勞小青 韋傳波 周方聰

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

0 引言

雷電對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)有很大危害，特別是對航空、電力、漁業(yè)、種植等行業(yè)影響巨大，對其進(jìn)行有效的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和研究具有十分重要的社會、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)價(jià)值。西南低壓槽天氣系統(tǒng)一年四季都會影響海南，但主要集中在4—8月，是春夏季影響海南的主要天氣系統(tǒng)之一。在西南低壓槽影響下，冬季以晴好天氣為主，春季會出現(xiàn)高溫、局部降水天氣，夏、秋季低壓中心在北部灣附近，海南處在低壓槽頂部，輻合氣流較強(qiáng)，大部分地區(qū)會出現(xiàn)雷陣雨天氣。西南低壓槽天氣給人最深的印象就是悶熱，所以對西南低壓槽的研究方向多集中在高溫方面，王良淼等在分析廣西近40年高溫天氣氣候特征時(shí)認(rèn)為，副熱帶高壓、西南低壓槽和熱帶氣旋是造成廣西高溫天氣的3個最主要的影響系統(tǒng)；符式紅等分析2014年5—6月海南島持續(xù)高溫成因后認(rèn)為，在西南低壓槽控制下，海南島處中南半島長山山脈背風(fēng)波的下沉區(qū)，壓縮增溫效應(yīng)是造成高溫天氣的主要原因。雖然在西南低壓槽控制下，海南島天氣主要特征以高溫天氣為主，但在海南島西北部內(nèi)陸由于午后熱量堆積和地形因素作用常有對流天氣產(chǎn)生。辛吉武等在分析海南儋州雷暴天氣特征時(shí)認(rèn)為，西南低壓槽是熱帶低值系統(tǒng)中在儋州產(chǎn)生雷暴幾率最大的天氣系統(tǒng)。在西南低壓槽影響下的局地強(qiáng)對流天氣過程是中小尺度系統(tǒng)，雷暴云的時(shí)空分布隨機(jī)性較大，在24、48 h的短期預(yù)報(bào)中很難作出較準(zhǔn)確的時(shí)空預(yù)報(bào)，較精細(xì)的預(yù)報(bào)只能在3 h短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中通過雷達(dá)資料外推方法來實(shí)現(xiàn)，但由于外推的時(shí)效也很難超過兩個體掃時(shí)間，往往造成預(yù)報(bào)結(jié)論不穩(wěn)定，給用戶使用帶來很大困惑。本文的目的是通過對閃電定位數(shù)據(jù)時(shí)空概率統(tǒng)計(jì)，分析在西南低壓槽控制下，海南島地閃活動的時(shí)空分布特征，為閃電、降水天氣過程的路徑預(yù)報(bào)提供天氣氣候上的參考。

1 資料和方法

1.1 資料

1.1.1 天氣分型資料

天氣分型資料來自海南省氣象臺每日對外發(fā)布的天氣形勢分析。天氣系統(tǒng)分型以下面3個標(biāo)準(zhǔn)確定西南低壓槽（以下簡稱“系統(tǒng)”）影響海南：1）主力在我國西南地區(qū)（常被冷空氣南壓到中印半島北部）；2）850 hPa（約1500 m）高空，本島處于槽前脊后，本島西北部吹氣旋性的西南風(fēng)，東南部吹反氣旋性的東南風(fēng)；3）湛江以南無鋒面，海南附近氣壓梯度大。

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閃電定位系統(tǒng)是探測地閃的甚低頻閃電監(jiān)測系統(tǒng)，探測距離可達(dá)300 km，定位精度500 m。始建于2007年，在海南島上設(shè)有5個探測基站，分別設(shè)在?？?、三亞、東方、瓊海、瓊中等5個市縣氣象站內(nèi)，站點(diǎn)呈東西南北中分布，站間距在150 km以內(nèi)。2010—2018年，除2012年有部分閃電數(shù)據(jù)缺失外其他年份的數(shù)據(jù)保留完整。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

