海南島正地閃時空分布特征分析

　　摘要：采用2010-2019年4-10月海南島閃電定位數據和相關天氣分型資料，對海南島正地閃進行頻次和頻次占比的年分布、月分布、時分布以及各天氣分型影響下時分布的特征分析，發現：海南島4-10月的正地閃占比為4.60%，各年份的總地閃頻次、正地閃頻次、正地閃占比基本呈正相關關系;4-10月的正地閃頻次曲線和總地閃頻次曲線同為雙峰型，且兩條曲線峰值對應的月份相同，但總地閃頻次曲線以5月為主峰、8月為次峰，而正地閃頻次曲線則以8月為主峰、5月為次峰，8、9月份的正地閃占比要高于其它月份;采用整體累加法分析正地閃時分布，正地閃頻次曲線和總地閃頻次曲線同為單峰型，且兩條曲線峰值對應的時間相同，峰值均出現在16：00-17：00，13：00-19：00正地閃占比呈逐時上升趨勢;采用雷暴過程總地閃頻次峰期固定法分析正地閃時分布，正地閃頻次峰值與總地閃頻次峰值對應的時次一致，高峰期前后2小時內的正地閃占比整體呈上升趨勢，在總閃頻次峰值期稍有下降，正閃主要發生在總閃頻次的高峰期及之后，而負閃主要發生在總閃頻次的高峰期及之前。通過對海南島13：00-19：00三種天氣分型的正、負地閃密度空間分布特征的分析，發現三種天氣分型的正地閃密度高值區相對負地閃密度高值區稍偏雷暴移動的下游位置。通過分析三起由正地閃引起的雷災個例，顯示正閃引起的雷災可以出現在雷暴過程的成熟期、消亡期，甚至在層狀云條件下也可發生，且雷電流強度大、破壞性強。

　　關鍵詞：正地閃;分布;特征

　　雷電流極性由雷雨云帶電極性決定，云團正電荷對地放電發生的地閃稱為正地閃，反之為負地閃;典型的雷雨云正電荷分布在云團的上部，負電荷分布在云團的下部，為此，在云團底下大多數發生的地閃為負地閃，如果上部的正電荷足夠強也會對遠處的物體發生閃擊，所以正地閃(以下簡稱正地閃為正閃，負地閃為負閃)多分布在雷雨云地面投影的外圍;由于雷雨云中正、負電荷分布不同，正閃的平均雷電流要比負閃大，且正閃產生大電流的幾率要比負地大得多;正閃雖然通常只由一個單閃擊構成，但正閃轉移的電荷量無論是脈沖變化部分還是整個放電過程都較負閃大得多[1]。

　　正閃頻次占比在不同地區、不同季節均有較大的區別，Brook等[2]采用慢天線和高速攝影手段觀測日本冬季雷暴，發現正閃占比為41%;Yair[3]等采用全閃監測儀觀測以色列冬季雷暴，發現正閃占比為16%;Oriville和Huffines[4]采用閃電定位系統觀測10年的美國夏季雷暴，發現正閃占比為3-9%;劉維成等[5]對比甘肅和廣東的閃電定位資料后發現，甘肅正閃占比為6.06%，廣東為4.65%;陳渭民認為[6]正閃占比會隨緯度和海拔高度的增大而升高。

　　在正閃分布特征方面，虞敏等[7]認為南京地區正閃比例的月變化與閃電頻數月變化相反;馮真禎等[8]發現福建省一天中負閃在13：00-20：00發生最為頻繁，正閃遲于負閃;張陽等[9]認為北京地區正閃較大頻次出現在5-7月，較高比例出現在春、秋季，一天內的正、負閃分布具有反對應關系，正閃在傍晚(15：00-21：00)具有較大的頻次和較高的比例;崔海華等[10]認為，京津冀地區正閃頻次的峰值比負閃晚1小時;茍阿寧等[11]結合雷達回波分析一次強雹暴閃電過程時發現，負閃主要落在強回波邊緣。

