武汉市云地闪电时空分布特征分析

武汉市云地闪电时空分布特征分析

高琪清 1 李楚雄 2 黄天利 1 黄静 1 陈蕾蕾 1

1 湖北省武汉经济技术开发区（汉南区）气象局，湖北 武汉 430000

2 湖北省远安气象局，湖北 宜昌 443000

摘要：利用2019～2021年湖北省三维闪电定位系统的云地闪电资料，分析了武汉市云地闪电时空分布特征。结果表明：武汉市云闪、地闪次数均呈逐年增多趋势，云闪增多趋势更为明显，云闪次数略多于地闪；正闪电占比少，总正闪比为27.4%；闪电的月变化特征呈双峰型分布，5～8月闪电最为频繁，总闪和云闪次数均为5月最多；武汉市一天之内的任一时刻都有可能发生闪电，云地闪电活动日变化趋势基本一致，表现为“单峰单谷”特征，最高峰出现在15时，次日11时达最小值，最大值是最小值的10倍左右；武汉市闪电空间分布特征为东多西少、南多北少，主城区的密度总体高于远城区，新洲区闪电密度为各区之首。

关键词：武汉；三维闪电；闪电密度；特征分析

引言

闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内部的放电现象，多发生积雨云中，具有放电时间短、电流强度大等特点^[1]。云对地闪电对人类活动危害最大，能够直接造成人员伤亡、建筑物、电子设备损坏，同时极易造成易燃易爆场所因电火花引发的火灾及爆炸等安全事故^[2]。近年来，国内外学者对闪电活动特征进行了大量的研究，与此同时基于VLF/LF三维闪电定位系统在全国范围内的应用，有效解决了之前雷电监测网只能探测地闪，不能探测云闪以及不能对云闪高度三维定位的问题^[3]。阳宏生等利用ADTD-2C型三维闪电定位系统分析了广西省闪电时空分布规律和雷电流特征^[4]；丁旻、朱晶晶^[5-6]等利用VLF/LF三维闪电定位系统分别分析了贵州和海南岛不同年份的闪电特征；王学良等研究了湖北地区云地闪时空分布及其雷电特性^[7]。这些研究主要以省级区域为研究对象，随着城市化进程的加快，人口越来越集中到城市，对单个城市小尺度闪电时空分布特征的研究变得尤为必要。本文以武汉市为例，利用三维闪电定位系统资料，分析武汉市全区域的云地闪电时空分布特征，以期为武汉市雷电灾害防御提供科学理论依据。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本文数据来源于湖北省三维闪电定位系统，该系统由全省19个VLF/LF三维闪电探测站组成闪电监测站网、雷电数据处理中心站及对应数据处理、图形显示、闪电数据库组成。采用空间定位算法根据接收到的多站点探测数据，进行相关性分析并计算出闪击位置，完成三维位置解算，返回正云地、负云地、正云闪、负云闪发生的时间、极性和经纬度等参数^[1]。

1.2 方法

本文选取2019～2021年武汉市全区域的云地闪电资料，剔除了雷电流幅值绝对值小于2 kA和大于200kA以上的资料。利用收集、整理后的数据统计武汉市闪电空间分布和时间分布。空间特征比较时划分为主城区和远城区两部分；分析日变化特征时，将每个时次发生的闪电次数定义为前一个时次至当前时次发生的次数之和。

2 闪电时间分布特征

2.1 总体特征分析

对2019～2021年三维闪电定位系统数据进行统计，从表1可以看出：武汉市云闪和地闪次数均呈逐年增多趋势，云闪次数的增多趋势更为明显。3a共监测到闪电254045次，其中云闪127365次，占总闪电的50.1%，地闪126680次，占总闪电的49.9%；正闪69614次，负闪184431次，总正闪比27.4%。这主要是大多数积雨云上部带正电荷，云体下部带负电荷，因此，云层与地面之间的放电绝大多数为负闪电，尤其强降水过程负闪占绝对优势。

表1 武汉市闪电总体情况统计表

从表2可以看出，2019～2021年武汉市正云闪占云闪的29.2%，正地闪占地闪的25.2%。相比王学良^[7]等统计的湖北地区正闪电仅占闪电总数3.8%明显偏大，但与阳宏声^[4]、丁旻^[5]统计广西和贵州地区的正闪比差值不大，这主要与使用的闪电数据来源不同有关，三维闪电定位系统相比二维闪电系统探测有更多的正闪击。

表2 武汉市云闪和地闪总体情况统计表

2.2 月变化特征分析

从图1可以看出，2019～2021年武汉市总闪、云闪和地闪次数月变化的整体趋势一致，呈双峰型分布，闪电从3月份开始逐渐增多，5-8月闪电最为频繁，占全年总闪电的82.1%，其主要原因是5-8月空气中的水汽含量较为充沛，对流发展旺盛，有利于雷电的形成。9月以后急剧减少，10月至次年2月仅占全年闪电总数的1.2%，武汉市闪电次数的月变化与湖北省的月变化趋势基本一致。总闪和云闪均为5月最多，这主要和2021年5月连续出现“5.10”和“5.14”极端强对流天气有关，该月闪电次数为3年来单月最多。

