广西前汛期和后汛期地闪特征差异及影响因子分析

卢炳夫，植耀玲，伍华丽

(1.中山大学大气科学学院珠海 519082；2.广西壮族自治区气象灾害防御技术中心，南宁 530022)

引 言

广西是全国雷电高发省区之一，也是雷电灾害最严重的省区之一。广西沿海的东兴市年均雷暴日高达105 d，即使是最少的天峨县也达到年均51 d，远超国家规定的多雷区标准。雷电一旦致灾，往往会给国民经济和人民生命财产造成重大损失。因此，研究广西地区雷电活动规律与特征并对其进行有效防范，对开展防雷减灾气象服务工作具有重要的现实意义。关于广西地区的雷电活动特征，不少专家学者从不同层面和角度已开展了较多的研究，如覃卫坚等(2009)分析了广西雷电时空分布特征及其多时间尺度信号特征；吴恒强(2004)研究了南海夏季风和热带辐合带对广西雷电活动的影响；农孟松等(2013)、梁维亮等(2016)分别对广西早春一次高架雷暴及6月一次强雷暴天气过程的触发机制进行了诊断分析；钟利华等(2011)探讨了一些稳定度指数和动力参数对雷暴大风天气发生的指示意义；梁维亮等(2014)定义了一个适用于广西雷暴天气的经验预报指标。以上研究大多表明，广西的雷电活动主要发生在每年的4—9月份，即汛期。华南地区的汛期通常分为前汛期和后汛期两个阶段(蒙远文等，1989)，第一阶发生在4—6月份，此阶段降水以锋面降水和夏季风降水(叶朗明和苗峻峰，2014；徐明等，2016；李勇等，2020)为主；第二阶段发生在7—9月份，此阶段降水主要由热带天气系统(覃丽等，2015；赵金彪等，2014；姚丽娜等，2017)造成。无论是在前汛期还是后汛期，一般在出险降水的同时，均会伴有雷电等强对流天气发生。显然，前汛期和后汛期降水的气候特征(张锦标，2008；伍红雨，2011)是大不相同的，那么与之对应的雷电活动是否有所差异？针对这一问题，本文对比分析了广西前汛期和后汛期地闪活动特征，旨在揭示不同大尺度环流背景下的雷电活动特征存在的差异，以期为开展雷电预警业务和服务以及做好雷电防护工作提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料说明

本文使用的资料包括：(1)广西壮族自治区气象局提供的2007—2017年广西闪电定位(Advanced TOA and Direction system，简称ADTD)数据；(2)国家气候中心2007—2017年东亚季风监测简报；(3)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979—2017年ERA-In⁃terim再分析资料的逐月平均高空26层纬向风u，径向风v，比湿q和地面气压等。

1.2 研究方法

广西ADTD闪电定位系统(冯民学等，2009)如图1所示，包含南宁中心站和桂林、柳州、贺州、河池、百色、马山、贵港、梧州、玉林、北海、宁明等11个探测子站，采用磁向(MDF)和时差(TOA)联合法(IMBACT)对闪电中云对地放电，即闪击发生时间、位置(经度和纬度)、极性、强度、陡度、误差、定位方式等参数进行定位监测。利用2007—2017年ADTD闪电定位系统监测数据，剔除资料缺失较为严重的2009年数据，采用数理统计对比分析研究近10 a广西前汛期和后汛期云对地放电中正、负闪击的特征，并对其影响因子进行初步探究。

图1 广西ADTD闪电定位站点分布图Fig.1 Distribution map of ADTD lightning location system stations in Guangxi.

2 时空变化特征对比

2.1 年变化特征对比

从2007—2017年广西地闪频次分布上(图2)来看，4—9月份地闪较为集中，大部年份地闪占全年总频次达95%以上，其中前汛期平均约为51%，后汛期约为44%，其余月份不足5%。李家启等(2011a)研究发现，重庆市的地闪活动也集中发生在4—9月份，占全年达98.7%。

图2 2007—2017年广西地闪频次月-年分布图(单位:104次·月-1)Fig.2 Monthly-annual distribution of CG frequency in Guangxi from 2007 to 2017(unit:104 fl·month-1).

