广州野外雷电试验基地地闪特征分析

高国靖，余益君，郭 青，曾东好，曾惠娟

（广东省梅州市气象局，广东 梅州 514021）

广东是我国的雷暴多发地区之一，历年均发生过不少雷击事故，导致财产损失甚至人员伤亡.为深入探寻闪电活动的各种物理发生、发展的机制，中国气象科学研究院自2006年起在广州野外雷电试验基地开展自然闪电观测和人工引雷试验.近年来，陈渭民［1］、郄秀书［2］针对雷电学原理以及雷电物理学方面开展了大量基础研究；吴学珂［3］运用闪电定位资料与雷达资料分析了飑线过程的地闪活动特征；郭青［4-5］、黄可俭［6］分析了雷电灾害的时空分布特征以及雷电灾害的调查方法；王学良［7］、张晨辉［8］针对不同地区雷暴活动的时空分布特征展开了统计分析；邓宇翔［9］、陈昌［10］、关象石［11］、颜志［12］运用人工触发闪电的观测数据对雷电物理学领域各种物理发生、发展的机制进行了研究，取得了大量学术成果.利用广东电力系统地闪定位资料，对广州野外雷电试验基地雷电基础参数进行了统计分析，以期为该地区雷电试验提供参考.

1 资料来源与分析方法

文中地闪资料来源于广东电力系统地闪定位资料，通过对广州野外雷电试验基地范围地闪特征进行分析，通过闪电的地闪密度、雷电流幅值、地闪月变化、时变化及典型天气过程地闪分布特征等角度对本地区的地闪特征进行分析.地闪密度、雷电流幅值、地闪月变化以及时变化采用近20年闪电定位数据为研究对象，运用数理统计统计方法得到；飑线过程地闪特征主要分析以基地位置500 km范围内飑线过程的闪电活动特征；台风过程地闪特征则以登陆前后24 h台风中心半径500 km范围内闪电活动为研究对象.

2 结果与分析

2.1 地闪密度

图1为广州野外雷电试验基地地闪分布图，由图1（a）可见，广州野外雷电试验基地位于从化市区北部（23°38′20.63″N，113°35′44.04″E），年平均雷暴日（1960—2010年）为81.9 d，为雷暴的多发区，地闪密度大于30 fl·km-2·a-1，由图1（b）可知，基地10 km半径范围20年的平均地闪密度约为32.02 fl·km-2·a-1.总体而言，以试验基地为中心，北部地闪密度低，南部地闪密度高.主要是因为北面环山，背风一面往往对流活动弱，南面地形开阔，易受暖湿气流影响，为对流活动发展旺盛提供充足的水汽条件.

图1 广州野外雷电试验基地地闪密度等级分布

2.2 雷电流幅值分析

雷电流幅值是雷电防护中重要的参数之一，雷电流幅值累积概率研究，有利于了解本地区的雷电特性，对雷电灾害鉴定、雷电风险评估参数的选取以及浪涌保护器选型具有重要意义.通过1999—2018年试验基地10 km范围内雷电流幅值统计分析，得到如下结果（见表1、表2）.表1给出了雷电流幅值累积概率，雷电流幅值累积概率为1%的雷电流幅值为96.1 kA，即发生雷电流幅值大于96.1 kA的地闪概率为1%；同理，累积概率2%、5%、10%、50%对应的雷电流幅值分别为：76.7、56.3、43.8、17.8 kA.

GB/T21714划分了四类雷电防护等级（Ⅰ至Ⅳ）滚球半径r分别为20、30、45、60 m.依据r=10*I0.65，计算得出四类雷电防护等级（Ⅰ至Ⅳ）分别对应的典型雷电流幅值分别为2.91、5.43、10.14、15.79 kA.雷电流幅值大于2.91 kA的地闪概率为99.1%；同理，雷电流幅值：5.43、10.14、15.79 kA对应的累积概率分别为93.0%、77.2%、56.4%（见表2）.

表1 雷电流幅值累积概率

表2 典型雷电流幅值对应的累积概率

2.3 地闪频次分析

2.3.1 地闪季节变化规律

通过对广州野外雷电试验基地近20年10 km范围内闪电频次进行统计分析，得到地闪活动月变化规律（见图2（a））：地闪活动多发期为4—9月份，约占全年的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月份为地闪高发期，84.9%的地闪都发生在这4个月份；峰值区出现在5、6月，分别约占全年的30.8%、29.0%， 1、2、11、12月份基本没有地闪发生.主要因为暖湿的上升气流是产生雷暴的必要条件，汛期热力不稳定条件尤为明显加之旺盛的水汽条件，因此雷暴活动高发；而冬春季节往往热力不稳定条件不明显加上空气干燥，因此雷暴活动极少发生.

