中国南方地区闪电活动特征_吴俊杰.pdf

第 卷第期 年月 科技和产业 ，中国南方地区闪电活动特征吴俊杰，陈明，温颖（中国民用航空飞行学院 航空气象学院，四川 广汉 ；中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，四川 广汉 ）摘要：利用活动目录拓扑图（）闪电定位数据，结合地形高程数据统计分析中国南方地区的闪电时空分布特征，重点分析地形差异下的闪电活动特征、峰值变化及其季节性变化。统计分析发现，中国南方地区闪电夏多冬少，季节交替对闪电峰值时刻影响较小，主要分布在 时（北京时，）至 时附近。中国南方地区地形高程变化较大处附近闪电峰值时刻会出现在时左右，可见地形对闪电活动数量亦有影响。关键词：活动目录拓扑图（）；数字高程模型（）；闪电密度；闪电峰值中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：横向课题经费（，）。作者简介：吴俊杰（），男，甘肃静宁人，中国民用航空飞行学院航空气象学院，副教授，博士，研究方向为航空气象；陈明（），男，安徽巢湖人，中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，硕士研究生，研究方向为航空气象；温颖（），女，四川成都人，中国民用航空飞行学院航空气象学院，讲师，博士，研究方向为雷暴和强对流天气。雷 电 是 维 持 大 气 电 荷 平 衡 的 一 种 重 要 方式，且对民航交通运输安全有着重要影响。气象因素是中国民航智能空管系统中的重要决策依据，雷电活动作为典型高影响天气因素，飞行器往往需要绕飞，由此 造成 空域 容 量 减 少、航 班 延 误等。因此研究雷电活动规律，规避雷电活动密集区域和密集时段对民航安全运输有着重要帮助。中国雷电活动区域表现出明显的空间和时间差异分布特征。马明等基于 年的中国区域雷电活动数据，统计分析发现中国年际雷暴数在地域空间上表现出华南地区最高，西南次之，之后依次为华东华北和东北地区，西北地区最小。从季节性变化来看，中国北方地区和南方地区均展现出夏季多、冬季少的特点。陈洁等研究发现，陕西省的雷电活动规律与中国整体规律相 一 致，其 中 月 份 雷 电 灾 害 最 多。徐 桂 玉等、张敏锋等虽研究了中国南方地区的闪电活动特征，但地理信息不足难以发现进一步结论。南方地区的闪电活动更为频繁，且日变化更加显著。李桑等 研究显示，南方雷暴频次最高时间在 时，最低在时，但在文中并未给出详细的地理数据和地形数据。马明等 在用卫星闪电数据研究喜马拉雅山附近闪电活动时发现，闪电活动在高地形两侧会表现出数倍的数量比值。雷电等强对流天气受地形影响显著。青藏高原作为复杂大地形，等 在研究其闪电活动特征中发现西藏高原南侧地形差较大处闪电活动更为频繁，可见研究闪电活动情况需要特别关注地形信息。郑淋淋等、李吉顺 在研究中国闪电日变化特征时也发现与地形密切相关。南方地区人口密度大，经济体量大，正常时段航线的平均航班间隔约 为 ，雷 电 造 成 的 经 济 影 响 尤 为 显著。一方面，时间和空间上更为精细化的雷电活动分析，有助于不同时段航线容量的预估和决策；另一方面，精细化的地形数据能够进一步揭示雷电活动在南方地区的地域性特征，有助于了解不同季节、不同地形差异下雷电密集时段的典型特征，弥补了南方地区雷电活动与地形特征相关性研究的空白。因此，利用高时空精度的雷电和地形数据，详细研究雷电活动的时空变化特征，对减少经济损失和航线运行决策具有重要意义。资料与方法 闪电数据活动目录拓扑图（）雷电定位系统的基本原理，是通过接收云地闪辐射的甚低频电磁波信号，基于时差定位法，根据电磁波到达探测基站的时间计算闪电发生的时间、精确位置和强度等相关参数。该系统在建有大量探测基站的前提下具有探 测范围 广、探测 精度 高、持 续 时 间 长 等 优点，是一种研究长时间大范围内闪电活动变化规律的有效探测手段。