海南島正地閃時空分布特征分析

　　摘要：采用2010-2019年4-10月海南島閃電定位數(shù)據(jù)和相關(guān)天氣分型資料，對海南島正地閃進(jìn)行頻次和頻次占比的年分布、月分布、時分布以及各天氣分型影響下時分布的特征分析，發(fā)現(xiàn)：海南島4-10月的正地閃占比為4.60%，各年份的總地閃頻次、正地閃頻次、正地閃占比基本呈正相關(guān)關(guān)系;4-10月的正地閃頻次曲線和總地閃頻次曲線同為雙峰型，且兩條曲線峰值對應(yīng)的月份相同，但總地閃頻次曲線以5月為主峰、8月為次峰，而正地閃頻次曲線則以8月為主峰、5月為次峰，8、9月份的正地閃占比要高于其它月份;采用整體累加法分析正地閃時分布，正地閃頻次曲線和總地閃頻次曲線同為單峰型，且兩條曲線峰值對應(yīng)的時間相同，峰值均出現(xiàn)在16：00-17：00，13：00-19：00正地閃占比呈逐時上升趨勢;采用雷暴過程總地閃頻次峰期固定法分析正地閃時分布，正地閃頻次峰值與總地閃頻次峰值對應(yīng)的時次一致，高峰期前后2小時內(nèi)的正地閃占比整體呈上升趨勢，在總閃頻次峰值期稍有下降，正閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之后，而負(fù)閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之前。通過對海南島13：00-19：00三種天氣分型的正、負(fù)地閃密度空間分布特征的分析，發(fā)現(xiàn)三種天氣分型的正地閃密度高值區(qū)相對負(fù)地閃密度高值區(qū)稍偏雷暴移動的下游位置。通過分析三起由正地閃引起的雷災(zāi)個例，顯示正閃引起的雷災(zāi)可以出現(xiàn)在雷暴過程的成熟期、消亡期，甚至在層狀云條件下也可發(fā)生，且雷電流強(qiáng)度大、破壞性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞：正地閃;分布;特征

　　雷電流極性由雷雨云帶電極性決定，云團(tuán)正電荷對地放電發(fā)生的地閃稱為正地閃，反之為負(fù)地閃;典型的雷雨云正電荷分布在云團(tuán)的上部，負(fù)電荷分布在云團(tuán)的下部，為此，在云團(tuán)底下大多數(shù)發(fā)生的地閃為負(fù)地閃，如果上部的正電荷足夠強(qiáng)也會對遠(yuǎn)處的物體發(fā)生閃擊，所以正地閃(以下簡稱正地閃為正閃，負(fù)地閃為負(fù)閃)多分布在雷雨云地面投影的外圍;由于雷雨云中正、負(fù)電荷分布不同，正閃的平均雷電流要比負(fù)閃大，且正閃產(chǎn)生大電流的幾率要比負(fù)地大得多;正閃雖然通常只由一個單閃擊構(gòu)成，但正閃轉(zhuǎn)移的電荷量無論是脈沖變化部分還是整個放電過程都較負(fù)閃大得多[1]。

　　正閃頻次占比在不同地區(qū)、不同季節(jié)均有較大的區(qū)別，Brook等[2]采用慢天線和高速攝影手段觀測日本冬季雷暴，發(fā)現(xiàn)正閃占比為41%;Yair[3]等采用全閃監(jiān)測儀觀測以色列冬季雷暴，發(fā)現(xiàn)正閃占比為16%;Oriville和Huffines[4]采用閃電定位系統(tǒng)觀測10年的美國夏季雷暴，發(fā)現(xiàn)正閃占比為3-9%;劉維成等[5]對比甘肅和廣東的閃電定位資料后發(fā)現(xiàn)，甘肅正閃占比為6.06%，廣東為4.65%;陳渭民認(rèn)為[6]正閃占比會隨緯度和海拔高度的增大而升高。

