2007~2011年山東省夏季閃電分布特征分析

寧波,鞏在武

1.南京信息工程大學(xué)公共管理學(xué)院,江蘇南京2100442.山東省氣象局,山東濟(jì)南250031

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2007~2011年山東省夏季閃電分布特征分析

寧波1,2,鞏在武1

1.南京信息工程大學(xué)公共管理學(xué)院,江蘇南京210044
2.山東省氣象局,山東濟(jì)南250031

摘要:利用2007~2011年的地閃資料，從閃電頻數(shù)、月變化、日變化、電流強(qiáng)度、空間密度等方面研究了山東省夏季閃電的時空分布特征。研究發(fā)現(xiàn)：夏季負(fù)地閃占總地閃的絕大數(shù)；總閃頻數(shù)在夏季（6~8月）是逐月遞增的，正閃比例逐月遞減，負(fù)閃頻數(shù)變化與總閃有很好的一致性；地閃頻數(shù)日變化呈現(xiàn)明顯的雙峰雙谷型，正閃頻數(shù)的變化是滯后于負(fù)閃的；正閃的電流強(qiáng)度均值大于負(fù)閃，在高強(qiáng)度區(qū)，正閃比例高于負(fù)閃；通過分析地閃空間密度分布發(fā)現(xiàn)，總體呈現(xiàn)山區(qū)大于平原，南多北少，地閃主要分布在魯中、魯南山區(qū)及膠東半島。

關(guān)鍵詞:山東;閃電;時空特征

近年來，隨著閃電探測技術(shù)(目前大部分只能探測地閃)的發(fā)展，利用衛(wèi)星、閃電定位系統(tǒng)等探測設(shè)備獲得的閃電數(shù)據(jù)對閃電活動特征進(jìn)行分析取得了重大的進(jìn)展。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太陽輻射的季節(jié)變化和日變化等因素是造成閃電時間分布差異的主要原因；其時空分布可以更加有效地指導(dǎo)防雷工作的開展。何暉等利用XDD03A閃電探測系統(tǒng)提供的2000~2003年的地閃資料,對北京地區(qū)地閃活動的基本特征進(jìn)行分析[1]。李霞等利用蘇州地區(qū)2002~2004年的地閃定位資料對蘇州地區(qū)的地閃分布規(guī)律進(jìn)行了分析[2]；鐘萬強(qiáng)和馬金福等對地閃定位資料進(jìn)行應(yīng)用研究，得出適合于某一地區(qū)的地閃密度計算公式，用于指導(dǎo)當(dāng)?shù)胤览讬z測、風(fēng)險評估[3]；馮桂力等發(fā)現(xiàn)閃電活動特征對于冰雹的識別和對冰雹的超短時預(yù)報有指示意義[4]；馮桂力利用1998~2000年的閃電定位數(shù)據(jù)分析了山東地區(qū)的地閃時空分布特征[5]。

山東省位于中國東部沿海、黃河下游，境內(nèi)地貌復(fù)雜。中部山地突起，西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏，這種復(fù)雜的下墊面為雷電的發(fā)展提供了強(qiáng)大的抬升作用，而且在夏季山東省主要受西太平洋副高和大陸熱低壓控制，經(jīng)常受熱帶海洋氣團(tuán)影響，在單一熱帶海洋氣團(tuán)控制之下，常是天氣晴朗、高溫而潮濕，這就為強(qiáng)對流天氣提供了充分的水汽來源。因此研究山東地區(qū)的雷電分布規(guī)律還是有重大的實際意義的。本文利用山東省雷電防護(hù)技術(shù)中心提供的2007~2011年的閃電定位資料，來分析夏季整個山東省地閃的時間演變及空間分布特征，以期更好的認(rèn)識雷電的發(fā)展規(guī)律，科學(xué)的指導(dǎo)雷電防護(hù)工作。

