海南岛正地闪时空分布特征的分析

劳小青，石 华，李 敏

（1.海南省气象灾害防御技术中心，海南海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南海口 570203；3.海南祥云雷电防护有限公司，海南海口 570203）

雷电流极性由雷雨云带电极性决定，云团正电荷对地放电发生的地闪称为正地闪，反之为负地闪；典型的雷雨云正电荷分布在云团的上部，负电荷分布在云团的下部，为此，在云团底下大多数发生的地闪为负地闪，如果上部的正电荷足够强也会对远处的物体发生闪击，所以正地闪（以下简称正地闪为正闪，负地闪为负闪）多分布在雷雨云地面投影的外围；由于雷雨云中正、负电荷分布不同，正闪的平均雷电流要比负闪大，且正闪产生大电流的几率要比负地大得多；正闪虽然通常只由一个单闪击构成，但正闪转移的电荷量无论是脉冲变化部分还是整个放电过程都较负闪大得多［1］.正闪频次占比在不同地区、不同季节均有较大的区别，Brook等［2］采用慢天线和高速摄影手段观测日本冬季雷暴，发现正闪占比为41%；Yair［3］等采用全闪监测仪观测以色列冬季雷暴，发现正闪占比为16%；Oriville和Huffines［4］采用闪电定位系统观测10年的美国夏季雷暴，发现正闪占比为3%～9%；刘维成等［5］对比甘肃和广东的闪电定位资料后发现，甘肃正闪占比为6.06%，广东为4.65%；陈渭民认为［6］正闪占比会随纬度和海拔高度的增大而升高.在正闪分布特征方面，虞敏等［7］认为南京地区正闪比例的月变化与闪电频数月变化相反；冯真祯等［8］发现福建省一天中负闪在13：00～20：00发生最为频繁，正闪迟于负闪；张阳等［9］认为北京地区正闪较大频次出现在5～7月，较高比例出现在春、秋季，一天内的正、负闪分布具有反对应关系，正闪在傍晚（15：00～21：00）具有较大的频次和较高的比例；崔海华等［10］认为，京津冀地区正闪频次的峰值比负闪晚1小时；苟阿宁等［11］结合雷达回波分析一次强雹暴闪电过程时发现，负闪主要落在强回波边缘，而正闪多分布在强回波周围层状云中；冯桂力等［12］在分析山东冰雹云闪电特征时发现，负闪频数峰值的出现通常提前于降雹0～20 min，正闪频数峰值的出现一般滞后于降雹发生时间.在正闪产生条件分析方面，郭凤霞等［13］在利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式模拟一次强雷暴过程时发现，正闪的发生不仅需要更强的上升气流，还需要云低层存在强的下沉气流，即正闪发生在强雷暴云成熟阶段后期，正闪发生阶段对应着上升气流、雹粒子体积和总闪的快速增强阶段，因此，强雷暴中正闪的发生可作为雷暴强度及冰雹形成的一个指示因子；张义军等［14］认为反极性电荷结构（即上负、下正）是导致正闪多发的原因之一，强烈的上升气流会引起上升气流区中的液态水含量等微物理条件发生改变，进而影响大小粒子碰撞的起电过程，使霰粒子荷正电，冰晶粒子荷负电，从而形成反极性电荷结构.从以上研究成果可以总结出以下关于正闪的特性：正闪占比随纬度和海拔增大而升高，正闪占比月变化与闪电频次月变化相反，正闪频次日变化峰值迟于负闪频次峰值，雷暴过程中正闪频次峰值同样滞后于负闪峰值，正闪产生需要强烈的上升气流，多发生在雷暴云成熟阶段后期.海南岛是全国雷灾最严重的地区之一，研究正闪的活动规律对海南防雷减灾及降水、冰雹预报有积极意义，各地正闪特征是否适用于海南也值得做一次本地化的研究.

1 数据与处理

1.1 闪电数据本次研究的闪电数据源自海南省ADTD（advanced digital thunder decting）闪电定位系统，海南省ADTD闪电定位系统是VLF二维闪电探测系统，ADTD闪电定位系统要求由二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（E110.24°，N20.00°）、三亚（E109.54°，N18.22°）、东方（E109.83°，N19.04°）、琼海（E110.46°，N19.24°）、琼中（E108.63°，N19.09°），五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.

ADTD闪电定位系统采用二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法等四种定位方式.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.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%.

本次研究采用2010—2019年4～10月闪电数据，2012年数据由于部分缺失被排除，实际使用9年数据.为保证定位精度只保留三站混合和四位算法两种定位数据，使用前对所有数据进行剔除继后回击和雷达回波比对排除处理.

