基于ADTD的城市与平原不同下垫面状况对闪电特征影响的分析

李政 范是琪 赵涛 王小飞

摘要：利用湖北省ADTD闪电定位系统记录的江汉平原天门市、仙桃市、潜江市城市下垫面与3个城市外围平原下垫面的地闪数据，通过对地闪数据中闪电频次、闪电极性、闪电幅值、累积概率等闪电特征进行归纳分析对比，从而揭示湖北省内在同一大气环流背景下城市与平原2种不同下垫面状况对闪电具体特征的影响。结果表明，在同一大气环流背景下，城市与平原下垫面之间同时发生闪电的相关系数较高，因为下垫面特征产生的局部闪电比例较低;城市下垫面对应的正闪电比例高于平原下垫面，但是其正闪平均幅值较低，呈负相关;城市下垫面的闪电幅值分布更加集中，主要在20-35 kA;城市下垫面与平原下垫面相比，雷电流平均幅值大0.91 kA，雷电流累积概率中值电流大0.90 kA，60.0 kA以上的雷电流也表现为城市下垫面更多。

关键词：ADTD;下垫面;闪电特征;湖北省

中图分类号：S42;P427.32

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 20-0071-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.20.015

闪电是云与云之间、云与地之间或者云内部各部位之间的强放电现象。其中对人类危害最大的主要是云与地之间放电，也叫云地闪。云地闪可以分为上行先导和下行先导，但是最后雷击点都是在下垫面上，不同下垫面会影响雷击先导，也会对闪电特征产生影响。此外，下垫面的特征，如不同的地形、地质、土壤和植被等，地形的曲折起伏、植被和土地的利用类型等也会影响下垫面上部边界层的热力和动力过程，进而对天气过程产生不同程度的影响，最后影响到闪电的特征。

关于下垫面对闪电天气过程的影响研究较多，有分析指出，下垫面特性（植被和土壤）的变化影响了地表能量和热通量及对流有效位能[1-3]。土地利用类型的改变使地表加热产生空间变化从而加强了强对流天气。Chen等[4]分析指出，台北市城市化进程改变下垫面状况使大气边界层的动力和物理过程被迫改变，城市热岛效应引起的中尺度环流加强了主城区下風向的对流活动。徐蓉等[5]利用数值模拟南京市下垫面特征对雷暴过程的影响，表明雷暴发生前期，南京市热岛效应明显，其次，城市上空的感热通量较高，结合城郊下垫面热力差异造成的城市热岛环流，加强了城区的辐合上升，为雷暴的形成提供了重要的抬升作用。

上述研究主要分析了下垫面对水汽、热量、动力的影响，但是具体到在这种影响下不同下垫面之间发生闪电的具体特征（如闪电极性、幅值、陡度）差异方面的研究较为鲜见。本研究将探讨不同下垫面之间发生闪电的差异，以期为城市和农村开展精细化防雷减灾工作提供理论依据。

1 资料获取与处理

江汉平原位于长江中游，汉江中下游，湖北省的中南部，西起宜昌枝江，东迄武汉，北自荆门钟祥，南与洞庭湖平原相连，面积约4.6万km2。选取ADTD闪电定位系统2007-2015年记录的云地闪资料[6-13]，通过对比分析江汉平原仙桃市、潜江市、天门市市区与附近平原的云地闪特征来反映城市下垫面与平原下垫面对闪电特征的影响。从图1可以看出，平原下垫面主要是以绿色农田为主，而在城市部分却是人工改造后的灰色钢筋水泥。不同下垫面的坐标选取范围如表1所示。

2 不同下垫面闪电频次特征分析

2.1 日变化分布

江汉平原是典型的亚热带季风气候，所选取的对比区域都在江汉平原内，之间并没有大的山川、水域影响天气环流，所以其所处的地理位置大尺度的天气环流背景是相同的。

将闪电发生时间按照24 h日变化进行归纳，结果见图2。由图2可以看出，研究区域内的城市、平原下垫面闪电频次有较大差异，但是它们所对应的闪电频次日变化曲线基本一致。在一天中闪电发生最多的是16：00和3：00，2个波峰。发生闪电最少的是6：00和12：00，2个波谷。

