哈爾濱市地面電場特征分析

張 歡 于成龍 楊曉強

(黑龍江省氣象科學研究所，哈爾濱，150030)

雷電災害是“聯(lián)合國國際減災十年”公布的影響人類活動的嚴重災害之一，地球上每秒大約有2 000多個雷暴在發(fā)生，并伴隨著大量閃電，全球每年因雷電災害傷亡超過10 000人，經(jīng)濟損失數(shù)十億美元［1］。隨著全球氣候的變暖，極端天氣事件增多，閃電活動作為雷暴中的一個重要天氣現(xiàn)象，對氣候變化的影響及其響應問題越來越受到人們的關(guān)注［2-4］。

哈爾濱市位于亞歐大陸東部中高緯度，屬于中溫帶大陸性季風氣候，7月下旬至8月上旬夏季風達到鼎盛，是哈爾濱市降雨最集中的時期，也是雷電災害集中的時期［5-6］。由于地閃的區(qū)域性特征較強，針對某一特定地區(qū)的地閃特征分析顯得尤為重要［7］。為此，本研究在獲取2009年10月—2010年9月的哈爾濱市大氣電場儀及閃電定位儀觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計和地理分析的方法，分析哈爾濱市雷暴日的地面電場特征，不但是對2008年新布設在哈爾濱市的地面電場測量儀所觀測數(shù)據(jù)應用的一種嘗試，也可為提高該市雷電預警、預報的效率和準確程度提供科學的參考。

1 研究區(qū)概況

哈爾濱市位于東經(jīng) 125°42'～130°10'、北緯 44°04'～46°40'，地處中國東北北部地區(qū)，黑龍江省南部，是黑龍江省省會，轄8區(qū)10縣(市)。哈爾濱市屬中溫帶大陸性季風氣候，冬長夏短，年平均溫度3.6℃;全年平均降水量569.1 mm，降水主要集中在6—9月，夏季占全年降水量的60%。

哈爾濱市也是雷電的高發(fā)區(qū)，每年都有強雷暴天氣損毀通訊等設施的相關(guān)報道。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)獲取地點為黑龍江省氣象臺地面觀測站，位于東經(jīng) 126.62°，北緯 45.68°，海拔 172 m，觀測場四周空曠平坦，場地應平整，保持有均勻草層。閃電數(shù)據(jù)分別來自布設在氣象觀測場外的DNDY地面電場儀，和布設在氣象觀測場外內(nèi)的ADTD閃電定位儀。

3 結(jié)果與分析

3.1 地閃的時間分布特征

表1為2009年10月—2010年9月哈爾濱市每次閃擊產(chǎn)生的雷電流強度分類統(tǒng)計結(jié)果。由表1可見，哈市所有雷電流強度絕對值|I|≥1 kA。參照曾山泊等［8］對雷電流強度絕對值的分級方法，按1 kA≤|I|＜10 kA、10 kA≤|I|＜20 kA、20 kA≤|I|＜30 kA 和|I|≥30 kA 4個等級來研究該市雷電流分布特點。

表1 哈爾濱市不同雷電流強度等級下的地閃次數(shù)

分析可見，研究時段內(nèi)哈爾濱市以負地閃為主，占總地閃次數(shù)的91.74%。從雷電流強度上看，以雷電流強度|I|≥20 kA的地閃為主，占總地閃次數(shù)的 83.44%。

圖1a為按照月數(shù)據(jù)統(tǒng)計的研究區(qū)2009年10月—2010年9月不同等級雷電流強度的地閃次數(shù)，將同等級雷電流的地閃次數(shù)匯總來分析可見，除1 kA≤|I|＜10 kA的地閃次數(shù)無明顯變化，維持較低次數(shù)外，|I|≥10 kA閃擊次數(shù)月變化呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在7月份，占全年閃擊總次數(shù)的39.31%;6月和8月次之，分別占全年閃擊總數(shù)的33.06%和21.46%;其它月份閃電較少或無閃電發(fā)生。圖1b為按照小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計的研究區(qū)2009年10月—2010年9月不同等級雷電流強度的地閃次數(shù)，將同等級雷電流的地閃次數(shù)匯總來分析可見，1 kA≤|I|＜10 kA的地閃次數(shù)無明顯變化，維持較低次數(shù);10 kA≤|I|＜20 kA出現(xiàn)雙峰變化，在15：00出現(xiàn)一個高峰，在22：00出現(xiàn)一個次高峰;|I|≥20 kA呈現(xiàn)波動變化，6：00—7：00、12：00—16：00 和 22：00 分別出現(xiàn)高峰值，其中12：00—16：00出現(xiàn)的高峰值最大，且維持時間最長。

圖1 哈爾濱市不同雷電流強度的地閃次數(shù)

3.2 地閃的空間分布特征

圖2用漸進色描述了哈爾濱市1 a之中每平方公里范圍內(nèi)受到地閃次數(shù)的空間分布，可見，哈爾濱市北部受閃擊次數(shù)明顯高于南部，其中巴彥、木蘭、通河和依蘭均出現(xiàn)2次/km2以上遭受閃擊的地區(qū)，可見，相對其他地區(qū)而言，該地區(qū)遭受雷擊的概率最大，原因可能是當?shù)氐纳降氐匦斡欣诰值貜妼α魈鞖獾男纬桑瑥亩仔纬衫纂?哈爾濱市轄區(qū)和五常市只出現(xiàn)了0.5次/km2以下的閃擊。

