闪电是自然界大气中一种随机发生的、强烈的、具有破坏性的放电现象，根据其放电类型的不同主要分为云闪和云地闪（简称：地闪）。高精度、高时空分辨率闪电定位技术是雷电气象学研究、强对流天气监测和预警的重要基础^[1]。闪电资料不受高山或建筑物遮挡的影响，在探测范围内无衰减和畸变，弥补了雷达低仰角探测常受到地物遮挡的缺点^[2]。因此，利用探测效率更高、准确性更好的闪电监测定位系统的数据资料对区域闪电特征进行空间和时间分布特征分析，可以更进一步研究强对流系统的发生、发展机理，同时对于强对流天气监测和预警也有重要意义和价值。Reap等^[3]对1985和1986年4—9月美国国家强风暴实验室（NSSL）的闪电观测网取得的闪电资料进行气候分析，在闪电的日变化和地理分布等方面得到有意义的结果；冯桂力等^[4]利用1998—2000年XDD03A雷电探测系统提供的闪电资料，从日变化、闪电强度、闪电密度和极性等方面研究了山东地区的闪电特征；李照荣等^[5]利用2000—2002年兰州地区的闪电定位系统监测资料，分析兰州周边地区地闪日频次、强度谱分布和累计百分数、日变化、闪电密度、极性等特征，并与山东地区的特征进行对比分析；宋敏敏等^[6]基于我国国家雷电监测定位网2009—2013年的地闪观测资料，统计分析我国中东部地闪密度和强度的时空分布和不同等级分布特征；赖悦等^[7]利用广东省深圳市的闪电定位网资料、多普勒雷达资料和常规天气资料，分析深圳地区的一次强飑线过程的地闪变化特征以及闪电活动与雷达回波特征的相关性。北京作为中国首都，其雷电等强对流天气的监测和预报工作更为重要。陶祖钰等^[8]利用LLP80-02型闪电定位系统对京津冀地区闪电的气候特征进行分析，并将所得的结果与美国俄克拉荷马和堪萨斯州的闪电气候特征进行对比；薛秋芳等^[9]分析M-LDARS单站闪电定位系统监测到的1995—1997年北京地区夏季的闪电活动，发现闪电频数日的分布特征与强对流天气的发生有关；郑栋等^[10]同样利用M-LDARS闪电定位系统分析北京及其周边地区夏季地闪活动时空分布特征，发现闪电活动与下垫面的水汽条件关系密切，且正、负地闪的空间分布呈现较大差异，表明雷暴云的电荷结构存在一定差异。由此可见，我国学者对于区域闪电特征的研究工作取得许多宝贵的科研成果，但大多数都是探讨地闪的时空分布特征及其在强对流天气系统中的活动特征。

随着观测手段的发展，近年来云闪的观测和研究越来越引起人们的重视。Carey等^[11]在分析超级单体雷暴个例中，指出云闪是地闪的20~70倍。郑栋等^[12]利用SAFIR3000三维闪电定位系统的全闪定位资料和雷达资料，对北京一次冰雹过程的闪电活动和电荷结构演变特征进行综合分析。同样利用SAFIR3000资料，Wang等^[13]分析台湾地区闪电和强对流天气的关系，李京校等^[14]分析北京及周边地区云闪和地闪的时空分布特征。总体而言，目前对于云闪研究依旧很少，还需要对云闪特征进行更深入的研究。

VLF/LF闪电定位系统解决了目前我国雷电监测网只能探测地闪、不能探测云闪；只能二维定位、不能进行闪电高度三维定位的问题。但三维闪电观测资料的分析研究仍处于初步阶段，探测网的精度和探测误差都需要进一步分析。因此，利用VLF/LF三维闪电定位资料来对闪电的基本特征进行分析很有必要^[15]。

北京市在2012年初步建设VLF/LF三维闪电监测网，2013—2014年由于各种原因使监测网停止工作一段时间，并更换站点地址，2015年才建设起完整的三维闪电监测网。该闪电定位系统由三维闪电探测仪、三维定位数据处理中心与数据库、三维图形显示与产品制作系统三部分组成。系统结合了美国IMPACT-ESC（美国VLF/LF时差测向混合云地闪和云闪探测系统）与欧洲LINET网（德国慕尼黑大学天电研究小组研制的VLF/LF闪电探测网）的优点，利用GPS卫星精确测量雷暴放电产生的VLF/LF电磁脉冲到达时间，并基于宽带网络通讯技术和多站TOA时间差定位原理，实现闪电VLF/LF辐射源的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的三维定位，提高了定位精度与探测效率，能全面探测云闪、地闪及闪电高度^[16]。该系统（表 1），对于云闪记录的是每次辐射点放电的位置和时间，而地闪则记录所有回击的信息。因此，需要对闪电定位资料中的云闪和地闪分别进行识别。

