广东地闪时空特征及与降水关系分析

徐安铎，徐碧裕，钟雨珊，张鹃

（1.惠州市惠阳区气象局，广东惠州 516211；2.江门市气象局，广东江门 529000）

广东地处亚热带海洋季风气候区，雷电活动和强降水频繁，每年因雷电、洪涝等灾害造成的经济损失大、人员伤亡重［1-4］。刘三梅等［3］、吕海勇等［4］、庄燕洵等［5］通过分析多年闪电定位资料，得到了广东省雷电频次和强度的时空分布特征。闪电和降水关系的研究一直是闪电气象学的热点，由于强对流天气往往伴随有强闪电活动，利用闪电活动来预警降水量和指示降水的空间分布具有重要应用价值［6-7］。周筠珺等［8-9］利用地闪、降水、雷达和探空资料，发现闪电与对流性降水有较好相关关系，建立了平均雨强与对应时段内地闪频数间的关系式，可利用地闪频次估算对流性降水量；苗爱梅等［10］分析了山西局地大暴雨的地闪特征，发现地闪频次与雨强有很好的相关性；张义军等［11］研究发现强闪电活动与强降水有较强的对应关系，与一般性降水的关系较弱；赵丽娟［12］分析了雷州半岛盛夏闪电活动与降水量及雨强的关系，发现有闪电活动时雨强均值变化幅度加大；周明薇［13］分析邵阳地区闪电与降水的关系，发现地闪频次与闪电对流降水的拟合系数优于其与所有降水的拟合系数。因此，本研究利用广东地区闪电定位及降水资料，分析闪电活动特征及其与降水的关系，旨在了解不同区域闪电和降水关系，为进一步提高强降水预报提供理论依据。

1 地闪数据及研究方法

粵港澳闪电定位系统（Guangdong-Hongkong-Macao Lightning Location System，GHMLLS）是广东地区最主要的业务闪电定位系统之一，该闪电定位系统采用了时差-方向综合定位方法［14］。本研究收集了2016—2020年发生在广东地区的粤港澳闪电定位数据共16 748 993条，每条数据均包含闪电发生的时间、经度、纬度和雷电流及极性等要素，其中正闪占比17.5%，平均电流8.7 kA；负闪占比82.5%，平均电流强度19.4 kA（有研究认为，正闪值小于10 kA的为云间闪电，非真正地闪，剔除这部分数据后，得到正闪占比3.8%，平均电流24.0 kA；负闪占比96.2%；本研究中则包含所有正闪的情况［15-16］）。

从闪电强度概率分布（图1）来看，发生闪电强度10～15 kA的占比最大，达到22.6%；其次是闪电强度5～10 kA以及0～5 kA，占比分别为17.7%和15.5%；大多数闪电发生的强度均在45 kA及以下，占比约为94.8%；少数闪电强度可以达到100 kA以上，占比0.6%左右。

图1 闪电强度概率分布

采用数理统计方法，在广东省范围内（109.5°E—117.5°E，20°N—25.6°N），按照0.1°×0.1°分辨率将其空间网格划分为81×57，统计每个格点内的地闪次数，可以得到5年逐月的地闪频次分布和地闪平均强度分布（时间长度60个月）。同样将86个国家站降水资料通过CRESSMAN插值方法，得到相同网格分辨率的逐月降水量分布和逐月强降水频次分布。最后，利用一元线性回归分析方法，得到地闪频次、地闪强度分别与降水量、强降水频次的回归分析场，并得到相关系数分布。

2 地闪时空特征

2.1 时间多尺度

对比图2a直方图和黑色曲线，广东省内逐月地闪频次呈现双峰型分布，峰值出现在6和8月，与广东逐月降水变化情况基本一致，两者相关系数达到0.95，通过了99.9%显著性检验。其中6月份地闪频次最多，达到388万次；8月份次之，达到321万次。汛期（4—9月）是闪电发生的主要时期，闪电频次占比达到93.7%之多，每年闪电频次高发月份几乎一致；非汛期（10月至次年3月），闪电发生频次少，仅占全年的6.3%。

