勞小青，石 華，李 敏

（1.海南省氣象災害防御技術(shù)中心，海南海口 570203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南?？?570203；3.海南祥云雷電防護有限公司，海南?？?570203）

雷電流極性由雷雨云帶電極性決定，云團正電荷對地放電發(fā)生的地閃稱為正地閃，反之為負地閃；典型的雷雨云正電荷分布在云團的上部，負電荷分布在云團的下部，為此，在云團底下大多數(shù)發(fā)生的地閃為負地閃，如果上部的正電荷足夠強也會對遠處的物體發(fā)生閃擊，所以正地閃（以下簡稱正地閃為正閃，負地閃為負閃）多分布在雷雨云地面投影的外圍；由于雷雨云中正、負電荷分布不同，正閃的平均雷電流要比負閃大，且正閃產(chǎn)生大電流的幾率要比負地大得多；正閃雖然通常只由一個單閃擊構(gòu)成，但正閃轉(zhuǎn)移的電荷量無論是脈沖變化部分還是整個放電過程都較負閃大得多［1］.正閃頻次占比在不同地區(qū)、不同季節(jié)均有較大的區(qū)別，Brook等［2］采用慢天線和高速攝影手段觀測日本冬季雷暴，發(fā)現(xiàn)正閃占比為41%；Yair［3］等采用全閃監(jiān)測儀觀測以色列冬季雷暴，發(fā)現(xiàn)正閃占比為16%；Oriville和Huffines［4］采用閃電定位系統(tǒng)觀測10年的美國夏季雷暴，發(fā)現(xiàn)正閃占比為3%～9%；劉維成等［5］對比甘肅和廣東的閃電定位資料后發(fā)現(xiàn)，甘肅正閃占比為6.06%，廣東為4.65%；陳渭民認為［6］正閃占比會隨緯度和海拔高度的增大而升高.在正閃分布特征方面，虞敏等［7］認為南京地區(qū)正閃比例的月變化與閃電頻數(shù)月變化相反；馮真禎等［8］發(fā)現(xiàn)福建省一天中負閃在13：00～20：00發(fā)生最為頻繁，正閃遲于負閃；張陽等［9］認為北京地區(qū)正閃較大頻次出現(xiàn)在5～7月，較高比例出現(xiàn)在春、秋季，一天內(nèi)的正、負閃分布具有反對應關系，正閃在傍晚（15：00～21：00）具有較大的頻次和較高的比例；崔海華等［10］認為，京津冀地區(qū)正閃頻次的峰值比負閃晚1小時；茍阿寧等［11］結(jié)合雷達回波分析一次強雹暴閃電過程時發(fā)現(xiàn)，負閃主要落在強回波邊緣，而正閃多分布在強回波周圍層狀云中；馮桂力等［12］在分析山東冰雹云閃電特征時發(fā)現(xiàn)，負閃頻數(shù)峰值的出現(xiàn)通常提前于降雹0～20 min，正閃頻數(shù)峰值的出現(xiàn)一般滯后于降雹發(fā)生時間.在正閃產(chǎn)生條件分析方面，郭鳳霞等［13］在利用三維雷暴云動力-電耦合數(shù)值模式模擬一次強雷暴過程時發(fā)現(xiàn)，正閃的發(fā)生不僅需要更強的上升氣流，還需要云低層存在強的下沉氣流，即正閃發(fā)生在強雷暴云成熟階段后期，正閃發(fā)生階段對應著上升氣流、雹粒子體積和總閃的快速增強階段，因此，強雷暴中正閃的發(fā)生可作為雷暴強度及冰雹形成的一個指示因子；張義軍等［14］認為反極性電荷結(jié)構(gòu)（即上負、下正）是導致正閃多發(fā)的原因之一，強烈的上升氣流會引起上升氣流區(qū)中的液態(tài)水含量等微物理條件發(fā)生改變，進而影響大小粒子碰撞的起電過程，使霰粒子荷正電，冰晶粒子荷負電，從而形成反極性電荷結(jié)構(gòu).從以上研究成果可以總結(jié)出以下關于正閃的特性：正閃占比隨緯度和海拔增大而升高，正閃占比月變化與閃電頻次月變化相反，正閃頻次日變化峰值遲于負閃頻次峰值，雷暴過程中正閃頻次峰值同樣滯后于負閃峰值，正閃產(chǎn)生需要強烈的上升氣流，多發(fā)生在雷暴云成熟階段后期.海南島是全國雷災最嚴重的地區(qū)之一，研究正閃的活動規(guī)律對海南防雷減災及降水、冰雹預報有積極意義，各地正閃特征是否適用于海南也值得做一次本地化的研究.

