珠海市雷电活动的时空分布特征

仇健， 陈惜茂， 黎红源， 梁振辉， 梁伟汉

(1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海　519000；2.珠海市斗门区气象局，广东珠海　519000；3.长讯通信有限公司佛山分公司江门办事处，广东江门　529030；4.江门市气象局，广东江门　529030)



珠海市雷电活动的时空分布特征

仇健1， 陈惜茂2， 黎红源1， 梁振辉3， 梁伟汉4

(1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海519000；2.珠海市斗门区气象局，广东珠海519000；3.长讯通信有限公司佛山分公司江门办事处，广东江门529030；4.江门市气象局，广东江门529030)

摘要：根据1962—2013年珠海市雷暴日观测数据和1999—2009年云地闪电定位资料，通过采用数理统计、气候倾向分析、M-K突变检验、小波分析等方法，对雷暴日变化的周期性、地闪电流幅值及发生频次的时空分布特征进行分析，结果表明：珠海近52年来雷暴日呈整体下降的趋势，其年际变化存在28年的主周期、18年的次周期和7年的第3周期；1968—1990年期间雷暴日数总体呈上升趋势，1991—2013年雷暴日呈下降趋势，但趋势不明显。地闪电流幅值年际差异较大但总体呈现增加的趋势，空间分布大体呈现出“东、南、西三面高，北部低”以及“沿海沿江高、内陆低”的特点。地闪发生频次年际变化上呈现周期性波动，波动周期约为5年；空间分布大体上呈现由北侧内陆向南面沿海逐渐减小的趋势。该特征表明地闪幅值和发生频次与土壤电阻率的分布高度相关，即土壤电阻率低，地闪幅值大，地闪密度小；反之，地闪幅值小，地闪密度大。

关键词：气候学； 雷电活动； M-K检验； 小波分析； 时空分布； 珠海市

受西太平洋副热带高压、热带辐合带、季风槽等环流系统、热带气旋以及系统前后的干湿空气平流叠加、午后热对流等影响，珠海市多雷暴、骤雨等强对流天气，给人民群众的生产、生活带来严重影响。据研究，雷电给我国所带来的灾害呈逐年波动增长趋势，而且其分布变化规律具有明显的区域性特征。许多学者对此做了大量工作，并得到了不同区域内的研究成果[1-7]。本研究通过综合利用雷暴日观测资料以及闪电定位系统探测资料对发生在珠海地区的雷暴日周期特征、正负地闪幅值概率及发生频次的时空分布特征进行分析，以期进一步了解珠海的雷电活动变化规律，为当地政府部门防雷减灾工作提供科学依据。

1资料与方法

使用资料包括1962—2013年珠海市国家气候观象台逐日雷暴数据、1999—2009年南方电网闪电定位数据。研究方法主要有气候倾向分析、Mann-Kendall(M-K)突变检验、小波分析、数理统计分析以及matlab、suffer软件处理。

2结果分析

2.1雷暴日变化的气候特征

1)年际变化趋势及突变特征。

1962—2013年，珠海年平均雷暴日数为62 d，雷暴日年际波动较大(图1a)。雷暴日最多出现在1983年，达到86 d，最少为1991年的35 d，相差达51 d。线性变化趋势表明，珠海市52年来的雷暴日呈现减少趋势(图1a)。经M-K检验表明(图1b)：1968—1990年，珠海地区雷暴日数总体呈上升趋势，尤其以1977—1984年间上升变化趋势最为明显(显著性水平0.05)；1991—2013年，雷暴日呈现下降趋势，但趋势不明显。52年来，雷暴日分别于1967和1986年发生突变，1967年后雷暴日进入偏少期，1986年后雷暴日转为偏多期；但两次突变均不明显(图1b)。

图1　1962—2013年珠海市雷暴日的年际变化(a)和M-K突变(b)