表 1

表 1 VLF/LF三维全闪电监测定位系统的主要特征 定位方法 探测参数 探测精度 闪电类型 空间TOA 时间、经度、纬度、高度、强度、陡度、 水平位置误差小于300 m， 正云闪、负云闪、 定位算法 电荷、能量、省、市、县、云地闪标志 高度误差小于500 m 正地闪、负地闪

表 1 VLF/LF三维全闪电监测定位系统的主要特征

对于云闪，相邻两次放射作为一次云闪的标准是：空间距离在10 km以内、时间差在0.5 s以内，且正、负极性相同的所有辐射点属于同一次云闪。对于一次地闪的判断标准是：空间距离在5 km以内、时间差在1 s以内，且正、负极性相同的所有回击属于同一次地闪。利用上述识别条件，辐射放射点的信息和回击信息就转换为实际的云闪和地闪的信息资料，确保了闪电数据资料的质量。

本文选取2015—2016年的三维闪电探测系统数据，采用统计方法，对北京地区总闪、云闪、地闪及雷电流强度的时空分布特征进行分析，初步探讨了考虑云闪之后的北京地区的闪电特征。系统主要参数见表 1。

2015年1月—2016年12月VLF/LF三维闪电监测定位系统记录了北京地区373天的闪电活动数据，其中2015年186天共监测到闪电124 442次，2016年187天共监测到闪电80 167次，共计发生闪电204 609次。统计研究时段北京地区总闪、云闪和地闪特征的结果见表 2。由表 2可知，云闪的平均雷电流强度小于地闪。地闪中负地闪比例为76.13%，小于何晖等^[17]分析2000—2003年北京地区闪电特征得到的负地闪比例87.18%，及冯桂力等^[4]分析1998—2000年山东地区得到的负地闪比例87.76%。但均表明，在地闪活动中负闪的发生最频繁。同时看到，云闪中正、负闪比例相近，这主要与对流云中电荷分布结构有关：在云的中部一般带负电荷、上部带正电荷，正、负电荷累积到一定程度就会放电，相对于带正电的上部电荷区而言，带有负电荷的云下部距离地面较近，负电荷与地面之间更易放电^[18]，即主负电荷区因距离地面更近所以对地闪的极性影响较大，而云闪则受主正电荷区和主负电荷区的同时影响，所以相较地闪在云内发生正闪的几率更大。

表 2

表 2 总闪、云闪和地闪特征 闪电类别 极性 频数/次 平均雷电流强度/kA 正闪比例/% 云闪 正闪 58 591 15.585 53.10 负闪 51 740 地闪 正闪 22 506 17.827 23.87 负闪 71 772 总闪 正闪 81 097 16.618 39.64 负闪 123 512

表 2 总闪、云闪和地闪特征

本文的四季划分为：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。

将2015年1月—2016年12月间发生的闪电按照逐月统计加权平均后表明（图 1a），北京地区6—9月为闪电高发期，这4个月中发生的闪电平均占全年总闪电频数的93.90%，且负闪数大于正闪数。闪电频数最大峰值出现在7月（与郭虎等^[19]的结论一致），占全年总闪电频数的42.20%。另外，正、负闪，云、地闪的变化趋势与总闪基本一致。北京地区夏季发生闪电频数占全年总闪电的81.25%，且以云闪为主；秋季闪电频数较多，占全年总闪电数的13.34%，但闪电主要发生在9月；春季闪电仅占全年总闪电的5.39%；冬季几乎没有闪电发生。

