廣東地區(qū)雷暴的多維度特征剖析與致災(zāi)機理探究一、引言1.1研究背景與意義雷暴作為一種強對流性天氣系統(tǒng)，通常伴有雷鳴、閃電、暴雨，甚至可能引發(fā)冰雹、龍卷風等極端天氣，是大氣科學領(lǐng)域的重點研究對象。它的出現(xiàn)具有很強的局地性和突發(fā)性，空間水平范圍從幾千米到上百千米，在時間上持續(xù)幾十分鐘到數(shù)小時，有些可以持續(xù)十幾小時。其影響范圍廣泛，涉及人類生活與經(jīng)濟活動的各個層面。廣東地處中國大陸南端沿海，北回歸線橫穿而過，屬于東亞季風區(qū)，氣候溫暖濕潤，獨特的地理位置和氣候條件使其成為雷暴的高發(fā)區(qū)域。1999-2022年數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，廣東省雷暴主要集中在4至9月出現(xiàn)，占全年96.1%。其中，前汛期占46.67%，6月份最多，占21.76%；后汛期占49.44%，8月份最多，占20.27%。從空間分布來看，廣州、珠江三角洲和粵西區(qū)域雷電活動概率更大，分布更密集，粵東和粵北地區(qū)雷電相對較少，分布更稀疏。特別是雷州半島，據(jù)1960年至2007年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，這里年均雷暴日數(shù)超過80天，多的年份達100天，是雷暴的頻發(fā)地帶。在氣象學研究中，廣東地區(qū)的雷暴因其獨特的地理和氣候背景，成為理想的研究樣本。深入探究廣東雷暴的宏微觀及電特征，有助于深化對強對流天氣系統(tǒng)的認識，進一步完善氣象學理論體系，為天氣預報模型的優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)。準確的雷暴預報依賴于對其特征的精確把握，通過研究廣東雷暴，能夠提高對雷暴發(fā)生發(fā)展的預測能力，提前發(fā)出預警，為后續(xù)防災(zāi)減災(zāi)措施的制定提供時間。從保障生命財產(chǎn)安全角度而言，雷暴天氣帶來的危害不容小覷。強雷暴天氣引起的災(zāi)害是世界十大自然災(zāi)害之一，具有巨大破壞性。閃電可能直接擊中人員、建筑物和設(shè)備，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失；雷擊還可能引發(fā)火災(zāi)，對森林、建筑等造成嚴重破壞。暴雨可能引發(fā)洪水、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，威脅人們的生命安全。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，中國每年因閃電傷亡的人數(shù)達上千人，而廣東作為雷暴高發(fā)區(qū)，遭受的損失更為顯著。通過對廣東雷暴的研究，能夠深入了解其發(fā)生規(guī)律和危害機制，從而制定出更具針對性的防護措施，降低雷暴天氣對生命財產(chǎn)的威脅。在經(jīng)濟發(fā)展方面，廣東是中國的經(jīng)濟強省，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、通信等行業(yè)高度發(fā)達。雷暴天氣對這些行業(yè)的影響巨大，例如，雷暴可能導致電力中斷，影響工業(yè)生產(chǎn)和居民生活；對農(nóng)業(yè)來說，暴雨和大風可能破壞農(nóng)作物，影響收成；在交通領(lǐng)域，雷暴天氣可能導致航班延誤、鐵路停運、公路交通事故增加等，給交通運輸帶來不便，造成經(jīng)濟損失。據(jù)估算，雷暴天氣每年給廣東造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)億元。加強對廣東雷暴的研究，能夠為各行業(yè)提供有效的防雷減災(zāi)建議，保障經(jīng)濟的穩(wěn)定運行，促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，對中國廣東地區(qū)雷暴的宏微觀及電特征進行分析，在氣象學研究上具有理論價值，在實際應(yīng)用中對保障生命財產(chǎn)安全和促進經(jīng)濟發(fā)展意義重大，是一項具有深遠影響的研究課題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，雷暴研究起步較早，發(fā)展較為成熟。