2.2 日变化特征对比

从地闪(CG)的日变化(图3)看，前汛期和后汛期地闪活动差异明显，前汛期呈凌晨-午后双峰分布，后汛期则是午后单峰分布。前汛期，正地闪(图3a)在凌晨和午后表现出两个相当的峰值，负地闪(图3b)凌晨的峰值则相对较弱；后汛期，正负地闪的峰值比较一致，均出现在午后17时(北京时，下同)左右；在上午10—12时左右，前后汛期，正负地闪活动相对偏弱，均为谷值。其中，正地闪前汛期日变化曲线始终在后汛期之上，午后前汛期峰值较后汛期略微偏大，谷值则是2.35倍；负地闪前汛期午后峰值约是后汛期的0.71倍，谷值则是2.04倍，表明1 d之中，前汛期正地闪发生概率较高，特别是在地闪活动偏弱的上午时段，后汛期负地闪发生概率较高，同样是在地闪活动偏弱的上午时段尤其明显。

图3 广西前汛期和后汛期正地闪(a)、负地闪(b)频次日变化图Fig.3 Diurnal variation of frequency of(a)positive CG and(b)negative CG during the pre and the post flood season in Guangxi.

前汛期和后汛期地闪活动区域差异明显。前汛期广西14个地市地闪日变化表现为以下四种形态(图4)：一是桂北地区的桂林、河池、柳州和百色等地的午后-凌晨单峰型(图4a)，地闪频次在午后15时至凌晨04时左右呈一个宽广的单峰分布，其中桂林、河池、柳州的峰值主要出现在凌晨03—04时左右，而桂西北百色的峰值则出现在午后。二是桂中-桂西南一带的来宾、南宁和崇左等地的午后-凌晨双峰型(图4b)，地闪频次的主峰值出现在午后至傍晚，次峰值则是出现在凌晨。三是桂东-桂东南的玉林、梧州、贵港和贺州等地的午后单峰型(图4c)，地闪活动主要出现在午后，傍晚过后迅速减弱。四是桂南沿海的钦州、北海和防城港等凌晨-白天多发型(图4d)，云地闪在凌晨-白天较为活跃。

图4 前汛期广西14个地市午后-凌晨单峰型(a)、午后-凌晨双峰型(b)、午后单峰型(c)、凌晨-白天活跃型(d)地闪日变化图Fig.4 Diurnal variation of CG frequency of(a)afternoon-early morning single peak style,(b)afternoon-early morning double peak style,(c)afternoon single peak style,and(d)early morning-daytime active style)in the pre flood season in 14 cities in Guangxi.

后汛期则表现为以下三种形态(图5)：一是桂南沿海钦州、北海和防城港一带的午后-凌晨双峰分布型(图5a)，地闪主峰值出现在午后-傍晚时段，次峰出现在凌晨04—08时之间。二是桂东-桂东南的午后单峰型(图5b)，分布在贵港、贺州、梧州、玉林和桂中来宾一带，地闪峰值出现在午后至傍晚，其余时段明显偏弱，在这类型变化中，来宾的地闪峰值出现得最早，在午后15时左右，贺州出现较晚，在午后17时左右。三是桂北-桂中-桂西南的午后-凌晨单峰型(图5c)，分布在桂林、柳州、河池、百色、南宁和崇左一带，地闪频次在中午过后迅速上升，在16—18时左右达到顶峰，然后缓慢下降，与第二种形态相比，该类型地闪活动持续活跃时段更长。覃卫坚(2000)研究春夏时节广西区域雷暴活动日变化发现类似结果。这主要是因为盛夏午后太阳辐射升温强烈，热对流发展旺盛，容易产生强对流天气，故除沿海地区外，广西大部地区13—19时之间雷电多发，而沿海地区受海陆风影响，在凌晨05—07时之间，雷电同样多发。

图5 后汛期广西14个地市午后-凌晨双峰型(a)、午后单峰型(b)、午后-凌晨单峰型(c)闪电频次日变化图Fig.5 Diurnal variation of CG frequency of(a)afternoon-early morning double peak style,(b)afternoon single peak style,and(c)afternoon-early morning single peak style in the post flood season in 14 cities in Guangxi

