哈尔滨市地面电场特征分析

张 欢 于成龙 杨晓强

(黑龙江省气象科学研究所，哈尔滨，150030)

雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一，地球上每秒大约有2 000多个雷暴在发生，并伴随着大量闪电，全球每年因雷电灾害伤亡超过10 000人，经济损失数十亿美元［1］。随着全球气候的变暖，极端天气事件增多，闪电活动作为雷暴中的一个重要天气现象，对气候变化的影响及其响应问题越来越受到人们的关注［2-4］。

哈尔滨市位于亚欧大陆东部中高纬度，属于中温带大陆性季风气候，7月下旬至8月上旬夏季风达到鼎盛，是哈尔滨市降雨最集中的时期，也是雷电灾害集中的时期［5-6］。由于地闪的区域性特征较强，针对某一特定地区的地闪特征分析显得尤为重要［7］。为此，本研究在获取2009年10月—2010年9月的哈尔滨市大气电场仪及闪电定位仪观测数据的基础上，利用统计和地理分析的方法，分析哈尔滨市雷暴日的地面电场特征，不但是对2008年新布设在哈尔滨市的地面电场测量仪所观测数据应用的一种尝试，也可为提高该市雷电预警、预报的效率和准确程度提供科学的参考。

1 研究区概况

哈尔滨市位于东经 125°42'～130°10'、北纬 44°04'～46°40'，地处中国东北北部地区，黑龙江省南部，是黑龙江省省会，辖8区10县(市)。哈尔滨市属中温带大陆性季风气候，冬长夏短，年平均温度3.6℃;全年平均降水量569.1 mm，降水主要集中在6—9月，夏季占全年降水量的60%。

哈尔滨市也是雷电的高发区，每年都有强雷暴天气损毁通讯等设施的相关报道。

2 数据来源

本研究数据获取地点为黑龙江省气象台地面观测站，位于东经 126.62°，北纬 45.68°，海拔 172 m，观测场四周空旷平坦，场地应平整，保持有均匀草层。闪电数据分别来自布设在气象观测场外的DNDY地面电场仪，和布设在气象观测场外内的ADTD闪电定位仪。

3 结果与分析

3.1 地闪的时间分布特征

表1为2009年10月—2010年9月哈尔滨市每次闪击产生的雷电流强度分类统计结果。由表1可见，哈市所有雷电流强度绝对值|I|≥1 kA。参照曾山泊等［8］对雷电流强度绝对值的分级方法，按1 kA≤|I|＜10 kA、10 kA≤|I|＜20 kA、20 kA≤|I|＜30 kA 和|I|≥30 kA 4个等级来研究该市雷电流分布特点。

表1 哈尔滨市不同雷电流强度等级下的地闪次数

分析可见，研究时段内哈尔滨市以负地闪为主，占总地闪次数的91.74%。从雷电流强度上看，以雷电流强度|I|≥20 kA的地闪为主，占总地闪次数的 83.44%。

图1a为按照月数据统计的研究区2009年10月—2010年9月不同等级雷电流强度的地闪次数，将同等级雷电流的地闪次数汇总来分析可见，除1 kA≤|I|＜10 kA的地闪次数无明显变化，维持较低次数外，|I|≥10 kA闪击次数月变化呈单峰分布，峰值出现在7月份，占全年闪击总次数的39.31%;6月和8月次之，分别占全年闪击总数的33.06%和21.46%;其它月份闪电较少或无闪电发生。图1b为按照小时数据统计的研究区2009年10月—2010年9月不同等级雷电流强度的地闪次数，将同等级雷电流的地闪次数汇总来分析可见，1 kA≤|I|＜10 kA的地闪次数无明显变化，维持较低次数;10 kA≤|I|＜20 kA出现双峰变化，在15：00出现一个高峰，在22：00出现一个次高峰;|I|≥20 kA呈现波动变化，6：00—7：00、12：00—16：00 和 22：00 分别出现高峰值，其中12：00—16：00出现的高峰值最大，且维持时间最长。

图1 哈尔滨市不同雷电流强度的地闪次数

3.2 地闪的空间分布特征

图2用渐进色描述了哈尔滨市1 a之中每平方公里范围内受到地闪次数的空间分布，可见，哈尔滨市北部受闪击次数明显高于南部，其中巴彦、木兰、通河和依兰均出现2次/km2以上遭受闪击的地区，可见，相对其他地区而言，该地区遭受雷击的概率最大，原因可能是当地的山地地形有利于局地强对流天气的形成，从而易形成雷电;哈尔滨市辖区和五常市只出现了0.5次/km2以下的闪击。