1.2 天气分型资料采用天气分型预报天气是上世纪最常见的预报方法，天气分型实质是采用天气形势和气象要素结合本地的天气现象提炼的天气规律.天气分型预报方法在没有数值预报的年代在短临天气预报方面发挥了很大的作用，该预报方法很好地融合了本地的天气、气候特点，至今在中、小尺度天气预报上仍在广泛使用.

华南沿海槽、南海低压槽、西南低压槽是影响海南最多的天气系统，同时也是发生闪电最多的天气系统［15］，本次研究采用了三种天气分型影响下的闪电数据，天气分型分析数据源自海南省气象台每日对外发布的天气形势分析.

1.3 雷灾资料雷灾个例源自海南省气象局雷灾调查档案库.

2 结果与分析

2.1 时间分布特征

2.1.1 正闪频次年月分布图1a显示，各年份的总闪频次和正闪频次变化较大，两条频次曲线的变化趋势基本一致，正闪占比曲线与频次曲线的变化趋势也较接近，各年份的总闪频次、正闪频次、正闪占比基本呈正相关关系，由于数据年限较短，此规律的稳定性还待进一步验证.9年的正闪占比在2.5%～6.0%间波动，9年合计正闪占比为4.60%，与广东4.65%相近，比甘肃6.06%、津京冀7.66%、内蒙古9.60%［16］等北方地区要低，符合正闪占比随纬度增大而升高的规律.

图1 海南岛闪电频次和正闪占比的年分布（a）、月分布（b）

图1b显示，海南岛正闪频次月分布曲线与总闪频次月分布曲线的变化趋势也基本一致，同为双峰型分布，但两者主、次峰对应月份却不一致，总闪频次主峰在5月份，次峰在8月份，而正闪频次正好相反，8月份频次略高于5月份；排除4月、10月因总闪频次较少对统计结果的影响，海南岛从5月至9月正闪占比在4.5%～5.2%之间，8、9月份的正闪占比要高于其他月份.海南岛8月份总闪频次为全年次峰而正闪占比却全年最高，与南京地区的正闪占比月变化与总闪频数月变化相反的结论有区别.

如果逐年分析闪电频次月分布，9年中有6年的总闪频次高峰期在5、6月，有4年的正闪频次高峰期在8、9月；总、正闪频次主峰对应月份重合的年份有5年，其中3年在5月份，1年在8、9月份，1年在7月份；总、正闪频次主峰对应月份错开的年份有4年，其中有1年的总闪频次峰值出现在下半年、正闪频次峰值出现在上半年，其余3年与多年统计结果一致；排除4、10月份，正闪占比主峰分布在8、9月份的年份有5年.从逐年分析结果看，总、正闪主峰对应月份既有重合又有错开，既有分布在上半年的又有分布在下半年的，正闪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 正闪时分布

（1）正闪频次时分布图2显示，海南岛总闪频次和正闪频次时分布曲线变化趋势基本一致，均为单峰型，且峰值均落在16：00～17：00之间，这与北京地区正、负闪分布反对应关系、京津冀地区正闪频次峰值比负闪峰值滞后1小时均有不同.

19：00～13：00，当总闪频次在2 000次以下时正闪占比波动较大，本次暂不作总闪频次在2 000次以下的正闪占比分析，海南岛正闪占比在13：00～19：00呈逐时上升趋势.

如果逐年分析闪电频次时分布，9年中有7年的总闪频次和正闪频次的峰值均落在16：00～17：00，有2年的峰值对应时间不一致，2年均为总闪峰值出现在15：00～16：00、正闪峰值出现在16：00～17：00，正闪频次峰值比负闪频次峰值滞后1小时.

（2） 逐月正闪占比时分布图3显示，19：00～13：00各月份正闪占比波动很大，13：00～19：00则较稳定，从图2分析得到，19：00～13：00是闪电发生的低谷时段，而13：00～19：00是闪电发生的高峰期，说明19：00～13：00正闪占比波动大与该时段的闪电频次较少有一定的关系.从图3得到，海南岛13：00～19：00各月份的正闪占比均呈逐时上升趋势；表1显示，5～9月13：00～19：00的正闪占比逐时上升，且幅度越来越大.

表1 海南岛5～9月13：00～19：00逐时正闪占比

图3 海南岛5～9月逐月正闪占比时分布

（3） 天气分型正闪频次时分布表2显示，三种天气分型13：00～19：00的正闪频次峰值均滞后于总闪频次峰值1小时，但如果把三种天气分型的闪电频次合起来统计，总闪频次峰值和正闪频次峰值对应的时次则均在16：00～17：00，这又与图2分析结果一致，原因是总闪和正闪频次在时分布统计时是独立进行的，两个频次峰值对应哪一个时次决定于频次累加的结果，各雷暴过程的闪电频次峰期不同，频次累加会造成频次峰值对应的时间漂移，最终影响分析结果的准确性.

