珠海市雷電活動的時空分布特征

仇健， 陳惜茂， 黎紅源， 梁振輝， 梁偉漢

(1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海　519000；2.珠海市斗門區(qū)氣象局，廣東珠?！?19000；3.長訊通信有限公司佛山分公司江門辦事處，廣東江門　529030；4.江門市氣象局，廣東江門　529030)

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珠海市雷電活動的時空分布特征

仇健1， 陳惜茂2， 黎紅源1， 梁振輝3， 梁偉漢4

(1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海519000；2.珠海市斗門區(qū)氣象局，廣東珠海519000；3.長訊通信有限公司佛山分公司江門辦事處，廣東江門529030；4.江門市氣象局，廣東江門529030)

摘要：根據(jù)1962—2013年珠海市雷暴日觀測數(shù)據(jù)和1999—2009年云地閃電定位資料，通過采用數(shù)理統(tǒng)計、氣候傾向分析、M-K突變檢驗、小波分析等方法，對雷暴日變化的周期性、地閃電流幅值及發(fā)生頻次的時空分布特征進行分析，結(jié)果表明：珠海近52年來雷暴日呈整體下降的趨勢，其年際變化存在28年的主周期、18年的次周期和7年的第3周期；1968—1990年期間雷暴日數(shù)總體呈上升趨勢，1991—2013年雷暴日呈下降趨勢，但趨勢不明顯。地閃電流幅值年際差異較大但總體呈現(xiàn)增加的趨勢，空間分布大體呈現(xiàn)出“東、南、西三面高，北部低”以及“沿海沿江高、內(nèi)陸低”的特點。地閃發(fā)生頻次年際變化上呈現(xiàn)周期性波動，波動周期約為5年；空間分布大體上呈現(xiàn)由北側(cè)內(nèi)陸向南面沿海逐漸減小的趨勢。該特征表明地閃幅值和發(fā)生頻次與土壤電阻率的分布高度相關(guān)，即土壤電阻率低，地閃幅值大，地閃密度??；反之，地閃幅值小，地閃密度大。

關(guān)鍵詞：氣候?qū)W； 雷電活動； M-K檢驗； 小波分析； 時空分布； 珠海市

受西太平洋副熱帶高壓、熱帶輻合帶、季風(fēng)槽等環(huán)流系統(tǒng)、熱帶氣旋以及系統(tǒng)前后的干濕空氣平流疊加、午后熱對流等影響，珠海市多雷暴、驟雨等強對流天氣，給人民群眾的生產(chǎn)、生活帶來嚴(yán)重影響。據(jù)研究，雷電給我國所帶來的災(zāi)害呈逐年波動增長趨勢，而且其分布變化規(guī)律具有明顯的區(qū)域性特征。許多學(xué)者對此做了大量工作，并得到了不同區(qū)域內(nèi)的研究成果[1-7]。本研究通過綜合利用雷暴日觀測資料以及閃電定位系統(tǒng)探測資料對發(fā)生在珠海地區(qū)的雷暴日周期特征、正負地閃幅值概率及發(fā)生頻次的時空分布特征進行分析，以期進一步了解珠海的雷電活動變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)卣块T防雷減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

使用資料包括1962—2013年珠海市國家氣候觀象臺逐日雷暴數(shù)據(jù)、1999—2009年南方電網(wǎng)閃電定位數(shù)據(jù)。研究方法主要有氣候傾向分析、Mann-Kendall(M-K)突變檢驗、小波分析、數(shù)理統(tǒng)計分析以及matlab、suffer軟件處理。

