廣州野外雷電試驗(yàn)基地地閃特征分析

高國(guó)靖，余益君，郭 青，曾東好，曾惠娟

（廣東省梅州市氣象局，廣東 梅州 514021）

廣東是我國(guó)的雷暴多發(fā)地區(qū)之一，歷年均發(fā)生過不少雷擊事故，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡.為深入探尋閃電活動(dòng)的各種物理發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制，中國(guó)氣象科學(xué)研究院自2006年起在廣州野外雷電試驗(yàn)基地開展自然閃電觀測(cè)和人工引雷試驗(yàn).近年來，陳渭民［1］、郄秀書［2］針對(duì)雷電學(xué)原理以及雷電物理學(xué)方面開展了大量基礎(chǔ)研究；吳學(xué)珂［3］運(yùn)用閃電定位資料與雷達(dá)資料分析了颮線過程的地閃活動(dòng)特征；郭青［4-5］、黃可儉［6］分析了雷電災(zāi)害的時(shí)空分布特征以及雷電災(zāi)害的調(diào)查方法；王學(xué)良［7］、張晨輝［8］針對(duì)不同地區(qū)雷暴活動(dòng)的時(shí)空分布特征展開了統(tǒng)計(jì)分析；鄧宇翔［9］、陳昌［10］、關(guān)象石［11］、顏志［12］運(yùn)用人工觸發(fā)閃電的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)雷電物理學(xué)領(lǐng)域各種物理發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制進(jìn)行了研究，取得了大量學(xué)術(shù)成果.利用廣東電力系統(tǒng)地閃定位資料，對(duì)廣州野外雷電試驗(yàn)基地雷電基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，以期為該地區(qū)雷電試驗(yàn)提供參考.

1 資料來源與分析方法

文中地閃資料來源于廣東電力系統(tǒng)地閃定位資料，通過對(duì)廣州野外雷電試驗(yàn)基地范圍地閃特征進(jìn)行分析，通過閃電的地閃密度、雷電流幅值、地閃月變化、時(shí)變化及典型天氣過程地閃分布特征等角度對(duì)本地區(qū)的地閃特征進(jìn)行分析.地閃密度、雷電流幅值、地閃月變化以及時(shí)變化采用近20年閃電定位數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)方法得到；颮線過程地閃特征主要分析以基地位置500 km范圍內(nèi)颮線過程的閃電活動(dòng)特征；臺(tái)風(fēng)過程地閃特征則以登陸前后24 h臺(tái)風(fēng)中心半徑500 km范圍內(nèi)閃電活動(dòng)為研究對(duì)象.

2 結(jié)果與分析

2.1 地閃密度

圖1為廣州野外雷電試驗(yàn)基地地閃分布圖，由圖1（a）可見，廣州野外雷電試驗(yàn)基地位于從化市區(qū)北部（23°38′20.63″N，113°35′44.04″E），年平均雷暴日（1960—2010年）為81.9 d，為雷暴的多發(fā)區(qū)，地閃密度大于30 fl·km-2·a-1，由圖1（b）可知，基地10 km半徑范圍20年的平均地閃密度約為32.02 fl·km-2·a-1.總體而言，以試驗(yàn)基地為中心，北部地閃密度低，南部地閃密度高.主要是因?yàn)楸泵姝h(huán)山，背風(fēng)一面往往對(duì)流活動(dòng)弱，南面地形開闊，易受暖濕氣流影響，為對(duì)流活動(dòng)發(fā)展旺盛提供充足的水汽條件.

圖1 廣州野外雷電試驗(yàn)基地地閃密度等級(jí)分布

2.2 雷電流幅值分析

雷電流幅值是雷電防護(hù)中重要的參數(shù)之一，雷電流幅值累積概率研究，有利于了解本地區(qū)的雷電特性，對(duì)雷電災(zāi)害鑒定、雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)的選取以及浪涌保護(hù)器選型具有重要意義.通過1999—2018年試驗(yàn)基地10 km范圍內(nèi)雷電流幅值統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)果（見表1、表2）.表1給出了雷電流幅值累積概率，雷電流幅值累積概率為1%的雷電流幅值為96.1 kA，即發(fā)生雷電流幅值大于96.1 kA的地閃概率為1%；同理，累積概率2%、5%、10%、50%對(duì)應(yīng)的雷電流幅值分別為：76.7、56.3、43.8、17.8 kA.

