南海低壓槽影響下的海南島地閃活動(dòng)特征

李 敏，勞小青，高 燚，韋傳波，李雨珊

（1.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203；2.海南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，海南 海口 570203；3.瓊中縣氣象局，海南 瓊中 572926；4.澄邁縣氣象局，海南 澄邁 571900）

海南島地處熱帶北緣，既受熱帶系統(tǒng)影響，又常受冷空氣侵襲.夏季高溫、高濕，局地強(qiáng)對(duì)流天氣經(jīng)常發(fā)生，海南島是我國(guó)雷電活動(dòng)最頻繁的地區(qū)之一［1］，年均雷暴日數(shù)多數(shù)市縣在100 d以上，雷暴是海南島造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失僅次于熱帶氣旋的氣象災(zāi)害［2-3］，因此對(duì)雷電有效監(jiān)測(cè)、預(yù)警對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全有重要意義.目前主要的雷電預(yù)警方法是基于雷達(dá)、閃電定位、大氣電場(chǎng)儀等多源數(shù)據(jù)融合的推演分析［4-6］，其缺陷就是預(yù)警時(shí)效短，在30 min內(nèi)有較高的預(yù)警準(zhǔn)確率，超出30 min準(zhǔn)確率迅速降低.因此目前雷電預(yù)警產(chǎn)品很難滿足多方要求.利用天氣分型預(yù)報(bào)短期天氣是二十世紀(jì)中期最普遍使用的預(yù)報(bào)方法，天氣分型是根據(jù)多年的天氣個(gè)例積累總結(jié)出的天氣規(guī)律，長(zhǎng)期的預(yù)報(bào)實(shí)踐證明，其預(yù)報(bào)方法是可行、有效的［7-10］.不同的天氣分型具有不同的輻合、熱力、背景風(fēng)和水汽等條件，不同的天氣分型影響意味著將出現(xiàn)不同的天氣現(xiàn)象和天氣分布.因此，利用各天氣分型影響下的雷電活動(dòng)規(guī)律作為雷電預(yù)警的氣候因子，可以根據(jù)各天氣分型的雷電活動(dòng)特征提前作出雷電概率預(yù)報(bào)，這不失為一種延長(zhǎng)雷電預(yù)警時(shí)效的好方法［11-15］.南海低壓槽是夏秋季影響海南的主要天氣系統(tǒng)之一，也是影響海南島雷電活動(dòng)的主要天氣系統(tǒng)［16］，南海低壓槽具有很強(qiáng)的輻合條件和偏東背景風(fēng)，水汽輸送條件好，容易激發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，研究南海低槽影響下海南島雷電活動(dòng)特征對(duì)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)海南島雷電活動(dòng)有積極的意義.

1 資料和處理

1.1資料

1.1.1天氣分型資料天氣分型資料源自海南省氣象臺(tái)每日對(duì)外發(fā)布的天氣形勢(shì)分析.海南的天氣分型定義東西向的南海季風(fēng)槽控制南海中部或北部（有時(shí)低壓中心及槽線或輻合線在15°～20°N）為南海低壓槽天氣.南海低壓槽控制海南時(shí)，越南至北部灣可能有低壓槽或低壓，海南島高空吹東北、東或東南風(fēng)，典型的吹東南風(fēng)，如圖1a所示；若輻合線橫穿過海南島時(shí)，南部吹偏西風(fēng)，如圖1b所示.在南海低壓槽影響下，大多數(shù)時(shí)候會(huì)造成海南島產(chǎn)生降水過程，且強(qiáng)度比較強(qiáng)，是海南島的多雨天氣型［17］.

圖1 典型的南海低壓槽天氣形勢(shì)

1.1.2閃電數(shù)據(jù)閃電數(shù)據(jù)來自海南省ADTD閃電定位系統(tǒng).海南省ADTD（Advanced Digital Thunder Decting）閃電定位系統(tǒng)是VLF二維閃電探測(cè)系統(tǒng)，由北京華云東方探測(cè)技術(shù)有限公司研制.ADTD閃電定位系統(tǒng)要求由2個(gè)以上測(cè)站及一個(gè)數(shù)據(jù)處理站組成，系統(tǒng)探測(cè)距離300 km，定位精度500 m.海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)始建于2007年，在海南島上設(shè)有5個(gè)測(cè)站，分別為?？冢?10.24°E，20.00°N）、三亞（109.54°E，18.22°N）、東方（109.83°E，19.04°N）、瓊海（110.46°E，19.24°N）、瓊中（108.63°E，19.09°N），5個(gè)測(cè)站在海南島大體呈東、西、南、北、中分布，觀測(cè)點(diǎn)的間距均在200 km以內(nèi).石湘波［17］認(rèn)為探測(cè)點(diǎn)的布局與距離將影響到探測(cè)效率，一般來說，站點(diǎn)圍線以內(nèi)的高于站點(diǎn)圍線以外的，相鄰站點(diǎn)距離近的高于距離遠(yuǎn)的.潘言敏［18］認(rèn)為站點(diǎn)間距在150～200 km之間探測(cè)效率可達(dá)90%.

