热带气象学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 884-895  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.009
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引用本文  

张雅斌, 程龙, 罗慧, 等. 基于LLS的陕西省近10年地闪时空分布特征[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 884-895.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.009.
张雅斌, 程龙, 罗慧, 等. Spatial and temporal distribution characteristics of cloud-to-ground lightning during the last decade in shaanxi province based on lls[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2017, 33(6): 884-895. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.009.

通讯作者

张雅斌,男,陕西省人,高级工程师,博士,主要从事天气预报、信号与信息处理研究。E-mail:ddusa@yeah.net

文章历史

收稿日期:2016-08-29
修订日期:2017-01-06
基于LLS的陕西省近10年地闪时空分布特征
张雅斌 1, 程龙 1, 罗慧 2, 卞林根 3, 杨睿 2     
1. 西安市气象台,陕西 西安 710016;
2. 西安市气象局,陕西 西安 710016;
3. 中国气象科学研究院,北京 100081
摘要:基于2005—2015年闪电观测和NCEP再分析资料,对陕西省地闪时空分布及气候环流特征进行统计分析。结果表明,近10年来陕西地闪呈波动上升趋势,平均12.8万次/a,平均密度为0.67 fl/(km2·a),负闪占总地闪93.7%。每年3月地闪开始逐渐活跃,年平均强度最大;8月地闪最活跃,盛夏总频次超过全年的75%。陕西地闪频次日变化呈单峰型,峰值在16—17时,下午至前半夜活跃;对应时段在延安周边地区的闪电密集区东移南压明显。陕北地闪日变化幅度明显偏大,关中峰值时段偏晚其他地方约3 h,陕南地闪夜发性明显。陕西地闪主要分布在黄土高原东侧、南侧和秦巴山脉南麓的迎风坡,正闪主要位于陕北和陕南西部局地。相比其他省市,陕西地闪密度明显偏小,但平均强度偏大。陕西地闪活动与西太平洋副热带高压的南北进退变化基本一致,随着季节变化而出现北跳、扩大和迅速消散过程。春季闪电主要位于陕南;初夏陕北南部至渭北明显增多;盛夏闪电最强,北部闪电中心区东移至黄河沿线,关中闪电频次增幅远大于陕北、陕南;夏末闪电迅速消散。陕西盛夏闪电主要包括4种气候类型,不同类型的环流特征差异显著。25 °N以北、80~100 °E附近关键区青藏高压强盛、陕西周边温度槽落后高度槽、相对明显的不稳定层结条件是盛夏闪电活跃的有利环流背景。
关键词地闪    时空分布    气候类型    环流特征    陕西    
SPATIAL AND TEMPORAL DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF CLOUD-TO-GROUND LIGHTNING DURING THE LAST DECADE IN SHAANXI PROVINCE BASED ON LLS
ZHANG Ya-bin1, CHENG Long1, LUO Hui2, BIAN Lin-gen3, YANG Rui2     
1. Xi'an Meteorological Observatory of Shaanxi Province, Xi'an 710016, China;
2. Xi'an Meteorological Bureau, Xi'an 710016, China;
3. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Based on the cloud-to-ground (CG) lightning data from 2005 to 2015 probed by Lightning Location System (LLS) in Shaanxi province and NCEP reanalysis data, the spatial and temporal distribution characteristics of lightning and circulation characteristics are analyzed the first time by comparing with other regions in China. The results show that CG lightning in Shaanxi has a fluctuating rising tendency during the 10 years, and the annual average frequency is 128 000, the CG lightning average density is 0.67 fl/(km2·a) and negative frequency is about 93.7% of the total. Lightning is gradually active from March and its monthly average intensity reaches the annual maximum. The number of CG lightning in midsummer accounts for 75% of the annual total and reaches the maximum in August. CG lightning in Shaanxi is active from afternoon to midnight and high-density areas around Yan'an move eastward and southward obviously. Daily variation of CG lightning frequency peaks during 16:00-17:00, and the amplitude of daily variation in the northern part is obviously larger than in other areas. Daily peak time of CG lightning in Guanzhong is 3 hours later than in other areas. CG lightning is relatively active at night in southern Shaanxi than in other areas. Concentrated CG lightning areas in Shaanxi are mainly distributed in the east and south sides of Loess Plateau, and south sides of Qinling and Bashan Mountains, all of which are windward slopes and altitude gradients are high. Lightning activity area moves northward, and expands and decays quickly with season, which are significant in Shaanxi, and the trend of which is consistent with climatic change of West Pacific Subtropical High. Spring CG lightning is mainly located in the southern part of the province. Lightning reduced significantly in the south and increased obviously in the south part of Northern Shaanxi and Weibei during early summer. During midsummer, active areas and intensity reach annual maximum and the northern lightning center moves eastward to the Yellow River. Meanwhile, increasing amplitude of monthly frequency in Guanzhong is much larger than in other parts. Lightning dissipates rapidly in late summer. Based on monthly change modes of lightning density during midsummer in Shaanxi, there are mainly four climate types to describe the temporal and spatial characteristics, and the features of the four types have significant difference. The circulation characteristics, including Tibetan High near the critical region around north to 25 °N and from 80~100 °E, a temperature trough lagging behind a height trough in the areas surrounding Shaanxi and relatively obvious unstable stratification, are favorable to lightning during midsummer.
Key words: CG lightning    spatial and temporal distribution    climate type    circulation characteristics    Shaanxi Province    
1 引言

