海南岛低压槽类天气系统雷达回波和地闪特征分析

劳小青， 周方聪， 潘家利， 高 燚， 张廷龙，韦传波， 李 敏

(1.海南省气象灾害防御技术中心，海口 570203； 2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203；3.琼中黎族苗族自治县气象局，海南 琼中 572900)

引 言

雷电灾害被联合国列为十大自然灾害之一。海南岛是我国雷暴最多的地区，年平均雷暴日数近一半县市在100天以上[1]。海南也是我国雷电灾害最严重的地区之一，考虑到人口权重，海南是全国人员伤亡率最高的省份[2]。据不完全统计，1999至2011年间海南岛雷击共造成405人伤亡[3]。因此，做好雷电预警工作对保护当地人民的生命财产安全有着非常重要的意义。利用天气分型做短期天气预报是20世纪中期老一辈气象工作者摸索出来的经验，曾被广泛使用。长期的实践证明这是20世纪非常有效的短期天气预报方法[4-5]。西南低压槽、南海低压槽、华南沿海槽是夏秋季影响海南岛最多的低压槽类天气系统，也是产生雷暴最多的天气系统[6]。研究3种天气分型影响下的地闪发生规律和分布特征，对海南岛的雷电预警和雷电防护有积极意义。

雷电的发生与雷暴云的强度、高度密切相关。雷达是观测强对流天气、开展雷电预警的重要设备[7-11]。研究表明，雷达回波特征参数与闪电具有一定的关系[12-20]。其中，强度为40 dBZ的回波伸展到0 ℃层高度是雷电预警的关键指标[21-24]。本文尝试从该指标入手，分析海南岛分别在3种低压槽类天气系统影响下的40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率、地闪发生概率、0 ℃层上强度≥40 dBZ的回波面积等变量的时空分布特征，探讨海南岛在低槽类天气系统影响下的雷达回波和地闪的活动规律及它们之间的对应关系，以期为当地的雷电预警和短期天气预报业务提供技术参考，也以此验证天气分型预报方法的科学性和稳定性。

1 资料和处理

1.1 数据资料来源

本文采用雷达、闪电定位、天气分型3种数据资料，年限为2014-2018年6-8月。雷达数据来自海口多普勒雷达，地闪数据来自海南省ADTD闪电定位系统，天气系统分型资料来自海南省气象台。

海口多普勒雷达位于海口永庄，海拔127 m。

海南省ADTD闪电定位系统建于2009年，是一套VLF云地闪观测系统，观测距离300 km，观测精度500 m。系统分别在海南岛的海口、琼海、东方、三亚、琼中等市县布设了5个监测站点，站点间距在180 km以内。为保证定位的准确性，本文只采用3站以上定位数据。

天气分型及其天气规律在《海南省天气预报技术手册》中有详细的定义和描述[25]。在西南低压槽、南海低压槽、华南沿海槽影响下，海南岛在850 hPa分别以西南、偏东、偏西环境风为主。6-8月，在西南低压槽、华南沿海槽影响下，降水主要出现在海南岛西北部内陆；在南海低压槽影响下，降水主要出现在海南岛西部和东南部内陆。

华南沿海槽、南海低压槽、西南低压槽是海南岛2014-2018年6-8月影响天数最多、产生地闪次数最多的三种天气分型(见图1，图1中Swt、St1、St2、Wf、Ef、Dd、Yt、G1、G2分别代表西南低压槽、南海低压槽、华南沿海槽、冷空气偏西下、冷空气偏东下、热带气旋、越南低压槽、副热带高压、变性高压等天气分型)。

1.2 数据处理

黄小燕等[26]在统计1970-2012年夏半年中国大气0 ℃层高度后认为，中国华南地区夏半年0 ℃层高度为5200-5500 m。由于本研究不涉及大气0 ℃层的电荷结构变化及降水粒子相变分析，不需要精确的0 ℃层高度值。为便于数据计算，本文大气0 ℃层高度统一取5500 m。

图1 2014-2018年6-8月海南岛各天气分型影响天数和地闪次数占比

数据处理关键是雷达基数据的处理，分为基数据预处理和分析处理两个过程。

基数据预处理包含基数据展开、产生0 ℃层高度文件、格点化等。

数据分析处理包含40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率、0 ℃层高度上强度≥40 dBZ的回波面积、满足40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度条件下的地闪发生概率、地闪次数与0 ℃层高度上强度≥40 dBZ回波面积的比值等时间分布，还有40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度概率的空间分布、地闪发生概率的空间分布等。其中，满足40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度条件下的地闪发生概率和地闪次数与0 ℃层高度上强度≥40 dBZ回波面积比值数据经S-G平滑法平滑处理，40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度概率的空间分布和地闪发生概率的空间分布采样网格为40 km×40 km，网格数据经克里金(Kriging)插值法插值处理。