2.3 空间分布特征对比

统计前汛期和后汛期0.01°×0.01°空间分辨率(约为1 km2)地闪频次(图6)发现，前汛期(图6a)，地闪密度高值区集中分布在桂东南的贵港中东部-梧州中北-玉林北部-贺州南部区域，密度值达3 fl·(km2·a)-1以上；而后汛期(图6b)，除了桂东南的贵港中东部-梧州中北-玉林北部-贺州南部仍然表现出较强的雷电活动区域外，桂南防城港南部-钦州西部的十万大山迎风坡、桂东北融水大苗山迎风坡以及桂西北百色右江河谷腹同时表现出强雷电活动区域，密度值达2 fl·(km2·a)-1以上，其中桂东南、桂南区域地闪密度大值区较桂西北、桂东北的范围和极值均偏大。相对来说，前汛期地闪活动高值区更集中，后汛期则较分散。从整个汛期上看，广西的地闪活动可表现为桂东北、桂西北、桂南、桂东南四个地闪活动频繁区域，其中桂东南区域密度及范围最大，而之前研究(覃卫坚，2000；覃卫坚等，2009；吴恒强，2004)认为仅桂南-桂东南是广西雷电活动频繁区域。

图6 广西前汛期(a)和后汛期(b)地闪密度年分布图(单位:fl·(km2·a)-1)Fig.6 Annual distribution of CG density during(a)pre and(b)post flood season in Guangxi(unit:fl·(km2·a)-1).

3 极性和雷电流幅值特征对比

统计2007—2017年地闪极性和雷电流幅值(表1)发现，广西地闪活动主要以云内的负电荷区对地放电即负地闪为主，占全年达95.74%，云内的正电荷区对地放电即正地闪比例明显偏小，仅为4.53%，但是从平均雷电流幅值来看，正地闪平均雷电流幅值(49.85 kA)明显大于负地闪(37.4 kA)。这与李家启等(2011b)在分析重庆地区的雷电流幅值极性分布得出的结论“负地闪占94.595%，正地闪占5.405%，正地闪雷电流幅值(56.49kA)明显大于负地闪(39.74 kA)”是一致的。前汛期与后汛期相比，前汛期正地闪比略偏大，负地闪比则偏小，表明前汛期正地闪较后汛期发生概率较高，负地闪则是较低。无论是正地闪还是负地闪平均雷电流幅值，后汛期均大于前汛期。

表1 2007—2017年广西地闪极性和雷电流幅值特征Table 1 Characteristics of CG polarity and lightning current amplitude in Guangxi from 2007 to 2017.

3.1 雷电流幅值概率分布对比

统计前汛期和后汛期逐5 kA雷电流幅值闪电频次分布(图7)发现，正地闪及负地闪雷电流幅值均在0~35 kA左右随幅值增大所占频次逐渐增加，40~200 kA左右则依次减少，这与李京校等(2017)和石湘波(2016)研究北京和宁波地区ADTD地闪雷电流幅值分布特征一致。正地闪(图7a)，前汛期主要集中在5~65 kA之间，占比达80.34%，后汛期则是在10~75 kA之间，占比达80.52%；负地闪(图7b)，前汛期较集中在5~50 kA之间，占比达80.27%，后汛期则是在15~60 kA之间，占比达83.77%。相对来说，前汛期较后汛期更为集中在5~65 kA之间，负地闪较正地闪更为集中在5~60 kA之间，在平均值上就表现为正地闪平均雷电流幅值大于负地闪，后汛期大于前汛期。

图7 正地闪(a)和负地闪(b)逐5 kA雷电流幅值闪电频次分布图Fig.7 Distribution of(a)positive CG and(b)negative CG frequency 5 kA by 5 kA to the current amplitude.

