浙江省沿海陆域与舟山海域地闪回击特征分析

陈军 孙轶 李京校 张骁 林伟 于梦颖

(1 舟山市气象局，舟山 316021;2 北京市气象灾害防御中心，北京 100088;3 岱山县气象局，岱山 316200)

国内外对陆地以及海洋区域的闪电活动已进行了一定研究。利用地闪定位系统，冯桂力等[1]研究了山东北部一次中尺度对流系统，正地闪平均峰值电流强度为33.22 kA，负地闪峰值电流强度平均为10.29 kA。李家启等[2]研究重庆市2006—2009年闪电特征表明，正地闪仅占3.58%，正地闪平均雷电流幅值(59.6 kA)明显大于负地闪(39.4 kA)。崔海华等[3]研究指出京津冀地区正地闪占地闪总数7.33%,河南为3.16%,内蒙古高原为9.60%，京津冀地区正地闪与负地闪的平均雷电流强度分别为74.16 kA、40.46 kA。Chai等[4]研究2006—2012年湖北闪电定位资料表明，正地闪占总地闪数5.4%。宋晓爽等[5]研究指出，上海及周边地区正地闪比例8.5%，陆地上的地闪密度要显著高于湖泊和海洋上的地闪密度,而海洋上的正地闪比例显著高于陆地。王娟等[6]研究指出，全国雷电监测定位系统ADTD获取的2009年1月至2012年12月云地闪电中正地闪占5%左右。

根据美国NLDN定位数据，美国1992—1994年正地闪占总地闪比例4.2%～4.9%[7]。张义军等[8]研究指出全球闪电密度高值区主要分布在海岸地区、山地地区、中尺度气旋多发地区以及热带辐合带的辐合区内,大陆、海岛、沿海地区所发生的闪电占全球的88%，陆地和海洋闪电密度比近似为10∶1。

浙江省位于27°02′～31°11′N，118°01′～123°10′E，东西和南北的直线距离均为450 km左右，陆域面积10.18万km2。舟山市位于29°32′～31°04′N，121°30′～123°25′E，舟山海域辽阔，总面积2.22万km2，舟山群岛为我国第一大群岛，位于长江口以南、杭州湾以东的浙江省北部海域，岛礁众多，星罗棋布，有大小岛屿1390个，岛屿陆地面积1371 km2。

本文依据浙江省闪电定位系统2016—2020年资料，通过大数据分析对浙江省陆域与舟山海域进行地闪雷电参数分析，研究了地闪回击密度、正地闪回击占总地闪回击的比例、正地闪和负地闪回击的电流强度、正负地闪回击逐月和逐时比例等地闪活动特征，通过比较分析，对于雷电灾害防御具有一定的参考价值。

1.1 资料遴选

浙江省闪电定位系统于2007年建成，由12个站组成，中心站位于杭州，其他11个子站分别位于11个市的气象观测站内，采用ADTD闪电探测仪[9-10](由原中科院空间中心开发，核心部件为IMPACT传感器)，组网密度约9000 km2/个，设计定位精度为500 m,探测效率为80%～90%。通过不同站同时(GPS全球定位自动授时)测量云地闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的电流参数，采用了Uman 和Mclain 提出的传输线回击电流模型，即假定电流波形不发生弯曲和雷电流沿通道传播时不发生衰减，应用闪电探测中较为先进的时差测向混合技术,并用卡方函数最小化算法最后定位[11]。

本文采用浙江省闪电定位系统2016—2020年的地闪探测资料，包括地闪的时间、极性、位置、回击电流峰值等参数。为对浙江省陆域和舟山海域的雷电参数作精确分析，先进行数据质量控制[12]。闪电定位系统存在误触发的情形，有一些无效数据，对于二站振幅和二站混合的定位算法，二站定位误差很大[13]，因其探测精度较低，予以过滤，仅保留3站以上定位算法数据。地闪定位系统的探测效率是随着距离站网中心的距离快速衰减的，舟山海域属于浙江省地闪定位系统网络的外缘，其探测效率和精度会有所下降。另外，鉴于测量数据中有极小部分电流强度超过了300 kA，国外研究者普遍认为自然界最大的正地闪电流强度在300 kA左右[11]。一部分数据显示测得峰值电流为0及10 kA以下，可能是ADTD地闪定位系统误判为正地闪的云闪数据。经分析，-10～0 kA的负地闪占比极低，不足1%，对计算结果不会产生影响，故不作滤除。综合以上考量，遴选了-300～0 kA，10～300 kA范围[14]作为研究分析对象。除了首次回击，ADTD具备一定的后续回击探测能力，在雷电防御实践中，每一次地闪回击均可能对生命或地面设施造成较大危害，本文以地闪回击特征分析为主,不将一次闪电过程中可能包含的多次回击进行归闪处理。

