福建省闪电能量特征分析

2007年第4期 2o07年8月 福 建 气 象 JOURNAL 0F FUJIAN METE0R0LOGY 2007，No．4 Aug．2007 1 前言 福建省闪电能量特征 陈雪钦 (福建省气象台，福州 350001) 福建省地处低纬，位于我国东南沿海，省内山地多，是闪电雷暴天气的多发地。2003年7．fl福建省完 成9站闪电云地闪探测布网，用多站法闪电定位系统探测闪电，探测精度高，范围大，得到闪电数据有闪 电发生的时间、极性、位置、感应电流强度 (I)、能量 (F*t，t为闪电持续时间)等信息。研究闪电的分 布规律，对于我省雷电灾害的防灾、减灾工作很有意义。闪电的强度及能量能在一定程度上反映雷电对人 对物的危险性，下面，本文对闪电强度及能量的分布特征作些探讨。 2 资料 闪电资料采用2004～2006共三年的连续观测资料，为方便研究，作如下规定： (1)作能量空间分布分析时将资料网格化：取点 (28．4。N，115．6。E)为西北点，点 (23．0。N，121。E) 为东南点，经纬格距0．2，将研究区域分为27*27的网格。各闪电资料据其经纬度确定在网格点中的位置。 (2)在统计全省闪电数量、强度 、能量等的时间分布时，取 (118。E29。N，121．2~E 26．7。N，117．7。E 22．8。N，1152。E 25．5。N)四点连线所围的区域 ，此区域包含了全省的陆地和近海及周边省的小范围面积。 3 能量和强度的时间分布 3．1 各月闪电能量、强度和数量 ． 上述第二种区域内三年中共发生闪电99_3万次，其中负闪 (云带负电，地面为正电的闪电)占了绝大 多数，为96．2万次，占总次数的97％。闪电总能量为536，390万焦耳，其中负闪能为400，134万焦耳，占 总能的75％，平均负闪能为4．16千焦／次；正闪能为136．256万焦耳 ，占总能的25％，平均正闪能为44千焦／ 次。可见平均正闪能比负闪高得多．是负闪的10．6倍。 闪电总强度 (不分正负)，三年为979．3万安，其中负闪总强893．4万安，占总强度的91％。平均正闪和 负闪强度分别27．7安／次和9．3安／次，可见，正闪的平均强度也比负闪的强，是负闪的3倍。 图1示了三年中1～l2月年均月总闪能量与月正闪能量、年均月闪数及平均每次闪电的能量。图中的 柱状图，左侧表示总能 ，右侧表示正能 ，图中的线状图，较粗的线为闪数 ，较细的线为闪能／闪数 ，横坐 标为月份，横坐标下的数据为每月负闪数／每月总闪数，纵坐标左边的左侧为能量、右侧为每次平均能量． 右边为数量。每组直方柱上的数据，上为这个月的能量占年均总闪能的百分比，下为本月正闪能占本月总 闪能百分比。 可见，除了1月和l2月，正闪数大于负闪数，其余月份的负闪数大于正闪数。l1月到次年4月，正闪能 是大于负闪能的，且在4月达到最大，其余月份负闪能大于正闪能。 1月和l2月，福建省处于隆冬季节，盛行干冷的西北气流，地面气温低，闪电极少发生，绝大多数发 生的是正闪．而且六成的闪电集中发生在较温暖的漳州地区的东南沿海一带。 16 福 建 气 象 4期 2月到4月，福建春雨期，随着西南暖湿气流 的逐渐建立和加强．每一次冷暖空气在省内的交 锋，都是闪电数的锋值。随着闪电的增多，负闪 数增多很快，正闪虽然有增多，但总数维持在较 低的水平，但正闪总能量还是高于负闪，在这三 个月里分别占到当月总能量的61％、92％、7l％。 5YJ到9月，随着冷空气的减弱．太阳高度角增 大，地面气温逐渐升高，闪电数量增多很快，且绝 大多数是负闪 ．负闪 占了当月总闪数 的96％至 99％，而且负闪能超过了正闪能，但正闪能在这几 个月里变化辐度不大。 10月 ，冷空气还很弱 ．暖空气也处在减弱 阶段，福建常为副高控制，是较为干燥 ，秋高 气爽的时节 ．这个 月的闪 电只比l2月和 1月稍 多些 ，也是 闪电很少 的月份 ，负闪的能量和数 量上都大于正闪。 图1 年均闪电能量及数量月分布 1 1月，冷空气逐渐增强南下．地面气温降低，若有西南暖湿气流影响，与冷空气的共同作用下，还是 有电闪雷鸣的大气，此时虽然负闪数还是居多，但正闪能超过了负闪能。 闪电的年均能量与数量的逐月变化曲线不尽相同．从图l看出： 2-6月，能量逐渐增大，但除了2到3月有个跃升其余月增加的辐度不大，且4月和5月相差不多；但在 数量上，2到3月平缓增加，3到6月曲线陡峭，4、5、6月的闪数分别是3月的5倍、12倍、l5倍 ，所以3月， 由于正闪数占的比例大，平均每次的闪电能量是较大的。 