梅州雷電危險(xiǎn)性分布特征分析

郭青 曾東好 高國(guó)靖 劉導(dǎo) 曾惠娟

（1 廣東省梅州市氣象局，梅州 514021；2 廣東省平遠(yuǎn)縣氣象局，平遠(yuǎn) 514600）

0 引言

廣東省是雷電災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，大范圍雷暴天氣時(shí)有發(fā)生，部分地區(qū)雷電災(zāi)害頻繁。對(duì)于雷電的研究，西方一些國(guó)家開(kāi)展得較早，我國(guó)相關(guān)研究雖然起步晚，但不少學(xué)者也在這方面做了大量的研究工作[1-10]。當(dāng)前尚未有對(duì)梅州地區(qū)雷電危險(xiǎn)性的分析，本文利用1954—2013年梅州市近60年的年雷暴日和2002—2013年地閃資料，分析了梅州市雷電活動(dòng)規(guī)律以及雷電活動(dòng)的天氣學(xué)成因，通過(guò)對(duì)該地區(qū)雷電危險(xiǎn)性的研究，旨在對(duì)今后的雷電預(yù)警發(fā)布提供參考，以期為該地區(qū)防雷減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料及方法

本文的資料主要采用1954—2013年梅州市近60年的年雷暴日資料、2002—2013年的閃電定位資料及歷史天氣圖，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，分析了梅州市雷電活動(dòng)規(guī)律及雷電發(fā)生的天氣學(xué)成因，基于年平均雷暴日和地閃密度資料對(duì)該地區(qū)的雷電活動(dòng)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

2 雷電活動(dòng)規(guī)律

2.1 雷暴年變化規(guī)律

梅州市年平均雷暴日有72.1 d（60年平均），屬于多雷區(qū)。最高年份可達(dá)108 d，最少年也有50 d，極值差異達(dá)2.16倍，由此可見(jiàn)，梅州雷暴日數(shù)年際間相差很大。初雷一般始于2月—3月中下旬，最早初雷日為1月4日（2016年）；終雷一般在10月，最晚終雷日為12月30日（1992年）。梅州市各年雷電活動(dòng)大致呈現(xiàn)周期性變化，近幾年雷電活動(dòng)頻繁度略有減少。

由梅州市年雷暴日距平曲線(xiàn)（圖1）可以看出，梅州市年平均雷暴日數(shù)在20世紀(jì)80年代前后發(fā)生了明顯變化，80年代中期以前為年雷暴日數(shù)正距平占優(yōu)勢(shì)的多雷暴日階段，80年代中期以后的年雷暴日是負(fù)距平占優(yōu)勢(shì)的少雷暴日階段。每10年雷暴日數(shù)大致減少2.13 d。

圖1 梅州市近60年年雷暴日年際變化曲線(xiàn)Fig. 1 Interannual variation curves of thunderstorm days in Meizhou during the last 60 years

2.2 雷暴空間分布規(guī)律

圖2 梅州市近60年年雷暴日空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of thunderstorm days in Meizhou during the last 60 years

圖3 梅州市近10年地閃密度空間分布圖Fig. 3 Spatial distribution of flash density in Meizhou in the last 10 years

由年雷暴日空間分布（圖2）和地閃密度空間分布（圖3）可知，梅州市雷暴空間分布特征呈明顯“中部高，四周低，南部高于北部”的趨勢(shì)，其中梅江區(qū)、梅縣區(qū)為全市的峰值區(qū)域，豐順縣、五華縣次之，平遠(yuǎn)縣、蕉嶺縣為全市低值區(qū)域。

梅州地區(qū)屬于多雷區(qū)的主要原因是：1）梅州山多，地形造成的大氣動(dòng)力抬升作用較強(qiáng)，下墊面相對(duì)比較復(fù)雜，受熱不均，容易產(chǎn)生熱力差異；2）梅州河流多，特別是各縣縣城，均有一條河流穿城而過(guò)，提供了充足的水汽條件。城區(qū)“四周環(huán)山，中間河流穿城而過(guò)”的特征，提供了動(dòng)力和熱力條件，進(jìn)而造成本地區(qū)對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)，常年多雷暴天氣。