表2 三种天气分型13：00～19：00逐时总闪、正闪频次 次

图2 海南岛闪电频次和正闪占比时分布

2.1.3 雷暴过程正闪分布为规避频次峰期漂移对分析结果的影响，雷暴过程统计采取了总闪频次峰期固定法：以正点30 min间隔划分各个雷暴过程的总闪发生频次，以总闪频次最多的30 min时次作为雷暴过程的总闪高峰期（peak），令各个雷暴过程的高峰期（peak）及其前后4个30 min时次对齐，合计对应的总闪频次和正闪频次.总闪频次峰期固定后，正闪频次峰期对总闪频次峰期如果有偏移就可准确分辨出来.图5、表2为华南沿海槽、南海低压槽、西南低压槽影响下13：00～21：00的雷暴过程总闪、正闪频次统计结果，分别采集了108个华南沿海槽、132个南海低压槽、109个西南低压槽的雷暴过程个例.

图4a、4b、4c显示，在三种天气分型的雷暴过程中，表2中显示的正闪频次峰值滞后总闪频次峰值1小时的结果没有出现，而是正闪频次峰值对应的时次与总闪频次峰值一样都是peak.虽然统计结果为正闪频次峰值与总闪频次峰值对应时次一致，但不代表每一次雷暴过程均遵循这一规律，华南沿海槽108个雷暴过程个例中有44个、南海低压槽132个雷暴过程个例中有55个、西南低压槽109个雷暴过程个例中有54个符合这一规律，其它个例的正闪峰值在另外8个时次中都有分布.从正闪占比来看，正闪占比在高峰期（peak）和前后4个30 min共9个时次里整体呈上升趋势，在频次高峰期（peak）正闪占比稍有下降.

图4 三种天气分型13：00～21：00的雷暴过程闪电频次和正闪占比时次分布

在表3中三种天气分型均显示，总闪频次高峰期（peak）之后的正闪频次要比高峰期（peak）之前的多，而总闪和负闪则相反，说明在雷暴过程中正闪主要发生在总闪频次的高峰期及之后，而负闪主要发生在总闪频次的高峰期及之前，这与福建地区正闪迟于负闪的结论相符.

表3 三种天气分型13：00～21：00的雷暴过程逐时次总闪、正闪频次 次

2.2 空间分布特征图5为采用5 km×5 km采样网格制作的华南沿海槽、南海低压槽、西南低压槽影响下的正、负闪密度分布图，密度格点值经Kriging（克里金）插值法处理.

图5a、图5b显示，在华南沿海槽影响下，正闪密度高值区（0.9次/km2线）主要分布在定安县的南部和澄迈县与屯昌县的交界处，而负闪密度高值区（1.0次/km2线）主要分布在澄迈县南部及定安、琼海、琼中等市县部分区域；图5c、图5d显示，在南海低压槽影响下，正闪密度高值区（0.5次/km2线）主要分布在儋州市境内和澄迈与儋州的交界处，以及屯昌、定安部分区域，负闪密度高值区（1.0次/km2线）主要分布在儋州市境内和白沙与儋州的交界处，以及昌江部分区域；图5e、图5f显示，在西南低压槽影响下，正闪密度高值区（0.6次/km2线）主要分布在澄迈县东南部和屯昌县境内，负闪密度高值区（1.0次/km2线）主要分布在澄迈县南部和屯昌与澄迈的交界处.由于海南岛午后雷暴主要受海风和背景风相互作用引导，多数雷暴过程移向为西南—东北向［17-20］，从图5a与图5b、图5c与图5d、图5e与图5f对比来看，正闪密度高值区相对负闪密度高值区稍偏雷暴移动的下游位置.

图5 三种天气分型13：00～19：00正、负闪密度分布（单位：次/km2）

3 正闪引起的雷灾

（1）12018年5月9日下午5时30分左右，澄迈县金江镇龙腰下村水田里，一名48岁的妇女在给水田挖沟放水时被雷击身亡.据目击者描述，当时大雨已过，只剩零星小雨，死者赶去给水田放水，刚到水田就被雷击中，雷击点在头部，雷电流沿死者右臂顺铁柄锄头入地，死者颈部被撕裂，右臂被烧焦.海口多普勒雷达和海南省闪电定位系统显示，当时强回波已过境，出事点上空回波强度只有30 dBz，周围回波高度在5 km以下，闪电定位系统监测到事发地附近有一次正闪，强度+95.2 kA，如图6a.当天受华南沿海槽影响，该起雷灾发生在雷暴过程的后期，大雨已过，事发点上空为层状云，远处回波高度均在10 km以下，已没有强的对流活动，天气趋于稳定，这时候人们会麻痹大意，放松对雷电的警惕.

