基于浙江省三维闪电监测系统的多回击闪电参数的特征分析

崔雪东，顾 媛，徐震宇，王康挺

(浙江省气象安全技术中心，杭州 310008)

闪电是自然界中一种常见的放电现象[1]，具有高电压、大电流、强电磁辐射的特征，常造成严重的人身伤亡和经济损失，被列为十大自然灾害之一[2]。根据放电的类型分为云地闪和云闪，相比于云闪，地闪直接击中地面，产生的危害最直接。回击是闪电最强烈的放电过程，破坏力强，其特征是雷电防护研究的重点[3]。

为深入了解并掌握闪电活动特征，分析闪电成灾机制，中外科学家采用不同频段技术的天线定位系统监测闪电的位置[4-6]，或通过人工引雷技术解释闪电放电的机理和特征[7-8]。随着定位技术的发展，气象、电力、民航等部门部署雷电定位监测系统实现对地闪信息的实时获取，并对定位效率的探测效率及精度进行了大量的评估工作[9]，更高质量的地闪数据有效应用于雷灾调查、闪电监测预警以及防护设计等领域[10-11]。目前大量运行的二维闪电定位系统受当时技术水平限制，只能探测地闪，且精度和效率较低，而三维定位技术能以较高的时间和空间精度描绘闪电的发生发展，弥补了二维定位对云闪探测的缺陷[12]。近年来，浙江省气象局致力于二维闪电定位仪的升级，并于2018年底完成三维闪电定位仪的组网并正式投入运行。

通常情况下无论是云地闪还是云闪，一次完整的放电过程可能包括多次回击过程，中外学者通过多种探测手段对多回击的放电特征及其分布做了大量的分析。Tiller等[13]利用电场系统对佛罗里达地区雷暴进行了观测，对其地闪首次回击和继后回击进行了统计分析。Janischewskyj等[14]利用摄像机记录的闪电数据得出多伦多地区闪电回击为2.4次，持续时间中值为480 ms，单次回击占44.5%。Saba等[15-16]借助高速摄像机拍摄的光学资料研究了巴西地区地闪的回击特征，发现负单回击地闪占20%，平均回击次数为3.8次，正单回击地闪占72%，其中正地闪的间隔时间是负地闪的2倍。郄秀书等[4]、黎勋等[3]通过天线测量系统分别对中国内陆高原地区和北京地区的回击进行了分析，重点统计了正负首次回击和继后回击的强度特征。另外不少研究通过闪电定位系统监测的地闪资料对其多回击特征作了较为全面的分析[17-18]。

相比于单回击闪电，多回击闪电电荷量较大、作用时间更长、破坏性更大，通过对回击闪电的研究有助于深入对闪电活动的了解以及对雷电防护的更优设计。目前的研究主要针对地闪的多回击特征统计，对于二维闪电定位系统监测多回击地闪也有不少研究，而三维系统监测的闪电特别是云闪多回击特征研究较少。基于浙江省三维闪电定位监测系统2019—2020年的闪电数据研究其多回击特征及其时空分布，为更优使用三维监测数据提供参照。

1 资料与方法

浙江省三维闪电定位监测网是在原有的二维闪电监测网基础上升级改造而成，基于高精度三维时差定位算法(3D time of arrival，3D-TOA)，实现闪电VLF/LF(very low frequency/low frequency)脉冲信号的时间、极性、强度和三维位置等参数的定位，大大提高了探测精度和效率，能够同时探测云闪和云地闪。监测网由16台ADTD-2C型三维闪电定位仪、中心站处理端和3D图形显示与应用服务系统组成。16台定位仪合理布置在杭州、平湖、嵊州、长兴、定海、洞头、岛石、汾口、三河、江山、霞关、龙泉、永康、永嘉、泰顺、洪家。