　　在正閃分布特征方面，虞敏等[7]認(rèn)為南京地區(qū)正閃比例的月變化與閃電頻數(shù)月變化相反;馮真禎等[8]發(fā)現(xiàn)福建省一天中負(fù)閃在13：00-20：00發(fā)生最為頻繁，正閃遲于負(fù)閃;張陽等[9]認(rèn)為北京地區(qū)正閃較大頻次出現(xiàn)在5-7月，較高比例出現(xiàn)在春、秋季，一天內(nèi)的正、負(fù)閃分布具有反對應(yīng)關(guān)系，正閃在傍晚(15：00-21：00)具有較大的頻次和較高的比例;崔海華等[10]認(rèn)為，京津冀地區(qū)正閃頻次的峰值比負(fù)閃晚1小時;茍阿寧等[11]結(jié)合雷達(dá)回波分析一次強(qiáng)雹暴閃電過程時發(fā)現(xiàn)，負(fù)閃主要落在強(qiáng)回波邊緣。

　　而正閃多分布在強(qiáng)回波周圍層狀云中;馮桂力等[12]在分析山東冰雹云閃電特征時發(fā)現(xiàn)，負(fù)閃頻數(shù)峰值的出現(xiàn)通常提前于降雹0~20min，正閃頻數(shù)峰值的出現(xiàn)一般滯后于降雹發(fā)生時間。在正閃產(chǎn)生條件分析方面，郭鳳霞等[13]在利用三維雷暴云動力-電耦合數(shù)值模式模擬一次強(qiáng)雷暴過程時發(fā)現(xiàn)，正閃的發(fā)生不僅需要更強(qiáng)的上升氣流，還需要云低層存在強(qiáng)的下沉氣流，即正閃發(fā)生在強(qiáng)雷暴云成熟階段后期，正閃發(fā)生階段對應(yīng)著上升氣流、雹粒子體積和總閃的快速增強(qiáng)階段。

　　因此，強(qiáng)雷暴中正閃的發(fā)生可作為雷暴強(qiáng)度及冰雹形成的一個指示因子;張義軍等[14]認(rèn)為反極性電荷結(jié)構(gòu)(即上負(fù)、下正)是導(dǎo)致正閃多發(fā)的原因之一，強(qiáng)烈的上升氣流會引起上升氣流區(qū)中的液態(tài)水含量等微物理條件發(fā)生改變，進(jìn)而影響大小粒子碰撞的起電過程，使霰粒子荷正電，冰晶粒子荷負(fù)電，從而形成反極性電荷結(jié)構(gòu)。從以上研究成果可以總結(jié)出以下關(guān)于正閃的特性：正閃占比隨緯度和海拔增大而升高，正閃占比月變化與閃電頻次月變化相反，正閃頻次日變化峰值遲于負(fù)閃頻次峰值，雷暴過程中正閃頻次峰值同樣滯后于負(fù)閃峰值，正閃產(chǎn)生需要強(qiáng)烈的上升氣流，多發(fā)生在雷暴云成熟階段后期。海南島是全國雷災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一，研究正閃的活動規(guī)律對海南防雷減災(zāi)及降水、冰雹預(yù)報有積極意義，各地正閃特征是否適用于海南也值得做一次本地化的研究。

　　1數(shù)據(jù)與處理

　　1.1閃電數(shù)據(jù)

　　本次研究的閃電數(shù)據(jù)源自海南省ADTD(advanceddigitalthunderdecting)閃電定位系統(tǒng)，海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)是VLF二維閃電探測系統(tǒng)，ADTD閃電定位系統(tǒng)要求由二個以上測站及一個數(shù)據(jù)處理站組成，系統(tǒng)探測距離300km，定位精度500m。海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)始建于2007年，在海南島上設(shè)有5個測站，分別為海口(E110.24°，N20.00°)、三亞(E109.54°，N18.22°)、東方(E109.83°，N19.04°)、瓊海(E110.46°，N19.24°)、瓊中(E108.63°，N19.09°)，五個測站在海南島大體呈東、西、南、北、中分布，觀測點(diǎn)的間距均在200km以內(nèi)。

