勞小青， 周方聰， 潘家利， 高 燚， 張廷龍，韋傳波， 李 敏

(1.海南省氣象災害防御技術中心，?？?570203； 2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海口 570203；3.瓊中黎族苗族自治縣氣象局，海南 瓊中 572900)

引 言

雷電災害被聯(lián)合國列為十大自然災害之一。海南島是我國雷暴最多的地區(qū)，年平均雷暴日數(shù)近一半縣市在100天以上[1]。海南也是我國雷電災害最嚴重的地區(qū)之一，考慮到人口權重，海南是全國人員傷亡率最高的省份[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，1999至2011年間海南島雷擊共造成405人傷亡[3]。因此，做好雷電預警工作對保護當?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全有著非常重要的意義。利用天氣分型做短期天氣預報是20世紀中期老一輩氣象工作者摸索出來的經(jīng)驗，曾被廣泛使用。長期的實踐證明這是20世紀非常有效的短期天氣預報方法[4-5]。西南低壓槽、南海低壓槽、華南沿海槽是夏秋季影響海南島最多的低壓槽類天氣系統(tǒng)，也是產(chǎn)生雷暴最多的天氣系統(tǒng)[6]。研究3種天氣分型影響下的地閃發(fā)生規(guī)律和分布特征，對海南島的雷電預警和雷電防護有積極意義。

雷電的發(fā)生與雷暴云的強度、高度密切相關。雷達是觀測強對流天氣、開展雷電預警的重要設備[7-11]。研究表明，雷達回波特征參數(shù)與閃電具有一定的關系[12-20]。其中，強度為40 dBZ的回波伸展到0 ℃層高度是雷電預警的關鍵指標[21-24]。本文嘗試從該指標入手，分析海南島分別在3種低壓槽類天氣系統(tǒng)影響下的40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率、地閃發(fā)生概率、0 ℃層上強度≥40 dBZ的回波面積等變量的時空分布特征，探討海南島在低槽類天氣系統(tǒng)影響下的雷達回波和地閃的活動規(guī)律及它們之間的對應關系，以期為當?shù)氐睦纂婎A警和短期天氣預報業(yè)務提供技術參考，也以此驗證天氣分型預報方法的科學性和穩(wěn)定性。

1 資料和處理

1.1 數(shù)據(jù)資料來源

本文采用雷達、閃電定位、天氣分型3種數(shù)據(jù)資料，年限為2014-2018年6-8月。雷達數(shù)據(jù)來自?？诙嗥绽绽走_，地閃數(shù)據(jù)來自海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)，天氣系統(tǒng)分型資料來自海南省氣象臺。

?？诙嗥绽绽走_位于海口永莊，海拔127 m。

海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)建于2009年，是一套VLF云地閃觀測系統(tǒng)，觀測距離300 km，觀測精度500 m。系統(tǒng)分別在海南島的?？?、瓊海、東方、三亞、瓊中等市縣布設了5個監(jiān)測站點，站點間距在180 km以內(nèi)。為保證定位的準確性，本文只采用3站以上定位數(shù)據(jù)。

天氣分型及其天氣規(guī)律在《海南省天氣預報技術手冊》中有詳細的定義和描述[25]。在西南低壓槽、南海低壓槽、華南沿海槽影響下，海南島在850 hPa分別以西南、偏東、偏西環(huán)境風為主。6-8月，在西南低壓槽、華南沿海槽影響下，降水主要出現(xiàn)在海南島西北部內(nèi)陸；在南海低壓槽影響下，降水主要出現(xiàn)在海南島西部和東南部內(nèi)陸。

華南沿海槽、南海低壓槽、西南低壓槽是海南島2014-2018年6-8月影響天數(shù)最多、產(chǎn)生地閃次數(shù)最多的三種天氣分型(見圖1，圖1中Swt、St1、St2、Wf、Ef、Dd、Yt、G1、G2分別代表西南低壓槽、南海低壓槽、華南沿海槽、冷空氣偏西下、冷空氣偏東下、熱帶氣旋、越南低壓槽、副熱帶高壓、變性高壓等天氣分型)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