图2 广州野外雷电试验基地地闪活动月变化及时变化

2.3.2 地闪时变化规律

图2（b）为广州野外雷电试验基地地闪活动时变化图，从图2b中可知：一天中基地地闪活动主要密集时段在12—20时，74.9%的地闪均发生在这个时段，午后地闪高发时段在14—18时，其中15时的地闪活动最为强烈，约占全天的11.4%；晚21时—次日11时地闪相对稀少，约25%的地闪发生在这个时段.主要是因为：一天中闪电活动的时分布特征基本与热力对流活动特征相对应，一般而言，中午12时开始，对流活动伴随着气温上升逐渐加强，雷暴活动频繁，15时达到一天中峰值；20时以后，伴随着气温不断下降，大气层结趋于稳定，对流活动不断减弱，闪电活动不明显.

2.3.3 典型天气过程地闪分布特征

受亚热带季风气候影响，夏季，基地气温高，水汽充沛，对流活动旺盛，进而雷电活动频繁，时常伴有强降水和强雷暴天气过程，前汛期主要有雷暴单体、多单体雷暴偶见飑线；进入7、8月份的后汛期，主要受台风系统影响，一则台风登陆前往往外围云区对流旺盛，雷电活动多；二则受外围下沉气流及副热带高压控制，基地往往出现持续高温，阳光充沛，下垫面急剧升温，加之北面环山，南面开阔的特殊地形，气流抬升过程，极易形成局地强对流天气，这些均为基地的试验提供有利条件.

图3为2014年3月31日3时至11时广东地区一次强飑线过程以基地为中心的地闪活动分布，30日21时飑线前沿到达广东和广西交界处，23时左右抵达广州，低层水汽大量输送且辐合上升，强低空垂直切变以及上干下湿水汽垂直分布是飑线产生的热力和动力条件，大范围层结不稳定，引起不稳定能量的释放，造成强烈的对流活动.以基地为中心500 km范围内8 h录得地闪频数209 575 fl，其中负闪161 170 fl，正闪48 405 fl，正闪比23.1%.

0906号台风“莫拉菲”中心于2009年7月19日0时50分前后在深圳市大鹏半岛沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有13级（38 m·s-1）.登陆后减弱为强烈热带风暴将继续向西北偏西方向移动.图4给出了台风登陆前后24 h以基地为中心500 km范围的地闪分布图，登陆前，广东境内监测到地闪频数84 138 fl，其中正闪11 764 fl，负闪72 374 fl，正闪比14.0%；登陆后台风快速减弱，闪电活动明显减少，24 h录得地闪频数6 898 fl，其中正闪1 418 fl，负闪5 480 fl，正闪比20.6%；由此可见，台风“莫拉菲”登陆后地闪频数明显快速减少，但正极性闪电所占的比例增加.

图3 飑线过程地闪活动分布

图4 台风“莫拉菲”登陆前、后24 h地闪活动分布图

郄秀书等汇聚了近年来不同学者的雷电物理学研究进展，依据具体台风云系情况划分台风闪电活动的三圈结构［2］.图5给出了台风“莫拉菲”登陆前、后24 h距离中心500 km的地闪分布图，以台风中心为原点，20 km为步长，距离中心0～60 km为眼壁区，0～100 km为内核区，100～200 km为 内 雨 带，200～500 km为外雨带.由此可知，台风“莫拉菲”登陆前后24 h地闪密度呈三圈结构，即外雨带＞眼壁区及内核区＞内雨带，登陆前24 h：外雨带地闪密度峰值为6 461 fl·（100 km）-2·day-1，出现在距离中心300～320 km区域；眼壁区及内核区的 峰 值 为3 503 fl·（100 km）-2·day-1，出现在距离中心15～35 km区域.登陆后24 h：外雨带地闪密度峰值为451 fl·（100 km）-2·day-1，出现在距离中心340～360 km区域；眼壁及内核区的峰值为66 fl·（100 km）-2·day-1，出现在距离中心0～20 km区域.台风登陆前后，外雨带地闪密度最大，内雨带最小，说明整个台风过程地闪活动的密集区域主要集中在外雨带.

图5 台风“莫拉菲”登陆前、后24 h距离中心500 km的地闪分布

3 结论

（1）广州野外雷电试验基地多雷区，10 km半径范围20年平均地闪密度约为32.02 fl·km-2·a-1；一年中，地闪活动多发期为4—9月份，5—8月份为地闪高发期，峰值区出现在5、6月，分别约占全年的30.8%、29.0%；一天中地闪活动主要密集时段在12—20时，午后地闪高发时段在14—18时，其中15时的地闪活动最为强烈，约占全天的11.4%.

（2）累积概率1%、2%、5%、10%、50%对应的雷电流幅值分别为：96.1 、76.7、56.3、43.8、17.8 kA；典型雷电流幅值2.91、5.43、10.14、15.79 kA对应的累积概率分别为99.1%、93.0%、77.2%、56.4%.

（3）基地的闪电活动前汛期主要有单体雷暴、多单体雷暴偶见飑线；进入7、8月份的后汛期，主要受台风系统影响，台风“莫拉菲”登陆前后24 h地闪密度呈3圈结构，地闪活动的密集区域主要集中在外雨带；由于地闪资料统计年限较短，统计区域小以及选择典型天气过程个例少，有待于今后进一步深入研究分析与验证.