海南島地閃活動的時空特征與海陸風(fēng)關(guān)系

郭冬艷 陳紅 陳有龍 李凡

（1 海南省氣象臺，海口 570203；2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203）

0 引言

海南島是中國雷擊災(zāi)害發(fā)生最頻繁的地區(qū)之一[1-3]。理解一個地方的閃電活動特征及其形成條件是做好當(dāng)?shù)亻W電活動預(yù)報的基礎(chǔ)。目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)開展很多關(guān)于如閃電密度分布、閃電日變化特征和海陸風(fēng)對閃電影響等方面的研究[4-7]。例如，印尼群島沿海地區(qū)的雷暴多發(fā)生在下午，山風(fēng)加強(qiáng)陸風(fēng)的輻合，導(dǎo)致了馬六甲海峽和非洲大湖夜間和清晨雷暴的發(fā)生[8]。郭冬艷等[9]發(fā)現(xiàn)海陸風(fēng)是導(dǎo)致海南島大部分地區(qū)雷暴在夏季的下午發(fā)生最為頻繁的原因之一，主要原因是偏北海風(fēng)和大背景偏南風(fēng)的輻合；然而，在南部的三亞地區(qū)，夜間偏北陸風(fēng)和環(huán)境偏南風(fēng)產(chǎn)生輻合，導(dǎo)致三亞地區(qū)雷暴主要發(fā)生在夜間。本文主要研究海陸風(fēng)對海南島地閃活動的影響，尋找海陸風(fēng)導(dǎo)致地閃活動特征的主要原因，以期幫助提高海南云地閃活動的預(yù)報能力。

1 數(shù)據(jù)和方法

地閃數(shù)據(jù)來自海南省氣象局地閃定位監(jiān)測網(wǎng)（共有5個測站，分別分布在海南島的北部、東部、西部、南部和中部地區(qū)），資料年限為2007—2008年和2013年。地閃數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過檢驗[10]，結(jié)果顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠提供雷暴發(fā)生、移動路徑等預(yù)報信息。

逐時地面風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)來自海南省氣象局中尺度氣象自動站監(jiān)測網(wǎng)。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，如果某個自動站測得的風(fēng)速與周圍自動站相比，連續(xù)2 h以上出現(xiàn)極大或極小值，則該風(fēng)速數(shù)據(jù)將被剔除。

雷災(zāi)數(shù)據(jù)來自海南省氣象局雷災(zāi)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的雷災(zāi)數(shù)據(jù)包括產(chǎn)生財產(chǎn)損失或人員傷亡的雷災(zāi)事件。由于存在漏報和錯報的情況，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)可能存在不完整性。

2 海南地閃特征

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在2007—2008年4—9月，海南島共測得到178483次地閃，其中175659次是負(fù)閃，占到云地閃的絕大多數(shù)，僅有2824次是正閃。

2.1 地閃分布總體特征

圖1a 顯示了2007—2008年海南島春夏季（4—9月）云地閃的年平均分布密度，可見海南島地閃活動呈現(xiàn)出內(nèi)陸多、沿海少，東部多、西部少，北部多、南部少的分布特征。整體來看，北半部內(nèi)陸地區(qū)的地閃活動要比其余地區(qū)頻繁得多。圖1b是2007—2008年春夏季（4—9月）海南島白天發(fā)生地閃比例的年平均分布圖，可見全島大部分地區(qū)地閃主要發(fā)生在白天，西北部內(nèi)陸地區(qū)和中部偏南山區(qū)是白天地閃發(fā)生最頻繁的地區(qū)，大部分地區(qū)白天地閃發(fā)生的比例高達(dá)80%以上。然而南部沿海和西部沿海的大部分地區(qū)則呈現(xiàn)出相反的特征，地閃在夜間更為活躍，白天地閃發(fā)生的比例低于40%。

圖1 2007—2008年春夏季（4—9月）海南地閃分布特征（a）地閃密度年平均分布；（b）地閃白天比例年平均分布Fig. 1 Distribution characteristics of CG lightning in spring and summer (from April to September) of 2007-2008 in Hainan(a) The average number of CG lightning strikes; (b) The average percentage of lightning occurrence during the daytime