1 數(shù)據(jù)與處理

1.1 閃電數(shù)據(jù)本次研究的閃電數(shù)據(jù)源自海南省ADTD（advanced digital thunder decting）閃電定位系統(tǒng)，海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)是VLF二維閃電探測系統(tǒng)，ADTD閃電定位系統(tǒng)要求由二個以上測站及一個數(shù)據(jù)處理站組成，系統(tǒng)探測距離300 km，定位精度500 m.海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)始建于2007年，在海南島上設有5個測站，分別為?？冢‥110.24°，N20.00°）、三亞（E109.54°，N18.22°）、東方（E109.83°，N19.04°）、瓊海（E110.46°，N19.24°）、瓊中（E108.63°，N19.09°），五個測站在海南島大體呈東、西、南、北、中分布，觀測點的間距均在200 km以內(nèi).

ADTD閃電定位系統(tǒng)采用二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法等四種定位方式.就與雷達回波配合來看，采用三站混合、四站算法定位的閃電與雷達回波配合較好，二站振幅、二站混合的誤測率較高、定位誤差也較大.從現(xiàn)存定位數(shù)據(jù)來看，三站混合、四站算法的記錄約占40%，二站振幅、二站混合的記錄約占60%.

本次研究采用2010—2019年4～10月閃電數(shù)據(jù)，2012年數(shù)據(jù)由于部分缺失被排除，實際使用9年數(shù)據(jù).為保證定位精度只保留三站混合和四位算法兩種定位數(shù)據(jù)，使用前對所有數(shù)據(jù)進行剔除繼后回擊和雷達回波比對排除處理.

1.2 天氣分型資料采用天氣分型預報天氣是上世紀最常見的預報方法，天氣分型實質(zhì)是采用天氣形勢和氣象要素結(jié)合本地的天氣現(xiàn)象提煉的天氣規(guī)律.天氣分型預報方法在沒有數(shù)值預報的年代在短臨天氣預報方面發(fā)揮了很大的作用，該預報方法很好地融合了本地的天氣、氣候特點，至今在中、小尺度天氣預報上仍在廣泛使用.

華南沿海槽、南海低壓槽、西南低壓槽是影響海南最多的天氣系統(tǒng)，同時也是發(fā)生閃電最多的天氣系統(tǒng)［15］，本次研究采用了三種天氣分型影響下的閃電數(shù)據(jù)，天氣分型分析數(shù)據(jù)源自海南省氣象臺每日對外發(fā)布的天氣形勢分析.

1.3 雷災資料雷災個例源自海南省氣象局雷災調(diào)查檔案庫.

2 結(jié)果與分析

2.1 時間分布特征

2.1.1 正閃頻次年月分布圖1a顯示，各年份的總閃頻次和正閃頻次變化較大，兩條頻次曲線的變化趨勢基本一致，正閃占比曲線與頻次曲線的變化趨勢也較接近，各年份的總閃頻次、正閃頻次、正閃占比基本呈正相關關系，由于數(shù)據(jù)年限較短，此規(guī)律的穩(wěn)定性還待進一步驗證.9年的正閃占比在2.5%～6.0%間波動，9年合計正閃占比為4.60%，與廣東4.65%相近，比甘肅6.06%、津京冀7.66%、內(nèi)蒙古9.60%［16］等北方地區(qū)要低，符合正閃占比隨緯度增大而升高的規(guī)律.

圖1 海南島閃電頻次和正閃占比的年分布（a）、月分布（b）

圖1b顯示，海南島正閃頻次月分布曲線與總閃頻次月分布曲線的變化趨勢也基本一致，同為雙峰型分布，但兩者主、次峰對應月份卻不一致，總閃頻次主峰在5月份，次峰在8月份，而正閃頻次正好相反，8月份頻次略高于5月份；排除4月、10月因總閃頻次較少對統(tǒng)計結(jié)果的影響，海南島從5月至9月正閃占比在4.5%～5.2%之間，8、9月份的正閃占比要高于其他月份.海南島8月份總閃頻次為全年次峰而正閃占比卻全年最高，與南京地區(qū)的正閃占比月變化與總閃頻數(shù)月變化相反的結(jié)論有區(qū)別.

如果逐年分析閃電頻次月分布，9年中有6年的總閃頻次高峰期在5、6月，有4年的正閃頻次高峰期在8、9月；總、正閃頻次主峰對應月份重合的年份有5年，其中3年在5月份，1年在8、9月份，1年在7月份；總、正閃頻次主峰對應月份錯開的年份有4年，其中有1年的總閃頻次峰值出現(xiàn)在下半年、正閃頻次峰值出現(xiàn)在上半年，其余3年與多年統(tǒng)計結(jié)果一致；排除4、10月份，正閃占比主峰分布在8、9月份的年份有5年.從逐年分析結(jié)果看，總、正閃主峰對應月份既有重合又有錯開，既有分布在上半年的又有分布在下半年的，正閃占比的高峰期分布在下半年的年份比在上半年的多.