1　資料來源

地閃定位資料來自山東省氣象局布設(shè)的LD-II型閃電定位系統(tǒng)，利用2007~2011年地閃資料，觀測點分別布設(shè)在章丘、龍口、榮成、即墨、日照、東明、東平、沾化、夏津、魚臺、蒙陰、郯城和昌邑等13個觀測點（如圖1）。該系統(tǒng)的時鐘同步精度0.1 μs，探測效率理論值90%以上，定位精度300 m。數(shù)據(jù)處理（處理閃擊數(shù)據(jù)的過程中，把時間間隔不大于1 s，空間距離小于10 kM的所有閃擊記為一次地閃）采用磁定向時差綜合法進(jìn)行閃電定位，各個定位儀將接收到的閃電信息和GPS時間信息，通過業(yè)務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到中心站計算機(jī)，通過中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)的計算處理，得到閃擊的時間、位置、極性、強(qiáng)度等參數(shù)。

圖1　山東省閃電定位系統(tǒng)站點分布圖Fig.1 The site map of lightning location system in Shandong Province

2　結(jié)果與分析

2.1山東省地閃的時間變化特征

山東夏季(6~8月)是強(qiáng)對流天氣的高發(fā)期，地閃活動比較活躍，由表1可知2007~2011年地閃資料共統(tǒng)計出總地閃2364034次,地閃絕大多數(shù)為負(fù)地閃，占總地閃的98%以上，正地閃僅占1.5%，正負(fù)地閃比為1.5:100，比江蘇的正負(fù)比4.4:100還要小，出現(xiàn)這種情況的原因可能是，通常情況下在低緯度地區(qū)，雷暴云中的電荷結(jié)構(gòu)是正負(fù)正的三極結(jié)構(gòu)（出現(xiàn)反三極性電荷結(jié)構(gòu)的情況少見），位于中層的負(fù)電荷區(qū)對上層正電荷的屏蔽作用使正閃發(fā)生的機(jī)會變?。ǔ窃诶妆┰瓢l(fā)展的成熟階段，高層的云氈的存在使電荷結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，使正電荷對地放電）。在表1中，還可以看出正地閃的平均電流強(qiáng)度值為25.65 KA，接近負(fù)地閃平均值的2倍，原因可能是負(fù)地閃的頻數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正地閃，再由電荷守恒的原理可知，每次負(fù)地閃中的電荷就相對減少,云地放電的強(qiáng)度也就比較小了。

表1　2007~2011年山東夏季地閃總體特征Table 1 The general features of lightning of Shandong in summer from 2007 to 2011

2.1.1地閃頻數(shù)的年變化情況圖2中可以看出，在2007~2011年期間，2007和2010年的夏季總地閃頻數(shù)明顯多于其他三年，最大值在2010年達(dá)到651474，最小值為2009年351797次，負(fù)地閃的變化趨勢與總地閃大致相同，最大值為2010年643616次，最小值2009年342929次。而且在每一年中，負(fù)閃占當(dāng)年總閃的98%左右，正閃所占比例較小，但是正閃比例在2009年最大，與其總閃頻數(shù)呈現(xiàn)了很好的反相關(guān)。

馮桂力等利用1998~2000年期間的山東閃電定位數(shù)據(jù)總共統(tǒng)計出地閃142588次，遠(yuǎn)少于本圖中年平均地閃頻數(shù)，因而近幾年與上世紀(jì)末相比地閃頻數(shù)顯著增加[5]。究其原因：一方面，在全球氣候變暖的大背景下，地表升溫迅速，低層大氣溫度高，下墊面不穩(wěn)定有利于對流的發(fā)生；另一方面，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市中各類高層建筑增多，當(dāng)雷暴云出現(xiàn)在上空時,空間電場畸變產(chǎn)生較大的電場強(qiáng)度,更易形成觸發(fā)先導(dǎo)形成回?fù)?，此外，空氣中氣溶膠含量增加,帶電離子的比例增多，大氣電導(dǎo)率變大，擊穿閾值變小，更容易發(fā)生云地閃擊。