图 1

图 1 总闪频数（a，单位：次数）、云闪频数（单位：次数）和平均雷电流强度（单位：kA）（b）以及地闪频数（单位：次数）和正地闪百分比（c，单位：%）的月际变化

云闪活动同样具有明显的季节变化特征（图 1b），云闪主要集中在夏季，共发生云闪52 102次，占全年云闪总数的86.19%，其中7月最多；春季和秋季次之，分别占全年的4.92%（2 972次）和8.88%（5 368次）；冬季闪电极少发生（图 1b）。正、负云闪频数的逐月变化与总云闪基本一致，都呈单峰结构，主要集中在6—8月，峰值出现在7月。平均雷电流强度为10~35 kA，波动范围较大。由图 1b还可看到，夏季云闪频数最多，但雷电流强度最弱，平均约为15 kA，而春、秋季云闪频数较少但雷电流强度较大，3月雷电流强度最大，达34.61 kA。出现这种现象的可能原因是云中电荷守恒的结果：云闪频数高时，云内的放电次数多，每次累积的电荷相对较少；而云闪频数低时，云内的放电次数少，相对应的放电电荷就很多^[15]。

北京地区地闪频数的月变化趋势与云闪频数的月变化基本一致（图 1c），但稍有差异。4月地闪较多，5—7月总地闪及正、负地闪频数都迅速增大，7月总地闪达到最大，为19 297次，7月之后总地闪及正地闪频数逐渐减少，而负地闪在8—9月频数又有所增加。主要是2016年9月发生较多的负地闪所导致，11月地闪数很少，仅发生39次，12月—次年3月地闪极少发生。整体而言，地闪主要集中在夏季，共发生地闪37 015次，占全年地闪总数的75.18%；秋季次之，占全年的18.82%（9 266次）；春季占全年的5.97%（2 940次）；冬季闪电极少发生（图 1c）。

正地闪百分比在11月达到最大（91.38%），而在10月最小（5.94%）。同时夏季正地闪比例也相对较低，平均为26.81%，而春、秋季的正地闪比例较高。可见，正地闪百分比的季节变化与地闪频数的季节变化基本相反。

为进一步了解闪电的时间变化特征，对闪电频数进行逐小时统计，来研究闪电频数的日变化特征。由图 2a可以看出，闪电日变化的主要特征：存在2个主峰值（20时和15时）和1个次峰值（02时）。可见，闪电高发时段为15时—次日02时，这与张鸿发等^[20]研究中国区域闪电分布特点时得到的中国区域闪电高发时间主要在下午到夜间这一结论一致。李京校等^[14]利用SAFIR3000闪电定位系统2005—2007年北京观测资料得到的闪电日变化曲线呈现出3个峰值：17时、19时和次日00时，虞敏^[15]利用2013—2014年三维全电定位资料得到的江苏闪电日变化曲线也呈现3个峰值：15时、19时和次日03时，这与本文的3个峰值接近。

图 2

图 2 总闪频数（a，单位：次数）、云闪频数（单位：次数）和平均雷电流强度（单位：kA）（b）以及地闪频数（单位：次数）和正地闪百分比（c，单位：%）的日变化 横坐标表示其后1小时内的闪电频数（如：横坐标为1，则表示01—02时的闪电频数）。

06—09时为闪电的少发阶段，此时太阳辐射较弱、温度较低、对流活动较弱，09时为全天闪电频数的谷值；10时之后为闪电频数的上升时段；15时—次日02时为闪电高发时段，15、20时及次日02时为闪电频数的3个峰值。其中20时闪电频数最大，02时之后闪电频数逐渐下降，这与北京地区6—8月傍晚到前半夜多雷雨的特征相一致。

12—21时云闪数大于地闪数，其它时间段地闪数大于云闪数或二者相近。此外，由图 2a中柱状图可看出, 对于地闪而言，负地闪变化幅度更为剧烈，占主导地位。云闪和地闪的频数变化趋势大体上与总闪一致。

与总闪频数的日变化特征不同，云闪频数的日变化在02时的峰值不明显，总体呈现双峰特征（图 2b）。最大峰值出现在20时，云闪频数12 822次，占总云闪的11.62%；次峰值出现在15时，云闪频数9 111次，占总云闪的8.26%。09时之前云闪频数维持在较低值，09时之后，云闪频数迅速增大，至15时达到一峰值，15—17时云闪频数呈减少趋势，17时之后云闪频数再一次转为上升趋势，至20时达到全天云闪频数最大峰值。

正、负云闪频数的日变化与总云闪基本一致（双峰特征），相较于负云闪频数的变化，正云闪频数的变化率更大。00—09时正、负云闪频数相近，都很少出现；10—15时对流活动的发展过程中，正、负云闪频数基本相近；16—22时正云闪占主要地位。