海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)采用二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法等4種定位方式，就與雷達(dá)回波配合來看，采用三站混合、四站算法定位的閃電與雷達(dá)回波配合較好，二站振幅、二站混合的誤測(cè)率較高、定位誤差也較大.ADTD閃電定位系統(tǒng)的一條數(shù)據(jù)記錄對(duì)應(yīng)一次回?fù)簦瑥默F(xiàn)存定位數(shù)據(jù)來看，三站混合、四站算法的記錄約占40%，二站振幅、二站混合的記錄約占60%.本次研究為保證定位精度只保留三站混合和四位算法定位的閃電數(shù)據(jù).

2012年的閃電數(shù)據(jù)由于部分月份數(shù)據(jù)缺失未列入統(tǒng)計(jì)范圍，本次研究實(shí)際只采用8年閃電數(shù)據(jù).

1.2數(shù)據(jù)處理閃電數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)之前做必要的質(zhì)控處理，首先剔除數(shù)據(jù)中的繼后回?fù)?，然后采?0 dBZ雷達(dá)回波對(duì)誤測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別篩選.

以下統(tǒng)計(jì)和地閃發(fā)生概率計(jì)算都將涉及到地閃日的概念，此處地閃日的概念定義為：當(dāng)天只要有一個(gè)及以上的地閃落在某一特定區(qū)域內(nèi)，則稱當(dāng)天為這一特定區(qū)域的一個(gè)地閃日.

2 結(jié)果與分析

2.1系統(tǒng)影響天數(shù)和地閃數(shù)據(jù)

圖2中St1為南海低壓槽，St2為華南沿海槽，Swt為西南低壓槽，Yt為越南低壓槽，Dd為熱帶氣旋，Wf為冷空氣偏西下，Ef為冷空氣偏東下，G2為變暖高壓脊，G1為副熱帶高壓.

從圖2可以看出，2010～2018年4～10月南海低壓槽年均影響海南島天數(shù)最高，達(dá)46 d·a-1，年均地閃頻次13 597次·a-1，僅次于華南沿海槽.

圖2 2010～2018年4～10月海南島天氣分型年均影響天數(shù)及地閃頻次

從表1可以看出，南海低壓槽影響海南島的月份主要在5～10月，8年影響天數(shù)共369 d，共有83個(gè)影響過程，平均過程時(shí)間為4.4 d.在南海低壓槽影響下，8年海南島出現(xiàn)地閃日共329 d，地閃小時(shí)共2 733 h，地閃次數(shù)共108 781次，地閃次數(shù)以8月最多，5月、10月較少.

表1 2010～2018年南海低壓槽影響天數(shù)及相關(guān)地閃數(shù)據(jù)

2.2時(shí)間分布特征

2.2.1時(shí)段分布由各時(shí)段的地閃日除以系統(tǒng)影響天數(shù)，可得到圖3a各時(shí)段的地閃發(fā)生概率；由各時(shí)段地閃發(fā)生次數(shù)除以地閃發(fā)生天數(shù)，可得到圖3b各時(shí)段的地閃頻次.

圖3 海南島在南海低壓槽下的地閃發(fā)生概率、地閃頻次的時(shí)段分布

由表1數(shù)據(jù)可計(jì)算出，南海低壓槽影響的平均過程時(shí)間為4.4 d，將影響過程分為過程中前2 d和過程中后2 d，對(duì)比分析過程前期與過程后期的地閃發(fā)生概率和地閃頻次.

圖3a中3條曲線分布均呈單峰特征，21：00～次日12：00時(shí)段每3 h的地閃發(fā)生概率均在40.0%以下，12：00時(shí)以后開始急速上升，15：00～18：00時(shí)段達(dá)到高峰75%以上，18：00時(shí)以后又急速下降，21：00時(shí)以后降至25.0%以下，在12：00～21：00時(shí)段每3 h的地閃發(fā)生概率都在50.0%以上.

圖3a中過程中前2 d的地閃發(fā)生概率與過程后2 d的差別很小，12：00時(shí)之前過程中前2 d的地閃發(fā)生概率比過程中后2 d的稍大，12：00～15：00和18：00～21：00 2個(gè)時(shí)段的過程中前、后2 d的地閃發(fā)生概率相近，但在15：00～18：00時(shí)段過程中后2 d的地閃發(fā)生概率則都要高于過程中前2 d的地閃發(fā)生概率.經(jīng)計(jì)算，在12：00～21：00時(shí)段過程中前2 d和過程中后2 d的地閃發(fā)生概率分別為82.1%和86.4%，過程中后2 d的地閃發(fā)生概率要稍高于過程中前2 d的地閃發(fā)生概率.