　　ADTD閃電定位系統(tǒng)采用二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法等四種定位方式。就與雷達(dá)回波配合來看，采用三站混合、四站算法定位的閃電與雷達(dá)回波配合較好，二站振幅、二站混合的誤測率較高、定位誤差也較大。從現(xiàn)存定位數(shù)據(jù)來看，三站混合、四站算法的記錄約占40%，二站振幅、二站混合的記錄約占60%。本次研究采用2010-2019年4-10月閃電數(shù)據(jù)，2012年數(shù)據(jù)由于部分缺失被排除，實(shí)際使用9年數(shù)據(jù)。為保證定位精度只保留三站混合和四位算法兩種定位數(shù)據(jù)，使用前對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除繼后回?fù)艉屠走_(dá)回波比對排除處理。

　　1.2天氣分型資料

　　采用天氣分型預(yù)報天氣是上世紀(jì)最常見的預(yù)報方法，天氣分型實(shí)質(zhì)是采用天氣形勢和氣象要素結(jié)合本地的天氣現(xiàn)象提煉的天氣規(guī)律。天氣分型預(yù)報方法在沒有數(shù)值預(yù)報的年代在短臨天氣預(yù)報方面發(fā)揮了很大的作用，該預(yù)報方法很好地融合了本地的天氣、氣候特點(diǎn)，至今在中、小尺度天氣預(yù)報上仍在廣泛使用。華南沿海槽、南海低壓槽、西南低壓槽是影響海南最多的天氣系統(tǒng)，同時也是發(fā)生閃電最多的天氣系統(tǒng)[15]，本次研究采用了三種天氣分型影響下的閃電數(shù)據(jù)，天氣分型分析數(shù)據(jù)源自海南省氣象臺每日對外發(fā)布的天氣形勢分析。

　　1.3雷災(zāi)資料

　　雷災(zāi)個例源自海南省氣象局雷災(zāi)調(diào)查檔案庫。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1時間分布特征

　　2.1.1正閃頻次年月分布閃頻次年月分布

　　各年份的總閃頻次和正閃頻次變化較大，兩條頻次曲線的變化趨勢基本一致，正閃占比曲線與頻次曲線的變化趨勢也較接近，各年份的總閃頻次、正閃頻次、正閃占比基本呈正相關(guān)關(guān)系，由于數(shù)據(jù)年限較短，此規(guī)律的穩(wěn)定性還待進(jìn)一步驗(yàn)證。9年的正閃占比在2.5%-6.0%間波動，9年合計正閃占比為4.60%，與廣東4.65%相近，比甘肅6.06%、津京冀7.66%、內(nèi)蒙古9.60%[16]等北方地區(qū)要低，符合正閃占比隨緯度增大而升高的規(guī)律。

　　海南島正閃頻次月分布曲線與總閃頻次月分布曲線的變化趨勢也基本一致，同為雙峰型分布，但兩者主、次峰對應(yīng)月份卻不一致，總閃頻次主峰在5月份，次峰在8月份，而正閃頻次正好相反，8月份頻次略高于5月份;排除4月、10月因總閃頻次較少對統(tǒng)計結(jié)果的影響，海南島從5月至9月正閃占比在4.5-5.2%之間，8、9月份的正閃占比要高于其它月份。海南島8月份總閃頻次為全年次峰而正閃占比卻全年最高，與南京地區(qū)的正閃占比月變化與總閃頻數(shù)月變化相反的結(jié)論有區(qū)別。

　　2.1.2正閃時分布

　　(1)正閃頻次時分布

　　海南島總閃頻次和正閃頻次時分布曲線變化趨勢基本一致，均為單峰型，且峰值均落在16：00-17：00之間，這與北京地區(qū)正、負(fù)閃分布反對應(yīng)關(guān)系、京津冀地區(qū)正閃頻次峰值比負(fù)閃峰值滯后1小時均有不同。19：00-13：00，當(dāng)總閃頻次在2000次以下時正閃占比波動較大，本次暫不作總閃頻次在2000次以下的正閃占比分析，海南島正閃占比在13：00-19：00呈逐時上升趨勢。如果逐年分析閃電頻次時分布，9年中有7年的總閃頻次和正閃頻次的峰值均落在16：00-17：00，有2年的峰值對應(yīng)時間不一致，2年均為總閃峰值出現(xiàn)在15：00-16：00、正閃峰值出現(xiàn)在16：00-17：00，正閃頻次峰值比負(fù)閃頻次峰值滯后1小時。