3.2 雷电流幅值空间分布对比

统计前汛期和后汛期0.01°×0.01°空间分辨率地闪平均雷电流幅值(图8)发现，对于正地闪，前汛期(图8a)和后汛期(图8c)平均雷电流幅值空间分布较为零星，这主要是正地闪频次占总闪频次百分比偏小的原因造成的。相对来说，无论是在前汛期还是后汛期，在贵港中南部及贺州南部-梧州东北部等地闪密度值较高区域，平均雷电流幅值较小，在桂北的河池、柳州及桂林等山区一带，平均雷电流幅值较大。对于负地闪，前汛期(图8b)和后汛前(图8d)平均雷电流幅值的空间分布趋势基本一致，整体表现为桂南-桂东强、桂西-桂北弱的特征，两者差异主要体现在桂南十万大山迎风坡的防城港南部-钦州西部和桂西北东南-西北向抬升的右江河谷腹地两个区域。前汛期，桂南及桂西北大部平均雷电流幅值在30 kA·(km2·a)-1以上，局部超过40 kA·(km2·a)-1，桂南较为集中在防城港和钦州沿海，桂西北则是较为分散；后汛期，桂南及桂西北大部平均雷电流幅值均跃升至35 kA·(km2·a)-1以上，部分区域超过40 kA·(km2·a)-1，桂南高值区域由防城港和钦州沿海向北延伸至南宁南部、向东延伸至钦州中部和向西延伸至崇左南部区域，桂西北则是表现为东南-西北向的大范围高值区域。这表明，后汛期在午后辐射升温和地形强迫抬升作用之下，以上两块区域地闪峰值电流较前汛期更强。

图8 广西前汛期正地闪(a)、前汛期正地闪(b)、后汛期正地闪(c)、后汛期负地闪(d)强度空间分布图(单位:kA·(km2·a)-1)Fig.8 Spatial distribution of CG intensity of(a)positive CG in the pre flood season,(b)negative CG in the pre flood season,(c)positive CG in the post flood season,and(d)negative CG in the post flood season in Guangxi,unit:kA·(km2·a)-1).

4 影响因子分析

4.1 南海夏季风影响

广西属于典型季风季候区，吴恒强(2004)指出广西雷暴活动与南海夏季风有密切联系，当南海夏季风偏强时雷暴活动偏多，反之则偏少；王学良(2016)研究也认为夏季风强度指数与全国4—9月平均雷暴日有较好的正相关。统计2007—2017年南海夏季风爆发时间和强度指数如表2所示。分析可知，除2016年南海夏季风指数较常年偏强之外，其余年份明显偏弱；爆发时间除2014年较常年(5月5候)偏晚之外，其余年份同步或偏早，结束时间除2014年为正常年份(9月6候)之外，其余年份均偏晚。在指数偏强的2016年，前汛期和后汛期地闪频次偏多；在其余偏弱的9 a里，前汛期除2014和2015年地闪偏多之外，其余年份偏少，后汛期在2007、2008、2010、2014和2017年偏多，2011、2012、2013和2015年偏少。表明南海夏季风的强弱程度对广西前汛期的地闪活动影响较大，相关系数达到0.47，后汛期则较弱。在爆发偏早年份(2008、2011、2012、2013及2017年)，前汛期地闪活动偏少，偏晚年份(2014年)则偏多，表明南海夏季风爆发早晚和前汛期地闪活动关系较为密切。在南海夏季风结束偏晚的年份(除2014年之外)，后汛期地闪活动既有偏多也有偏少年份，没有直接关系。综上，近10 a前汛期广西地闪活动与南海夏季风强度和爆发早晚有着较为密切的关系，当强度偏弱和爆发偏早时地闪活动偏少，反之偏多，后汛期则无直接联系，其机理仍需进一步研究。

表2 2007—2017年南海夏季风指数特征Table 2 Characteristics of the SCS summer monsoon index from 2007 to 2017.