黃小燕等[26]在統(tǒng)計1970-2012年夏半年中國大氣0 ℃層高度后認為，中國華南地區(qū)夏半年0 ℃層高度為5200-5500 m。由于本研究不涉及大氣0 ℃層的電荷結構變化及降水粒子相變分析，不需要精確的0 ℃層高度值。為便于數(shù)據(jù)計算，本文大氣0 ℃層高度統(tǒng)一取5500 m。

圖1 2014-2018年6-8月海南島各天氣分型影響天數(shù)和地閃次數(shù)占比

數(shù)據(jù)處理關鍵是雷達基數(shù)據(jù)的處理，分為基數(shù)據(jù)預處理和分析處理兩個過程。

基數(shù)據(jù)預處理包含基數(shù)據(jù)展開、產(chǎn)生0 ℃層高度文件、格點化等。

數(shù)據(jù)分析處理包含40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率、0 ℃層高度上強度≥40 dBZ的回波面積、滿足40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度條件下的地閃發(fā)生概率、地閃次數(shù)與0 ℃層高度上強度≥40 dBZ回波面積的比值等時間分布，還有40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度概率的空間分布、地閃發(fā)生概率的空間分布等。其中，滿足40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度條件下的地閃發(fā)生概率和地閃次數(shù)與0 ℃層高度上強度≥40 dBZ回波面積比值數(shù)據(jù)經(jīng)S-G平滑法平滑處理，40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度概率的空間分布和地閃發(fā)生概率的空間分布采樣網(wǎng)格為40 km×40 km，網(wǎng)格數(shù)據(jù)經(jīng)克里金(Kriging)插值法插值處理。

2 結果與分析

2.1 40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率

圖2為2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的天數(shù)與實際影響天數(shù)的比值。由圖2可看出，3條概率日變化曲線走向基本一致，主要呈單峰特性。21:00-09:00，3條曲線都存在小輻振蕩，南海低壓槽概率曲線在25%-40%波動，華南沿海槽的在10%-30%波動，西南低壓槽的在15%以下波動；3條曲線的高峰期均為09:00-21:00，南海低壓槽和華南沿海槽的概率曲線到達峰值的時間為15:00-16:00，西南低壓槽曲線到達峰值的時間則晚2 h，南海低壓槽、華南沿海槽、西南低壓槽的概率曲線峰值分別為97%、83%、87%。3條概率曲線層次分明，在南海低壓槽影響下各個時段的概率值均為最高，在華南沿海槽影響下的概率值在16:00之前均比西南低壓槽的高，但之后包括峰值時段均比西南低壓槽的稍低。

40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率越高，出現(xiàn)雷暴云的概率就越高[27]，出現(xiàn)雷雨天氣的可能性就越大。比較3種天氣分型，6-8月在南海低壓槽影響下海南島出現(xiàn)雷雨天氣的可能性最大。

圖2 2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度概率的日變化

2.2 0 ℃層高度上強度≥40 dBZ的回波面積

圖3為2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的0 ℃層高度上強度≥40 dBZ回波面積的日變化。下文中把0 ℃層高度上強度≥40 dBZ的回波面積簡稱為強回波面積。由圖3可知:

(1)3條強回波面積日變化曲線主要呈單峰特性。20:00-10:00，3條強回波面積曲線均處在50～200 km2/d，在華南沿海槽影響下，各時段的強回波面積均為最大，南海低壓槽和西南低壓槽影響下的強回波面積相差較小。3條強回波面積曲線的主峰期均為10:00-20:00，華南沿海槽影響下的強回波面積在15:00峰值之前明顯比南海低壓槽的要大,但在15:00之后南海低壓槽的強回波面積要稍大于華南沿海槽的；西南低壓槽影響下的強回波面積在11:00-17:00明顯比華南沿海槽和南海低壓槽的要低。南海低壓槽和華南沿海槽的強回波面積曲線到達峰值的時間均為15:00-16:00，西南低壓槽曲線到達峰值的時間為16:00-17:00。南海低壓槽、華南沿海槽、西南低壓槽影響下的強回波面積日變化曲線峰值分別為474 km2/d、462 km2/d和292 km2/d。

(2)3種天氣分型在12:00-18:00的強回波面積明顯要比其他時段的大很多，說明造成海南島夜間地閃少的原因，除了夜間40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率較低外，還有強回波面積較小的緣故。究其原因，除了白天太陽輻射增溫有助于大氣對流發(fā)展外，還有海南島白天環(huán)境風與海風的疊加輻合作用要比夜間與陸風的疊加輻合作用更強[28]。

