1、2期引言闪电是强对流天气过程中重要的天气现象之一，与对流系统的发生、发展与消亡有密切联系，是作为研究雷暴强对流天气的重要资料之一1，伴随而来的雷击事故每年可造成大量的人员伤亡和财产损失25。为更好地对闪电监测和防护方面进行研究，在国内建设了大量探测闪电的设备，建立闪电定位网，布设两套及以上的闪电定位系统同时进行监测研究已成常态，进一步提升了雷电监测能力。粤港澳大湾区用于主要业务的闪电定位系统包括了可探测地闪和云闪的粤港澳闪电定位系统，以及仅探测地闪的广东电网地闪定位系统6；广西在2006年、2016年先后建成ADTD二维闪电定位系统和VLFLF三维闪电定位系统，目前均在业务上稳定运行，两套系统
2、地闪年、月和时分布趋势相似，但总频次、正闪比、密度分布等方面存在差异710；江西在原有的ADTD二维闪电监测定位系统基础上，增加布设ADTD2C三维雷电定位监测网11；湖北先后完成了ADTD二维闪电定位网和VLFLF三维闪电定位网的布设工作12。根据多年二维和三维闪电资料对比研究发现，两套系统在时空分布上存在一定差异，三维地闪探测效率均高于二维，尤其是低强度地闪探测效果更优。近年来已有一些学者1317针对强对流天气过程中降水和闪电活动特征及其关系进行大量研究，结果均表明二者在发生位置和时频分布上具有一定关联性。但大部分仅是利用单一定位系统的闪电数据来分析，对强对流天气过程不同闪电定位系统闪电资
3、料的监测效果之间的差异研究较少，成勤等18利用ADTD2C三维和ADTD二维闪电定位系统资料，对比分析湖北省一次特大暴雨过程中两套系统闪电活动特征，发现两套系统地闪的频次、雷电流幅值和落区等有一定差异。为了对广西ADTD和VLFLF两套闪电定位系统的地闪特性进行对比，本文选取2020年5月11日1422时广西一次锋面暴雨过程，利用闪电探测收稿日期：2023-02-13基金项目：广西重点研发计划项目（桂科AB20238035）、广西气象科研计划项目（桂气科2023M10）作者简介：黄丹（1992），女，硕士研究生，工程师，从事雷电监测预警工作。Email：279197396qqcom*通讯作者：
4、植耀玲（1985），女，硕士研究生，高级工程师，从事雷电监测预警、专业气象服务工作。Email：276089714qqcom广西一次锋面暴雨的二维和三维地闪特征对比分析黄丹1，植耀玲1*，卢炳夫1，黄伊曼2（1.广西壮族自治区气象灾害防御技术中心，南宁530022；2.广西壮族自治区气象台，南宁530022）摘要：利用二维（ADTD）、三维（VLFLF）闪电和降水等资料，对2020年5月11日1422时广西一次锋面暴雨过程，从闪电极性、时空分布、强度、与降水量相关性等参数进行评估，探讨不同闪电探测系统对广西雷暴天气过程中闪电的探测效率的影响，以及地闪频次与降水之间的关系。结果表明：（1）VLF
5、LF探测效率高于ADTD，尤其对正地闪及低强度地闪的探测能力更明显；（2）两套系统总地闪和负地闪活跃时段及变化趋势大体一致；（3）地闪主要落区与过程累积降水量30mm以上的分布区域基本一致，高的总闪和负地闪频次往往对应强的降水时段；（4）地形变化、定位站点数、定位站点距离对闪电定位系统的监测效率有较大影响。关键词：二维闪电定位系统；三维闪电定位系统；闪电频次；强降水中图分类号：P427.3文献标识码：Adoi：10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.2.14黄丹，植耀玲，卢炳夫，等广西一次锋面暴雨的二维和三维地闪特征对比分析J气象研究与应用，2023，44（2）：8186Hu
