崔雪東 張衛(wèi)斌* 顧媛 田德寶

(1 浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310008； 2 浙江省嘉興市氣象局，嘉興 314050)

引言

雷電是伴有閃電和雷鳴的自然現(xiàn)象，發(fā)生時產(chǎn)生強烈的電磁脈沖，通常伴隨強降水等災(zāi)害性天氣活動[1]，是最嚴重的十大自然災(zāi)害之一[2]。雷電定位系統(tǒng)是當(dāng)前獲取閃電信息的有效途徑，通過對地閃回擊產(chǎn)生的電磁場實現(xiàn)定位，是氣象、電力、航空等部門進行雷電監(jiān)測、雷電活動特征分析的重要依據(jù)，對雷電防護和預(yù)警具有指導(dǎo)意義[3-5]。回擊作為雷電放電過程中最為強烈的子過程，具有強大的物理破壞性，同時產(chǎn)生的電磁脈沖可以對電子設(shè)備造成嚴重的損壞，一直是雷電研究的重要對象。

一次閃電放電可能有多次回擊過程，國內(nèi)外研究者采用不同的探測手段針對不同地區(qū)的多回擊地閃的參數(shù)特征進行分析。Saba等[6-7]借助高速攝像機對巴西某地正、負地閃的回擊特征進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)負地閃的多回擊占比遠大于正地閃，其中平均回擊次數(shù)為3.8次，另外正地閃的回擊間隔平均值為負地閃的2倍。Thomson等[8]在Florida觀測到每次地閃的平均回擊數(shù)約為4.0次。郄秀書等[9]對蘭州地閃特征分析發(fā)現(xiàn)，繼后回擊與首次回擊強度比約為0.7，且20%負地閃的繼后回擊強度大于其對應(yīng)的首次回擊。Zhu等[10]發(fā)現(xiàn)安徽地區(qū)多回擊地閃占70%，回擊次數(shù)為3.3次，且回擊間隔呈近似對數(shù)正態(tài)分布，有近40%的負地閃繼后回擊強度大于首次回擊。另外一些學(xué)者[11-14]針對不同的定位網(wǎng)探測數(shù)據(jù)，對多回擊地閃的參數(shù)特征做了相應(yīng)的分析，無論是地閃中首次回擊的比例，還是繼后回擊與首次回擊強度之間的關(guān)系等，既有結(jié)果相近之處，也存在研究結(jié)論相差較大之處。

浙江省是我國雷電災(zāi)害的主要發(fā)生地之一，研究人員利用ADTD (Advanced TOA and Direction system)閃電定位系統(tǒng)資料對浙江省及部分地市的雷電特征作了較為詳細的分析[15-17]。但這些分析并沒有考慮定位資料以放電輻射源的形式給出，只籠統(tǒng)統(tǒng)計所有回擊信息，尤其在考慮地閃頻次、密度及強度特征分析中，需要將多次回擊聚類為一次閃電并考慮多次回擊的雷電參數(shù)特征。

本文將利用浙江省二維閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的地閃數(shù)據(jù)，按照一定的聚類標準，區(qū)分探測地閃的首次回擊和繼后回擊，并對多回擊閃電進行歸閃，進而分析浙江地區(qū)多回擊地閃的參數(shù)特征,為更高質(zhì)量地使用ADTD地閃資料提供技術(shù)支撐，同時對不同定位系統(tǒng)的對比分析及算法研究提供有意義的參考價值。

1 資料及方法

本文資料來源于浙江省ADTD二維閃電定位系統(tǒng)所探測的2007—2018年的地閃數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)于2006年底建成，由分別位于浙江省內(nèi)11個地市的觀測站組成,采用時差法和定向時差聯(lián)合法進行定位，探測效率為80%～90%，平均探測范圍為300 km，定位誤差為0.5°。系統(tǒng)探測的每次回擊包括以下要素：回擊時間、位置、強度、陡度、定位方式等。由于二站定位監(jiān)測的地閃集中在各站點周邊，且以各站點為中心呈放射狀分布，定位精度誤差較大[18-19]，故文中所分析的數(shù)據(jù)均已剔除定位方式為二站混合和二站振幅的地閃。

目前對于多回擊地閃的歸閃沒有一個公認的標準，參照已有的研究，通常將發(fā)生在1 s或0.5 s之內(nèi)的兩次回擊且定位距離小于5 km或10 km定義為一次閃電。本文采取GB/T37047—2018[20]的地閃歸集方法進行歸閃。具體方法是首先確定首次回擊，若繼后回擊與首次回擊的時間間隔小于或等于1 s、距離小于或等于10 km且相鄰回擊之間的時間間隔小于或等于500 ms則歸并為一條閃電，其中首次回擊的位置為該次地閃的雷擊點；當(dāng)不存在滿足條件的繼后回擊，則認定此回擊為單次回擊地閃。本文將依據(jù)以上方法對2007—2018年間浙江區(qū)域內(nèi)發(fā)生的所有回擊進行歸并處理。