圖3中3條曲線均呈單峰特征，15：00～18：00時(shí)段為地閃頻次的高峰期，12：00時(shí)之前各時(shí)段的地閃頻次均在25次以下，12：00時(shí)以后急速上升，峰值出現(xiàn)在15：00～18：00時(shí)段，峰值達(dá)180次以上，18：00時(shí)以后開始下降，21：00時(shí)以后地閃頻次又回到25次以下.在21：00～12：00時(shí)段，過程中前2 d的地閃頻次與過程中后2 d的相近，但在12：00～18：00時(shí)段過程中前2 d的地閃頻次明顯要高于過程中后2 d，18：00時(shí)之后又趨于相近.

綜合圖3a和圖3b分析，在南海低壓槽影響下，海南島地閃主要發(fā)生在12：00～18：00時(shí)段之間，15：00～18：00時(shí)段不僅地閃發(fā)生概率最大，地閃頻次也最高.在12：00～21：00時(shí)段，過程前2 d的地閃發(fā)生概率雖然比過程后2 d稍低，但地閃頻次明顯要高于過程后2 d.郭冬艷［19］等認(rèn)為海南島雷暴日變化與氣溫、輻射關(guān)系密切，海南島午后太陽(yáng)輻射強(qiáng)、熱力條件好，所以地閃主要發(fā)生在午后.辛吉武［20］等認(rèn)為海南島午后雷暴與海風(fēng)和背景風(fēng)的輻合有關(guān)，雷暴是沿著海風(fēng)與背景風(fēng)的輻合帶移動(dòng)發(fā)展的.過程前2 d與過程后2 d的雷電活動(dòng)特性不同與不同性質(zhì)的天氣分型之間的轉(zhuǎn)化有關(guān)，南海低壓槽多由西南低壓槽轉(zhuǎn)化而來，在西南低壓槽影響下，海南島一般為高溫天氣［21-22］，前期堆積的不穩(wěn)定能量多，所以前期雷暴過程可能會(huì)猛烈一些，地閃頻次會(huì)更多一些，后期南海低壓槽更多轉(zhuǎn)向熱帶氣旋等低壓系統(tǒng)，輻合條件進(jìn)一步增強(qiáng)，地閃發(fā)生概率會(huì)進(jìn)一步加大，但連續(xù)的雷雨天氣，太陽(yáng)輻射減少、氣溫下降，不利于對(duì)流進(jìn)一步發(fā)展，雷暴過程猛烈程度自然降低［23］，而地閃頻次也會(huì)減少.

2.2.2月份分布由各月份的地閃日除以系統(tǒng)影響天數(shù)，可得到圖4各月份的地閃發(fā)生概率.

圖4 海南島在南海低壓槽影響下的地閃發(fā)生概率月分布

圖4中3條曲線均為單峰特征，概率峰值均出現(xiàn)在8月份，3條曲線概率峰值分別為95.2%、94.0%和72.3%，5月和10月相對(duì)其他月份的概率值較低，但最低都在55%以上.從圖4可以看出，地閃在12：00～21：00時(shí)段發(fā)生概率除5和10月其他月份比21：00～12：00時(shí)段明顯要高，特別是6～9月份的地閃發(fā)生概率都在85%以上.在5月和10月，12：00～21：00時(shí)段的地閃發(fā)生概率相對(duì)其他月份下降很明顯，與21：00～次日12：00相近.分析原因：海南島午后雷電活動(dòng)與陸地?zé)崃l件關(guān)系密切，5月和10月的熱力條件相對(duì)較差，海風(fēng)與背景風(fēng)輻合較弱，午后對(duì)流發(fā)展動(dòng)力不足，致使地閃發(fā)生概率降低，而夜間雷電活動(dòng)與陸風(fēng)和背景風(fēng)輻合關(guān)系密切，海洋作為熱源隨月份變化相對(duì)較小，所以夜間地閃發(fā)生概率隨月份變化相對(duì)溫和［24］.另外，從全天各時(shí)段發(fā)生概率與12：00～21：00和21：00～次日12：00時(shí)段地閃發(fā)生概率相比較，全天各時(shí)段地閃發(fā)生概率較高，說明5月和10月的12：00～21：00時(shí)段和21：00～次日12：00時(shí)段的雷暴天氣相互錯(cuò)開.

2.3空間分布特征以40 km×40 km網(wǎng)格采樣地閃日數(shù)生成格點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后除以南海低壓槽影響天數(shù)得到地閃發(fā)生概率，再用克里金（Kriging）插值法對(duì)格點(diǎn)值進(jìn)行插值處理，即得到圖5地閃發(fā)生概率的空間分布.

