余蓉，張小玲，杜牧云，馬鶴翟，袁海峰，朱傳林

（1.湖北省防雷中心，湖北 武漢430074；2.中國氣象局武漢暴雨研究所，湖北 武漢430074；3.國家氣象中心，北京100081；4.湖北省地圖院，湖北 武漢430074）

1 引言

雷暴是常見的一種對流活動，云地閃(Cloudto-Ground，CG)是雷暴云電荷積累到一定階段的產(chǎn)物。地閃可引發(fā)森林和油庫起火、損壞建筑物及電子設(shè)備，甚至人員傷亡[1-2]。在中國，地閃每年可造成數(shù)百人的傷亡和數(shù)千萬的財(cái)產(chǎn)損失[1]。因此，研究和了解伴有地閃活動的雷暴系統(tǒng)的時空分布特征，對更好地開展雷電防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。

許多地區(qū)基于閃電定位儀數(shù)據(jù)開展了較全面的閃電時空分布及其特征參數(shù)的研究。Orville等[3]在1989年就對美國的閃電特征進(jìn)行了分析總結(jié)，并利用美國國家閃電探測網(wǎng)(NLDN)獲得的第一個十年(1989—1998)閃電數(shù)據(jù)分析了美國地區(qū)的閃電時空分布特征[4]。隨著閃電傳感器布設(shè)數(shù)量的增加，Orville等[5-6]隨后又對北美的云地閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行了更詳細(xì)的分析總結(jié)。Anderson等[7]利用2008—2012年閃電數(shù)據(jù)得到了整個歐洲閃電活動的時空分布，發(fā)現(xiàn)閃電密度和閃電峰值時間存在顯著的地區(qū)差異。Taszarek等[8]和Galanki等[9]利用地閃數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析了波蘭和地中海東部地區(qū)閃電活動的氣候分布特征。我國的地閃活動呈現(xiàn)以負(fù)地閃為主，夏季多，冬季少，平均峰值出現(xiàn)在8月，最易在下午至晚上發(fā)生，地閃密度高值區(qū)位于華南等特征[10-14]。

眾多研究表明，天氣尺度的變化影響了深對流的發(fā)展和傳播，從而使地閃的氣候變化表現(xiàn)出較大的區(qū)域差異；而在更小的空間尺度上，地形的局地變化則在影響引發(fā)雷暴的深對流發(fā)展中扮演了重要角色[13,15-16]。希臘的閃電活動沿著山坡呈現(xiàn)隨海拔高度的增高而增多的趨勢[17]；地中海東部地區(qū)的閃電活動與海拔、地形坡度和植被有關(guān)，且閃電頻次隨對流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)的增大而增加[9]；美國復(fù)雜的地形不僅對深對流起到增強(qiáng)作用，且向下傳播的先導(dǎo)物與地形間存在的相互作用也將影響閃電的密度分布及其物理參數(shù)[18]；科羅拉多州海拔低于1829 m和高于3200 m的地區(qū)的閃電活動頻次與海拔高度呈正相關(guān)[19]；在美國中部地區(qū)，雷暴的初生與地形顯著相關(guān)，即在墨西哥灣與地形突出的地區(qū)存在雷暴初生密集區(qū)域[20]；且該地區(qū)雷暴的發(fā)生和消亡還與地表覆蓋狀況聯(lián)系緊密，森林和城市地區(qū)更利于雷暴生成[21]。

中國復(fù)雜的地形是影響降水、雷暴分布的重要因素之一[13,22-24]，與此同時，地形差異的影響對閃電密度分布也至關(guān)重要，其中，青藏高原、中國三級梯級地形和緯度對中國閃電密度的宏觀尺度分布特征影響顯著，而閃電密度分布的區(qū)域差異與中尺度地形強(qiáng)迫密切相關(guān)。即，在中國東部濕潤地區(qū)，閃電密度高值區(qū)多出現(xiàn)在中尺度山脈(500～1500 m)和丘陵地帶[10]；東南高海拔地區(qū)的地閃密度明顯小于西部低海拔地區(qū)[12]；重慶地區(qū)閃電高發(fā)區(qū)位于海拔300～500 m的區(qū)域[25]。除此之外，不同的海拔高度也會導(dǎo)致閃電活動呈現(xiàn)出迥異的日變化特征[26]，例如：北京山區(qū)的閃電在下午達(dá)到峰值，而平原則在深夜至清晨達(dá)到峰值[14，27]。山區(qū)出現(xiàn)的低閃電密度雷暴日是午后短生命史雷暴發(fā)展的結(jié)果，而出現(xiàn)在華北平原和四川盆地的高閃電密度雷暴日則通常與夜間雷暴活動有關(guān)[13]。王東方等[27]進(jìn)一步指出，夜間頻繁的閃電活動主要受超強(qiáng)雷暴和強(qiáng)雷暴的影響，而弱雷暴的閃電活動集中在白天和午后。

