王義耕,劉潔,王介君,麥博儒,陳倩

(1.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇南京 210044;2.廣西氣象局,廣西南寧 530022;3.河北省樂亭縣氣象局,河北樂亭 063600;4.南京信息工程大學氣象臺,江蘇南京 210044)

0 引言

雷電災害已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的第三大氣象災害[1],嚴重威脅著我國社會公共安全和人民生命財產(chǎn)安全,而雷電活動在時間和空間尺度上變化很大,具有明顯的區(qū)域性特點,因此有必要對區(qū)域性雷暴氣候特征進行研究。西南地區(qū)位于青藏高原的東南側,東南靠近北部灣,西南鄰近孟加拉灣,地勢高亢,地形復雜,川西高山高原、四川盆地、云貴高原、橫斷山區(qū)四個大地貌類型區(qū)聞名全國,是一個閃電多發(fā)區(qū)。以往對西南地區(qū)閃電活動的氣候特征分析很少,因此,用較長時間的衛(wèi)星閃電資料對該地區(qū)雷暴氣候特征進行研究,可以加深對該地區(qū)雷電發(fā)生發(fā)展特征的認識和理解,為雷電監(jiān)測資料在強對流天氣過程的預警和預報中發(fā)揮更重要的作用提供氣候背景。

利用衛(wèi)星資料,Christian等[2]發(fā)現(xiàn)每秒鐘全球平均有44±5個閃電發(fā)生,大約有78%的閃電發(fā)生在南北緯30°之間。W illiams等[3]研究得出雷暴數(shù)量的變化是導致全球閃電次數(shù)年變化和日變化的主要因素,但雷暴閃電頻數(shù)的變化在全球閃電次數(shù)日變化中也起著重要作用。郄秀書等[4]對全球一些典型地區(qū)的閃電活動進行了對比分析,并對其差別的成因進行了探討。馬明等[5]對中國及周邊閃電密度的氣候分布進行了研究。本文利用衛(wèi)星觀測到的閃電定位資料對西南地區(qū)閃電活動的時空分布特征作了詳細分析,并初步探討影響閃電此種分布可能的氣象因子或環(huán)境參量,從而為揭示西南地區(qū)閃電與氣象要素、閃電與氣候的關系奠定一定的基礎。

1 資料來源和分析方法

L IS是由TRMM衛(wèi)星攜帶的一部閃電成像探測器,L IS包含一個光學凝視成像儀,閃電放電時產(chǎn)生的亮度瞬間變化是它識別閃電活動的依據(jù),因此它既能觀測云閃又能觀測地閃。L IS采用了一個128×128像素的CCD陣列,采樣率大于500幀/s,加上廣角鏡頭的使用,在350 km高度上可以觀測到地球上600 km×600 km區(qū)域內閃電的活動,探測的空間分辨率為3 km(星下點)至6 km(邊緣),每次對同一個目標有約80 s的觀測時間,對同一地區(qū)在同一地方時間掃描的周期約46.4 d;2001年8月TRMM升軌到402.5 km高度,L IS掃描寬度增加15%到667 km,單點觀測時間91 s,掃描周期約49 d,夜間的閃電探測效率93%±4%,白天約73%±11%[6]。L IS探測的閃電定位資料包括四類:事件(event)、組(groups)、閃電(flashes)和區(qū)域(areas)。

從美國全球水文資源中心獲取了西南地區(qū)(99～109°E,22～32°N)1998年1月1日—2007年12月31日L IS提供的閃電(flashes)原始定位資料。在對L IS閃電原始定位資料預處理后,首先以日、夜的平均探測效率73%、93%[6]分別訂正日、夜的閃電次數(shù),對閃電次數(shù)資料進行了統(tǒng)計和分析,再根據(jù)TRMM軌道信息和L IS掃描參數(shù),計算了L IS注視時間,最后計算了該地區(qū)的閃電密度。本文利用L IS所獲取的10 a閃電資料對西南地區(qū)閃電活動的年際變化、季節(jié)變化、日變化和空間分布的氣候特征進行了分析和研究。