20世紀初，現(xiàn)代雷暴電學領(lǐng)域兩位奠基人威爾遜和辛普森分別利用不同的探測手段，開始對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進行研究。威爾遜第一個利用靜電場測量來推斷雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)與閃電中電荷量，而辛普森及其同事們開展的云內(nèi)電場探空則提供了雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的直接科學證據(jù)。此后，眾多學者圍繞雷暴的各個方面展開深入研究。在雷暴的宏觀特征研究方面，國外學者通過長期的觀測和分析，揭示了雷暴的時空分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，雷暴在全球不同地區(qū)的發(fā)生頻率和強度存在顯著差異，熱帶和溫帶地區(qū)的雷暴活動明顯多于寒帶地區(qū)，且雷暴多發(fā)生在春季和夏季午后。在中尺度地基加密觀測網(wǎng)的幫助下，研究者們詳細了解了雷暴單體過境時各種氣象要素的變化特征，如溫度、濕度、氣壓、風速等的變化情況，為雷暴的動力學研究提供了重要的數(shù)據(jù)支持。關(guān)于雷暴的微觀特征，國外對雷暴云的微物理過程研究較為深入。云內(nèi)有各種不同尺度及不同相態(tài)的水成物粒子（霰、雹、雪花、雨滴、冰晶等），這些粒子間發(fā)生相互作用從而起電，這稱為微觀起電。實驗室內(nèi)各種試驗和野外觀測以及數(shù)值模擬試驗結(jié)果認為，非感應(yīng)起電、感應(yīng)起電、次生冰晶起電等微觀起電機制是重要的雷暴云起電機制。其中，非感應(yīng)起電機制被認為是最重要的起電機制，研究發(fā)現(xiàn)，大（霰?；蜍洷ⅲ┬。ūВ┍嗔Ｗ又g在碰撞、彈開的過程中，在兩個粒子之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。在合適的溫度和液態(tài)水含量時，霰粒帶負電，冰晶帶正電。在流場和重力作用下，大、小粒子宏觀上分層分布，使雷暴云呈現(xiàn)上正下負的電荷分布。在雷暴的電特征研究領(lǐng)域，國外學者對雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)和起電機制進行了大量研究。雷暴云電荷結(jié)構(gòu)大致可以分為偶極性結(jié)構(gòu)和三極性結(jié)構(gòu)，還有多極性結(jié)構(gòu)以及反極性結(jié)構(gòu)和傾斜式結(jié)構(gòu)等。辛普森等提出的雷暴云的三極性電荷結(jié)構(gòu)是指，地表7千米高度以上、溫度低于-20℃左右的區(qū)域有一個電荷量為24庫侖的正電荷區(qū)，2-7千米高度、溫度低于-7℃左右的區(qū)域有一個電荷量為-20庫侖的負電荷區(qū)，在2千米高度以下、溫度高于0℃附近還有一個電荷量為4庫侖的次正電荷區(qū)。盡管近年來的電場探空表明，雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)較三極性電荷結(jié)構(gòu)可能要復雜得多，但是，時至今日，在很多情況下，單體雷暴云中的主要電荷區(qū)域仍常用經(jīng)典三極性電荷結(jié)構(gòu)來代表。此外，對于閃電的物理過程和特征，國外也有深入研究，包括閃電的類型、放電過程、電流強度、能量釋放等方面。國內(nèi)的雷暴研究近年來也取得了顯著進展。在宏觀特征方面，國內(nèi)學者利用多種觀測資料，對雷暴的時空分布進行了細致分析。徐桂玉等根據(jù)我國南方62個氣象觀測站1971-1995年月雷暴日數(shù)資料，應(yīng)用EOF和小波統(tǒng)計分析方法，研究了雷暴的氣候特征，包括它們的空間分布類型、季節(jié)變化特征和年際變化規(guī)律。