2)周期变化。

小波变换被认为是继Fourier之后又一有效的时间-频率分析方法。采用Morlet小波分析1962—2013年珠海地区雷暴日数据可知，近52年来珠海地区雷暴日变化过程中存在的多时间尺度特征(图略)，即在25～32、15～20和5～8年左右时间尺度的波动比较明显，正负中心交替出现。小波系数方差分析可知(图略)，小波方差最大峰值对应的时间尺度为28年，是珠海地区雷暴日变化的主周期；第2峰值出现在18年，为次周期；而第3峰值为7年，属第3周期。

2.2地闪时间分布特征

1)总体分布。

1999—2009年，珠海地区共发生地闪614 450次，其中，正闪34 917次，约占总闪次数的5.68%，负闪579 533次，占总闪次数的94.32%。正闪电流平均幅值约为37.97 kA，负闪电流平均幅值约为34.56 kA，前者约是后者的1.1倍。

2)地闪年际变化。

1999—2009年，珠海地区地闪电流幅值及发生频次均呈现年际差异变化大的特点(图2)。其中，正闪最大幅值出现在2006年，达71.16 kA，最小幅值出现在1999年，为29.56 kA，最大值是最小值的2.4倍。负闪最大幅值为2006年的51.81 kA，最小幅值为2000年的27.12 kA，最大值是最小值的1.9倍；11年平均地闪发生频数为55 859次，最活跃的2009年可达119 161次，是最少年度的6倍。正、负闪电流幅值在统计的11年内均呈逐年递增趋势，但负闪的增加率较正闪更大；而正、负地闪在发生频次上呈大体相似的周期性变化，波动周期约为5年。地闪电流幅值与发生频次无严格的对应关系，甚至个别年份还会出现相反的波动规律。例如，2004年的地闪电流幅值比2003、2005年大，但2004年的地闪并不比2003、2005年更活跃。

图2　1999—2009年珠海市地闪电流幅值及发生频次的年际变化

3)地闪月变化和季节变化。

珠海地区地闪频次月变化呈现双峰分布，正、负闪频次的逐月变化基本一致(图3)。珠海全年每月都有地闪发生，月平均地闪次数为51 204次，但大部分集中在汛期的4—9月份，占全年地闪总数的95.46%，其中以8月份的地闪活动最为频繁，6月份次之；10月份至翌年3月份的地闪发生频次相对较少，仅占全年的4.54%，地闪发生频次最少的是1月份。由图3还可看到，地闪电流幅值在1—12月份大体呈现反抛物线分布(回归系数0.497 9，达到显著性水平0.05)，正闪电流的高值区位于全年中期，最大峰值出现在6月，达到43.42 kA，比全年正闪电流均值高出14.36%；负闪电流的高值区位于全年的中后期，在11月份达到全年地闪的最大峰值50.99 kA，比全年负闪电流均值高出47.56%。

正、负地闪电流幅值和发生频次在季节变化上均呈现近似单峰分布，且正闪和负闪的分布规律一致。即夏季(6—8月)的地闪频次最多且幅值最大，冬季(12—翌年2月)恰好相反。全年负闪电流幅值随“冬-春-夏-秋”季节依次增大，正闪电流幅值是“冬-秋-春-夏”依次增大。地闪发生频次则按“冬-春-秋-夏”依次递增，符合雷暴活动随着气温、湿度的升高而增多的一般规律。其主要原因是，春季珠海受冷空气入侵势力开始削弱，海洋暖湿气流日趋活跃；随着太阳辐射加强，夏季风逐渐占优势，雷暴等强对流天气相继出现，地闪频次达到最高峰。初秋，盛行南风转为偏北风，地闪频次减少，但受南海和西太平洋热带气旋、热带气团及东风波等系统影响仍会带来雷暴。深秋，受极地大陆性气团影响，冷空气入侵增多、增强，珠海地闪发生进入极少期。冬季，珠海常被单一的大陆冷气团笼罩，盛行东北季风，气层稳定，鲜有地闪发生。