对比云闪频数与平均雷电流强度的变化（图 2b）可以看到，平均雷电流强度为10~30 kA，波动范围较大。电流最大峰值出现在09时，平均雷电流强度为27.23 kA，而此时闪电频数却是一天中最小值；相反在20时闪电频数最大时，平均雷电流强度却最小，仅为11.50 kA。可见，闪电频数高的时段平均雷电流强度小，闪电频数低的时段平均雷电流强度大。

地闪频数的日变化特征与总闪的日变化特征一致，呈现3个峰值（图 2c）。最大峰值出现在20时，发生总地闪9 311次，占全天总地闪数的9.88%；次峰值有2个：02和15时，分别占全天总地闪数的5.28%（4 975次）和6.90%（6 501次）；而谷值出现在09时，仅占全天总地闪数的0.70%（659次）。

云闪活动中正、负闪比例相当，但在地闪活动中，正地闪频数始终小于负地闪频数，即负闪占绝对地位，同时正地闪的日变化较总地闪和负地闪平缓很多。

00—08时正地闪数较少且变化率很小，但总地闪数相对较多且变化率很大，导致正地闪百分比较小。同时在该时段内，正地闪百分比与闪电频数基本呈相反关系变化。08时之后，正闪数逐渐增大，变化率较之前明显增大，正闪百分比也呈明显上升趋势，16—20时为正地闪百分比高值时段，说明该时段为一天中对流最易发展成熟的时段，这也是北京地区的冰雹、雷暴大风等强天气多发于此时段的原因之一。这些结论与李京校等^[14]分析的京津冀地区正地闪百分比的变化结果一致。地闪平均雷电流强度的变化与云闪变化特征一致：平均雷电流强度与闪电频数的变化呈相反关系，闪电频数少的时段其平均雷电流强度较大，闪电频数多的时段其平均雷电流强度却很小（图略）。

北京的地形特点是西北高、东南低。西部为太行山脉北端，北部和东北部为燕山山脉，东南部为华北平原北端。将研究区域按经纬度划分为0.02°×0.02°的网格，以每1网格内的闪电频数除以网格面积，得到北京地区闪电密度的分布特征（图 3）。

图 3

图 3 闪电密度的空间分布 单位：次/(km2·a)。a.总闪；b.云闪；c.地闪。

由图 3a可以看出，北京区域总闪的密度大值区主要有2个区域：（1）门头沟区中南部至昌平中西部山前一带，平均密度约为15次/(km²·a)，最大值达28次/(km²·a)；（2）密云、顺义和平谷区的交界处的山前一带，平均密度约为12次/(km²·a)。闪电密度的2个高值区域都处于山脉与平原的过渡区域，这些地方的地表较潮湿，水汽供应较充足，午后太阳辐射加热地面，低层大气受热抬升，利于对流发展形成雷暴。可见，闪电的发生与有利于雷暴新生或增强的山前地区有密切关系。

对云闪频数的密度分布进行统计得到图 3b。云闪密度存在一明显高值区：门头沟区中南部到昌平区中部一带，呈西南-东北走向，云闪密度约为10次/(km²·a)，最大值达20次/(km²·a)；此外，在怀柔南部经密云顺义的交界线延伸至平谷西南部一带以及怀柔北部的小范围区域，云闪密度较大，平均密度均约为3次/(km²·a)，局部可达5次/(km²·a)；北京南部地区云闪密度很小，均小于2次/(km²·a)。

对地闪频数空间分布进行统计分析得到图 3c。地闪密度的高值区出现在门头沟中南部到昌平区中西部一带，呈西南-东北走向，平均密度约为8次/(km²·a)，最大值达11次/(km²·a)；密云、平谷、顺义三区的交界处为地闪密度的中值区，平均密度约为5次/(km²·a)。地闪密度的高值和中值区域都处于山脉和平原的交汇地带。与云闪的空间分布相比，二者的闪电密度空间分布大体一致，但在高值区地闪密度总体小于云闪密度，而在中值区，地闪密度总体大于云闪密度。

在云闪资料中一些云闪的高度记录为0，这是因为在该三维闪电定位系统中，对于一次云闪高度的计算需要4站以上的观测定位才能计算出来，但有时候只有3个站探测到这次云闪，于是系统会记录下这次云闪，但无法计算出这次云闪的高度，因此记录为0。2015年1月—2016年12月间共记录云闪110 331次，其中有高度记录的云闪为65 527次，占所有云闪数的59.39%（表 3）。