綜合上述研究結(jié)果可知，中國復(fù)雜的地形直接影響雷暴的發(fā)生發(fā)展及其閃電的時空分布，特別在平原和山區(qū)之間存在明顯差異，造成差異的具體原因還有待分析探討，而相關(guān)研究尚且不多。為此，本文以位于我國中部，具有顯著地形差異的湖北省為研究區(qū)域，分析了湖北地區(qū)閃電活動的主要變化特征，選取了夏季伴有明顯地閃活動的94個雷暴系統(tǒng)個例樣本，著重分析了不同地形對地閃時空分布的影響，并探討了造成這種差異的原因。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)域

我國中部地區(qū)擁有大量戶外旅游景點(diǎn)，這些景點(diǎn)的雷電災(zāi)害防護(hù)尤為重要。湖北即位于華中地區(qū)，長江中游，屬于典型的季風(fēng)影響區(qū)[22]。湖北境內(nèi)地形復(fù)雜，西部有大巴山脈、武陵山脈(西南部)和武當(dāng)山脈(西北部)，北部有大洪山，東南部有幕阜山脈，東北部與大別山脈接壤，地勢整體呈現(xiàn)為三面高起、中間低平、向南敞開、北有缺口、西北向東南傾斜的不完整盆地特征(圖1陰影)，這也為本研究的開展提供了具有代表性的地形背景。根據(jù)湖北省及周邊的地形特點(diǎn)，并參考其他相關(guān)研究[27]，本文將海拔高度低于100 m的區(qū)域定義為平原(111.8～114.8°E，29.8～31.1°N)，400 m以上的區(qū)域定義為山區(qū)(109.7～111.5°E，30.0～32.7°N)，100～400 m之間的過渡區(qū)域則為山麓(圖1)。

圖1 研究區(qū)域(a)及雷暴系統(tǒng)樣本分布(b)

2.2 資料介紹

湖北地區(qū)地閃活動高峰期出現(xiàn)在夏季[28]。因此，本文選用2013—2018年6—8月的數(shù)據(jù)進(jìn)行閃電活動特征分析，其中2015—2016年6—8月為重點(diǎn)研究時段。

2.2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)

雷達(dá)數(shù)據(jù)采用災(zāi)害性天氣短時臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(Severe Weather Alarm and Nowcasting，SWAN)的組合反射率(Composite Reflectivity，CR)產(chǎn)品，主要用于開展雷暴系統(tǒng)的樣本篩選，其空間水平分辨率為1 km，時間分辨率為6 min。

2.2.2 地閃數(shù)據(jù)

地閃數(shù)據(jù)來自中國氣象局氣象探測中心(CNMC)提供的湖北省閃電監(jiān)測網(wǎng)的探測數(shù)據(jù)。該監(jiān)測網(wǎng)由13部ADTD(Advanced Direction finding on Time Difference)閃電定位儀組成(圖1b)，其探測參量與技術(shù)指標(biāo)見表1，定位精度小于300 m，整體探測效率超過80%。探測要素包括地閃發(fā)生時間、位置、極性和峰值電流等[12]。

表1 湖北省閃電監(jiān)測網(wǎng)主要技術(shù)特征

閃電定位儀采用時差法和定向時差聯(lián)合法進(jìn)行閃電定位。有研究表明由兩個傳感器定位的閃電數(shù)據(jù)在閃電位置、峰值強(qiáng)度等方面存在較大的誤差[29]，故本文剔除了“兩站定位”的地閃數(shù)據(jù)。閃電定位儀探測的是閃電回?fù)?，一個閃電可由多次閃電回?fù)艚M成[30]，因此需要對地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行“歸閃”。本文將距離在10 km內(nèi)，時間間隔小于500 ms的同極性地閃歸為同一次地閃，地閃信息以首次回?fù)舻奶綔y結(jié)果為準(zhǔn)[12,27]。

2.2.3 再分析數(shù)據(jù)