从闪电强度分布（图2b）上看，4月至10月闪电强度呈现逐月阶段性上升趋势，10月份闪电强度达到全年最大，每年均有类似的峰值特征，对于闪电频次高发的月份（4—9月），其平均闪电电流变化较平稳；10月至次年3月闪电频次虽少，但每年平均闪电电流波动较大。虽然10月份地闪频次少，但其发生的平均闪电强度大；近5年10月份的平均闪电电流27.8 kA。逐月平均地闪强度与降水量相关系数仅为0.14，说明月尺度的地闪强度与降水的关系不紧密。

图2 2016—2020年总地闪逐月分布

图3a是近5年广东省地闪频次逐时分布，由图3a可以看出地闪频次高值时段主要出现在12：00—20：00（北 京 时，下 同），占 比 约 为61.4%。每年的地闪频次日变化特征相近，均是以单峰型为主，峰值出现在15：00。这与前人研究结果一致，峰值主要出现在午后时段［3，12］。每年每站小时平均雨量变化（图3a黑色实线）与逐时地闪频次（图3a直方图）趋势一致，两者相关系数达到0.90，通过99.9%显著性检验。当日15：00为频次最高时段，地闪频次达到约157万次，占当日总地闪频次的9.4%，而00：00为最低时段，地闪频次仅为37万次，占当日总地闪频次的2.2%。地闪频次的这种日变化特征可能与太阳辐射的加热有关，午后热力条件好，雷电能量释放大，使得地闪频次在午后出现峰值。

地闪强度逐时分布（图3b）以双峰型为主：00：00及06：00是两个峰值时段。00：00达到地闪强度峰值，平均地闪强度为19.2 kA，01：00—10：00地闪强度维持在高位状态，且有小幅波动，06：00达到早晨峰值19.6 kA，其中2017年地闪强度峰值为5年最大，峰值强度约22.9 kA。08：00—17：00，地闪强度呈现逐时递减趋势，当日17：00达到谷值，平均地闪电流仅为16.4 kA；而后18：00至次日00：00地闪强度随时间迅速增长。地闪强度的这种日变化特征与地闪频次呈反位相变化，地闪强度谷值对应着地闪频次峰值。结合第1章闪电强度概率分布，有超过50%（55.8%）的地闪电流值是在15 kA及以下。午后地闪频次越高，所有地闪的平均电流值会更加趋近15 kA或以下，故导致午后时段平均地闪强度值为当日最低。这也说明了虽然午后地闪频次高，但并不是每次地闪的强度都比夜间要大，可能一次强地闪过程中，伴随有多次弱地闪。闪电强度日变化逐时分布规律，与丁旻等［17］的研究结果一致。逐时地闪强度与降雨量的相关系数为-0.688，说明在日变化中地闪强度与降雨量也呈负相关关系。

图3 2016—2020年总地闪逐时分布

2.2 地闪空间分布

广东地闪密度（图4a）在空间上以广州为中心向四周递减，中心出现在广州西部、佛山北部，地闪密度达到33次/（km2·年）以上；次中心出现在东莞西北部、广州南部，地闪密度在27～30次/（km2·年）；粤东、粤北以及雷州半岛地区地闪密度则在6次/（km2·年）以下。地闪密度高值主要出现在地形迎风坡前，且河网密布的珠三角平原地区。每年汛期（4—9月）广东受南海夏季风影响，西南或东南季风携带大量水汽，使广东空气湿度增大，水陆受热不均，在地形迎风坡作用下，容易激发出对流性降水，从而更有利于地闪的发生。