参照已有关于多回击闪电的归闪的研究[17-19]，采用GB/T 37047—2018[20]的地闪归集方法进行聚类。对于一次闪电的判断标准是:空间距离在10 km以内，时间差在1 s以内且相邻回击之间的时间间隔小于或等于500 ms，电流极性相同的回击属于同一次闪电，闪电的第一次回击为首次回击，其他回击则为继后回击。当不存在满足此条件的多次回击，则认定为单次回击闪电。依据以上方法对2019—2020年浙江区域内发生的地闪回击和云闪回击进行归并处理。

2 结果与分析

2.1 回击次数

2019和2020年三维系统分别监测到闪电回击数602 594次和768 602次，2020年闪电回击数相比2019年高出近30%。两年内共监测到地闪回击数986 425次，其中正闪181 453次，负闪804 972次，云闪回击数384 771次，其中负闪267 406次，正闪117 365次。共发生地闪621 645次，其中多回击地闪174 674次，占总地闪的28.10%，发生云闪350 981次，其中多回击云闪28 120次，占总云闪的8.01%。2019—2020年监测到的地闪回击数远大于云闪回击数，地闪回击数为云闪回击数的2.56倍。从多回击闪电占比来看，多回击地闪占比远高于多回击云闪占比，两者相差3倍多。

表1为不同回击序数对应的正、负地闪和云闪次数及其占总闪次数百分比分布。从表1中可以看出，单回击为地闪和云闪的主要形式，其中云闪的单回击占比比地闪高出近二十个百分点；另外单回击正闪相比负闪占比高，都占总闪数的90%以上。多回击地闪和云闪频次随回击序数的增加呈明显的下降趋势，且各回击序数的正闪占比都小于负闪占比。负地闪和负云闪最多一次闪电都达到14次回击，而正地闪和正云闪一次闪电的回击数最大不超过10次。

表1 不同回击序数对应的正、负地闪和云闪次数和所占百分比分布

地闪平均回击次数为1.59次，其中正地闪平均回击次数为1.07次，负地闪为1.78次。云闪平均回击次数为1.10次，其中正云闪平均回击次数为1.04次，负云闪为1.12次。正地闪和正云闪的平均回击次数和最大回击数都明显小于负闪，可能是因为正闪电荷量较大，一旦建立起放电通道，每次回击过程泄放的电荷较多，所以在较少的回击过程内可完成电荷的释放。

2.2 时空分布

研究表明闪电的发生具有明显的时间和空间分布特征。图1(a)为逐月总地闪和云闪数以及多回击地闪和云闪的占比分布，可以发现地闪和云闪主要发生在夏季，其中7月份最多，另外春季冷暖气流交汇频繁，闪电也较易发生，而冬季很少有闪电发生。从多回击闪电的占比来看，多回击闪电也具有明显的月际变化，总体上闪电频数较高的月份更易发生多回击闪电，多回击地闪占比远高于多回击云闪，夏季多回击地闪占总地闪数的1/3左右，而多回击云闪占比不足10%。

图1(b)为闪电频数和多回击闪电占比的地区分布，可以看出地闪和云闪具有明显的地域分布，浙南地区闪电频数显著高于浙北地区，近一半的闪电集中分布在温州和丽水地区。多回击地闪和云闪的占比具有同样的分布特征，浙南地区相比浙北地区闪电更易发生多回击过程，尤其嘉湖平湖地区，闪电频数和多回击闪电占比远低于其他地区。这可能是因为浙江南部地区多丘陵，山坡对气流抬升作用有利于雷暴云的垂直发展。