　　3正閃引起的雷災(zāi)

　　(1)12018年5月9日下午5時30分左右，澄邁縣金江鎮(zhèn)龍腰下村水田里，一名48歲的婦女在給水田挖溝放水時被雷擊身亡。據(jù)目擊者描述，當(dāng)時大雨已過，只剩零星小雨，死者趕去給水田放水，剛到水田就被雷擊中，雷擊點(diǎn)在頭部，雷電流沿死者右臂順鐵柄鋤頭入地，死者頸部被撕裂，右臂被燒焦。�？诙嗥绽绽走_(dá)和海南省閃電定位系統(tǒng)顯示，當(dāng)時強(qiáng)回波已過境，出事點(diǎn)上空回波強(qiáng)度只有30dBz，周圍回波高度在5km以下，閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到事發(fā)地附近有一次正閃，強(qiáng)度+95.2kA，如圖6a。當(dāng)天受華南沿海槽影響，該起雷災(zāi)發(fā)生在雷暴過程的后期，大雨已過，事發(fā)點(diǎn)上空為層狀云，遠(yuǎn)處回波高度均在10km以下，已沒有強(qiáng)的對流活動，天氣趨于穩(wěn)定，這時候人們會麻痹大意，放松對雷電的警惕。

　　(2)2018年5月9日下午4時30分左右，海口市演豐鎮(zhèn)坡尾村發(fā)生雷擊事故，造成吳姓村民新建住宅樓多處結(jié)構(gòu)柱水泥迸裂，最大的裂口有巴掌大。據(jù)目擊者描述，該住宅樓連續(xù)遭受2次雷擊，間隔在半分鐘左右，當(dāng)?shù)剡�下起拇指大小的冰雹。�？诙嗥绽绽走_(dá)和海南省閃電定位系統(tǒng)顯示，出事點(diǎn)上空被強(qiáng)回波覆蓋，回波強(qiáng)度達(dá)60dBz以上，閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到兩次正閃，強(qiáng)度分別為+52.7kA和+35.6kA，兩次閃電時間間隔34秒，如圖6b。該起雷災(zāi)發(fā)生在雷暴過程的成熟期，從回波強(qiáng)度、回波高度、冰雹和周圍閃電均為正閃來看，雷暴過程正處于對流發(fā)展最旺盛的時候。該棟住宅樓4層高，是全村最高樓房，且臨近水塘，作為接閃點(diǎn)不奇怪，但連續(xù)遭受2次正閃襲擊確實(shí)非常少見，在接地良好的情況下，結(jié)構(gòu)柱遭破壞，說明正閃的能量非常高。

　　(3)2015年5月17日下午3點(diǎn)57分，定安縣雷鳴鎮(zhèn)南九小學(xué)發(fā)生一起雷擊事故。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查記載，雷直接擊中校園內(nèi)一棵椰子樹，樹周圍的泥土被震松并炸出兩小土坑，致離樹有7、8米遠(yuǎn)的一間集體廁所發(fā)生爆炸，離樹10米遠(yuǎn)的一間瓦房的瓦片被掀開，瓦房的電源線絕緣層被燒熔或被爆成放射狀，教師宿舍區(qū)的電源線路全部燒毀，部分線路絕緣層燃燒還引起衣物著火，幸虧當(dāng)天為星期天，師生放假回家，才未造成人員傷亡。目擊者證實(shí)，當(dāng)天下午就只聽到一聲雷響，沒有下雨。