6、ang Dan，Zhi Yaoling，Lu Bingfu，et al.Comparative analysis of CloudToGround lightning characteristics of a frontal heavy rainusing 2D and 3D systems in GuangxiJJournal of Meteorological Research and Application，2023，44（2）：8186第44卷第2期气象研究与应用Vol.44 No.22023年6月JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLI
7、CATIONJun.202344卷气象研究与应用数据和降水资料，从闪电极性、时空分布、强度、与降水量相关性等参数进行评估，以此探讨不同闪电探测系统对广西雷暴天气过程中闪电的探测效率的影响，以及地闪频次与降水之间的关系，为闪电监测系统升级、站网规划和雷电监测预警工作提供参考依据。1研究区域和资料来源1.1研究区域概况广西二维系统包含11个探测子站，基本分布在盆地和丘陵地区；三维系统包含20个探测子站，与二维站点相比，有2个子站（北海和梧州）布设位置一致，有6个子站（龙州、田阳、环江、都安、永福、陆川）布设位置相近，在山地地区增设6个子站（那坡、隆林、天峨、三江、蒙山、富川），在防城港市和来宾市增
8、设2个子站（东兴和来宾）。1.2资料来源二维闪电资料选用广西ADTD闪电定位系统（以下简称二维）数据，该系统是中国科学院空间科学与应用研究中心研制，广西于2010年正式投入业务运行。站点基线距离为150km，单站探测范围为250km，地闪探测效率85，时间精度为01s，组网探测定位精度03km。三维闪电资料选用广西VLFLF闪电定位系统（以下简称三维）数据，该系统是中国科学院电工研究所研制、广西壮族自治区防雷中心建设的广西三维闪电探测网，于2016年开始投入使用19。站点基线距离为100km，单站探测范围为600km，具备地闪和云闪的全闪电实时探测功能，水平定位误差05km、高度误差1km，地
9、闪探测率90，云闪探测率45。地面降水资料来源于广西区域自动站数据。2大气环流背景2020年5月11日1422时，受500hPa华北槽东移引导地面弱冷空气南下影响，在百色市南部至玉林市东部一带大部有大到暴雨、局部大暴雨，最强降雨位于崇左市东部、南宁市南部、钦州市东北部和玉林市西部地区。全区共有14个区域自动站大暴雨，133个站暴雨，最大累积降雨量为1624mm，出现在扶绥渠旧气象观测站。全区发生二维闪电共21047次，三维闪电共127475次，其中地闪65673次，云闪61802次。由08时实况综合分析图（略）可知，500hPa华北高空槽东移至115E，槽后东北气流引导冷空气南下，副热带高压北
10、侧边缘抵于桂中；850hPa切变线南压至黔湘桂交界，西南气流输送水汽，除桂西南外，广西处于TTd5的湿区中，此外广西T850500温度差均高于24，存在上暖下冷的不稳定层结；地面冷锋位置与850hPa切变线对应，随午后温度升高，地面暖低压逐渐东伸控制桂西南，锋后贵州伴随明显降水。20时500hPa高空槽东移入海，槽后冷空气进一步南压，副热带高压北侧边缘南退至桂西南，广西转为东北风控制；850hPa切变线南压至桂中一带，湿区南扩，桂西南也处于TTd5的湿区，T85050024的对流不稳定区位于桂西、桂南；925hPa切变线和地面冷锋位于桂南一带，桂西南地面在午后暖低压发展控制下形成暖中心，在百色
11、、崇左一带延伸出暖脊，形成高温高湿区，在锋面和切变线的触发下，较易发生强对流。从08时探空图（略）可知，百色探空站的CAPE值为1744Jkg-1，探空曲线呈上干下湿的“V”型，梧州 探 空 站 经 午 后 温 度 订 正 后，CAPE值 上 升 为2131Jkg-1，同样具有上干下湿的层结特性，有利于在强降水过程中触发雷暴大风强对流天气。3闪电特征对比分析3.1地闪极性由表1可知，三维系统的总地闪是二维的312倍，正地闪是二维的1564倍，负地闪是二维的243数据类型 频次 极性类型 频次 类型 占比/%正地闪 1102 正地闪/地闪 5.24 二维 21047 负地闪 19945 负地闪/