2.3 雷暴季節(jié)變化規(guī)律

圖4 梅州市閃電的月平均分布Fig. 4 Monthly average distribution of lightning in Meizhou

由梅州市閃電的月平均分布（圖4）可知，梅州市各月閃電的分布規(guī)律基本一致，梅州市雷電活動(dòng)月平均曲線(xiàn)呈現(xiàn)“單峰”特性，5—8月為每年雷電活動(dòng)高頻月份，其中8月最強(qiáng)。夏季最多，冬季最少。造成這種季節(jié)、月分布規(guī)律的主要原因是：產(chǎn)生雷暴的必要條件是溫暖潮濕的上升氣流，春季開(kāi)始，氣溫逐漸回升，熱力不穩(wěn)定條件逐漸加強(qiáng)，對(duì)流活動(dòng)活躍，夏季高溫使近地面層對(duì)流活動(dòng)加劇，閃電頻次達(dá)到一年中的峰值，隨著秋季氣溫開(kāi)始下降，熱力不穩(wěn)定條件逐漸減弱，閃電頻次逐漸減少，而冬季大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，強(qiáng)對(duì)流天氣難于形成，因此雷暴發(fā)生次數(shù)少。

2.4 地閃時(shí)分布規(guī)律

閃電的24 h分布規(guī)律只能借助于閃電定位系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，該區(qū)域地閃時(shí)分布曲線(xiàn)呈“單峰”型，主要活動(dòng)時(shí)段為13—20時(shí)（北京時(shí)，下同），峰值區(qū)為14—19時(shí)，21時(shí)—次日12時(shí)的閃電頻次較低（圖5）。閃電的時(shí)分布規(guī)律基本與大氣的熱力對(duì)流活動(dòng)規(guī)律相吻合。一般而言，中午12時(shí)開(kāi)始，隨著氣溫不斷升高，熱力不穩(wěn)定造成的對(duì)流活動(dòng)不斷活躍，16時(shí)達(dá)到了一天中的峰值。隨著夜晚氣溫下降，大氣層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)流活動(dòng)減弱，閃電頻次明顯減少。

圖5 梅州市地閃次數(shù)時(shí)分布圖Fig. 5 Distribution of ground flashover in Meizhou

2.5 雷電災(zāi)害特征

近年來(lái)，梅州地區(qū)年平均雷電災(zāi)害起數(shù)均在100起以上，直接經(jīng)濟(jì)損失均達(dá)到100萬(wàn)元以上。雷電災(zāi)害主要集中分布在4—9月。其中，6月最嚴(yán)重，其次是8和7月梅州地區(qū)雷擊致人傷亡的事故偶有發(fā)生，并且多數(shù)出現(xiàn)在農(nóng)村。

雷擊事故1： 2013年7月7日09：30—10：18左右，受強(qiáng)雷雨影響，廣東省梅州市豐順埔寨鎮(zhèn)采芝村發(fā)生一起雷擊事故。該村3名村民在埔寨鎮(zhèn)采芝村吳湖角栽種紅柚時(shí)，突然下起大雨，雷雨交加，3人在避雨亭躲避風(fēng)雨時(shí)遭受雷擊，造成2死1傷。事故還同時(shí)造成避雨亭帽頂受損，避雨亭一根支柱底部被雷電流擊穿。

雷擊事故2： 2018年5月30日18時(shí)左右，五華縣受強(qiáng)雷雨云團(tuán)影響，出現(xiàn)短時(shí)雷雨大風(fēng)，潭下鎮(zhèn)柏洋村發(fā)生一起雷擊事故。該村一村民在自家天臺(tái)遭遇雷擊，經(jīng)搶救無(wú)效，于30日21：50死亡。事故發(fā)生地房屋樓梯間天面石棉瓦受損、固定鐵絲燒毀，樓梯地面受損。

