海南岛正地闪时空分布特征分析

　　摘要：采用2010-2019年4-10月海南岛闪电定位数据和相关天气分型资料，对海南岛正地闪进行频次和频次占比的年分布、月分布、时分布以及各天气分型影响下时分布的特征分析，发现：海南岛4-10月的正地闪占比为4.60%，各年份的总地闪频次、正地闪频次、正地闪占比基本呈正相关关系;4-10月的正地闪频次曲线和总地闪频次曲线同为双峰型，且两条曲线峰值对应的月份相同，但总地闪频次曲线以5月为主峰、8月为次峰，而正地闪频次曲线则以8月为主峰、5月为次峰，8、9月份的正地闪占比要高于其它月份;采用整体累加法分析正地闪时分布，正地闪频次曲线和总地闪频次曲线同为单峰型，且两条曲线峰值对应的时间相同，峰值均出现在16：00-17：00，13：00-19：00正地闪占比呈逐时上升趋势;采用雷暴过程总地闪频次峰期固定法分析正地闪时分布，正地闪频次峰值与总地闪频次峰值对应的时次一致，高峰期前后2小时内的正地闪占比整体呈上升趋势，在总闪频次峰值期稍有下降，正闪主要发生在总闪频次的高峰期及之后，而负闪主要发生在总闪频次的高峰期及之前。通过对海南岛13：00-19：00三种天气分型的正、负地闪密度空间分布特征的分析，发现三种天气分型的正地闪密度高值区相对负地闪密度高值区稍偏雷暴移动的下游位置。通过分析三起由正地闪引起的雷灾个例，显示正闪引起的雷灾可以出现在雷暴过程的成熟期、消亡期，甚至在层状云条件下也可发生，且雷电流强度大、破坏性强。

　　关键词：正地闪;分布;特征

　　雷电流极性由雷雨云带电极性决定，云团正电荷对地放电发生的地闪称为正地闪，反之为负地闪;典型的雷雨云正电荷分布在云团的上部，负电荷分布在云团的下部，为此，在云团底下大多数发生的地闪为负地闪，如果上部的正电荷足够强也会对远处的物体发生闪击，所以正地闪(以下简称正地闪为正闪，负地闪为负闪)多分布在雷雨云地面投影的外围;由于雷雨云中正、负电荷分布不同，正闪的平均雷电流要比负闪大，且正闪产生大电流的几率要比负地大得多;正闪虽然通常只由一个单闪击构成，但正闪转移的电荷量无论是脉冲变化部分还是整个放电过程都较负闪大得多[1]。

　　正闪频次占比在不同地区、不同季节均有较大的区别，Brook等[2]采用慢天线和高速摄影手段观测日本冬季雷暴，发现正闪占比为41%;Yair[3]等采用全闪监测仪观测以色列冬季雷暴，发现正闪占比为16%;Oriville和Huffines[4]采用闪电定位系统观测10年的美国夏季雷暴，发现正闪占比为3-9%;刘维成等[5]对比甘肃和广东的闪电定位资料后发现，甘肃正闪占比为6.06%，广东为4.65%;陈渭民认为[6]正闪占比会随纬度和海拔高度的增大而升高。

　　在正闪分布特征方面，虞敏等[7]认为南京地区正闪比例的月变化与闪电频数月变化相反;冯真祯等[8]发现福建省一天中负闪在13：00-20：00发生最为频繁，正闪迟于负闪;张阳等[9]认为北京地区正闪较大频次出现在5-7月，较高比例出现在春、秋季，一天内的正、负闪分布具有反对应关系，正闪在傍晚(15：00-21：00)具有较大的频次和较高的比例;崔海华等[10]认为，京津冀地区正闪频次的峰值比负闪晚1小时;苟阿宁等[11]结合雷达回波分析一次强雹暴闪电过程时发现，负闪主要落在强回波边缘。