1.2 分析方法

对浙江省陆域、舟山海域地闪回击特征分区域进行统计和分析(本文指的是地闪回击，下同)。对地闪回击密度的分析采用网格法[15]，对闪电定位资料统计各评估网格单元的地闪密度，评估网格单元大小设定为0.01°×0.01°。按照地球半径6371.004 km，以30°N线为标尺，对其每1个经纬度网格转换为距离和面积，0.01°×0.01°相当于1.069665 km2。

2.1 浙江省陆域地闪特征

根据Access和Matlab分析结果，浙江省陆域的年平均地闪回击密度为1.97 次·km-2·a-1，年平均正地闪回击密度为0.1 次·km-2·a-1，年平均负地闪回击密度为1.87 次·km-2·a-1，如图1～3所示。浙江省陆域总地闪回击密度分布极不均匀，南部的地闪回击密度显著高于北部，地闪回击密度较大值位于浙西丘陵和浙东丘陵，浙北平原相对较低。

图1 浙江省2016—2020年平均地闪回击密度分布

分析表明，浙江省陆域正地闪回击占总地闪回击的5.1%。正地闪回击平均电流强度为42.49 kA，负地闪为33.61 kA，正负电流强度比值为1.26，若采用区域分析的方法，以29.5°N为界线将浙江省陆域大致分成北部和南部，其正、负地闪回击电流强度对比如表1所示。

表1 浙江省陆域北部和南部正、负地闪回击电流强度对比

分析数据显示，北部和南部地闪回击平均电流强度对比为：①浙江省陆域北部的正地闪回击平均电流强度(57.67 kA)大于南部的正地闪回击平均

图2 浙江省2016—2020年平均正地闪回击密度分布

图3 浙江省2016—2020年平均负地闪回击密度分布

电流强度(36.73 kA)，北部正地闪与南部正地闪回击平均电流强度比值为1.57；
②北部的负地闪回击电流强度(39.54 kA)大于南部的负地闪回击电流强度(31.74 kA)，其比值为1.25；
③北部的正地闪回击电流强度(57.67 kA)大于负地闪回击电流强度(39.54kA)，其比值为1.46；
④南部的正地闪回击电流强度(36.73 kA)大于负地闪回击电流强度(31.74 kA)，其比值为1.16。

研究发现，浙江省陆域北部正、负地闪回击平均电流强度均分别比南部强；
浙江省陆域北部的正地闪回击显著大于负地闪回击电流强度，而浙江省陆域南部的正地闪回击略大于负地闪回击电流强度，其程度显著下降。

按照不同月份和时次，对浙江省陆域的正负地闪回击次数进行统计，如图4～7所示，从月分布看，5—9月占96%，1月、2月、11月、12月几乎很少；
从每日时次分布看，13:00—23:00占84%，其他时段很少；
从正负地闪回击逐月对比，1—4月，11、12月正地闪回击占比较高，其中2月正地闪回击占比66%，1月正地闪回击占比53%，11月正地闪回击占比46%；
从正负地闪回击逐时对比，01:00—11:00正地闪回击占比均超过10%，其中03:00—04:00占比达23%,04:00—05:00占比达24%。

图4 浙江省陆域2016—2020年正、负地闪回击次数占比年变化

图5 浙江省陆域2016—2020年正、负地闪回击次数占比日变化

图6 浙江省陆域2016—2020年逐月正、负地闪回击次数占比

图7 浙江省陆域2016—2020年逐时正、负地闪回击次数占比

2.2 舟山海域地闪特征

舟山海域如图8所示，舟山海域的年平均地闪回击密度为0.54 次·km-2·a-1，年平均正地闪回击密度为0.06 次·km-2·a-1，年平均负地闪回击密度为0.48 次·km-2·a-1，如图9～11所示。发现舟山海域地闪回击密度分布极不均匀，其地闪回击密度较大值有若干离散区域，杭州湾东部和洋山港以西海域、西部比邻宁波岛屿、舟山本岛中北部、舟山六横岛南部、金塘岛南部相对较大，图中清晰可见舟山部分海域地闪回击密度较高，是一个值得注意的现象。