12、地闪 94.76 正地闪 17238 正地闪/地闪 26.25 三维 65673 负地闪 48435 负地闪/地闪 73.75 表1二维和三维地闪频次统计表822期倍。从正地闪比来看，三维系统的正地闪比明显高于二维系统，二维系统中负地闪占比较多。与20162021年广西闪电数据比较，该次过程的正闪比二维系统与平均值（553）接近，而三维系统比平均值（2236）偏多。在该次雷暴过程中，三维系统的地闪频次多于二维系统，且能监测更多的正地闪数据，与成勤等18研究结果较为一致。3.2时间分布二维系统地闪时频分布主要有两个活跃时段，第一段为1516时，第二段为20时，总地闪和负地闪频次极大值均出现在16
13、时，分别为4901次和4748次，正地闪频次极大值出现在17时，为250次。各时段负地闪占比大部分在80以上，最大值为9796，出现在15时，最小值为8359，出现在22时，平均值为9322。三维系统地闪时频分布主要活跃时段及变化趋势与二维系统基本一致。总地闪、正地闪和负地闪频次极大值均出现在16时，分别为14852次、3852次和10956次。各时段负地闪占比大部分在60%80之间，较二维系统低，最大值为8091，出现在20时，其次是8043，出现在15时，最小值为6224，出现在17时，平均值为7391。两套系统总地闪和负地闪频次活跃时段及变化趋势大体一致，各时段三维系统的闪电频次均多于二
14、维系统。1416时和1920时地闪活动先增加，而后减少，出现两个阶段性峰值（16时和20时），该特征在三维系统中更明显。3.3雷电流幅值分布二维系统正、负地闪概率都集中在1045kA，雷电流概率总和分别为7523和8653；其中，1520kA的正地闪最多，概率为1806，2530kA的负地闪最多，概率为1965。负地闪雷电流幅值分布更为集中。三维系统正地闪概率集中在025kA，雷电流概率总和为9451，负地闪概率集中在535kA，雷电流概率总和为8833；其中，510kA的正、负地闪最多，概率分别为4652和2393。正地闪雷电流幅值分布更为集中。三维系统地闪雷电流幅值概率单峰型分布特征较二维
15、系统更加明显，且雷电流幅值集中分布的强度范围较弱，该结论与卢炳夫等7结论类似，可能原因是三维系统监测低强度地闪数据效率更高，特别是正地闪。3.4空间分布对比地闪落区和过程累积降水量分布情况，地闪主要落区与较强过程累积降水量（30mm以上）分布区域基本一致，说明两者的空间相关性较好，尤其是三维数据的对应关系更明显。二维系统地闪密度区较三维更为集中，但密度值较低，绝大部分位于桂南地区，两者的空间相关性较大，桂西北有少量闪电分布。为更好地对比两个系统地闪特征，用三维地闪密度与二维地闪密度的差值大小绘制差值分布（图略），分别选取二维和三维地闪密度均处于高值区的区域A（崇左市东部，处于正差值区域的高值区
16、），以及（南宁、贵港、钦州、玉林四市交界，处于负差值区域）的区域B进行对比分析。3.5不同区域闪电分布差异对比（1）区域A两个系统在区域A的闪电特征相同之处：（1）地闪密集区分布基本一致，正地闪零星分布，负地闪主要集中在渠旧镇；（2）与该次过程全区闪电数据，以及2020年全年地闪数据对比可知，两个系统在区域A的负地闪占比高于全区和同年，说明出现强雷暴过程时，在闪电密集区负地闪占比会增加；（3）选取闪电集中区渠旧镇自动站的逐时降水量进行分析，发现渠旧镇在11日20时至22时出现短时强降雨过程，小时降雨量均超过20mm。从逐时地闪频次与降雨量分布对比来看，两个系统的总地闪和负地闪频次逐时分布变化趋势基本一致，且峰值相对降水量极值来说均有1h的提前量（图1a、b）。差异之处：（1）三维系统地闪频次多于二维系统，前者正地闪频次是后者的246倍，负地闪频次是47倍，正地闪增加比例最高；（2）在闪电密集区，二维系统正地闪基本没有，三维系统正地闪较多；（3）降水量与二维系统总地闪和负地闪频次逐时变化有关，正地闪因其探测效率不高，无法体现关联性。降水量与三维系统总地闪、正地闪和负地闪频次逐时变化均有关