2.2月变化分布

从图3可以看出，城市与平原下垫面两者之间闪电频次的月变化规律基本一致。7月闪电频次发生最多，12月发生最少，全年呈现一个单峰形态。

2.3 闪电发生相关系数分析

以城市下垫面发生闪电为基数，统计在同一个自然日内平原下垫面也发生闪电时的相关系数（图4），2009、2012、2013年3年相关系数都是100.00%，最低的是2014年，相关系数为57.00%，2007-2015年总的相关系数是93.83%。这2个不同下垫面之间发生闪电的相关系数非常高，说明这2个不同下垫面之间发生闪电的规律基本一致，推测认为，在相同的大气环流背景下，下垫面状况不是影响闪电是否发生的决定因素[14]。

3 不同下垫面闪电幅值特征分析

3.1 闪电极性的差异性分析

将城市、平原下垫面发生正、负闪电极性按照所占总闪比例及正、负闪电的平均幅值进行归纳统计，结果见图5。从图5可以看出，2个下垫面之间负闪、总闪的平均幅值相差较小，但是与正闪相差较大。其中，平原下垫面的正闪平均幅值是+58.63kA，而城市下垫面的正闪平均幅值是+52.49 kA。而从其所占比例来看，2个下垫面之间的规律相反。其中，平原下垫面正闪只占总闪的6.14%，而城市下垫面正闪所占比例达9.42%。

从统计结果来看，城市下垫面比平原下垫面正闪比例要高近53.00%，这是因为城市下垫面比平原下垫面有更多的高耸建筑物，有利于主要存在于雷暴云顶部的正电荷击穿空气对大地放电[15，16]。

3.2 闪电幅值最大频次分析

将城市、平原下垫面不同闪电幅值的频次进行统计，结果如图6所示。城市、平原下垫面闪电幅值频次分布变化曲线基本相同，都是呈单波峰曲线。但是，城市下垫面的曲线要比平原下垫面前移了一部分。其中，城市下垫面最大频次对应的闪电幅值是27 kA，平原下垫面最大频次对应的闪电幅值是24 kA，两者之间相差3 kA。表明虽然城市、平原下垫面的闪电平均幅值差别不大，但是城市下垫面比平原下垫面不同闪电幅值的频次分布更加平均，主要集中在20-35 kA。

3.3 雷电流幅值累积概率特征分析

将城市、平原下垫面雷电流幅值按照lkA为单位分别统计雷电流幅值大于1、2、3，…，120 kA的次数（120 kA以上雷电流幅值占总闪比例不到万分之三）。计算城市、平原下垫面的闪电次数大于不同雷电流幅值时占其总闪电次数的百分比，得到城市、平原下垫面的雷电流幅值累积概率，结果见图7。从图7可以看出，城市下垫面与平原下垫面对应的雷电流幅值累积概率分布曲线基本相同，但是城市下垫面曲线要略微上扬，这也与城市下垫面雷电流平均幅值较大一致。

学术界把累积概率等于50%时对应的雷电流幅值称为中值电流。统计结果表明，城市下垫面中值电流大约为28.7 kA，平原下垫面中值电流约为27.8 kA，两者相差0.90 kA，这与2个不同下垫面平均雷电流幅值相差0.91 kA相近。但是，本研究统计的中值电流要小于王学良等[17]统计的湖北省全省的中值电流（ 29.9 kA），也小于广州市中值电流（36.7 kA）[18]，但是大于海南省的中值电流（ 10.2 kA）[19]。

在累积概率为10%时，城市下垫面对应的雷电流幅值为60.0 kA，而平原下垫面只有55.0 kA，这说明城市下垫面的较大雷电流幅值占比多于平原下垫面。

4 小结

1）居于同一大气环流背景下的城市下垫面和平原下垫面之间，闪电发生的规律基本一致，说明下垫面特征不是影响闪电是否发生的决定因素，更多地是影响局部水汽输送、温度抬升，从而影响强对流天气的发展过程。

2）城市下垫面的正闪比例比平原下垫面的正闪比例高近53.00%。这可能是因为城市下垫面比平原下垫面有更多的高耸建筑物，有利于主要集中在雷暴云顶部的正电荷击穿空气形成正极性闪电。

