基于闪电定位系统的海南岛闪电活动特征分析

朱晶晶，赵小平，邢彩盈，陈峥光，张明洁

(1.海南省气候中心，海南 海口 570203；2.南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.西昌卫星发射中心气象室，四川 西昌 615000)

基于闪电定位系统的海南岛闪电活动特征分析

朱晶晶1,2，赵小平3，邢彩盈1,2，陈峥光3，张明洁1,2

(1.海南省气候中心，海南 海口 570203；2.南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.西昌卫星发射中心气象室，四川 西昌 615000)

利用ADTD-2C型闪电定位探测系统监测的2014—2015年海南岛闪电信息，通过数理统计等方法，分析和研究了海南岛闪电的时空分布规律和活动特征，结果表明：ADTD-2C型闪电定位系统能够全面监测海南岛的闪电信息，闪电信息能够有效反映海南岛的闪电活动特征.海南岛闪电频数具有“单峰”特征，全年各月均有发生闪电的记录，4～11月份是海南岛发生闪电的主要月份.闪电发生时段较为集中，主要是从午后开始，至傍晚达到最高峰.海南岛负地闪频数远大于正地闪频数，且负地闪强度显著高于正地闪强度.正地闪的雷电流幅值主要集中在6 kA～30 kA，负地闪的强度主要集中在-60 kA～-7 kA.海南岛北部的闪电密度要明显高于南部地区，北部和南部闪电强度相对较大，西部和中部地区闪电强度相对较小.

ADTD-2C; 闪电定位系统; 闪电活动; 时空分布

雷电是一种大气放电现象，多产生于对流性积雨云中，它主要以电流、高温、电磁场及电磁辐射等形式给人类社会带来极大的危害.国家气象局的统计发现，雷电灾害已成为仅次于洪涝、地质灾害的第三大气象灾害.近年来，雷电的研究已逐渐成为国内外学者的研究热点，这些研究为国家防灾减灾提供了有效的技术支持和决策依据，与此同时，全国气象系统也全面建立了闪电定位系统，它为研究闪电提供了基础[1-4].通过该闪电定位系统提供的闪电信息，可以有效地分析闪电频次的分布特征，掌握雷电活动的规律.目前，国内已经开展了较多的关于闪电活动特征的研究[5-10]，姜勇利用云南省2012年的ADTD型闪电定位仪资料分析了云南省的地闪在时间、空间和强度等方面的变化特征[11]；邓德文利用2008—2014年ADTD雷电探测定位系统所观测到的资料，分析了江西省雷电活动的时空分布特征[12]；李家启，申双和等统计和分析了重庆市 ADTD系统的地闪监测资料，分析了重庆地区闪电频次的极性、幅值、雷电流波头陡度和时间分布特征[13].这些研究都是根据闪电定位系统所探测的信息来对当地的雷电特征进行分析，取得了良好的研究成果.

海南岛位于我国最南端，纬度低，四面环海，雷暴活动频繁，是我国雷电灾害最为严重的省份之一.目前，海南气象工作者利用人工观测雷电资料或电场仪探测数据对海南岛雷电的分布特征进行了研究，郭冬艳利用海南18个市县的雷暴观测资料，研究了海南夏季雷暴的时空分布特征及可能原因[14]；陈绍东利用大气电场仪探测的海南省文昌市的电场数据，分析了文昌夏季阵性降水的电场特征和电场演变的规律等[15].海南岛闪电定位系统的组网起步较晚，对闪电资料的运用还处于起步阶段.因此，为有效开展雷电防灾减灾工作，提高对雷电灾害的预警和预防能力，有必要利用闪电定位系统探测的闪电数据对海南岛雷电活动的特征及规律进行研究，以提高对海南岛闪电活动特征和规律的认识.

为此，本文利用ADTD-2C型闪电定位探测系统所监测到的2014—2015年海南岛闪电的信息，分析和研究了海南岛闪电的时空分布规律及活动特征，旨在得到海南岛闪电活动的规律，以提高防雷减灾水平与能力.

1 资料来源与方法

本文采用的闪电数据来源于分布在海南岛的7台二代ADTD-2C闪电定位系统，各探测仪分别位于文昌、海口、琼海、儋州、东方、五指山、陵水(图1)，中心站设置于海口，该系统单台探测仪的有效监测范围为150 km，7台定位系统能够有效覆盖全岛所有的闪电信息.