ERA-interim再分析數(shù)據(jù)集是由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)發(fā)布的分辨率較高的全球再分析數(shù)據(jù)。文中使用2013—2018年6—8月水平分辨率為0.5°×0.5°再分析資料分析湖北省夏季的環(huán)境場特征，并開展湖北省不同地形下地閃特征差異的原因分析。

2.2.4 海拔高程數(shù)據(jù)

本文采用的海拔高程數(shù)據(jù)來源于最新的先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model，ASTER GDEM)。ASTER GDEM是美國航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(Japan's Ministry of Economy，Trade，and Industry，METI)于2009年6月30日共同推出的全球電子地形數(shù)據(jù)，其覆蓋范圍為南北緯83°之間的所有陸地區(qū)域，水平和垂直精度分別為30 m和20 m。

2.3 研究方法

利用雷達(dá)組合反射率拼圖與閃電資料進(jìn)行疊加顯示來選定研究樣本。其中，選取的樣本需要同時滿足以下三點(diǎn)：(1)雷達(dá)組合反射率拼圖除了能完整地跟蹤雷暴系統(tǒng)的生命史以外，還應(yīng)明確雷暴系統(tǒng)與發(fā)生閃電之間的對應(yīng)關(guān)系，從而能更好地開展雷暴初始閃電、峰值閃電和末次閃電的研究；(2)為了便于同雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析，以雷達(dá)體掃的間隔時間(6 min)為一個時間窗口進(jìn)行地閃頻數(shù)統(tǒng)計(jì)。與此同時，選取最強(qiáng)地閃頻數(shù)大于10 fl/(6 min)的雷暴系統(tǒng)個例作為研究樣本以避免零星地閃的干擾；(3)僅選取閃電探測效率大于90%區(qū)域的雷暴系統(tǒng)個例，進(jìn)而排除閃電探測效率對研究結(jié)果的影響。

基于上述原則共選取出94例伴有顯著雷電活動的雷暴樣本。由于雷暴系統(tǒng)往往覆蓋較大的區(qū)域，且在發(fā)展演變過程中可能移過不同的下墊面。為了更好地定性描述雷暴系統(tǒng)的位置，文中以閃電頻次達(dá)到峰值時的雷暴中心位置為準(zhǔn)，并根據(jù)對應(yīng)的地形進(jìn)行分類(平原、山區(qū)、山麓)。最終得到平原46例(占比48.9%)；山區(qū)20例(占比21.3%)；山麓28例(占比29.8%)，個例的分布詳見圖1b。

3 雷暴系統(tǒng)地閃特征分析

3.1 地閃密度分布特征

地閃密度表征了單位面積地面發(fā)生的地閃總數(shù)(fl/km2)，通常以10 km×10 km(0.1°×0.1°)[8-9]或者20 km×20 km(0.2°×0.2°)[4,12]水平分辨率計(jì)算地閃密度，該分辨率適合大比例尺的地域閃電研究。而在某些特殊研究中使用了更高的水平分辨率，例如，Brandon等[19]利用10 m分辨率的數(shù)據(jù)分析了局地地形在閃電活動中的作用。Novák等[31]發(fā)現(xiàn)，水平分辨率對閃電密度特征的總體影響不大，僅對最大值和最小值的取值存在影響。考慮到本文的研究重點(diǎn)在于分析地形在閃電活動中的作用，故采用1 km×1 km的水平網(wǎng)格計(jì)算地閃密度。

由湖北省2013—2018年夏季(6—8月)的地閃密度分布可知(圖2a)，湖北地區(qū)地閃密度的高值區(qū)(大于7.0 fl/km2)主要位于鄂西中尺度山脈大巴山東側(cè)山區(qū)向平原過渡的地帶，鄂中大洪山和桐柏山南側(cè)丘陵地區(qū)，鄂中大巴山和大洪山之間的低丘地段，鄂東中尺度山脈大別山和幕阜山之間的河谷地帶，以及幕阜山西北側(cè)山丘盆地地區(qū)。其中，鄂東南幕阜山西側(cè)赤壁和北側(cè)大冶一帶的地閃密度均超過了24 fl/km2。與此同時，海拔更高的山區(qū)以及江漢平原南部、東北部的地閃密度相對較小，大部分小于2.5 fl/km2。即閃電密度高值區(qū)基本位于海拔500～1500 m中尺度山脈向平原過渡的地帶，以及山脈之間的平原(河谷)地區(qū)，沿山坡基本呈南北或東北-西南走向。可見，地形影響湖北地區(qū)地閃密度分布。