2結(jié)果分析

2.1雷暴日變化的氣候特征

1)年際變化趨勢及突變特征。

1962—2013年，珠海年平均雷暴日數(shù)為62 d，雷暴日年際波動較大(圖1a)。雷暴日最多出現(xiàn)在1983年，達到86 d，最少為1991年的35 d，相差達51 d。線性變化趨勢表明，珠海市52年來的雷暴日呈現(xiàn)減少趨勢(圖1a)。經(jīng)M-K檢驗表明(圖1b)：1968—1990年，珠海地區(qū)雷暴日數(shù)總體呈上升趨勢，尤其以1977—1984年間上升變化趨勢最為明顯(顯著性水平0.05)；1991—2013年，雷暴日呈現(xiàn)下降趨勢，但趨勢不明顯。52年來，雷暴日分別于1967和1986年發(fā)生突變，1967年后雷暴日進入偏少期，1986年后雷暴日轉(zhuǎn)為偏多期；但兩次突變均不明顯(圖1b)。

圖1　1962—2013年珠海市雷暴日的年際變化(a)和M-K突變(b)

2)周期變化。

小波變換被認為是繼Fourier之后又一有效的時間-頻率分析方法。采用Morlet小波分析1962—2013年珠海地區(qū)雷暴日數(shù)據(jù)可知，近52年來珠海地區(qū)雷暴日變化過程中存在的多時間尺度特征(圖略)，即在25～32、15～20和5～8年左右時間尺度的波動比較明顯，正負中心交替出現(xiàn)。小波系數(shù)方差分析可知(圖略)，小波方差最大峰值對應(yīng)的時間尺度為28年，是珠海地區(qū)雷暴日變化的主周期；第2峰值出現(xiàn)在18年，為次周期；而第3峰值為7年，屬第3周期。

2.2地閃時間分布特征

1)總體分布。

1999—2009年，珠海地區(qū)共發(fā)生地閃614 450次，其中，正閃34 917次，約占總閃次數(shù)的5.68%，負閃579 533次，占總閃次數(shù)的94.32%。正閃電流平均幅值約為37.97 kA，負閃電流平均幅值約為34.56 kA，前者約是后者的1.1倍。

2)地閃年際變化。

1999—2009年，珠海地區(qū)地閃電流幅值及發(fā)生頻次均呈現(xiàn)年際差異變化大的特點(圖2)。其中，正閃最大幅值出現(xiàn)在2006年，達71.16 kA，最小幅值出現(xiàn)在1999年，為29.56 kA，最大值是最小值的2.4倍。負閃最大幅值為2006年的51.81 kA，最小幅值為2000年的27.12 kA，最大值是最小值的1.9倍；11年平均地閃發(fā)生頻數(shù)為55 859次，最活躍的2009年可達119 161次，是最少年度的6倍。正、負閃電流幅值在統(tǒng)計的11年內(nèi)均呈逐年遞增趨勢，但負閃的增加率較正閃更大；而正、負地閃在發(fā)生頻次上呈大體相似的周期性變化，波動周期約為5年。地閃電流幅值與發(fā)生頻次無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，甚至個別年份還會出現(xiàn)相反的波動規(guī)律。例如，2004年的地閃電流幅值比2003、2005年大，但2004年的地閃并不比2003、2005年更活躍。

圖2　1999—2009年珠海市地閃電流幅值及發(fā)生頻次的年際變化

3)地閃月變化和季節(jié)變化。

珠海地區(qū)地閃頻次月變化呈現(xiàn)雙峰分布，正、負閃頻次的逐月變化基本一致(圖3)。珠海全年每月都有地閃發(fā)生，月平均地閃次數(shù)為51 204次，但大部分集中在汛期的4—9月份，占全年地閃總數(shù)的95.46%，其中以8月份的地閃活動最為頻繁，6月份次之；10月份至翌年3月份的地閃發(fā)生頻次相對較少，僅占全年的4.54%，地閃發(fā)生頻次最少的是1月份。由圖3還可看到，地閃電流幅值在1—12月份大體呈現(xiàn)反拋物線分布(回歸系數(shù)0.497 9，達到顯著性水平0.05)，正閃電流的高值區(qū)位于全年中期，最大峰值出現(xiàn)在6月，達到43.42 kA，比全年正閃電流均值高出14.36%；負閃電流的高值區(qū)位于全年的中后期，在11月份達到全年地閃的最大峰值50.99 kA，比全年負閃電流均值高出47.56%。

