廣西前汛期和后汛期地閃特征差異及影響因子分析

盧炳夫，植耀玲，伍華麗

(1.中山大學大氣科學學院珠海 519082；2.廣西壯族自治區(qū)氣象災害防御技術中心，南寧 530022)

引 言

廣西是全國雷電高發(fā)省區(qū)之一，也是雷電災害最嚴重的省區(qū)之一。廣西沿海的東興市年均雷暴日高達105 d，即使是最少的天峨縣也達到年均51 d，遠超國家規(guī)定的多雷區(qū)標準。雷電一旦致災，往往會給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成重大損失。因此，研究廣西地區(qū)雷電活動規(guī)律與特征并對其進行有效防范，對開展防雷減災氣象服務工作具有重要的現(xiàn)實意義。關于廣西地區(qū)的雷電活動特征，不少專家學者從不同層面和角度已開展了較多的研究，如覃衛(wèi)堅等(2009)分析了廣西雷電時空分布特征及其多時間尺度信號特征；吳恒強(2004)研究了南海夏季風和熱帶輻合帶對廣西雷電活動的影響；農(nóng)孟松等(2013)、梁維亮等(2016)分別對廣西早春一次高架雷暴及6月一次強雷暴天氣過程的觸發(fā)機制進行了診斷分析；鐘利華等(2011)探討了一些穩(wěn)定度指數(shù)和動力參數(shù)對雷暴大風天氣發(fā)生的指示意義；梁維亮等(2014)定義了一個適用于廣西雷暴天氣的經(jīng)驗預報指標。以上研究大多表明，廣西的雷電活動主要發(fā)生在每年的4—9月份，即汛期。華南地區(qū)的汛期通常分為前汛期和后汛期兩個階段(蒙遠文等，1989)，第一階發(fā)生在4—6月份，此階段降水以鋒面降水和夏季風降水(葉朗明和苗峻峰，2014；徐明等，2016；李勇等，2020)為主；第二階段發(fā)生在7—9月份，此階段降水主要由熱帶天氣系統(tǒng)(覃麗等，2015；趙金彪等，2014；姚麗娜等，2017)造成。無論是在前汛期還是后汛期，一般在出險降水的同時，均會伴有雷電等強對流天氣發(fā)生。顯然，前汛期和后汛期降水的氣候特征(張錦標，2008；伍紅雨，2011)是大不相同的，那么與之對應的雷電活動是否有所差異？針對這一問題，本文對比分析了廣西前汛期和后汛期地閃活動特征，旨在揭示不同大尺度環(huán)流背景下的雷電活動特征存在的差異，以期為開展雷電預警業(yè)務和服務以及做好雷電防護工作提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說明

本文使用的資料包括：(1)廣西壯族自治區(qū)氣象局提供的2007—2017年廣西閃電定位(Advanced TOA and Direction system，簡稱ADTD)數(shù)據(jù)；(2)國家氣候中心2007—2017年東亞季風監(jiān)測簡報；(3)歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的1979—2017年ERA-In?terim再分析資料的逐月平均高空26層緯向風u，徑向風v，比濕q和地面氣壓等。

1.2 研究方法

廣西ADTD閃電定位系統(tǒng)(馮民學等，2009)如圖1所示，包含南寧中心站和桂林、柳州、賀州、河池、百色、馬山、貴港、梧州、玉林、北海、寧明等11個探測子站，采用磁向(MDF)和時差(TOA)聯(lián)合法(IMBACT)對閃電中云對地放電，即閃擊發(fā)生時間、位置(經(jīng)度和緯度)、極性、強度、陡度、誤差、定位方式等參數(shù)進行定位監(jiān)測。利用2007—2017年ADTD閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，剔除資料缺失較為嚴重的2009年數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計對比分析研究近10 a廣西前汛期和后汛期云對地放電中正、負閃擊的特征，并對其影響因子進行初步探究。

圖1 廣西ADTD閃電定位站點分布圖Fig.1 Distribution map of ADTD lightning location system stations in Guangxi.