图1 地闪和云闪频数以及多回击地闪和云闪占比分布

2.3 强度变化

闪电电流强度反映了雷暴放电的剧烈程度，是雷电防护中的重要参数之一。表2列出了正、负极性单次回击和多回击闪电的首次与继后回击电流强度算术平均和几何平均统计值。可以看出，单次回击地闪和云闪的电流强度平均值最大，正、负单次回击地闪电流强度算术平均值为23.15 kA和-24.31 kA，几何平均值为15.19 kA和-19.71 kA；正、负单次回击云闪的算术平均值为17.26 kA和-15.13 kA，几何平均值为12.26 kA和-12.66 kA。单次回击地闪平均强度明显大于云闪平均强度，正单次回击正地闪强度算术平均值大于负闪，而单次回击正云闪强度几何平均值小于负闪。

村长说，你也太不把村长当干部了，等着。村长立马就给肉仔打电话。肉仔现在不卖猪肉，他搞了个基建队，当起了包工头，手头有点米米。村长找肉仔借钱，叫他马上送到茶场来。肉仔起先以为村长在宾馆打炮，被派出所抓了。后来听说是送钱到茶场，就不明白了，未必一个成天把拉链拉得整整齐齐的人还这么浪漫？！村长把他一顿骂，方才急急找了一辆蹦蹦车，就是那种三轮摩的，颠颠簸簸赶到茶场，把一包用报纸包着的钞票送来。村长当着大家的面，把报纸包递给牛皮糖说，点点。

对于多回击地闪而言，首次回击平均强度大于继后回击平均强度，负地闪平均强度小于正地闪。而多回击云闪中，正闪首次回击平均强度却小于继后回击，负闪首次回击平均则大于继后回击。这可能与云对地和云际放电机理有关。

从表2中可以看出地闪和云闪的单次回击和首次回击平均强度总体上大于继后回击的平均强度，一般认为每次闪电过程的首次放电比较强。图2为正、负多回击地闪和云闪电流强度算术平均值随回击序数的分布。地闪和云闪平均强度总体上随回击序数的增加呈下降的趋势，其中地闪的变化趋势相比云闪更为明显。负地闪较正地闪的下降趋势更为平缓，首次回击平均强度为-28.49 kA，第14次回击的平均强度大概在-17 kA左右；正地闪首次回击平均强度为20.75 kA，而最弱一次回击的平均强度仅为8 kA左右。云闪中正闪平均强度随回击数的下降趋势同样比负闪更为剧烈，云闪首次回击的平均强度不是回击中最强的，其中正云闪首次回击比第二和第三次回击的平均强度小。负云闪的平均强度明显小于正云闪，各回击序数平均强度差异不大。

图2 随回击序数的正负闪回击平均强度分布

表2 正负极性回击地闪和云闪雷电流强度统计

之前有研究表明，对于一次闪电过程，并非所有的首次回击电流强度最大，通过对每次回击过程电流强度最大的回击数统计发现，地闪和云闪首次回击电流为一次闪电过程最强的百分比分别为45.73%和47.97%，超过一半的闪电过程中至少有一次继后回击电流强度比首次回击强，在雷电防护中应充分重视此现象。为了进一步了解继后回击与首次回击的关系，避免闪电距离不确定性带来的回击强度之间的不可比性。地闪继后回击与首次回击强度比值的算术平均值和几何平均值分别为1.11和0.89，云闪继后回击与首次回击强度比值的算术平均值和几何平均值分别为1.19和0.99。图3为继后回击强度与首次回击强度比值的频率统计图。云闪和地闪强度比值分布都呈对数正态分布，集中分布在0～2之间，其中云闪相比地闪分布更为集中。地闪最大分布在比值为0.7处，即继后回击强度为首次回击强度的7/10，占总回击数的8.54%；云闪最大分布在比值为1处，占总回击数的11.54%。在比值0～1之间，地闪占总回击数的58.40%，云闪占总回击数的52.37%。虽然地闪和云闪所有闪电过程中有超过一半的闪电过程存在一次继后回击大于首次回击，但通过所有继后回击与其首次回击的比值发现，地闪大部分首次回击大于继后回击，云闪也有超过一半的首次回击大于继后回击。