ADTD-2C闪电定位系统是目前国内业务化运行较好的闪电监测设备，可以测量云地闪和云间闪，它采用数字波形鉴别技术，测量速度快，精度高.该系统于2013年开始正常运行，实时监测海南岛及周边闪电信息.在2013年试运行期间，通过与人工观测的雷电进行连续对比和分析，确定ADTD-2C系统监测的数据稳定，且数据准确可靠.

ADTD-2C闪电资料包括：闪电出现的时间、经纬度、强度、陡度、误差和定位方式等.该系统能够有效探测云地闪和云间闪，鉴于对人类活动、建筑物等的危害主要由云地闪产生，本文主要对2014—2015年探测的海南岛云地闪的时空分布特征及活动规律进行了研究.

2 总体特征

2.1 闪电频次 从2014—2015年于海南岛监测到的闪电频数可以看出(表1)，云间闪与云地闪的比例约为2 ∶3，云地闪频数高于云间闪的频数.云地闪中负地闪频数远大于正地闪频数，负地闪频数比正地闪频数约大一个量级.海南岛共发生106 063次正地闪，约占总云地闪频数的20.2%.负地闪频数为420 261次，约占总云地闪频数的79.8%.统计分析发现，海南岛负地闪的平均强度约为-35.2 kA，正地闪的平均强度约为24.3 kA，可见，负地闪平均强度要远大于正地闪的平均强度.另外，从2014年和2015年的闪电统计数据可以看出，闪电频数、闪电强度等较为相似，年变化较小.

表1 2014—2015年海南岛的雷电活动特征

2.2 闪电雷电流幅值 闪电雷电流幅值是一次雷击中探测站所测到的峰值电流，是脉冲电流所达到的最高值.前文的分析已指出海南岛负地闪的平均强度较正地闪的强度大，从闪电雷电流幅值的日变化特征可以看出(图2a)，负地闪雷电流的幅值明显大于正地闪雷电流的幅值.从雷电流幅值的日变化分布特征可以看出，正地闪雷电流幅值的波动范围较大，低值区主要位于13：00～19：00时，电流幅值分布于21kA附近，大值区位于20:00～00:05时，电流幅值分布于40 kA附近.负地闪雷电流的波动范围相对平缓，与正地闪的分布相似，低值区主要位于13：00～19：00时，电流幅值分布于34 kA附近，大值区位于23：00～00：05时，电流幅值约为41kA左右.

图2b显示的是2014—2015年海南岛闪电雷电流幅值的月变化特征.由统计发现，12～3月的闪电发生次数较少，闪电集中发生在4～11月，因此在分析雷电流幅值季节分布时应主要针对4～11月进行分析.从各月分布的特征可以看出，负地闪雷电流幅值要大于正地闪雷电流幅值.正地闪雷电流幅值的大值区位于6月份和10月份，而负地闪雷电流幅值的大值区位于9～10月.

通过分析2014—2015年雷电强度与频数的对应关系(图3)同样可以看出，正地闪平均强度小于负地闪平均强度.正地闪的强度主要集中在6～30 kA，12 kA的闪电强度发生的频数最大，发生了10 623次.负地闪的强度主要集中在-60～-7 kA，-17 kA的闪电强度发生的频数最大，达到25 156次.正地闪和负地闪的闪电强度与频数的对应关系相似，闪电强度主要集中在一定的范围内.

2.3 雷电流陡度 雷电流陡度是指雷电流随时间上升的变化率，其对闪电过电压有直接影响，它同样是体现雷电强度的指标之一.在2014—2015年的闪电中，正地闪平均雷电流陡度为9.6 kA·μs-1，最大陡度为427.6 kA·μs-1.负地闪平均陡度为-12.8 kA·μs-1，最大陡度为464.7 kA·μs-1.为清楚分析雷电流陡度的月分布特征，本文对海南岛4～11月的雷电流陡度进行了统计分析(图4).由分析得出，正地闪雷电流陡度略大于负地闪雷电流陡度，正地闪雷电流陡度在6月、10月较大，其他月份相对较小.负地闪雷电流的最大陡度出现在9月份.从总的分布特征来看，海南岛6～10月份的雷电流陡度要略大于4～5月份及11月份的雷电流陡度，这也印证了雷电流陡度的季节性分布特征，即夏季较强，春、秋、冬季相对较弱.