2.1.2 正閃時分布

（1）正閃頻次時分布圖2顯示，海南島總閃頻次和正閃頻次時分布曲線變化趨勢基本一致，均為單峰型，且峰值均落在16：00～17：00之間，這與北京地區(qū)正、負閃分布反對應關系、京津冀地區(qū)正閃頻次峰值比負閃峰值滯后1小時均有不同.

19：00～13：00，當總閃頻次在2 000次以下時正閃占比波動較大，本次暫不作總閃頻次在2 000次以下的正閃占比分析，海南島正閃占比在13：00～19：00呈逐時上升趨勢.

如果逐年分析閃電頻次時分布，9年中有7年的總閃頻次和正閃頻次的峰值均落在16：00～17：00，有2年的峰值對應時間不一致，2年均為總閃峰值出現(xiàn)在15：00～16：00、正閃峰值出現(xiàn)在16：00～17：00，正閃頻次峰值比負閃頻次峰值滯后1小時.

（2） 逐月正閃占比時分布圖3顯示，19：00～13：00各月份正閃占比波動很大，13：00～19：00則較穩(wěn)定，從圖2分析得到，19：00～13：00是閃電發(fā)生的低谷時段，而13：00～19：00是閃電發(fā)生的高峰期，說明19：00～13：00正閃占比波動大與該時段的閃電頻次較少有一定的關系.從圖3得到，海南島13：00～19：00各月份的正閃占比均呈逐時上升趨勢；表1顯示，5～9月13：00～19：00的正閃占比逐時上升，且幅度越來越大.

表1 海南島5～9月13：00～19：00逐時正閃占比

圖3 海南島5～9月逐月正閃占比時分布

（3） 天氣分型正閃頻次時分布表2顯示，三種天氣分型13：00～19：00的正閃頻次峰值均滯后于總閃頻次峰值1小時，但如果把三種天氣分型的閃電頻次合起來統(tǒng)計，總閃頻次峰值和正閃頻次峰值對應的時次則均在16：00～17：00，這又與圖2分析結(jié)果一致，原因是總閃和正閃頻次在時分布統(tǒng)計時是獨立進行的，兩個頻次峰值對應哪一個時次決定于頻次累加的結(jié)果，各雷暴過程的閃電頻次峰期不同，頻次累加會造成頻次峰值對應的時間漂移，最終影響分析結(jié)果的準確性.

表2 三種天氣分型13：00～19：00逐時總閃、正閃頻次 次

圖2 海南島閃電頻次和正閃占比時分布

2.1.3 雷暴過程正閃分布為規(guī)避頻次峰期漂移對分析結(jié)果的影響，雷暴過程統(tǒng)計采取了總閃頻次峰期固定法：以正點30 min間隔劃分各個雷暴過程的總閃發(fā)生頻次，以總閃頻次最多的30 min時次作為雷暴過程的總閃高峰期（peak），令各個雷暴過程的高峰期（peak）及其前后4個30 min時次對齊，合計對應的總閃頻次和正閃頻次.總閃頻次峰期固定后，正閃頻次峰期對總閃頻次峰期如果有偏移就可準確分辨出來.圖5、表2為華南沿海槽、南海低壓槽、西南低壓槽影響下13：00～21：00的雷暴過程總閃、正閃頻次統(tǒng)計結(jié)果，分別采集了108個華南沿海槽、132個南海低壓槽、109個西南低壓槽的雷暴過程個例.

圖4a、4b、4c顯示，在三種天氣分型的雷暴過程中，表2中顯示的正閃頻次峰值滯后總閃頻次峰值1小時的結(jié)果沒有出現(xiàn)，而是正閃頻次峰值對應的時次與總閃頻次峰值一樣都是peak.雖然統(tǒng)計結(jié)果為正閃頻次峰值與總閃頻次峰值對應時次一致，但不代表每一次雷暴過程均遵循這一規(guī)律，華南沿海槽108個雷暴過程個例中有44個、南海低壓槽132個雷暴過程個例中有55個、西南低壓槽109個雷暴過程個例中有54個符合這一規(guī)律，其它個例的正閃峰值在另外8個時次中都有分布.從正閃占比來看，正閃占比在高峰期（peak）和前后4個30 min共9個時次里整體呈上升趨勢，在頻次高峰期（peak）正閃占比稍有下降.