2.2 月分布

圖2顯示了海南2007—2008年春夏季地閃密度分布的逐月平均變化情況。從圖2a可以看出，地閃在4月開始變得活躍，而且集中分布在中部偏北地區(qū)（平均地閃密度為5～20 次/km2）；地閃活動在5—6月明顯增加（圖2b～2c），并在6月達(dá)到最為活躍的時期（大部分地區(qū)的地閃密度分布為1～15 次/km2）；和5—6月不同，海南島東部沿海和南部沿海地區(qū)的地閃活動在7月明顯減少；8—9月，全島的地閃活動顯著減少，僅有少量分散的地閃活動。這些特征和李凡等[11]的研究結(jié)果相似：海南島地閃密度高值區(qū)位于西北部內(nèi)陸地區(qū)和中部偏北地區(qū)。

2.3 日分布

圖3給出了2007—2008年春夏季節(jié)海南地閃活動的逐3 h變化情況。由圖可見，14—17時（北京時，下同）和17—20時分別是海南島地閃活動最頻繁和次頻繁的兩個時段，這個結(jié)果和李凡等[11]的研究結(jié)果相似，其研究結(jié)果顯示，海南島82.4%的地閃活動發(fā)生在13—20時。此外，郭冬艷等[4]的研究結(jié)果也顯示，海南島地閃災(zāi)害主要發(fā)生在下午（14—18時）。同時，一個重要的發(fā)現(xiàn)是，和大部分地區(qū)地閃主要發(fā)生在白天（特別是在下午）不同，南部和西部沿海地區(qū)的地閃在半夜和清晨較其他時段更為活躍。

圖2 2007—2008年海南島春夏季（4—9月）地閃密度逐月平均分布（a）4月；（b）5月；（c）6月；（d）7月；（e）8月；（f）9月Fig. 2 The monthly average number of CG lightning strikes per square kilometer in the spring and summer(April to September) in 2007 and 2008 over Hainan Island(a) April; (b) May; (c) June; (d) July; (e) August; (f) September

3 海陸風(fēng)影響地閃活動個例分析

很多研究表明，海陸風(fēng)對雷暴等對流天氣有明顯觸發(fā)作用。如汪雅等[12]對2009年寧波地區(qū)的一傍晚次雷暴過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變下墊面覆蓋類型的敏感性試驗，探討了海洋和陸地下墊面對雷暴過程的影響。結(jié)果表明，雷暴發(fā)生前期，海風(fēng)引起的抬升運動觸發(fā)了雷暴，海風(fēng)形成的強(qiáng)輻合區(qū)對應(yīng)雷暴過程累積降水量的大值區(qū)。王彥等[13]對2007年8月13日渤海灣一次海風(fēng)鋒觸發(fā)雷暴天氣進(jìn)行數(shù)值模擬，并和多普勒天氣雷達(dá)的觀測結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示多普勒天氣雷達(dá)探測到在海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒碰撞交叉處形成的雷暴天氣，而數(shù)值模擬揭示了碰撞交叉處形成雷暴天氣的物理量特征。

本小節(jié)對海南島海陸風(fēng)觸發(fā)雷暴天氣的幾個個例做出分析，以下個例中，大尺度環(huán)境風(fēng)場均為偏南風(fēng)。

3.1 白天型（北部內(nèi)陸地區(qū)）

2007年4月22日下午，海南島北部內(nèi)陸地區(qū)發(fā)生了一次由海陸風(fēng)引發(fā)的較強(qiáng)雷電天氣過程。根據(jù)海南省中尺度鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象自動站逐時風(fēng)資料顯示，中午前后，海南島北部內(nèi)陸地區(qū)（距離海岸線約30～50 km）從海洋吹向陸地的偏北海風(fēng)開始活躍起來，14時進(jìn)一步加強(qiáng)，并與環(huán)境偏南風(fēng)形成海風(fēng)鋒（圖4a中藍(lán)色弧線），接下來的2 h隨著海風(fēng)的繼續(xù)增強(qiáng)海風(fēng)鋒變得更為明顯（圖4b～4c）；同時，從地閃資料來看，14時左右該地區(qū)開始出現(xiàn)地閃，在以后的2 h中地閃活動明顯增加。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T報告，在地閃活動最為活躍的16時左右，在地閃密集發(fā)生的區(qū)域一人因雷擊死亡。

圖3 2007—2008年春夏季海南島地閃活動（紅色）逐3 h分布（a）08—11時；（b）11—14時；（c）14—17時；（d）17—20時；（e）20—23時；（f）23—02時；（g）02—05時；（h）05—08時Fig. 3 The number of CG lightning strikes (represented by red) every 3 h during the spring and summer season of 2007-2008 over Hainan Island(a) 08:00 to 11:00 BT; (b) 11:00 to 14:00 BT; (c) 14:00 to 17:00 BT; (d) 17:00 to 20:00 BT; (e) 20:00 to 23:00 BT;(f) 23:00 to 02:00 BT; (g) 02:00 to 05:00 BT; (h) 05:00 to 08:00 BT