3）2个下垫面样本的正、负闪电平均幅值与正负闪电频次占比呈反相关，正闪多的下垫面其正闪平均幅值低，负闪多的下垫面其负闪平均幅值低。假设在本研究所取的江汉平原下垫面样本中，单位面积大气中一定时间内产生的正、负电荷是相同的，那么放电次数多的，也就是闪电频次高的，必然每次放电释放的电荷少，雷电流的平均幅值低。

4）城市下垫面与平原下垫面相比，雷电流平均幅值大0.91 kA，雷电流累积概率中值电流大0.90 kA。城市下垫面的闪电频次分布也更加集中，闪电幅值主要分布在20-35 kA。同时，城市下垫面大幅值雷电流占比更高，其闪电雷电流幅值大于60.0 kA的占比为10.0%，而在平原下垫面这一数值只有7.7%。在雷电防护设计中，要针对城市下垫面这一特点，有效采取防雷措施。

参考文献：

[1]罗哲贤，下垫面状况变化对气候的影响[J].新疆气象，1991，14（71：2-9.

[2]杜继稳，梁俊生，胡春娟，等.植被覆盖变化对区域气候变化影响的数值模拟研究进展[J].西北林学院学报，2001，16（2）：22-27.

[3]梁玲，吕世华，尚伦宇.黄土高原植被改变对夏季当地气候影响的数值模拟[J].高原气象，2008，27（2）：293-300.

[4] CHEN T C.TSAY J D. MATSUMOTO J，et al.Impact of the summermonsoon westerlies on the south China sea tropical cyclone genesisin MaV[Jl.Weather and forecasting. 2017， 32（3）：925-947.

[5]徐蓉，苗峻峰，谈哲敏南京地区城市下垫面特征对雷暴过程影响的数值模拟[J].大气科学，2013，37（6）：1235-1246.

[6]曾庆峰，张其林，赖鑫，等，深圳市闪电定位系统资料误差分析及其优化[J]气象科技，2015，43（3）：530-536.

[7]秦建峰，刘梦雨，吴吴.ADTD雷电探测系统典型故障分析[J].气象科技，2012，40（2）：180-184.

[8]冯志伟，肖稳安，马金福，等.基于地闪数据的雷电流幅值累积概率公式探讨[J].气象科技，2012，40（1）：137-140.

[9]陈家宏，童雪芳，谷山强，等.雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征[J]高电压技术，2013，39（9）：1893-1897

[10]王巨丰，齐冲，车治颖，等.雷电流最大陡度及幅值的频率分布[J].中国电机工程学报，2007，27（3）：106-110.

[11]张义军，孟青，马明，等，闪电探测技术发展和资料应用[J].应用气象学报，2006，17（5）：611-619.

[12]易笑园，张义军，李培彦，等.MCS中地闪活动特征与雷达资料相关个例分析[J].气象科技，2007，35（5）：665-670

[13] ANDERSON R B，ERIKSSON A J.Lightning parameters for engi-neering application[J] .Electra. 1980， 69： 65-102.

[14]翟国庆，丁华君，高坤.中尺度下垫面特征对气旋暴雨影响的数值试验[J].杭州大学学报，1995，22（2）：185-190.

[15]王华，孙继松.下垫面物理过程在一次北京地区强冰雹天气中的作用[J].气象，2008，34（3）：16-21.

[16]张朝林，苗世光，李青春，等，北京精细下垫面信息引入对暴雨模拟的影响[J].地球物理学报，2007，50（5）：1373-1382.

[17]王学良，张科杰，余田野，等.雷电流幅值概率分布特征及累积概率分段修订[J]。气象科技，2016，44（6）：1037-1042.

[18]陆国俊，熊俊，陈家宏，等广州地域1999-2008年地闪密度图及雷电参数分析[J].高电压技术，2009，36（12）：2930-2936.

[19]童雪芳，陈家宏，陈钦柱海南电网雷电参数特征及应用研究[Jl.电磁避雷器.2015（1）：134-138.

作者简介：李政（1984-），男，江苏沭阳人，副高级工程师，硕士，主要从事雷电防护技术和雷电风险评估方法的研究，（电话）027-67848265（電子信箱）45078168@qq.com。