2 结果与分析

2.1 40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率

图2为2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的天数与实际影响天数的比值。由图2可看出，3条概率日变化曲线走向基本一致，主要呈单峰特性。21:00-09:00，3条曲线都存在小辐振荡，南海低压槽概率曲线在25%-40%波动，华南沿海槽的在10%-30%波动，西南低压槽的在15%以下波动；3条曲线的高峰期均为09:00-21:00，南海低压槽和华南沿海槽的概率曲线到达峰值的时间为15:00-16:00，西南低压槽曲线到达峰值的时间则晚2 h，南海低压槽、华南沿海槽、西南低压槽的概率曲线峰值分别为97%、83%、87%。3条概率曲线层次分明，在南海低压槽影响下各个时段的概率值均为最高，在华南沿海槽影响下的概率值在16:00之前均比西南低压槽的高，但之后包括峰值时段均比西南低压槽的稍低。

40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率越高，出现雷暴云的概率就越高[27]，出现雷雨天气的可能性就越大。比较3种天气分型，6-8月在南海低压槽影响下海南岛出现雷雨天气的可能性最大。

图2 2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度概率的日变化

2.2 0 ℃层高度上强度≥40 dBZ的回波面积

图3为2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的0 ℃层高度上强度≥40 dBZ回波面积的日变化。下文中把0 ℃层高度上强度≥40 dBZ的回波面积简称为强回波面积。由图3可知:

(1)3条强回波面积日变化曲线主要呈单峰特性。20:00-10:00，3条强回波面积曲线均处在50～200 km2/d，在华南沿海槽影响下，各时段的强回波面积均为最大，南海低压槽和西南低压槽影响下的强回波面积相差较小。3条强回波面积曲线的主峰期均为10:00-20:00，华南沿海槽影响下的强回波面积在15:00峰值之前明显比南海低压槽的要大,但在15:00之后南海低压槽的强回波面积要稍大于华南沿海槽的；西南低压槽影响下的强回波面积在11:00-17:00明显比华南沿海槽和南海低压槽的要低。南海低压槽和华南沿海槽的强回波面积曲线到达峰值的时间均为15:00-16:00，西南低压槽曲线到达峰值的时间为16:00-17:00。南海低压槽、华南沿海槽、西南低压槽影响下的强回波面积日变化曲线峰值分别为474 km2/d、462 km2/d和292 km2/d。

(2)3种天气分型在12:00-18:00的强回波面积明显要比其他时段的大很多，说明造成海南岛夜间地闪少的原因，除了夜间40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率较低外，还有强回波面积较小的缘故。究其原因，除了白天太阳辐射增温有助于大气对流发展外，还有海南岛白天环境风与海风的叠加辐合作用要比夜间与陆风的叠加辐合作用更强[28]。

(3)强回波面积反映了强对流天气的影响范围。在华南沿海槽影响下，一天多数时段里雷雨天气影响范围比南海低压槽影响下的大，西南低压槽是3种天气分型中雷雨天气影响范围最小的，特别是在12:00-18:00差距更明显。

图3 2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的0 ℃层高度上强度≥40 dBZ回波面积的日变化

2.3 地闪次数

图4为2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的地闪次数日变化。图4显示，3条地闪次数日变化曲线主要呈单峰特性。19:00-12:00，华南沿海槽和西南低压槽的地闪次数日变化曲线振荡频繁，而南海低压槽曲线则相对较平坦，华南沿海槽对应的地闪日变化曲线明显位于其他两条曲线之上。3条曲线的主峰期均为12:00-19:00，华南沿海槽和南海低压对应的地闪日变化曲线到达峰值的时间均在15:00-16:00，西南低压槽对应的地闪日变化曲线则在14:00-15:00达到峰值。华南沿海槽、南海低压槽和西南低压槽对应的地闪日变化曲线峰值分别为110次/d、91次/d和55次/d。此外，对比3种天气分型，在华南沿海槽影响下全天各时段的地闪次数几乎都是最多的，在南海低压槽影响下，除19:00-11:00的地闪次数比西南低压槽的略少外，在11:00-19:00明显比在西南低压槽影响下的多。

表1为2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率(简称强回波概率，下同)、强回波面积、地闪次数等3组日变化数据经CORREL函数相关性分析的结果。由表1可看出，从单个天气分型分析，3组数据间有很好的相关性，强回波面积与地闪次数的相关性最高，强回波概率与地闪次数相关性最低。