(3)強回波面積反映了強對流天氣的影響范圍。在華南沿海槽影響下，一天多數(shù)時段里雷雨天氣影響范圍比南海低壓槽影響下的大，西南低壓槽是3種天氣分型中雷雨天氣影響范圍最小的，特別是在12:00-18:00差距更明顯。

圖3 2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的0 ℃層高度上強度≥40 dBZ回波面積的日變化

2.3 地閃次數(shù)

圖4為2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的地閃次數(shù)日變化。圖4顯示，3條地閃次數(shù)日變化曲線主要呈單峰特性。19:00-12:00，華南沿海槽和西南低壓槽的地閃次數(shù)日變化曲線振蕩頻繁，而南海低壓槽曲線則相對較平坦，華南沿海槽對應的地閃日變化曲線明顯位于其他兩條曲線之上。3條曲線的主峰期均為12:00-19:00，華南沿海槽和南海低壓對應的地閃日變化曲線到達峰值的時間均在15:00-16:00，西南低壓槽對應的地閃日變化曲線則在14:00-15:00達到峰值。華南沿海槽、南海低壓槽和西南低壓槽對應的地閃日變化曲線峰值分別為110次/d、91次/d和55次/d。此外，對比3種天氣分型，在華南沿海槽影響下全天各時段的地閃次數(shù)幾乎都是最多的，在南海低壓槽影響下，除19:00-11:00的地閃次數(shù)比西南低壓槽的略少外，在11:00-19:00明顯比在西南低壓槽影響下的多。

表1為2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率(簡稱強回波概率，下同)、強回波面積、地閃次數(shù)等3組日變化數(shù)據(jù)經(jīng)CORREL函數(shù)相關性分析的結果。由表1可看出，從單個天氣分型分析，3組數(shù)據(jù)間有很好的相關性，強回波面積與地閃次數(shù)的相關性最高，強回波概率與地閃次數(shù)相關性最低。

圖4 2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的地閃次數(shù)日變化

表1 2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的強回波概率、強回波面積、地閃次數(shù)日變化數(shù)據(jù)相關系數(shù)

從3種天氣分型的比較分析可知，40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度概率的日變化曲線分布與強回波面積、地閃次數(shù)的曲線分布差別較大，而強回波面積與地閃次數(shù)的日變化曲線分布相對較相似。

綜上所述，無論是從單個天氣分型的3組日變化數(shù)據(jù)相關性比較,還是從3種天氣分型日變化曲線分布的相互比較，強回波面積與地閃次數(shù)均呈明顯的正相關關系。

2.4 地閃發(fā)生概率和地閃次數(shù)與強回波面積比值

圖5(a)為2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的地閃發(fā)生概率的日變化。由圖5(a)可看出，3條概率日變化曲線呈多峰特性。在華南沿海槽影響下，22:00-06:00地閃發(fā)生概率大于100%，說明有些地閃在沒有滿足40 dBZ回波伸展到5500 m條件時已經(jīng)發(fā)生。在華南沿海槽影響下夜間會出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因目前尚無法解析，有待以后研究分析。18:00-11:00，華南沿海槽影響下的地閃發(fā)生概率最高。9:00之前，華南沿海槽影響下的地閃發(fā)生概率都在80%以上，而南海低壓槽、西南低壓槽影響下的地閃發(fā)生概率峰值都在85%以下。05:00-09:00，西南低壓槽影響下的地閃發(fā)生概率為70%～80%，高于南海低壓槽的。在南海低壓槽影響下，14:00-17:00地閃發(fā)生概率在90%以上；華南沿海槽影響下的地閃發(fā)生概率峰值為89%，西南低壓槽影響下的地閃發(fā)生概率峰值為78%?？梢?，在午后地閃發(fā)生的高峰期，南海低壓槽影響下的地閃發(fā)生概率最高，其次是華南沿海槽的，西南低壓槽影響時發(fā)生的地閃概率最低。