　　而正闪多分布在强回波周围层状云中;冯桂力等[12]在分析山东冰雹云闪电特征时发现，负闪频数峰值的出现通常提前于降雹0~20min，正闪频数峰值的出现一般滞后于降雹发生时间。在正闪产生条件分析方面，郭凤霞等[13]在利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式模拟一次强雷暴过程时发现，正闪的发生不仅需要更强的上升气流，还需要云低层存在强的下沉气流，即正闪发生在强雷暴云成熟阶段后期，正闪发生阶段对应着上升气流、雹粒子体积和总闪的快速增强阶段。

　　因此，强雷暴中正闪的发生可作为雷暴强度及冰雹形成的一个指示因子;张义军等[14]认为反极性电荷结构(即上负、下正)是导致正闪多发的原因之一，强烈的上升气流会引起上升气流区中的液态水含量等微物理条件发生改变，进而影响大小粒子碰撞的起电过程，使霰粒子荷正电，冰晶粒子荷负电，从而形成反极性电荷结构。从以上研究成果可以总结出以下关于正闪的特性：正闪占比随纬度和海拔增大而升高，正闪占比月变化与闪电频次月变化相反，正闪频次日变化峰值迟于负闪频次峰值，雷暴过程中正闪频次峰值同样滞后于负闪峰值，正闪产生需要强烈的上升气流，多发生在雷暴云成熟阶段后期。海南岛是全国雷灾最严重的地区之一，研究正闪的活动规律对海南防雷减灾及降水、冰雹预报有积极意义，各地正闪特征是否适用于海南也值得做一次本地化的研究。

　　1数据与处理

　　1.1闪电数据

　　本次研究的闪电数据源自海南省ADTD(advanceddigitalthunderdecting)闪电定位系统，海南省ADTD闪电定位系统是VLF二维闪电探测系统，ADTD闪电定位系统要求由二个以上测站及一个数据处理站组成，系统探测距离300km，定位精度500m。海南省ADTD闪电定位系统始建于2007年，在海南岛上设有5个测站，分别为海口(E110.24°，N20.00°)、三亚(E109.54°，N18.22°)、东方(E109.83°，N19.04°)、琼海(E110.46°，N19.24°)、琼中(E108.63°，N19.09°)，五个测站在海南岛大体呈东、西、南、北、中分布，观测点的间距均在200km以内。

　　ADTD闪电定位系统采用二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法等四种定位方式。就与雷达回波配合来看，采用三站混合、四站算法定位的闪电与雷达回波配合较好，二站振幅、二站混合的误测率较高、定位误差也较大。从现存定位数据来看，三站混合、四站算法的记录约占40%，二站振幅、二站混合的记录约占60%。本次研究采用2010-2019年4-10月闪电数据，2012年数据由于部分缺失被排除，实际使用9年数据。为保证定位精度只保留三站混合和四位算法两种定位数据，使用前对所有数据进行剔除继后回击和雷达回波比对排除处理。

　　1.2天气分型资料

　　采用天气分型预报天气是上世纪最常见的预报方法，天气分型实质是采用天气形势和气象要素结合本地的天气现象提炼的天气规律。天气分型预报方法在没有数值预报的年代在短临天气预报方面发挥了很大的作用，该预报方法很好地融合了本地的天气、气候特点，至今在中、小尺度天气预报上仍在广泛使用。华南沿海槽、南海低压槽、西南低压槽是影响海南最多的天气系统，同时也是发生闪电最多的天气系统[15]，本次研究采用了三种天气分型影响下的闪电数据，天气分型分析数据源自海南省气象台每日对外发布的天气形势分析。

　　1.3雷灾资料

　　雷灾个例源自海南省气象局雷灾调查档案库。

　　2结果与分析

　　2.1时间分布特征

　　2.1.1正闪频次年月分布闪频次年月分布

　　各年份的总闪频次和正闪频次变化较大，两条频次曲线的变化趋势基本一致，正闪占比曲线与频次曲线的变化趋势也较接近，各年份的总闪频次、正闪频次、正闪占比基本呈正相关关系，由于数据年限较短，此规律的稳定性还待进一步验证。9年的正闪占比在2.5%-6.0%间波动，9年合计正闪占比为4.60%，与广东4.65%相近，比甘肃6.06%、津京冀7.66%、内蒙古9.60%[16]等北方地区要低，符合正闪占比随纬度增大而升高的规律。