2.1.2地閃的逐月分布在圖3也可以看出，山東省總地閃頻數(shù)在夏季是逐月遞增的，8月份達(dá)到280773次，負(fù)地閃頻數(shù)與總地閃有較好的一致性，最大值在8月份為278711次，正地閃頻數(shù)最大值出現(xiàn)在7月份2722次，但是正地閃比例是逐月降低的，最大值在六月份為3.8%，正地閃比例與正地閃頻數(shù)沒有相關(guān)性。究其原因：山東夏季主要受西太平洋副熱帶高壓和大陸熱低壓控制，經(jīng)常受熱帶海洋氣團(tuán)影響，在單一熱帶海洋氣團(tuán)控制下，常是天氣晴朗、高溫而潮濕有利于熱力不穩(wěn)定能量的累積[6]。此時來自高緯的冷空氣南下，在極地氣團(tuán)與熱帶海洋氣團(tuán)之間形成冷鋒。盡管影響山東的冷鋒頻數(shù)和強(qiáng)度遠(yuǎn)不如春季，但是南方暖濕氣流強(qiáng)，經(jīng)冷空氣抬升后常造成暴雨、冰雹等強(qiáng)對流天氣。并且在6、7月份南方氣旋經(jīng)常影響山東，出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。這種高溫濕熱的氣候條件決定夏季是山東發(fā)生多雷暴的季節(jié)[7]。

圖2　2007~2011山東夏季總閃、負(fù)閃、正閃頻數(shù)及正閃比例的逐年變化圖Fig.2 The annual distribution of the number of the lightning (total, negative, positive) and the ratios of positive lightning of Shandong in summer from 2007 to 2011

2.1.2地閃的逐日變化從圖4可以看出夏季地閃逐時變化總體呈現(xiàn)明顯的雙峰雙谷型，峰值分別是03和17時，谷值分別是10和23時；總地閃頻數(shù)在14~20時是一高值區(qū)，最大值為27122次，另一高值區(qū)是0~4時，區(qū)間峰值為21827次；8~13時為一低值區(qū)，最小值為10690次，另一低值區(qū)在21~24時，次小值為19765次。負(fù)地閃頻數(shù)變化與總地閃有比較好的吻合，而正閃峰值分別是20和24時，谷值分別在12和23時。在圖4中可以看出，在各個時段內(nèi)所占比例，總地閃、負(fù)地閃、正地閃有基本一致的變化趨勢，總體上是雙峰雙谷型，但變化規(guī)律有所不同，負(fù)地閃和總地閃有比較好的一致性，而正地閃的峰和谷都要滯后于總地閃，而且18時以后，各時段內(nèi)正地閃所占比例的減少要緩于負(fù)地閃比例的減少。究其原因可能是由于正地閃主要出現(xiàn)在雷暴云的成熟時期，此時云體內(nèi)的上升運動減弱，并且在降水和下沉氣流的拖拽下，電荷結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，負(fù)地閃減少，正地閃的次數(shù)及比例有所加大[8]。

圖3　山東夏季總閃頻數(shù)和正閃比例逐月分布圖Fig.3 The monthly distribution of the number of the total lightning andtheratiosofpositivelightninginsummerofShandong

圖4　山東省夏季地閃頻數(shù)和比例逐時分布圖Fig.4 The hourly distribution of the number and the ratios of the CG lightning in summer of Shandong

2.2山東省地閃電流強(qiáng)度變化特征

在分析電流強(qiáng)度的變化過程中，劃分為0~10共11個等級，分別代表0~5、5~15、15~25、25~35、35~45、45~55、55~65、65~75、75~85，85~95，95以上（強(qiáng)度單位KA）。在圖5中，負(fù)地閃頻數(shù)與總地閃有很好的一致性。總地閃在5~15 KA的頻數(shù)最大為245817次，最大比例為52%；正閃在15~25 KA頻數(shù)最大為4220次，最大比例為59%，大多數(shù)正地閃強(qiáng)度在65 KA以下，大多數(shù)負(fù)地閃強(qiáng)度在45 KA以下。在圖6中可以看出，在第三至第五等級之間，負(fù)地閃的累積百分比大于正地閃的累積百分比，而且在第四等級時，兩者的累積百分比已達(dá)到98%以上，正地閃在15 KA以下累積百分比僅為1.4%。在大于55 KA的大電流累積百分比，正地閃是大于負(fù)地閃的。據(jù)統(tǒng)計，大于100 KA的閃電次數(shù)很少，大于150 KA的地閃幾乎沒有。按照國標(biāo)要求，對于第一類防雷建筑物而言，在裝設(shè)了完整的防直擊雷措施后，對于電流強(qiáng)度小于5 KA的地閃，沒有很好地防護(hù)作用[9]，換言之，仍有13.2%的概率遭受直擊雷，因而在雷雨天氣時，還需加強(qiáng)雷電的防護(hù)意識，遠(yuǎn)離雷電流的泄放通道，防“旁絡(luò)閃擊”造成人員生命危險和財產(chǎn)損失。