作为最严重的自然灾害之一,全球每年因雷电灾害伤亡人数超过1万,经济损失超过10亿美元。随着社会经济发展,我国雷电灾害损失风险不断增加[1]。闪电活动是气候变化指示器之一[2],已用于大气化学方面NOx自然源和气候变化诊断分析。同时,闪电活动与雷暴天气生消演变直接相关,因其较强时效性等优势,在强对流天气预警与中尺度诊断分析方面都具有重要价值[3]

闪电包括云闪和地闪(云与地之间的闪电),造成雷电灾害的主要是地闪,包括正地闪(正闪)和负地闪(负闪)。基于雷暴日人工观测资料,雷电活动规律研究分析已取得一些成果[4-7]。但由于观测范围有限、闪电位置和强度信息缺失等因素,人工观测具有一定局限性。雷电灾害与一段时间闪电强度及频次等因素密切相关,仅通过人工雷暴日数等观测无法准确反映区域雷电活动与灾害风险特征。随着卫星和地基探测技术迅速发展,近年来雷电与天气、气候变化关系研究已成为关注热点。目前,卫星探测闪电资料包括光学瞬态探测仪OTD(Optical Transient Detector)和闪电成像传感器LIS(Lighting Imaging Sensor),可全天候连续监测闪电。基于OTD、LIS资料,马明等[8]分析了我国周边地区雷电气候特征及其与地理环境的关系;王艳等[9]分析了近海海域闪电分布特征及其与海温的关系。基于LIS资料,国内外学者[10-13]从不同角度分析研究了全球、青藏高原和中国不同地区的闪电特征。我国大部地区已建成时间精度高达微秒级、空间定位误差小于0.5 km的全自动实时地闪定位系统LLS(Lightning Location System)。利用LLS资料,国内学者对京津冀、山东、湖北、西南和华南等地的闪电及其与汛期降水相关性等特征进行了统计分析[14-28],为我国雷电天气规律认识和灾害防御提供了有力支撑。但针对特定区域,上述研究分析涉及资料时间较短、气候代表性较差。

陕西地处青藏高原东北侧,自北向南分为陕北、关中和陕南3个地形下垫面与气候差异显著的区域。陕北海拔800~1 300 m,北部为风沙区,南部为丘陵沟壑区,属黄土高原中心地带,包括榆林市和延安市。关中盆地平均海拔520 m,由河流冲积和黄土堆积形成,基本地貌类型为河流阶地和黄土台塬,包括宝鸡市、咸阳市、西安市和渭南市。陕南海拔落差大,分为秦岭、巴山和汉江谷地,包括汉中市、安康市和商洛市。以往陕西地闪研究多侧重于强对流天气过程分析[29-30],基于LLS观测的陕西地闪特征分析的资料时间短[31-32],尤其是全省地闪密度和强度时空分布的气候特征尚未给出。本文使用建站以来陕西省LLS连续观测资料,结合其他省市分析结果进行对比,统计分析陕西地闪时空分布和大气环流特征,以期提升对当地雷电规律的认识、气候预测与灾害防御水平。

2 资料分析说明

陕西省雷电监测网由11个ADTD型闪电定位仪组成,采用时差测向混合算法进行地闪定位,各站探测半径为300 km,地闪波形鉴别效率>95%,定位误差<0.5 km,定时误差<0.1 μs,回击处理时间<1 ms。陕西省雷电监测网运行以来未进行硬件换型改造,监测数据具有较好的连续性和一致性。本文使用2005—2015年陕西省逐日雷电资料,包含每次地闪发生时间(北京时,下同)、位置(经纬度)、极性(正闪、负闪)、强度和陡度。需要说明的是,2008年之前地闪记录中无省市县3级行政区划信息,故下文涉及行政区划的统计分析如无特殊说明,仅包括2009—2015年共7年资料。小时闪电频次表示1 h内发生的闪电次数,单位记为fl/h;闪电密度表示每年每平方千米的闪电次数,单位记为fl/(km2·a)。分析时先将区域分为边长10 km的网格,再统计每个网格内的闪电次数。大气环流特征分析使用2.5 °×2.5 °分辨率的NCEP再分析资料。另外,铜川市地处陕北和关中过渡地带的渭北高原,海拔、地貌和天气气候特征等与陕北更接近,故此将其列入陕北区域进行统计分析。