　　海南岛正闪频次月分布曲线与总闪频次月分布曲线的变化趋势也基本一致，同为双峰型分布，但两者主、次峰对应月份却不一致，总闪频次主峰在5月份，次峰在8月份，而正闪频次正好相反，8月份频次略高于5月份;排除4月、10月因总闪频次较少对统计结果的影响，海南岛从5月至9月正闪占比在4.5-5.2%之间，8、9月份的正闪占比要高于其它月份。海南岛8月份总闪频次为全年次峰而正闪占比却全年最高，与南京地区的正闪占比月变化与总闪频数月变化相反的结论有区别。

　　2.1.2正闪时分布

　　(1)正闪频次时分布

　　海南岛总闪频次和正闪频次时分布曲线变化趋势基本一致，均为单峰型，且峰值均落在16：00-17：00之间，这与北京地区正、负闪分布反对应关系、京津冀地区正闪频次峰值比负闪峰值滞后1小时均有不同。19：00-13：00，当总闪频次在2000次以下时正闪占比波动较大，本次暂不作总闪频次在2000次以下的正闪占比分析，海南岛正闪占比在13：00-19：00呈逐时上升趋势。如果逐年分析闪电频次时分布，9年中有7年的总闪频次和正闪频次的峰值均落在16：00-17：00，有2年的峰值对应时间不一致，2年均为总闪峰值出现在15：00-16：00、正闪峰值出现在16：00-17：00，正闪频次峰值比负闪频次峰值滞后1小时。

　　3正闪引起的雷灾

　　(1)12018年5月9日下午5时30分左右，澄迈县金江镇龙腰下村水田里，一名48岁的妇女在给水田挖沟放水时被雷击身亡。据目击者描述，当时大雨已过，只剩零星小雨，死者赶去给水田放水，刚到水田就被雷击中，雷击点在头部，雷电流沿死者右臂顺铁柄锄头入地，死者颈部被撕裂，右臂被烧焦。海口多普勒雷达和海南省闪电定位系统显示，当时强回波已过境，出事点上空回波强度只有30dBz，周围回波高度在5km以下，闪电定位系统监测到事发地附近有一次正闪，强度+95.2kA，如图6a。当天受华南沿海槽影响，该起雷灾发生在雷暴过程的后期，大雨已过，事发点上空为层状云，远处回波高度均在10km以下，已没有强的对流活动，天气趋于稳定，这时候人们会麻痹大意，放松对雷电的警惕。

　　(2)2018年5月9日下午4时30分左右，海口市演丰镇坡尾村发生雷击事故，造成吴姓村民新建住宅楼多处结构柱水泥迸裂，最大的裂口有巴掌大。据目击者描述，该住宅楼连续遭受2次雷击，间隔在半分钟左右，当地还下起拇指大小的冰雹。海口多普勒雷达和海南省闪电定位系统显示，出事点上空被强回波覆盖，回波强度达60dBz以上，闪电定位系统监测到两次正闪，强度分别为+52.7kA和+35.6kA，两次闪电时间间隔34秒，如图6b。该起雷灾发生在雷暴过程的成熟期，从回波强度、回波高度、冰雹和周围闪电均为正闪来看，雷暴过程正处于对流发展最旺盛的时候。该栋住宅楼4层高，是全村最高楼房，且临近水塘，作为接闪点不奇怪，但连续遭受2次正闪袭击确实非常少见，在接地良好的情况下，结构柱遭破坏，说明正闪的能量非常高。

