廣州野外雷電試驗基地地閃特征分析

高國靖，余益君，郭 青，曾東好，曾惠娟

（廣東省梅州市氣象局，廣東 梅州 514021）

廣東是我國的雷暴多發地區之一，歷年均發生過不少雷擊事故，導致財產損失甚至人員傷亡.為深入探尋閃電活動的各種物理發生、發展的機制，中國氣象科學研究院自2006年起在廣州野外雷電試驗基地開展自然閃電觀測和人工引雷試驗.近年來，陳渭民［1］、郄秀書［2］針對雷電學原理以及雷電物理學方面開展了大量基礎研究；吳學珂［3］運用閃電定位資料與雷達資料分析了颮線過程的地閃活動特征；郭青［4-5］、黃可儉［6］分析了雷電災害的時空分布特征以及雷電災害的調查方法；王學良［7］、張晨輝［8］針對不同地區雷暴活動的時空分布特征展開了統計分析；鄧宇翔［9］、陳昌［10］、關象石［11］、顏志［12］運用人工觸發閃電的觀測數據對雷電物理學領域各種物理發生、發展的機制進行了研究，取得了大量學術成果.利用廣東電力系統地閃定位資料，對廣州野外雷電試驗基地雷電基礎參數進行了統計分析，以期為該地區雷電試驗提供參考.

1 資料來源與分析方法

文中地閃資料來源于廣東電力系統地閃定位資料，通過對廣州野外雷電試驗基地范圍地閃特征進行分析，通過閃電的地閃密度、雷電流幅值、地閃月變化、時變化及典型天氣過程地閃分布特征等角度對本地區的地閃特征進行分析.地閃密度、雷電流幅值、地閃月變化以及時變化采用近20年閃電定位數據為研究對象，運用數理統計統計方法得到；颮線過程地閃特征主要分析以基地位置500 km范圍內颮線過程的閃電活動特征；臺風過程地閃特征則以登陸前后24 h臺風中心半徑500 km范圍內閃電活動為研究對象.

2 結果與分析

2.1 地閃密度

圖1為廣州野外雷電試驗基地地閃分布圖，由圖1（a）可見，廣州野外雷電試驗基地位于從化市區北部（23°38′20.63″N，113°35′44.04″E），年平均雷暴日（1960—2010年）為81.9 d，為雷暴的多發區，地閃密度大于30 fl·km-2·a-1，由圖1（b）可知，基地10 km半徑范圍20年的平均地閃密度約為32.02 fl·km-2·a-1.總體而言，以試驗基地為中心，北部地閃密度低，南部地閃密度高.主要是因為北面環山，背風一面往往對流活動弱，南面地形開闊，易受暖濕氣流影響，為對流活動發展旺盛提供充足的水汽條件.

圖1 廣州野外雷電試驗基地地閃密度等級分布

2.2 雷電流幅值分析

雷電流幅值是雷電防護中重要的參數之一，雷電流幅值累積概率研究，有利于了解本地區的雷電特性，對雷電災害鑒定、雷電風險評估參數的選取以及浪涌保護器選型具有重要意義.通過1999—2018年試驗基地10 km范圍內雷電流幅值統計分析，得到如下結果（見表1、表2）.表1給出了雷電流幅值累積概率，雷電流幅值累積概率為1%的雷電流幅值為96.1 kA，即發生雷電流幅值大于96.1 kA的地閃概率為1%；同理，累積概率2%、5%、10%、50%對應的雷電流幅值分別為：76.7、56.3、43.8、17.8 kA.

GB/T21714劃分了四類雷電防護等級（Ⅰ至Ⅳ）滾球半徑r分別為20、30、45、60 m.依據r=10*I0.65，計算得出四類雷電防護等級（Ⅰ至Ⅳ）分別對應的典型雷電流幅值分別為2.91、5.43、10.14、15.79 kA.雷電流幅值大于2.91 kA的地閃概率為99.1%；同理，雷電流幅值：5.43、10.14、15.79 kA對應的累積概率分別為93.0%、77.2%、56.4%（見表2）.

表1 雷電流幅值累積概率

表2 典型雷電流幅值對應的累積概率

2.3 地閃頻次分析

2.3.1 地閃季節變化規律

通過對廣州野外雷電試驗基地近20年10 km范圍內閃電頻次進行統計分析，得到地閃活動月變化規律（見圖2（a））：地閃活動多發期為4—9月份，約占全年的96.7%，其中前汛期（4—6月份）占65.6%，后汛期（7—9月份）占32.1%；5—8月份為地閃高發期，84.9%的地閃都發生在這4個月份；峰值區出現在5、6月，分別約占全年的30.8%、29.0%， 1、2、11、12月份基本沒有地閃發生.主要因為暖濕的上升氣流是產生雷暴的必要條件，汛期熱力不穩定條件尤為明顯加之旺盛的水汽條件，因此雷暴活動高發；而冬春季節往往熱力不穩定條件不明顯加上空氣干燥，因此雷暴活動極少發生.