閃電數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)之前要做必要的質(zhì)檢和前期處理，首先剔除數(shù)據(jù)中的繼后回?fù)簦缓蟛捎?0 dBz回波距離對誤測數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別篩選，再利用地圖邊界提取出海南島范圍內(nèi)的地閃數(shù)據(jù)，為保證定位精度只保留3、4站定位的數(shù)據(jù)。

為排除閃電資料的定位精度不高、探測效率低等缺陷，采用了概率統(tǒng)計(jì)方法。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)域的一個地閃日。海南島地閃發(fā)生概率的計(jì)算按系統(tǒng)影響日期統(tǒng)計(jì)出某個時(shí)段海南島有多少個地閃日，再除以系統(tǒng)的影響天數(shù)，即為該時(shí)段海南島的地閃發(fā)生概率。地閃發(fā)生概率的空間分布則按40 km×40 km的采樣網(wǎng)格對地閃日進(jìn)行采樣，再分別除以系統(tǒng)影響天數(shù)得到格點(diǎn)概率，然后對格點(diǎn)值采用克里金（Kriging）插值法進(jìn)行插值得到概率的格點(diǎn)文件。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)影響天數(shù)和地閃次數(shù)

由表1可見，海南島從1—9月均可受系統(tǒng)的影響，但主要在2—8月。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，在系統(tǒng)影響下，8年時(shí)間里海南島出現(xiàn)地閃日共253 d、地閃小時(shí)共1435個、地閃次數(shù)共84153次，其中4—9月的地閃日、地閃小時(shí)、地閃次數(shù)分別占各自總數(shù)的96.0%、98.1%、99.1%，可見系統(tǒng)對地閃的影響主要在4—9月。一次天氣系統(tǒng)的控制時(shí)間內(nèi)也稱為一次系統(tǒng)的控制過程，在4—9月系統(tǒng)控制下的393 d里共經(jīng)歷73個控制過程，平均每個過程時(shí)間為5.4 d。

表1 2010—2018年各月西南低壓槽影響天數(shù)及相關(guān)地閃數(shù)據(jù)Table 1 Influence days of the southwest low pressure trough from 2010 to 2018 and related CG lightning summaries

2.2 時(shí)間變化特征

2.2.1 月分布

利用系統(tǒng)影響資料和對應(yīng)的地閃數(shù)據(jù)，按系統(tǒng)影響日期統(tǒng)計(jì)出各月的地閃日，再除以相應(yīng)月的系統(tǒng)影響天數(shù)，可得到4—9月的地閃發(fā)生概率（圖1）。

圖1 地閃發(fā)生概率月分布Fig.1 Monthly distribution of occurrence probability of CG lightning

00—24時(shí)地閃發(fā)生概率月分布曲線呈雙峰特征，主峰出現(xiàn)在8月，高達(dá)95.7%，次峰在5月，為82.1%，4月閃電發(fā)生概率最低，為35.0%，6月為階段低谷，為76.3%?？梢?，7—9月的地閃發(fā)生概率明顯要高于4—6月，這是因?yàn)?月以后系統(tǒng)主力南移，其槽可伸至南海西部，海南處于低壓槽頂部，輻合氣流較強(qiáng)，更容易出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。

00—12時(shí)概率曲線是一條較平順的上升曲線，7月稍微下探，4月概率最低（10%），9月最高（39.1%）。與12—24時(shí)曲線走向明顯不同。

12—24時(shí)的概率曲線與00—24時(shí)的曲線幾乎是一致的，主峰出現(xiàn)在8月，高達(dá)95.7%，次峰在5月，為80.0%，4月閃電發(fā)生概率最低，為35.0%，6月為階段低谷，為72.5%。

2.2.2 時(shí)段分布

利用系統(tǒng)影響資料和對應(yīng)的地閃數(shù)據(jù)，按系統(tǒng)影響日期統(tǒng)計(jì)各時(shí)段的地閃日，再除以系統(tǒng)影響天數(shù)，即得到各時(shí)段的地閃發(fā)生概率（圖2a）。從表1分析中得到，系統(tǒng)控制的平均過程時(shí)間為5.4 d，將控制過程分為過程中的前2天和過程中的后2天，比較一下過程前期與過程后期的地閃發(fā)生概率和地閃日均次數(shù)。