　　(3)2015年5月17日下午3点57分，定安县雷鸣镇南九小学发生一起雷击事故。据现场调查记载，雷直接击中校园内一棵椰子树，树周围的泥土被震松并炸出两小土坑，致离树有7、8米远的一间集体厕所发生爆炸，离树10米远的一间瓦房的瓦片被掀开，瓦房的电源线绝缘层被烧熔或被爆成放射状，教师宿舍区的电源线路全部烧毁，部分线路绝缘层燃烧还引起衣物着火，幸亏当天为星期天，师生放假回家，才未造成人员伤亡。目击者证实，当天下午就只听到一声雷响，没有下雨。

　　海口多普勒雷达和海南省闪电定位系统显示，事故点上空的回波强度只有25dbz，离最近45dbz回波的距离有13km，回波高度在5km以下，闪电定位系统监测到2次正闪，一次在定安雷鸣镇事发点附近，一次在屯昌县境内，事发点附近闪电强度+150.5kA，如图6c。受西南低压槽影响，当天下午有一片弱回波自西向东从海南岛北部扫过，海南岛没有出现10mm以上降雨，在这种天气条件下发生闪电如同“晴天霹雳”，而且闪电如此之强、破坏如此之大，非常罕见。

　　4小结及讨论

　　采用2010-2019年4-10月共9年的海南岛闪电定位数据和天气分型资料，对海南岛正闪时空分布作数理分析，初步得到以下结果：(1)4-10月正闪占比为4.60%，各年份的总闪频次、正闪频次、正闪占比基本呈正相关关系;(2)4-10月正闪频次曲线和总地闪频次曲线变化趋势一致，同为双峰型，且两条曲线峰值对应的月份相同，但总地闪频次曲线以5月为主峰、8月为次峰，而正闪频次曲线则相反，8、9月份的正闪占比要高于其它月份;(3)采用整体累加法分析正闪时分布发现，正闪频次曲线和总闪频次曲线变化趋势一致，同为单峰型，且两条曲线峰值对应的时间相同，峰值均出现在16：00-17：00，13：00-19：00正闪占比呈逐时上升趋势。

　　(4)采用雷暴过程总闪频次峰期固定法分析正闪时分布发现，正闪频次峰值与总闪频次峰值对应的时次一致，高峰期前后2小时内的正闪占比整体呈上升趋势，在频次峰值期稍有下降，正闪主要发生在总闪频次的高峰期及之后，负闪主要发生在总闪频次的高峰期及之前;(5)三种天气分型13：00-19：00的正闪密度高值区相对负闪密度高值区稍偏雷暴移动的下游位置通过分析海南岛三起由正闪引起的雷灾事故发现，正闪引起的雷灾可以出现在雷暴过程的各个阶段，甚至在层状云条件下也可发生，且雷电流强度大、破坏性强。

　　由于分析采用的数据年限较短，以上分析结果的稳定性有待进一步的验证。从以上分析结果看，海南岛正闪活动特征与国内其他省份的正闪特征有共同点也有不同点，共同点：一、海南岛正闪占比低于北方省市，符合正闪占比随纬度增高而增大的规律;二、海南岛雷暴过程中的正闪主要发生在总闪频次高峰期及之后，这与福建地区正闪迟于负闪的结论相符;不同点：一、海南岛正闪占比与总闪频次的月分布并不象南京地区成反对应关系;二、海南岛正闪频次与总闪频次的时分布峰值对应的时次是一致的，而京津冀地区的正闪频次峰值滞后总闪频次峰值1小时。

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　　为什么有如此区别呢?除了可能是因地域不同而有不同的闪电特征外，还可能是闪电数据来源不同和采用的统计方法不同的原因，不同设备有不同的探测方法和探测效率，采用不同设备监测到的数据可能会出现不同的分析结果，另外，总闪频次和正闪频次日变化分析建议采用雷暴过程总闪频次峰期固定法，避免在数据累加过程中出现峰期漂移而影响分析结果的准确性。

　　参考文献：

　　[1]苏邦礼，崔秉球，吴望平，等.雷电与避雷工程[M].广州，中山大学出版社，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：劳小青1，2，石华3，李敏1，2

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