新疆不同区域闪电频次的时间变化特征

李博渊，赵江伟，庄晓翠

(阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰 836500)

闪电即雷电，是强对流天气(雷暴)的产物之一，常伴随着瞬间强放电现象，极易造成建筑物、电力电子设备、家用电器损毁，甚至人身伤害[1]。据相关统计，全球每年因雷电造成的人员伤亡超过1万人，所造成的损失在10亿美元以上，闪电被联合国公布为“最严重的十种自然灾害之一”[2]。随着社会经济的快速发展以及城市化进程的加快，闪电所造成的损失日趋严重[3]，因此，对闪电的深入研究显得尤为重要。随着闪电探测技术的发展和监测站网的不断完善，对闪电活动规律进行了大量研究，美国的闪电主要发生在夏季，近几年有增加的趋势，南部的佛罗里达州闪电具有季节性、区域性，闪电活动的变化可能与自然或人为引起的气候变化有关[4-6]。中国雷电活动划分为4个区域，华南地区最高，西南次之，第3是华东、华北和东北地区，西北最低[7]。已有一些学者对各地闪电的时空分布特征等进行了研究[8-13]。

关于新疆的闪电也有一些学者开展了研究。新疆地闪主要出现在6—8月，其中负闪占总闪的84.7%，闪电密度呈现出北疆大于南疆，西部地区大于东部地区，山区大于沙漠戈壁[14-15]；西天山地区以正闪为主，正闪占总闪的比例达66% ，但负闪强度大于正闪[16]；克拉玛依闪电日以夏季出现最多，春季次之，秋季较少，冬季没有观测到闪电[17]；塔城地区年平均闪电日数16 d，集中出现在春季和夏季，近40 a内闪电日数呈线性减少趋势[18]。新疆ADTD雷电探测定位系统的建设相对滞后，对不同区域(北疆、南疆、东疆)闪电的时间变化特征缺少研究。本文运用2014—2019年ADTD雷电探测定位系统获取的地闪资料，较全面地分析了新疆3个区域闪电的时间变化特征，进一步加深对新疆不同区域闪电活动规律的认识；同时闪电的发生总是伴随强对流天气的发展和演变，将闪电和强对流天气联系起来，有助于提高对强对流天气的认识。

1 研究区概况及资料和方法

1.1 研究区概况

新疆位于欧亚大陆腹地，中国西北部。南部是帕米尔高原、昆仑山、阿尔金山及青藏高原，北部是阿尔泰山脉，呈西北东南走向；最具代表性的当属天山山脉，它横亘新疆中部，将新疆分为南北两大部分，形成了塔里木盆地和准格尔盆地，以及塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠(图1)。根据地形和气候差异本文将新疆分为北疆、南疆、东疆3个区域，对比研究不同区域闪电的时间变化特征。

1.2 资料及方法

所用的闪电资料是新疆39部(图1)ADTD雷电探测定位(探测范围覆盖全疆及周边地区，简称ADTD)系统获取的闪电资料，该资料经过新疆气象信息中心进行严格质量控制。ADTD闪电监测系统由中国科学院空间科学与应用研究中心研制，利用到达时差法的原理对地闪进行定位，有效探测半径是150 km，可以给出闪电发生的时间、电流强度、极性、经纬度、陡度等相关参数。闪电数据中将回击数据归为地闪数据。按照相邻两次回击数据的时间间隔≤0.5 s，并且这两次回击定位位置的水平距离≤10 km，同时满足这两个条件归为一次闪电，归闪之后该次地闪的经纬度、时间等数值取所有回击过程的平均值[11,16-17]。

运用统计方法分析新疆不同区域闪电频次的时间变化特征。由于新疆闪电主要发生在5—9月(暖季)[14]，因此选用2014—2019年暖季全疆范围内闪电资料，对新疆3个不同区域闪电的年、月、旬、日，各时段发生的总闪及正、负闪频次的时间变化进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 北疆

2.1.1 年变化 由北疆2014—2019年闪电频次年变化图(图2a)可知，近6 a年平均总闪为27 192次，主要以负闪为主，负闪占总闪的84%，略低于全疆[11]。2014、2016、2019年闪电频次发生较多，分别为47 041、44 275、51 069次，2019年最多；2018年最少(21 180次)，最多年份是最少的2.4倍。正闪最多年份(6 992次)是最少年(3 567)的2.0倍。负闪占比最高出现在2014年(90%)，其次是2019年(86%)；最低出现在2017年(78%)，其次是2015年(81%)。总体来看，负闪占比与总闪有关，总闪越多负闪占比相对较高。