图8 舟山海域主要岛屿分布

图9 舟山海域2016—2020年平均地闪回击密度分布

图10 舟山海域2016—2020年平均正地闪回击密度分布

图11 舟山海域2016—2020年平均负地闪回击密度分布

正地闪回击密度峰值位于舟山本岛南部海域、舟山本岛中北部。负地闪回击密度峰值位于杭州湾东部和洋山港以西海域、舟山六横岛南部、金塘岛南部。

分析表明，舟山海域正地闪回击占总地闪回击的11.1%。正地闪回击平均电流强度为49.81 kA，负地闪回击平均电流强度为47.77 kA，正负电流强度比值为1.04，若采用区域分析的方法，以30°N为界线将舟山海域大致分成北部和南部，其正负地闪回击电流强度及比值如表2所示。

表2 舟山海域北部和南部正、负地闪回击电流强度对比

北部和南部地闪回击平均电流强度对比为：①舟山海域北部的正地闪回击电流强度(54.91 kA)大于南部的正地闪回击电流强度(43.70 kA)，北部正地闪与南部正地闪回击电流强度比值为1.26；
②北部的负地闪回击电流强度(51.60 kA)大于南部的负地闪回击电流强度43.16 kA，其比值为1.20；
③北部的正地闪回击电流强度(54.91 kA)大于负地闪回击电流强度(51.60 kA)，其比值为1.06；
④南部的正地闪回击电流强度(43.70 kA)稍大于负地闪回击电流强度(43.16 kA)，其比值为1.01。

研究发现，舟山海域北部正、负地闪回击平均电流强度均分别比南部强，北部的正地闪回击平均电流强度大于负地闪强度，而南部的正地闪回击平均电流强度稍大于负地闪回击强度，其强度显著下降。

按照不同月份和时次，对舟山海域的正负地闪回击次数进行统计，如图12～15所示。从逐月分布看，5—9月占92%，1月、2月、11月、12月几乎很少，从每日时次分布看，出现3个峰值区，02:00—06:00占19%，13:00—16:00占16%,18:00—23:00占36%，其他时段也时有发生；
从正负地闪回击逐月对比，1—4月、11月正地闪回击占比较高，其中1、2月正地闪回击均超过50%，1月正地闪回击占比69%，2月正地闪回击占比73%，11月占比达40%；
从正负地闪回击逐时对比，有16个时段正地闪回击比例超过10%，07:00—08:00正地闪回击占比出现峰值，达21%，所有时段正地闪回击占比均超过6%。

图12 舟山海域2016—2020年正、负地闪回击次数占比年变化

图13 舟山海域2016—2020年正、负地闪回击次数占比日变化

图14 舟山海域2016—2020年逐月正、负地闪回击次数占比

图15 舟山海域2016—2020年逐时正、负地闪回击次数占比

2.3 浙江省陆域、舟山海域地闪地域差异及分析

浙江省陆域、舟山海域对比表明，地闪回击密度存在较大区别：①浙江省陆域年均地闪回击密度为1.97 次·km-2·a-1，远大于舟山海域的0.54 次·km-2·a-1，其比值为3.65；
②浙江省陆域年均正地闪回击密度为0.10 次·km-2·a-1，大于舟山海域的0.06 次·km-2·a-1，其比值为1.67；
③浙江省陆域年均负地闪回击密度为1.87 次·km-2·a-1，远大于舟山海域的0.48 次·km-2·a-1，其比值为3.90；
④浙江省陆域正地闪回击占总地闪回击的5.1%，舟山海域正地闪回击占总地闪回击的11.1%，其比值为0.46。

浙江省陆域、舟山海域的北部区域的正、负地闪回击电流强度均明显强于南部区域。地闪平均电流强度存在较大区别：①舟山海域的正、负地闪回击电流强度均分别比浙江省陆域的强；
②舟山海域的正、负地闪回击电流强度比值明显小于浙江省陆域。

浙江省陆域和舟山海域的地闪回击主要发生在5—9月，1—2月、11—12月几乎很少；
浙江省陆域地闪回击主要发生在13:00—23:00，占84%，舟山海域则出现3个峰值区，02:00—06:00占19%，13:00—16:00占16%,18:00—23:00占36%；
浙江省陆域和舟山海域1—4月、11月正地闪回击占均比较高，其中1—2月超过50%,冬季的正地闪回击数占比较高；
浙江省陆域有11个时段正地闪回击占比超过10%，舟山海域有16个时段正地闪回击占比超过10%。