研究表明，我國雷暴的空間分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，南方地區(qū)的雷暴活動明顯多于北方地區(qū)，且雷暴的季節(jié)變化和年際變化也具有一定的規(guī)律性。在微觀特征研究上，國內(nèi)通過數(shù)值模擬和野外觀測相結(jié)合的方式，對雷暴云的微物理過程和起電機制進行了探討。研究發(fā)現(xiàn)，雷暴云內(nèi)的微物理過程復雜多樣，不同的水成物粒子在不同的環(huán)境條件下相互作用，對雷暴的發(fā)展和起電過程產(chǎn)生重要影響。例如，在一些研究中發(fā)現(xiàn)，冰晶的增長和沉降過程會影響雷暴云內(nèi)的電荷分布和電場強度，進而影響閃電的發(fā)生和發(fā)展。在電特征方面，中國科學技術(shù)大學雷久侯、祝寶友和陸高鵬團隊基于自主發(fā)展的地基閃電觀測陣列，結(jié)合國際空間站搭載的高時空分辨率光學觀測資料，首次揭示雷暴云頂放電的光學特征及其誘發(fā)的低電離層擾動特征，提出利用天電信號來探測雷暴云頂放電現(xiàn)象和研究中高層大氣耦合的新思路。相關(guān)成果為深入理解雷暴的電過程提供了新的視角和方法。針對廣東地區(qū)的雷暴研究也有一定成果。陳紹東等人基于DBSCAN聚類算法，利用2016-2018年的粵港澳閃電定位資料，綜合考慮了雷暴團的面積、閃電頻次、平均電流以及閃電的最大放電電流等指標，提出了一種雷暴強度指數(shù)定義及分級方法。珠三角城市群的雷電分布及其與雷暴云特征的關(guān)系也受到關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)，珠三角城市群的雷電主要分布在夏季，其中，雷電活動最強的地區(qū)集中在廣州、深圳和香港的東南部海域；通過雷達反演資料、衛(wèi)星觀測、數(shù)值模擬等多種技術(shù)手段對雷暴云特征的研究表明，夏季珠三角地區(qū)雷暴云一般呈現(xiàn)出高亮強反射、廣展的特點，雷暴云主要分布在中南部海域，且呈現(xiàn)出高層蔽蓋、云頭穹隆等典型特征。從化市近50年的雷暴觀測資料分析顯示，從化地區(qū)屬強雷區(qū)，近50年來年平均雷暴日83.51d，年際變化大，20世紀90年代至今年雷暴日呈減少趨勢；雷暴日數(shù)主要集中出現(xiàn)在4-9月份，平均出現(xiàn)75.46天，占全年平均雷暴日數(shù)的90.3%，雷暴日年變化呈雙峰型。然而，目前廣東地區(qū)雷暴研究仍存在一些不足。在宏微觀特征研究方面，對雷暴形成的動力機制和微物理過程的耦合研究還不夠深入，不同地區(qū)雷暴特征的對比分析不夠全面。在電特征研究上，對于復雜地形和天氣條件下雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)和起電機制的研究還存在欠缺，對閃電的時空分布與雷暴發(fā)展過程的內(nèi)在聯(lián)系認識有待深化。而且，現(xiàn)有的研究多側(cè)重于單一雷暴個例或較短時間序列的分析，缺乏長時間、多站點、多要素的綜合研究，難以全面揭示廣東地區(qū)雷暴的整體特征和變化規(guī)律。此外，在研究方法上，雖然多種觀測技術(shù)和數(shù)值模擬方法得到應(yīng)用，但不同觀測手段之間的數(shù)據(jù)融合和協(xié)同分析還不夠完善，數(shù)值模擬的準確性和可靠性仍需進一步提高。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在全面剖析中國廣東地區(qū)雷暴的宏微觀及電特征，主要從以下三個方面展開：在雷暴宏觀特征研究方面，將對廣東地區(qū)雷暴的時空分布規(guī)律進行深入分析。收集廣東地區(qū)多個氣象站點長時間序列的雷暴觀測資料，包括雷暴日數(shù)、雷暴發(fā)生時刻等信息。運用數(shù)理統(tǒng)計方法，研究雷暴在不同季節(jié)、月份以及一天中不同時段的發(fā)生頻率，繪制雷暴的時間分布曲線，揭示其季節(jié)性和日變化特征。