廣東地閃時空特征及與降水關(guān)系分析

徐安鐸，徐碧裕，鐘雨珊，張鵑

（1.惠州市惠陽區(qū)氣象局，廣東惠州 516211；2.江門市氣象局，廣東江門 529000）

廣東地處亞熱帶海洋季風(fēng)氣候區(qū)，雷電活動和強降水頻繁，每年因雷電、洪澇等災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失大、人員傷亡重［1-4］。劉三梅等［3］、呂海勇等［4］、莊燕洵等［5］通過分析多年閃電定位資料，得到了廣東省雷電頻次和強度的時空分布特征。閃電和降水關(guān)系的研究一直是閃電氣象學(xué)的熱點，由于強對流天氣往往伴隨有強閃電活動，利用閃電活動來預(yù)警降水量和指示降水的空間分布具有重要應(yīng)用價值［6-7］。周筠珺等［8-9］利用地閃、降水、雷達(dá)和探空資料，發(fā)現(xiàn)閃電與對流性降水有較好相關(guān)關(guān)系，建立了平均雨強與對應(yīng)時段內(nèi)地閃頻數(shù)間的關(guān)系式，可利用地閃頻次估算對流性降水量；苗愛梅等［10］分析了山西局地大暴雨的地閃特征，發(fā)現(xiàn)地閃頻次與雨強有很好的相關(guān)性；張義軍等［11］研究發(fā)現(xiàn)強閃電活動與強降水有較強的對應(yīng)關(guān)系，與一般性降水的關(guān)系較弱；趙麗娟［12］分析了雷州半島盛夏閃電活動與降水量及雨強的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)有閃電活動時雨強均值變化幅度加大；周明薇［13］分析邵陽地區(qū)閃電與降水的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地閃頻次與閃電對流降水的擬合系數(shù)優(yōu)于其與所有降水的擬合系數(shù)。因此，本研究利用廣東地區(qū)閃電定位及降水資料，分析閃電活動特征及其與降水的關(guān)系，旨在了解不同區(qū)域閃電和降水關(guān)系，為進(jìn)一步提高強降水預(yù)報提供理論依據(jù)。

1 地閃數(shù)據(jù)及研究方法

粵港澳閃電定位系統(tǒng)（Guangdong-Hongkong-Macao Lightning Location System，GHMLLS）是廣東地區(qū)最主要的業(yè)務(wù)閃電定位系統(tǒng)之一，該閃電定位系統(tǒng)采用了時差-方向綜合定位方法［14］。本研究收集了2016—2020年發(fā)生在廣東地區(qū)的粵港澳閃電定位數(shù)據(jù)共16 748 993條，每條數(shù)據(jù)均包含閃電發(fā)生的時間、經(jīng)度、緯度和雷電流及極性等要素，其中正閃占比17.5%，平均電流8.7 kA；負(fù)閃占比82.5%，平均電流強度19.4 kA（有研究認(rèn)為，正閃值小于10 kA的為云間閃電，非真正地閃，剔除這部分?jǐn)?shù)據(jù)后，得到正閃占比3.8%，平均電流24.0 kA；負(fù)閃占比96.2%；本研究中則包含所有正閃的情況［15-16］）。

從閃電強度概率分布（圖1）來看，發(fā)生閃電強度10～15 kA的占比最大，達(dá)到22.6%；其次是閃電強度5～10 kA以及0～5 kA，占比分別為17.7%和15.5%；大多數(shù)閃電發(fā)生的強度均在45 kA及以下，占比約為94.8%；少數(shù)閃電強度可以達(dá)到100 kA以上，占比0.6%左右。

圖1 閃電強度概率分布

采用數(shù)理統(tǒng)計方法，在廣東省范圍內(nèi)（109.5°E—117.5°E，20°N—25.6°N），按照0.1°×0.1°分辨率將其空間網(wǎng)格劃分為81×57，統(tǒng)計每個格點內(nèi)的地閃次數(shù)，可以得到5年逐月的地閃頻次分布和地閃平均強度分布（時間長度60個月）。同樣將86個國家站降水資料通過CRESSMAN插值方法，得到相同網(wǎng)格分辨率的逐月降水量分布和逐月強降水頻次分布。最后，利用一元線性回歸分析方法，得到地閃頻次、地閃強度分別與降水量、強降水頻次的回歸分析場，并得到相關(guān)系數(shù)分布。

