朱晶晶，趙小平，邢彩盈，陳崢光，張明潔

(1.海南省氣候中心，海南 海口 570203；2.南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203；3.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心氣象室，四川 西昌 615000)

基于閃電定位系統(tǒng)的海南島閃電活動(dòng)特征分析

朱晶晶1,2，趙小平3，邢彩盈1,2，陳崢光3，張明潔1,2

(1.海南省氣候中心，海南 海口 570203；2.南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570203；3.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心氣象室，四川 西昌 615000)

利用ADTD-2C型閃電定位探測系統(tǒng)監(jiān)測的2014—2015年海南島閃電信息，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，分析和研究了海南島閃電的時(shí)空分布規(guī)律和活動(dòng)特征，結(jié)果表明：ADTD-2C型閃電定位系統(tǒng)能夠全面監(jiān)測海南島的閃電信息，閃電信息能夠有效反映海南島的閃電活動(dòng)特征.海南島閃電頻數(shù)具有“單峰”特征，全年各月均有發(fā)生閃電的記錄，4～11月份是海南島發(fā)生閃電的主要月份.閃電發(fā)生時(shí)段較為集中，主要是從午后開始，至傍晚達(dá)到最高峰.海南島負(fù)地閃頻數(shù)遠(yuǎn)大于正地閃頻數(shù)，且負(fù)地閃強(qiáng)度顯著高于正地閃強(qiáng)度.正地閃的雷電流幅值主要集中在6 kA～30 kA，負(fù)地閃的強(qiáng)度主要集中在-60 kA～-7 kA.海南島北部的閃電密度要明顯高于南部地區(qū)，北部和南部閃電強(qiáng)度相對較大，西部和中部地區(qū)閃電強(qiáng)度相對較小.

ADTD-2C; 閃電定位系統(tǒng); 閃電活動(dòng); 時(shí)空分布

雷電是一種大氣放電現(xiàn)象，多產(chǎn)生于對流性積雨云中，它主要以電流、高溫、電磁場及電磁輻射等形式給人類社會(huì)帶來極大的危害.國家氣象局的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，雷電災(zāi)害已成為僅次于洪澇、地質(zhì)災(zāi)害的第三大氣象災(zāi)害.近年來，雷電的研究已逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，這些研究為國家防災(zāi)減災(zāi)提供了有效的技術(shù)支持和決策依據(jù)，與此同時(shí)，全國氣象系統(tǒng)也全面建立了閃電定位系統(tǒng)，它為研究閃電提供了基礎(chǔ)[1-4].通過該閃電定位系統(tǒng)提供的閃電信息，可以有效地分析閃電頻次的分布特征，掌握雷電活動(dòng)的規(guī)律.目前，國內(nèi)已經(jīng)開展了較多的關(guān)于閃電活動(dòng)特征的研究[5-10]，姜勇利用云南省2012年的ADTD型閃電定位儀資料分析了云南省的地閃在時(shí)間、空間和強(qiáng)度等方面的變化特征[11]；鄧德文利用2008—2014年ADTD雷電探測定位系統(tǒng)所觀測到的資料，分析了江西省雷電活動(dòng)的時(shí)空分布特征[12]；李家啟，申雙和等統(tǒng)計(jì)和分析了重慶市 ADTD系統(tǒng)的地閃監(jiān)測資料，分析了重慶地區(qū)閃電頻次的極性、幅值、雷電流波頭陡度和時(shí)間分布特征[13].這些研究都是根據(jù)閃電定位系統(tǒng)所探測的信息來對當(dāng)?shù)氐睦纂娞卣鬟M(jìn)行分析，取得了良好的研究成果.

海南島位于我國最南端，緯度低，四面環(huán)海，雷暴活動(dòng)頻繁，是我國雷電災(zāi)害最為嚴(yán)重的省份之一.目前，海南氣象工作者利用人工觀測雷電資料或電場儀探測數(shù)據(jù)對海南島雷電的分布特征進(jìn)行了研究，郭冬艷利用海南18個(gè)市縣的雷暴觀測資料，研究了海南夏季雷暴的時(shí)空分布特征及可能原因[14]；陳紹東利用大氣電場儀探測的海南省文昌市的電場數(shù)據(jù)，分析了文昌夏季陣性降水的電場特征和電場演變的規(guī)律等[15].海南島閃電定位系統(tǒng)的組網(wǎng)起步較晚，對閃電資料的運(yùn)用還處于起步階段.因此，為有效開展雷電防災(zāi)減災(zāi)工作，提高對雷電災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)防能力，有必要利用閃電定位系統(tǒng)探測的閃電數(shù)據(jù)對海南島雷電活動(dòng)的特征及規(guī)律進(jìn)行研究，以提高對海南島閃電活動(dòng)特征和規(guī)律的認(rèn)識(shí).