地形對地閃活動的影響主要表現(xiàn)為地形起伏對過山氣流的抬升作用，地形差別造成下墊面熱力性質(zhì)變化以及地形摩擦造成的低空風(fēng)場和垂直速度的不同[10,22-32]。從湖北省地形分布特征(圖1)可知，其向南敞開的不規(guī)則盆地特征有利于西南暖濕氣流在此滯留[32]，且大別山西南側(cè)和大洪山南側(cè)低山丘陵一帶是冷暖空氣的交匯區(qū)[33]；大別山和幕阜山之間的河谷地區(qū)形成的“喇叭口”地形，不僅使進(jìn)入地形區(qū)內(nèi)的偏南氣流產(chǎn)生輻合增強(qiáng)，還保證了該地區(qū)充足的渦度平流輸送[34]。這些因素利于山脈兩側(cè)產(chǎn)生對流活動。此外，由于長江中游地區(qū)特定的地形條件，中尺度輻合線常形成于幕阜山和大別山之間，中尺度渦旋多形成于大別山南部以及鄂西山區(qū)與江漢平原之間[35-36]，而中尺度氣旋和輻合帶頻繁出現(xiàn)的地區(qū)也會造成對流的頻發(fā)[37]，這可能是幕阜山北側(cè)和西側(cè)閃電密度異常高的原因。

由雷暴樣本的地閃密度分布(圖2b)可知，雖然文中挑選的雷暴樣本主要集中在閃電理論探測效率90%以上的區(qū)域，但地閃密度高值區(qū)主要位于大巴山東側(cè)丹江口、宜昌東北部，大洪山脈西南側(cè)沙洋、鐘祥附近的平原地區(qū)，大別山脈南側(cè)以及幕阜山脈西北側(cè)海拔低于200 m的平原和山麓過渡地段。山區(qū)除大巴山東側(cè)外，地閃密度整體較小。雷暴樣本的地閃密度與2013—2018年夏季的密度分布特征相似，即閃電密度高值區(qū)基本位于山脈向平原過渡地段，這也進(jìn)一步說明了本文所選樣本的代表性。

圖2 湖北省2013—2018年夏季(a)、2015—2016年(b)雷暴樣本的地閃密度分布

3.2 地閃日變化特征

眾多研究表明，地閃的日變化峰值集中出現(xiàn)在午后，如：美國7月的總閃電次數(shù)最多，其中，陸地閃電活動日變化的峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r間12:00—20:00，而大陸附近的水域則在04:00—12:00達(dá)到峰值[4]；歐洲的閃電峰值同樣出現(xiàn)在7月，但存在顯著的地區(qū)差異，即：冷季主要發(fā)生在地中海上空，暖季則移到陸地上空[7]；我國97%的閃電發(fā)生在3—9月，69%發(fā)生在夏季6—8月[12]；中部地區(qū)暖季地閃主要在午后15:00—18:00(北京時間，下同)達(dá)到高峰[13]。

圖3展示了2013—2018年6—8月湖北地區(qū)不同地形下地閃頻數(shù)的時間變化情況，可以清楚地看到湖北地區(qū)夏季的地閃活動整體呈明顯的單峰日變化特征，正午12:00之后地閃頻數(shù)迅速增加，在16:00達(dá)到峰值，隨后急劇下降，并在翌日09:00觸及谷值，在凌晨和上午時段，地閃活動相對較少，整體波動不大；其中，山區(qū)的地閃活動日變化特征與湖北省相似，主要活躍在午后至夜間，正午以后地閃頻數(shù)穩(wěn)步增多，16:00達(dá)到峰值，隨后地閃顯著減少；而平原呈雙峰分布，主峰出現(xiàn)在午后16:00左右，次峰在夜間20:00。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，山區(qū)和平原的地閃頻次總數(shù)分別達(dá)175564次和178451次，其中，山區(qū)在00:00—12:00、14:00—18:00和19:00—23:00時段產(chǎn)生的地閃分別占全天地閃總數(shù)的12.5%、61.5%和26.0%，而平原的占比分別為40.0%、31.1%和28.9%。由此可見，雖然山區(qū)和平原的地閃頻次整體差異不大，但相較而言，山區(qū)的地閃日變化表現(xiàn)為明顯的單峰特征，地閃活動主要集中于14:00—18:00時段；而平原的地閃日變化更平緩，雖然地閃頻次主峰值也出現(xiàn)在下午16:00，但夜間的地閃活動依然活躍，且凌晨和上午也有相對較多的地閃發(fā)生。