圖3顯示了研究區(qū)平均每次閃擊的電流強度的絕對值的密度分布，可見，大約以北緯45.6°為界，哈爾濱北部地區(qū)的雷電流強度要明顯大于南部地區(qū)，與地閃次數(shù)密度分布(圖2)相對應，雷電流強度高的地區(qū)，地閃次數(shù)也相對較高，反之亦然。具體分析可見，雷電流強度絕對值在50 kA以上的地區(qū)，地閃次數(shù)的密度也在2次/km2以上;雷電流強度絕對值在30～40 kA之間的地區(qū)，地閃次數(shù)的密度也在1～2次/km2之間;雷電流強度絕對值在30 kA以下的地區(qū)，地閃次數(shù)的密度也在1次/km2以下。

圖2 哈爾濱市2009年10月—2010年9月地閃密度分布

3.3 典型閃電的地面電場特征

本文應用的DNDY型地面電場儀可對10 km范圍內(nèi)的發(fā)生的閃電進行探測，ADTD閃電定位系統(tǒng)的觀測范圍為300 km左右，為研究典型閃電的地面電場特征，利用ARCGIS軟件對數(shù)據(jù)進行篩選，獲取同時在大氣電場儀和閃電定位儀觀測范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)(如圖4)。根據(jù)第3.1節(jié)分析可知，7月為哈爾濱市閃電的高發(fā)期，因此，本文選取2010年7月11日1次完整的典型雷暴天氣過程的電場變化，研究哈爾濱市雷電的地面電場變化特征，電場記錄時間為16：59：00—19：43：59(圖5)。

圖3 哈爾濱市2009年10月—2010年9月地閃雷電流強度密度分布

圖4 大氣電場儀范圍內(nèi)的地閃分布

圖5 2010年7月11日典型雷暴天氣過程中的地面電場變化

圖中OEOS(end of storm oscillation)為雷暴結(jié)束時引起的電場值的慢速振蕩，PFEAW(field excursion associated with precipitation)為因短時降水而引起的電場值漂移。在這次雷暴天氣過程中，地面電場強度主要為正值，正、負最大值分別為29.53和-18.79 kV/m，各出現(xiàn)在17：26：45和17：49：50。在該次雷暴過程中，地面電場強度的第一極大值(5.64 kV/m)出現(xiàn)在 17：18：02，最后一個極大值(3.18 kV/m)出現(xiàn)在 19：17：04。

在整個雷暴過程中，雷暴云所控制的地面電場開始起電時為正電場，在閃電的作用下極性逐漸發(fā)生變化，發(fā)生電場值漂移多是由于雷暴天氣過程中快速下落的冰相或液相粒子所帶的電荷極性與影響地面電場的云中電荷區(qū)極性相反，這些粒子的降落使地面電場值發(fā)生了改變。而電場值的慢速震蕩一般情況下是由正到負，再由負到正，最后回到接近零的晴天電場值。由此可見，雖然哈爾濱市市轄區(qū)相對哈爾濱市北部地區(qū)的雷電發(fā)生次數(shù)偏少，但短時間雷暴也可能引起較大電場變化。

4 結(jié)論

利用安裝在黑龍江省氣象觀測站的閃電定位儀和地面電場儀的觀測數(shù)據(jù)，應用統(tǒng)計和地理分析的方法，對2009年10月—2010年9月哈爾濱市雷暴日的地面電場特征進行分析，結(jié)果表明：哈爾濱市的地閃以負地閃為主，占總地閃次數(shù)的91.74%，且多數(shù)地閃出現(xiàn)在7月份。全年地閃的雷電流強度絕對值均在1 kA以上，且以雷電流強度|I|≥20 kA的地閃為主，占總地閃次數(shù)的83.44%。

哈爾濱市北部受閃擊的次數(shù)明顯高于南部，與地閃次數(shù)密度分布相對應，雷電流強度高的地區(qū)，地閃次數(shù)也相對較高，反之亦然。

在一次典型的雷暴天氣過程中發(fā)現(xiàn)，哈爾濱市市轄區(qū)閃電在短時間內(nèi)可以引起較大的電場變化，正、負最大值分別為29.53和-18.79 kV/m。

［1］郄秀書.全球閃電活動與氣候變化［J］.干旱氣象，2003，21(3)：69-73.

［2］茍學強，張義軍，董萬勝，等.基于小波的地閃首次回擊輻射場的多重分形分析［J］.地球物理學報，2007，50(1)：101-105.

［3］張棉，王振會，肖穩(wěn)安.南京對流降水和閃電的TRMM資料分析［J］.氣象科學，2010，30(4)：468-474.

［4］Williams E R，Mushtak V C，Rosenfeld D，et al.Thermodynamic conditions favorable to superlative thunderstorm updraft，mixed phase microphysics and lightning flash rate［J］.Atmos Res，2005，76：288-306.

［5］鐘幼軍，曹鐵英，宮延平，等.黑龍江省雷電活動氣候特征分析［J］.自然災害學報，2007，16(5)：79-83.

［6］袁湘玲，紀華，程琳.基于層次分析模型的黑龍江省雷電災害風險區(qū)劃［J］.暴雨災害，2010，29(3)：279-283.

［7］周筠珺，張健龍，孫凌.京、津、冀地區(qū)地閃特征的統(tǒng)計分析［J］.災害學，2009(1)：101-105.

［8］曾山泊，肖穩(wěn)安，李霞.蘇州地區(qū)雷暴活動規(guī)律和雷災分析［J］.氣象科學，2006，26(5)：517-524.