2007~2011年山东省夏季闪电分布特征分析

宁波,巩在武

1.南京信息工程大学公共管理学院,江苏南京2100442.山东省气象局,山东济南250031



2007~2011年山东省夏季闪电分布特征分析

宁波1,2,巩在武1

1.南京信息工程大学公共管理学院,江苏南京210044
2.山东省气象局,山东济南250031

摘要:利用2007~2011年的地闪资料，从闪电频数、月变化、日变化、电流强度、空间密度等方面研究了山东省夏季闪电的时空分布特征。研究发现：夏季负地闪占总地闪的绝大数；总闪频数在夏季（6~8月）是逐月递增的，正闪比例逐月递减，负闪频数变化与总闪有很好的一致性；地闪频数日变化呈现明显的双峰双谷型，正闪频数的变化是滞后于负闪的；正闪的电流强度均值大于负闪，在高强度区，正闪比例高于负闪；通过分析地闪空间密度分布发现，总体呈现山区大于平原，南多北少，地闪主要分布在鲁中、鲁南山区及胶东半岛。

关键词:山东;闪电;时空特征

近年来，随着闪电探测技术(目前大部分只能探测地闪)的发展，利用卫星、闪电定位系统等探测设备获得的闪电数据对闪电活动特征进行分析取得了重大的进展。研究结果发现，太阳辐射的季节变化和日变化等因素是造成闪电时间分布差异的主要原因；其时空分布可以更加有效地指导防雷工作的开展。何晖等利用XDD03A闪电探测系统提供的2000~2003年的地闪资料,对北京地区地闪活动的基本特征进行分析[1]。李霞等利用苏州地区2002~2004年的地闪定位资料对苏州地区的地闪分布规律进行了分析[2]；钟万强和马金福等对地闪定位资料进行应用研究，得出适合于某一地区的地闪密度计算公式，用于指导当地防雷检测、风险评估[3]；冯桂力等发现闪电活动特征对于冰雹的识别和对冰雹的超短时预报有指示意义[4]；冯桂力利用1998~2000年的闪电定位数据分析了山东地区的地闪时空分布特征[5]。

山东省位于中国东部沿海、黄河下游，境内地貌复杂。中部山地突起，西南、西北低洼平坦，东部缓丘起伏，这种复杂的下垫面为雷电的发展提供了强大的抬升作用，而且在夏季山东省主要受西太平洋副高和大陆热低压控制，经常受热带海洋气团影响，在单一热带海洋气团控制之下，常是天气晴朗、高温而潮湿，这就为强对流天气提供了充分的水汽来源。因此研究山东地区的雷电分布规律还是有重大的实际意义的。本文利用山东省雷电防护技术中心提供的2007~2011年的闪电定位资料，来分析夏季整个山东省地闪的时间演变及空间分布特征，以期更好的认识雷电的发展规律，科学的指导雷电防护工作。

1　资料来源

地闪定位资料来自山东省气象局布设的LD-II型闪电定位系统，利用2007~2011年地闪资料，观测点分别布设在章丘、龙口、荣成、即墨、日照、东明、东平、沾化、夏津、鱼台、蒙阴、郯城和昌邑等13个观测点（如图1）。该系统的时钟同步精度0.1 μs，探测效率理论值90%以上，定位精度300 m。数据处理（处理闪击数据的过程中，把时间间隔不大于1 s，空间距离小于10 kM的所有闪击记为一次地闪）采用磁定向时差综合法进行闪电定位，各个定位仪将接收到的闪电信息和GPS时间信息，通过业务通信网络传送到中心站计算机，通过中心数据系统的计算处理，得到闪击的时间、位置、极性、强度等参数。

图1　山东省闪电定位系统站点分布图Fig.1 The site map of lightning location system in Shandong Province

