wǎng)格中的地閃總數(shù)除以該網(wǎng)格區(qū)域的國土面積，得到該網(wǎng)格區(qū)域的平均地閃密度，單位為次·km-2·a-1。

2　地閃概況

表1給出了2007—2014年探測到泰安地區(qū)的227550個地閃的平均特征。從表中看出，所探測到的地閃中，大部分為負極性閃電，占98.54%，正極性閃電僅占 1.46%。正地閃的平均強度為24.15kA，負地閃的平均強度為9.92kA，總地閃的平均（絕對值）強度為10.13kA，正地閃的平均強度明顯大于負地閃。其原因可能是由于負閃發(fā)生機會明顯高于正閃，致使云中負電荷所造成的電場強度還沒有達到很高，云地放電就發(fā)生了［4］。

表1　2007—2014年地閃的總體特性

3　地閃密度空間分布

地閃密度是閃電防護最重要的參數(shù)之一，能夠直接反映研究區(qū)域內(nèi)地閃的空間分布特征。圖1給出了泰安地區(qū) 2007—2014年平均地閃密度分布特征，可以看出泰安地區(qū)正地閃年平均密度為 0.02次·km-2·a-1（圖 1a），負地閃年平均密度為 1.38次·km-2·a-1（圖1b），總地閃年平均密度為 1.40次·km-2·a-1（圖 1c）。泰安地區(qū)地閃活動的空間分布特征總體表現(xiàn)為東部多于西部，山地多于平原，新泰市、泰安市多于肥城市、寧陽縣、東平縣的特點。由于泰安市、新泰市境內(nèi)山脈（泰山、徂徠山、蓮花山等）較多，山脈南坡日射強，增溫快，易造成午后空氣層結(jié)的熱力不穩(wěn)定，有冷空氣下來時，抬升熱空氣使對流發(fā)展，易于雷暴天氣的形成，而肥城市、寧陽縣和東平縣地勢相對平坦，地閃密度相對較小。

圖1　2007—2014年泰安地區(qū)年平均正地閃（a）、負地閃（b）、總地閃（c）密度分布（單位：次?km-2?a-1）

4　地閃次數(shù)變化

4.1地閃活動年際變化

圖2給出泰安地區(qū)不同極性地閃年際變化：2010年負地閃次數(shù)、總地閃次數(shù)最多，分別為43815次（占負地閃總數(shù)的19.54%）和44266次（占總地閃數(shù)的19.45%）；2014年負地閃次數(shù)、總地閃次數(shù)最少，分別為 2858次（占負地閃總數(shù)的1.27%）和3178次（占總地閃數(shù)的1.40%）。2007年正地閃次數(shù)最多，為600次（占正地閃總數(shù)的18.12%）；2009年正地閃次數(shù)最少，為220次（占正地閃總數(shù)的 6.64%）。正地閃與負地閃發(fā)生次數(shù)年際變化趨勢并不一致。

圖2　 2007—2014年泰安地區(qū)地閃年際變化

4.2地閃活動季節(jié)變化

泰安地區(qū)地閃活動的季節(jié)性分布特征明顯，夏季最多，正地閃占71.04%，負地閃占88.48%，總地閃占88.23%；春季次之，正地閃占23.68%，負地閃占8.65%，總地閃占8.86%；再次是秋季；冬季地閃發(fā)生的次數(shù)最少。正負地閃季變化趨勢相同，負地閃季節(jié)變化更明顯。夏季，西風帶中的冷空氣與副熱帶高壓西北邊緣暖濕氣流疊加，造成大氣不穩(wěn)定，產(chǎn)生強對流，易于形成雷暴。

4.3地閃活動月變化

泰安地區(qū)地閃活動月變化特征明顯，圖3為泰安地區(qū)地閃平均月變化圖，8月是泰安地區(qū)對流活動最旺盛、地閃活動最頻繁月份，平均總地閃次數(shù)為12918.25次（占45.42%）；其次是7月，平均總地閃次數(shù)8154.25次（占28.67%）；再次是 6月，平均總地閃次數(shù)約為 4023.00次（占14.14%）。負地閃月變化與總地閃月變化趨勢大致相同，8月最多，負地閃平均次數(shù)為12837.63次（占45.80%）；其次是7月，約為8016.13次（占28.60%）；再次是6月，平均為3947.75次（占14.08%）。正地閃月變化曲線比負地閃月變化曲線平緩，正地閃活動最為頻繁的月份是7月，為138.13次（占33.37%），其次是8月，為80.63次（占19.48%）；再次是6月，為75.25次（占18.18%）。