图3 地闪和云闪继后回击与首次回击电流强度振幅比频率分布

2.4 间隔时间

表3给出了所有多回击地闪和云闪过程中所包含的继后回击与前一次回击之间的间隔时间统计分布，地闪和云闪间隔时间的算术平均值分别为118.71 ms和113.54 ms，地闪略大于云闪，而两者的几何平均值分别为79.58 ms和54.82 ms，地闪明显大于云闪。正、负地闪和云闪的算术平均值和几何平均值相差无几，除了负地闪几何平均值远大于正地闪，是正地闪的2.6倍。

表3 地闪和云闪回击间隔时间统计

从地闪和云闪回击每5 ms间隔分布直方图来看(图4)，地闪不同回击间隔时间与分布频次呈对数正态分布，发生频率最高的间隔时间约为50 ms，回击间隔时间主要集中在25～105 ms，占所有回击数的56.72%，当回击间隔时间大于165 ms，每个间隔区间内回击频次占比均不足1%。云闪不同回击间隔时间与分布频次呈对数正态分布，发生频次最高的间隔时间约为20 ms，占总回击数的6.1%，次高点的间隔时间约为5 ms，占总回击数的5.1%。回击间隔时间主要集中在0～70 ms，占所有回击数的54.97%，当回击间隔时间大于115 ms，每个间隔区间内回击频次占比均不足1%。综上，云闪的回击间隔时间分布较地闪更为集中，且集中区域的回击间隔时间比地闪小。

图4 闪电回击间隔时间频次直方图及频率分布

回击间隔时间的长短影响每次闪电过程的回击数量，若放电通道导电性好，则回击间隔时间较短，易发生更多的回击。图5为不同回击次数正、负多回击地闪和云闪平均间隔时间的分析。可以发现，无论是地闪还是云闪，正闪还是负闪，随着一次闪电过程回击数的增加，平均间隔时间呈减少的趋势，云闪这种减小趋势比地闪快，正闪比负闪快。负地闪平均间隔时间从152.14 ms下降到62.11 ms，正地闪平均间隔时间从130.81 ms快速下降到25.85 ms；负云闪平均间隔时间从118.74 ms下降到20.94 ms，正云闪从111.26 ms下降到49.03 ms。

2.5 间隔距离

3 结论

利用2019—2020年浙江省三维闪电定位系统探测资料，并对闪电资料进行归闪，分析了该地区地闪和云闪的多回击特征主要得到以下结论。

(1)2019—2020年共监测地闪回击数986 425次，云闪回击数384 771次，其中多回击地闪和云闪分别占28.10%和8.01%。地闪和云闪存在明显的年变化和地域分布，其中多回击地闪和云闪集中分布夏季和浙南地区。多回击地闪和云闪频次随回击序数的增加呈明显的下降趋势，且各回击序数的正闪占比都小于负闪占比。地闪和云闪平均回击数分别为1.59次和1.10次。

(2)单回击和首次回击地闪与云闪的平均电流强度总体上大于继后回击的平均强度。地闪和云闪平均强度随回击序数的增加呈下降的趋势，其中地闪的变化趋势相比云闪更为明显。对地闪和云闪资料的继后回击和首次强度比值统计分析，发现其比值成对数正态分布，集中在0～2，云闪分布更为集中，且比值的峰值大于地闪。超过一半的地闪和云闪过程存在一次继后回击强度大于首次回击。

(3)地闪和云闪的回击间隔时间算术平均值约115 ms，其几何平均值差异较大。不同回击次数的云闪和地闪平均间隔时间随回击数增加而减少。地闪和云闪回击间隔时间呈对数正态分布，其云闪分布更为集中，且集中区域的回击间隔时间更小。

(4)多回击地闪和云闪继后回击与首次回击雷击点间隔距离算术平均值分别为1.57 km和2.72 km，几何平均值分别为0.84 km和1.55 km。两者都呈对数正态分布，其中云闪分布较为分散。