　　而正閃多分布在強回波周圍層狀云中;馮桂力等[12]在分析山東冰雹云閃電特征時發現，負閃頻數峰值的出現通常提前于降雹0~20min，正閃頻數峰值的出現一般滯后于降雹發生時間。在正閃產生條件分析方面，郭鳳霞等[13]在利用三維雷暴云動力-電耦合數值模式模擬一次強雷暴過程時發現，正閃的發生不僅需要更強的上升氣流，還需要云低層存在強的下沉氣流，即正閃發生在強雷暴云成熟階段后期，正閃發生階段對應著上升氣流、雹粒子體積和總閃的快速增強階段。

　　因此，強雷暴中正閃的發生可作為雷暴強度及冰雹形成的一個指示因子;張義軍等[14]認為反極性電荷結構(即上負、下正)是導致正閃多發的原因之一，強烈的上升氣流會引起上升氣流區中的液態水含量等微物理條件發生改變，進而影響大小粒子碰撞的起電過程，使霰粒子荷正電，冰晶粒子荷負電，從而形成反極性電荷結構。從以上研究成果可以總結出以下關于正閃的特性：正閃占比隨緯度和海拔增大而升高，正閃占比月變化與閃電頻次月變化相反，正閃頻次日變化峰值遲于負閃頻次峰值，雷暴過程中正閃頻次峰值同樣滯后于負閃峰值，正閃產生需要強烈的上升氣流，多發生在雷暴云成熟階段后期。海南島是全國雷災最嚴重的地區之一，研究正閃的活動規律對海南防雷減災及降水、冰雹預報有積極意義，各地正閃特征是否適用于海南也值得做一次本地化的研究。

　　1數據與處理

　　1.1閃電數據

　　本次研究的閃電數據源自海南省ADTD(advanceddigitalthunderdecting)閃電定位系統，海南省ADTD閃電定位系統是VLF二維閃電探測系統，ADTD閃電定位系統要求由二個以上測站及一個數據處理站組成，系統探測距離300km，定位精度500m。海南省ADTD閃電定位系統始建于2007年，在海南島上設有5個測站，分別為海口(E110.24°，N20.00°)、三亞(E109.54°，N18.22°)、東方(E109.83°，N19.04°)、瓊海(E110.46°，N19.24°)、瓊中(E108.63°，N19.09°)，五個測站在海南島大體呈東、西、南、北、中分布，觀測點的間距均在200km以內。

　　ADTD閃電定位系統采用二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法等四種定位方式。就與雷達回波配合來看，采用三站混合、四站算法定位的閃電與雷達回波配合較好，二站振幅、二站混合的誤測率較高、定位誤差也較大。從現存定位數據來看，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%。本次研究采用2010-2019年4-10月閃電數據，2012年數據由于部分缺失被排除，實際使用9年數據。為保證定位精度只保留三站混合和四位算法兩種定位數據，使用前對所有數據進行剔除繼后回擊和雷達回波比對排除處理。

　　1.2天氣分型資料

　　采用天氣分型預報天氣是上世紀最常見的預報方法，天氣分型實質是采用天氣形勢和氣象要素結合本地的天氣現象提煉的天氣規律。天氣分型預報方法在沒有數值預報的年代在短臨天氣預報方面發揮了很大的作用，該預報方法很好地融合了本地的天氣、氣候特點，至今在中、小尺度天氣預報上仍在廣泛使用。華南沿海槽、南海低壓槽、西南低壓槽是影響海南最多的天氣系統，同時也是發生閃電最多的天氣系統[15]，本次研究采用了三種天氣分型影響下的閃電數據，天氣分型分析數據源自海南省氣象臺每日對外發布的天氣形勢分析。

　　1.3雷災資料

　　雷災個例源自海南省氣象局雷災調查檔案庫。

　　2結果與分析

　　2.1時間分布特征

　　2.1.1正閃頻次年月分布閃頻次年月分布

　　各年份的總閃頻次和正閃頻次變化較大，兩條頻次曲線的變化趨勢基本一致，正閃占比曲線與頻次曲線的變化趨勢也較接近，各年份的總閃頻次、正閃頻次、正閃占比基本呈正相關關系，由于數據年限較短，此規律的穩定性還待進一步驗證。9年的正閃占比在2.5%-6.0%間波動，9年合計正閃占比為4.60%，與廣東4.65%相近，比甘肅6.06%、津京冀7.66%、內蒙古9.60%[16]等北方地區要低，符合正閃占比隨緯度增大而升高的規律。