3 闪电活动时间变化特征

3.1 月际变化特征 闪电具有显著的季节性差异，图5显示的是2014—2015年海南岛云地闪的月际变化特征.从闪电频数的月变化可知(图5a)，海南岛的闪电具有“单峰”特征，全年各月均有发生闪电的记录，4～11月份是海南岛发生闪电的主要月份，其中，5～9月份是闪电的高发季节，峰值出现在5月份.12月至次年3月的闪电较为少见，这也正是前文在分析雷电流幅值和陡度时只分析4～11月份的原因.闪电存在季节分布差异的主要原因是：在海南岛夏季汛期，由于对流性天气较旺盛，故闪电频数相对较高，而在非汛期，由于对流性天气相对较少，所以闪电频数亦少.

正负闪电比例也是雷电活动分析中的一个重要部分.从2014—2015年的海南岛正地闪和负地闪的比例分布可以看出(图5b)，全年每个月基本是负地闪频数大于正地闪频数.其中，在6～9月份，正负地闪的比例较大，最大比例出现在7月份，表明此期间正地闪频数相对较多，而其他月份的正地闪频数则较少.

3.2 日变化特征 气候区及地形等差异使得各地区的闪电具有明显的日变化特征，图6显示的是2014—2015年海南岛闪电的日变化特征.分析发现，海南岛闪电逐时变化具有典型的“单峰”特征，发生闪电的时间较为集中，虽然全天各个时段均有闪电发生，但是闪电主要集中发生在13：00—19：00时，约占全部闪电的85.9%，峰值出现在15：00—16：00时，约占全部闪电的43.8%.21：00—次日11：00时发生概率较小，最小值出现在04：00时，仅出现了1 061次闪电，占0.2%.

可见，海南岛闪电发生的时段较为集中，闪电主要是从午后开始发生，至傍晚达到最高峰.分析其原因，主要是由于气候区和地形是产生各个地区闪电发生的主要影响因素，太阳辐射是大气活动的主要能量来源.海南岛四周环海，水汽充足，白天太阳辐射使得陆地温度快速升高，海洋升温较慢，海陆之间产生较强的水平温度梯度，从而形成海陆局地环流，即海陆风.在地形作用下所产生的动力抬升作用有利于陆地上对流的发生和加强，所以白天闪电概率较大.此外，由于上午太阳辐射的强度较弱，经过上午的加热，较强的海陆温度梯度常常在午后开始形成，这正是海南岛午后对流频现的主要原因.夜间，陆地降温迅速，海洋降温缓慢，继而形成相反的海陆环流，风由陆地吹向海洋，不利于在陆地形成对流.

4 闪电空间分布

4.1 闪电强度区域分布 图7显示的是海南岛闪电强度的空间分布特征，从图7a中正闪强度分布可以看出，海南岛西北部和南部正闪强度较大，最大值出现在儋州、三亚地区，平均闪电强度达到30 kA以上.昌江、白沙、五指山等中部山区以及定安、文昌等东北部平原地区的闪电强度相对较小.负闪强度与正闪强度分布存在较大差异(图7b)，临高、儋州、澄迈和文昌等北部平原地区负闪强度较大，平均闪电强度能够达到-35 kA以上.保亭、五指山等山区闪电强度相对较小.海南岛闪电强度存在明显的空间分布差异，总体表现为：海南岛北部和南部平原地区闪电强度相对较大，最大闪电强度为西北部地区，西部和中部山区闪电强度相对较小.