為此，本文利用ADTD-2C型閃電定位探測系統(tǒng)所監(jiān)測到的2014—2015年海南島閃電的信息，分析和研究了海南島閃電的時(shí)空分布規(guī)律及活動(dòng)特征，旨在得到海南島閃電活動(dòng)的規(guī)律，以提高防雷減災(zāi)水平與能力.

1 資料來源與方法

本文采用的閃電數(shù)據(jù)來源于分布在海南島的7臺(tái)二代ADTD-2C閃電定位系統(tǒng)，各探測儀分別位于文昌、?？?、瓊海、儋州、東方、五指山、陵水(圖1)，中心站設(shè)置于?？?，該系統(tǒng)單臺(tái)探測儀的有效監(jiān)測范圍為150 km，7臺(tái)定位系統(tǒng)能夠有效覆蓋全島所有的閃電信息.

ADTD-2C閃電定位系統(tǒng)是目前國內(nèi)業(yè)務(wù)化運(yùn)行較好的閃電監(jiān)測設(shè)備，可以測量云地閃和云間閃，它采用數(shù)字波形鑒別技術(shù)，測量速度快，精度高.該系統(tǒng)于2013年開始正常運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測海南島及周邊閃電信息.在2013年試運(yùn)行期間，通過與人工觀測的雷電進(jìn)行連續(xù)對比和分析，確定ADTD-2C系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠.

ADTD-2C閃電資料包括：閃電出現(xiàn)的時(shí)間、經(jīng)緯度、強(qiáng)度、陡度、誤差和定位方式等.該系統(tǒng)能夠有效探測云地閃和云間閃，鑒于對人類活動(dòng)、建筑物等的危害主要由云地閃產(chǎn)生，本文主要對2014—2015年探測的海南島云地閃的時(shí)空分布特征及活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究.

2 總體特征

2.1 閃電頻次 從2014—2015年于海南島監(jiān)測到的閃電頻數(shù)可以看出(表1)，云間閃與云地閃的比例約為2 ∶3，云地閃頻數(shù)高于云間閃的頻數(shù).云地閃中負(fù)地閃頻數(shù)遠(yuǎn)大于正地閃頻數(shù)，負(fù)地閃頻數(shù)比正地閃頻數(shù)約大一個(gè)量級(jí).海南島共發(fā)生106 063次正地閃，約占總云地閃頻數(shù)的20.2%.負(fù)地閃頻數(shù)為420 261次，約占總云地閃頻數(shù)的79.8%.統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，海南島負(fù)地閃的平均強(qiáng)度約為-35.2 kA，正地閃的平均強(qiáng)度約為24.3 kA，可見，負(fù)地閃平均強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于正地閃的平均強(qiáng)度.另外，從2014年和2015年的閃電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，閃電頻數(shù)、閃電強(qiáng)度等較為相似，年變化較小.

表1 2014—2015年海南島的雷電活動(dòng)特征

2.2 閃電雷電流幅值 閃電雷電流幅值是一次雷擊中探測站所測到的峰值電流，是脈沖電流所達(dá)到的最高值.前文的分析已指出海南島負(fù)地閃的平均強(qiáng)度較正地閃的強(qiáng)度大，從閃電雷電流幅值的日變化特征可以看出(圖2a)，負(fù)地閃雷電流的幅值明顯大于正地閃雷電流的幅值.從雷電流幅值的日變化分布特征可以看出，正地閃雷電流幅值的波動(dòng)范圍較大，低值區(qū)主要位于13：00～19：00時(shí)，電流幅值分布于21kA附近，大值區(qū)位于20:00～00:05時(shí)，電流幅值分布于40 kA附近.負(fù)地閃雷電流的波動(dòng)范圍相對平緩，與正地閃的分布相似，低值區(qū)主要位于13：00～19：00時(shí)，電流幅值分布于34 kA附近，大值區(qū)位于23：00～00：05時(shí)，電流幅值約為41kA左右.