正、負地閃電流幅值和發(fā)生頻次在季節(jié)變化上均呈現(xiàn)近似單峰分布，且正閃和負閃的分布規(guī)律一致。即夏季(6—8月)的地閃頻次最多且幅值最大，冬季(12—翌年2月)恰好相反。全年負閃電流幅值隨“冬-春-夏-秋”季節(jié)依次增大，正閃電流幅值是“冬-秋-春-夏”依次增大。地閃發(fā)生頻次則按“冬-春-秋-夏”依次遞增，符合雷暴活動隨著氣溫、濕度的升高而增多的一般規(guī)律。其主要原因是，春季珠海受冷空氣入侵勢力開始削弱，海洋暖濕氣流日趨活躍；隨著太陽輻射加強，夏季風(fēng)逐漸占優(yōu)勢，雷暴等強對流天氣相繼出現(xiàn)，地閃頻次達到最高峰。初秋，盛行南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，地閃頻次減少，但受南海和西太平洋熱帶氣旋、熱帶氣團及東風(fēng)波等系統(tǒng)影響仍會帶來雷暴。深秋，受極地大陸性氣團影響，冷空氣入侵增多、增強，珠海地閃發(fā)生進入極少期。冬季，珠海常被單一的大陸冷氣團籠罩，盛行東北季風(fēng)，氣層穩(wěn)定，鮮有地閃發(fā)生。

圖3　1999—2009年珠海市地閃電流幅值及發(fā)生頻次的月變化

4)地閃日變化。

由圖4可見，1999—2009年珠海地區(qū)正、負閃發(fā)生頻次的日變化均呈現(xiàn)近似3峰分布，但正、負閃峰值出現(xiàn)的時間段不盡相同，負閃的主峰出現(xiàn)在19：00，次峰出現(xiàn)在15：00，第3峰出現(xiàn)在01：00；正閃的主峰也出現(xiàn)在19：00，次峰出現(xiàn)在02：00，第3峰出現(xiàn)在05：00。其中，11年來白天(08：00—20：00)發(fā)生地閃次數(shù)為390 054次，占地閃總數(shù)的63.48%；夜間(20：00—翌日08：00)發(fā)生地閃次數(shù)為224 396次，占地閃總數(shù)的36.52%。全天24 h均有地閃發(fā)生。白天熱力條件對地閃表現(xiàn)活躍的貢獻較為明顯，隨著上午08：00后太陽輻射的增加和熱力對流的發(fā)展，負閃發(fā)生頻次迅速上升，15：00達到白天的第1個峰值；正閃的上升趨勢較為平緩且波動較負閃明顯。全天正、負地閃發(fā)生頻次均在19：00分別升至全天最高峰，隨后同時急劇下降至23：00的全天最低點。此外，圖4所示的正閃電流幅值的日變化呈現(xiàn)出多峰狀態(tài)，負閃電流幅值日變化趨勢則不明顯，二者在11：00—20：00之間表現(xiàn)出相反的變化特征，即此期間正閃呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，負閃變化卻是穩(wěn)中有降。全天正閃電流的最大值出現(xiàn)在正午12：00，達到48.89 kA；負閃電流峰值則出現(xiàn)在夜間24：00，為42.42 kA。值得注意的是，在全天地閃發(fā)生頻次最高的19：00，正閃電流幅值卻是全天的最小值。