2 西南地區(qū)閃電時間分布特征

2.1 閃電年際變化特征

在對L IS閃電原始定位資料處理后,統(tǒng)計了1998—2007年各年白天(天頂角小于等于90°)、晚上(天頂角大于90°)及全天L IS觀測到的閃電次數(shù),并進行了探測效率訂正后,得到有關閃電次數(shù)的年變化數(shù)據(jù)。圖1給出了1998—2007年西南地區(qū)各年白天、晚上及全天發(fā)生閃電次數(shù)的年際變化曲線。

從圖1可看出,1998—2007年西南地區(qū)L IS觀測到的閃電次數(shù)相差很大,年閃電次數(shù)(訂正后)平均為12 995次,最多的是2006年16 657次,是最少年份2001年8 040次的2倍多。2000—2001年為閃電發(fā)生低谷年,這兩年平均為8 282次,只有正常年份的63.72%,2001—2002年有一個躍增,增幅達6 921次,隨后又略微下降,從2003到2006年閃電又逐年增加,增幅較大,2006年達到峰值。2001年8月TRMM升軌后,過頂軌道數(shù)有所增加,但年閃電次數(shù)與之無直接的對應關系。

由圖1可以清楚地看到,西南地區(qū)晝夜發(fā)生閃電次數(shù)差別不大,白天發(fā)生的閃電次數(shù)甚至略低于夜間,尤其是1998年和2001年表現(xiàn)得特別突出,只有2000、2002和2007年這三年白天閃電次數(shù)稍高于夜間,其他年份都是夜間閃電次數(shù)高于白天。10 a年均白天閃電次數(shù)是6 097次,占年均閃電數(shù)的46.92%,夜間達到6 898次,占年均總閃電數(shù)的53.08%,晝夜比為0.88,說明西南地區(qū)發(fā)生的閃電次數(shù)晝夜差別不大,晚上出現(xiàn)的閃電稍多。這與青藏高原區(qū)域閃電晝夜比為2.0、晝夜差別大、閃電主要出現(xiàn)在白天[7]的情況絕然不同。夜間閃電次數(shù)年際變化幅度大,而白天發(fā)生的閃電年際變化幅度小,但在閃電低谷年份卻例外,在閃電低谷年的2001和2002年,白天發(fā)生的閃電數(shù)有一個躍變,閃電數(shù)年際變化幅度很大,且白天閃電年際變化幅度與年際總閃電數(shù)變化趨勢吻合得很好。

圖1 1998—2007年西南地區(qū)白天、晚上及全天發(fā)生閃電次數(shù)的年際變化Fig.1 The interannual variation of day,night,day and night mean lightning number in Southwest China from 1998 to 2007

2.2 閃電季節(jié)變化特征

在對L IS閃電原始定位資料處理后,統(tǒng)計了1998—2007年10 a間各月L IS觀測到的閃電次數(shù)并進行了探測效率訂正后,再進行平均得到各月年均閃電次數(shù)。圖2給出了西南地區(qū)L IS觀測到的1998—2007年的閃電月際分布特征。

由圖2可以看出,西南地區(qū)的閃電月際分布呈現(xiàn)單峰值特征,主峰值在8月。閃電從2月起開始增多,3月增加緩慢,4月快速增加,增幅較大,到5月下旬達到一個小峰值,隨后閃電稍有下降,7月又快速上升,在8月中旬達到頂峰,9月閃電次數(shù)迅速減少,10月很少,11月到次年2月閃電更少,特別是12月到次年1月閃電極少,其中2006年這2個月L IS未能觀測到閃電活動,并在12月出現(xiàn)閃電活動的最小值。4—8月是閃電高發(fā)期,發(fā)生的閃電約占全年總數(shù)的84.83%,3月和9月是閃電活躍期,10月—次年2月是閃電低發(fā)期,發(fā)生的閃電數(shù)還不到全年閃電總數(shù)的4.52%。