3 雷暴的危險(xiǎn)性區(qū)劃

通過(guò)對(duì)影響雷電危險(xiǎn)性的3種因子進(jìn)行分析，結(jié)合各自對(duì)雷電危險(xiǎn)性的影響程度，采用氣象學(xué)分析方法中經(jīng)常用的分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法[10]和加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法（WCA）[11]對(duì)雷暴危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行劃分。

分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法是依據(jù)各個(gè)縣（市、區(qū)）的地閃密度、平均雷電流幅值、年平均雷暴日，劃分出4個(gè)等級(jí)，具體方法是：將8個(gè)縣（市、區(qū)）的地閃密度、平均雷電流幅值、年平均雷暴日按由小到大排序，然后按照每組2個(gè)記錄，劃分為4組數(shù)據(jù)，將第1組數(shù)據(jù)中的最大值和第2組數(shù)據(jù)中的最小值的平均值作為第1個(gè)等級(jí)的最大值和第2個(gè)等級(jí)的最小值，將第2組數(shù)據(jù)中的最大值和第3組數(shù)據(jù)中的最小值的平均值作為第2個(gè)等級(jí)的最大值和第3個(gè)等級(jí)的最小值，以此類(lèi)推，劃分等級(jí)。按照分級(jí)統(tǒng)計(jì)法將雷電危險(xiǎn)性因子分為低危險(xiǎn)區(qū)（0.2）、中等危險(xiǎn)區(qū)（0.5）、次高危險(xiǎn)區(qū)（0.8）、高危險(xiǎn)區(qū)（1.0）4個(gè)等級(jí)。

加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法是假設(shè)由于指標(biāo)量化值的不同，而使每個(gè)指標(biāo)對(duì)于特定因子的影響程度存在差別，其表達(dá)式為

式中，V(i，j)為評(píng)價(jià)因子的總值；Dij為雷電風(fēng)險(xiǎn)因子的等級(jí)值（0≤Dij≤1）；Wij為權(quán)重值（0≤Wij≤1），通過(guò)分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法得出；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

結(jié)合專(zhuān)家打分法和劉三梅等[3]的建議，對(duì)主要影響危險(xiǎn)性3個(gè)因子進(jìn)行劃分，地閃密度認(rèn)為對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)影響最大（權(quán)重設(shè)為0.5），平均雷電流幅值影響次之（權(quán)重設(shè)為0.3），而年平均雷暴日影響最?。?quán)重設(shè)為0.2），權(quán)重因子總和為1。表1為危險(xiǎn)因子的區(qū)劃表。

由地閃密度、平均雷電流幅值和年平均雷暴日資料的危險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果（圖6）可知，梅州地區(qū)雷暴活動(dòng)的高危險(xiǎn)性區(qū)域位于梅州中部、五華中部以及豐順中南部地區(qū)，低危險(xiǎn)區(qū)域位于北部地區(qū)，南部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)明顯強(qiáng)于北部地區(qū)。造成中部地區(qū)雷暴高危險(xiǎn)的主要原因是地形和河流，梅江區(qū)、梅縣區(qū)四周環(huán)山，區(qū)域河網(wǎng)密布，有利于形成上升氣流，進(jìn)而發(fā)展形成雷暴。而造成梅州南部地區(qū)，特別是豐順中南部處于雷電高危險(xiǎn)區(qū)域的主要原因是地形差異，受豐順北部地區(qū)的蓮花山脈的影響，當(dāng)南邊暖濕氣流受高山影響被迫抬升時(shí)，在山坡迎風(fēng)的一側(cè)暖濕空氣爬升，到達(dá)一定高度因冷卻而形成雷雨云，所以造成梅州地區(qū)南面雷暴活動(dòng)更頻繁。