圖5 海南島在南海低壓槽影響下各時(shí)段地閃發(fā)生概率分布

從圖5可以看出，以地閃發(fā)生概率5%為標(biāo)準(zhǔn)，可把海南島地閃發(fā)生概率日變化分為地閃沉寂期（21：00～次日12：00時(shí)段）和地閃活躍期（12：00～21：00時(shí)段）.

圖6風(fēng)場(chǎng)特征源自張振州等［25］對(duì)海南島海陸風(fēng)的數(shù)值模擬及2010～2018年在南海低壓槽影響下海南島區(qū)域站地面風(fēng)資料分析.

圖6 夏秋季南海低壓槽影響下海南島各時(shí)段地面典型風(fēng)場(chǎng)特征

在地閃沉寂期，各時(shí)段的地閃發(fā)生概率主要分布在海南島的萬(wàn)寧、陵水、三亞等東南沿海，并隨時(shí)間逐漸向西、向北內(nèi)陸擴(kuò)展，概率中心在南部海面.從等值線空間變化來看，在地閃沉寂期，雷電活動(dòng)范圍較小，地閃發(fā)生概率低.分析原因：在南海低壓槽影響下，海南島吹東南背景風(fēng)，水汽充足，夜間有陸風(fēng)從陸地吹向海面，在東南沿海與背景風(fēng)相向輻合，如圖6a所示，給水汽上升提供了動(dòng)力，但夜間熱力條件差，雷暴較弱，地閃發(fā)生的概率較低.日出后陸風(fēng)消失、海風(fēng)逐漸增大，在海南島東部海風(fēng)與背景風(fēng)疊加，風(fēng)力加強(qiáng)，如圖6b所示，水汽受陸地高山阻擋抬升，雷電活動(dòng)范圍逐漸向內(nèi)陸擴(kuò)展［26-27］.從06：00～12：00時(shí)段地閃發(fā)生概率比00：00～06：00時(shí)段較小，說明夜間陸風(fēng)與背景風(fēng)的輻合作用對(duì)雷電的影響要比白天地形的抬升作用要大.

在地閃的活躍期，12：00～18：00時(shí)段在海南島的中西部?jī)?nèi)陸出現(xiàn)一個(gè)大的、穩(wěn)定的概率高值閉合中心，原因分析：1）該區(qū)域?yàn)楹Ｄ蠉u午后氣溫的高值中心；2）該區(qū)域高山起伏、地形復(fù)雜，由于地表受熱不均容易產(chǎn)生不穩(wěn)定能量激發(fā)對(duì)流天氣；3）該區(qū)域是東南向背景風(fēng)與西向海風(fēng)的匯合點(diǎn)，如圖6c所示，熱力因素和動(dòng)力因素的雙重作用使該區(qū)域成為地閃發(fā)生概率的高值中心［28］.另外，12：00～18：00時(shí)段在瓊中縣鸚歌嶺東側(cè)出現(xiàn)一個(gè)小的、穩(wěn)定的概率高值閉合中心，東北-西南走向的鸚歌嶺地形對(duì)東南向背景風(fēng)及海風(fēng)起到了阻擋抬升作用，導(dǎo)致此處常有雷電活動(dòng).

3 小結(jié)

利用2010～2018年海南島閃電定位數(shù)據(jù)和南海低壓槽天氣分型資料，分析在南海低壓槽影響下海南島地閃的時(shí)空分布特征，得到以下結(jié)論：

1）4～10月南海低壓槽是影響海南島天數(shù)最多的天氣分型，產(chǎn)生的地閃頻次僅次于華南沿海槽，位于第二位；

2）南海低壓槽影響海南島的月份一般為5～10月，地閃頻次以8月最多，而5和10月較少；

3）海南島地閃發(fā)生概率、地閃頻次的時(shí)段分布曲線均呈單峰特征，地閃發(fā)生概率、地閃頻次高值區(qū)分布在12：00～21：00時(shí)段，15：00～18：00時(shí)段為地閃發(fā)生概率和地閃頻次高峰期；

4）12：00～21：00時(shí)段過程中后2 d的地閃發(fā)生概率要比過程中前2 d的稍高，但地閃頻次要明顯低于過程中前2 d；

5）海南島地閃發(fā)生概率月分布曲線呈單峰特征，地閃發(fā)生概率高峰期在8月，而5和10月相對(duì)較低，特別是12：00～21：00時(shí)段地閃發(fā)生概率要明顯低于其他月份；

6）海南島21：00～12：00時(shí)段地閃發(fā)生概率高值區(qū)主要分布在東南沿海并逐漸向西北擴(kuò)展，概率值在5%以下；12：00～21：00時(shí)段地閃發(fā)生概率高值中心主要分布在昌江、白沙、儋州等海南島西部市縣，15：00～18：00時(shí)段概率中心值達(dá)40%.