圖2 廣州野外雷電試驗基地地閃活動月變化及時變化

2.3.2 地閃時變化規律

圖2（b）為廣州野外雷電試驗基地地閃活動時變化圖，從圖2b中可知：一天中基地地閃活動主要密集時段在12—20時，74.9%的地閃均發生在這個時段，午后地閃高發時段在14—18時，其中15時的地閃活動最為強烈，約占全天的11.4%；晚21時—次日11時地閃相對稀少，約25%的地閃發生在這個時段.主要是因為：一天中閃電活動的時分布特征基本與熱力對流活動特征相對應，一般而言，中午12時開始，對流活動伴隨著氣溫上升逐漸加強，雷暴活動頻繁，15時達到一天中峰值；20時以后，伴隨著氣溫不斷下降，大氣層結趨于穩定，對流活動不斷減弱，閃電活動不明顯.

2.3.3 典型天氣過程地閃分布特征

受亞熱帶季風氣候影響，夏季，基地氣溫高，水汽充沛，對流活動旺盛，進而雷電活動頻繁，時常伴有強降水和強雷暴天氣過程，前汛期主要有雷暴單體、多單體雷暴偶見颮線；進入7、8月份的后汛期，主要受臺風系統影響，一則臺風登陸前往往外圍云區對流旺盛，雷電活動多；二則受外圍下沉氣流及副熱帶高壓控制，基地往往出現持續高溫，陽光充沛，下墊面急劇升溫，加之北面環山，南面開闊的特殊地形，氣流抬升過程，極易形成局地強對流天氣，這些均為基地的試驗提供有利條件.

圖3為2014年3月31日3時至11時廣東地區一次強颮線過程以基地為中心的地閃活動分布，30日21時颮線前沿到達廣東和廣西交界處，23時左右抵達廣州，低層水汽大量輸送且輻合上升，強低空垂直切變以及上干下濕水汽垂直分布是颮線產生的熱力和動力條件，大范圍層結不穩定，引起不穩定能量的釋放，造成強烈的對流活動.以基地為中心500 km范圍內8 h錄得地閃頻數209 575 fl，其中負閃161 170 fl，正閃48 405 fl，正閃比23.1%.

0906號臺風“莫拉菲”中心于2009年7月19日0時50分前后在深圳市大鵬半島沿海登陸，登陸時中心附近最大風力有13級（38 m·s-1）.登陸后減弱為強烈熱帶風暴將繼續向西北偏西方向移動.圖4給出了臺風登陸前后24 h以基地為中心500 km范圍的地閃分布圖，登陸前，廣東境內監測到地閃頻數84 138 fl，其中正閃11 764 fl，負閃72 374 fl，正閃比14.0%；登陸后臺風快速減弱，閃電活動明顯減少，24 h錄得地閃頻數6 898 fl，其中正閃1 418 fl，負閃5 480 fl，正閃比20.6%；由此可見，臺風“莫拉菲”登陸后地閃頻數明顯快速減少，但正極性閃電所占的比例增加.

圖3 颮線過程地閃活動分布

圖4 臺風“莫拉菲”登陸前、后24 h地閃活動分布圖

郄秀書等匯聚了近年來不同學者的雷電物理學研究進展，依據具體臺風云系情況劃分臺風閃電活動的三圈結構［2］.圖5給出了臺風“莫拉菲”登陸前、后24 h距離中心500 km的地閃分布圖，以臺風中心為原點，20 km為步長，距離中心0～60 km為眼壁區，0～100 km為內核區，100～200 km為 內 雨 帶，200～500 km為外雨帶.由此可知，臺風“莫拉菲”登陸前后24 h地閃密度呈三圈結構，即外雨帶＞眼壁區及內核區＞內雨帶，登陸前24 h：外雨帶地閃密度峰值為6 461 fl·（100 km）-2·day-1，出現在距離中心300～320 km區域；眼壁區及內核區的 峰 值 為3 503 fl·（100 km）-2·day-1，出現在距離中心15～35 km區域.登陸后24 h：外雨帶地閃密度峰值為451 fl·（100 km）-2·day-1，出現在距離中心340～360 km區域；眼壁及內核區的峰值為66 fl·（100 km）-2·day-1，出現在距離中心0～20 km區域.臺風登陸前后，外雨帶地閃密度最大，內雨帶最小，說明整個臺風過程地閃活動的密集區域主要集中在外雨帶.

圖5 臺風“莫拉菲”登陸前、后24 h距離中心500 km的地閃分布

3 結論

（1）廣州野外雷電試驗基地多雷區，10 km半徑范圍20年平均地閃密度約為32.02 fl·km-2·a-1；一年中，地閃活動多發期為4—9月份，5—8月份為地閃高發期，峰值區出現在5、6月，分別約占全年的30.8%、29.0%；一天中地閃活動主要密集時段在12—20時，午后地閃高發時段在14—18時，其中15時的地閃活動最為強烈，約占全天的11.4%.

（2）累積概率1%、2%、5%、10%、50%對應的雷電流幅值分別為：96.1 、76.7、56.3、43.8、17.8 kA；典型雷電流幅值2.91、5.43、10.14、15.79 kA對應的累積概率分別為99.1%、93.0%、77.2%、56.4%.

（3）基地的閃電活動前汛期主要有單體雷暴、多單體雷暴偶見颮線；進入7、8月份的后汛期，主要受臺風系統影響，臺風“莫拉菲”登陸前后24 h地閃密度呈3圈結構，地閃活動的密集區域主要集中在外雨帶；由于地閃資料統計年限較短，統計區域小以及選擇典型天氣過程個例少，有待于今后進一步深入研究分析與驗證.