圖4 2007年4月22日逐時風(fēng)向風(fēng)速、地閃變化（紅色“-”和藍(lán)色“+”分別代表負(fù)閃和正閃）（a）14時；（b）15時；（c）16時Fig.4 The hourly wind direction, wind speed and the flashes of three cases showing sea/land breeze fronts effect the lightning activities (The red “-” and blue “+” represent positive flash and negative flash, respectively)(a) 14:00 BT; (b) 15:00 BT; (c) 16:00 BT

3.2 白天型（東北部沿海地區(qū)）

2008年6月4日，海南島東北部沿海地區(qū)發(fā)生了另一次由海陸風(fēng)引發(fā)的較強(qiáng)雷電天氣過程。根據(jù)海南省中尺度鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象自動站逐時風(fēng)資料顯示，中午前后，該地區(qū)開始盛行偏北海風(fēng)（圖5a），14時左右，海風(fēng)增強(qiáng)，與環(huán)境偏南風(fēng)形成海風(fēng)鋒（圖5b中藍(lán)色弧線），同時該地區(qū)開始有地閃發(fā)生，15時左右地閃發(fā)生次數(shù)明顯增加（圖5c），據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T報告，15時左右，該地區(qū)雷擊造成2人死亡。

3.3 夜間型（南部沿海地區(qū)）

夜間，陸地降溫比海洋快，相同的機(jī)制下，由海洋吹向陸地的海風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為由陸地吹向海洋的陸風(fēng)。在海南島的南部沿海地區(qū)，白天海風(fēng)為與環(huán)境風(fēng)場一致的偏南風(fēng)，夜間轉(zhuǎn)為偏北陸風(fēng)，可與環(huán)境偏南風(fēng)產(chǎn)生輻合。圖6為2007年5月27日凌晨，在南部沿海地區(qū)，由偏北陸風(fēng)與環(huán)境偏南風(fēng)輻合導(dǎo)致的一次雷電災(zāi)害天氣過程。由圖6a可見，03時，南部沿海地區(qū)的偏北陸風(fēng)已經(jīng)形成；04時，偏北陸風(fēng)與偏南環(huán)境風(fēng)輻合形成局地鋒區(qū)（圖6b），同時，在鋒區(qū)附近開始有地閃活動；05時，鋒區(qū)明顯增強(qiáng)，該地區(qū)地閃活動變得密集，導(dǎo)致3人在5時30分左右因雷擊死亡。

圖5 2008年6月4日逐時風(fēng)向風(fēng)速、地閃變化（紅色“-”和藍(lán)色“+”分別代表負(fù)閃和正閃）（a）13時；（b）14時；（c）15時Fig.5 The hourly wind direction, wind speed and the flashes of three cases showing sea/land breeze fronts effect the lightning activities (The red “-” and blue “+” represent positive flash and negative flash, respectively)(a) 13:00 BT; (b) 14:00 BT; (c) 15:00 BT

圖6 2007年5月27日逐時風(fēng)向風(fēng)速、地閃變化（紅色“-”和藍(lán)色“+”分別代表負(fù)閃和正閃）（a）03時；（b）04時；（c）05時Fig.6 The hourly wind direction, wind speed and the flashes of three cases showing sea/land breeze fronts effect the lightning activities (The red “-” and blue “+” represent positive flash and negative flash, respectively)(a) 03:00 BT; (b) 04:00 BT; (c) 05:00 BT

4 討論

本文分析了海陸風(fēng)對海南島地閃活動的影響，并給出了幾個典型個例，結(jié)果表明，在海南地閃頻發(fā)的春夏季節(jié)，海陸風(fēng)是造成海南島大部分地區(qū)白天地閃活躍的原因之一，更重要的是，它是造成南部沿海地區(qū)夜間地閃比白天更為活躍的主要原因。這些發(fā)現(xiàn)對提高海南島地閃活動的發(fā)生時間和落區(qū)預(yù)報準(zhǔn)確率提供了一定的幫助，但如何將海陸風(fēng)對地閃活動的影響進(jìn)一步量化，如海陸風(fēng)造成的陣風(fēng)鋒達(dá)到何種強(qiáng)度時易導(dǎo)致強(qiáng)地閃的發(fā)生，可預(yù)警提前量有多少等，都是有待我們進(jìn)一步探討的問題。