圖2 1998—2007年西南地區(qū)閃電月際變化Fig.2 The inter-monthly variation of lightning number in Southwest China from 1998 to 2007

西南地區(qū)的閃電季節(jié)性特征非常明顯,閃電主要發(fā)生在春季和夏季,高峰在仲夏,盛夏是閃電出現(xiàn)的主要季節(jié),秋冬季節(jié)閃電不活躍,特別是冬季發(fā)生閃電的幾率很小。在春秋兩季,春季的閃電活動明顯強于秋季,這主要是4月和5月期間影響西南地區(qū)的西南季風已經(jīng)開始形成,對流性云系增多,西太平洋副熱帶高壓第一次北跳,副熱帶高壓通常穩(wěn)定躍過20°N,而徘徊于20～25°N之間,這時四川、云南和貴州三省開始進入大暴雨頻發(fā)時期[8],Piepgrass和Krider[9]、李建華等[10]、劉巖等[11]研究得出閃電與降水的相關性很高,大暴雨帶來了大量閃電。秋季的閃電活動與春季相比要弱一些,而且高值區(qū)有些偏南,這是因為從9月開始,來自西伯利亞和蒙古一帶冷空氣進入,寒冷干燥的冬季風開始建立,并開始南進。而仲夏季節(jié)形成閃電高峰期,則可能是7月中旬前后,副熱帶高壓第二次北跳使副熱帶高壓脊線躍過25°N以北,四川盆地進入暴雨期[8],大約在7月底至8月初,副熱帶高壓發(fā)展到極盛階段,脊線也達到最北的位置,暴雨帶來了大量的閃電活動。另外,此時大量臺風從我國東南沿海登陸,過境西南地區(qū)也會引起局地強對流,從而引發(fā)大量的閃電活動。

1—12月(1998—2007年平均)逐月的平均閃電密度分布:3月云南與越南交界處出現(xiàn)閃電高發(fā)區(qū),到4月份閃電活動區(qū)域進一步向北擴展到了四川東部,此時云南與越南交界處閃電密度達到了36.3 fl·km-2·a-1以上;5—8月為閃電高發(fā)時段,區(qū)域內東部大部分地區(qū)的閃電密度都在11.2～18.4 fl·km-2·a-1之間,在5月、6月貴州南部和廣西交界處閃電密度在20.5 fl·km-2·a-1以上,到7月、8月四川、貴州和重慶交界處出現(xiàn)34.6 fl·km-2·a-1以上的高發(fā)區(qū);9月區(qū)域內的閃電活躍區(qū)迅速南撤,閃電密度大大減少,10月進一步衰減,11月閃電很少發(fā)生,12月到次年2月的冬季為全年發(fā)生閃電最少期,閃電密度低且閃電區(qū)域面積小,主要在發(fā)生在四川盆地。

2.3 閃電日變化特征

西南地區(qū)閃電活動在不同月份有顯著的差異,其中7月和8月是兩個閃電高峰期,4—8月是閃電高發(fā)期,圖3給出了西南地區(qū)閃電活動較多的幾個月里L IS觀測到的閃電的日變化(已換算成北京時間)。

從圖3可以清楚地看出,不同月份的閃電日分布有很大的不同。7月日變化呈現(xiàn)單峰型特點,峰值范圍較寬,高發(fā)時段主要在15:00—04:00,從15:00起閃電逐漸增多,19:00時達到最高峰值,然后又逐漸減少,呈下降趨勢,在下降過程中偶爾有兩個很小的時段略有上升,04:00之后閃電稀少,上午是閃電活動的低谷。8月閃電多、躍變明顯,范圍集中,高發(fā)范圍主要在15:00—24:00,呈現(xiàn)三峰型特點,月均每小時達到107次左右,17時達到主峰值,占到日出現(xiàn)閃電總數(shù)的12.89%,次峰區(qū)在21:00—22:00和23:00—24:00這兩個時段,01:00—13:00是低發(fā)時段,但在02:00—03:00有一個小高潮。4—8月平均閃電高發(fā)時段在16:00—03:00,呈現(xiàn)雙峰型特點,其中17:00—19:00有一個峰值,另一個峰值位于22:00—24:00,09:00—12:00為4—8月平均閃電的低谷區(qū)。