圖3 2013—2018年夏季(6—8月)不同地形下的地閃日變化

圖4為湖北省2013—2018年夏季850 hPa(圖4a)和500 hPa(圖4b)復(fù)合環(huán)境場。湖北地區(qū)夏季中低層暖濕氣流較春季明顯增強(qiáng)(圖略)，850 hPa相對濕度多在74%～80%之間，假相當(dāng)位溫θse高能區(qū)位于湖北西部(圖4a)，午后山區(qū)中低層風(fēng)場輻合明顯，假相當(dāng)位溫θse增加(圖略)；500 hPa西風(fēng)帶減弱，并向北移動，湖北地區(qū)主要位于西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)(圖4b)。說明夏季隨著副熱帶高壓西伸北抬，湖北地區(qū)的暖濕氣流和不穩(wěn)定能量發(fā)展較強(qiáng)，特別是午后太陽加熱造成的低層大氣不穩(wěn)定，利于午后對流的產(chǎn)生[38]。以往的研究表明，夏季潮濕的空氣給負(fù)閃電的形成提供條件[39]；而熱力不穩(wěn)定和上升氣流密切相關(guān)，其可將過冷水滴抬升至冰相混合區(qū)，從而形成較大的電荷濃度，利于雷暴起電[40-41]。另外，山區(qū)對大氣底層的加熱作用較強(qiáng)[42]，使山區(qū)趨于不穩(wěn)定；而山谷風(fēng)和“喇叭口”地形使山區(qū)與平原的層結(jié)穩(wěn)定度有所不同，從而影響雷暴的產(chǎn)生[32,43]。與此同時，地形強(qiáng)迫氣流上升，可將冰晶和過冷水抬升到更高的空中形成冰相物粒子，并加速冰相粒子和過冷水滴的碰撞，進(jìn)而有利于閃電的產(chǎn)生[38,41]。

圖4 2013—2018年夏季湖北省850 hPa(a)、500 hPa(b)復(fù)合環(huán)境場

3.3 雷暴系統(tǒng)地閃日變化特征

地形顯著影響地閃的日變化，為了更好地了解地形與地閃日變化及其雷暴系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的關(guān)系，文中選取了日變化特征更加明顯的夏季時段，統(tǒng)計(jì)分析了2015—2016年94例雷暴系統(tǒng)出現(xiàn)首次地閃(又稱“初閃”)、6分鐘內(nèi)地閃頻次峰值(又稱“峰值”)和末次地閃(又稱“末閃”)的時間變化特征。

2015—2016年6—8 月湖北省共探測到223664次地閃，且遵從2013—2018年地閃日分布特征，即正午12:00之后地閃頻數(shù)迅速增加，在16:00達(dá)到峰值，隨后急劇下降，在凌晨和上午時段，地閃活動相對較少(圖5a)。盡管不同地形條件下的時間分布特征存在一定區(qū)別，但從總體趨勢來看，雷暴系統(tǒng)的初閃(圖5b)、峰值(圖5c)和末閃(圖5d)均集中在13:00—18:00時段內(nèi)，這也與夏季湖北地區(qū)總地閃的日變化特征相吻合。其中，平原地區(qū)雷暴的初閃、峰值、末閃的主峰值均出現(xiàn)在午后，且三者出現(xiàn)在上午(00:00—12:00)的可能性相較于山區(qū)和山麓也更高。而約90%的山區(qū)雷暴在14:00—19:00時段內(nèi)完成閃電的生消，這也說明山區(qū)的閃電活動較集中、持續(xù)時間較短。比較而言，山麓地區(qū)的地閃時間分布剛好介于山區(qū)和平原之間，即大多數(shù)山麓雷暴(約70%)的閃電活動處于13:00—18:00時段內(nèi)，其他雷暴(約30%)則在入夜以后才產(chǎn)生初閃。

3.4 地閃持續(xù)時間和地閃頻數(shù)峰值特征

由圖5可知，不同地形下，閃電活動的持續(xù)時間也有所不同，且不同強(qiáng)度的雷暴系統(tǒng)產(chǎn)生地閃的能力和日變化特征均存在較大差異[27,37,43]，因此，使用箱線圖分別對地閃活動持續(xù)時間和地閃頻次峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖6)。其中，箱線圖是利用一組數(shù)據(jù)中的極大值、75百分位數(shù)、中位數(shù)、25百分位數(shù)和極小值來反映數(shù)據(jù)分布的中心位置和散度范圍[44]。