圖4 三種天氣分型13：00～21：00的雷暴過程閃電頻次和正閃占比時次分布

在表3中三種天氣分型均顯示，總閃頻次高峰期（peak）之后的正閃頻次要比高峰期（peak）之前的多，而總閃和負閃則相反，說明在雷暴過程中正閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之后，而負閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之前，這與福建地區(qū)正閃遲于負閃的結(jié)論相符.

表3 三種天氣分型13：00～21：00的雷暴過程逐時次總閃、正閃頻次 次

2.2 空間分布特征圖5為采用5 km×5 km采樣網(wǎng)格制作的華南沿海槽、南海低壓槽、西南低壓槽影響下的正、負閃密度分布圖，密度格點值經(jīng)Kriging（克里金）插值法處理.

圖5a、圖5b顯示，在華南沿海槽影響下，正閃密度高值區(qū)（0.9次/km2線）主要分布在定安縣的南部和澄邁縣與屯昌縣的交界處，而負閃密度高值區(qū)（1.0次/km2線）主要分布在澄邁縣南部及定安、瓊海、瓊中等市縣部分區(qū)域；圖5c、圖5d顯示，在南海低壓槽影響下，正閃密度高值區(qū)（0.5次/km2線）主要分布在儋州市境內(nèi)和澄邁與儋州的交界處，以及屯昌、定安部分區(qū)域，負閃密度高值區(qū)（1.0次/km2線）主要分布在儋州市境內(nèi)和白沙與儋州的交界處，以及昌江部分區(qū)域；圖5e、圖5f顯示，在西南低壓槽影響下，正閃密度高值區(qū)（0.6次/km2線）主要分布在澄邁縣東南部和屯昌縣境內(nèi)，負閃密度高值區(qū)（1.0次/km2線）主要分布在澄邁縣南部和屯昌與澄邁的交界處.由于海南島午后雷暴主要受海風和背景風相互作用引導，多數(shù)雷暴過程移向為西南—東北向［17-20］，從圖5a與圖5b、圖5c與圖5d、圖5e與圖5f對比來看，正閃密度高值區(qū)相對負閃密度高值區(qū)稍偏雷暴移動的下游位置.

圖5 三種天氣分型13：00～19：00正、負閃密度分布（單位：次/km2）

3 正閃引起的雷災

（1）12018年5月9日下午5時30分左右，澄邁縣金江鎮(zhèn)龍腰下村水田里，一名48歲的婦女在給水田挖溝放水時被雷擊身亡.據(jù)目擊者描述，當時大雨已過，只剩零星小雨，死者趕去給水田放水，剛到水田就被雷擊中，雷擊點在頭部，雷電流沿死者右臂順鐵柄鋤頭入地，死者頸部被撕裂，右臂被燒焦.?？诙嗥绽绽走_和海南省閃電定位系統(tǒng)顯示，當時強回波已過境，出事點上空回波強度只有30 dBz，周圍回波高度在5 km以下，閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到事發(fā)地附近有一次正閃，強度+95.2 kA，如圖6a.當天受華南沿海槽影響，該起雷災發(fā)生在雷暴過程的后期，大雨已過，事發(fā)點上空為層狀云，遠處回波高度均在10 km以下，已沒有強的對流活動，天氣趨于穩(wěn)定，這時候人們會麻痹大意，放松對雷電的警惕.

圖6 雷擊點雷達組合反射率和閃電分布

（2）2018年5月9日下午4時30分左右，?？谑醒葚S鎮(zhèn)坡尾村發(fā)生雷擊事故，造成吳姓村民新建住宅樓多處結(jié)構(gòu)柱水泥迸裂，最大的裂口有巴掌大.據(jù)目擊者描述，該住宅樓連續(xù)遭受2次雷擊，間隔在半分鐘左右，當?shù)剡€下起拇指大小的冰雹.海口多普勒雷達和海南省閃電定位系統(tǒng)顯示，出事點上空被強回波覆蓋，回波強度達60 dBz以上，閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到兩次正閃，強度分別為+52.7 kA和+35.6 kA，兩次閃電時間間隔34秒，如圖6b.該起雷災發(fā)生在雷暴過程的成熟期，從回波強度、回波高度、冰雹和周圍閃電均為正閃來看，雷暴過程正處于對流發(fā)展最旺盛的時候.該棟住宅樓4層高，是全村最高樓房，且臨近水塘，作為接閃點不奇怪，但連續(xù)遭受2次正閃襲擊確實非常少見，在接地良好的情況下，結(jié)構(gòu)柱遭破壞，說明正閃的能量非常高.

