南海低压槽影响下的海南岛地闪活动特征

李 敏，劳小青，高 燚，韦传波，李雨珊

（1.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；2.海南省气象灾害防御技术中心，海南 海口 570203；3.琼中县气象局，海南 琼中 572926；4.澄迈县气象局，海南 澄迈 571900）

海南岛地处热带北缘，既受热带系统影响，又常受冷空气侵袭.夏季高温、高湿，局地强对流天气经常发生，海南岛是我国雷电活动最频繁的地区之一［1］，年均雷暴日数多数市县在100 d以上，雷暴是海南岛造成人员伤亡和经济损失仅次于热带气旋的气象灾害［2-3］，因此对雷电有效监测、预警对人民生命财产安全有重要意义.目前主要的雷电预警方法是基于雷达、闪电定位、大气电场仪等多源数据融合的推演分析［4-6］，其缺陷就是预警时效短，在30 min内有较高的预警准确率，超出30 min准确率迅速降低.因此目前雷电预警产品很难满足多方要求.利用天气分型预报短期天气是二十世纪中期最普遍使用的预报方法，天气分型是根据多年的天气个例积累总结出的天气规律，长期的预报实践证明，其预报方法是可行、有效的［7-10］.不同的天气分型具有不同的辐合、热力、背景风和水汽等条件，不同的天气分型影响意味着将出现不同的天气现象和天气分布.因此，利用各天气分型影响下的雷电活动规律作为雷电预警的气候因子，可以根据各天气分型的雷电活动特征提前作出雷电概率预报，这不失为一种延长雷电预警时效的好方法［11-15］.南海低压槽是夏秋季影响海南的主要天气系统之一，也是影响海南岛雷电活动的主要天气系统［16］，南海低压槽具有很强的辐合条件和偏东背景风，水汽输送条件好，容易激发强对流天气，研究南海低槽影响下海南岛雷电活动特征对准确预报海南岛雷电活动有积极的意义.

1 资料和处理

1.1资料

1.1.1天气分型资料天气分型资料源自海南省气象台每日对外发布的天气形势分析.海南的天气分型定义东西向的南海季风槽控制南海中部或北部（有时低压中心及槽线或辐合线在15°～20°N）为南海低压槽天气.南海低压槽控制海南时，越南至北部湾可能有低压槽或低压，海南岛高空吹东北、东或东南风，典型的吹东南风，如图1a所示；若辐合线横穿过海南岛时，南部吹偏西风，如图1b所示.在南海低压槽影响下，大多数时候会造成海南岛产生降水过程，且强度比较强，是海南岛的多雨天气型［17］.

图1 典型的南海低压槽天气形势

1.1.2闪电数据闪电数据来自海南省ADTD闪电定位系统.海南省ADTD（Advanced Digital Thunder Decting）闪电定位系统是VLF二维闪电探测系统，由北京华云东方探测技术有限公司研制.ADTD闪电定位系统要求由2个以上测站及一个数据处理站组成，系统探测距离300 km，定位精度500 m.海南省ADTD闪电定位系统始建于2007年，在海南岛上设有5个测站，分别为海口（110.24°E，20.00°N）、三亚（109.54°E，18.22°N）、东方（109.83°E，19.04°N）、琼海（110.46°E，19.24°N）、琼中（108.63°E，19.09°N），5个测站在海南岛大体呈东、西、南、北、中分布，观测点的间距均在200 km以内.石湘波［17］认为探测点的布局与距离将影响到探测效率，一般来说，站点围线以内的高于站点围线以外的，相邻站点距离近的高于距离远的.潘言敏［18］认为站点间距在150～200 km之间探测效率可达90%.

海南省ADTD闪电定位系统采用二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法等4种定位方式，就与雷达回波配合来看，采用三站混合、四站算法定位的闪电与雷达回波配合较好，二站振幅、二站混合的误测率较高、定位误差也较大.ADTD闪电定位系统的一条数据记录对应一次回击，从现存定位数据来看，三站混合、四站算法的记录约占40%，二站振幅、二站混合的记录约占60%.本次研究为保证定位精度只保留三站混合和四位算法定位的闪电数据.

2012年的闪电数据由于部分月份数据缺失未列入统计范围，本次研究实际只采用8年闪电数据.

1.2数据处理闪电数据在统计之前做必要的质控处理，首先剔除数据中的继后回击，然后采用30 dBZ雷达回波对误测数据进行甄别筛选.

以下统计和地闪发生概率计算都将涉及到地闪日的概念，此处地闪日的概念定义为：当天只要有一个及以上的地闪落在某一特定区域内，则称当天为这一特定区域的一个地闪日.