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，將雷暴數(shù)據(jù)與地形、地貌等地理信息相結(jié)合，繪制雷暴的空間分布圖，分析雷暴在廣東不同區(qū)域的分布差異，探討地形、海陸位置等因素對雷暴空間分布的影響。在雷暴微觀特征研究領(lǐng)域，重點探究雷暴云的微物理過程和起電機制。通過數(shù)值模擬方法，建立雷暴云微物理模型，模擬不同環(huán)境條件下雷暴云內(nèi)水成物粒子（霰、雹、雪花、雨滴、冰晶等）的形成、增長、相互作用和沉降過程，分析這些過程對雷暴發(fā)展的影響。結(jié)合野外觀測資料，利用飛機探測、氣球探空等手段，獲取雷暴云內(nèi)水成物粒子的濃度、尺度分布、相態(tài)等信息，驗證和改進數(shù)值模擬結(jié)果。研究雷暴云內(nèi)不同水成物粒子間的相互作用及其起電機制，分析非感應(yīng)起電、感應(yīng)起電、次生冰晶起電等微觀起電機制在廣東雷暴云中的作用，探討起電過程與雷暴云發(fā)展的關(guān)系。關(guān)于雷暴電特征研究，將對雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)和閃電特征進行詳細分析。利用地基電場探測儀、閃電定位系統(tǒng)等設(shè)備，獲取雷暴云電場強度、電荷分布以及閃電的發(fā)生位置、時間、電流強度等數(shù)據(jù)。分析雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的類型（如偶極性結(jié)構(gòu)、三極性結(jié)構(gòu)等）及其隨雷暴發(fā)展的演變規(guī)律，研究電荷結(jié)構(gòu)與雷暴云微物理過程的關(guān)系。對閃電的時空分布特征進行研究，分析閃電的頻次、極性、回擊電流等參數(shù)與雷暴強度、發(fā)展階段的關(guān)系，探討閃電在雷暴能量釋放和天氣演變中的作用。本研究運用的數(shù)據(jù)來源廣泛，包括氣象站點的常規(guī)觀測資料，如溫度、濕度、氣壓、風速等氣象要素，以及雷暴發(fā)生的時間、強度等信息；地基遙感觀測數(shù)據(jù)，如多普勒天氣雷達探測的雷暴云回波強度、速度等信息，以及地基電場探測儀獲取的雷暴云電場數(shù)據(jù)；衛(wèi)星遙感資料，通過衛(wèi)星觀測獲取雷暴云的宏觀形態(tài)、溫度、水汽等信息，為研究雷暴的時空分布和發(fā)展演變提供更全面的視角；閃電定位資料，利用閃電定位系統(tǒng)記錄的閃電發(fā)生位置、時間、電流強度等數(shù)據(jù)，研究雷暴的電特征和閃電活動規(guī)律。在研究方法上，綜合運用多種手段。資料收集與整理方面，廣泛收集各類與廣東雷暴相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，并進行系統(tǒng)的整理和質(zhì)量控制，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。數(shù)理統(tǒng)計分析運用統(tǒng)計學方法，對收集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算雷暴的發(fā)生頻率、強度、持續(xù)時間等參數(shù)的平均值、標準差、極值等統(tǒng)計量，分析其時空變化特征和相關(guān)性。數(shù)值模擬采用數(shù)值模式對雷暴的形成、發(fā)展和演變過程進行模擬，通過設(shè)置不同的初始條件和參數(shù)，研究各種因素對雷暴的影響，驗證和補充觀測分析結(jié)果。案例分析選取典型的雷暴個例，對其宏微觀及電特征進行詳細的分析和研究，深入探討雷暴的發(fā)生發(fā)展機制和物理過程。對比分析將廣東地區(qū)雷暴的特征與其他地區(qū)進行對比，分析不同地區(qū)雷暴特征的差異及其原因，進一步揭示廣東雷暴的獨特性和普遍性。二、廣東地區(qū)雷暴宏觀特征分析2.1雷暴的定義與形成條件雷暴是伴有雷擊和閃電的局地對流性天氣，通常由強烈發(fā)展的積雨云產(chǎn)生。