從峰值區(qū)的變化來看,7月峰值明顯,閃電主要集中在傍晚發(fā)生,8月峰值區(qū)較多且較分散,除了在傍晚有1個主峰值外,深夜21:00—24:00之間也有兩個很大的次峰值區(qū)。閃電多發(fā)的4月到8月平均起來以后,峰值區(qū)就較為平坦,變化不大,不是很明顯。但它們有一些共同的非常明顯的特點:白天發(fā)生的閃電少,晚上發(fā)生的閃電多,閃電峰值區(qū)集中在傍晚、午夜前后兩個時段,閃電峰谷出現(xiàn)在09:00—12:00。

L IS閃電日變化反映了對流日變化的特征,與對流活動的發(fā)展規(guī)律相符合,對流活動一般在午后開始發(fā)展,在傍晚時分達到最強,因此閃電集中在傍晚發(fā)生,在傍晚形成一個閃電高峰就不難理解了。另外,西南地區(qū)日最大閃電活動出現(xiàn)在午夜前后,夜雷暴多,這是非常具有地方特色的,也是與其他地區(qū)閃電日變化顯著不同的地方。究其原因,主要有兩點:一是地形的作用,主要發(fā)生在河谷盆地地形之中,由于晝夜高原、高山和盆地、河谷之間的熱力差異,地方性和局部山谷風環(huán)流特別顯著。白天受山谷風影響,河谷、盆地的中、上部為補償下沉氣流,使云雨消散或受到抑制大而少降水,入夜因山風迫使低層暖空氣上升,促進強對流發(fā)展;二是西南地區(qū)多云,川、黔冬半年為云貴準靜止鋒區(qū)所控制,云層尤為密厚,白天地面增溫不高,大氣層結穩(wěn)定,降水較少;而夜間云頂輻射冷卻快,下部降溫受阻,使上下溫差增大,有利于形成不穩(wěn)定的大氣層結,故夜間有較多閃電發(fā)生。

圖3 1998—2007年西南地區(qū)閃電次數(shù)的日變化Fig.3 The diurnal variation of lightning number in Southwest China from 1998 to 2007

3 西南地區(qū)閃電的空間分布特征

根據(jù)TRMM衛(wèi)星和L IS掃描參數(shù)計算了L IS在TRMM升軌前、后在22～32°N區(qū)域內的年注視時間,將西南地區(qū)劃分成0.25°×0.25°的1 600個經(jīng)緯網(wǎng)格,用經(jīng)探測效率訂正的閃電次數(shù),除以年注視時間和網(wǎng)格面積,并由此計算得到了1998—2007年西南地區(qū)的總閃電(地閃和云閃)密度分布(圖4)。西南地區(qū)平均閃電密度為6.70 f l·km-2·a-1,該地區(qū)的閃電密度分布具有以下特點:

(1)西南地區(qū)閃電密度分布大體呈現(xiàn):東部高,西部低;南部高,北部低。具體來說:云南東南部和越南北部相連的地區(qū)是閃電發(fā)生的最活躍地區(qū);廣西、貴州、重慶和四川東部地區(qū)閃電活動相對有所減少;云南西北部和四川西部地區(qū)閃電活動更少。

(2)閃電密度較高的高值區(qū)主要有以下幾個:最高值中心位于中越交界的老山一帶,該地區(qū)的閃電密度高,最高的地方達到了38.9 fl·km-2·a-1,范圍大,面積超過了9 263 km2。另外還有一些跳躍式的高值中心,四川省眉山市附近,閃電密度在12.5～20.9 fl·km-2·a-1之間,在四川、重慶和貴州交界處,最高的地方達到了19.5 fl·km-2·a-1,重慶市區(qū),最高的地方達到了17.2 fl·km-2·a-1以上,重慶的南川市附近閃電密度在11.6～20.7 fl·km-2·a-1之間,中國、老撾和越南交界處的越南萊州省一帶,最高的地方達到了20.7 fl·km-2·a-1以上。