图1 闪电次数月变化特征

2.3 日变化特征分析

利用闪电定位资料得到2019～2021年武汉市地闪、云闪逐小时变化分布，从图2可以看出：一天之内的任一时刻都有可能发生闪电，地闪、云闪活动日变化趋势基本一致，表现为“单峰单谷”特征，即高发时段在14时至22时，最高峰出现在15时，分别为11824次和14029次，16时以后开始逐渐减少，至次日11时达到最小值，分别为1281次和1105次，之后闪电次数逐小时快速增加，地闪和云闪次数最大值是最小值的10倍左右，这与湖北省的日变化特征基本一致。

统计资料表明，一天中武汉市闪电主要发生在14-22时，占全天总闪电次数的65.5%，而上午11时雷电活动最弱，其主要原因是白天随着地表不断吸收太阳辐射，午后14时左右气温达到顶峰，近地面空气受热后伴随水汽形成上升运动，到达高空遇冷后形成不稳定层结，垂直方向对流产生的热力条件较好，较易形成闪电。到了夜间，气温出现下降，对流明显减弱，故夜间产生的闪电较少。由此可见，14-22时是武汉市雷电灾害防御的重点时段。

月份

图2 闪电次数的日变化特征

3 闪电空间分布特征

将武汉市划分为2km×2km等面积的网格，根据2019～2021年武汉市各辖区总闪次数得出各网格内的雷击点密度，通过归一化处理后形成武汉市闪电密度空间分布图（图略）显示：武汉市闪电活动总体分布特征为东多西少、南多北少，主城区的密度总体高于远城区，新洲区闪电密度为各区之首。

具体分析来看：远城区的新洲区、黄陂区中部和西部、东西湖区西部、蔡甸区西部、汉南区大部、江夏区大部以及主城区的硚口区、江岸区、青山区、汉阳区、武昌区西部闪电密度相对较高；远城区的江夏区中部、黄陂区北部和东部、东西湖区大部、蔡甸区东部、汉南区中部、江夏区南部和中部以及主城区的武昌区东部、洪山区闪电密度相对较低。不论主城区还是远城区的闪电高密度区均是集中在山体或湖泊、河流等水域附近；主城区的闪电密度总体高于远城区的原因和武汉市城区有众多高建筑物有关，高建筑物的存在可导致其附近地闪活动增多。

4 小结

通过三维闪电定位系统分析了2019～2021年武汉市云地闪电的时空分布特征，得出如下结论：

（1）武汉市云闪、地闪次数均呈逐年增多趋势，云闪增多趋势更为明显，云闪次数略多于地闪，正闪电占比少，总正闪比为27.4%。

（2）武汉市闪电的月变化特征呈双峰型分布，5～8月闪电最为频繁，总闪和云闪均为5月最多，地闪为6月最多；10月至次年2月闪电活动较少。

（3）武汉市一天之内的任一时刻都有可能发生闪电，云地闪电活动日变化趋势基本一致，表现为“单峰单谷”特征，最高峰出现在15时，16时以后开始逐渐减少，至次日11时达到最小值，之后闪电次数逐小时快速增加，地闪和云闪次数最大值是最小值的10倍左右。

（4）武汉市闪电空间分布特征为东多西少、南多北少，主城区的密度总体高于远城区，新洲区闪电密度为各区之首。闪电高密度区集中在山体、高建筑物以及湖泊、河流等水域附近。

参考文献

[1] 张淑霞，吴安坤，李迪.2019年贵州省雷电活动特征分析[J].科技创新与应用，2020（25）:53-55.

[2] 苏邦礼，崔秉球，吴望平.雷电与避雷工程[M].广州：中山大学出版社，1999.

[3] 郭润霞，王迎春，张文龙.基于VLF/LF三维闪电监测定位系统的北京闪电特征分析[J].热带气象学报，2018,34（3）：393-400.

[4] 阳宏生，卢炳夫，植耀玲.2017-2018年广西三维闪电特征分析[J].气象研究与应用，2020,41（3）：43-48.

[5] 丁旻，刘波，陈春.基于VLF/LF三维闪电探测系统的贵州省全闪分布特征分析[J].中国农学学报，2019,35（36）：110-115.

[6] 朱晶晶，赵小平，邢彩盈.基于闪电定位系统的海南岛闪电活动特征分析[J].海南大学学报自然科学版，2017,35（1）：37-42.

[7] 王学良，刘学春，黄小彦.湖北地区云地闪电时空分布特征分析[J].气象，2010,36（10）：91-96.