2 時空變化特征對比

2.1 年變化特征對比

從2007—2017年廣西地閃頻次分布上(圖2)來看，4—9月份地閃較為集中，大部年份地閃占全年總頻次達95%以上，其中前汛期平均約為51%，后汛期約為44%，其余月份不足5%。李家啟等(2011a)研究發(fā)現(xiàn)，重慶市的地閃活動也集中發(fā)生在4—9月份，占全年達98.7%。

圖2 2007—2017年廣西地閃頻次月-年分布圖(單位:104次·月-1)Fig.2 Monthly-annual distribution of CG frequency in Guangxi from 2007 to 2017(unit:104 fl·month-1).

2.2 日變化特征對比

從地閃(CG)的日變化(圖3)看，前汛期和后汛期地閃活動差異明顯，前汛期呈凌晨-午后雙峰分布，后汛期則是午后單峰分布。前汛期，正地閃(圖3a)在凌晨和午后表現(xiàn)出兩個相當?shù)姆逯?，負地閃(圖3b)凌晨的峰值則相對較弱；后汛期，正負地閃的峰值比較一致，均出現(xiàn)在午后17時(北京時，下同)左右；在上午10—12時左右，前后汛期，正負地閃活動相對偏弱，均為谷值。其中，正地閃前汛期日變化曲線始終在后汛期之上，午后前汛期峰值較后汛期略微偏大，谷值則是2.35倍；負地閃前汛期午后峰值約是后汛期的0.71倍，谷值則是2.04倍，表明1 d之中，前汛期正地閃發(fā)生概率較高，特別是在地閃活動偏弱的上午時段，后汛期負地閃發(fā)生概率較高，同樣是在地閃活動偏弱的上午時段尤其明顯。

圖3 廣西前汛期和后汛期正地閃(a)、負地閃(b)頻次日變化圖Fig.3 Diurnal variation of frequency of(a)positive CG and(b)negative CG during the pre and the post flood season in Guangxi.

前汛期和后汛期地閃活動區(qū)域差異明顯。前汛期廣西14個地市地閃日變化表現(xiàn)為以下四種形態(tài)(圖4)：一是桂北地區(qū)的桂林、河池、柳州和百色等地的午后-凌晨單峰型(圖4a)，地閃頻次在午后15時至凌晨04時左右呈一個寬廣的單峰分布，其中桂林、河池、柳州的峰值主要出現(xiàn)在凌晨03—04時左右，而桂西北百色的峰值則出現(xiàn)在午后。二是桂中-桂西南一帶的來賓、南寧和崇左等地的午后-凌晨雙峰型(圖4b)，地閃頻次的主峰值出現(xiàn)在午后至傍晚，次峰值則是出現(xiàn)在凌晨。三是桂東-桂東南的玉林、梧州、貴港和賀州等地的午后單峰型(圖4c)，地閃活動主要出現(xiàn)在午后，傍晚過后迅速減弱。四是桂南沿海的欽州、北海和防城港等凌晨-白天多發(fā)型(圖4d)，云地閃在凌晨-白天較為活躍。

圖4 前汛期廣西14個地市午后-凌晨單峰型(a)、午后-凌晨雙峰型(b)、午后單峰型(c)、凌晨-白天活躍型(d)地閃日變化圖Fig.4 Diurnal variation of CG frequency of(a)afternoon-early morning single peak style,(b)afternoon-early morning double peak style,(c)afternoon single peak style,and(d)early morning-daytime active style)in the pre flood season in 14 cities in Guangxi.