圖5　山東省夏季地閃不同等級電流強(qiáng)度頻數(shù)和比例分布圖Fig.5ThedifferentrangedistributionofthenumberandtheratiosofthecurrentintensityoftheflashinsummerofShandong

2.3山東省地閃的空間分布特征

分析山東地區(qū)的空間分布特征，把114.5°～123.0°E，34.0°～38.5°N區(qū)域按經(jīng)緯度劃分成0.1°×0.1°的網(wǎng)格，然后計算地閃密度（每個網(wǎng)格內(nèi)的地閃頻數(shù)除以網(wǎng)格的面積，單位為次/km2/a）。在圖7中可以看出，整個夏季全省各地均有地閃出現(xiàn)，地閃密度大于0.4次/km2/a，這主要與夏季水汽豐富，天氣炎熱溫度高，下墊面極易被擾動，易形成對流活動有關(guān)；密度大于1.6次/km2/a的地閃高發(fā)區(qū)主要分布在魯中地區(qū)（濱州市東北部，淄博，萊蕪，棗莊及臨沂），還有東營的東北一隅以及膠東地區(qū)（煙臺和青島市大部）。菏澤市的曹縣地區(qū)也存在一個明顯的高值區(qū)。濱州市東北部靠近渤海，夏季海面可以為其提供豐富的水汽資源；東營東北一隅地處黃河入海口，由于大陸和海洋的熱力性質(zhì)有差別，白天陸地的升溫大于海面，海面晚上的降溫低于內(nèi)陸，這樣就在二者之間由于溫差，空氣流動增強(qiáng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定，易觸發(fā)對流活動。而臨沂市多為山地丘陵地貌，下墊面不穩(wěn)定水汽條件也不好，當(dāng)大尺度的天氣系統(tǒng)經(jīng)過該地區(qū)時，由于地形的抬升及地面場的畸變，在這種情況下，就很容易發(fā)生強(qiáng)雷暴天氣過程。在膠東半島出現(xiàn)的高值區(qū)，多是由于半島多受季風(fēng)氣候影響，降水頻繁且多為層狀云降水，為其提供了大量的水汽來源而且當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展迅速人員密度大，城市的“熱島效應(yīng)”也有利于對流活動的發(fā)生。

圖6　山東省夏季地閃不同等級電流強(qiáng)度比例累積分布圖Fig.6Thecumulativedistributionoftheratiosofthedifferent rangecurrentintensityoftheflashinsummerofShandong

圖7　山東省夏季總閃密度空間分布圖Fig.7 The spatial density distribution of the total lightning in summer of Shandong

進(jìn)一步分析閃電的日變化規(guī)律，把一天24 h分為四個時段，分別為02:00~08:00、08:00~14:00、14:00~20:00、20:00~02:00。由圖8 a得出，08:00~14:00時，上午對流活動不是很活躍，地閃密度比較小大部分在0.8次/km2/a以下，在萊蕪中部和菏澤曹縣地區(qū)有地閃高值區(qū)密度在1.2次/km2/a以上；14:00~20:00時，太陽輻射地面升溫，下墊面熱力不穩(wěn)定性增強(qiáng)，對流活動加強(qiáng)閃電頻數(shù)增多，出現(xiàn)了密度在1.6次/km2/a以上的地閃高值區(qū)，主要分布在魯中和魯東地區(qū)（圖8 b）；20:00~02:00時，地面降溫趨于穩(wěn)定，對流活動減弱，主要分布在魯西北和魯中東南部地區(qū)（圖8 c）；02:00~08:00時段，地面降溫迅速，層結(jié)不穩(wěn)定性加強(qiáng)，對流活動增多，有多個大于1.6的高值區(qū)存在（圖8 d）。究其原因，可能夜間常有中低云存在,其存在的作用有三：第一是中低層存在云,說明低層有一定的水汽條件；第二是低云的存在阻礙了地面的輻射降溫；第三云層上部的向太空發(fā)出長波輻射，增大了大氣的不穩(wěn)定度，另外夜間行星邊界層急流的形成也有利于強(qiáng)對流活動的發(fā)生和發(fā)展[10]。