圖3　2007—2014年泰安地區(qū)地閃月變化

4.4地閃活動日變化

為了分析地閃的日變化規(guī)律，分別統(tǒng)計了23:30—00:30（不包含23:30，包含00:30，下同），00:30—1:30，01:30—02:30，…，和22:30—23:30（北京時，下同）中每個時段 2007—2014年累計地閃的總數(shù)，同時計算出每個時段相應(yīng)的百分率。結(jié)果表明：地閃的發(fā)生存在明顯的日變化，總體上不具有明顯的峰谷型。正地閃最大值和次大值分別出現(xiàn)在 22:00和 17:00，最小值和次小值分別出現(xiàn)在 13:00和 14:00；負地閃最大值和次大值分別出現(xiàn)在 21:00和 20:00，最小值和次小值分別出現(xiàn)在11:00和12:00；總地閃最大值和次大值分別出現(xiàn)在 21:00和 22:00，最小值和次小值分別出現(xiàn)在11:00和12:00。從正負地閃峰值和谷值出現(xiàn)的時間上分析，負地閃的峰值和谷值總體在時間上早于正地閃的峰值和谷值。

5　地閃強度變化

5.1地閃強度極大值與平均值

為了分析強度分布，首先統(tǒng)計了正負地閃電流強度的逐年最大值、發(fā)生時間、位置（表2）及地閃的平均強度（表 3）。正地閃電流強度的逐年最大值區(qū)為50～130kA，5—10月都出現(xiàn)過最大值，正地閃極值為125.12kA，出現(xiàn)在2011 年8年16日，泰安市泰山區(qū)泰前街道三合社區(qū)西南方向；負地閃電流強度逐年最大值區(qū)為-110～-40kA，集中分布在7—8月，負地閃極值為-106.80kA，出現(xiàn)在2012年7月9日，泰安市東平縣接山鎮(zhèn)中套村西北方向。由于統(tǒng)計樣本的年份較短，正負地閃最大值在地理位置上的分布規(guī)律不明顯。

表2　2007—2014年地閃的最大強度

正地閃的平均強度遠大于負地閃的平均強度，正負地閃平均強度的年際變化不大。2007年正地閃平均強度最大為26.11kA，2011年正地閃平均強度最小，為23.10kA；2013年負地閃平均強度絕對值最大，為11.02kA，2012年負地閃平均強度絕對值最小，為8.72kA。

表3　2007—2014年地閃的平均強度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 kA

5.2不同等級地閃強度的概率分布

將全部地閃按照電流強度小于等于-110kA，-110～-100kA（不包含-110kA，包含-100kA，下同），…，-10～0kA，0～10kA…，120～130kA，大于130kA分為26個等級，統(tǒng)計出各強度等級地閃的數(shù)量，并統(tǒng)計出對應(yīng)的百分率（圖4），為了便于在圖上呈現(xiàn)，負地閃采用絕對值。

圖4　2007—2014年地閃不同強度等級分布

正地閃電流強度分布主要集中在 10～20kA，共發(fā)生 1373次（占 41.47%），其次為20～30kA，共發(fā)生1262次（占38.12%）；負地閃電流強度分布主要集中在-10～0kA，共發(fā)生132581次（占 59.25%），其次為-20～-10kA，共發(fā)生 75534次（占 33.68%）；總地閃電流強度（負地閃采用絕對值與正地閃累計）分布主要集中在 0～10kA，共發(fā)生 132889次（占58.40%），其次為 10～20kA，共發(fā)生 76907次（占33.80%）。

6　結(jié)論和討論

（1）2007—2014年泰安地區(qū)共探測到227550個地閃，負地閃占98.54%，正地閃占1.46%；正地閃次數(shù)2007年最多，2009年最少；負地閃次數(shù)和總地閃次數(shù)2010年最多，2014年最少。

（2）地閃活動的空間分布與地形有關(guān)，總體表現(xiàn)為東部多于西部，山地多于平原，新泰市、泰安市多于肥城市、寧陽縣、東平縣的特點。

（3）地閃季節(jié)分布夏季最多，春季次之，再次是秋季，冬季最少；負地閃、總地閃8月份最多，正地閃7月份最多，正地閃月變化曲線比負地閃月變化曲線平緩；地閃的日變化明顯，總體上不具有明顯的峰谷型。

（4）正地閃電流強度主要集中分布在 10～20kA，其次為20～30kA，平均強度為24.15kA；負地閃集中分布在-10～0kA，其次為-20～-10kA，平均強度為9.92kA；總地閃的平均（絕對值）強度為10.13kA。正地閃電流強度的逐年最大值區(qū)為50～130kA，在5—10月都出現(xiàn)過最大值；負地閃電流強度逐年最大值區(qū)為-110～-40kA，集中分布在7—8月，正負地閃最大值在地理位置上的分布規(guī)律不明顯。

該文數(shù)據(jù)統(tǒng)計僅限于矩形的區(qū)域內(nèi)，對于泰安地區(qū)邊界地閃數(shù)據(jù)的排除還需要做進一步研究，統(tǒng)計過程中僅排除了地閃的回擊，沒有排除地閃的誤測。

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P427.3

B

1005-0582（2016）02-0048-06

2015-11-04

孫麗娜（1982—），女，山東成武人，本科，工程師，主要從事雷電防御工作。