3 地闪时间变化

2009—2015年陕西省共发生闪电896 416次,年均128 059次,负闪839 734次,正闪56 682次,负闪次数占总地闪的93.7%,比2009—2012年全国负闪占比(94%以上)略低[27]。类似全国大部分地区,陕西省负闪较正闪显著偏多,这与对流云中电荷分布结构密切相关:一般情况下,云体上部带正电荷,中下部带负电荷,负电荷与地面之间容易发生云地闪电,形成负地闪。

3.1 日变化特征

图 1为2009—2015年陕西省年平均地闪次数和强度的逐小时变化。逐小时内负地闪次数均明显大于正地闪。负地闪活跃时段在14—22时,占全天总次数的55.0%,逐小时闪电频次均超过6 600 fl/h,16—17时出现峰值,达9 336 fl/h;09—12时的负地闪处于低谷,均小于2 000 fl/h,最小仅1 350 fl/h。正闪变化趋势与负闪相似,幅度相对平缓,16—19时出现峰值,约670 fl/h。对比地闪的昼夜变化,年平均白天总地闪次数为70 164次,占日总次数的54.8%;夜间总地闪次数为57 895次,占日总次数的45.2%,比2009—2012年全国平均值偏高5.2%。陕西省总闪电的昼夜比为1.21,正闪昼夜比为1.44,负闪昼夜比为1.20。较全国平均水平,陕西总闪电和负闪以夜间偏多,正闪以白天偏多。地闪逐小时平均强度和频次总体呈反位相变化:10时左右频次最小时段的强度最大,约40 kA;14—22时地闪活跃时段强度小于38 kA。每日午后时段的强对流明显加强,地闪频次达到峰值;上午时段下垫面热力条件不足,强对流潜势和雷电地闪频次较小。

图 1 2009—2015年陕西地闪频次与强度日变化横坐标的时间表示之后1 h的闪电情况。

图 2为2009—2015年陕北、关中和陕南3个区域年平均负、正闪电次数的逐小时变化。由图 2a可见,各区域的负闪次数低谷时段接近,出现在10时前后,但峰值时段差异明显:陕北出现在15—19时;陕南与陕北相似,但在00时前后频次相对较高;关中出现在21时前后,相对偏晚约3 h,16—18时的频次变化比其他地区平稳。由图 2b可见,各区域正闪活动差异明显:陕北、关中午后正闪活跃,峰值出现在17—19时,凌晨至上午明显偏弱;陕南03—10时正闪相对活跃、频次明显强于关中、陕北区域,午后较弱。综上分析可见,陕南的正、负闪在夜间偏强,与相邻地区成都地闪的夜间多发特点相似[17],究其原因,陕南和成都地处巴山南北两侧的四川盆地和汉中盆地,地闪的夜发性特征可能与“巴山夜雨”现象有很大关系。

图 2 2009—2015年陕西省不同区域的年平均负闪(a)和正闪(b)频次的日变化
3.2 月变化特征

图 3为2009—2015年陕北、关中、陕南和全省年平均闪电总次数和雷电日数所占全年百分比的逐月变化。由图 3a可见,陕西省雷电从3月开始逐渐活跃,8月最为频繁,盛夏7、8月的闪电总次数分别占全年的30.2%和45.3%,9月之后明显减少。3—9月年均闪电占全年98.9%,其中正闪7 328次,占闪电总次数6.3%。10月—次年2月年均闪电总次数仅占全年的1.1%,其中正闪占10.0%,冬半年正闪比例明显高于夏半年。分区域来看,关中7月闪电仅占全年21%,8月占比高达55%,月际增幅达34%,陕北、陕南7、8月占比均在30%、40%左右,月际增幅明显小于关中。关中8月闪电增幅明显,与8月上旬、下旬西太平洋副热带高压的西进、东退过程导致陕西周边暴雨强对流天气显著增多密切相关。