由圖2b可見，在系統(tǒng)影響下，海南島地閃發(fā)生次數(shù)時(shí)段分布曲線呈單峰特征，與概率曲線相似，在21—12時(shí)各時(shí)段的地閃次數(shù)均在6次以下，12時(shí)以后開始上升，特別是15時(shí)以后急速上升，峰值出現(xiàn)在15—18時(shí)，峰值達(dá)151次，18時(shí)以后開始下降，21時(shí)以后地閃次數(shù)又回到6次以下。

對比圖2a和2b還可發(fā)現(xiàn)，18—21時(shí)海南島地閃發(fā)生的概率為全天的第2高值，而地閃次數(shù)卻與12—15時(shí)相當(dāng)，這種不協(xié)調(diào)性說明兩點(diǎn)，18—21時(shí)雷暴過程已處衰亡期，地閃發(fā)生次數(shù)明顯減少；經(jīng)過18—21時(shí)衰亡期的雷暴過程比經(jīng)過12—15時(shí)生長期的要多，意示著有部分雷暴過程的生成時(shí)間在15時(shí)之后。

圖2 地閃發(fā)生概率（a）和地閃日均次數(shù)（b）的時(shí)段分布Fig.2 Occurrence probability distribution and frequency of CG lightning in every 3 hours during a day

在系統(tǒng)影響下，除了7—9月比4—6月更容易產(chǎn)生雷暴天氣外，還存在以下區(qū)別：4—6月的雷暴過程比7—9月的雷暴過程在高峰期15—18時(shí)產(chǎn)生的地閃更多，7—9月的雷暴過程的持續(xù)時(shí)間相對較長或者部分雷暴過程生成時(shí)間相對滯后。原因分析，7月以后太陽輻射減少，熱力條件下降，海風(fēng)減弱，對雷暴的劇烈程度造成影響，導(dǎo)致地閃次數(shù)減少；下半年隨著太陽輻射減少、氣溫下降，雷暴云產(chǎn)生的時(shí)間也會相應(yīng)推后。

2.3 空間變化特征

利用系統(tǒng)影響資料和對應(yīng)的地閃數(shù)據(jù)，按系統(tǒng)影響日期以40 km×40 km為網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格各時(shí)段的地閃日，再除以系統(tǒng)影響天數(shù)得到格點(diǎn)概率，然后用Kriging插值法對格點(diǎn)值進(jìn)行插值處理，即得到各時(shí)段地閃發(fā)生概率的空間分布（圖3）。

圖3 各時(shí)段（a～f）地閃發(fā)生概率分布（單位：%）Fig.3 Occurrence probability distribution of CG lightning in every 3 hours (a～f) during a day (unit:%)

在00—12時(shí)，各時(shí)段的地閃發(fā)生概率中心主要分布在海南島東南部，即在三亞、陵水、萬寧南部等東南沿海一帶，最大概率為5%左右，從三亞的海棠灣至萬寧的牛嶺是概率高值區(qū)。從等值線變化來看，雷暴過程少動或移動緩慢，隨時(shí)間推移部分會向西北擴(kuò)展，從前面地閃次數(shù)時(shí)段分布分析來看，雷暴過程較弱，地閃發(fā)生次數(shù)較少。原因分析，在系統(tǒng)影響下，海南島東南部低空吹東南背景風(fēng)，夜間與陸風(fēng)匯合引起動力抬升，但由于沒有白天的熱力條件，陸風(fēng)又較弱，對流發(fā)展受限，因此夜間的雷雨過程發(fā)展緩慢、弱小。太陽出來后，南部的群山產(chǎn)生的谷風(fēng)對雷雨云有維持作用，因此從08—12時(shí)在南部山區(qū)會有零散的地閃發(fā)生（圖3a～3d）。