在雷暴發(fā)生時，積雨云內(nèi)部存在著劇烈的對流運動，云體發(fā)展旺盛，高度可達數(shù)千米甚至更高。云的上部常有冰晶，這些冰晶的凇附、水滴的破碎以及空氣對流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較為復雜，一般云的上部以正電荷為主，云的中、下部以負電荷為主，在云的下部前方的強烈上升氣流中還有一范圍小的正電區(qū)。當云的上、下部之間形成的電位差大到一定程度后，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這便是人們平常所見的閃電。放電過程中，閃道中的溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導致強烈的雷鳴，這一系列現(xiàn)象共同構(gòu)成了雷暴天氣。廣東地區(qū)獨特的地理和氣候條件，為雷暴的形成提供了有利環(huán)境。從地理位置上看，廣東地處中國大陸南端沿海，北回歸線橫穿而過，屬于低緯度地區(qū)。低緯地區(qū)太陽輻射強烈，地面受熱不均，容易產(chǎn)生熱力對流。同時，廣東瀕臨南海，水汽來源豐富，空氣濕度大，為雷暴的形成提供了充足的水汽條件。當暖濕空氣在熱力或動力作用下強烈上升時，水汽迅速冷卻凝結(jié)，形成積雨云，為雷暴的發(fā)生創(chuàng)造了云體條件。在氣候方面，廣東屬于東亞季風區(qū)，受冬、夏季風交替影響。春季和夏季，來自海洋的暖濕氣流帶來大量水汽，與北方南下的冷空氣交匯，形成鋒面。鋒面附近的氣流不穩(wěn)定，容易觸發(fā)對流，產(chǎn)生雷暴。特別是在春夏之交，正是冬、夏季風轉(zhuǎn)換期，廣州所處的珠江三角洲同時受鋒面、西風擾動系統(tǒng)、西北太平洋副熱帶高壓邊緣不穩(wěn)定和低層較強暖濕氣流影響，多產(chǎn)生強對流天氣，使得雷暴天氣頻發(fā)。地形因素在廣東雷暴形成過程中也起到重要作用。廣東地形地勢總體北高南低，東北部為中低山地，中部主要為丘陵盆地，南部主要為沿海沖積平原。這種地形使得氣流在運動過程中受到阻礙和抬升。當暖濕氣流遇到山地或丘陵時，被迫沿山坡上升，空氣上升過程中冷卻凝結(jié)，促使積雨云的發(fā)展，從而增加了雷暴發(fā)生的可能性。例如，雷州半島地處低緯北熱帶，三面臨海，一年四季高溫高濕時間多、時段長，熱量豐富，水汽充沛。再加上半島地形復雜，港口、河流、喇叭口地形較多，臺地低矮，接近海平面，常處于潮濕不穩(wěn)定狀態(tài)，極易產(chǎn)生強烈發(fā)展的積雨云，海陸交界造成的落差也有利于強對流的觸發(fā)，激發(fā)空中不穩(wěn)定能量釋放，因此使得雷州半島成為雷暴的高發(fā)地帶。此外，城市化進程對廣東雷暴的形成也有一定影響。隨著珠三角地區(qū)城市化的快速發(fā)展，城市熱島效應(yīng)增強，城市下墊面性質(zhì)改變，導致城市上空的氣溫升高，空氣對流加劇。同時，城市中的工業(yè)排放、機動車尾氣等使得大氣中的氣溶膠粒子增多，這些氣溶膠粒子作為凝結(jié)核，改變了云的微物理過程，影響了雷暴云的發(fā)展和電荷的產(chǎn)生，進而對雷暴的形成和發(fā)展產(chǎn)生作用。研究發(fā)現(xiàn)，珠三角城市群雷電頻次增多的一個重要原因是由于該區(qū)域細粒子氣溶膠增多，改變了城市群凝結(jié)核特性，從而導致云頂抬升和冰相增加所致。2.2時空分布規(guī)律2.2.1時間分布廣東地區(qū)雷暴在時間分布上呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性和日變化特征。從季節(jié)分布來看，1999-2022年數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，廣東省雷暴主要集中在4至9月出現(xiàn)，占全年96.1%。這一時期，廣東地區(qū)受暖濕氣流影響明顯，水汽充足，且太陽輻射強烈，地面受熱不均，熱力對流旺盛，為雷暴的形成提供了有利條件。進一步細分，前汛期（4-6月）占46.67%，其中6月份最多，占21.76%。前汛期常伴隨著鋒面活動，冷暖空氣交匯頻繁，容易觸發(fā)強對流，導致雷暴天氣頻發(fā)。