表1 危險(xiǎn)因子的區(qū)劃表Table 1 Risk zoning table of risk factors

圖6 梅州市近10年雷電危險(xiǎn)性區(qū)劃圖Fig. 6 Lightning risk zoning map of Meizhou City in the last 10 years

4 天氣學(xué)原理分析

盡管在這方面已有部分研究工作[8-9]，但是有必要結(jié)合本地區(qū)實(shí)際對(duì)梅州市雷電發(fā)生時(shí)的天氣形勢(shì)進(jìn)行歸納分析。具體天氣形勢(shì)如下：

1）東風(fēng)波型[8]

當(dāng)副高脊線(xiàn)位于28°N以北，梅州受低空信風(fēng)和高空東風(fēng)氣流控制，500 hPa上盛行的東風(fēng)里有明顯自東向西移動(dòng)的東風(fēng)波，副熱帶高壓往往東退出海。此刻梅州地區(qū)熱力不穩(wěn)定明顯，流場(chǎng)易造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定，多產(chǎn)生對(duì)流系統(tǒng)，引起雷暴。

2）西風(fēng)槽之槽前型

500 hPa 華南有小槽東移，梅州上空轉(zhuǎn)受槽后西北氣流影響，由于前期受西南暖濕氣流控制，小槽過(guò)境對(duì)對(duì)流有觸發(fā)機(jī)制，梅州出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。地面受鋒面低槽影響，850 hPa切變線(xiàn)南下影響梅州上空，空氣中水汽充沛，多有輻合氣流或上升運(yùn)動(dòng)的低值系統(tǒng)，易產(chǎn)生大氣層結(jié)不穩(wěn)定，在切變線(xiàn)上常出現(xiàn)雷電。

3）副高西伸加強(qiáng)型

副高脊線(xiàn)位于南嶺附近，梅州地區(qū)處于弱高壓區(qū)，850 hPa風(fēng)場(chǎng)以偏南風(fēng)為主且風(fēng)速較大，呈氣旋性彎曲，地面受弱脊控制，地面氣溫高，有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)易出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。

4）熱帶環(huán)流影響

受熱帶氣旋影響，氣旋北側(cè)類(lèi)似東風(fēng)波結(jié)構(gòu)的倒槽作用，在流場(chǎng)上表現(xiàn)為東南與東北氣流輻合，易發(fā)生雷電災(zāi)害，而比較容易造成梅州地區(qū)雷電災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)主要是粵東沿海登陸的臺(tái)風(fēng)，其他地方的臺(tái)風(fēng)影響主要是體現(xiàn)在風(fēng)雨上，雷電影響不明顯。但是熱帶氣旋內(nèi)的雷電活動(dòng)一般具有間歇性活動(dòng)特征，另外閃電密度通常在熱帶氣旋區(qū)域分布不均勻，隨著熱帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)或減弱發(fā)生變化。

5 結(jié)論

1）梅州市60年雷電活動(dòng)大致呈現(xiàn)周期性變化，近幾年雷電活動(dòng)頻繁度略有所減弱；空間分布呈明顯的“南至北遞減的趨勢(shì)”特征，其中，梅江區(qū)、梅縣區(qū)最高，蕉嶺最低。雷暴的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域位于梅州中部，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域位于梅州北部，主要是受地形差異的影響。

2）梅州市雷電主要發(fā)生在4—9月。各年的雷電活動(dòng)的月分布曲線(xiàn)以及時(shí)分布曲線(xiàn)呈明顯的“單峰”特性，6—8月為每年雷電活動(dòng)的峰值區(qū)，其中8月最強(qiáng)；地閃主要活動(dòng)時(shí)段為13—20時(shí)，峰值區(qū)為14—19時(shí)，其中16時(shí)段雷電活動(dòng)最為強(qiáng)烈；21時(shí)—次日12時(shí)，閃電頻次較低。

3）雷暴高發(fā)期的天氣系統(tǒng)主要有東風(fēng)波型、西風(fēng)槽之槽前型、副高西伸加強(qiáng)型和熱帶環(huán)流影響。