圖4　1999—2009年珠海市地閃電流幅值及發(fā)生頻次的日變化

2.3地閃空間分布特征

1)地閃電流幅值的空間分布。

將珠海地區(qū)按照經(jīng)緯度劃分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格并通過matlab、Surfer軟件分析，得到珠海市1999—2009年地閃電流幅值的空間分布圖(圖5a)。可見，珠海地區(qū)雷電流幅值的空間分布不均衡，大體呈現(xiàn)出“東、南、西三面高，北部低”以及“沿海沿江高、內(nèi)陸低”的特征。其中，地閃電流的高值區(qū)主要位于香洲區(qū)以東海域、橫琴新區(qū)-金灣區(qū)以南海域、平沙鎮(zhèn)及以西海域、斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)，平均幅值大于35 kA。地閃電流的低值區(qū)主要分布在珠海內(nèi)陸的香洲區(qū)“前山-上沖-唐家灣”以北、金灣區(qū)“三灶鎮(zhèn)-紅旗鎮(zhèn)”和斗門區(qū)蓮洲鎮(zhèn)，平均地閃幅值在32 kA以下。研究表明，雷電流的大小與土壤電阻率呈減函數(shù)關(guān)系[8]，即土壤電阻率越小，雷電流越大；土壤電阻率越高，雷電流越小。由于珠海地區(qū)海岸線較長、地表水網(wǎng)縱橫交錯、灘涂多和圍海造地面積廣，且珠海東、南、西三面臨海及部分沿江地帶通常具有較低的土壤電阻率(表1)，因此上述區(qū)域地閃電流幅值較高。而珠海內(nèi)陸伴有低山丘陵、低丘臺地、裸露花崗巖等多種地貌，土壤電阻率相對較高(表2)，因此電流幅值相對較低。

2)地閃密度。

1999—2009年珠海市地閃密度大體上呈現(xiàn)由北向南逐漸減小的趨勢(圖5b)，即內(nèi)陸多于沿海，其中，珠海陸地上地閃密度最高位于西北側(cè)的斗門區(qū)上橫鎮(zhèn)，達到10.2次·km-2。地閃密度最低位于珠海西南側(cè)的高欄島，僅為3.8次·km-2，較雷暴最活躍的上橫鎮(zhèn)少了62.75%。

圖5　1999—2009年珠海市地閃電流幅值(a)和地閃密度(b)的空間分布

序號土壤電阻率/(Ω·m)測試地點序號土壤電阻率/(Ω·m)測試地點17.8情侶北路1135.9斗門白蕉26.8情侶北路1219.3金灣互通立交358.8情侶中路1323.3三灶鎮(zhèn)草堂477.8情侶南路1447.7三灶定家灣528.3情侶南路1529.9平沙鎮(zhèn)624.7十字門商務(wù)區(qū)16100.0平東大道西718.2橫琴環(huán)島東路1721.3高欄港大道以東831.2橫琴環(huán)島西路1892.2高欄石化區(qū)952.6保稅區(qū)西側(cè)19101.9高欄精細化工區(qū)1022.5鶴洲北20115.9高欄環(huán)島西路

表2　內(nèi)陸丘陵地帶部分土壤電阻率測試結(jié)果

3結(jié)論

1)1962—2013年珠海雷暴日呈整體下降趨勢，并于1967和1986年發(fā)生2次突變；小波分析發(fā)現(xiàn)其存在多尺度振蕩特征，有28年的主周期、18年的次周期和7年的第3周期變化。

2)1999—2009年，珠海正、負地閃電流幅值均呈逐年遞增趨勢，二者發(fā)生頻次呈大體相似的周期性變化，但幅值與頻次在年際變化上無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。

3)1999—2009年珠海地閃頻次月變化呈現(xiàn)雙峰分布，地閃電流幅值呈現(xiàn)反拋物線分布。正、負地閃電流幅值和發(fā)生頻次在季節(jié)變化上均呈現(xiàn)近似單峰分布，且正閃和負閃的分布規(guī)律一致。夏季發(fā)生的雷擊次數(shù)最多且電流最大，冬季發(fā)生的雷擊次數(shù)最少且電流最小。

4)地閃頻次日變化呈現(xiàn)近似3峰分布，白天(08：00—20：00)發(fā)生地閃占地閃總數(shù)的63.48%；夜間(20：00—翌日08：00)地閃占總數(shù)的36.52%。白天熱力條件對地閃表現(xiàn)活躍的貢獻較為明顯。正閃電流幅值的日變化呈現(xiàn)出多峰狀態(tài)，負閃電流幅值日變化趨勢則不明顯。

5)地閃幅值空間上呈“東、南、西3面高，北部低”以及“沿海沿江高、內(nèi)陸低”的特點，而地閃密度在空間分布呈由北向南逐漸減小的趨勢，內(nèi)陸多于沿海。這一特征表明地閃幅值和發(fā)生頻次與土壤電阻率的分布高度相關(guān)，即土壤電阻率低，地閃電流幅值大，地閃電流密度?。环粗?，地閃電流幅值小，地閃密度大。

參考文獻:

[1]肖達承，李元輝．平遠縣1961—2011年雷暴的氣候特征[J].廣東氣象，2013，35(5)：37-41.