2.1.2 月变化 北疆闪电频次的月变化呈单峰型分布(图2b)，5月至6月迅速增多， 7月继续增多，且总闪7月达峰值，频次为15 938次，之后，迅速减少，9月最少(1 597次)。总闪频次最多月是最少月10.0倍。由图2b可知，北疆闪电主要集中在6—7月，与短时强降水主要发生时段一致[23]。负闪占比峰值出现在7月(87%)，与总闪频次峰值一致；其他月份为76%～85%，9月最低。可见，北疆暖季月闪电的负闪与正闪占比特征也是总闪频次越多，负闪占比越高，正闪占比越低，与年正、负闪占比规律一致。

2.1.3 旬变化 分析北疆近6 a暖季闪电频次的旬变化(图3a)可知，该区域旬闪电频次呈单峰型分布。5月上旬至6月下旬闪电频次迅速增多，总闪7月上旬达峰值(6 197次)，7月中旬和下旬，闪电频次略有减小，7月下旬至8月上旬闪电频次迅速减小，之后至9月下旬闪电频次缓慢减小，达暖季北疆旬最小值(390次)。正闪与总闪的演变一致，也在7月上旬达峰值(882次)；负闪则在6月下旬达峰值(5 439次)，超前总闪和正闪1旬。北疆暖季闪电频次旬最大值是最小值的15.9倍。北疆闪电频次的活跃期与短时强降水高发时段基本一致[21-22]，主要原因是北疆6月下旬至7月下旬，冷暖空气较活跃，有利于对流天气发生，也说明闪电与对流天气呈正相关。负闪占比最高为88%，出现在6月下旬，而闪电频次高发时段负闪占比为86%～88%，其他时段低于该值，为72%～84%，最低出现在9月中旬为(72%)。可见，负闪占比也遵循总闪越多负闪占比相对较高的规律，与年、月变化一致。

2.1.4 日变化 北疆闪电频次日变化呈单峰型分布，集中发生在午后至傍晚，峰值出现在16时(图3b)，与该地区短时强降水的活跃时段一致[23]。总闪和负闪16时为峰值，分别为3 829次、3 291次；正闪峰值出现在17时，频次为568次，比负闪滞后1 h。总闪和负闪的谷值出现在09时(397次、336次)，正闪出现在10时(53次)，比负闪也滞后1 h。日变化峰值是谷值的9.6倍。正闪峰值滞后负闪1 h的主要原因可能是由于负闪占总闪的绝大多数，且相对于正闪而言离地面较近，负闪发生概率明显高于正闪，致使云地放电过程中负闪早于正闪达到峰值(谷值)[7]。日变化中，负闪、正闪占比平均为85%、15%，负闪占比最高出现在07时(90%)，但午后至傍晚为闪电频次高发时段，负闪占比为82%～88%；因此，总体上仍遵循总闪频次越多，负闪占比越高，正闪占比越低的规律，与年、旬、月变化一致。

2.2 南疆

2.2.1 年变化 由图4a可知，近6 a暖季南疆闪电频次年变化相对平缓，总闪频次明显少于北疆，北疆是南疆的2.5倍。总闪和负闪2019年发生频次最多，分别为19 387次、16 995次。2016年正闪发生频次最多，为2 743次。2014年南疆总闪频次最少，为11 965次，最多年是最少年的1.6倍；正闪最少年出现在2018年，为1 666次，正闪最多年也是最少年的1.6倍。南疆负闪占比平均为87%，高于北疆，主要是因为北疆纬度较南疆高，随着纬度增高负闪比例也有所减小[14]。负闪占比为84%～89%，占比最少出现在2016年和2017年(84%)。南、北疆闪电频次的年差异与气候差异有关。由于南疆盆地塔克拉玛干沙漠地形特殊性和北、西、南三面环山的地貌特征，使得南疆夏季水汽含量明显少于北疆，因此闪电频次明显少于北疆。 正负闪占比规律与北疆基本一致。

2.2.2 月变化 近6 a南疆闪电频次月变化呈明显的单峰型(图4b)，与北疆相似，峰值出现在6月，月总闪频次为4 763次，负闪为4 296次，正闪为494次。5月闪电发生频次最少，为1 735次，负闪和正闪分别为1 400次和334次。最多月是最少月的2.7倍。7月闪电频次迅速减少，之后闪电频次缓慢减少，说明南疆闪电频次的月变化没有北疆剧烈。负、正闪占比平均为86%、14%。负闪占比为81%～90%，最高也出现6月，为90%；最低出现在5月(81%)，高于北疆(图4b)。负闪占比月分布规律与北疆一致。