图3　1999—2009年珠海市地闪电流幅值及发生频次的月变化

4)地闪日变化。

由图4可见，1999—2009年珠海地区正、负闪发生频次的日变化均呈现近似3峰分布，但正、负闪峰值出现的时间段不尽相同，负闪的主峰出现在19：00，次峰出现在15：00，第3峰出现在01：00；正闪的主峰也出现在19：00，次峰出现在02：00，第3峰出现在05：00。其中，11年来白天(08：00—20：00)发生地闪次数为390 054次，占地闪总数的63.48%；夜间(20：00—翌日08：00)发生地闪次数为224 396次，占地闪总数的36.52%。全天24 h均有地闪发生。白天热力条件对地闪表现活跃的贡献较为明显，随着上午08：00后太阳辐射的增加和热力对流的发展，负闪发生频次迅速上升，15：00达到白天的第1个峰值；正闪的上升趋势较为平缓且波动较负闪明显。全天正、负地闪发生频次均在19：00分别升至全天最高峰，随后同时急剧下降至23：00的全天最低点。此外，图4所示的正闪电流幅值的日变化呈现出多峰状态，负闪电流幅值日变化趋势则不明显，二者在11：00—20：00之间表现出相反的变化特征，即此期间正闪呈现明显的上升趋势，负闪变化却是稳中有降。全天正闪电流的最大值出现在正午12：00，达到48.89 kA；负闪电流峰值则出现在夜间24：00，为42.42 kA。值得注意的是，在全天地闪发生频次最高的19：00，正闪电流幅值却是全天的最小值。

图4　1999—2009年珠海市地闪电流幅值及发生频次的日变化

2.3地闪空间分布特征

1)地闪电流幅值的空间分布。

将珠海地区按照经纬度划分为0.1°×0.1°的网格并通过matlab、Surfer软件分析，得到珠海市1999—2009年地闪电流幅值的空间分布图(图5a)。可见，珠海地区雷电流幅值的空间分布不均衡，大体呈现出“东、南、西三面高，北部低”以及“沿海沿江高、内陆低”的特征。其中，地闪电流的高值区主要位于香洲区以东海域、横琴新区-金湾区以南海域、平沙镇及以西海域、斗门区白蕉镇，平均幅值大于35 kA。地闪电流的低值区主要分布在珠海内陆的香洲区“前山-上冲-唐家湾”以北、金湾区“三灶镇-红旗镇”和斗门区莲洲镇，平均地闪幅值在32 kA以下。研究表明，雷电流的大小与土壤电阻率呈减函数关系[8]，即土壤电阻率越小，雷电流越大；土壤电阻率越高，雷电流越小。由于珠海地区海岸线较长、地表水网纵横交错、滩涂多和围海造地面积广，且珠海东、南、西三面临海及部分沿江地带通常具有较低的土壤电阻率(表1)，因此上述区域地闪电流幅值较高。而珠海内陆伴有低山丘陵、低丘台地、裸露花岗岩等多种地貌，土壤电阻率相对较高(表2)，因此电流幅值相对较低。

2)地闪密度。

1999—2009年珠海市地闪密度大体上呈现由北向南逐渐减小的趋势(图5b)，即内陆多于沿海，其中，珠海陆地上地闪密度最高位于西北侧的斗门区上横镇，达到10.2次·km-2。地闪密度最低位于珠海西南侧的高栏岛，仅为3.8次·km-2，较雷暴最活跃的上横镇少了62.75%。

图5　1999—2009年珠海市地闪电流幅值(a)和地闪密度(b)的空间分布

序号土壤电阻率/(Ω·m)测试地点序号土壤电阻率/(Ω·m)测试地点17.8情侣北路1135.9斗门白蕉26.8情侣北路1219.3金湾互通立交358.8情侣中路1323.3三灶镇草堂477.8情侣南路1447.7三灶定家湾528.3情侣南路1529.9平沙镇624.7十字门商务区16100.0平东大道西718.2横琴环岛东路1721.3高栏港大道以东831.2横琴环岛西路1892.2高栏石化区952.6保税区西侧19101.9高栏精细化工区1022.5鹤洲北20115.9高栏环岛西路