图 3 2009—2015年陕西省不同区域的年平均闪电总次数(a)和雷电日数(b)所占全年百分比的逐月变化

从闪电平均电流强度(图略)来看,全省3月最大,为48.3 kA,4、5月逐渐下降,6、7、8月降至低谷,9—11月又逐渐回升至4、5月水平。对比图 3a3b可见,各区域的雷电日数相比闪电总次数的变化平缓,逐月雷电日数和闪电次数变化趋势差异明显:5—6月雷电日数全年占比明显大于总次数占比,说明初夏闪电平均时间间隔比盛夏明显分散;8月雷电日数少于7月,但总次数明显偏多,说明8月雷暴日内各次闪电之间平均间隔时间短、发生频率全年最高。

3.3 年变化特征

通过多个规则矩形近似陕西省行政区界,统计2005—2015年逐年、盛夏7、8月的闪电总次数,并结合雷暴日数观测分析闪电年际变化。由图 4a可见,闪电次数总体呈逐年上升趋势,最少年份是2005年仅8.3万次,最大年份是2013年达22.8万次,最大年份闪电次数是最少年份的2.7倍,年际变化明显。由图 4b可见,盛夏单月最大达9.9万次(2013年8月),最小仅2.1万次(2007年8月),最大月份为最小月份的4.7倍;8月平均闪电为4.7万次,7月为4.3万次,7月闪电次数小于8月共有8年,概率接近80%。由图 5a可见,2012、2013年全省雷暴日数明显偏多,分别达到106 d、107 d,2007年最少仅73 d,年均雷暴日数为85 d,雷电日数相比闪电总次数的年际变化小。近10年陕西雷暴日数、总次数呈波动上升趋势,与1961—2002年陕西雷暴日数逐年减少趋势不同[33-34]。研究表明,青藏高原、我国中东部地区雷暴日数与闪电密度空间分布并不一致[8, 28]。对比陕西闪电次数和雷暴日数年际变化(图 4a5a)在2012、2013年的雷暴日数仅差1 d,但闪电次数相差8.8万次。灾情实况调查显示,2013年陕西雷击灾害事件明显多于2012年。可见,基于雷暴日数的闪电天气气候特征分析及灾害风险评估具有一定的局限性,基于LLS资料的相关特征分析能更全面地评估闪电及其灾害风险。从图 5b可见,陕西盛夏雷暴日数最多达31 d(2013年7月),最少14 d(2005年8月),年平均雷暴日数7月有21.5 d,8月有20 d,7月闪电日数大于8月共有8年,概率接近80%。对比陕西盛夏闪电次数和日数年际变化(图 4b5b),7月比8月闪电次数少、雷电日数多的概率均在80%左右,说明8月雷电天气期间的地闪现象比7月更密集。

图 4 2005—2015年陕西地闪总次数全年(a)和盛夏7、8月(b)的逐年变化
图 5图 4,但为雷暴日数
4 地闪空间分布 4.1 密度频次特征

2005—2015年陕西年均闪电密度和各地市闪电总次数分析结果表明:陕北2个地市的闪电最多,延安3.5万次,榆林2.6万次;陕南3个地市次之,均在1万次以上,偏西的汉中市最多,达1.8万次;关中各地市最少,东部渭南市最多,达1.1万次,其余各市均小于0.5万次。表 1为陕西省闪电密度排名前20名的区县。除陕南的商南、镇巴、勉县外,闪电密集区县均分布在陕北和渭北地区。结合地形特征进一步分析可知:商南县和勉县位于秦岭南麓,镇巴位于巴山南麓,各辖区内南北海拔落差悬殊(超过2 km);北部地闪密集区一部分集中在黄土高原南侧与东西走向的渭河河谷交界地带的铜川、渭南北部,另一部分集中在黄土高原东侧与南北走向的黄河河谷交界地带的延安、榆林东部。闪电密度最小区域集中在关中的中、西部平原,大部分区县密度小于0.4 fl/(km2·a),最小不足0.1 fl/(km2·a)。

表 1 2005—2015年陕西省年均闪电密度前20名的区县     单位:fl/(km2·a)。

图 6为陕西夏半年(3—9月)不同季节地闪密度的空间分布。春季(3—4月,图 6a),除陕北的延安南部局地外,闪电主要发生在陕南大部,密集区位于汉中市,中心位于镇巴县附近,密度超过0.16 fl/(km2·a)。初夏(5—6月,图 6b),延安、铜川和渭南北部的闪电显著增多,分散分布的局地高密度中心区超过0.4 fl/(km2·a),陕南闪电明显减少,仅镇巴附近密度成倍增大、商洛东北部增多。盛夏(7—8月,图 6c),闪电范围和密度进一步显著增大,除关中中西部(宝鸡、西安中南大部地区)密度小于0.1 fl/(km2·a)以外,其余地区均有较明显的闪电发生。相比初夏,陕北、渭北一带闪电中心区东移至黄河沿线,密度成倍增大,超过0.8 fl/(km2·a),汉中镇巴局地超过1.0 fl/(km2·a)、商洛东南部局地超过2 fl/(km2·a)。