4.2 闪电频数区域分布 在分析海南岛闪电频数的空间分布特征时可以发现(图8)，海南岛大部分地区的闪电均较频繁，总体而言，海南岛北部的闪电密度要明显高于南部地区.另外，从地形上看，五指山等中部山区的闪电频数相对较小，闪电频数大值区主要位于五指山以北的平原地区.图8 a显示的是2014—2015年海南岛正地闪密度的空间分布，海南岛北部(五指山以北)是闪电高发地区，而南部只有保亭的闪电发生密度较大，其他地区闪电发生的密度均较小.而对于负地闪(图8b)，高密度区位于海南岛西北部地区，其他地区的密度均相对较小.海南岛闪电密度的地域分布特征与海南岛气候特征及热力环流有很大关系，由于海南岛四周环海，夏季午后容易在海南岛北部形成午后海陆风，长期的业务发现，海南岛夏季午后的海陆风对流往往由西部开始发展，并逐渐由西向东移动，影响儋州、澄迈、海口等地区，较强的午后海陆风常常可以影响到文昌地区.由于五指山的阻挡作用，使得海陆风对流较难向南移动，因此使得对流对北部的影响更加显著.

5 结 论

本文利用ADTD-2C型闪电定位探测系统监测了2014—2015年海南岛的闪电信息，分析和研究了海南岛闪电的时空分布规律和活动特征，得到如下结论：

(1)海南岛云地闪发生频数高于云间闪的频数，云地闪中的负地闪频数远大于正地闪频数，负地闪频数比正地闪频数约大一个量级.海南岛闪电具有“单峰”特征，全年各月均有发生闪电的记录，4～11月份是海南岛发生闪电的主要月份.海南岛闪电发生的时段较为集中，闪电主要是从午后开始发生，至傍晚达到最高峰.

(2)负地闪平均强度远大于正地闪的平均强度，正地闪的雷电流幅值日变化波动较大，负地闪的雷电流幅值日变化较为平缓.下午至傍晚的雷电流幅值相对较小，而夜间的雷电流幅值相对较大.雷电流幅值的分布较为集中，正地闪的雷电流幅值主要集中在6～30 kA，负地闪的强度主要集中在-60～-7 kA.另外，正地闪雷电流陡度略大于负地闪雷电流陡度，夏季雷电流陡度较大，春、秋、冬季的雷电流陡度相对较小.

(3)海南岛北部的闪电密度要明显高于南部地区，表明海南岛北部的闪电发生频率较高.北部和南部的闪电强度相对较大，西部和中部地区的闪电强度相对较小.

本文在分析海南岛闪电时，利用的是2014—2015年的闪电信息，由于信息有限，因此只能初步分析海南岛闪电活动的基本特征，待后续的闪电信息年限增加时，再进一步深入分析海南岛的闪电活动规律及影响机制.

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Lightning Activity Characteristics in Hainan Based on Lightning Location System

Zhu Jingjing1,2, Zhao Xiaoping3, Xing Caiying1,2, Chen Zhengguang3, Zhang Mingjie1,2

(1. Hainan Climate Center, Haikou 570203, China; 2. Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Reduction of the South China Sea, Haikou 570203, China; 3. Xichang Satellite Launch Center, Xichang 615000, China)

In the report, ADTD-2C type lightning location system was used to monitor the lighting information in Hainan from 2014 to 2015, the mathematical statistics analysis methods were used to analyze the lightning activity characteristics. The results showed that ADTD-2C type lightning location system can monitor the lightning information comprehensively, and which can reflect the lightning activity characteristics in Hainan effectively. The frequency of lightning in Hainan has a feature of single-peak. The lightning occurs every month throughout the year in Hainan and concentrates from April to November. The period of time of lighting mainly focus from the afternoon and pre-evening, at which there is a maximum value. The frequency and intensity of negative cloud-ground lightning in Hainan were higher than that of positive lightning. The lightning intensity of positive cloud-ground lightning was mainly 6kA～30kA and that of negative cloud-ground lightning was -60kA～-7kA. The density of the lightning in the northern region of Hainan was higher than that in the southern of Hainan. The lightning intensity in the northern and southern region of Hainan was higher than that in the western and central regions of Hainan.

ADTD-2C; Lightning Location System; Lightning Activity; Temporal and spatial distribution

2016-08-29

海南省气象局科技创新项目(HN2013MS10)

朱晶晶(1986-)，女，江苏南京人，硕士，工程师，研究方向：短期气候预测工作，E-mail: 314030126@qq.com

赵小平(1984-)，男，江苏南京人，硕士，工程师，研究方向：航天气象预报保障工作，E-mail: xiaopingzjpq@163.com

1004-1729(2017)01-0037-07

P427.32

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0008