后汛期則表現(xiàn)為以下三種形態(tài)(圖5)：一是桂南沿海欽州、北海和防城港一帶的午后-凌晨雙峰分布型(圖5a)，地閃主峰值出現(xiàn)在午后-傍晚時段，次峰出現(xiàn)在凌晨04—08時之間。二是桂東-桂東南的午后單峰型(圖5b)，分布在貴港、賀州、梧州、玉林和桂中來賓一帶，地閃峰值出現(xiàn)在午后至傍晚，其余時段明顯偏弱，在這類型變化中，來賓的地閃峰值出現(xiàn)得最早，在午后15時左右，賀州出現(xiàn)較晚，在午后17時左右。三是桂北-桂中-桂西南的午后-凌晨單峰型(圖5c)，分布在桂林、柳州、河池、百色、南寧和崇左一帶，地閃頻次在中午過后迅速上升，在16—18時左右達到頂峰，然后緩慢下降，與第二種形態(tài)相比，該類型地閃活動持續(xù)活躍時段更長。覃衛(wèi)堅(2000)研究春夏時節(jié)廣西區(qū)域雷暴活動日變化發(fā)現(xiàn)類似結果。這主要是因為盛夏午后太陽輻射升溫強烈，熱對流發(fā)展旺盛，容易產(chǎn)生強對流天氣，故除沿海地區(qū)外，廣西大部地區(qū)13—19時之間雷電多發(fā)，而沿海地區(qū)受海陸風影響，在凌晨05—07時之間，雷電同樣多發(fā)。

圖5 后汛期廣西14個地市午后-凌晨雙峰型(a)、午后單峰型(b)、午后-凌晨單峰型(c)閃電頻次日變化圖Fig.5 Diurnal variation of CG frequency of(a)afternoon-early morning double peak style,(b)afternoon single peak style,and(c)afternoon-early morning single peak style in the post flood season in 14 cities in Guangxi

2.3 空間分布特征對比

統(tǒng)計前汛期和后汛期0.01°×0.01°空間分辨率(約為1 km2)地閃頻次(圖6)發(fā)現(xiàn)，前汛期(圖6a)，地閃密度高值區(qū)集中分布在桂東南的貴港中東部-梧州中北-玉林北部-賀州南部區(qū)域，密度值達3 fl·(km2·a)-1以上；而后汛期(圖6b)，除了桂東南的貴港中東部-梧州中北-玉林北部-賀州南部仍然表現(xiàn)出較強的雷電活動區(qū)域外，桂南防城港南部-欽州西部的十萬大山迎風坡、桂東北融水大苗山迎風坡以及桂西北百色右江河谷腹同時表現(xiàn)出強雷電活動區(qū)域，密度值達2 fl·(km2·a)-1以上，其中桂東南、桂南區(qū)域地閃密度大值區(qū)較桂西北、桂東北的范圍和極值均偏大。相對來說，前汛期地閃活動高值區(qū)更集中，后汛期則較分散。從整個汛期上看，廣西的地閃活動可表現(xiàn)為桂東北、桂西北、桂南、桂東南四個地閃活動頻繁區(qū)域，其中桂東南區(qū)域密度及范圍最大，而之前研究(覃衛(wèi)堅，2000；覃衛(wèi)堅等，2009；吳恒強，2004)認為僅桂南-桂東南是廣西雷電活動頻繁區(qū)域。

圖6 廣西前汛期(a)和后汛期(b)地閃密度年分布圖(單位:fl·(km2·a)-1)Fig.6 Annual distribution of CG density during(a)pre and(b)post flood season in Guangxi(unit:fl·(km2·a)-1).

3 極性和雷電流幅值特征對比

統(tǒng)計2007—2017年地閃極性和雷電流幅值(表1)發(fā)現(xiàn)，廣西地閃活動主要以云內的負電荷區(qū)對地放電即負地閃為主，占全年達95.74%，云內的正電荷區(qū)對地放電即正地閃比例明顯偏小，僅為4.53%，但是從平均雷電流幅值來看，正地閃平均雷電流幅值(49.85 kA)明顯大于負地閃(37.4 kA)。這與李家啟等(2011b)在分析重慶地區(qū)的雷電流幅值極性分布得出的結論“負地閃占94.595%，正地閃占5.405%，正地閃雷電流幅值(56.49kA)明顯大于負地閃(39.74 kA)”是一致的。前汛期與后汛期相比，前汛期正地閃比略偏大，負地閃比則偏小，表明前汛期正地閃較后汛期發(fā)生概率較高，負地閃則是較低。無論是正地閃還是負地閃平均雷電流幅值，后汛期均大于前汛期。

表1 2007—2017年廣西地閃極性和雷電流幅值特征Table 1 Characteristics of CG polarity and lightning current amplitude in Guangxi from 2007 to 2017.