2　结果与分析

2.1山东省地闪的时间变化特征

山东夏季(6~8月)是强对流天气的高发期，地闪活动比较活跃，由表1可知2007~2011年地闪资料共统计出总地闪2364034次,地闪绝大多数为负地闪，占总地闪的98%以上，正地闪仅占1.5%，正负地闪比为1.5:100，比江苏的正负比4.4:100还要小，出现这种情况的原因可能是，通常情况下在低纬度地区，雷暴云中的电荷结构是正负正的三极结构（出现反三极性电荷结构的情况少见），位于中层的负电荷区对上层正电荷的屏蔽作用使正闪发生的机会变小（除非在雷暴云发展的成熟阶段，高层的云毡的存在使电荷结构发生倾斜，使正电荷对地放电）。在表1中，还可以看出正地闪的平均电流强度值为25.65 KA，接近负地闪平均值的2倍，原因可能是负地闪的频数要远远大于正地闪，再由电荷守恒的原理可知，每次负地闪中的电荷就相对减少,云地放电的强度也就比较小了。

表1　2007~2011年山东夏季地闪总体特征Table 1 The general features of lightning of Shandong in summer from 2007 to 2011

2.1.1地闪频数的年变化情况图2中可以看出，在2007~2011年期间，2007和2010年的夏季总地闪频数明显多于其他三年，最大值在2010年达到651474，最小值为2009年351797次，负地闪的变化趋势与总地闪大致相同，最大值为2010年643616次，最小值2009年342929次。而且在每一年中，负闪占当年总闪的98%左右，正闪所占比例较小，但是正闪比例在2009年最大，与其总闪频数呈现了很好的反相关。

冯桂力等利用1998~2000年期间的山东闪电定位数据总共统计出地闪142588次，远少于本图中年平均地闪频数，因而近几年与上世纪末相比地闪频数显著增加[5]。究其原因：一方面，在全球气候变暖的大背景下，地表升温迅速，低层大气温度高，下垫面不稳定有利于对流的发生；另一方面，经济的高速发展，城市中各类高层建筑增多，当雷暴云出现在上空时,空间电场畸变产生较大的电场强度,更易形成触发先导形成回击，此外，空气中气溶胶含量增加,带电离子的比例增多，大气电导率变大，击穿阈值变小，更容易发生云地闪击。

2.1.2地闪的逐月分布在图3也可以看出，山东省总地闪频数在夏季是逐月递增的，8月份达到280773次，负地闪频数与总地闪有较好的一致性，最大值在8月份为278711次，正地闪频数最大值出现在7月份2722次，但是正地闪比例是逐月降低的，最大值在六月份为3.8%，正地闪比例与正地闪频数没有相关性。究其原因：山东夏季主要受西太平洋副热带高压和大陆热低压控制，经常受热带海洋气团影响，在单一热带海洋气团控制下，常是天气晴朗、高温而潮湿有利于热力不稳定能量的累积[6]。此时来自高纬的冷空气南下，在极地气团与热带海洋气团之间形成冷锋。尽管影响山东的冷锋频数和强度远不如春季，但是南方暖湿气流强，经冷空气抬升后常造成暴雨、冰雹等强对流天气。并且在6、7月份南方气旋经常影响山东，出现强对流天气。这种高温湿热的气候条件决定夏季是山东发生多雷暴的季节[7]。

图2　2007~2011山东夏季总闪、负闪、正闪频数及正闪比例的逐年变化图Fig.2 The annual distribution of the number of the lightning (total, negative, positive) and the ratios of positive lightning of Shandong in summer from 2007 to 2011

2.1.2地闪的逐日变化从图4可以看出夏季地闪逐时变化总体呈现明显的双峰双谷型，峰值分别是03和17时，谷值分别是10和23时；总地闪频数在14~20时是一高值区，最大值为27122次，另一高值区是0~4时，区间峰值为21827次；8~13时为一低值区，最小值为10690次，另一低值区在21~24时，次小值为19765次。负地闪频数变化与总地闪有比较好的吻合，而正闪峰值分别是20和24时，谷值分别在12和23时。在图4中可以看出，在各个时段内所占比例，总地闪、负地闪、正地闪有基本一致的变化趋势，总体上是双峰双谷型，但变化规律有所不同，负地闪和总地闪有比较好的一致性，而正地闪的峰和谷都要滞后于总地闪，而且18时以后，各时段内正地闪所占比例的减少要缓于负地闪比例的减少。究其原因可能是由于正地闪主要出现在雷暴云的成熟时期，此时云体内的上升运动减弱，并且在降水和下沉气流的拖拽下，电荷结构发生变化，负地闪减少，正地闪的次数及比例有所加大[8]。