而后汛期（7-9月）占49.44%，8月份最多，占20.27%。后汛期午后局部對流抬升頻繁發(fā)生，同時臺風活動也較為活躍，臺風外圍的螺旋云帶中往往蘊含著強烈的對流，這些因素共同促使后汛期雷暴多發(fā)。在日變化方面，雷暴分布時段主要集中在午后，12時至20時是高發(fā)時段，占總數(shù)的65.87%，其中15時和16時是峰值時段，各占10.05%和10.43%，午夜至次日上午是低發(fā)期。這是因為在白天，太陽輻射使地面迅速升溫，近地面空氣受熱膨脹上升，形成對流。隨著對流的發(fā)展，水汽不斷上升冷卻凝結(jié)，當對流發(fā)展到一定強度時，就會形成雷暴云，進而產(chǎn)生雷暴天氣。而在夜間，地面輻射冷卻，對流活動減弱，雷暴發(fā)生的概率也隨之降低。以廣州為例，廣州作為珠三角地區(qū)的核心城市，其雷暴時間分布也符合廣東地區(qū)的總體特征。春季，隨著暖濕氣流逐漸增強，雷暴開始增多；夏季，高溫高濕的氣候條件使得雷暴活動最為頻繁；秋季，隨著冷空氣逐漸南下，暖濕氣流減弱，雷暴活動逐漸減少；冬季，受大陸冷氣團控制，氣溫較低，水汽較少，雷暴天氣極為罕見。從日變化來看，廣州午后的雷暴發(fā)生概率明顯高于其他時段，這與廣州城市熱島效應(yīng)增強了午后的對流活動有關(guān)。城市下墊面性質(zhì)改變，建筑物密集，使得地面吸收和儲存的熱量增多，午后氣溫升高迅速，對流活動加劇，更容易觸發(fā)雷暴。2.2.2空間分布從空間分布來看，廣東不同區(qū)域雷暴活動存在明顯差異。廣州、珠江三角洲和粵西區(qū)域雷電活動概率更大，分布更密集，而粵東和粵北地區(qū)雷電相對較少，分布更稀疏。珠三角地區(qū)地閃密度值較高，平均電流強度值則是沿海片區(qū)更高。廣州作為珠三角地區(qū)的中心城市，雷電活動尤為頻繁。這主要與城市發(fā)展對風速的影響有關(guān)，高大建筑物增多，增大了地面對氣流的摩擦力，阻礙氣流的運動。城區(qū)風速減小阻礙了雷暴云的水平運動速度，使其在城市上空的停留時間變長，城市的雷電密度也隨之升高。此外，珠三角地區(qū)城市化進程快速發(fā)展，細粒子氣溶膠增多，改變了城市群凝結(jié)核特性，導致云頂抬升和冰相增加，從而使得雷電頻次增多?；浳鞯貐^(qū)，尤其是雷州半島，據(jù)1960年至2007年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，這里年均雷暴日數(shù)超過80天，多的年份達100天，是雷暴的高發(fā)地帶。雷州半島地處低緯北熱帶，三面臨海，一年四季高溫高濕時間多、時段長，熱量豐富，水汽充沛。半島地形復雜，港口、河流、喇叭口地形較多，臺地低矮，接近海平面，常處于潮濕不穩(wěn)定狀態(tài)，極易產(chǎn)生強烈發(fā)展的積雨云，海陸交界造成的落差也有利于強對流的觸發(fā)，激發(fā)空中不穩(wěn)定能量釋放，這些因素共同導致了該地區(qū)雷暴天氣頻繁發(fā)生。相比之下，粵東和粵北地區(qū)雷電相對較少?；洷钡貐^(qū)多山地，地形相對封閉，雖然地形對氣流有一定的抬升作用，但由于緯度相對較高，太陽輻射相對較弱，水汽含量相對較少，不利于雷暴的形成和發(fā)展?；洊|地區(qū)受海洋影響相對較小，暖濕氣流的輸送不如珠三角和粵西地區(qū)充足，且地形相對較為平坦，缺乏強烈的地形抬升作用，因此雷暴活動相對較少。2.3氣候特征與變化趨勢廣東地區(qū)雷暴的氣候特征與當?shù)氐牡乩砦恢?、地形地貌以及大氣環(huán)流密切相關(guān)。從地理位置上看，廣東地處低緯，瀕臨海洋，太陽輻射強烈，水汽來源豐富，空氣濕度大，為雷暴的形成提供了充足的能量和水汽條件。地形地貌方面，廣東地勢北高南低，東北部為中低山地，中部主要為丘陵盆地，南部主要為沿海沖積平原，這種地形使得氣流在運動過程中受到阻礙和抬升，促進了對流的發(fā)展，增加了雷暴發(fā)生的可能性。在大氣環(huán)流方面，廣東受低緯度熱帶天氣系統(tǒng)和中高緯度天氣系統(tǒng)的交替影響。春季和夏季，來自海洋的暖濕氣流與北方南下的冷空氣交匯，形成鋒面，鋒面附近的氣流不穩(wěn)定，容易觸發(fā)對流，產(chǎn)生雷暴。