7～9月，闪电的能量和数量都达到最大，但能量的峰值在9月，数量的峰值出现在8月，平均每次的闪 能，5～9月，由于能量较小的负闪的占的比例大，所以处在波谷。 11月，虽然数量和能量都不大．但由于与 3月同样的原因，平均每次的闪能很大。 I、10、12月这三个月 ，能量与数量都很 小，但平均每次闪能略大于5～9月 3．2 日逐时闪电能量分布 图2是2—4、l1月和5-9月闪电能量与数量 的日逐时变化曲线(资料取第二种范围)。11月 到次年的4月 ．是福建 的相对冷月．日逐时能量 表现为多锋型。由于 白天地面气温不高，夜里云 顶的辐射降温引发的对流引起的雷电活动相对 活跃。2月锋值在后半夜到凌晨和午后，3月为多 锋型，最大值在中午前后。4月．午后到上半夜的 能量值高于其余时间，逐渐向单锋型转变。 5～lO月 ．是 福建 的相对热月 ．地面气 温 白天升高很快 ，在弱冷空气 、东风波等的侵扰 下，午后能发展较强的热对流．引发雷电能量 和数量剧增。表现为15～l8时的单锋型。 盎数，岩姆 8锻，83j 8稚 懿％ 08锋 锄 ∞ 0 7张 ∞譬 图2 年均每月日逐时闪能 (上)、闪数 (下) 4期 陈雪钦 ：福建省闪电能量特征分析 17 比较能量和数量的曲线变化 ，能量的 日逐时变 化与闪电数量的不一定吻合，On2月和3月，能量为 多锋，但数量为单锋，2月出现在后半夜到凌晨，3 月在午后。4月，能量基本上为单锋 ，出现在上半 夜，而数量为多锋，出现在20时和0时。8月和9月， 8月的能量锋值高于9月，而数量锋值低于9月。 4 闪电强度及能量的变化范围 在上述的分析里．我们知道，正闪的平均能量 和强度大于负闪。图3是这三年中正负闪每个月最 大的强度，其中负闪的强度取了绝对值，图中较粗 的线是正闪的最大强度。可以看出，同一个月中， 正闪的最大强度基本上也是大于负闪的，只有个别 月份负闪强的最大值略大于正闪强 (04年7月)。各 月最大负闪强度的变动范围为4～120KA，最大正闪 强度为35～416KA。1月和12月，最大正的或负的闪 电强度在一年中都是最小。图中有的月里没有值， 是 因为取定 的范围里 ，这个月无正 (或负 )闪发 生 ，如 2006年1月。 各 月最大负 闪能量的变动范围为0．4～1458K．I， 最大正闪能量为8～5532KJ(能量最大值的曲线变 化与强度的类似，图略) 具有大强度及能量的闪电在所有闪电中占的比 例是较小的，图4显示 了不同闪电能量与次数的关 系：将闪电能量按1千焦耳分为不同的等级，统计 每个能量等级拥有 的闪电数 。不论正 闪还是负闪， 都以低能量的闪电为主，负闪0～9千焦的闪电数量 占了负闪总数的90％，能量约占47．8％，正闪0-106 ⋯v - · ， 0 ： ：釜越 釜嚣三 ： 量 ⋯·I ， 图3 正负闪每月最大强度 图4 闪电能量 与次数 的关系 千焦的闪电数量占了正闪总数的90％，能量约占43．8％。 云中基本是云下部荷负电，云上部荷正电，所以负地闪比正地闪容易发生，发生的次数多。当云下部 的负电与云 、空气或地表放电中和后 ，云 中的荷 电变得不平衡 ，于是云中向外放正电，云上部 的正电及地 需要经过比负地闪更长的距离，所以单次闪电强度和能量比单次负地闪大。一般负地闪有多次回击而正地 闪大多是单次回击，所以正地闪数也比负地闪少很多。 5 年均能量的空间分布 图5是这三年中闪电年均能量分布图 (单位：10万焦耳)，资料按第一种方式处理，可以看出，戴云山 脉东侧拥有全省最大的闪电能量，是其余地方单位面积闪电能量的2～4倍，其西侧是次中心，其余在戴云 山脉的南北侧 、武夷 山脉北段南侧的南平地区、鹫峰山脉东侧的宁德地区、龙岩、三明两地区的西部交界 也有较强的能量中心。比较闪电数量的空间分布 (见文献3)，两者大值区范围较为一致，闪电数多的地方 基本上也是总能量大的地方。可见， (1)能量的分布也与山脉走向、地形高度特点有很大关系，在朝向 西南或偏南偏东气流的迎风坡上，是能量的大值区； (2)纬度的差异对其分布影响不大，南平地区的能 18 福 建 气 象 量比处其南部的龙岩地区就高一些； (3)有 海陆差异，等值线沿海岸分布，沿海陆地、半 岛及距离陆地l0～40公里海域的能量比稍远些 的海区强。 一 年中．各个季节闪电能量的空间分布不 同。图6是福建春雨期2～4月 (左 )、汛期5～6 月 (中)和夏季7～9月 (右)的能量分布图 (单位：10万焦耳。