2 结果与分析

2.1系统影响天数和地闪数据

图2中St1为南海低压槽，St2为华南沿海槽，Swt为西南低压槽，Yt为越南低压槽，Dd为热带气旋，Wf为冷空气偏西下，Ef为冷空气偏东下，G2为变暖高压脊，G1为副热带高压.

从图2可以看出，2010～2018年4～10月南海低压槽年均影响海南岛天数最高，达46 d·a-1，年均地闪频次13 597次·a-1，仅次于华南沿海槽.

图2 2010～2018年4～10月海南岛天气分型年均影响天数及地闪频次

从表1可以看出，南海低压槽影响海南岛的月份主要在5～10月，8年影响天数共369 d，共有83个影响过程，平均过程时间为4.4 d.在南海低压槽影响下，8年海南岛出现地闪日共329 d，地闪小时共2 733 h，地闪次数共108 781次，地闪次数以8月最多，5月、10月较少.

表1 2010～2018年南海低压槽影响天数及相关地闪数据

2.2时间分布特征

2.2.1时段分布由各时段的地闪日除以系统影响天数，可得到图3a各时段的地闪发生概率；由各时段地闪发生次数除以地闪发生天数，可得到图3b各时段的地闪频次.

图3 海南岛在南海低压槽下的地闪发生概率、地闪频次的时段分布

由表1数据可计算出，南海低压槽影响的平均过程时间为4.4 d，将影响过程分为过程中前2 d和过程中后2 d，对比分析过程前期与过程后期的地闪发生概率和地闪频次.

图3a中3条曲线分布均呈单峰特征，21：00～次日12：00时段每3 h的地闪发生概率均在40.0%以下，12：00时以后开始急速上升，15：00～18：00时段达到高峰75%以上，18：00时以后又急速下降，21：00时以后降至25.0%以下，在12：00～21：00时段每3 h的地闪发生概率都在50.0%以上.

图3a中过程中前2 d的地闪发生概率与过程后2 d的差别很小，12：00时之前过程中前2 d的地闪发生概率比过程中后2 d的稍大，12：00～15：00和18：00～21：00 2个时段的过程中前、后2 d的地闪发生概率相近，但在15：00～18：00时段过程中后2 d的地闪发生概率则都要高于过程中前2 d的地闪发生概率.经计算，在12：00～21：00时段过程中前2 d和过程中后2 d的地闪发生概率分别为82.1%和86.4%，过程中后2 d的地闪发生概率要稍高于过程中前2 d的地闪发生概率.

图3中3条曲线均呈单峰特征，15：00～18：00时段为地闪频次的高峰期，12：00时之前各时段的地闪频次均在25次以下，12：00时以后急速上升，峰值出现在15：00～18：00时段，峰值达180次以上，18：00时以后开始下降，21：00时以后地闪频次又回到25次以下.在21：00～12：00时段，过程中前2 d的地闪频次与过程中后2 d的相近，但在12：00～18：00时段过程中前2 d的地闪频次明显要高于过程中后2 d，18：00时之后又趋于相近.

综合图3a和图3b分析，在南海低压槽影响下，海南岛地闪主要发生在12：00～18：00时段之间，15：00～18：00时段不仅地闪发生概率最大，地闪频次也最高.在12：00～21：00时段，过程前2 d的地闪发生概率虽然比过程后2 d稍低，但地闪频次明显要高于过程后2 d.郭冬艳［19］等认为海南岛雷暴日变化与气温、辐射关系密切，海南岛午后太阳辐射强、热力条件好，所以地闪主要发生在午后.辛吉武［20］等认为海南岛午后雷暴与海风和背景风的辐合有关，雷暴是沿着海风与背景风的辐合带移动发展的.过程前2 d与过程后2 d的雷电活动特性不同与不同性质的天气分型之间的转化有关，南海低压槽多由西南低压槽转化而来，在西南低压槽影响下，海南岛一般为高温天气［21-22］，前期堆积的不稳定能量多，所以前期雷暴过程可能会猛烈一些，地闪频次会更多一些，后期南海低压槽更多转向热带气旋等低压系统，辐合条件进一步增强，地闪发生概率会进一步加大，但连续的雷雨天气，太阳辐射减少、气温下降，不利于对流进一步发展，雷暴过程猛烈程度自然降低［23］，而地闪频次也会减少.

2.2.2月份分布由各月份的地闪日除以系统影响天数，可得到图4各月份的地闪发生概率.