2 地閃時空特征

2.1 時間多尺度

對比圖2a直方圖和黑色曲線，廣東省內(nèi)逐月地閃頻次呈現(xiàn)雙峰型分布，峰值出現(xiàn)在6和8月，與廣東逐月降水變化情況基本一致，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，通過了99.9%顯著性檢驗。其中6月份地閃頻次最多，達(dá)到388萬次；8月份次之，達(dá)到321萬次。汛期（4—9月）是閃電發(fā)生的主要時期，閃電頻次占比達(dá)到93.7%之多，每年閃電頻次高發(fā)月份幾乎一致；非汛期（10月至次年3月），閃電發(fā)生頻次少，僅占全年的6.3%。

從閃電強度分布（圖2b）上看，4月至10月閃電強度呈現(xiàn)逐月階段性上升趨勢，10月份閃電強度達(dá)到全年最大，每年均有類似的峰值特征，對于閃電頻次高發(fā)的月份（4—9月），其平均閃電電流變化較平穩(wěn)；10月至次年3月閃電頻次雖少，但每年平均閃電電流波動較大。雖然10月份地閃頻次少，但其發(fā)生的平均閃電強度大；近5年10月份的平均閃電電流27.8 kA。逐月平均地閃強度與降水量相關(guān)系數(shù)僅為0.14，說明月尺度的地閃強度與降水的關(guān)系不緊密。

圖2 2016—2020年總地閃逐月分布

圖3a是近5年廣東省地閃頻次逐時分布，由圖3a可以看出地閃頻次高值時段主要出現(xiàn)在12：00—20：00（北 京 時，下 同），占 比 約 為61.4%。每年的地閃頻次日變化特征相近，均是以單峰型為主，峰值出現(xiàn)在15：00。這與前人研究結(jié)果一致，峰值主要出現(xiàn)在午后時段［3，12］。每年每站小時平均雨量變化（圖3a黑色實線）與逐時地閃頻次（圖3a直方圖）趨勢一致，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.90，通過99.9%顯著性檢驗。當(dāng)日15：00為頻次最高時段，地閃頻次達(dá)到約157萬次，占當(dāng)日總地閃頻次的9.4%，而00：00為最低時段，地閃頻次僅為37萬次，占當(dāng)日總地閃頻次的2.2%。地閃頻次的這種日變化特征可能與太陽輻射的加熱有關(guān)，午后熱力條件好，雷電能量釋放大，使得地閃頻次在午后出現(xiàn)峰值。

地閃強度逐時分布（圖3b）以雙峰型為主：00：00及06：00是兩個峰值時段。00：00達(dá)到地閃強度峰值，平均地閃強度為19.2 kA，01：00—10：00地閃強度維持在高位狀態(tài)，且有小幅波動，06：00達(dá)到早晨峰值19.6 kA，其中2017年地閃強度峰值為5年最大，峰值強度約22.9 kA。08：00—17：00，地閃強度呈現(xiàn)逐時遞減趨勢，當(dāng)日17：00達(dá)到谷值，平均地閃電流僅為16.4 kA；而后18：00至次日00：00地閃強度隨時間迅速增長。地閃強度的這種日變化特征與地閃頻次呈反位相變化，地閃強度谷值對應(yīng)著地閃頻次峰值。結(jié)合第1章閃電強度概率分布，有超過50%（55.8%）的地閃電流值是在15 kA及以下。午后地閃頻次越高，所有地閃的平均電流值會更加趨近15 kA或以下，故導(dǎo)致午后時段平均地閃強度值為當(dāng)日最低。這也說明了雖然午后地閃頻次高，但并不是每次地閃的強度都比夜間要大，可能一次強地閃過程中，伴隨有多次弱地閃。閃電強度日變化逐時分布規(guī)律，與丁旻等［17］的研究結(jié)果一致。逐時地閃強度與降雨量的相關(guān)系數(shù)為-0.688，說明在日變化中地閃強度與降雨量也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 2016—2020年總地閃逐時分布

2.2 地閃空間分布

廣東地閃密度（圖4a）在空間上以廣州為中心向四周遞減，中心出現(xiàn)在廣州西部、佛山北部，地閃密度達(dá)到33次/（km2·年）以上；次中心出現(xiàn)在東莞西北部、廣州南部，地閃密度在27～30次/（km2·年）；粵東、粵北以及雷州半島地區(qū)地閃密度則在6次/（km2·年）以下。地閃密度高值主要出現(xiàn)在地形迎風(fēng)坡前，且河網(wǎng)密布的珠三角平原地區(qū)。每年汛期（4—9月）廣東受南海夏季風(fēng)影響，西南或東南季風(fēng)攜帶大量水汽，使廣東空氣濕度增大，水陸受熱不均，在地形迎風(fēng)坡作用下，容易激發(fā)出對流性降水，從而更有利于地閃的發(fā)生。