　　海南島正閃頻次月分布曲線與總閃頻次月分布曲線的變化趨勢也基本一致，同為雙峰型分布，但兩者主、次峰對應月份卻不一致，總閃頻次主峰在5月份，次峰在8月份，而正閃頻次正好相反，8月份頻次略高于5月份;排除4月、10月因總閃頻次較少對統計結果的影響，海南島從5月至9月正閃占比在4.5-5.2%之間，8、9月份的正閃占比要高于其它月份。海南島8月份總閃頻次為全年次峰而正閃占比卻全年最高，與南京地區的正閃占比月變化與總閃頻數月變化相反的結論有區別。

　　2.1.2正閃時分布

　　(1)正閃頻次時分布

　　海南島總閃頻次和正閃頻次時分布曲線變化趨勢基本一致，均為單峰型，且峰值均落在16：00-17：00之間，這與北京地區正、負閃分布反對應關系、京津冀地區正閃頻次峰值比負閃峰值滯后1小時均有不同。19：00-13：00，當總閃頻次在2000次以下時正閃占比波動較大，本次暫不作總閃頻次在2000次以下的正閃占比分析，海南島正閃占比在13：00-19：00呈逐時上升趨勢。如果逐年分析閃電頻次時分布，9年中有7年的總閃頻次和正閃頻次的峰值均落在16：00-17：00，有2年的峰值對應時間不一致，2年均為總閃峰值出現在15：00-16：00、正閃峰值出現在16：00-17：00，正閃頻次峰值比負閃頻次峰值滯后1小時。

　　3正閃引起的雷災

　　(1)12018年5月9日下午5時30分左右，澄邁縣金江鎮龍腰下村水田里，一名48歲的婦女在給水田挖溝放水時被雷擊身亡。據目擊者描述，當時大雨已過，只剩零星小雨，死者趕去給水田放水，剛到水田就被雷擊中，雷擊點在頭部，雷電流沿死者右臂順鐵柄鋤頭入地，死者頸部被撕裂，右臂被燒焦。海口多普勒雷達和海南省閃電定位系統顯示，當時強回波已過境，出事點上空回波強度只有30dBz，周圍回波高度在5km以下，閃電定位系統監測到事發地附近有一次正閃，強度+95.2kA，如圖6a。當天受華南沿海槽影響，該起雷災發生在雷暴過程的后期，大雨已過，事發點上空為層狀云，遠處回波高度均在10km以下，已沒有強的對流活動，天氣趨于穩定，這時候人們會麻痹大意，放松對雷電的警惕。

　　(2)2018年5月9日下午4時30分左右，海口市演豐鎮坡尾村發生雷擊事故，造成吳姓村民新建住宅樓多處結構柱水泥迸裂，最大的裂口有巴掌大。據目擊者描述，該住宅樓連續遭受2次雷擊，間隔在半分鐘左右，當地還下起拇指大小的冰雹。海口多普勒雷達和海南省閃電定位系統顯示，出事點上空被強回波覆蓋，回波強度達60dBz以上，閃電定位系統監測到兩次正閃，強度分別為+52.7kA和+35.6kA，兩次閃電時間間隔34秒，如圖6b。該起雷災發生在雷暴過程的成熟期，從回波強度、回波高度、冰雹和周圍閃電均為正閃來看，雷暴過程正處于對流發展最旺盛的時候。該棟住宅樓4層高，是全村最高樓房，且臨近水塘，作為接閃點不奇怪，但連續遭受2次正閃襲擊確實非常少見，在接地良好的情況下，結構柱遭破壞，說明正閃的能量非常高。

　　(3)2015年5月17日下午3點57分，定安縣雷鳴鎮南九小學發生一起雷擊事故。據現場調查記載，雷直接擊中校園內一棵椰子樹，樹周圍的泥土被震松并炸出兩小土坑，致離樹有7、8米遠的一間集體廁所發生爆炸，離樹10米遠的一間瓦房的瓦片被掀開，瓦房的電源線絕緣層被燒熔或被爆成放射狀，教師宿舍區的電源線路全部燒毀，部分線路絕緣層燃燒還引起衣物著火，幸虧當天為星期天，師生放假回家，才未造成人員傷亡。目擊者證實，當天下午就只聽到一聲雷響，沒有下雨。