[2]陳冰，李國龍，馬路金，等．化州雷暴氣候特征及其與ENSO的關(guān)系[J].廣東氣象，2015，37(2)：32-36．

[3]劉三梅，賀燦花，許銳文，等.廣東省1999—2013年雷電活動特征的分析[J].廣東氣象，2014，36(6)：32-35．

[4]莊燕洵，劉三梅，黃惺惺，等.廣東省地閃密度空間分布的特征分析[J].廣東氣象，2014，36(4)：57-60．

[5]易燕明，楊兆禮，萬齊林，等．近50年廣東省雷暴、閃電時空變化特征的研究[J].熱帶氣象學(xué)報，2006，22(6)：539-546．

[6]雷正翠，夏文梅，周霖華，等.常州雷暴的氣候特點及多普勒雷達回波特征[J].氣象，2009，35(12)：118-125．

[7]江崟，譚明艷，李磊，等.深圳云地閃時空分布特征[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2013，29(5)：121-125．

[8]蘇邦禮，崔秉球，吳望平，等.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學(xué)出版社，1996.

收稿日期：2015-05-20

作者簡介：仇健(1982年生)，男，工程師，主要從事防雷技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：56650681@qq.com

中圖分類號：P46

文獻標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.007

Characteristics of the Spatial and Temporal Distribution of Lightning Activity in Zhuhai City

QIUJian1,CHENXi-mao2,LIHong-yuan1,LIANGZhen-hui3,LIANGWei-han4

(1.Service Center of Public Meteorology of Zhuhai City, Zhuhai 519000; 2.Meteorological Bureau of Doumen District, Zhuhai City, Zhuhai 519000; 3.Jiangmen Office, Foshan Branch, Changxun Communication Co. Ltd., Jiangmen 529030; 4.Meteorological Bureau of Jiangmen City, Jiangmen 529030)

Abstract：Using the observed data of lightning days of Zhuhai from 1962 to 2013 and the data of cloud-to-ground (C-G) lightning locations from 1999 to 2009, we used the methods of mathematical and physical statistics, climate trends analysis, Mann-Kendall abruptness test and wavelet analysis to study the temporal and spatial distribution characteristics of the variation periodicity of lightning days, the amplitude of C-G lightning current and the occurring frequency of C-G lightning. The result is shown as follows. Generally, the number of lightning days (NLD) shows a dropping trend in Zhuhai over the 52 years, with a primary period of 28 years, a secondary period of 18 years and a third period of 7 years on the interannual scale. From 1968 to 1990, the NLD tended to rise on the whole while falling mildly from 1991 to 2013. Interannual differences are large in the amplitude of C-G lightning current but tend to increase generally. Its spatial distribution is generally featured by a pattern of higher frequency on the east, south and west sides than on the north side and one of higher frequency on the coast and river banks than inland. For the interannual variability, the C-G frequency varies at a period of about 5 years and its spatial pattern tends to decrease gradually from inland areas in the north to the coast in the south. This characteristic shows that the amplitude and occurring frequency of the C-G lightning are highly correlated with soil resistance; the lower the soil resistance, the larger the amplitude of C-G lightning and vice verse.

Key words：atmospheric phenomena; lightning activity; M-K test; wavelet analysis; spatial and temporal distribution; Zhuhai city

仇健， 陳惜茂， 黎紅源， 等.珠海市雷電活動的時空分布特征[J].廣東氣象，2016,38(1)：27-31.