(3)閃電低發(fā)區(qū)主要有:非常明顯的大片低發(fā)區(qū)主要位于西南地區(qū)西部,它毗鄰青藏高原,除極少數(shù)零星小地方外,閃電密度均小于4.0 fl·km-2·a-1;云南與廣西交界處有一帶狀低值區(qū),閃電密度絕大部分小于5.0 fl·km-2·a-1;成都平原(狹義的)地區(qū)閃電密度絕大部分小于5.4 fl·km-2·a-1。

圖4 1998—2007年西南地區(qū)總閃電密度分布(單位:fl·km-2·a-1)Fig.4 Distribution of lightning density in Southwest China from 1998 to 2007(units:fl·km-2·a-1)

李照榮等[12]、徐桂玉和楊修群[13]研究指出雷暴分布受海拔高度的影響,地形地勢是影響雷暴的主要因子。鄰近青藏高原的西南地區(qū)西部之所以形成一個非常明顯的大片閃電低發(fā)區(qū),顯然是受世界上海拔最高(平均海拔高度在4 000 m以上)、地形最為復雜的面積巨大的青藏高原和南北走向的橫斷山脈地形地勢的影響。來自孟加拉灣暖濕氣流遇到高聳入云的喜馬拉雅山和縱橫交錯的南北走向橫斷山脈,它們的海拔高度很高,高原高山的山頂都處在雪線以上,由于它們的阻擋作用,輸送進來的暖濕氣流很難越過喜馬拉雅山和橫斷山脈,缺少水汽,強對流難以發(fā)展;此外高山背風面冷氣流沿山谷向下流到平原(即山風),下沉氣流也抑制了對流的發(fā)展,阻礙了雷暴的形成,所以在橫斷山脈東面、喜馬拉雅山南麓的東南面的西南地區(qū)西部大部分地區(qū)形成一個明顯閃電密度低值中心。貴州高原不但在夏季受西南季風影響明顯,暖季熱力對流旺盛,而且本身地勢較高,地形抬升作用顯著,且其地形起伏也較大,地表的凸凹不平,也可導致垂直方向的擾動,進而為積云的發(fā)展創(chuàng)造了條件,雷暴易于形成,所以其年閃電密度較大。

成都平原鄰近川西高原山地,深受山地下沉的冷空氣的影響,加之平原河水大多來自西部高原山地的冰雪融水;同時,平原上地勢低洼的古河道地區(qū),地下水位高,土壤冷濕。故成都平原無論氣溫、水溫和土溫均較低,熱量條件較之四川盆地其他地區(qū)稍為遜色,地面的熱力強迫作用不明顯,低層空氣相對較穩(wěn)定,強對流一般難以發(fā)展,因此閃電次數(shù)和閃電日數(shù)均處較低水平。而四川省眉山市附近卻是一個閃電高值區(qū),其原因主要有兩個:其一,眉山是外來水汽進入成都平原的重要通道,水汽供應充足;其二,眉山境內大部分地區(qū)皆為低山丘陵,山巒縱橫,丘陵起伏,河網(wǎng)密集,在山間盆地或河谷地帶形成了有利于強對流發(fā)展的地形條件。