地闪平均强度的分布（图4b）总体与地闪密度分布相反，地闪密度大的地区，其平均地闪强度小，以广州为中心的珠三角地区平均地闪强度在14 kA及以下；而地闪密度小的地区，其平均地闪强度大，粤北地区地闪强度16～18 kA，粤东地区地闪强度20～24 kA，上述地区大多为丘陵地形；而雷州半岛地区，平均地闪强度在26 kA以上。

图4 总地闪空间分布（等值线指地形高度100 m以上区域）

3 地闪与降水的关系

从5年总降水量分布（图5a）来看，广东三大暴雨中心雨量仍然突出，其中阳江-恩平地区总雨量为全省之首，中心地区总降水量多达13 000 mm以上；清远-广州佛冈与汕尾地区中心雨量相当，均达到11 000 mm以上，但清远-广州佛冈的中心范围更大。5年强降雨（小时雨量≥30 mm）频次分布（图5b）与总降水量分布几乎相似，恩平-阳江地区累计强降雨频次达到40次以上，其次是广州-东莞地区强降雨频次在35～40次，汕尾地区强降雨频次25～30次。不同的是，在粤西至雷州半岛地区，强降雨频次也非常高，其强降雨频次也在35～40次左右。虽然雷州半岛地区总降雨量少，但其产生的降雨过程可能大多以短时强降雨为主，这一点很好地说明了雷州半岛地区地闪频次少，但平均地闪强度大的原因。

从地闪密度与降水量、降水频次回归图中，全省大部分地区地闪密度分别与降水量（图5b）、强降水频次（图5e）的相关性均能通过99.9%的显著性检验；而在粤东及粤北地区，地闪密度与降水量、强降水频次的相关性稍差，部分地区甚至未能通过90%信度检验（图5e），这可能是由于这些地区的降水量小、强降水频次少引起。对比图5b和图5e，全省范围来看，相对于强降水频次，闪电密度与降水量的关系更为紧密，全省大部分地区相关系数可以达到0.5以上，通过99.9%显著性检验；但是，地闪密度中心大值区与强降水频次的相关性更好，其相关系数达到0.7以上的区域更广，与地闪密度的分布（图4a）更加吻合。

从地闪强度与降水量、强降水频次回归图中，地闪强度与降水量（图5c）的相关性，比地闪强度与强降水频次（图5f）相关性要更好，全省除雷州半岛地区之外，相关系数值均在0.414以上，通过99.9%显著性检验；地闪强度与强降水频次（图5f）强相关区域出现在珠江三角洲、粤东沿海以及雷州半岛地区。

图5 逐月（60月）降水量、强降水频次与地闪密度、地闪强度的相关场（填色）和回归场（等值线）

4 结论

1）广东逐月地闪频次与降水变化均呈双峰型分布，峰值在6和8月，两者相关系数达到0.95；10月份地闪强度为全年最高，5年平均地闪强度27.8 kA，但它与降水量的相关性弱。日变化中地闪频次高值时段出现在12：00—20：00，占比约61.4%；地闪频次与逐时雨量均是单峰型，峰值出现在15：00，两者相关系数0.90；另外，逐时地闪强度的谷值对应着地闪频次峰值，地闪强度与逐时降雨量为负相关，相关系数为-0.69。

2）空间上地闪密度大值区以广州为中心向四周递减，中心值达到33次/（km2·年）以上；地闪密度大的地区，其平均地闪强度小，以广州为中心的珠三角地区平均地闪强度在14 kA及以下；而雷州半岛地区，平均地闪强度在26 kA以上。

3）雷州半岛地区总降雨量少，但其降雨过程可能大多以短时强降雨为主，这可能是造成雷州半岛地区地闪频次少，但平均地闪强度大的原因。

4）全省大部分地区地闪密度与降水量、强降水频次的相关性强，而在粤东及粤北地区相关性稍差，这可能是由于这些地区的降水量少、强降水频次少导致；相比于降水量，地闪密度中心大值区与强降水频次的相关性更好。地闪强度与降水量的相关性，比其与强降水频次相关性要更好。