2 特征分析結(jié)果

2.1 回擊次數(shù)

根據(jù)對2007—2018年ADTD系統(tǒng)探測回擊數(shù)及歸并地閃的統(tǒng)計，12年間全省共探測回擊2696951次，其中正回擊89188次，占總回擊數(shù)的3.31%。共發(fā)生地閃1930076次，其中單回擊地閃1414055次，多回擊地閃516021次，多回擊地閃占總地閃的26.74%。從單回擊地閃來看，正單回擊地閃為86173次，負單回擊地閃為1327882次，正單回擊地閃占總單回擊地閃的6.09%；而多回擊地閃中，正多回擊地閃共1475次，負多回擊地閃共516021次，正多回擊地閃占多回擊地閃的0.29%。正多回擊地閃的比值遠遠低于正單回擊地閃的比值，這表明正地閃主要為單次回擊，而負地閃相對于正地閃，更容易產(chǎn)生多回擊的過程。

圖1給出正、負地閃的回擊數(shù)頻次分布。從圖中可以看出，多回擊地閃的頻次分布具有準正態(tài)分布特征，地閃頻次比例隨回擊數(shù)的增加急劇減小，負地閃集中在5次回擊以內(nèi)，占總負地閃數(shù)的99%，地閃頻次都超過1萬次；正地閃集中在2次回擊以內(nèi)。單回擊地閃所占比例最大，其正地閃高于負地閃；對于多次回擊地閃頻次比例，負地閃比值明顯大于正地閃。本文的統(tǒng)計結(jié)果與部分觀測結(jié)果具有一致性[11-13]。

圖1 正負地閃回擊數(shù)的頻次分布

通過對地閃回擊過程中回擊數(shù)統(tǒng)計，得出負多回擊地閃平均繼后回擊數(shù)為1.65次，一次過程最大回擊數(shù)達21次；而正地閃平均繼后回擊數(shù)為1.04次，一次過程回擊數(shù)最大為5次?？梢娯摰亻W的回擊數(shù)遠大于正地閃，這可能是因為正電流首次放電釋放的電荷量較大，導(dǎo)致其繼后回擊次數(shù)偏少。

表1列舉了國內(nèi)外學(xué)者依據(jù)不同觀測手段針對不同地區(qū)正、負多回擊次數(shù)及單回擊地閃比例。可以看出，本文中正、負地閃平均回擊次數(shù)和單回擊地閃比例與曾金全等[12]、李京校等[13]和Qie等[21]觀測結(jié)果基本一致，這些文獻的結(jié)論都基于對閃電定位系統(tǒng)探測地閃的分析所得。另外文中正地閃平均回擊次數(shù)與單回擊地閃比例與黎勛等[22]的觀測結(jié)果較為一致，雖然負地閃的結(jié)果具有一定的相似性，但相比正地閃差異較大。

表1 不同地區(qū)正、負多回擊地閃的回擊特征結(jié)果對比

2.2 回擊數(shù)的時間變化

以往的研究表明浙江省地閃具有明顯的時間分布特征[15,23]，從逐年的總回擊數(shù)、多回擊地閃數(shù)和總地閃數(shù)來看(圖2)，三者都存在明顯的年際變化，且變化趨勢較為一致，多回擊地閃數(shù)和總地閃數(shù)與總回擊數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別達到0.89和0.95，回擊頻發(fā)的年份單回擊地閃和多回擊地閃頻次也較多。但也存在個別年份雖然回擊數(shù)較高，但多回擊地閃數(shù)偏少的情況，比如2010年回擊數(shù)是十來年最高的一年，但多回擊地閃數(shù)略高于多年平均值，而單回擊地閃明顯高于其他年份，所占的比重較高。

圖2 2007—2018全省總回擊數(shù)和地閃頻數(shù)的年際分布

從正、負多回擊地閃頻次時段變化來看(圖3)，兩者的變化分布趨勢相似，午后和傍晚多回擊地閃次數(shù)相對其他時段為高發(fā)時段，這與我省雷暴日變化特征相一致。正、負多回擊地閃頻次峰值稍有差別，負多回擊地閃呈明顯的單峰分布，峰值在15:00，后半夜和上午頻次較少。正多回擊地閃分布相比負地閃在時段分布上更為均勻，呈多峰分布，分別在02：00、16：00和19：00存在峰值，從一日之中的各時段頻次占比來看，夜晚和上午正多回擊地閃頻次占比明顯大于負地閃。