地閃平均強度的分布（圖4b）總體與地閃密度分布相反，地閃密度大的地區(qū)，其平均地閃強度小，以廣州為中心的珠三角地區(qū)平均地閃強度在14 kA及以下；而地閃密度小的地區(qū)，其平均地閃強度大，粵北地區(qū)地閃強度16～18 kA，粵東地區(qū)地閃強度20～24 kA，上述地區(qū)大多為丘陵地形；而雷州半島地區(qū)，平均地閃強度在26 kA以上。

圖4 總地閃空間分布（等值線指地形高度100 m以上區(qū)域）

3 地閃與降水的關(guān)系

從5年總降水量分布（圖5a）來看，廣東三大暴雨中心雨量仍然突出，其中陽江-恩平地區(qū)總雨量為全省之首，中心地區(qū)總降水量多達(dá)13 000 mm以上；清遠(yuǎn)-廣州佛岡與汕尾地區(qū)中心雨量相當(dāng)，均達(dá)到11 000 mm以上，但清遠(yuǎn)-廣州佛岡的中心范圍更大。5年強降雨（小時雨量≥30 mm）頻次分布（圖5b）與總降水量分布幾乎相似，恩平-陽江地區(qū)累計強降雨頻次達(dá)到40次以上，其次是廣州-東莞地區(qū)強降雨頻次在35～40次，汕尾地區(qū)強降雨頻次25～30次。不同的是，在粵西至雷州半島地區(qū)，強降雨頻次也非常高，其強降雨頻次也在35～40次左右。雖然雷州半島地區(qū)總降雨量少，但其產(chǎn)生的降雨過程可能大多以短時強降雨為主，這一點很好地說明了雷州半島地區(qū)地閃頻次少，但平均地閃強度大的原因。

從地閃密度與降水量、降水頻次回歸圖中，全省大部分地區(qū)地閃密度分別與降水量（圖5b）、強降水頻次（圖5e）的相關(guān)性均能通過99.9%的顯著性檢驗；而在粵東及粵北地區(qū)，地閃密度與降水量、強降水頻次的相關(guān)性稍差，部分地區(qū)甚至未能通過90%信度檢驗（圖5e），這可能是由于這些地區(qū)的降水量小、強降水頻次少引起。對比圖5b和圖5e，全省范圍來看，相對于強降水頻次，閃電密度與降水量的關(guān)系更為緊密，全省大部分地區(qū)相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.5以上，通過99.9%顯著性檢驗；但是，地閃密度中心大值區(qū)與強降水頻次的相關(guān)性更好，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7以上的區(qū)域更廣，與地閃密度的分布（圖4a）更加吻合。

從地閃強度與降水量、強降水頻次回歸圖中，地閃強度與降水量（圖5c）的相關(guān)性，比地閃強度與強降水頻次（圖5f）相關(guān)性要更好，全省除雷州半島地區(qū)之外，相關(guān)系數(shù)值均在0.414以上，通過99.9%顯著性檢驗；地閃強度與強降水頻次（圖5f）強相關(guān)區(qū)域出現(xiàn)在珠江三角洲、粵東沿海以及雷州半島地區(qū)。

圖5 逐月（60月）降水量、強降水頻次與地閃密度、地閃強度的相關(guān)場（填色）和回歸場（等值線）

4 結(jié)論

1）廣東逐月地閃頻次與降水變化均呈雙峰型分布，峰值在6和8月，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95；10月份地閃強度為全年最高，5年平均地閃強度27.8 kA，但它與降水量的相關(guān)性弱。日變化中地閃頻次高值時段出現(xiàn)在12：00—20：00，占比約61.4%；地閃頻次與逐時雨量均是單峰型，峰值出現(xiàn)在15：00，兩者相關(guān)系數(shù)0.90；另外，逐時地閃強度的谷值對應(yīng)著地閃頻次峰值，地閃強度與逐時降雨量為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.69。

2）空間上地閃密度大值區(qū)以廣州為中心向四周遞減，中心值達(dá)到33次/（km2·年）以上；地閃密度大的地區(qū)，其平均地閃強度小，以廣州為中心的珠三角地區(qū)平均地閃強度在14 kA及以下；而雷州半島地區(qū)，平均地閃強度在26 kA以上。

3）雷州半島地區(qū)總降雨量少，但其降雨過程可能大多以短時強降雨為主，這可能是造成雷州半島地區(qū)地閃頻次少，但平均地閃強度大的原因。

4）全省大部分地區(qū)地閃密度與降水量、強降水頻次的相關(guān)性強，而在粵東及粵北地區(qū)相關(guān)性稍差，這可能是由于這些地區(qū)的降水量少、強降水頻次少導(dǎo)致；相比于降水量，地閃密度中心大值區(qū)與強降水頻次的相關(guān)性更好。地閃強度與降水量的相關(guān)性，比其與強降水頻次相關(guān)性要更好。