表 3

表 3 云闪高度的统计特征 年份 记录的云闪总数 有高度记录的云闪数 有高度记录云闪占总数比例 高度平均值/km 2015 71 009 43 008 60.57% 3.47 2016 39 322 22 519 57.27% 4.06 2年 110 331 65 527 59.39% 3.67

表 3 云闪高度的统计特征

对不同高度范围内云闪频数进行计算分析表明（图 4），云闪高度最大值为24.33 km，最小值为0.43 km，平均高度为3.67 km。云闪主要发生在9 km以下，占有高度记录云闪次数的98.94%，3~6 km之间的云闪频数最多，占有高度记录云闪次数的58.35%。

图 4

图 4 云闪频数（柱，单位：次）和云闪平均雷电流强度（折线，单位：kA）随高度的变化

由平均雷电流强度随高度的变化（图 4）可看到，当高度小于15 km时，云闪高度越高平均雷电流强度越强；当高度大于15 km后，平均雷电流强度随高度的增大而减小。在21~24 km高度范围内仅出现4次云闪，故认为出现大的平均雷电流强度是偶然现象。

对不同闪电强度区间的云闪和地闪频数进行统计分析结果（图 5）表明，闪电雷电流强度主要集中在5~50 kA之间，在这一区间内的云闪数占总云闪数的88.21%，地闪数占总地闪数的90.59%。雷电流强度大于100 kA的闪电很少发生。雷电流强度在20 kA以下的云闪频数多于地闪频数，雷电流强度超过20 kA的地闪频数多于云闪频数。

图 5

图 5 闪电频数（柱，单位：次）随闪电强度的变化

本文利用北京地区VLF/LF三维闪电定位系统2015年1月—2016年12月的数据分析了该地区闪电的时空分布及平均雷电流强度特征。并利用VLF/LF系统对云闪高度的探测能力，分析不同高度上云闪活动的平均雷电流强度的变化特征以及二者之间的关系，这是以往研究由于资料限制而缺乏的；而在闪电高发时段、日变化和正、负闪比例等方面的分析结果，则与前人利用不同资料取得的研究结果基本一致。

（1）北京地区闪电主要发生在6—9月，峰值出现在7月。一天中闪电高发时段在15时—次日02时，总闪和地闪频数的日变化都存在3个峰值，分别出现在15、20时和次日02时。云闪频数的日变化特征为15和20时的双峰结构。云闪活动中正、负闪比例相近，地闪活动中以负地闪为主。

（2）北京地区总闪密度高值区主要集中在2个区域：①门头沟区中南部至昌平区中西部山前一带；②密云、顺义和平谷三区的交界山前一带。云闪和地闪密度的大值区也基本出现在这两个区域，闪电的发生与有利于雷暴新生或增强的山前地区有密切关系。

（3）云闪高度主要集中在9 km以下，且在3~6 km的云闪频数最多。云闪高度小于15 km时，平均雷电流强度随云闪高度的增大而增大，超过15 km的平均雷电流强度随云闪高度的增加而减小。

（4）闪电的雷电流强度主要集中在5~50 kA之间，雷电流强度大于100 kA的闪电很少发生。平均雷电流强度的变化与闪电频数基本呈反比关系，即：闪电频数高的时段平均雷电流强度小，闪电频数低的时段平均雷电流强度大。

VLF/LF三维全闪电定位系统既能探测云闪，又能探测地闪，并实现对云闪的高度定位，探测效率更高，有利于对闪电特征开展更全面的探究和分析。但这套闪电定位系统目前运行时间较短，在积累更长的闪电资料以后，值得进一步对相关结果进行分析和检验。另外，三维全闪电定位仪工作在低频环境，不受高山、建筑物的影响，在探测范围内无衰减和畸变，弥补了雷达低仰角探测常受到地物遮挡的缺点。因此，在后续工作中，我们将针对强对流天气过程典型个例，将新型闪电定位资料与多普勒天气雷达资料相结合，充分发挥二者的互补性，细致分析雷暴系统不同发展阶段的闪电和雷达回波的演变情况，从而更深入地揭示强雷暴的发生、发展机理，为提高对强雷暴等灾害性天气的预警水平提供科学支撑。