圖5(b)為2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的地閃次數(shù)與強回波面積比值的日變化。由圖5(b)可看出，3條日變化曲線呈多峰特性。3條曲線在19:00-00:00出現(xiàn)一個明顯的高峰期，而這個時段已過了地閃的主要發(fā)生期，這是由于在低壓槽天氣影響下，特別是西南低壓槽影響下，在20:00-22：00，雖然主要的雷暴過程已過境或結束，但在海南島北部內(nèi)陸仍經(jīng)常會有發(fā)展緩慢的雷暴單體在活動，這些雷暴單體一般移動少、強度較弱、強回波面積小。00:00-12:00，華南沿海槽影響下在大部分時間段里的地閃次數(shù)與強回波面積的比值都是最高的，西南低壓槽的次之，南海低壓槽的最低；12:00-19:00，華南沿海槽影響下地閃次數(shù)與強回波面積的比值明顯比其他兩個天氣分型影響下的高，而南海低壓槽與西南低壓槽的則相當。

圖5 2014-2018年6-8月海南島3種低壓槽天氣的地閃發(fā)生概率(a)、地閃次數(shù)與強回波面積比值(b)日變化

綜上所述，在華南沿海槽影響下，強回波面積最大，地閃次數(shù)也最多；在南海低壓槽控制下，40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率最高，同時午后地閃發(fā)生概率最高；在西南低壓槽影響下，40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率、強回波面積、地閃次數(shù)在午后各時間段都要比華南沿海槽和南海低壓槽的低。

2.5 地閃發(fā)生概率和40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度概率的空間分布

圖6為2014-2018年6-8月12:00-19:00海南島3種低壓槽天氣的地閃發(fā)生天數(shù)與系統(tǒng)影響天數(shù)的比值分布。在圖6中，12:00-19:00，南海低壓槽、華南沿海槽、西南低壓槽影響下地閃發(fā)生概率中心值分別為70%、55%、50%。3種天氣分型的地閃發(fā)生概率中心分布有共同點，但并不完全相同。共同點是地閃都主要分布在海南島的北半部內(nèi)陸，但具體分布區(qū)域并不一致。西南低壓槽影響下地閃主要分布在澄邁縣的南部，地處海南島北部內(nèi)陸；南海低壓槽影響下地閃主要分布在儋州市的南部，處海南島西北部內(nèi)陸；華南沿海槽影響下地閃主要分布在?？谑心喜浚幒Ｄ蠉u東北部內(nèi)陸。午后雷暴天氣主要分布在海南島北部的原因，一是北部的熱力條件要比南部的好[29]，二是海南島西南部山脈對偏西、西南環(huán)境風的阻擋分流作用，有利于北部的西南環(huán)境風與偏北、偏東的海風輻合[30]。海南島南部環(huán)境風被阻擋分流轉向為偏南風后，與海風疊加，造成南部午后出現(xiàn)較強的南風，不利于不穩(wěn)定能量的堆積，使南部的樂東、三亞、陵水等市縣的午后強對流天氣減少。地閃發(fā)生概率中心的分布區(qū)域與環(huán)境風和海風的疊加、幅合作用緊密相關，海陸風的日夜變換加上西南部山脈對氣流的阻擋分流作用，使海南島地面風場非常復雜，但西南部山脈對環(huán)境風、海風的阻擋分流作用有利于北部的氣流幅合。

圖6 2014-2018年6-8月12:00-19:00海南島3種低壓槽天氣的地閃發(fā)生概率分布

圖7為2014-2018年6-8月12:00-19:00海南島3種低壓槽天氣的40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的天數(shù)與系統(tǒng)影響天數(shù)的比值分布。由圖7可看出，40 dBZ回波伸展到0 ℃層的概率中心值以南海低壓槽影響下的85%為最高，華南沿海槽和西南低壓槽的均為75%。西南低壓槽影響下的強回波概率中心主要分布在澄邁、定安、瓊中、屯昌等北部內(nèi)陸市縣，南海低壓槽影響下的強回波概率中心主要分布在儋州、白沙等西部市縣，華南沿海槽影響下的強回波概率中心主要分布在定安、?？谀喜?、文昌東部等東北部市縣。