图 6 2005—2015年春季(3—4月,a)、初夏(5—6月,b)、盛夏(7—8月,c)和夏末(9月,d)的总闪电年均密度分布 单位:fl/(100 km2·a)。

进一步比较分析(图略)可知,7、8月年均闪电密度分布总体相近,但8月闪电及其高密度区域有所增大,增大区主要位于延安北部和渭南地区。夏末(9月),陕西省闪电急剧减少,呈分散零星分布。值得注意的是,初夏、盛夏季节的闪电相对其他地区明显稀少的关中西北部宝鸡局地密度在夏末仍然维持在0.1 fl/(km2·a)以上,与盛夏相当,比其他地区明显偏强。陕南汉中局地密度大于0.6 fl/(km2·a),其余地区降至0.1 fl/(km2·a)以下。

对比西太平洋副热带高压(简称西太副高)南北进退变化[35],与闪电季节变化基本一致:春季西太副高开始北抬西进,陕西南部雷暴天气逐渐增多;6月中旬西太副高脊线明显北跳至25 °N附近,副高边缘暖湿气流与西风槽、低涡和锋面等系统在陕西中北部频繁交汇,强对流与雷暴天气活跃。盛夏期间,西太副高脊线稳定在25~30 °N附近,西脊点深入内陆,陕西处于副高西北侧的高温、高湿偏南气流影响范围,伴随副高波动和西风带低值系统共同作用,全省各地强对流与雷暴天气增至全年最强。夏末,西太副高明显东退减弱,陕西的闪电迅速减少。

正闪主要发生在对流发展的成熟阶段,出现正闪、正闪频次增加是对流天气强盛成熟的重要标志[15]。进一步分析夏季5—8月陕西正闪密度分布演变特征(图略)可知,初夏,正闪相对高值区位于延安南部、铜川和汉中附近,密度均小于0.05 fl/(km2·a)。盛夏,正闪范围明显增大,北部高值区向北扩大至延安、榆林,南部高值区由镇巴附近向西扩大,各高密度中心强度变化不大,小于0.05 fl/(km2·a)。除汉中镇巴附近外,正闪主要位于渭北-陕北一带,关中大部和陕南中西部稀少。正闪区域差异与下垫面热力差异密切相关:陕北主要为沙砾滩地和黄土,陕南多山地丘陵,关中为平原河谷区。沙砾滩地、山地丘陵的比热高于平原河谷,夏季午后地面加热升温快,有利于强对流和雷暴天气发展成熟。

图 7为每日不同时段对应的年平均闪电密度分布。02—08时,闪电主要出现在榆林、延安的中东部、关中北部和陕南西部,关中大部分地区闪电稀少,与图 2b陕南夜间闪电相对活跃一致。08—14时,闪电频次、范围全天最弱,总体与02—08时的闪电活动空间分布相近,差别在于延安高密度区向西扩大,榆林、汉中的闪电范围和强度减小。14—20时,闪电达到全天最强,1 fl/(km2·a)以上的密集中心位于延安大部、铜川、商洛东部和汉中南部局地。20时—次日02时,闪电范围总体与14—20时接近,但高密度中心延安的闪电明显减少,咸阳、铜川至渭南一带的闪电明显增多,中北部闪电高密度区东移南压趋势明显。14时—次日02时,陕西雷电中心位置突变特征与20时前后陕北闪电频次突降、关中突升的日变化趋势一致。夏季中北部闪电日内时空突变与河套低涡的日变化、午后局地热力动力触发等因素共同影响下,延安周边多雷暴强对流天气生成、发展、并向东南方向移动演变过程密切相关。

图 7 2005—2015年每日不同时段的年均闪电密度 单位:fl/(100 km2·a)。
4.2 强度变化特征

按行政区划结合上节统计分析陕西不同地市正、负地闪平均强度(表 2)可见,各地市闪电强度相比闪电次数空间变化小,陕北、关中西部和陕南东南部为强度大值区,以榆林、延安和安康3市闪电平均强度最大,正、负闪分别超过64 kA、-37 kA;关中各地市平均强度接近,正闪为52~59 kA,负闪为-35~-29 kA。全省地闪平均强度为37.6 kA,正闪为61.0 kA、负闪为-36.0 kA。关中西部的宝鸡、咸阳地闪频次密度较小,但正闪平均强度较大,雷电灾害风险仍然较高。