图3　山东夏季总闪频数和正闪比例逐月分布图Fig.3 The monthly distribution of the number of the total lightning andtheratiosofpositivelightninginsummerofShandong

图4　山东省夏季地闪频数和比例逐时分布图Fig.4 The hourly distribution of the number and the ratios of the CG lightning in summer of Shandong

2.2山东省地闪电流强度变化特征

在分析电流强度的变化过程中，划分为0~10共11个等级，分别代表0~5、5~15、15~25、25~35、35~45、45~55、55~65、65~75、75~85，85~95，95以上（强度单位KA）。在图5中，负地闪频数与总地闪有很好的一致性。总地闪在5~15 KA的频数最大为245817次，最大比例为52%；正闪在15~25 KA频数最大为4220次，最大比例为59%，大多数正地闪强度在65 KA以下，大多数负地闪强度在45 KA以下。在图6中可以看出，在第三至第五等级之间，负地闪的累积百分比大于正地闪的累积百分比，而且在第四等级时，两者的累积百分比已达到98%以上，正地闪在15 KA以下累积百分比仅为1.4%。在大于55 KA的大电流累积百分比，正地闪是大于负地闪的。据统计，大于100 KA的闪电次数很少，大于150 KA的地闪几乎没有。按照国标要求，对于第一类防雷建筑物而言，在装设了完整的防直击雷措施后，对于电流强度小于5 KA的地闪，没有很好地防护作用[9]，换言之，仍有13.2%的概率遭受直击雷，因而在雷雨天气时，还需加强雷电的防护意识，远离雷电流的泄放通道，防“旁络闪击”造成人员生命危险和财产损失。

图5　山东省夏季地闪不同等级电流强度频数和比例分布图Fig.5ThedifferentrangedistributionofthenumberandtheratiosofthecurrentintensityoftheflashinsummerofShandong

2.3山东省地闪的空间分布特征

分析山东地区的空间分布特征，把114.5°～123.0°E，34.0°～38.5°N区域按经纬度划分成0.1°×0.1°的网格，然后计算地闪密度（每个网格内的地闪频数除以网格的面积，单位为次/km2/a）。在图7中可以看出，整个夏季全省各地均有地闪出现，地闪密度大于0.4次/km2/a，这主要与夏季水汽丰富，天气炎热温度高，下垫面极易被扰动，易形成对流活动有关；密度大于1.6次/km2/a的地闪高发区主要分布在鲁中地区（滨州市东北部，淄博，莱芜，枣庄及临沂），还有东营的东北一隅以及胶东地区（烟台和青岛市大部）。菏泽市的曹县地区也存在一个明显的高值区。滨州市东北部靠近渤海，夏季海面可以为其提供丰富的水汽资源；东营东北一隅地处黄河入海口，由于大陆和海洋的热力性质有差别，白天陆地的升温大于海面，海面晚上的降温低于内陆，这样就在二者之间由于温差，空气流动增强大气层结不稳定，易触发对流活动。而临沂市多为山地丘陵地貌，下垫面不稳定水汽条件也不好，当大尺度的天气系统经过该地区时，由于地形的抬升及地面场的畸变，在这种情况下，就很容易发生强雷暴天气过程。在胶东半岛出现的高值区，多是由于半岛多受季风气候影响，降水频繁且多为层状云降水，为其提供了大量的水汽来源而且当地经济发展迅速人员密度大，城市的“热岛效应”也有利于对流活动的发生。

图6　山东省夏季地闪不同等级电流强度比例累积分布图Fig.6Thecumulativedistributionoftheratiosofthedifferent rangecurrentintensityoftheflashinsummerofShandong

图7　山东省夏季总闪密度空间分布图Fig.7 The spatial density distribution of the total lightning in summer of Shandong