　　海口多普勒雷達和海南省閃電定位系統顯示，事故點上空的回波強度只有25dbz，離最近45dbz回波的距離有13km，回波高度在5km以下，閃電定位系統監測到2次正閃，一次在定安雷鳴鎮事發點附近，一次在屯昌縣境內，事發點附近閃電強度+150.5kA，如圖6c。受西南低壓槽影響，當天下午有一片弱回波自西向東從海南島北部掃過，海南島沒有出現10mm以上降雨，在這種天氣條件下發生閃電如同“晴天霹靂”，而且閃電如此之強、破壞如此之大，非常罕見。

　　4小結及討論

　　采用2010-2019年4-10月共9年的海南島閃電定位數據和天氣分型資料，對海南島正閃時空分布作數理分析，初步得到以下結果：(1)4-10月正閃占比為4.60%，各年份的總閃頻次、正閃頻次、正閃占比基本呈正相關關系;(2)4-10月正閃頻次曲線和總地閃頻次曲線變化趨勢一致，同為雙峰型，且兩條曲線峰值對應的月份相同，但總地閃頻次曲線以5月為主峰、8月為次峰，而正閃頻次曲線則相反，8、9月份的正閃占比要高于其它月份;(3)采用整體累加法分析正閃時分布發現，正閃頻次曲線和總閃頻次曲線變化趨勢一致，同為單峰型，且兩條曲線峰值對應的時間相同，峰值均出現在16：00-17：00，13：00-19：00正閃占比呈逐時上升趨勢。

　　(4)采用雷暴過程總閃頻次峰期固定法分析正閃時分布發現，正閃頻次峰值與總閃頻次峰值對應的時次一致，高峰期前后2小時內的正閃占比整體呈上升趨勢，在頻次峰值期稍有下降，正閃主要發生在總閃頻次的高峰期及之后，負閃主要發生在總閃頻次的高峰期及之前;(5)三種天氣分型13：00-19：00的正閃密度高值區相對負閃密度高值區稍偏雷暴移動的下游位置通過分析海南島三起由正閃引起的雷災事故發現，正閃引起的雷災可以出現在雷暴過程的各個階段，甚至在層狀云條件下也可發生，且雷電流強度大、破壞性強。

　　由于分析采用的數據年限較短，以上分析結果的穩定性有待進一步的驗證。從以上分析結果看，海南島正閃活動特征與國內其他省份的正閃特征有共同點也有不同點，共同點：一、海南島正閃占比低于北方省市，符合正閃占比隨緯度增高而增大的規律;二、海南島雷暴過程中的正閃主要發生在總閃頻次高峰期及之后，這與福建地區正閃遲于負閃的結論相符;不同點：一、海南島正閃占比與總閃頻次的月分布并不象南京地區成反對應關系;二、海南島正閃頻次與總閃頻次的時分布峰值對應的時次是一致的，而京津冀地區的正閃頻次峰值滯后總閃頻次峰值1小時。

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　　為什么有如此區別呢?除了可能是因地域不同而有不同的閃電特征外，還可能是閃電數據來源不同和采用的統計方法不同的原因，不同設備有不同的探測方法和探測效率，采用不同設備監測到的數據可能會出現不同的分析結果，另外，總閃頻次和正閃頻次日變化分析建議采用雷暴過程總閃頻次峰期固定法，避免在數據累加過程中出現峰期漂移而影響分析結果的準確性。

　　參考文獻：

　　[1]蘇邦禮，崔秉球，吳望平，等.雷電與避雷工程[M].廣州，中山大學出版社，1996：3-28.

　　[2]BrookM，NakanoM，KrebielP.TheelectricalstructureoftheHokurikuwinterthunderstorm[J].JGeophysRes，1982，87：1207-1215.

　　[3]YairY，PriceC，GanotM，etal.OpticalobservationsoftransientlogicfromS-bandtoC-banddata[J].adv.Geosic.，2006，7：109-114.

　　作者：勞小青1，2，石華3，李敏1，2

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