12—15時(shí)在白沙與儋州的交界處有一個15%的概率中心，與12時(shí)之前的東南沿海高值區(qū)相隔甚遠(yuǎn)。新高值中心的出現(xiàn)說明，在系統(tǒng)影響下海南島午后雷暴過程在白沙與儋州的交界處生成的概率最大，原因在于夏季海南島西北部在12—14時(shí)海風(fēng)達(dá)到最強(qiáng)，與西南背景風(fēng)形成風(fēng)場輻合切變，加上午后優(yōu)越的熱力條件和山區(qū)地形由于受熱不均引起的擾動，極易觸發(fā)強(qiáng)對流發(fā)生（圖3e）。

15—18時(shí)概率中心移到澄邁南部，中心值上升到40%，這是全天各時(shí)段的最大概率值，說明在15—18時(shí)在澄邁的南部最容易出現(xiàn)雷暴天氣，配合地閃次數(shù)，此時(shí)段也是雷暴過程最強(qiáng)盛、地閃發(fā)生最猛烈的階段（圖3f）。

18—21時(shí)概率中心移到澄邁的東部邊界，中心值降到了25%，說明在此時(shí)段雷暴過程進(jìn)入到衰亡階段，地閃發(fā)生逐步減少（圖略）。

21—24時(shí)，概率中心出現(xiàn)在屯昌北部，概率中心值只剩4%。過了21時(shí)，大部分雷暴過程已東移入海消亡，只有極少數(shù)雷暴過程能停留在陸上延續(xù)到21時(shí)之后，而這些雷暴過程往往生成較晚，且發(fā)展較弱（圖略）。

如果把12—21時(shí)的地閃發(fā)生概率中心串連起來，那么從白沙的中部到澄邁的東部再延伸海南島東部海面就是午后雷暴過程最大概率經(jīng)過的路線，呈西南－東北走向，這與系統(tǒng)影響下海南島西北部背景風(fēng)的風(fēng)向吻合。

綜合以上分析再結(jié)合地閃次數(shù)隨時(shí)段變化的情況可以得到，在系統(tǒng)影響下，地閃集中發(fā)生午后，主要發(fā)生海南島北部內(nèi)陸；夜間至上午地閃發(fā)生很少，主要分布在海南島東南部沿海。

3 結(jié)論

1）海南島1—9月均可受系統(tǒng)影響，但地閃活動主要在4—9月。

2）在系統(tǒng)影響下，海南島地閃發(fā)生概率月分布曲線呈雙峰特征，主峰在8月，次峰在5月，00—12時(shí)的地閃概率月分布曲線則與全天曲線不同，呈逐月上升特征。

3）在系統(tǒng)影響下，海南島地閃發(fā)生概率和地閃平均次數(shù)的時(shí)段分布曲線均呈單峰特征，兩者峰值同時(shí)出現(xiàn)在15—18時(shí)，除了12—21時(shí)其他時(shí)段的地閃發(fā)生概率和地閃次數(shù)都很低。系統(tǒng)控制過程的前2天的地閃發(fā)生概率和地閃次數(shù)均比后2天的略低。7—9月的地閃發(fā)生概率在各個時(shí)段都要比4—6月高，但4—6月地閃發(fā)生次數(shù)的峰值比7—9月高。

4）00—12時(shí)各時(shí)段的地閃發(fā)生概率中心分布在東南沿海，概率中心值在5%以下；12—21時(shí)各時(shí)段的地閃發(fā)生概率中心分布在北部內(nèi)陸，概率中心由白沙縣中部向澄邁縣東部移動，移動方向呈西南－東北向，15—18時(shí)概率中心在澄邁縣南部達(dá)到最高值40%，再繼續(xù)往東北移動則開始減弱；21時(shí)以后概率中心分布在屯昌縣境內(nèi)，中心值在5%以下。4—6月各時(shí)段概率中心的空間分布與7—9月的完全一致，但7—9月的概率中心值要比4—6月的大。