圖2b顯示的是2014—2015年海南島閃電雷電流幅值的月變化特征.由統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，12～3月的閃電發(fā)生次數(shù)較少，閃電集中發(fā)生在4～11月，因此在分析雷電流幅值季節(jié)分布時(shí)應(yīng)主要針對4～11月進(jìn)行分析.從各月分布的特征可以看出，負(fù)地閃雷電流幅值要大于正地閃雷電流幅值.正地閃雷電流幅值的大值區(qū)位于6月份和10月份，而負(fù)地閃雷電流幅值的大值區(qū)位于9～10月.

通過分析2014—2015年雷電強(qiáng)度與頻數(shù)的對應(yīng)關(guān)系(圖3)同樣可以看出，正地閃平均強(qiáng)度小于負(fù)地閃平均強(qiáng)度.正地閃的強(qiáng)度主要集中在6～30 kA，12 kA的閃電強(qiáng)度發(fā)生的頻數(shù)最大，發(fā)生了10 623次.負(fù)地閃的強(qiáng)度主要集中在-60～-7 kA，-17 kA的閃電強(qiáng)度發(fā)生的頻數(shù)最大，達(dá)到25 156次.正地閃和負(fù)地閃的閃電強(qiáng)度與頻數(shù)的對應(yīng)關(guān)系相似，閃電強(qiáng)度主要集中在一定的范圍內(nèi).

2.3 雷電流陡度 雷電流陡度是指雷電流隨時(shí)間上升的變化率，其對閃電過電壓有直接影響，它同樣是體現(xiàn)雷電強(qiáng)度的指標(biāo)之一.在2014—2015年的閃電中，正地閃平均雷電流陡度為9.6 kA·μs-1，最大陡度為427.6 kA·μs-1.負(fù)地閃平均陡度為-12.8 kA·μs-1，最大陡度為464.7 kA·μs-1.為清楚分析雷電流陡度的月分布特征，本文對海南島4～11月的雷電流陡度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖4).由分析得出，正地閃雷電流陡度略大于負(fù)地閃雷電流陡度，正地閃雷電流陡度在6月、10月較大，其他月份相對較小.負(fù)地閃雷電流的最大陡度出現(xiàn)在9月份.從總的分布特征來看，海南島6～10月份的雷電流陡度要略大于4～5月份及11月份的雷電流陡度，這也印證了雷電流陡度的季節(jié)性分布特征，即夏季較強(qiáng)，春、秋、冬季相對較弱.

3 閃電活動(dòng)時(shí)間變化特征

3.1 月際變化特征 閃電具有顯著的季節(jié)性差異，圖5顯示的是2014—2015年海南島云地閃的月際變化特征.從閃電頻數(shù)的月變化可知(圖5a)，海南島的閃電具有“單峰”特征，全年各月均有發(fā)生閃電的記錄，4～11月份是海南島發(fā)生閃電的主要月份，其中，5～9月份是閃電的高發(fā)季節(jié)，峰值出現(xiàn)在5月份.12月至次年3月的閃電較為少見，這也正是前文在分析雷電流幅值和陡度時(shí)只分析4～11月份的原因.閃電存在季節(jié)分布差異的主要原因是：在海南島夏季汛期，由于對流性天氣較旺盛，故閃電頻數(shù)相對較高，而在非汛期，由于對流性天氣相對較少，所以閃電頻數(shù)亦少.

正負(fù)閃電比例也是雷電活動(dòng)分析中的一個(gè)重要部分.從2014—2015年的海南島正地閃和負(fù)地閃的比例分布可以看出(圖5b)，全年每個(gè)月基本是負(fù)地閃頻數(shù)大于正地閃頻數(shù).其中，在6～9月份，正負(fù)地閃的比例較大，最大比例出現(xiàn)在7月份，表明此期間正地閃頻數(shù)相對較多，而其他月份的正地閃頻數(shù)則較少.