GB/T21714劃分了四類雷電防護(hù)等級(jí)（Ⅰ至Ⅳ）滾球半徑r分別為20、30、45、60 m.依據(jù)r=10*I0.65，計(jì)算得出四類雷電防護(hù)等級(jí)（Ⅰ至Ⅳ）分別對(duì)應(yīng)的典型雷電流幅值分別為2.91、5.43、10.14、15.79 kA.雷電流幅值大于2.91 kA的地閃概率為99.1%；同理，雷電流幅值：5.43、10.14、15.79 kA對(duì)應(yīng)的累積概率分別為93.0%、77.2%、56.4%（見表2）.

表1 雷電流幅值累積概率

表2 典型雷電流幅值對(duì)應(yīng)的累積概率

2.3 地閃頻次分析

2.3.1 地閃季節(jié)變化規(guī)律

通過對(duì)廣州野外雷電試驗(yàn)基地近20年10 km范圍內(nèi)閃電頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到地閃活動(dòng)月變化規(guī)律（見圖2（a））：地閃活動(dòng)多發(fā)期為4—9月份，約占全年的96.7%，其中前汛期（4—6月份）占65.6%，后汛期（7—9月份）占32.1%；5—8月份為地閃高發(fā)期，84.9%的地閃都發(fā)生在這4個(gè)月份；峰值區(qū)出現(xiàn)在5、6月，分別約占全年的30.8%、29.0%， 1、2、11、12月份基本沒有地閃發(fā)生.主要因?yàn)榕瘽竦纳仙龤饬魇钱a(chǎn)生雷暴的必要條件，汛期熱力不穩(wěn)定條件尤為明顯加之旺盛的水汽條件，因此雷暴活動(dòng)高發(fā)；而冬春季節(jié)往往熱力不穩(wěn)定條件不明顯加上空氣干燥，因此雷暴活動(dòng)極少發(fā)生.

圖2 廣州野外雷電試驗(yàn)基地地閃活動(dòng)月變化及時(shí)變化

2.3.2 地閃時(shí)變化規(guī)律

圖2（b）為廣州野外雷電試驗(yàn)基地地閃活動(dòng)時(shí)變化圖，從圖2b中可知：一天中基地地閃活動(dòng)主要密集時(shí)段在12—20時(shí)，74.9%的地閃均發(fā)生在這個(gè)時(shí)段，午后地閃高發(fā)時(shí)段在14—18時(shí)，其中15時(shí)的地閃活動(dòng)最為強(qiáng)烈，約占全天的11.4%；晚21時(shí)—次日11時(shí)地閃相對(duì)稀少，約25%的地閃發(fā)生在這個(gè)時(shí)段.主要是因?yàn)椋阂惶熘虚W電活動(dòng)的時(shí)分布特征基本與熱力對(duì)流活動(dòng)特征相對(duì)應(yīng)，一般而言，中午12時(shí)開始，對(duì)流活動(dòng)伴隨著氣溫上升逐漸加強(qiáng)，雷暴活動(dòng)頻繁，15時(shí)達(dá)到一天中峰值；20時(shí)以后，伴隨著氣溫不斷下降，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，對(duì)流活動(dòng)不斷減弱，閃電活動(dòng)不明顯.

2.3.3 典型天氣過程地閃分布特征

受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，夏季，基地氣溫高，水汽充沛，對(duì)流活動(dòng)旺盛，進(jìn)而雷電活動(dòng)頻繁，時(shí)常伴有強(qiáng)降水和強(qiáng)雷暴天氣過程，前汛期主要有雷暴單體、多單體雷暴偶見颮線；進(jìn)入7、8月份的后汛期，主要受臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)影響，一則臺(tái)風(fēng)登陸前往往外圍云區(qū)對(duì)流旺盛，雷電活動(dòng)多；二則受外圍下沉氣流及副熱帶高壓控制，基地往往出現(xiàn)持續(xù)高溫，陽光充沛，下墊面急劇升溫，加之北面環(huán)山，南面開闊的特殊地形，氣流抬升過程，極易形成局地強(qiáng)對(duì)流天氣，這些均為基地的試驗(yàn)提供有利條件.

圖3為2014年3月31日3時(shí)至11時(shí)廣東地區(qū)一次強(qiáng)颮線過程以基地為中心的地閃活動(dòng)分布，30日21時(shí)颮線前沿到達(dá)廣東和廣西交界處，23時(shí)左右抵達(dá)廣州，低層水汽大量輸送且輻合上升，強(qiáng)低空垂直切變以及上干下濕水汽垂直分布是颮線產(chǎn)生的熱力和動(dòng)力條件，大范圍層結(jié)不穩(wěn)定，引起不穩(wěn)定能量的釋放，造成強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng).以基地為中心500 km范圍內(nèi)8 h錄得地閃頻數(shù)209 575 fl，其中負(fù)閃161 170 fl，正閃48 405 fl，正閃比23.1%.