3.1 雷電流幅值概率分布對比

統(tǒng)計前汛期和后汛期逐5 kA雷電流幅值閃電頻次分布(圖7)發(fā)現(xiàn)，正地閃及負地閃雷電流幅值均在0~35 kA左右隨幅值增大所占頻次逐漸增加，40~200 kA左右則依次減少，這與李京校等(2017)和石湘波(2016)研究北京和寧波地區(qū)ADTD地閃雷電流幅值分布特征一致。正地閃(圖7a)，前汛期主要集中在5~65 kA之間，占比達80.34%，后汛期則是在10~75 kA之間，占比達80.52%；負地閃(圖7b)，前汛期較集中在5~50 kA之間，占比達80.27%，后汛期則是在15~60 kA之間，占比達83.77%。相對來說，前汛期較后汛期更為集中在5~65 kA之間，負地閃較正地閃更為集中在5~60 kA之間，在平均值上就表現(xiàn)為正地閃平均雷電流幅值大于負地閃，后汛期大于前汛期。

圖7 正地閃(a)和負地閃(b)逐5 kA雷電流幅值閃電頻次分布圖Fig.7 Distribution of(a)positive CG and(b)negative CG frequency 5 kA by 5 kA to the current amplitude.

3.2 雷電流幅值空間分布對比

統(tǒng)計前汛期和后汛期0.01°×0.01°空間分辨率地閃平均雷電流幅值(圖8)發(fā)現(xiàn)，對于正地閃，前汛期(圖8a)和后汛期(圖8c)平均雷電流幅值空間分布較為零星，這主要是正地閃頻次占總閃頻次百分比偏小的原因造成的。相對來說，無論是在前汛期還是后汛期，在貴港中南部及賀州南部-梧州東北部等地閃密度值較高區(qū)域，平均雷電流幅值較小，在桂北的河池、柳州及桂林等山區(qū)一帶，平均雷電流幅值較大。對于負地閃，前汛期(圖8b)和后汛前(圖8d)平均雷電流幅值的空間分布趨勢基本一致，整體表現(xiàn)為桂南-桂東強、桂西-桂北弱的特征，兩者差異主要體現(xiàn)在桂南十萬大山迎風坡的防城港南部-欽州西部和桂西北東南-西北向抬升的右江河谷腹地兩個區(qū)域。前汛期，桂南及桂西北大部平均雷電流幅值在30 kA·(km2·a)-1以上，局部超過40 kA·(km2·a)-1，桂南較為集中在防城港和欽州沿海，桂西北則是較為分散；后汛期，桂南及桂西北大部平均雷電流幅值均躍升至35 kA·(km2·a)-1以上，部分區(qū)域超過40 kA·(km2·a)-1，桂南高值區(qū)域由防城港和欽州沿海向北延伸至南寧南部、向東延伸至欽州中部和向西延伸至崇左南部區(qū)域，桂西北則是表現(xiàn)為東南-西北向的大范圍高值區(qū)域。這表明，后汛期在午后輻射升溫和地形強迫抬升作用之下，以上兩塊區(qū)域地閃峰值電流較前汛期更強。

圖8 廣西前汛期正地閃(a)、前汛期正地閃(b)、后汛期正地閃(c)、后汛期負地閃(d)強度空間分布圖(單位:kA·(km2·a)-1)Fig.8 Spatial distribution of CG intensity of(a)positive CG in the pre flood season,(b)negative CG in the pre flood season,(c)positive CG in the post flood season,and(d)negative CG in the post flood season in Guangxi,unit:kA·(km2·a)-1).