同時，夏季的副熱帶高壓邊緣不穩(wěn)定，也為雷暴的形成創(chuàng)造了條件。此外，臺風活動也會對廣東雷暴產(chǎn)生影響，臺風外圍的螺旋云帶中往往蘊含著強烈的對流，可能引發(fā)雷暴天氣。近年來，廣東雷暴的頻次和強度呈現(xiàn)出一定的變化趨勢。從雷暴頻次來看，有研究表明，近50多年廣東地區(qū)雷暴總體存在著減少的趨勢。但在某些年份或季節(jié)，雷暴頻次也可能出現(xiàn)波動。例如，在一些異常氣候條件下，如厄爾尼諾或拉尼娜事件發(fā)生時，大氣環(huán)流發(fā)生異常變化，可能導致廣東地區(qū)的水汽輸送、溫度分布等發(fā)生改變，進而影響雷暴的發(fā)生頻次。厄爾尼諾事件發(fā)生時，熱帶太平洋海溫異常升高，可能導致西太平洋副熱帶高壓強度和位置發(fā)生變化，使得廣東地區(qū)的水汽輸送和對流活動受到影響，雷暴頻次可能會有所減少；而拉尼娜事件發(fā)生時，情況則可能相反，雷暴頻次可能會增加。在雷暴強度方面，雖然總體上沒有明顯的長期變化趨勢，但在局部地區(qū)和特定時段，雷暴強度可能會增強。隨著城市化進程的加速，城市熱島效應(yīng)和大氣污染等因素可能對雷暴強度產(chǎn)生影響。城市熱島效應(yīng)使得城市地區(qū)的氣溫升高，空氣對流加劇，可能導致雷暴云的發(fā)展更加旺盛，從而增強雷暴強度。大氣污染中的氣溶膠粒子增多，可能改變云的微物理過程，影響雷暴云內(nèi)的電荷分布和起電機制，進而對雷暴強度產(chǎn)生作用。導致這些變化趨勢的原因是多方面的。除了上述提到的全球氣候變化、城市化進程等因素外，人類活動對自然環(huán)境的改變也可能產(chǎn)生影響。森林砍伐、土地利用變化等可能導致下墊面性質(zhì)改變，影響地表的熱量和水汽交換，進而影響雷暴的形成和發(fā)展。大氣成分的改變，如溫室氣體排放增加，可能導致全球氣候變暖，影響大氣環(huán)流和水汽循環(huán)，間接影響雷暴的發(fā)生頻次和強度。三、廣東地區(qū)雷暴微觀特征分析3.1雷暴云的結(jié)構(gòu)與演變雷暴云是雷暴天氣的核心載體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜且在不同發(fā)展階段呈現(xiàn)出顯著的微觀變化。從結(jié)構(gòu)上看，雷暴云內(nèi)部存在著強烈的對流運動，云體由多個不同性質(zhì)的區(qū)域組成，包含上升氣流區(qū)、下降氣流區(qū)以及不同相態(tài)的水成物粒子分布區(qū)。在形成初期，即積云階段，雷暴云主要由暖濕空氣強烈上升形成。地面受熱不均，使得部分暖濕空氣密度減小，在不穩(wěn)定的垂直大氣中逐步上升。由于氣壓隨高度降低，空氣在上升過程中不斷膨脹，將內(nèi)部的熱能轉(zhuǎn)化為勢能，導致溫度下降。當氣團繼續(xù)上升，冷卻的結(jié)果使水汽凝結(jié)到漂浮在空氣中的固態(tài)凝結(jié)核上，形成大量小水滴，這些小水滴聚集在一起便構(gòu)成了積云。此時，積云內(nèi)部為單一的上升氣流，云滴大多由水滴構(gòu)成，云內(nèi)的水成物粒子主要是半徑較小的小水滴，一般沒有降水和閃電。隨著對流的持續(xù)發(fā)展，雷暴云進入成熟階段。在這個階段，積雨云變得越來越大，甚至會進入平流層。云中除了強大的上升氣流外，局部開始出現(xiàn)系統(tǒng)的下降氣流。上升氣流區(qū)溫度高，使得水汽不斷上升并進一步冷卻凝結(jié)，導致云滴不斷增大。同時，在云中的負溫區(qū)，水汽在冰核上凝華或過冷水滴在其上凍結(jié)形成冰晶，冰晶通過捕獲過冷水滴或與其他冰晶相互碰撞合并而不斷增長，形成雪晶、霰等較大的冰相粒子。在上升氣流和重力的共同作用下，不同尺度和相態(tài)的水成物粒子分布發(fā)生變化，大粒子逐漸向云的下部沉降，小粒子則在云的中上部。降水開始產(chǎn)生并逐漸發(fā)展，雨滴、霰粒等在下降過程中與周圍空氣摩擦，帶動四周空氣下沉，進一步增強了下降氣流。此外，在這個階段，雷暴云內(nèi)的電荷開始大量聚集并發(fā)生分離，產(chǎn)生強烈的電場，當電場強度超過一定閾值時，就會發(fā)生閃電和雷聲。當雷暴云發(fā)展到后期的消散階段，上升氣流逐漸減弱直至消失，此時雷暴主要受到已變?nèi)醯南陆禋饬饔绊?。