舟山海域的地闪地域特征显著，正地闪回击的比例特别高，正地闪回击的平均电流强度稍大于负地闪回击，利用气象学和大气电学对其进行初步分析,主要有以下5个因素：①根据舟山市历年气象观测资料，一年四季均有可能发生雷暴，冬季雷暴会产生更多的正地闪[11]。②影响舟山海域的天气系统以前部层状降水中尺度对流系统为主，利于正地闪的产生[16]，受高空风影响，随着飑线平移，雷暴云正负电荷结构倾斜，正负电荷区出现水平方向上的错位，云地闪顶部电荷结构变形，可能导致正地闪增加[17]。③虽然大部分地闪活动具有快速生成并消亡的特性，但是舟山海域地理位置特殊，位于杭州湾外口，杭州湾南侧的宁波距离舟山本岛约20 km，杭州湾北侧的上海距离洋山岛约25 km，距离泗礁岛约50 km，舟山陆域面积很小，最大的舟山本岛仅502 km2，不利于本地雷暴的生成，易受从上海南部、浙江北部或中部朝东方向发展移动的线状中尺度强对流系统(MCS，也称为飑线)影响[18]，抵达舟山海域时，线状中尺度对流系统以消散阶段为主，导致层状云区的正地闪相对频繁[1]，这也正是舟山海域正地闪比例比较高的主要原因之一。④正地闪频繁触发，使大量正电荷快速释放到地面，正电荷区携带的电荷显著减少，出现了正地闪回击的平均电流强度稍大于负地闪回击的情形。⑤根据陈淑琴等[19]对舟山多普勒雷达回波资料的分析，沿着杭州湾入海对流单体，在海岸线北侧大概率发展加强或维持，在海岸线南侧入海时大概率减弱，一定程度上导致了正地闪回击平均电流强度在舟山海域的南北差异。

2.4 陆地与海洋的地闪地域差异

根据国内外文献[1-7]，对正地闪占总地闪的比例、各地正地闪平均电流强度与负地闪平均电流强度的对比汇总如表3、表4所示。

表3 正地闪占总地闪数比例对比

表4 正地闪平均电流强度与负地闪平均电流强度对比

表中统计信息表明，世界各地报告的陆地和海洋的正地闪占总地闪数比例变化较大，海洋上的正地闪占总地闪数比例比较高；
陆地上的正地闪平均电流强度与负地闪平均电流强度的比值基本都远大于1，如京津冀、山东、重庆等正地闪远大于负地闪平均电流强度，而海洋上的正地闪平均电流强度稍大于负地闪，这个发现有待进一步研究。

通过对浙江省闪电定位系统2016—2020年数据分析，结果发现：

(1)陆域年均地闪回击密度为1.97 次·km-2·a-1，年平均正地闪回击密度为0.10 次·km-2·a-1，正地闪回击占总地闪回击的5.1%，正地闪回击平均电流强度为42.49 kA，负地闪回击平均电流强度为33.61 kA，正负电流强度比值为1.26。

(2)舟山海域年均地闪回击密度为0.54 次·km-2·a-1，年平均正地闪回击密度为0.06 次·km-2·a-1，正地闪回击占总地闪回击的11.1%，平均正地闪回击强度为49.81 kA，平均负地闪回击强度为47.77 kA，电流强度比值为1.04。

(3)浙江省陆域、舟山海域的北部区域的正、负地闪回击电流强度均明显强于南部区域；
舟山海域的正地闪和负地闪回击电流强度均分别比浙江省陆域的强，舟山海域的正负地闪回击电流强度比值明显小于浙江省陆域。

(4)不同区域正地闪与负地闪回击平均电流强度的比值有较大差异，舟山海域的正地闪回击的比例特别高，正地闪回击的平均电流强度稍大于负地闪回击。

(5)舟山海域易受从上海南部、浙江北部或中部朝东方向发展移动的中尺度强对流系统影响，抵达舟山的线状中尺度对流系统以消散阶段为主，导致层状云区的正地闪相对频繁；
沿着杭州湾入海对流单体，在海岸线北侧大概率发展加强或维持，在海岸线南侧入海时大概率减弱，一定程度上导致了正地闪回击平均电流强度在舟山海域的南北差异。

(6)浙江省陆域和舟山海域的地闪主要发生在5—9月，1—2月、11—12月几乎很少，冬季的正地闪回击数占比较高。

(7)出于探测效率和定位精度等因素的综合考虑，分析时删除了二站定位算法的数据，地闪密度值可能偏低，浙江省多丘陵，海岸线较长，探测站所处地形地表的不规则起伏环境可能对闪电定位系统探测精度和效率有一定影响[20]。

(8)陆地与海洋的地闪活动具有较大的差异，相关问题有待进一步研究。