图4 2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的地闪次数日变化

表1 2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的强回波概率、强回波面积、地闪次数日变化数据相关系数

从3种天气分型的比较分析可知，40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度概率的日变化曲线分布与强回波面积、地闪次数的曲线分布差别较大，而强回波面积与地闪次数的日变化曲线分布相对较相似。

综上所述，无论是从单个天气分型的3组日变化数据相关性比较,还是从3种天气分型日变化曲线分布的相互比较，强回波面积与地闪次数均呈明显的正相关关系。

2.4 地闪发生概率和地闪次数与强回波面积比值

图5(a)为2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的地闪发生概率的日变化。由图5(a)可看出，3条概率日变化曲线呈多峰特性。在华南沿海槽影响下，22:00-06:00地闪发生概率大于100%，说明有些地闪在没有满足40 dBZ回波伸展到5500 m条件时已经发生。在华南沿海槽影响下夜间会出现这种现象的原因目前尚无法解析，有待以后研究分析。18:00-11:00，华南沿海槽影响下的地闪发生概率最高。9:00之前，华南沿海槽影响下的地闪发生概率都在80%以上，而南海低压槽、西南低压槽影响下的地闪发生概率峰值都在85%以下。05:00-09:00，西南低压槽影响下的地闪发生概率为70%～80%，高于南海低压槽的。在南海低压槽影响下，14:00-17:00地闪发生概率在90%以上；华南沿海槽影响下的地闪发生概率峰值为89%，西南低压槽影响下的地闪发生概率峰值为78%。可见，在午后地闪发生的高峰期，南海低压槽影响下的地闪发生概率最高，其次是华南沿海槽的，西南低压槽影响时发生的地闪概率最低。

图5(b)为2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的地闪次数与强回波面积比值的日变化。由图5(b)可看出，3条日变化曲线呈多峰特性。3条曲线在19:00-00:00出现一个明显的高峰期，而这个时段已过了地闪的主要发生期，这是由于在低压槽天气影响下，特别是西南低压槽影响下，在20:00-22：00，虽然主要的雷暴过程已过境或结束，但在海南岛北部内陆仍经常会有发展缓慢的雷暴单体在活动，这些雷暴单体一般移动少、强度较弱、强回波面积小。00:00-12:00，华南沿海槽影响下在大部分时间段里的地闪次数与强回波面积的比值都是最高的，西南低压槽的次之，南海低压槽的最低；12:00-19:00，华南沿海槽影响下地闪次数与强回波面积的比值明显比其他两个天气分型影响下的高，而南海低压槽与西南低压槽的则相当。

图5 2014-2018年6-8月海南岛3种低压槽天气的地闪发生概率(a)、地闪次数与强回波面积比值(b)日变化

综上所述，在华南沿海槽影响下，强回波面积最大，地闪次数也最多；在南海低压槽控制下，40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率最高，同时午后地闪发生概率最高；在西南低压槽影响下，40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率、强回波面积、地闪次数在午后各时间段都要比华南沿海槽和南海低压槽的低。

2.5 地闪发生概率和40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度概率的空间分布

图6为2014-2018年6-8月12:00-19:00海南岛3种低压槽天气的地闪发生天数与系统影响天数的比值分布。在图6中，12:00-19:00，南海低压槽、华南沿海槽、西南低压槽影响下地闪发生概率中心值分别为70%、55%、50%。3种天气分型的地闪发生概率中心分布有共同点，但并不完全相同。共同点是地闪都主要分布在海南岛的北半部内陆，但具体分布区域并不一致。西南低压槽影响下地闪主要分布在澄迈县的南部，地处海南岛北部内陆；南海低压槽影响下地闪主要分布在儋州市的南部，处海南岛西北部内陆；华南沿海槽影响下地闪主要分布在海口市南部，处海南岛东北部内陆。午后雷暴天气主要分布在海南岛北部的原因，一是北部的热力条件要比南部的好[29]，二是海南岛西南部山脉对偏西、西南环境风的阻挡分流作用，有利于北部的西南环境风与偏北、偏东的海风辐合[30]。海南岛南部环境风被阻挡分流转向为偏南风后，与海风叠加，造成南部午后出现较强的南风，不利于不稳定能量的堆积，使南部的乐东、三亚、陵水等市县的午后强对流天气减少。地闪发生概率中心的分布区域与环境风和海风的叠加、幅合作用紧密相关，海陆风的日夜变换加上西南部山脉对气流的阻挡分流作用，使海南岛地面风场非常复杂，但西南部山脉对环境风、海风的阻挡分流作用有利于北部的气流幅合。