所使用的 数据来自中国气象局数据中心，数据时段为 年，基本覆盖了中国陆地及近海区域，除了闪电发生时的位置、时间信息，还包括闪电强度、正负极性等参数，能 够 全 面 反 映 闪 电 活 动 的 基 本 特 征 与规律。数据数字高程模型（）是 通过 有 限 的地 形 高程数据精 细描述地 形地面 的数 据 包。其 本 身 内部数据内容为一组有序的数值阵列形式，经过计算机反演后可以形成虚拟空间地形，是数字地形模型（）的一个分支。数据中的分辨率是描述 反 演 地 图 信 息 精 度 的 一 个 重 要 指标，常用 分 辨 率 为 、等。综合考虑单次闪电活动的空间特征与计算时间，所选用的 数据空间分辨率为，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台。方法基于上文所提到的数据将其按照时间分类并将地图基于 网格化，统计格点内的闪电密度，然后比较不同时间范围内密度大小统计规律，分析其分布特征和规律。图 年闪电密度统计将地理信息空间云所测的 的 格点地形数据拼接在中国版图上以分析闪电的活动情况随地形的变化规律。中国南方地区闪电密度分布特征 年总闪电活动空间分布选取闪电较为活跃的南方地区为研究区域，范围主要包括 和 的地区。图为 年闪电密度统计图，区域密度格点大小为 。图统计了年中闪电密度计数及其在各区域的空间分布特征。总体而言，闪电空间密度分布表现为东多西少，沿海的陆地区域闪电密度明显增加，且在南北方向上，随着纬度的降低闪电密度逐渐增大，广东广西两省附近出现多处密度大值区。从统计数据上看峰值计数达 万次，日均闪电密度约为 次（）。符合上述阈值的区域有处均为临近区域的强中心点，分别位于福建省南部、广东广西交界处中部广西侧、广州市附近和海南岛地区。而位于平均数之上的区域为 ，该区域为闪电高发区且在地理上属于中国南部沿海与副热带高气压带交叉区域。南部地区闪电相较北方地区整体更为活跃，且沿海地区整体闪电密度高于内陆地区。由此可见低纬度范围内东南沿海充沛的水汽条件和年内更多的温暖时间均对闪电的活跃程度有明显影响。年闪电活动季节分布春季为南方闪电活动较低的季节，如图所示。从图中可以看出，南部各区域年春季闪电活动数量均在 次 以上，整体闪电活动均较活跃。在东南沿海地区附近闪电频数峰值区域与年度闪电频数峰值区域相类似，除上文中提到的处仍为一季度春季的峰值区域频数约万次以上，内陆地区贵吴俊杰等：中国南方地区闪电活动特征州东部与鄂湘赣地区交界处亦为闪电计数统计高发区域也高达 次 以上。如图所示，从整体趋势来看夏季整个南部地区闪电密度明显增多，范围增广，计数峰值也明显增大，最大可达万次 以上。闪电频数达万次 的区域遍布东南沿海区域，浙江、江西、两广交界处及云贵川交界处相比第一季度闪电频数明显增加，达到约万次 的量级，整个南部 以南至沿海边界普遍每百公里在夏季的个月达到万次 以上，相比年度中的其他季度夏季是整个年度中的闪电频数最活跃的季度，在东南地区具有普遍性。由第一季度与第二季度对比相应区域闪电频数明显较低可知，在春夏两季的季节更迭中东南沿海区域闪电频数呈现上升趋势。南方冬季闪电频数相比第二季度夏季、第三季度秋季闪电频数已经有明显的下降趋势，如图所示，在远离沿海地区的闪电密度频数下降尤为明显。东南沿海地区的闪电密度也不同程度的有所下降，两广交界处下降程度明显高于福建南部地区，同时海南岛上和浙江地区也明显下降，在第二季度中表现出高频数的云贵川地区在第三季度也明显下降，闪电计数频数峰值区域主要出现在云南北部地区，海南地区，广东、广西、福建、浙江沿海地区。考虑季节变化因素内陆水汽含量随季节变化而降低因而不利于雷电活动，但沿海地区受台风等季节性天气影响雷电活动相比内陆仍然偏高。年冬季的南部地区闪电密度出现明显下降，如图所示。承接于第三季度闪电密度分布特点，第四季度的闪电活动密度进一步下降，除浙江东部沿海地区一处闪电密度达到千次左右，南部地区 大 多 数 区 域 均 下 降 至 数 百 次 左 右。在 以北区域第四季度闪电活动频次明显不足百次。闪电活动较为频繁的地区包括贵州、湖南、江西、福建、浙江、广东、广西省及广东沿海地区的洋面上。