圖3 正、負多回擊地閃頻次的日變化

2.3 強度變化

地閃回擊電流強度反映雷暴放電的劇烈程度，是雷電防護中的重要參數(shù)之一。經(jīng)對回擊電流強度的統(tǒng)計，負極性總回擊平均強度為-37.74 kA，正極性總回擊平均強度為56.50 kA；負單回擊地閃平均強度為-38.60 kA，正單回擊地閃平均強度為55.96 kA；負多回擊地閃平均強度為-36.89 kA，正多回擊地閃平均強度為72.06 kA；負多回擊地閃首次回擊地閃強度為-41.53 kA，正多回擊地閃首次回擊地閃強度為81.83 kA?？梢娬亻W電流強度明顯大于負地閃，且正、負多回擊地閃首次地閃平均強度明顯大于單回擊地閃，這也說明了當(dāng)電荷量較大時，放電通道較好，更易發(fā)生多回擊過程。

一般認為地閃的首次回擊較繼后回擊的電場強度大，通過對正、負閃回擊平均強度隨回擊序數(shù)變化的分析(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)首次回擊的平均強度明顯大于繼后回擊。正負地閃繼后回擊平均強度隨回擊數(shù)的增加而下降，其中正閃的下降速度快于負閃。但就一次多回擊地閃而言，并非所有的首次回擊電流強度最大，正、負地閃首次回擊為一次過程回擊最大值的百分比分別為72.69%和55.00%，約2/5的閃電至少有1次繼后回擊強度比首次回擊強。其他學(xué)者通過觀測試驗發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果[9,11]，只是在比例上各不相同，在雷電防護中應(yīng)考慮此現(xiàn)象。

圖4 隨回擊序數(shù)變化的正負地閃回擊平均強度分布

圖5通過對不同電流強度區(qū)間首次回擊數(shù)和繼后回擊數(shù)的占比來重點分析多回擊地閃的強度特征，正、負首次回擊數(shù)和繼后回擊數(shù)隨強度變化呈明顯的對數(shù)正態(tài)分布，電流強度在15～45 kA的回擊發(fā)生最多。從首次回擊與繼后回擊的強度分布來看，首次回擊和繼后回擊強度的峰值基本一致，但繼后回擊相比首次回擊的強度分布更為集中，在15～45 kA之間，正極性首次回擊占32.07%，正極性繼后回擊占50.32%，負極性首次回擊占75.43%，負極性繼后回擊占85.52%，繼后回擊占比較首次回擊高十多個百分點。從正、負回擊的強度分布來看，負回擊相比正回擊的強度分布更為集中，在15～35 kA強度區(qū)間內(nèi)，負回擊占比較正回擊高三十多個百分點；另外在首次回擊和繼后回擊頻次峰值的強度區(qū)間分布上，負閃回擊峰值在20～25 kA，而正閃回擊峰值在25～30 kA，高于負閃一個區(qū)間。

圖5 正(a)、負(b)首次地閃和繼后地閃的電流強度分布(實線為50%分位強度值，虛線分別為25%和75%分位強度值)

通過強度的四分位分布可以看出，首次回擊的各分位的強度值都明顯大于繼后回擊各分位的強度值；且首次回擊的強度分布較繼后回擊更為離散，尤其首次回擊75%分位與中分位之間的強度差值大于其他區(qū)間。從地閃的極性來看，正閃的四分位強度遠大于負閃，正閃25%分位與中分位強度是負閃的1.5倍左右，而75%分位則達到2倍左右，反映了正閃容易產(chǎn)生較大強度的放電。

2.4 間隔時間

通過對多回擊地閃相鄰兩次回擊間隔時間進行統(tǒng)計，總的地閃間隔時間算術(shù)平均值為138.11 ms，幾何平均值為98.85 ms，其中負地閃間隔時間算術(shù)平均值為138.14 ms，幾何平均值為98.95 ms，正地閃間隔時間算術(shù)平均值為125.47 ms，幾何平均值為56.73 ms。間隔時間的幾何平均值遠小于算術(shù)平均值，另外正地閃的間隔時間小于負地閃。從各類研究的結(jié)果來看[9,12,22]，相鄰多回擊地閃之間的間隔時間相差較大，本文結(jié)果與曾金全[12]研究結(jié)果相近。不同的歸閃方法和不同的樣本量都可能導(dǎo)致平均間隔時間之間存在較大的差異。以每5 ms為間隔統(tǒng)計各區(qū)間回擊次數(shù)占總回擊數(shù)的百分比(圖6)，可以看出，不同回擊間隔時間與分布頻次服從對數(shù)正態(tài)分布，發(fā)生頻數(shù)最高的間隔時間約為60 ms，回擊間隔時間主要集中在30～130 ms之間，占所有回擊數(shù)的59.15%，當(dāng)間隔時間大于250 ms，每個區(qū)間內(nèi)回擊頻次占比均不足1%。