4 影響因子分析

4.1 南海夏季風影響

廣西屬于典型季風季候區(qū)，吳恒強(2004)指出廣西雷暴活動與南海夏季風有密切聯(lián)系，當南海夏季風偏強時雷暴活動偏多，反之則偏少；王學良(2016)研究也認為夏季風強度指數(shù)與全國4—9月平均雷暴日有較好的正相關。統(tǒng)計2007—2017年南海夏季風爆發(fā)時間和強度指數(shù)如表2所示。分析可知，除2016年南海夏季風指數(shù)較常年偏強之外，其余年份明顯偏弱；爆發(fā)時間除2014年較常年(5月5候)偏晚之外，其余年份同步或偏早，結束時間除2014年為正常年份(9月6候)之外，其余年份均偏晚。在指數(shù)偏強的2016年，前汛期和后汛期地閃頻次偏多；在其余偏弱的9 a里，前汛期除2014和2015年地閃偏多之外，其余年份偏少，后汛期在2007、2008、2010、2014和2017年偏多，2011、2012、2013和2015年偏少。表明南海夏季風的強弱程度對廣西前汛期的地閃活動影響較大，相關系數(shù)達到0.47，后汛期則較弱。在爆發(fā)偏早年份(2008、2011、2012、2013及2017年)，前汛期地閃活動偏少，偏晚年份(2014年)則偏多，表明南海夏季風爆發(fā)早晚和前汛期地閃活動關系較為密切。在南海夏季風結束偏晚的年份(除2014年之外)，后汛期地閃活動既有偏多也有偏少年份，沒有直接關系。綜上，近10 a前汛期廣西地閃活動與南海夏季風強度和爆發(fā)早晚有著較為密切的關系，當強度偏弱和爆發(fā)偏早時地閃活動偏少，反之偏多，后汛期則無直接聯(lián)系，其機理仍需進一步研究。

表2 2007—2017年南海夏季風指數(shù)特征Table 2 Characteristics of the SCS summer monsoon index from 2007 to 2017.

4.2 水汽輸送和地形影響

雷電活動受水汽、不穩(wěn)定層結及抬升條件三個因素影響(朱乾根等，2000)。廣西地勢西北高東南低，四周多高山，中間地勢略低，整體是山地丘陵性盆地地貌。研究表明(廣西壯族自治區(qū)氣候中心，2007)，北方南下冷空氣受地形阻擋作用，主要沿湘桂走廊入侵廣西，最后匯聚至桂東南的貴港、玉林一帶。在前汛期多年水汽輸送平均場上(圖9a)，來自孟加拉灣的西南水汽輸送與來自西太平洋地區(qū)的東南水汽輸送在中南半島一帶輻合，廣西上空偏南水汽輸送旺盛，整體為水汽散度負值區(qū)，低層水汽輻合上升運動較強。當有冷空氣南下時，地形引導冷暖氣流在桂東南一帶頻繁交綏，加上山脈地形強迫抬升作用，使得前汛期地閃空間分布圖(圖6a)上，桂東南大瑤山、大容山、大桂山以及云開大山等大范圍區(qū)域表現(xiàn)出強的雷電活動中心。在后汛期多年水汽輸送平均場上(圖9b)，來自孟加拉灣的西南水汽輸送與來自西太平洋地區(qū)的東南水汽輸送在華南沿海一帶輻合，廣西上空偏東南水汽輸送旺盛，水汽散度絕對值較前汛期偏小，低層水汽輻合上升運動相對偏弱。但是此時，廣西午后太陽輻射升溫較前汛期明顯增強，同時熱帶擾動和熱帶氣旋進入活躍期，在地形強迫抬升作用下，偏東南暖濕氣流沿桂南十萬大山迎風坡、桂西北右江河谷腹地、桂東北大苗山迎風坡以及桂東南諸多山脈迎風坡輻合上升，導致雷電等強對流天氣頻發(fā)。使得后汛期地閃空間分布圖(圖6b)上，表現(xiàn)為桂東南、桂東北、桂西北及桂南4個強雷電活動區(qū)域，特別是桂南和桂東南一帶，受熱帶擾動和熱帶氣旋影響較為直接，地閃密度大值區(qū)域較桂西北、桂東北范圍和極值均偏大。