圖5 2015—2016年6—8月湖北省地閃頻次(a)及雷暴系統(tǒng)出現(xiàn)初次地閃(b)、峰值地閃(c)、末次地閃(d)的時間分布

從圖6a可看到，湖北地區(qū)地閃持續(xù)時間的跨度較大，平均持續(xù)時間約為1.7 h，50%大于1.3 h，10%大于3 h。雷暴系統(tǒng)從產(chǎn)生初閃至達(dá)到峰值平均用時約0.8 h，而從峰值逐步減弱至末閃的出現(xiàn)平均約0.9 h(圖略)。不同海拔高度下雷暴系統(tǒng)的地閃持續(xù)時間也存在明顯差異：平原雷暴的地閃持續(xù)時間最長，平均時長達(dá)2.0 h，50%大于1.6 h，有10%甚至超過了4.9 h；雖然山區(qū)雷暴的地閃持續(xù)時間分布最集中，但平均時長僅為1.2 h，其中，75%小于1.5 h，僅有10%大于1.8 h，最長也不超過2.7 h；山麓雷暴的地閃持續(xù)時間比山區(qū)雷暴長約0.3 h，且較平原雷暴也更集中，約40%超過了1.9 h。整體而言，平原雷暴的平均地閃持續(xù)時間最長，山麓次之，山區(qū)最短但也最集中，這也說明雷暴系統(tǒng)的地閃活動持續(xù)時間隨海拔的增加而減少。上述結(jié)論與張廷龍等[45]的研究結(jié)果相吻合，即：中國內(nèi)陸不同海拔地區(qū)的雷暴平均持續(xù)時間隨海拔高度的減小而增加。

圖6 湖北省雷暴系統(tǒng)地閃持續(xù)時間(a)、地閃頻數(shù)峰值(b)的統(tǒng)計(jì)特征

目前，常用單位時間內(nèi)的地閃次數(shù)(又稱地閃頻數(shù))來表征雷暴活動的劇烈程度，且地閃頻數(shù)峰值與最強(qiáng)降水關(guān)系密切[43]。圖6b所示為湖北省雷暴地閃頻數(shù)峰值的統(tǒng)計(jì)特征。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，湖北省雷暴系統(tǒng)的地閃峰值平均值為61 fl/(6 min)，大部分(75%)都小于70 fl/(6 min)，50%位于26～65 fl/(6 min)。其中，平原地區(qū)的地閃頻數(shù)峰值最大，平均值為74 fl/(6 min)，大于98 fl/(6 min)的占比達(dá)25%；山麓次之，平均值為57 fl/(6 min)，大部分(75%)不超過60 fl/(6 min)；山區(qū)平均值最小，為39 fl/(6 min)，僅為平原的一半，只有極小部分(10%)超過了65 fl/(6 min)，不過其分布也最集中，80%處于18～65 fl/(6 min)范圍內(nèi)。由此可看出，不同地形下雷暴的地閃頻數(shù)峰值也表現(xiàn)出隨海拔高度的增加而減少的特征。

Liu等[21]研究指出，美國中部地區(qū)的暖季里，約65.8%的雷暴的持續(xù)時間為5～20 min，而我國中部地區(qū)超過80%雷暴的地閃持續(xù)時間小于2 h[24]。本文挑選的雷暴系統(tǒng)樣本并未區(qū)分雷暴強(qiáng)弱及其組織形態(tài)特征。從樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，平原地區(qū)約有43%的雷暴系統(tǒng)為線狀中尺度對流系統(tǒng)，山麓和山區(qū)分別占25%和10%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，50%的線狀中尺度對流系統(tǒng)的平均地閃持續(xù)時間大于2.65 h，其他組織形態(tài)雷暴系統(tǒng)的平均地閃持續(xù)時間超過2.6 h的僅占10%；而地閃頻數(shù)最大值大于100 fl/(6 min)的雷暴系統(tǒng)中線狀中尺度對流系統(tǒng)占比高達(dá)62.5%(圖略)。由此可見，相較其他組織形態(tài)雷暴系統(tǒng)，線狀中尺度對流系統(tǒng)的地閃持續(xù)時間更長，地閃頻次峰值也更大；且平原地區(qū)線狀中尺度對流系統(tǒng)的地閃持續(xù)時間比其他地區(qū)更長，這也造成了平原雷暴表現(xiàn)出比其他地區(qū)雷暴更長的平均地閃持續(xù)時間和更大的地閃頻數(shù)峰值。