表 2 2005—2015年陕西不同地市正、负地闪的平均强度     单位:kA。

闪电电流强度概率分布是雷电灾害防御和工程设计的关键参数,电流幅值大于I(kA)的地闪发生累计概率P可表示为P=[1+(I/ab]-1a为中值电流,即闪电电流大于a的概率为50%,b为概率曲线拟合指数,其值越大表示曲线下降越快,电流强度越集中[20]。由最优估计得到陕西省电流强度幅值大于I的负闪、正闪累计概率方程分别为:P=[1+(I/32)3.8]-1P=[1+(I/52)2.8]-1,正、负地闪强度概率拟合与实测曲线相关系数分别为0.999 98、0.999 68。陕西省不同电流强度闪电概率分布(图略)表明:-80~-10 kA负闪占负闪总次数的97%,其中-30~-20 kA负闪最多,约占30%;10~160 kA正闪占正闪总次数的97%,其中30~40 kA正闪最多,约占15%。不同强度正闪发生频率相对分散,50 kA以上的正、负闪电所占正、负总闪电比例分别为52%、16%。30 kA、60 kA、100 kA、160 kA以上的正、负闪概率分别小于81%、41%、13%、2%。总体来看,正、负闪电流强度集中在10~50 kA,正闪总次数比负闪明显偏少,但大强度正闪比例相对更高。

结合我国不同省市地闪特征的统计结果[14-17, 19-22, 24-26],进一步比较分析陕西地闪特征。从地闪频次来看,全国总体呈北少南多分布,陕西年均12.8万次,多于山东和京津冀,但明显少于湖北、上海、福建和广东等。从地闪密度来看,全国总体呈北弱南强趋势,陕西平均0.67 fl/(km2·a),最大达2.18 fl/(km2·a),最小约0.1 fl/(km2·a),明显低于其他省市。陕西地闪密集区主要分布在黄土高原东侧、南侧和秦巴山脉南麓的迎风坡,与其他省市地闪高密度区地形特征相似。从地闪强度来看,陕西正、负闪电明显强于全国大部分省市。综上可见,虽然陕西地闪密度明显偏小,辖区各地遭受雷击的可能性相对较低,但闪电平均电流强度大,雷灾风险仍然较高。从地闪极性来看,全国各地正、负地闪比例分布趋势相对复杂,陕西负闪比例为93.7%,低于湖北、福建,高于兰州周边、成都、山东、河南、上海和广东。从地闪频次季节变化来看,陕西与中东部省市相似,春季逐渐增多,夏季最盛,8月达到峰值,而华南、西南地区的地闪峰值分别出现在6月和7月。从地闪频次日变化来看,陕西为单峰型变化,午后至傍晚明显活跃,峰值在16—17时,与西南地区夜发性特点差异显著,与其他省市峰值出现时段存在约1 h的时差。

5 盛夏地闪气候类型及环流特征

与全国大部分省市相似,陕西省地闪主要出现在盛夏,统计分析2005—2015年7、8月地闪时空分布变化特征发现,陕西盛夏闪电主要包括4种差异明显的气候类型:分散偏弱型、全省偏强型、陕北偏强型和起伏突变型。下面对11年的闪电气候类型实况的风场、高度场、温度场和层结不稳定参数(850 hPa与500 hPa温度之差T850-500)环流背景及其距平场特征进行分析。

分散偏弱型时,7、8月全省闪电活动范围、频次相近,每年盛夏总闪电次数在6.3万次以下;陕北、关中和陕南均有闪电发生,但区域分散,大部分地区密度小于1.5 fl/(km2·a)。典型年份包括2005、2008、2009年。2005年(图略),7月除汉中镇巴局地外,全省闪电显著偏少;8月延安和安康北部略有增加。2008年(图略),7月闪电主要发生在关中中部和陕南,陕北稀少;8月关中东部和陕北明显增多。2009年(图 8),7月除延安南部、铜川周边和汉中局地闪电活跃外,其他地区闪电稀少;8月除延安和铜川闪电继续活跃外,渭南、咸阳和汉中3地市部分地方闪电也有所增多。500 hPa环流特征(图略)为:我国中高纬地区盛行纬向环流,25 °N以北、80~100 °E青藏高原附近大陆副热带高压较常年偏弱、高度场小于586 dagpm;陕西周边温度场分布基本与高度场平行,温度平流不明显;宁夏、内蒙古中部-东北西部为大范围的T850-500 < 23 ℃的区域。