2.2.3 旬变化 近6 a南疆闪电频次的旬变化呈双峰分布特征(图5a)，与北疆不同。5上旬至6月中旬闪电频次逐渐增加，6月中旬至下旬闪电频次迅速增加，并在下旬达主峰值，总闪频次为2 189次，该时间为正闪的次峰值(236次)。6月下旬至7月下旬，闪电频次迅速减小，之后逐渐增加，在8月中旬出现弱峰值；8月下旬略减少，9月上旬迅速增多出现次峰值，总闪频次为1 579次，此时为正闪的主峰值(288次)。9月中、下旬闪电频次迅速减小，下旬为暖季闪电频次的最小值(243次)。南疆暖季旬闪电频次的最大值是最小值得9.0倍，小于北疆，这也进一步说明，南疆闪电频次旬变化没有北疆剧烈。南疆闪电频次主峰值时段，负闪占比为89%～90%，其他时段为73%～89%，因此，总体上，暖季南疆负闪与正闪占比的旬变化依然是总闪频次越多负闪占比越高的规律。可见，南疆旬闪电频次有2个活跃期，分别为6月上旬至7月上旬，8月中旬至9月上旬，而短时强降水也有2个活跃期，分别为6月中旬至7月上旬、8月中旬至9月上旬，与闪电频次基本一致[24]，这也进一步说明，闪电总是与对流天气关系密切。

2.2.4 日变化 由图5b可知，近6 a南疆暖季闪电频次的日变化，总体上与北疆一致，呈单峰型分布。午后14时—17时闪电频次迅速增多，18时继续增多，并达一日中的峰值(1 521次)，但正闪峰值出现在17时(154次)，早于负闪1 h，与北疆不同；18时—22时闪电频次迅速减小，23时至次日10时闪电频次缓慢下降，并达谷值(115次)，正闪谷值与北疆一致，出现在11时，滞后负闪1 h。南疆暖季闪电频次的日变化峰值是谷值的13.2倍，明显高于北疆，说明南疆暖季闪电频次的日变化比北疆剧烈。主要原因是南疆位于塔克拉玛干沙漠，属于典型的内陆荒漠极端干旱气候，白天升温迅速，夜间降温迅速，气温日较差大于北疆。白天大气的不稳定性迅速增大，更有利于对流的发生，夜间由于降温迅速大气快速趋于稳定，发生闪电的概率小。南疆暖季闪电的日变化中，峰值时段负闪占比为90%～91%，高于北疆，其他时段为71%～88%；负、正闪平均占比83%、17%。因此，总体上，日变化中负闪与正闪占比规律与北疆一致。

2.3 东疆

2.3.1 年变化 由图6a可知，东疆暖季闪电频次的年变化与南、北疆明显不同，近6 a总闪频次为3 627次，明显少于南疆和北疆；北疆闪电频次是东疆的10倍，南疆是东疆的4倍。东疆2014年闪电频次最多，明显多于其他年份，总闪频次为8 064次，2015、2016年迅速减小，2016年总闪频次最少(1 875次)，之后闪电频次逐年缓慢增多。东疆暖季闪电频次最多年是最少年的4.3倍，正闪最多年(954次)是最少年(260次)的3.7倍，明显高于北疆和南疆。负闪占比2014年最高(88%)，其次是2018年(87%)；2015年最低(81%)，其次是2019年(85%)。可见东疆负闪占比规律与北疆、南疆有些差异，可能与东疆特殊的地形有关：中部为天山山脉，北部为蒙古高原，东、南为青藏高原，西为火焰山和塔克拉玛干沙漠；天山山脉和蒙古高原呈西北东南向。

2.3.2 月变化 近6 a东疆闪电频次月变化与北疆相似，集中发生在6月和7月，峰值出现在6月，与南疆相同(图6b)。峰值月总闪发生频次为1 507次，负闪为1 248次，正闪为259次(图6b)。8、9月闪电频次迅速减少，9月发生频次最少(89次)；其次是5月(105次)，但负闪最少发生在5月(66次)。东疆暖季闪电频次最多月是最少月的16.9倍，月变化比南疆剧烈。东疆暖季负、正闪占比平均分别为82%、18%。负闪占比最高出现7、8月为89%；最低出现在5月(63%)，为负闪占比最低月。负闪占比峰值月与闪电频次发生峰值月不同。正负闪占比规律与南、北疆存在一些差异。