圖9 廣西1979—2017年前汛期(a)和后汛期(b)垂直水汽通量積分平均場(箭頭,單位:103g·m-1·s-1)及整層水汽通量散度平均場(陰影為水汽通量散度小于0區(qū)域,單位:10-3 g·m-2·s-1)Fig.9 Integrated mean field of vertical water vapor flux(arrow,unit:103 g·m-1·s-1)and mean field of water vapor flux divergence in the whole layer(The shadow is the area with water vapor flux divergence less than 0,unit:10-3 g·m-2·s-1)of(a)pre and(b)post flood season in Guangxi from 1979 to 2017.

整體上看，前汛期，桂東南地閃活動高值區(qū)受地形引導大尺度冷暖氣流頻繁交綏影響較大；后汛期，桂南、桂東南、桂西北以及桂東北等區(qū)域地閃活動高值區(qū)受午后太陽輻射升溫、地形強迫抬升作用及熱帶擾動和熱帶氣旋影響較大。對于桂南十萬大山迎風坡強降雨和強雷電活動中心與地形和水汽輸送的關系，吳恒強(1981)和蔣國興(2007)已經(jīng)進行了詳細的分析；而桂東北、桂西北以及桂東南在后汛期表現(xiàn)出的強地閃活動中心，在今后雷電預警研究中是值得關注的區(qū)域。

5 結論

利用近10 a ADTD閃電定位系統(tǒng)的云對地閃擊資料對比分析了廣西前汛期和后汛期云地閃的活動特征，并對相關影響因子進行了初步探討，得到以下結論：

(1)前汛期和后汛期地閃日變化差異明顯，前汛期全區(qū)呈雙峰分布，按區(qū)域可劃分為桂南沿海的“凌晨-白天多發(fā)型”、桂東-桂東南的“午后單峰型”、桂中-桂西南的“凌晨、午后雙峰型”以及桂北的“午后-凌晨單峰型”四種類型；后汛期全區(qū)呈單峰分布，按區(qū)域可劃分為桂南沿海的“午后、凌晨雙峰型”、桂東-桂東南的“午后單峰型”以及桂北-桂中-桂西南的“午后-凌晨單峰型”三種類型。

(2)前汛期和后汛期地閃空間分布差異明顯，前汛期地閃密度高值區(qū)主要分布在桂東南貴港中東部-梧州中北部-玉林北部-賀州南部區(qū)域；后汛期則表現(xiàn)為桂東南貴港東部-梧州北部-玉林北部-賀州南部、桂南防城港南部-欽州西部桂東北融水-融安及桂西北百色右江河谷腹地等4個高值區(qū)域；后汛期桂南、桂西北地閃強度高值區(qū)較前汛期偏強偏大。

(3)前汛期和后汛期地閃極性均以負地閃為主，前汛期正地閃發(fā)生概率較后汛期大，前汛期雷電流幅值集中在5~50 kA之間，后汛期則是15~60 kA，后汛期平均雷電流幅值大于前汛期，正地閃大于負地閃。

(4)南海夏季風強弱和爆發(fā)早晚對前汛期地閃活動影響較大，強度弱及爆發(fā)早，地閃偏少，反之偏多；前汛期，桂東南地閃活動高值區(qū)受地形引導大尺度冷暖氣流頻繁交綏影響較大，后汛期受午后太陽輻射增溫、地形強迫抬升作用和熱帶系統(tǒng)天氣影響較大。