4.2 水汽输送和地形影响

雷电活动受水汽、不稳定层结及抬升条件三个因素影响(朱乾根等，2000)。广西地势西北高东南低，四周多高山，中间地势略低，整体是山地丘陵性盆地地貌。研究表明(广西壮族自治区气候中心，2007)，北方南下冷空气受地形阻挡作用，主要沿湘桂走廊入侵广西，最后汇聚至桂东南的贵港、玉林一带。在前汛期多年水汽输送平均场上(图9a)，来自孟加拉湾的西南水汽输送与来自西太平洋地区的东南水汽输送在中南半岛一带辐合，广西上空偏南水汽输送旺盛，整体为水汽散度负值区，低层水汽辐合上升运动较强。当有冷空气南下时，地形引导冷暖气流在桂东南一带频繁交绥，加上山脉地形强迫抬升作用，使得前汛期地闪空间分布图(图6a)上，桂东南大瑶山、大容山、大桂山以及云开大山等大范围区域表现出强的雷电活动中心。在后汛期多年水汽输送平均场上(图9b)，来自孟加拉湾的西南水汽输送与来自西太平洋地区的东南水汽输送在华南沿海一带辐合，广西上空偏东南水汽输送旺盛，水汽散度绝对值较前汛期偏小，低层水汽辐合上升运动相对偏弱。但是此时，广西午后太阳辐射升温较前汛期明显增强，同时热带扰动和热带气旋进入活跃期，在地形强迫抬升作用下，偏东南暖湿气流沿桂南十万大山迎风坡、桂西北右江河谷腹地、桂东北大苗山迎风坡以及桂东南诸多山脉迎风坡辐合上升，导致雷电等强对流天气频发。使得后汛期地闪空间分布图(图6b)上，表现为桂东南、桂东北、桂西北及桂南4个强雷电活动区域，特别是桂南和桂东南一带，受热带扰动和热带气旋影响较为直接，地闪密度大值区域较桂西北、桂东北范围和极值均偏大。

图9 广西1979—2017年前汛期(a)和后汛期(b)垂直水汽通量积分平均场(箭头,单位:103g·m-1·s-1)及整层水汽通量散度平均场(阴影为水汽通量散度小于0区域,单位:10-3 g·m-2·s-1)Fig.9 Integrated mean field of vertical water vapor flux(arrow,unit:103 g·m-1·s-1)and mean field of water vapor flux divergence in the whole layer(The shadow is the area with water vapor flux divergence less than 0,unit:10-3 g·m-2·s-1)of(a)pre and(b)post flood season in Guangxi from 1979 to 2017.

整体上看，前汛期，桂东南地闪活动高值区受地形引导大尺度冷暖气流频繁交绥影响较大；后汛期，桂南、桂东南、桂西北以及桂东北等区域地闪活动高值区受午后太阳辐射升温、地形强迫抬升作用及热带扰动和热带气旋影响较大。对于桂南十万大山迎风坡强降雨和强雷电活动中心与地形和水汽输送的关系，吴恒强(1981)和蒋国兴(2007)已经进行了详细的分析；而桂东北、桂西北以及桂东南在后汛期表现出的强地闪活动中心，在今后雷电预警研究中是值得关注的区域。

5 结论

利用近10 a ADTD闪电定位系统的云对地闪击资料对比分析了广西前汛期和后汛期云地闪的活动特征，并对相关影响因子进行了初步探讨，得到以下结论：

(1)前汛期和后汛期地闪日变化差异明显，前汛期全区呈双峰分布，按区域可划分为桂南沿海的“凌晨-白天多发型”、桂东-桂东南的“午后单峰型”、桂中-桂西南的“凌晨、午后双峰型”以及桂北的“午后-凌晨单峰型”四种类型；后汛期全区呈单峰分布，按区域可划分为桂南沿海的“午后、凌晨双峰型”、桂东-桂东南的“午后单峰型”以及桂北-桂中-桂西南的“午后-凌晨单峰型”三种类型。

(2)前汛期和后汛期地闪空间分布差异明显，前汛期地闪密度高值区主要分布在桂东南贵港中东部-梧州中北部-玉林北部-贺州南部区域；后汛期则表现为桂东南贵港东部-梧州北部-玉林北部-贺州南部、桂南防城港南部-钦州西部桂东北融水-融安及桂西北百色右江河谷腹地等4个高值区域；后汛期桂南、桂西北地闪强度高值区较前汛期偏强偏大。

(3)前汛期和后汛期地闪极性均以负地闪为主，前汛期正地闪发生概率较后汛期大，前汛期雷电流幅值集中在5~50 kA之间，后汛期则是15~60 kA，后汛期平均雷电流幅值大于前汛期，正地闪大于负地闪。

(4)南海夏季风强弱和爆发早晚对前汛期地闪活动影响较大，强度弱及爆发早，地闪偏少，反之偏多；前汛期，桂东南地闪活动高值区受地形引导大尺度冷暖气流频繁交绥影响较大，后汛期受午后太阳辐射增温、地形强迫抬升作用和热带系统天气影响较大。