0906號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”中心于2009年7月19日0時(shí)50分前后在深圳市大鵬半島沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有13級(jí)（38 m·s-1）.登陸后減弱為強(qiáng)烈熱帶風(fēng)暴將繼續(xù)向西北偏西方向移動(dòng).圖4給出了臺(tái)風(fēng)登陸前后24 h以基地為中心500 km范圍的地閃分布圖，登陸前，廣東境內(nèi)監(jiān)測(cè)到地閃頻數(shù)84 138 fl，其中正閃11 764 fl，負(fù)閃72 374 fl，正閃比14.0%；登陸后臺(tái)風(fēng)快速減弱，閃電活動(dòng)明顯減少，24 h錄得地閃頻數(shù)6 898 fl，其中正閃1 418 fl，負(fù)閃5 480 fl，正閃比20.6%；由此可見，臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”登陸后地閃頻數(shù)明顯快速減少，但正極性閃電所占的比例增加.

圖3 颮線過程地閃活動(dòng)分布

圖4 臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”登陸前、后24 h地閃活動(dòng)分布圖

郄秀書等匯聚了近年來不同學(xué)者的雷電物理學(xué)研究進(jìn)展，依據(jù)具體臺(tái)風(fēng)云系情況劃分臺(tái)風(fēng)閃電活動(dòng)的三圈結(jié)構(gòu)［2］.圖5給出了臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”登陸前、后24 h距離中心500 km的地閃分布圖，以臺(tái)風(fēng)中心為原點(diǎn)，20 km為步長(zhǎng)，距離中心0～60 km為眼壁區(qū)，0～100 km為內(nèi)核區(qū)，100～200 km為 內(nèi) 雨 帶，200～500 km為外雨帶.由此可知，臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”登陸前后24 h地閃密度呈三圈結(jié)構(gòu)，即外雨帶＞眼壁區(qū)及內(nèi)核區(qū)＞內(nèi)雨帶，登陸前24 h：外雨帶地閃密度峰值為6 461 fl·（100 km）-2·day-1，出現(xiàn)在距離中心300～320 km區(qū)域；眼壁區(qū)及內(nèi)核區(qū)的 峰 值 為3 503 fl·（100 km）-2·day-1，出現(xiàn)在距離中心15～35 km區(qū)域.登陸后24 h：外雨帶地閃密度峰值為451 fl·（100 km）-2·day-1，出現(xiàn)在距離中心340～360 km區(qū)域；眼壁及內(nèi)核區(qū)的峰值為66 fl·（100 km）-2·day-1，出現(xiàn)在距離中心0～20 km區(qū)域.臺(tái)風(fēng)登陸前后，外雨帶地閃密度最大，內(nèi)雨帶最小，說明整個(gè)臺(tái)風(fēng)過程地閃活動(dòng)的密集區(qū)域主要集中在外雨帶.

圖5 臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”登陸前、后24 h距離中心500 km的地閃分布

3 結(jié)論

（1）廣州野外雷電試驗(yàn)基地多雷區(qū)，10 km半徑范圍20年平均地閃密度約為32.02 fl·km-2·a-1；一年中，地閃活動(dòng)多發(fā)期為4—9月份，5—8月份為地閃高發(fā)期，峰值區(qū)出現(xiàn)在5、6月，分別約占全年的30.8%、29.0%；一天中地閃活動(dòng)主要密集時(shí)段在12—20時(shí)，午后地閃高發(fā)時(shí)段在14—18時(shí)，其中15時(shí)的地閃活動(dòng)最為強(qiáng)烈，約占全天的11.4%.

（2）累積概率1%、2%、5%、10%、50%對(duì)應(yīng)的雷電流幅值分別為：96.1 、76.7、56.3、43.8、17.8 kA；典型雷電流幅值2.91、5.43、10.14、15.79 kA對(duì)應(yīng)的累積概率分別為99.1%、93.0%、77.2%、56.4%.

（3）基地的閃電活動(dòng)前汛期主要有單體雷暴、多單體雷暴偶見颮線；進(jìn)入7、8月份的后汛期，主要受臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)影響，臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”登陸前后24 h地閃密度呈3圈結(jié)構(gòu)，地閃活動(dòng)的密集區(qū)域主要集中在外雨帶；由于地閃資料統(tǒng)計(jì)年限較短，統(tǒng)計(jì)區(qū)域小以及選擇典型天氣過程個(gè)例少，有待于今后進(jìn)一步深入研究分析與驗(yàn)證.