图4 海南岛在南海低压槽影响下的地闪发生概率月分布

图4中3条曲线均为单峰特征，概率峰值均出现在8月份，3条曲线概率峰值分别为95.2%、94.0%和72.3%，5月和10月相对其他月份的概率值较低，但最低都在55%以上.从图4可以看出，地闪在12：00～21：00时段发生概率除5和10月其他月份比21：00～12：00时段明显要高，特别是6～9月份的地闪发生概率都在85%以上.在5月和10月，12：00～21：00时段的地闪发生概率相对其他月份下降很明显，与21：00～次日12：00相近.分析原因：海南岛午后雷电活动与陆地热力条件关系密切，5月和10月的热力条件相对较差，海风与背景风辐合较弱，午后对流发展动力不足，致使地闪发生概率降低，而夜间雷电活动与陆风和背景风辐合关系密切，海洋作为热源随月份变化相对较小，所以夜间地闪发生概率随月份变化相对温和［24］.另外，从全天各时段发生概率与12：00～21：00和21：00～次日12：00时段地闪发生概率相比较，全天各时段地闪发生概率较高，说明5月和10月的12：00～21：00时段和21：00～次日12：00时段的雷暴天气相互错开.

2.3空间分布特征以40 km×40 km网格采样地闪日数生成格点数据，然后除以南海低压槽影响天数得到地闪发生概率，再用克里金（Kriging）插值法对格点值进行插值处理，即得到图5地闪发生概率的空间分布.

图5 海南岛在南海低压槽影响下各时段地闪发生概率分布

从图5可以看出，以地闪发生概率5%为标准，可把海南岛地闪发生概率日变化分为地闪沉寂期（21：00～次日12：00时段）和地闪活跃期（12：00～21：00时段）.

图6风场特征源自张振州等［25］对海南岛海陆风的数值模拟及2010～2018年在南海低压槽影响下海南岛区域站地面风资料分析.

图6 夏秋季南海低压槽影响下海南岛各时段地面典型风场特征

在地闪沉寂期，各时段的地闪发生概率主要分布在海南岛的万宁、陵水、三亚等东南沿海，并随时间逐渐向西、向北内陆扩展，概率中心在南部海面.从等值线空间变化来看，在地闪沉寂期，雷电活动范围较小，地闪发生概率低.分析原因：在南海低压槽影响下，海南岛吹东南背景风，水汽充足，夜间有陆风从陆地吹向海面，在东南沿海与背景风相向辐合，如图6a所示，给水汽上升提供了动力，但夜间热力条件差，雷暴较弱，地闪发生的概率较低.日出后陆风消失、海风逐渐增大，在海南岛东部海风与背景风叠加，风力加强，如图6b所示，水汽受陆地高山阻挡抬升，雷电活动范围逐渐向内陆扩展［26-27］.从06：00～12：00时段地闪发生概率比00：00～06：00时段较小，说明夜间陆风与背景风的辐合作用对雷电的影响要比白天地形的抬升作用要大.

在地闪的活跃期，12：00～18：00时段在海南岛的中西部内陆出现一个大的、稳定的概率高值闭合中心，原因分析：1）该区域为海南岛午后气温的高值中心；2）该区域高山起伏、地形复杂，由于地表受热不均容易产生不稳定能量激发对流天气；3）该区域是东南向背景风与西向海风的汇合点，如图6c所示，热力因素和动力因素的双重作用使该区域成为地闪发生概率的高值中心［28］.另外，12：00～18：00时段在琼中县鹦歌岭东侧出现一个小的、稳定的概率高值闭合中心，东北-西南走向的鹦歌岭地形对东南向背景风及海风起到了阻挡抬升作用，导致此处常有雷电活动.

3 小结

利用2010～2018年海南岛闪电定位数据和南海低压槽天气分型资料，分析在南海低压槽影响下海南岛地闪的时空分布特征，得到以下结论：

1）4～10月南海低压槽是影响海南岛天数最多的天气分型，产生的地闪频次仅次于华南沿海槽，位于第二位；

2）南海低压槽影响海南岛的月份一般为5～10月，地闪频次以8月最多，而5和10月较少；

3）海南岛地闪发生概率、地闪频次的时段分布曲线均呈单峰特征，地闪发生概率、地闪频次高值区分布在12：00～21：00时段，15：00～18：00时段为地闪发生概率和地闪频次高峰期；

4）12：00～21：00时段过程中后2 d的地闪发生概率要比过程中前2 d的稍高，但地闪频次要明显低于过程中前2 d；

5）海南岛地闪发生概率月分布曲线呈单峰特征，地闪发生概率高峰期在8月，而5和10月相对较低，特别是12：00～21：00时段地闪发生概率要明显低于其他月份；

6）海南岛21：00～12：00时段地闪发生概率高值区主要分布在东南沿海并逐渐向西北扩展，概率值在5%以下；12：00～21：00时段地闪发生概率高值中心主要分布在昌江、白沙、儋州等海南岛西部市县，15：00～18：00时段概率中心值达40%.