3.2 日變化特征 氣候區(qū)及地形等差異使得各地區(qū)的閃電具有明顯的日變化特征，圖6顯示的是2014—2015年海南島閃電的日變化特征.分析發(fā)現(xiàn)，海南島閃電逐時(shí)變化具有典型的“單峰”特征，發(fā)生閃電的時(shí)間較為集中，雖然全天各個(gè)時(shí)段均有閃電發(fā)生，但是閃電主要集中發(fā)生在13：00—19：00時(shí)，約占全部閃電的85.9%，峰值出現(xiàn)在15：00—16：00時(shí)，約占全部閃電的43.8%.21：00—次日11：00時(shí)發(fā)生概率較小，最小值出現(xiàn)在04：00時(shí)，僅出現(xiàn)了1 061次閃電，占0.2%.

可見，海南島閃電發(fā)生的時(shí)段較為集中，閃電主要是從午后開始發(fā)生，至傍晚達(dá)到最高峰.分析其原因，主要是由于氣候區(qū)和地形是產(chǎn)生各個(gè)地區(qū)閃電發(fā)生的主要影響因素，太陽輻射是大氣活動(dòng)的主要能量來源.海南島四周環(huán)海，水汽充足，白天太陽輻射使得陸地溫度快速升高，海洋升溫較慢，海陸之間產(chǎn)生較強(qiáng)的水平溫度梯度，從而形成海陸局地環(huán)流，即海陸風(fēng).在地形作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力抬升作用有利于陸地上對流的發(fā)生和加強(qiáng)，所以白天閃電概率較大.此外，由于上午太陽輻射的強(qiáng)度較弱，經(jīng)過上午的加熱，較強(qiáng)的海陸溫度梯度常常在午后開始形成，這正是海南島午后對流頻現(xiàn)的主要原因.夜間，陸地降溫迅速，海洋降溫緩慢，繼而形成相反的海陸環(huán)流，風(fēng)由陸地吹向海洋，不利于在陸地形成對流.

4 閃電空間分布

4.1 閃電強(qiáng)度區(qū)域分布 圖7顯示的是海南島閃電強(qiáng)度的空間分布特征，從圖7a中正閃強(qiáng)度分布可以看出，海南島西北部和南部正閃強(qiáng)度較大，最大值出現(xiàn)在儋州、三亞地區(qū)，平均閃電強(qiáng)度達(dá)到30 kA以上.昌江、白沙、五指山等中部山區(qū)以及定安、文昌等東北部平原地區(qū)的閃電強(qiáng)度相對較小.負(fù)閃強(qiáng)度與正閃強(qiáng)度分布存在較大差異(圖7b)，臨高、儋州、澄邁和文昌等北部平原地區(qū)負(fù)閃強(qiáng)度較大，平均閃電強(qiáng)度能夠達(dá)到-35 kA以上.保亭、五指山等山區(qū)閃電強(qiáng)度相對較小.海南島閃電強(qiáng)度存在明顯的空間分布差異，總體表現(xiàn)為：海南島北部和南部平原地區(qū)閃電強(qiáng)度相對較大，最大閃電強(qiáng)度為西北部地區(qū)，西部和中部山區(qū)閃電強(qiáng)度相對較小.

4.2 閃電頻數(shù)區(qū)域分布 在分析海南島閃電頻數(shù)的空間分布特征時(shí)可以發(fā)現(xiàn)(圖8)，海南島大部分地區(qū)的閃電均較頻繁，總體而言，海南島北部的閃電密度要明顯高于南部地區(qū).另外，從地形上看，五指山等中部山區(qū)的閃電頻數(shù)相對較小，閃電頻數(shù)大值區(qū)主要位于五指山以北的平原地區(qū).圖8 a顯示的是2014—2015年海南島正地閃密度的空間分布，海南島北部(五指山以北)是閃電高發(fā)地區(qū)，而南部只有保亭的閃電發(fā)生密度較大，其他地區(qū)閃電發(fā)生的密度均較小.而對于負(fù)地閃(圖8b)，高密度區(qū)位于海南島西北部地區(qū)，其他地區(qū)的密度均相對較小.海南島閃電密度的地域分布特征與海南島氣候特征及熱力環(huán)流有很大關(guān)系，由于海南島四周環(huán)海，夏季午后容易在海南島北部形成午后海陸風(fēng)，長期的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)，海南島夏季午后的海陸風(fēng)對流往往由西部開始發(fā)展，并逐漸由西向東移動(dòng)，影響儋州、澄邁、?？诘鹊貐^(qū)，較強(qiáng)的午后海陸風(fēng)常?？梢杂绊懙轿牟貐^(qū).由于五指山的阻擋作用，使得海陸風(fēng)對流較難向南移動(dòng)，因此使得對流對北部的影響更加顯著.