（3）2015年5月17日下午3點57分，定安縣雷鳴鎮(zhèn)南九小學發(fā)生一起雷擊事故.據(jù)現(xiàn)場調(diào)查記載，雷直接擊中校園內(nèi)一棵椰子樹，樹周圍的泥土被震松并炸出兩小土坑，致離樹有7、8米遠的一間集體廁所發(fā)生爆炸，離樹10米遠的一間瓦房的瓦片被掀開，瓦房的電源線絕緣層被燒熔或被爆成放射狀，教師宿舍區(qū)的電源線路全部燒毀，部分線路絕緣層燃燒還引起衣物著火，幸虧當天為星期天，師生放假回家，才未造成人員傷亡.目擊者證實，當天下午就只聽到一聲雷響，沒有下雨.海口多普勒雷達和海南省閃電定位系統(tǒng)顯示，事故點上空的回波強度只有25 dbz，離最近45 dbz回波的距離有13 km，回波高度在5 km以下，閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到2次正閃，一次在定安雷鳴鎮(zhèn)事發(fā)點附近，一次在屯昌縣境內(nèi)，事發(fā)點附近閃電強度+150.5 kA，如圖6c.受西南低壓槽影響，當天下午有一片弱回波自西向東從海南島北部掃過，海南島沒有出現(xiàn)10 mm以上降雨，在這種天氣條件下發(fā)生閃電如同“晴天霹靂”，而且閃電如此之強、破壞如此之大，非常罕見.

4 小結(jié)及討論

采用2010—2019年4～10月共9年的海南島閃電定位數(shù)據(jù)和天氣分型資料，對海南島正閃時空分布作數(shù)理分析，初步得到以下結(jié)果：

（1）4～10月正閃占比為4.60%，各年份的總閃頻次、正閃頻次、正閃占比基本呈正相關關系；

（2）4～10月正閃頻次曲線和總地閃頻次曲線變化趨勢一致，同為雙峰型，且兩條曲線峰值對應的月份相同，但總地閃頻次曲線以5月為主峰、8月為次峰，而正閃頻次曲線則相反，8、9月份的正閃占比要高于其它月份；

（3）采用整體累加法分析正閃時分布發(fā)現(xiàn)，正閃頻次曲線和總閃頻次曲線變化趨勢一致，同為單峰型，且兩條曲線峰值對應的時間相同，峰值均出現(xiàn)在16：00～17：00，13：00～19：00正閃占比呈逐時上升趨勢；

（4）采用雷暴過程總閃頻次峰期固定法分析正閃時分布發(fā)現(xiàn)，正閃頻次峰值與總閃頻次峰值對應的時次一致，高峰期前后2小時內(nèi)的正閃占比整體呈上升趨勢，在頻次峰值期稍有下降，正閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之后，負閃主要發(fā)生在總閃頻次的高峰期及之前；

（5）三種天氣分型13：00～19：00的正閃密度高值區(qū)相對負閃密度高值區(qū)稍偏雷暴移動的下游位置

通過分析海南島三起由正閃引起的雷災事故發(fā)現(xiàn)，正閃引起的雷災可以出現(xiàn)在雷暴過程的各個階段，甚至在層狀云條件下也可發(fā)生，且雷電流強度大、破壞性強.

由于分析采用的數(shù)據(jù)年限較短，以上分析結(jié)果的穩(wěn)定性有待進一步的驗證.從以上分析結(jié)果看，海南島正閃活動特征與國內(nèi)其他省份的正閃特征有共同點也有不同點，共同點：一、海南島正閃占比低于北方省市，符合正閃占比隨緯度增高而增大的規(guī)律；二、海南島雷暴過程中的正閃主要發(fā)生在總閃頻次高峰期及之后，這與福建地區(qū)正閃遲于負閃的結(jié)論相符；不同點：一、海南島正閃占比與總閃頻次的月分布并不象南京地區(qū)成反對應關系；二、海南島正閃頻次與總閃頻次的時分布峰值對應的時次是一致的，而京津冀地區(qū)的正閃頻次峰值滯后總閃頻次峰值1小時.為什么有如此區(qū)別呢？除了可能是因地域不同而有不同的閃電特征外，還可能是閃電數(shù)據(jù)來源不同和采用的統(tǒng)計方法不同的原因，不同設備有不同的探測方法和探測效率，采用不同設備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)不同的分析結(jié)果，另外，總閃頻次和正閃頻次日變化分析建議采用雷暴過程總閃頻次峰期固定法，避免在數(shù)據(jù)累加過程中出現(xiàn)峰期漂移而影響分析結(jié)果的準確性.