图6 2014-2018年6-8月12:00-19:00海南岛3种低压槽天气的地闪发生概率分布

图7为2014-2018年6-8月12:00-19:00海南岛3种低压槽天气的40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的天数与系统影响天数的比值分布。由图7可看出，40 dBZ回波伸展到0 ℃层的概率中心值以南海低压槽影响下的85%为最高，华南沿海槽和西南低压槽的均为75%。西南低压槽影响下的强回波概率中心主要分布在澄迈、定安、琼中、屯昌等北部内陆市县，南海低压槽影响下的强回波概率中心主要分布在儋州、白沙等西部市县，华南沿海槽影响下的强回波概率中心主要分布在定安、海口南部、文昌东部等东北部市县。

对比图7与图6可知，3种低槽天气对应的强回波概率中心与地闪发生概率中心是重合的，说明午后强回波概率高的区域，地闪发生概率也高，两者呈正相关关系。逐时分析3种低槽天气对应的强回波概率和地闪发生概率发现，3种低槽天气对应的强回波概率中心和地闪发生概率中心在12:00-19:00均向东北方向移动，南海低压槽影响下两中心由昌江中部向儋州南部移动，华南沿海槽影响下两中心由琼中中部向海口南部移动，西南低压槽影响下两中心由儋州南部向澄迈东部移动，这与3种低槽天气的环境风与午后海风辐合作用有关。另外，强回波概率和地闪发生概率的等值线均有向南部山区倾斜的趋势。这是由于在环境风与陆风的作用下，在海南岛东南部沿海夜间经常会出现短时间、很弱的雷暴天气。到了白天，由于南部山脉特别是五指山对偏东环境风和海风的阻挡及山区产生的谷风影响，残留的雷暴云得以维持和发展。这种雷暴云在白天持续时段一般为08:00-15:00，并由东南沿海逐渐向西部内陆扩散。这种由地形因素维持的雷暴云，往往发展有限，影响范围很小[31]。当北部内陆新的雷暴单体发展起来后，这种地形云就会消散。

图7 2014-2018年6-8月12:00-19:00海南岛3种低压槽天气的强度40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率分布

对午后的地闪次数进行网格化分析发现，地闪次数分布中心与强回波概率中心、地闪发生概率中心也是重合的。由此推论，地闪次数中心与降水中心可能也是重合的。与《海南省天气预报技术手册》描述的降水区域分布比较，南海低压槽和西南低压槽影响下的强回波概率中心和地闪发生概率中心分布与《海南省天气预报技术手册》描述的降水区域重合。但在华南沿海槽影响下，强回波概率中心和地闪发生概率中心分布在海南岛东北部内陆，而《海南省天气预报技术手册》描述的降水区域却在海南岛西北部内陆。之所以有这样的偏差，可能是过去降水观测站分布较稀疏(一县一站)，而真正的降水中心并不在观测站点上导致的。

3 结论与讨论

3种天气分型的共性特征：

(1)0 ℃层上强度≥40 dBZ的回波面积与地闪次数呈正相关；

(2)午后40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率与地闪发生概率呈正相关；

(3)午后40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率中心与地闪发生概率中心完全重合。

3种天气分型的个性特征：

(1)在华南沿海槽影响下，0 ℃层上强度≥40 dBZ的回波面积最大，同时地闪次数最多，午后地闪发生概率中心分布在以海口市南部为中心的海南岛东北部内陆；

(2)在南海低压槽影响下，40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率最高，同时午后地闪发生概率最高，午后地闪发生概率中心分布在以儋州市南部为中心的海南岛西北部内陆；

(3)在西南低压槽影响下，午后40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度的概率、0 ℃层上强度≥40 dBZ的回波面积、地闪发生概率、地闪次数等指标都要比华南沿海槽、南海低压槽的低，午后地闪发生概率中心分布在以澄迈县南部为中心的海南岛北部内陆。

采用40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度作为地闪预警指标，显然不如采用伸展到-10 ℃层、-15 ℃层作为预警指标的准确率更高，但从预警时效性上讲，40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度指标的预警时效更长，可为用户争取更多的防备时间。海南岛夏半年的降水经常伴有雷电活动，当满足40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度条件时，在华南沿海槽、西南低压槽、南海低压槽影响下，一天内分别有22、13、11 h的地闪发生概率在70%以上，特别是14:00-19:00在南海低压槽、华南沿海槽影响下地闪发生概率最低的也在80%以上，最高的近100%。可见，在海南岛采用40 dBZ回波伸展到0 ℃层高度作为雷电预警指标，其预警准确率并不低，是可行的。