4 山區(qū)與平原時空分布差異成因分析

綜合上述研究結(jié)果可知，地形不僅顯著影響地閃密度分布，在不同地形下，雷暴的地閃日變化、地閃持續(xù)時間和地閃頻數(shù)峰值等特征均表現(xiàn)出較大差異。為進(jìn)一步研究造成不同地形下地閃時空分布差異的原因，利用ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)，分別對山區(qū)和平原雷暴系統(tǒng)樣本的平均環(huán)境場特征進(jìn)行了對比分析，圖7即為山區(qū)和平原雷暴系統(tǒng)初始時刻的平均風(fēng)場和特征物理量場。

對于山區(qū)雷暴事件，其發(fā)生階段內(nèi)湖北省大部地區(qū)的對流有效位能(CAPE)值都較大，一般在1000 J/kg以上，最大值超過2200 J/kg(位于大洪山脈西部)，這也表明大氣不穩(wěn)定能量高，對流潛勢較強(qiáng)。與此同時，湖北地區(qū)地面風(fēng)場呈氣旋式特征，且在西部山區(qū)存在地面風(fēng)場輻合，輻合中心強(qiáng)度達(dá)到-1.0×10-6s-1(圖7a)。這樣的環(huán)流形勢表明地面受熱低壓控制，不穩(wěn)定的大氣層結(jié)以及山區(qū)地面的風(fēng)場輻合有利于對流的觸發(fā)和發(fā)展。而在850 hPa(圖7c)，華中大部分地區(qū)為較一致的西南氣流，無明顯的切變線或低渦等天氣系統(tǒng)，即湖北處于暖區(qū)弱天氣強(qiáng)迫的環(huán)境中；從850 hPa假相當(dāng)位溫θse和6 km垂直風(fēng)切變的疊加圖中(圖7g)可看到，夏季自貴州一帶有一條高溫高濕舌覆蓋湖北西部，由于地形的熱力作用，導(dǎo)致山區(qū)一帶處在850 hPa假相當(dāng)位溫θse高能區(qū)，與暖濕氣流的發(fā)展位置一致；山區(qū)0～6 km垂直風(fēng)切變主要介于12～16 m/s，比平原小4 m/s左右。由于缺乏天氣系統(tǒng)與水汽輻合，湖北地區(qū)850 hPa相對濕度值較低，多在60%～70%之間。從對流層中層的500 hPa(圖7e)來看，湖北處于副高邊緣的西南氣流中，風(fēng)場呈現(xiàn)弱的反氣旋特征，而在湖北上游地區(qū)則以平直西風(fēng)氣流為主，無明顯的低槽東移。因此，雖然湖北山區(qū)無明顯天氣系統(tǒng)的支持，對流層中低層的動力和水汽條件稍弱，但山區(qū)風(fēng)場輻合明顯，熱力條件較好，而熱力不穩(wěn)定有利于局地性的對流系統(tǒng)在山地發(fā)展。上述分析表明，山區(qū)雷暴與地形抬升和局地?zé)崃Σ环€(wěn)定聯(lián)系緊密，易產(chǎn)生局地性強(qiáng)、生命史較短的午后熱對流[9,32,37]。而地形抬升和熱力不穩(wěn)定導(dǎo)致上升氣流增強(qiáng)，進(jìn)而加強(qiáng)水汽轉(zhuǎn)化，形成更多的過冷水和冰相粒子，并將他們攜帶升到一定高度，使雷暴云產(chǎn)生閃電，這也進(jìn)一步解釋了為何山區(qū)雷暴多發(fā)生于下午，且閃電持續(xù)時間較短。