图 8 2005—2015年分散偏弱型的2009年7月(a)、8月(b)闪电密度分布 单位:fl/(100 km2·a)。

全省偏强型时,7、8月全省闪电活动范围、频次相近,每年盛夏总闪电次数在8.5万次以上;陕北、关中和陕南均有闪电明显发展,区域相对连续、范围大,各区域闪电密度中心均超过2 fl/(km2·a)。典型年份包括2006、2011、2013年。2006年(图略),7月高密度中心主要在延安南部至渭南北部、汉中西部和商洛东部;8月高密度区主要在延安东南部和关中中西部,榆林北部、安康盛夏闪电稀少。2011年(图 9),7、8月闪电高密度区均在渭北?蛳延安、陕南西部附近,榆林北部和关中中西部稀少。2013年(图略),7、8月闪电高密度区均在陕北、关中东部黄河沿线西侧和陕南部分地方,陕北和关中西部闪电稀少,8月陕南西部闪电明显增多。500 hPa环流特征(图略)为:我国中高纬地区尤其是陕西周边经向环流显著,25 °N以北、80~100 °E青藏高原附近大陆副热带高压较常年偏强、高度场大于586 dagpm;30~40 °N陕西-山西一带为南北向低槽区,温度槽显著落后于高度槽,陕西周边冷平流输送明显;宁夏、内蒙古中部-东北西部为T850-500大于23 ℃的区域。

图 9 同图 8,但为陕西全省偏强型的2011年

陕北偏强型时,7、8月全省闪电活动位置明显偏北,主要位于陕北,高密度中心在陕北北部黄河沿线附近,最大密度超过2 fl/(km2·a),关中、陕南闪电明显偏少,每年盛夏总闪电次数在9.4万次以上。典型年份包括2014、2015年。2014年(图略),7月闪电主要位于榆林东部、延安东北部,8月略向西南方向扩大。2015年(图 10),7月闪电主要位于榆林东部、延安中南部,8月闪电扩大至陕北全区和渭北地区。500 hPa环流特征(图略)为:我国中高纬地区尤其是陕西周边经向环流显著,25 °N以北、80~100 °E青藏高原大陆副热带高压较常年偏强、高度场大于586 dagpm,副高位置比全省偏强型显著偏北,586 dagpm北界接近40 °N,比全省偏强型偏北约5个纬距;陕西-华北一带为南北向低槽区,温度槽显著落后高度槽,陕西周边冷平流明显;陕北以北、内蒙古中部-东北西部为T850-500大于24 ℃的区域。

图 10图 8,但为陕北偏强型的2015年

起伏突变型时,7、8月全省闪电活动范围、频次差异大,时间突变明显,其中某一月偏弱,总闪电次数少于2.1万次,另一月明显偏强,总闪电次数大于6.1万次。典型年份为2007、2010、2012年。2007年(图略),7月延安-关中北部一带闪电异常活跃,8月全省闪电明显减少,仅关中西部部分地方闪电活跃。2010年(图 11),7月陕北、关中闪电明显偏少,陕南较为活跃,8月陕北、关中闪电明显增多、高密度区明显加强,陕南闪电总体变化不大。2012年(图略),7月陕北、渭北和陕南大部分地方闪电活跃,8月后除延安西部、渭北和陕西西部部分地方闪电较强外,陕西省其余地区闪电稀少。500 hPa环流特征(图略)为:我国中高纬地区尤其是陕西周边环流形势、青藏高原附近大陆副热带高压强度、位置月际变化明显。大陆副热带高压较强月份,陕西周边经向环流和冷平流输送增大,闪电活跃。陕北以北、内蒙古中部?蛳东北西部层结不稳定条件相比陕北偏强型总体偏弱。

图 11图 8,但为起伏突变型的2010年

下面分别给出3种闪电气候类型对应500 hPa高度场、层结不稳定参数T850-500的距平分布。分散偏弱型时(图 12a),陕西周边层结不稳定参数较常年偏小,同时,我国大部地区尤其是青藏高原、东南沿海副热带地区位势高度偏低,巴尔喀什湖以北高纬地区偏高,上述距平场特征对应我国大陆经向环流和西北上游冷空气弱,陕西周边大气层结相对稳定,不利于雷电发生。全省偏强型和陕北偏强型时,陕西周边层结不稳定参数较常年整体偏大,前者偏大区域偏南,后者明显偏北、偏强。全省偏强型时(图 12b),巴尔喀什湖?蛳贝加尔湖中高纬地区为大范围的位势高度显著负距平区,对应区域冷空气活动频繁,我国大陆东部?蛳东海为正距平区,对应区域西太平洋副高偏强,有利于北方干冷空气和南方西太平洋副高边缘暖湿气流在陕西周边交汇,形成雷电天气。陕北偏强型时(图 12c),青藏高原、内蒙古?蛳东北西部为大范围的位势高度显著正距平区,对应高脊显著发展,我国大陆东部?蛳东海为显著负距平区,对应西太平洋副高较弱,有利于大陆经向环流发展、高脊东南侧北路干冷空气向南侵入陕西北部显著不稳定层结区域附近,形成雷电天气。