5 結(jié) 論

本文利用ADTD-2C型閃電定位探測系統(tǒng)監(jiān)測了2014—2015年海南島的閃電信息，分析和研究了海南島閃電的時(shí)空分布規(guī)律和活動(dòng)特征，得到如下結(jié)論：

(1)海南島云地閃發(fā)生頻數(shù)高于云間閃的頻數(shù)，云地閃中的負(fù)地閃頻數(shù)遠(yuǎn)大于正地閃頻數(shù)，負(fù)地閃頻數(shù)比正地閃頻數(shù)約大一個(gè)量級(jí).海南島閃電具有“單峰”特征，全年各月均有發(fā)生閃電的記錄，4～11月份是海南島發(fā)生閃電的主要月份.海南島閃電發(fā)生的時(shí)段較為集中，閃電主要是從午后開始發(fā)生，至傍晚達(dá)到最高峰.

(2)負(fù)地閃平均強(qiáng)度遠(yuǎn)大于正地閃的平均強(qiáng)度，正地閃的雷電流幅值日變化波動(dòng)較大，負(fù)地閃的雷電流幅值日變化較為平緩.下午至傍晚的雷電流幅值相對較小，而夜間的雷電流幅值相對較大.雷電流幅值的分布較為集中，正地閃的雷電流幅值主要集中在6～30 kA，負(fù)地閃的強(qiáng)度主要集中在-60～-7 kA.另外，正地閃雷電流陡度略大于負(fù)地閃雷電流陡度，夏季雷電流陡度較大，春、秋、冬季的雷電流陡度相對較小.

(3)海南島北部的閃電密度要明顯高于南部地區(qū)，表明海南島北部的閃電發(fā)生頻率較高.北部和南部的閃電強(qiáng)度相對較大，西部和中部地區(qū)的閃電強(qiáng)度相對較小.

本文在分析海南島閃電時(shí)，利用的是2014—2015年的閃電信息，由于信息有限，因此只能初步分析海南島閃電活動(dòng)的基本特征，待后續(xù)的閃電信息年限增加時(shí)，再進(jìn)一步深入分析海南島的閃電活動(dòng)規(guī)律及影響機(jī)制.

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Lightning Activity Characteristics in Hainan Based on Lightning Location System

Zhu Jingjing1,2, Zhao Xiaoping3, Xing Caiying1,2, Chen Zhengguang3, Zhang Mingjie1,2

(1. Hainan Climate Center, Haikou 570203, China; 2. Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Reduction of the South China Sea, Haikou 570203, China; 3. Xichang Satellite Launch Center, Xichang 615000, China)

In the report, ADTD-2C type lightning location system was used to monitor the lighting information in Hainan from 2014 to 2015, the mathematical statistics analysis methods were used to analyze the lightning activity characteristics. The results showed that ADTD-2C type lightning location system can monitor the lightning information comprehensively, and which can reflect the lightning activity characteristics in Hainan effectively. The frequency of lightning in Hainan has a feature of single-peak. The lightning occurs every month throughout the year in Hainan and concentrates from April to November. The period of time of lighting mainly focus from the afternoon and pre-evening, at which there is a maximum value. The frequency and intensity of negative cloud-ground lightning in Hainan were higher than that of positive lightning. The lightning intensity of positive cloud-ground lightning was mainly 6kA～30kA and that of negative cloud-ground lightning was -60kA～-7kA. The density of the lightning in the northern region of Hainan was higher than that in the southern of Hainan. The lightning intensity in the northern and southern region of Hainan was higher than that in the western and central regions of Hainan.

ADTD-2C; Lightning Location System; Lightning Activity; Temporal and spatial distribution

2016-08-29

海南省氣象局科技創(chuàng)新項(xiàng)目(HN2013MS10)

朱晶晶(1986-)，女，江蘇南京人，碩士，工程師，研究方向：短期氣候預(yù)測工作，E-mail: 314030126@qq.com

趙小平(1984-)，男，江蘇南京人，碩士，工程師，研究方向：航天氣象預(yù)報(bào)保障工作，E-mail: xiaopingzjpq@163.com

1004-1729(2017)01-0037-07

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A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0008