對比圖7與圖6可知，3種低槽天氣對應的強回波概率中心與地閃發(fā)生概率中心是重合的，說明午后強回波概率高的區(qū)域，地閃發(fā)生概率也高，兩者呈正相關關系。逐時分析3種低槽天氣對應的強回波概率和地閃發(fā)生概率發(fā)現(xiàn)，3種低槽天氣對應的強回波概率中心和地閃發(fā)生概率中心在12:00-19:00均向東北方向移動，南海低壓槽影響下兩中心由昌江中部向儋州南部移動，華南沿海槽影響下兩中心由瓊中中部向?？谀喜恳苿樱髂系蛪翰塾绊懴聝芍行挠少僦菽喜肯虺芜~東部移動，這與3種低槽天氣的環(huán)境風與午后海風輻合作用有關。另外，強回波概率和地閃發(fā)生概率的等值線均有向南部山區(qū)傾斜的趨勢。這是由于在環(huán)境風與陸風的作用下，在海南島東南部沿海夜間經(jīng)常會出現(xiàn)短時間、很弱的雷暴天氣。到了白天，由于南部山脈特別是五指山對偏東環(huán)境風和海風的阻擋及山區(qū)產(chǎn)生的谷風影響，殘留的雷暴云得以維持和發(fā)展。這種雷暴云在白天持續(xù)時段一般為08:00-15:00，并由東南沿海逐漸向西部內(nèi)陸擴散。這種由地形因素維持的雷暴云，往往發(fā)展有限，影響范圍很小[31]。當北部內(nèi)陸新的雷暴單體發(fā)展起來后，這種地形云就會消散。

圖7 2014-2018年6-8月12:00-19:00海南島3種低壓槽天氣的強度40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率分布

對午后的地閃次數(shù)進行網(wǎng)格化分析發(fā)現(xiàn)，地閃次數(shù)分布中心與強回波概率中心、地閃發(fā)生概率中心也是重合的。由此推論，地閃次數(shù)中心與降水中心可能也是重合的。與《海南省天氣預報技術手冊》描述的降水區(qū)域分布比較，南海低壓槽和西南低壓槽影響下的強回波概率中心和地閃發(fā)生概率中心分布與《海南省天氣預報技術手冊》描述的降水區(qū)域重合。但在華南沿海槽影響下，強回波概率中心和地閃發(fā)生概率中心分布在海南島東北部內(nèi)陸，而《海南省天氣預報技術手冊》描述的降水區(qū)域卻在海南島西北部內(nèi)陸。之所以有這樣的偏差，可能是過去降水觀測站分布較稀疏(一縣一站)，而真正的降水中心并不在觀測站點上導致的。

3 結論與討論

3種天氣分型的共性特征：

(1)0 ℃層上強度≥40 dBZ的回波面積與地閃次數(shù)呈正相關；

(2)午后40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率與地閃發(fā)生概率呈正相關；

(3)午后40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率中心與地閃發(fā)生概率中心完全重合。

3種天氣分型的個性特征：

(1)在華南沿海槽影響下，0 ℃層上強度≥40 dBZ的回波面積最大，同時地閃次數(shù)最多，午后地閃發(fā)生概率中心分布在以?？谑心喜繛橹行牡暮Ｄ蠉u東北部內(nèi)陸；

(2)在南海低壓槽影響下，40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率最高，同時午后地閃發(fā)生概率最高，午后地閃發(fā)生概率中心分布在以儋州市南部為中心的海南島西北部內(nèi)陸；

(3)在西南低壓槽影響下，午后40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度的概率、0 ℃層上強度≥40 dBZ的回波面積、地閃發(fā)生概率、地閃次數(shù)等指標都要比華南沿海槽、南海低壓槽的低，午后地閃發(fā)生概率中心分布在以澄邁縣南部為中心的海南島北部內(nèi)陸。

采用40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度作為地閃預警指標，顯然不如采用伸展到-10 ℃層、-15 ℃層作為預警指標的準確率更高，但從預警時效性上講，40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度指標的預警時效更長，可為用戶爭取更多的防備時間。海南島夏半年的降水經(jīng)常伴有雷電活動，當滿足40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度條件時，在華南沿海槽、西南低壓槽、南海低壓槽影響下，一天內(nèi)分別有22、13、11 h的地閃發(fā)生概率在70%以上，特別是14:00-19:00在南海低壓槽、華南沿海槽影響下地閃發(fā)生概率最低的也在80%以上，最高的近100%。可見，在海南島采用40 dBZ回波伸展到0 ℃層高度作為雷電預警指標，其預警準確率并不低，是可行的。