图 12 2005—2015年分散偏弱型(a)、陕西省偏强型(b)、陕北偏强型(c)对应500 hPa高度(等值线)和T850-500(阴影区)的距平场
6 结论

基于2005—2015年陕西全省LLS观测资料和NCEP再分析资料,对比全国其他省市地闪特征统计结果,分析总结陕西地闪时空分布及大气环流气候特征。

(1)陕西省年平均地闪12.8万次,多于山东和京津冀地区,明显偏少于我国东南各省市。陕西负闪占总地闪93.7%,比例低于福建、湖北,高于成都、兰州、山东、河南、上海和广东。陕西地闪每年3月开始逐渐活跃,该月闪电平均强度全年最大,8月闪电频次最多,盛夏闪电总次数占全年的75%以上,9月之后明显下降。地闪的月季变化与我国中东部趋势相似,但比西南、华南地区月闪电频次峰值出现偏晚1~2月。陕西地闪频次与雷电日数逐月变化差异明显。近10年来,陕西闪电活动呈波动上升趋势。

(2)陕西省地闪在下午时段最活跃,高密度中心位于延安大部、铜川、商洛东部和汉中南部局地,前半夜延安闪电明显减少,但咸阳、铜川至渭南明显增多,高密度区东移南压明显。陕西省地闪频次呈单峰型日变化,地区差异明显。全省负闪活跃时段为14—22时,峰值在16—17时,达9 336 fl/h;09—12时处于低谷,频次小于2 000 fl/h。正闪变化趋势与负闪相似,但幅度相对平缓。陕北地闪次数日变化幅度比关中、陕南偏大2倍以上;关中负闪峰值时段比陕北、陕南偏晚约3 h;陕南05—10时正闪比陕北、关中相对活跃,闪电夜发性明显。陕西地闪频次与西南地区双峰型日变化差异显著,与其他省市峰值存在1 h左右时差。

(3)陕西省年平均地闪密度为0.67 fl/(km2·a),地闪主要位于黄土高原东侧、南侧和秦巴山脉南麓的迎风坡,周边海拔梯度大,正闪主要位于陕北和陕南西部局地。相比全国其他省市,陕西地闪密度明显偏小,但平均强度明显偏大。陕西省电流强度幅值大于I(kA)的负闪、正闪的累计概率P的估计方程分别为P=[1+(I/32)3.8]-1P=[1+(I/52)2.8]-1。与西太副高的南北进退变化基本一致,陕西地闪随季节存在明显的北跳、扩大和迅速消散趋势。春季,闪电主要位于陕南,中心镇巴县附近密度超过0.16 fl/(km2·a)。初夏,陕南闪电明显减少,陕北南部?蛳渭北闪电明显增多,中心密度超过0.4 fl/(km2·a)。盛夏,闪电范围、强度全年最大;北部闪电中心区东移至黄河沿线,中心密度超过0.8 fl/(km2·a);关中闪电频次增幅远大于陕北、陕南。7、8月年均闪电密度分布总体相近,延安北部和渭南闪电频次随时间增大明显。夏末,全省闪电迅速减少。

(4)陕西盛夏闪电主要包括分散偏弱型、全省偏强型、陕北偏强型和起伏突变型共4种气候类型,不同类型对应环流形势与距平场特征差异明显。25 °N以北、80~100 °E附近关键区的青藏高压强盛、陕西周边温度槽落后高度槽、相对明显的不稳定层结条件是盛夏雷电活跃的有利环流背景。分散偏弱型时,副热带地区位势高度偏低,巴尔喀什湖以北高纬地区偏高,陕西周边层结相对稳定,经向环流和西北上游冷空气弱。陕西省偏强型时,青藏高压偏强,温度槽明显落后高度槽,中高纬地区高度场为显著负距平区,陕西周边层结不稳定偏大、偏南,大陆东部为正距平区。陕北偏强型时,关键区附近青藏高压位置比陕西省偏强型更偏北,青藏高原-东北西部为高度场显著正距平区,大陆东部为显著负距平区,陕西周边层结不稳定显著偏大。起伏突变型时,中高纬地区尤其是陕西周边环流形势的月际变化显著。

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