2.3.3 旬变化 由图7a可知，近6 a东疆暖季闪电频次旬变化分布与北疆基本一致，呈单峰型分布。6月上旬至下旬闪电频次迅速增多，并在下旬达峰值，总闪为813次，负闪为709次，但正闪在6月中旬达峰值(131次)，超前负闪。6月下旬至7月上旬闪电频次迅速减小，7月中旬略有增多，7月下旬迅速减小，之后缓慢减小。5月下旬闪电频次最少(27次)，但正闪最少出现在9月上旬和下旬(4次)。闪电频次最多旬是最少旬的30.1倍，正闪则为32.8倍，明显高于北疆和南疆，进一步说明东疆闪电频次变化是全疆最剧烈的区域。东疆暖季旬负、正闪占比平均分别为81%、19%。负闪占比最高旬，出现在8月中旬，高达93%，明显高于南疆和北疆。在闪电频次旬峰值中，负闪占比为87%。在夏季闪电频次多发时段6上旬至7月下旬，负闪占比为75%～90%，其他时段为38%～93%；5月上旬为负闪占比最低的旬(38%)，也是全疆负闪占比最低的旬。可见，5月上旬正闪占比超过了负闪，为62%，5月中旬之后开始负闪占比超过正闪；闪电发生频次的峰值出现在6月下旬，负闪占比最大出现在8月中旬(93%)。东疆负闪、正闪的占比规律在旬变化中与南疆和北疆有些差异，可能与其特殊的地形有关。

2.3.4 日变化 由图7b可知，近6 a东疆暖季闪电频次的日变化与南疆和北疆略有差异。在12时—15时闪电频次迅速增多，并在15时达峰值(401次)，正闪的峰值滞后1 h，出现在16时(65次)。16时—22时闪电频次迅速减小，22时—00时略有增多，出现一个弱峰值(117次)。00时—10时闪电频次呈缓慢波动下降态势，分别在05时、07时、09时出现弱峰值，10时为闪电频次最少的时次(31次)。东疆正闪的变化较复杂，01时、03时、04时、11时均为正闪最少的时次(7次)。日变化最大值是最小值的12.9倍。东疆暖季负、正闪占比日平均为86%、14%，负闪占比最大的出现在00时(93%)，正闪占比最大出现在闪电频次最少的10时(26%)。在闪电活跃时段12时—20时负闪占比为82%～87%，在闪电不活跃时段负闪占比为74%～93%。可见，东疆负闪、正闪占比的日变化规律与南疆和北疆也存在一些差异。

3 结论

本文运用统计学方法对2014—2019年暖季新疆39部ADTD雷电监测定位系统获取的地闪资料，针对不同区域闪电的时间变化特征进行了分析，初步得到以下结论。

(1)近6 a北疆闪电频次年、月、旬、日最多是最少的2.4倍、10.0倍、15.9倍、9.6倍。月、旬、日变化均呈单峰型。6月下旬和7月上旬为闪电峰值时段；总闪和正闪峰值出现在7月上旬，负闪峰值超前正闪1旬。日变化总闪和负闪16时为峰值，正闪峰值滞后负闪1 h。

(2)近6 a南疆闪电频次明显少于北疆，北疆是南疆的2.5倍。闪电2014年最少，正闪2016年最多。旬变化呈双峰型，月、日变化呈单峰型。6月为峰值；旬变化峰值分别出现在6月下旬、9月上旬。日变化峰值出现在18时，比北疆滞后2 h；正闪峰值早于负闪1 h。年、月、旬、日闪电最多是最少的1.6倍、2.7倍、9.0倍、13.2倍，日变化高于北疆，其他变化低于北疆，说明南疆闪电频次的日变化比北疆剧烈。

(3)近6 a东疆闪电频次明显少于南疆、北疆，北疆闪电频次是东疆的10倍，南疆是东疆的4倍。该区域闪电频次2014年最多，2016年最少。总体上，月、旬、日变化呈单峰型。月峰值出现在6月，同南疆；集中发生在6—7月，同北疆。6月下旬为峰值，正闪峰值超前1旬。日峰值出现在15时，超前北疆和南疆；正闪滞后1 h。年、月、旬、日最多是最少年的4.3倍、16.9倍、30.1倍、12.9倍，除日变化幅度略低于南疆外，其他明显高于北疆和南疆，尤其是旬，说明，东疆闪电变化是全疆最剧烈的区域。

(4)北疆、南疆负闪占比遵循总闪频次越多，负闪占比越高，正闪占比越低的规律，但东疆存在一些差异，可能与东疆特殊的地形有关，有待在今后的工作中进一步探讨。