　　�？诙嗥绽绽走_(dá)和海南省閃電定位系統(tǒng)顯示，事故點(diǎn)上空的回波強(qiáng)度只有25dbz，離最近45dbz回波的距離有13km，回波高度在5km以下，閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到2次正閃，一次在定安雷鳴鎮(zhèn)事發(fā)點(diǎn)附近，一次在屯昌縣境內(nèi)，事發(fā)點(diǎn)附近閃電強(qiáng)度+150.5kA，如圖6c。受西南低壓槽影響，當(dāng)天下午有一片弱回波自西向東從海南島北部掃過，海南島沒有出現(xiàn)10mm以上降雨，在這種天氣條件下發(fā)生閃電如同“晴天霹靂”，而且閃電如此之強(qiáng)、破壞如此之大，非常罕見。

　　4小結(jié)及討論

　　采用2010-2019年4-10月共9年的海南島閃電定位數(shù)據(jù)和天氣分型資料，對海南島正閃時空分布作數(shù)理分析，初步得到以下結(jié)果：(1)4-10月正閃占比為4.60%，各年份的總閃頻次、正閃頻次、正閃占比基本呈正相關(guān)關(guān)系;(2)4-10月正閃頻次曲線和總地閃頻次曲線變化趨勢一致，同為雙峰型，且兩條曲線峰值對應(yīng)的月份相同，但總地閃頻次曲線以5月為主峰、8月為次峰，而正閃頻次曲線則相反，8、9月份的正閃占比要高于其它月份;(3)采用整體累加法分析正閃時分布發(fā)現(xiàn)，正閃頻次曲線和總閃頻次曲線變化趨勢一致，同為單峰型，且兩條曲線峰值對應(yīng)的時間相同，峰值均出現(xiàn)在16：00-17：00，13：00-19：00正閃占比呈逐時上升趨勢。

　　(4)采用雷暴過程總閃頻次峰期固定法分析正閃時分布發(fā)現(xiàn)，正閃頻次峰值與總閃頻次峰值對應(yīng)的時次一致，高峰期前后2小時內(nèi)的正閃占比整體呈上升趨勢，在頻次峰值期稍有下降，正閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之后，負(fù)閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之前;(5)三種天氣分型13：00-19：00的正閃密度高值區(qū)相對負(fù)閃密度高值區(qū)稍偏雷暴移動的下游位置通過分析海南島三起由正閃引起的雷災(zāi)事故發(fā)現(xiàn)，正閃引起的雷災(zāi)可以出現(xiàn)在雷暴過程的各個階段，甚至在層狀云條件下也可發(fā)生，且雷電流強(qiáng)度大、破壞性強(qiáng)。

　　由于分析采用的數(shù)據(jù)年限較短，以上分析結(jié)果的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。從以上分析結(jié)果看，海南島正閃活動特征與國內(nèi)其他省份的正閃特征有共同點(diǎn)也有不同點(diǎn)，共同點(diǎn)：一、海南島正閃占比低于北方省市，符合正閃占比隨緯度增高而增大的規(guī)律;二、海南島雷暴過程中的正閃主要發(fā)生在總閃頻次高峰期及之后，這與福建地區(qū)正閃遲于負(fù)閃的結(jié)論相符;不同點(diǎn)：一、海南島正閃占比與總閃頻次的月分布并不象南京地區(qū)成反對應(yīng)關(guān)系;二、海南島正閃頻次與總閃頻次的時分布峰值對應(yīng)的時次是一致的，而京津冀地區(qū)的正閃頻次峰值滯后總閃頻次峰值1小時。

　　雷電方向評職知識：雷電防護(hù)方面論文哪里發(fā)表

　　為什么有如此區(qū)別呢?除了可能是因地域不同而有不同的閃電特征外，還可能是閃電數(shù)據(jù)來源不同和采用的統(tǒng)計方法不同的原因，不同設(shè)備有不同的探測方法和探測效率，采用不同設(shè)備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)不同的分析結(jié)果，另外，總閃頻次和正閃頻次日變化分析建議采用雷暴過程總閃頻次峰期固定法，避免在數(shù)據(jù)累加過程中出現(xiàn)峰期漂移而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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　　作者：勞小青1，2，石華3，李敏1，2

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