表2　内陆丘陵地带部分土壤电阻率测试结果

3结论

1)1962—2013年珠海雷暴日呈整体下降趋势，并于1967和1986年发生2次突变；小波分析发现其存在多尺度振荡特征，有28年的主周期、18年的次周期和7年的第3周期变化。

2)1999—2009年，珠海正、负地闪电流幅值均呈逐年递增趋势，二者发生频次呈大体相似的周期性变化，但幅值与频次在年际变化上无严格的对应关系。

3)1999—2009年珠海地闪频次月变化呈现双峰分布，地闪电流幅值呈现反抛物线分布。正、负地闪电流幅值和发生频次在季节变化上均呈现近似单峰分布，且正闪和负闪的分布规律一致。夏季发生的雷击次数最多且电流最大，冬季发生的雷击次数最少且电流最小。

4)地闪频次日变化呈现近似3峰分布，白天(08：00—20：00)发生地闪占地闪总数的63.48%；夜间(20：00—翌日08：00)地闪占总数的36.52%。白天热力条件对地闪表现活跃的贡献较为明显。正闪电流幅值的日变化呈现出多峰状态，负闪电流幅值日变化趋势则不明显。

5)地闪幅值空间上呈“东、南、西3面高，北部低”以及“沿海沿江高、内陆低”的特点，而地闪密度在空间分布呈由北向南逐渐减小的趋势，内陆多于沿海。这一特征表明地闪幅值和发生频次与土壤电阻率的分布高度相关，即土壤电阻率低，地闪电流幅值大，地闪电流密度小；反之，地闪电流幅值小，地闪密度大。

参考文献:

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[8]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.

收稿日期：2015-05-20

作者简介：仇健(1982年生)，男，工程师，主要从事防雷技术服务工作。E-mail：56650681@qq.com

中图分类号：P46

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.007

Characteristics of the Spatial and Temporal Distribution of Lightning Activity in Zhuhai City

QIUJian1,CHENXi-mao2,LIHong-yuan1,LIANGZhen-hui3,LIANGWei-han4

(1.Service Center of Public Meteorology of Zhuhai City, Zhuhai 519000; 2.Meteorological Bureau of Doumen District, Zhuhai City, Zhuhai 519000; 3.Jiangmen Office, Foshan Branch, Changxun Communication Co. Ltd., Jiangmen 529030; 4.Meteorological Bureau of Jiangmen City, Jiangmen 529030)

Abstract：Using the observed data of lightning days of Zhuhai from 1962 to 2013 and the data of cloud-to-ground (C-G) lightning locations from 1999 to 2009, we used the methods of mathematical and physical statistics, climate trends analysis, Mann-Kendall abruptness test and wavelet analysis to study the temporal and spatial distribution characteristics of the variation periodicity of lightning days, the amplitude of C-G lightning current and the occurring frequency of C-G lightning. The result is shown as follows. Generally, the number of lightning days (NLD) shows a dropping trend in Zhuhai over the 52 years, with a primary period of 28 years, a secondary period of 18 years and a third period of 7 years on the interannual scale. From 1968 to 1990, the NLD tended to rise on the whole while falling mildly from 1991 to 2013. Interannual differences are large in the amplitude of C-G lightning current but tend to increase generally. Its spatial distribution is generally featured by a pattern of higher frequency on the east, south and west sides than on the north side and one of higher frequency on the coast and river banks than inland. For the interannual variability, the C-G frequency varies at a period of about 5 years and its spatial pattern tends to decrease gradually from inland areas in the north to the coast in the south. This characteristic shows that the amplitude and occurring frequency of the C-G lightning are highly correlated with soil resistance; the lower the soil resistance, the larger the amplitude of C-G lightning and vice verse.

Key words：atmospheric phenomena; lightning activity; M-K test; wavelet analysis; spatial and temporal distribution; Zhuhai city

仇健， 陈惜茂， 黎红源， 等.珠海市雷电活动的时空分布特征[J].广东气象，2016,38(1)：27-31.