图3显示了研究区平均每次闪击的电流强度的绝对值的密度分布，可见，大约以北纬45.6°为界，哈尔滨北部地区的雷电流强度要明显大于南部地区，与地闪次数密度分布(图2)相对应，雷电流强度高的地区，地闪次数也相对较高，反之亦然。具体分析可见，雷电流强度绝对值在50 kA以上的地区，地闪次数的密度也在2次/km2以上;雷电流强度绝对值在30～40 kA之间的地区，地闪次数的密度也在1～2次/km2之间;雷电流强度绝对值在30 kA以下的地区，地闪次数的密度也在1次/km2以下。

图2 哈尔滨市2009年10月—2010年9月地闪密度分布

3.3 典型闪电的地面电场特征

本文应用的DNDY型地面电场仪可对10 km范围内的发生的闪电进行探测，ADTD闪电定位系统的观测范围为300 km左右，为研究典型闪电的地面电场特征，利用ARCGIS软件对数据进行筛选，获取同时在大气电场仪和闪电定位仪观测范围内的数据(如图4)。根据第3.1节分析可知，7月为哈尔滨市闪电的高发期，因此，本文选取2010年7月11日1次完整的典型雷暴天气过程的电场变化，研究哈尔滨市雷电的地面电场变化特征，电场记录时间为16：59：00—19：43：59(图5)。

图3 哈尔滨市2009年10月—2010年9月地闪雷电流强度密度分布

图4 大气电场仪范围内的地闪分布

图5 2010年7月11日典型雷暴天气过程中的地面电场变化

图中OEOS(end of storm oscillation)为雷暴结束时引起的电场值的慢速振荡，PFEAW(field excursion associated with precipitation)为因短时降水而引起的电场值漂移。在这次雷暴天气过程中，地面电场强度主要为正值，正、负最大值分别为29.53和-18.79 kV/m，各出现在17：26：45和17：49：50。在该次雷暴过程中，地面电场强度的第一极大值(5.64 kV/m)出现在 17：18：02，最后一个极大值(3.18 kV/m)出现在 19：17：04。

在整个雷暴过程中，雷暴云所控制的地面电场开始起电时为正电场，在闪电的作用下极性逐渐发生变化，发生电场值漂移多是由于雷暴天气过程中快速下落的冰相或液相粒子所带的电荷极性与影响地面电场的云中电荷区极性相反，这些粒子的降落使地面电场值发生了改变。而电场值的慢速震荡一般情况下是由正到负，再由负到正，最后回到接近零的晴天电场值。由此可见，虽然哈尔滨市市辖区相对哈尔滨市北部地区的雷电发生次数偏少，但短时间雷暴也可能引起较大电场变化。

4 结论

利用安装在黑龙江省气象观测站的闪电定位仪和地面电场仪的观测数据，应用统计和地理分析的方法，对2009年10月—2010年9月哈尔滨市雷暴日的地面电场特征进行分析，结果表明：哈尔滨市的地闪以负地闪为主，占总地闪次数的91.74%，且多数地闪出现在7月份。全年地闪的雷电流强度绝对值均在1 kA以上，且以雷电流强度|I|≥20 kA的地闪为主，占总地闪次数的83.44%。

哈尔滨市北部受闪击的次数明显高于南部，与地闪次数密度分布相对应，雷电流强度高的地区，地闪次数也相对较高，反之亦然。

在一次典型的雷暴天气过程中发现，哈尔滨市市辖区闪电在短时间内可以引起较大的电场变化，正、负最大值分别为29.53和-18.79 kV/m。

［1］郄秀书.全球闪电活动与气候变化［J］.干旱气象，2003，21(3)：69-73.

［2］苟学强，张义军，董万胜，等.基于小波的地闪首次回击辐射场的多重分形分析［J］.地球物理学报，2007，50(1)：101-105.

［3］张棉，王振会，肖稳安.南京对流降水和闪电的TRMM资料分析［J］.气象科学，2010，30(4)：468-474.

［4］Williams E R，Mushtak V C，Rosenfeld D，et al.Thermodynamic conditions favorable to superlative thunderstorm updraft，mixed phase microphysics and lightning flash rate［J］.Atmos Res，2005，76：288-306.

［5］钟幼军，曹铁英，宫延平，等.黑龙江省雷电活动气候特征分析［J］.自然灾害学报，2007，16(5)：79-83.

［6］袁湘玲，纪华，程琳.基于层次分析模型的黑龙江省雷电灾害风险区划［J］.暴雨灾害，2010，29(3)：279-283.

［7］周筠珺，张健龙，孙凌.京、津、冀地区地闪特征的统计分析［J］.灾害学，2009(1)：101-105.

［8］曾山泊，肖稳安，李霞.苏州地区雷暴活动规律和雷灾分析［J］.气象科学，2006，26(5)：517-524.