對于發(fā)生在平原的雷暴，環(huán)境場上呈現(xiàn)出截然不同的特征。從地面風(fēng)場來看(圖7b)，江南北部存在一個倒槽，湖北省受到地面倒槽北部的偏東氣流控制，位于鋒面的冷區(qū)一側(cè)。相較于山區(qū)雷暴，湖北全省大部地區(qū)的CAPE值明顯偏小，一般在800～1200 J/kg之間，大氣不穩(wěn)定能量較低；與此同時，地面輻合較弱，不利于局地?zé)釋α鞯陌l(fā)展。在850 hPa風(fēng)場上(圖7d)，平原存在一條明顯的暖式切變線，在切變線附近存在較強(qiáng)的輻合，且相對濕度超過80%，遠(yuǎn)大于山區(qū)雷暴；而平原850 hPa假相當(dāng)位溫θse高溫高濕舌則由湖南北抬上來，與暖濕氣流的發(fā)展位置一致；0～6 km垂直風(fēng)切變基本超過20 m/s，比山區(qū)大4～8 m/s，與平原的熱力系統(tǒng)增強(qiáng)吻合(圖7h)。而從500 hPa風(fēng)場來看(圖7f)，四川盆地東部有槽，湖北處于高空槽前，受正渦度平流控制，這將導(dǎo)致高空輻散以及上升氣流的發(fā)展。綜合來看，平原地區(qū)中低層動力、熱力和水汽條件配置均利于深對流的發(fā)生發(fā)展，特別是較高的垂直風(fēng)切變可促進(jìn)多單體風(fēng)暴的組織，充足的水汽條件和大范圍、持續(xù)的上升氣流可持續(xù)生成冰相粒子，形成較大的電荷濃度，導(dǎo)致更多閃電的產(chǎn)生[38-39]，這也造成了平原地區(qū)閃電持續(xù)時間長，頻次峰值大。

圖7 山區(qū)(左列)和平原(右列)雷暴系統(tǒng)初生時刻地面(a、b)，850 hPa(c、d)，500 hPa(e、f)環(huán)境分析場（色斑分別表示為CAPE，單位：J/kg；濕度，單位：%；相對渦度，單位：10-6 s-1；白色虛線為散度，單位：10-6 s-1；黑色等值線為位勢高度，單位：dgpm)；850 hPa假相當(dāng)位溫θse與0～6 km垂直風(fēng)切變(g、h)(色斑為850 hPa假相當(dāng)位溫θse，白色等值線為0～6 km垂直風(fēng)切變，單位：m/s。）

5 結(jié)論和討論

利用湖北省2013—2018年6—8月ADTD閃電探測數(shù)據(jù)分析了湖北地區(qū)的閃電密度和日變化特征，并利用2015—2016年6—8月逐6 min雷達(dá)組合反射率拼圖產(chǎn)品和地閃資料挑選了94例伴有顯著閃電活動的雷暴系統(tǒng)，著重分析了不同地形下的地閃特征差異并開展了成因分析，得到如下結(jié)論。

(1)湖北省夏季閃電密度分布伴有明顯的區(qū)域性差異。閃電密度高值區(qū)主要位于海拔500～1500 m的中尺度山脈向平原的過渡地帶以及山脈之間的平原(河谷)地區(qū)，沿山坡基本呈南北或東北-西南走向。

(2)湖北地區(qū)夏季的地閃活動主要出現(xiàn)在午后，其中，山區(qū)的地閃集中在午后至傍晚時段，呈現(xiàn)明顯的單峰特征，而平原的地閃日變化相對平緩，雖然主峰值同樣在午后16:00，但夜間地閃活動依然活躍，且凌晨和上午也有較多的地閃發(fā)生。

(3)整體而言，雷暴系統(tǒng)的初次地閃、峰值地閃和末次地閃多出現(xiàn)于13:00—18:00時段。其中，山區(qū)雷暴的閃電活動集中在14:00—19:00，約有70%的山麓雷暴在13:00—18:00出現(xiàn)閃電生消過程，僅有30%的平原雷暴在午后出現(xiàn)閃電活動，而出現(xiàn)在上午的可能性最高。

(4)在不同地形下，雷暴系統(tǒng)的地閃活動持續(xù)時間和地閃頻數(shù)峰值等特征差異明顯。其中，山區(qū)雷暴的地閃持續(xù)時間較短，地閃頻數(shù)峰值也較小；平原雷暴地閃持續(xù)時間更長，地閃頻數(shù)峰值也更大；山麓雷暴的地閃特征則介于兩者之間。

(5)基于再分析資料的成因分析表明，地形強(qiáng)迫和局地?zé)崃Σ环€(wěn)定易在山區(qū)引發(fā)局地性強(qiáng)、生命史較短的午后熱對流，是影響湖北山區(qū)夏季閃電密度分布和日變化特征的關(guān)鍵因子，而平原地區(qū)中低層動力、熱力和水汽條件配置均利于深對流的發(fā)生發(fā)展，這也導(dǎo)致該地區(qū)閃電持續(xù)時間長，頻次峰值大。

致謝：感謝武漢中心氣象臺茍阿寧高級工程師的細(xì)心指導(dǎo)。