圖6 多地閃回擊間隔時間分布次數(shù)及其占總次數(shù)的百分比

回擊間隔時間對回擊次數(shù)有著決定性的作用，首次回擊發(fā)生之后，雷電放電通道的導(dǎo)電性要好于首次回擊之前，若間隔時間較短，則可產(chǎn)生更多的繼后回擊。圖7通過不同次數(shù)正負多回擊地閃的幾何平均間隔時間分布來展示兩者之間的關(guān)系?？梢娬?、負地閃的平均間隔時間總體上隨回擊數(shù)的增多而減小，負閃的平均間隔時間從123.15 ms(回擊數(shù)為2)下降到23.76 ms(回擊數(shù)為14)，正閃的平均間隔時間從57.31 ms(回擊數(shù)為2)下降到25.01 ms(回擊數(shù)為5)。負閃回擊次數(shù)大于8次，平均間隔時間均不足60 ms。

圖7 不同回擊次數(shù)正負多回擊地閃的平均間隔時間分布

2.5 雷擊點間隔

對于一次多回擊地閃過程，每次回擊的雷擊點可能不在同一位置，一般使用首次回擊的雷擊點作為此次地閃的回擊位置。不同回擊的擊地點位置差距可在一定程度上反映探測系統(tǒng)的定位誤差。經(jīng)統(tǒng)計，所有多回擊地閃繼后回擊與首次回擊之間距離算術(shù)平均值為1.68 km，幾何平均值為0.72 km，圖8為其0.1 km間隔的回擊頻數(shù)分布，可見多回擊地閃的回擊頻次呈準正態(tài)分布特征，繼后回擊與首次回擊的回擊點距離越長，回擊頻數(shù)越少。大部分繼后回擊與首次回擊距離在1 km范圍內(nèi)，占總頻數(shù)的54.63%，尤其集中在0.2 km以內(nèi)，占總回擊數(shù)的23.43%。Srivastava等[24]和Chen等[25]基于不同地區(qū)的閃電定位系統(tǒng)，利用高塔閃電評估表明大范圍的定位網(wǎng)探測的地閃誤差在幾百米到幾公里之間。

圖8 不同繼后回擊與首次回擊的回擊點距離的頻數(shù)分布

3 結(jié)論與討論

本文通過浙江省ADTD監(jiān)測的2007—2018年的地閃資料統(tǒng)計分析了多回擊地閃的分布規(guī)律和相關(guān)參數(shù)特征，得到以下結(jié)論：

(1)浙江省多回擊地閃占總地閃的26.74%，其中正閃以單回擊地閃為主；正、負多回擊地閃頻次隨回擊序數(shù)的增加而急劇減少；正、負多回擊地閃平均回擊數(shù)分別為1.05次和1.65次?；負魯?shù)和地閃數(shù)具有較好的對應(yīng)關(guān)系，存在明顯的年際變化。在日變化上，正、負多回擊地閃分別呈多峰和單峰分布，午后和傍晚為地閃的多發(fā)時段。

(2)正、負多回擊地閃平均電流強度分別為72.06 kA和-36.89 kA，首次回擊的平均電流強度明顯大于繼后回擊，繼后回擊平均強度隨回擊數(shù)的增加而下降，但就每次放電過程而言，約40%的閃電至少有1次繼后回擊強度比首次回擊強。首次回擊數(shù)和繼后回擊數(shù)隨強度變化呈明顯的對數(shù)正態(tài)分布，集中分布在15～45 kA之間，其中繼后回擊和負閃的強度分布相比首次回擊和正閃更為集中。

(3)正、負地閃回擊間隔時間算術(shù)平均值平均分別為125.47 ms和138.14 ms，幾何平均值分別為56.73 ms和98.95 ms；不同回擊間隔時間與分布頻次呈對數(shù)正態(tài)分布，集中分布在30～130ms之間；不同回擊次數(shù)的地閃的平均間隔時間隨回擊數(shù)的增多而減小。

(4)多回擊地閃繼后回擊與首次回擊之間距離算術(shù)平均值為1.68 km，幾何平均值為0.72 km，不同回擊間隔距離回擊數(shù)呈準正態(tài)分布，集中在距離為1 km范圍內(nèi)，回擊數(shù)隨回擊間隔距離呈下降趨勢。

(5)本文對多回擊地閃相關(guān)參數(shù)特征分析結(jié)論與其他學(xué)者的研究結(jié)果基本規(guī)律大致一致，但具體數(shù)值存在差異，這一方面是因為探測手段或探測設(shè)備的不同；另一方面雷電本身具有隨機性且受地域、地形、氣象條件等諸多因素影響。這種差異性值得今后進一步研究，并在研究的基礎(chǔ)上加強對數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制，為雷電防災(zāi)減災(zāi)提供更優(yōu)的數(shù)據(jù)支撐。