由于图面小 ，默认未标明 高低值中心的为高值中心)。 2 4月 。能量大的区域在内陆 ，主要在武 夷 山脉 以东 、戴云 山一博平岭以西 。沿海地 区、海上是相对小值区。 5-6月．能量大的区域比前期东移，值也 增大．戴云山脉附近是大值中心。南平、三 明、宁德地区及龙岩南部有较大值。 7-9月．能量大值区继续东移，数值增大 明显 ．戴云山的东侧是个很强的大值中心 ，沿 海一带特别是中南部沿海及近海的能量明显大 于内陆地区。这几个月里，午后的气温升高很 图5 2004～2006年年均闪电能量 (单位：10万焦耳) 图6 2~4T]、5～6月、7—9月平均闪 电能量 快，沿海一带的海陆效应较为明显，白天，特别是午后，由于海水的热容较陆地的大，使海陆的水平气温 相差很多，在底层，气流从海面流向陆地，在陆地上形成上升气流，特别是山脉东侧形成的上升气流较 强，当有扰动时，如福建处副高边缘、副高减弱、有弱冷空气、热带系统等的影响下，较易发生闪电。 结论 ： (1)一年中。各月的闪电能量及强度分布不均，较热月份的闪电总能量大于较冷月份的闪电总能量， 并且在7 9月达到最大。正闪不论能量还是强度都大于负闪，分别是负闪的10．6和3倍。 (2)在一天中，各月的闪电能量逐时分布不同，在11月到次年3月，是多锋型，锋值多在夜里到凌晨 和午后出现，其余月份，表现为午后15～18时的单锋。能量与次数的锋值的分布不尽一 (下转第27页) 4期 郭振煌等：泉州晋江机场一次大雾天气过程的分析 27 5．2 气 团指数 (K) K指数是反映中、低层大气层结稳定程度和低层 空气饱和程度的一个综合量 [3]．而这也是影响大雾 生成的两个基本因素。分析12目的K指数场，08时福 建沿海一带K指数为低值区，其在8—12℃之间．而 到了20时福建沿海一带的K指数继续减小 ．仍为K指 。 数场的低值区域，晋江处K指数低值中心 ，比较K指 数量场与12日晚大雾的分布区域表明 ，K指数场的低 ． 值区与沿海出现大雾的区域基本重合。 5．3 散度场 m 从850hPa中低 空散度场看 ，12日08时在平流雾产 生和维持区域，辐合中心值为一8×10 ·S～，而2O时辐 合中心值减弱至--4x10 ·S～，表明低层辐合上升运动 图3 厦门站1月12日2O时rr-LNP 减弱；而在高层的500hPa图上，08时处于正的散度区，Ni20时转处于正、负散度的过渡区域，反映高空的辐散 运动也减弱。可见，在大雾形成和维持阶段，出现了近地层辐合和高层辐散运动的减弱过程，从而造成上升运 动减弱，有利低层水汽不断的积聚，湿度不断增加，容易使垂直能见度在短时内变低，大雾骤起。 6 小结 (1)南支槽东移和人海高压后部是本次大雾形成的环流背景，在此背景下，偏南暖湿气流输送是大雾 形成和维持的关键因素。 (2)本地温度、湿度和风等气象要素的变化对海雾天气预报有良好的指示作用。 (3)深厚的逆温层、充足的水气、稳定的层结和弱的上升运动对大雾形成和维持起重要作用。 (4)谨防平流雾的 “回马枪”现象。平流雾瞬间的消散不代表整个大雾过程的终止，民航气象预报和 观测需慎重考虑特选报的取消与否。 (5)海雾的形成与沿海独特的地理位置关系密切 ，在沿海机场 的大雾判定中，有必要从大雾的种类区 分来具体分析，以便对飞行计划和航班保障做出正确的决策。 参考文献 [1]赵勇．1997年12)3 17～20日浓雾分析．I~t)l J气象．1999，67(1)：43—44． [2]李永祥，张魁忠，唐毅等．内蒙古 自治区昭乌达盟气象局、辽宁省锦州、阜新 、朝阳气象局合编 预报员手册．215—216． [3]王名才．大气科学常用公式．北京 ：气象 出版社 ，1994：70． (上接第18页) 致。2)3和3月，能量为多锋，但数量为单锋，4)3，能量基本上为单锋，而数量为多锋。8 月和9月。8月的能量锋值高于9月，而数量锋值低于9月。 (3)将闪电能量按每一千焦耳分为不同的等级，统计每一等级拥有的闪电数。不论正闪还是负闪，低 能量的闪电数都很密集。 (4)年均总数量的大值 区在空问分布上比较一致。一年 中，各个季节闪电能量的空间分布不同 ，2-4)3， 能量大的区域在内陆，5-6)3，能量大的区域比前期东移，值也增大，7～9月，能量大值区继续东移，数值增大 明显．戴云山的东侧是个很强的大值中心，沿海一带特别是中南部沿海及近海的能量明显大于内陆地区。