整个第四季度各个地区均为一年个季度图 年春季闪电密度统计图 年夏季闪电密度统计科技和产业 第 卷第期中闪电活动频数最少的地区。对比个季度的闪电空间分布图可知，除第四季度闪电活动量相对较少从而闪电大值中心向内陆移动范围也有所收缩外，其余个季度闪电大值中心均集中在沿海地区和海南岛地区，其大值范围变化趋势与整季度闪电活动量变化趋势相一致。图 年秋季闪电密度统计图 年冬季闪电密度统计 年闪电逐月变化特征图为 年年中各个月份的闪电总数统计。由图可知，闪电峰值月份集中在夏季、月，且月是闪电发生的峰值月份，统计总数接近 万次。夏季的另外两个月份、月统计总数均接近 万次，整个夏季个月闪电计数总数接近 万次，对应夏季是闪电计数最高的季度，明显超过其他个季度总和，占比亦超过年度总 和的一半。对 比 、月 份 发 现，这个月均为闪电总数统计最低的个月份，对应的冬季亦是闪电发生总数的谷值季度。其中 月和月统计计数接近于，而月份相比另外两个月份稍高一些。、月的闪电统计计数相比依次陡增，其中月闪电频数上升最快，随后在、月图 年逐月闪电变化统计变化趋于平缓，直至进入月和夏季再次出现更大幅度上 升，且为 全 年 中 最 剧 烈 的 上 升 变 化 过 程。在经过月的闪电峰值月份后，随时间月度变化吴俊杰等：中国南方地区闪电活动特征闪电统 计 计 数 出 现 连 续 骤 降，最 大 降 幅 出 现 在月，该 月 闪 电 统 计 计 数 约 为 万 次，降 幅 达 万次左右，是 个月份中降幅最大的月份，且该降幅超过月至月最大升幅的 万次左右。在、月中闪电统计总数表现出稳定连续的骤降，骤降随进入 月份冬季才趋向于平缓。闪电分布与地形的关系 闪电峰值时间与地形的关系通过统计比较不同时间段内相同区域的闪电密度计时次数，将闪电峰值时刻通过矢量图将峰值时刻按 时（北京时，）制表盘绘制在地图上，同时将前文中提到的 高程模型填充在底图上再分析分布变化。图为南部地区春季个月的闪电峰值时刻统计。在 、的重庆东北部与湖北西部交接处山区，闪电峰值时刻出现大范围相似，为 时附近，且对应地形为高程在 以上的山地地形，山地西侧为四川盆地东侧，为中部平原。在 、的东南沿海地区，闪电峰值时刻大多出现在 时至 时附近。局部滨海地区时间会在 时之前，而远离海岸线地区在 时附近居多。在南部内陆与沿海交界区闪电峰值时刻主要集中在 时至 时和 时至 时两个时间段内，且闪电峰值时刻几乎都在中午 时以后。南部地区夏季个月的闪电峰值时刻如图所示。在 的区域大多数地区闪电峰值均出现在 时至 时附近，少数地区闪电峰值出现在 时至 时附近，主要包括云贵高原与广西平原交界处、广西平原北部，以及四川盆地与西藏高原交界处。相较于春季的两个闪电峰值时段，夏季的两个闪电峰值时段均有不同程度的提前，且夏季的第一个峰值时段相比春季的第一个峰值时段占比更大。南部几乎全部的闪电峰值时刻仍出现在中午 时以后。图 年春季闪电峰值分布图 年夏季闪电峰值分布科技和产业 第 卷第期图为南部地区秋季个月的闪电峰值时刻统计。在东南沿海地区整体相较夏季的变化不大，闪电峰值时刻仍然集中在 时至 时附近。但云贵高原与广西平原的交界处闪电峰值时刻出现一定程度的前移，广西平原北部少数地区峰值出现在 时附近，其他大多数地区峰值仍集中在 时至 时附近。在重庆山区与华中平原交界处的中部地势平坦地区，闪电峰值时刻由 时附近后移至晚上 时到 时附近。四川盆地与青藏高原交界处除少数交界区闪电峰值时刻出现在上午 时附近，其他多数地区闪电峰值时间仍为 时至 时附近，西侧青藏高原闪电峰值时刻在晚上 时居多，而四川盆地中部大多数地区闪电峰值时刻都集中在 时附近，明显晚于高原地区。南部地区冬季个月的闪电峰值时刻如图 所示。从图 上看南部大量地区闪电峰值时间出现不同程度后移，少部分地区出现前移，东南沿海地区闪电峰值时间大量出现在 时到 时，在靠近内陆部分地区闪电峰值时刻出现在上午 时附近，华中平原的闪电峰值时刻也包含了上午 时至下午 时地区。而在广西平原与云贵高原交界处、广西平原北部、华中平原西部、重庆山区和四川平原闪电峰