圖8　山東省夏季總閃密度四個時段空間分布圖Fig.8 The spatial density distribution of the total lightning at The four periods of summer in Shandong

3　小結(jié)

本文利用2007~2011年夏季的地閃定位資料分析了山東半島的地閃分布特征，結(jié)論如下：

（1）在夏季，山東省負(fù)閃頻數(shù)占總閃的98%以上，正負(fù)閃比為1.5:100，總閃頻數(shù)在夏季（6~7月）是逐月遞增的，負(fù)閃頻數(shù)與總閃頻數(shù)的變化有很好的一致性，正閃所占比例是逐月降低的，正比例與正閃頻數(shù)沒有相關(guān)性。

（2）地閃的日變化呈現(xiàn)明顯的雙峰雙谷型，兩個峰值分別在03和17時，谷值在10和23時，地閃頻數(shù)的變化滯后于總閃的變化，負(fù)閃日變化與總閃變化相關(guān)性強(qiáng)，在午后高峰時段外出要做好防對流天氣的準(zhǔn)備。

（3）正閃的平均電流強(qiáng)度值大于負(fù)閃，總閃在5~15 KA頻數(shù)最大，此等級比例占總數(shù)的52%；正閃在15~25 KA頻數(shù)最大，占總正閃的59%，大多數(shù)正閃電流強(qiáng)度在65 KA以下，負(fù)閃在45 KA以下，而且在高電流強(qiáng)度區(qū)間，正閃所占的比例是高于負(fù)閃的。夏季，對于裝有完整的直擊雷防護(hù)措施的第一類防雷建筑物而言，仍有13.2%的可能性遭受雷擊。

（4）山東地區(qū)地形地貌復(fù)雜，下墊面不同，水汽條件不一，因而雷暴天氣過程具有很強(qiáng)的局地性，全省閃電密度大小分布不同。夏季全省地閃密度均在0.4次/km2/a以上，大于1.6次/km2/a的地閃高值區(qū)主要分布在魯中地區(qū)（濱州市東北部，淄博，萊蕪，棗莊及臨沂），還有東營的東北一隅以及膠東地區(qū)（煙臺和青島市大部）和菏澤市的曹縣地區(qū)。

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Analysis on Characteristics of Lightning in Summer from 2007 to 2011 in Shandong Province

NING Bo1,2, GONG Zai-wu2

1. Institute of Public Administration/Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
2. Shandong Provincial Meteorological Bureau, Jinan 250031, China

Abstract:Based on the data of cloud-to-ground lightning (2007~2011), the spatial and temporal distributions of lightning were studied from many aspects including diurnal and monthly variations of lightning frequency, current strength, and space density in Shandong Province. The results indicated that most ground lightings in summer are predominantly negative. The total and negative lightning frequencies in summer (June-August) show a similar characteristic of increasing month by month while the ratio of positive lightning declining. The diurnal variation of the ground lightning show a shape with two peak-valleys and the frequency variation of positive lightning lags behind the negative. In the high intensity zone, positive lightning has the larger proportion and greater average of current intensity than the negative lightning. Cloud-to-ground lightning mainly occurs in the middle and southern mountain area and the Shandong Peninsula and there is a greater general spatial density in the south and mountains and less in the north and plains in Shandong.

Keywords:Shandong; lightning; temporal-spatial feature

作者簡介:寧波(1982-),男,山東章丘人,本科,工程師,主要從事防雷減災(zāi)技術(shù)服務(wù)及氣象行政許可工作.E-mail:55775074@qq.com

基金項目:山東省氣象局青年科研基金項目(2014SDQN13)

收稿日期:2015-01-29修回日期: 2015-04-09

中圖法分類號:S761.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-2324(2015)04-0613-05