图6 雷击点雷达组合反射率和闪电分布

（2）2018年5月9日下午4时30分左右，海口市演丰镇坡尾村发生雷击事故，造成吴姓村民新建住宅楼多处结构柱水泥迸裂，最大的裂口有巴掌大.据目击者描述，该住宅楼连续遭受2次雷击，间隔在半分钟左右，当地还下起拇指大小的冰雹.海口多普勒雷达和海南省闪电定位系统显示，出事点上空被强回波覆盖，回波强度达60 dBz以上，闪电定位系统监测到两次正闪，强度分别为+52.7 kA和+35.6 kA，两次闪电时间间隔34秒，如图6b.该起雷灾发生在雷暴过程的成熟期，从回波强度、回波高度、冰雹和周围闪电均为正闪来看，雷暴过程正处于对流发展最旺盛的时候.该栋住宅楼4层高，是全村最高楼房，且临近水塘，作为接闪点不奇怪，但连续遭受2次正闪袭击确实非常少见，在接地良好的情况下，结构柱遭破坏，说明正闪的能量非常高.

（3）2015年5月17日下午3点57分，定安县雷鸣镇南九小学发生一起雷击事故.据现场调查记载，雷直接击中校园内一棵椰子树，树周围的泥土被震松并炸出两小土坑，致离树有7、8米远的一间集体厕所发生爆炸，离树10米远的一间瓦房的瓦片被掀开，瓦房的电源线绝缘层被烧熔或被爆成放射状，教师宿舍区的电源线路全部烧毁，部分线路绝缘层燃烧还引起衣物着火，幸亏当天为星期天，师生放假回家，才未造成人员伤亡.目击者证实，当天下午就只听到一声雷响，没有下雨.海口多普勒雷达和海南省闪电定位系统显示，事故点上空的回波强度只有25 dbz，离最近45 dbz回波的距离有13 km，回波高度在5 km以下，闪电定位系统监测到2次正闪，一次在定安雷鸣镇事发点附近，一次在屯昌县境内，事发点附近闪电强度+150.5 kA，如图6c.受西南低压槽影响，当天下午有一片弱回波自西向东从海南岛北部扫过，海南岛没有出现10 mm以上降雨，在这种天气条件下发生闪电如同“晴天霹雳”，而且闪电如此之强、破坏如此之大，非常罕见.

4 小结及讨论

采用2010—2019年4～10月共9年的海南岛闪电定位数据和天气分型资料，对海南岛正闪时空分布作数理分析，初步得到以下结果：

（1）4～10月正闪占比为4.60%，各年份的总闪频次、正闪频次、正闪占比基本呈正相关关系；

（2）4～10月正闪频次曲线和总地闪频次曲线变化趋势一致，同为双峰型，且两条曲线峰值对应的月份相同，但总地闪频次曲线以5月为主峰、8月为次峰，而正闪频次曲线则相反，8、9月份的正闪占比要高于其它月份；

（3）采用整体累加法分析正闪时分布发现，正闪频次曲线和总闪频次曲线变化趋势一致，同为单峰型，且两条曲线峰值对应的时间相同，峰值均出现在16：00～17：00，13：00～19：00正闪占比呈逐时上升趋势；

（4）采用雷暴过程总闪频次峰期固定法分析正闪时分布发现，正闪频次峰值与总闪频次峰值对应的时次一致，高峰期前后2小时内的正闪占比整体呈上升趋势，在频次峰值期稍有下降，正闪主要发生在总闪频次的高峰期及之后，负闪主要发生在总闪频次的高峰期及之前；

（5）三种天气分型13：00～19：00的正闪密度高值区相对负闪密度高值区稍偏雷暴移动的下游位置

通过分析海南岛三起由正闪引起的雷灾事故发现，正闪引起的雷灾可以出现在雷暴过程的各个阶段，甚至在层状云条件下也可发生，且雷电流强度大、破坏性强.

由于分析采用的数据年限较短，以上分析结果的稳定性有待进一步的验证.从以上分析结果看，海南岛正闪活动特征与国内其他省份的正闪特征有共同点也有不同点，共同点：一、海南岛正闪占比低于北方省市，符合正闪占比随纬度增高而增大的规律；二、海南岛雷暴过程中的正闪主要发生在总闪频次高峰期及之后，这与福建地区正闪迟于负闪的结论相符；不同点：一、海南岛正闪占比与总闪频次的月分布并不象南京地区成反对应关系；二、海南岛正闪频次与总闪频次的时分布峰值对应的时次是一致的，而京津冀地区的正闪频次峰值滞后总闪频次峰值1小时.为什么有如此区别呢？除了可能是因地域不同而有不同的闪电特征外，还可能是闪电数据来源不同和采用的统计方法不同的原因，不同设备有不同的探测方法和探测效率，采用不同设备监测到的数据可能会出现不同的分析结果，另外，总闪频次和正闪频次日变化分析建议采用雷暴过程总闪频次峰期固定法，避免在数据累加过程中出现峰期漂移而影响分析结果的准确性.