进一步分析闪电的日变化规律，把一天24 h分为四个时段，分别为02:00~08:00、08:00~14:00、14:00~20:00、20:00~02:00。由图8 a得出，08:00~14:00时，上午对流活动不是很活跃，地闪密度比较小大部分在0.8次/km2/a以下，在莱芜中部和菏泽曹县地区有地闪高值区密度在1.2次/km2/a以上；14:00~20:00时，太阳辐射地面升温，下垫面热力不稳定性增强，对流活动加强闪电频数增多，出现了密度在1.6次/km2/a以上的地闪高值区，主要分布在鲁中和鲁东地区（图8 b）；20:00~02:00时，地面降温趋于稳定，对流活动减弱，主要分布在鲁西北和鲁中东南部地区（图8 c）；02:00~08:00时段，地面降温迅速，层结不稳定性加强，对流活动增多，有多个大于1.6的高值区存在（图8 d）。究其原因，可能夜间常有中低云存在,其存在的作用有三：第一是中低层存在云,说明低层有一定的水汽条件；第二是低云的存在阻碍了地面的辐射降温；第三云层上部的向太空发出长波辐射，增大了大气的不稳定度，另外夜间行星边界层急流的形成也有利于强对流活动的发生和发展[10]。

图8　山东省夏季总闪密度四个时段空间分布图Fig.8 The spatial density distribution of the total lightning at The four periods of summer in Shandong

3　小结

本文利用2007~2011年夏季的地闪定位资料分析了山东半岛的地闪分布特征，结论如下：

（1）在夏季，山东省负闪频数占总闪的98%以上，正负闪比为1.5:100，总闪频数在夏季（6~7月）是逐月递增的，负闪频数与总闪频数的变化有很好的一致性，正闪所占比例是逐月降低的，正比例与正闪频数没有相关性。

（2）地闪的日变化呈现明显的双峰双谷型，两个峰值分别在03和17时，谷值在10和23时，地闪频数的变化滞后于总闪的变化，负闪日变化与总闪变化相关性强，在午后高峰时段外出要做好防对流天气的准备。

（3）正闪的平均电流强度值大于负闪，总闪在5~15 KA频数最大，此等级比例占总数的52%；正闪在15~25 KA频数最大，占总正闪的59%，大多数正闪电流强度在65 KA以下，负闪在45 KA以下，而且在高电流强度区间，正闪所占的比例是高于负闪的。夏季，对于装有完整的直击雷防护措施的第一类防雷建筑物而言，仍有13.2%的可能性遭受雷击。

（4）山东地区地形地貌复杂，下垫面不同，水汽条件不一，因而雷暴天气过程具有很强的局地性，全省闪电密度大小分布不同。夏季全省地闪密度均在0.4次/km2/a以上，大于1.6次/km2/a的地闪高值区主要分布在鲁中地区（滨州市东北部，淄博，莱芜，枣庄及临沂），还有东营的东北一隅以及胶东地区（烟台和青岛市大部）和菏泽市的曹县地区。

参考文献

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[10]邓猛.山东地区雷暴分布特征及潜势预报研究[D].江苏:南京信息工程大学,2013:19-20

Analysis on Characteristics of Lightning in Summer from 2007 to 2011 in Shandong Province

NING Bo1,2, GONG Zai-wu2

1. Institute of Public Administration/Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
2. Shandong Provincial Meteorological Bureau, Jinan 250031, China

Abstract:Based on the data of cloud-to-ground lightning (2007~2011), the spatial and temporal distributions of lightning were studied from many aspects including diurnal and monthly variations of lightning frequency, current strength, and space density in Shandong Province. The results indicated that most ground lightings in summer are predominantly negative. The total and negative lightning frequencies in summer (June-August) show a similar characteristic of increasing month by month while the ratio of positive lightning declining. The diurnal variation of the ground lightning show a shape with two peak-valleys and the frequency variation of positive lightning lags behind the negative. In the high intensity zone, positive lightning has the larger proportion and greater average of current intensity than the negative lightning. Cloud-to-ground lightning mainly occurs in the middle and southern mountain area and the Shandong Peninsula and there is a greater general spatial density in the south and mountains and less in the north and plains in Shandong.

Keywords:Shandong; lightning; temporal-spatial feature

作者简介:宁波(1982-),男,山东章丘人,本科,工程师,主要从事防雷减灾技术服务及气象行政许可工作.E-mail:55775074@qq.com

基金项目:山东省气象局青年科研基金项目(2014SDQN13)

收稿日期:2015-01-29修回日期: 2015-04-09

中图法分类号:S761.5

文献标识码:A

文章编号:1000-2324(2015)04-0613-05