閃電多出現(xiàn)在水體和山脈附近[14]。這是由于在特定時段,水體和山脈具有熱力抬升或動力抬升的條件,并有較為充足的水汽供應,有利于雷暴的形成和云內起電。例如重慶市區(qū)就是一個閃電高值區(qū),這與它的地理位置有關,重慶多山多霧[15],地處長江、嘉陵江交匯處,依山傍水,丘陵眾多,縱橫交錯,是有名的“山城”,重慶多云多霧,號稱“霧都”。白天,太陽輻射對地面的加熱和地面長波輻射對低層大氣的加熱,低層大氣易變得不穩(wěn)定,容易形成較強的上升氣流,且該地區(qū)有較為充足的水汽供應,上升氣流攜帶水汽到達凍結層以上。根據(jù)冰晶起電效應原理,當云頂溫度低于0℃時,對流云中即有冰晶產(chǎn)生,云頂溫度低于-20℃時,冰晶的密度較大。當對流云中的冰晶含量足夠多,且有較厚的冰晶和過冷卻水共存層,對流云的垂直運動足夠強,即可造成對流云內的電荷分離并最終達到放電發(fā)生(閃電)階段[16],故該地區(qū)白天閃電活躍。夜間,該地常有中低云存在,其存在的作用有二:其一,低云的存在阻礙了地面的輻射降溫;其二,云層上部向太空發(fā)射長波輻射。云頂輻射使得云頂溫度的明顯降低,而云層下部溫度變化不大,有利于形成不穩(wěn)定的大氣層結,中低云存在也說明低層有一定的水汽條件,這些都是形成雷暴的有利條件,所以該地區(qū)夜間也有較多閃電發(fā)生。

4 討論

由于TRMM衛(wèi)星處于較低的地球軌道上,搭載在其上面的閃電探測器(L IS)對地球上任意一點的掃描時間都十分有限,顯然積累和分析較長時間的衛(wèi)星閃電探測資料,將能更可靠地反映區(qū)域內的雷電氣候分布與變化的真實情況。本文所用的衛(wèi)星觀測的閃電資料只有10 a的時間,能否真實地反映西南地區(qū)閃電活動的氣候與變化特征,還有待于探測資料的進一步積累與證實,因此,隨著資料積累,進一步的研究是必要的。另外,從結果中可以看到,在不同的地方閃電活動差別很大,說明雷暴的發(fā)生具有很強的局地性,由于局地的閃電活動跟當?shù)氐牡匦蔚貏?、水汽和地理環(huán)境條件等諸多因素有關,因此要詳細了解不同地區(qū)的閃電活動特征,還有必要進行雷電的地基觀測;同時閃電起電及放電的物理特征也因地域的不同可能存在較大的差異,因此地基觀測對研究雷電發(fā)生發(fā)展物理過程和閃電起電及放電的物理特征[17],特別是對雷電防護系統(tǒng)的設計,是十分必要的,也是非常重要的。

5 結論

利用TRMM衛(wèi)星上攜帶的閃電探測儀(L IS)所獲取的10 a閃電資料(1998—2007年)對西南地區(qū)閃電活動的時空分布特征進行了分析,得到以下結論:

(1)該地區(qū)閃電次數(shù)的年差異較大,最多年份是最少年份的2倍多;閃電活動季節(jié)變化特征非常明顯,閃電主要集中在春末仲夏發(fā)生,呈現(xiàn)單峰值特征,4—8月是閃電高發(fā)期(約占全年總閃電活動的84.83%)。閃電活動的日變化表明,閃電峰值區(qū)集中在傍晚、午夜前后兩個時段,閃電谷值區(qū)出現(xiàn)在09:00—12:00,夜雷暴多,這是與其他地區(qū)閃電日變化顯著不同的地方。

(2)西南地區(qū)閃電密度分布大體呈現(xiàn):東部高,西部低;南部高,北部低。閃電密度較高、面積較大的高值中心位于中越交界的老山一帶,非常明顯的大片低發(fā)區(qū)主要位于西南西部地區(qū)。

(3)西南地區(qū)閃電時空分布與當?shù)氐牡匦蔚貏?、水汽和地理環(huán)境條件等諸多因素有關。研究西南地區(qū)雷暴氣候特征,對該地區(qū)雷暴預警預報和防雷減災有指導意義。

致謝:本文所用閃電衛(wèi)星資料由美國全球水文資源中心(GHRC)提供,謹致謝忱!

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