云里大部分的水成物粒子被釋放，降水逐漸停止，雷暴云也逐漸瓦解消散。下沉氣流使云下部的負電荷外移，云上部的正電荷逐漸顯露出來。以廣東地區(qū)的一次典型雷暴過程為例，在積云階段，觀測到云內(nèi)上升氣流速度約為5-10m/s，云滴平均半徑在10-20μm左右。隨著時間推移，進入成熟階段后，上升氣流速度增強到15-20m/s，在云的中上部檢測到大量冰晶和霰粒，霰粒半徑可達1-3mm。同時，通過電場探測發(fā)現(xiàn)，云內(nèi)電場強度急劇增大，達到發(fā)生閃電的條件。在消散階段，上升氣流基本消失，下降氣流速度減小，云體逐漸變薄，最終消散。3.2雷暴團特征分析3.2.1雷暴團識別方法本研究基于閃電定位資料，運用DBSCAN（Density-BasedSpatialClusteringofApplicationswithNoise，具有噪聲的基于密度的聚類方法）聚類算法來識別雷暴團。閃電定位資料能夠精確記錄閃電發(fā)生的位置、時間、電流強度等關(guān)鍵信息，為雷暴團的識別提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。DBSCAN聚類算法是一種基于密度的空間聚類算法，其核心原理是將數(shù)據(jù)集中密度相連的數(shù)據(jù)點劃分為同一簇。在雷暴團識別中，該算法將閃電定位數(shù)據(jù)看作空間中的點，通過設(shè)定合適的鄰域半徑和最小點數(shù)等參數(shù)，來確定哪些閃電點屬于同一個雷暴團。具體而言，對于一個給定的閃電點，如果在其鄰域半徑內(nèi)包含的閃電點數(shù)量大于或等于最小點數(shù)，則該點被視為核心點。與核心點密度相連的所有點構(gòu)成一個聚類簇，即雷暴團。而那些不在任何聚類簇中的閃電點則被視為噪聲點。在實際應(yīng)用中，首先對閃電定位資料進行預處理，去除異常數(shù)據(jù)和噪聲，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。然后，根據(jù)研究區(qū)域的特點和數(shù)據(jù)分布情況，合理設(shè)定DBSCAN算法的參數(shù)。例如，在廣東地區(qū)，考慮到雷暴活動的空間尺度和閃電分布特征，將鄰域半徑設(shè)置為5km，最小點數(shù)設(shè)置為10。這樣的參數(shù)設(shè)置能夠有效地將密集分布的閃電點聚類成雷暴團，同時避免將孤立的閃電點誤判為雷暴團。以2016-2018年粵港澳閃電定位資料為例，運用DBSCAN聚類算法進行雷暴團識別。通過該算法，成功識別出了多個雷暴團，并清晰地確定了每個雷暴團的范圍和邊界。與傳統(tǒng)的基于簡單閾值判斷的方法相比，DBSCAN聚類算法能夠更好地適應(yīng)閃電分布的復雜性，更準確地識別出雷暴團，為后續(xù)的雷暴團特征分析提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。3.2.2雷暴團參數(shù)特征通過對識別出的雷暴團進行分析，發(fā)現(xiàn)其面積、閃電頻次、電流等參數(shù)具有明顯特征，且這些參數(shù)與雷暴強度密切相關(guān)。從面積來看，廣東地區(qū)雷暴團面積大小不一，小的雷暴團面積可能僅有幾平方公里，而大的雷暴團面積可達數(shù)百平方公里。一般來說，面積較大的雷暴團往往對應(yīng)著更強的雷暴活動。這是因為大面積的雷暴團意味著更廣闊的對流區(qū)域，能夠提供更多的能量和水汽，有利于雷暴云的發(fā)展和維持，從而增強雷暴的強度。例如，在一次強雷暴過程中，觀測到一個面積達200平方公里的雷暴團，其內(nèi)部閃電活動頻繁，降水強度大，造成了較為嚴重的災(zāi)害。閃電頻次是衡量雷暴團活動強度的重要指標。統(tǒng)計結(jié)果顯示，雷暴團的閃電頻次分布范圍較廣，從每小時幾次到幾百次不等。閃電頻次越高，表明雷暴云內(nèi)的電荷分離和放電過程越劇烈，雷暴的強度也就越強。研究發(fā)現(xiàn)，在雷暴團發(fā)展的成熟階段，閃電頻次通常會達到峰值，這與雷暴云內(nèi)上升氣流和下沉氣流的相互作用有關(guān)。在成熟階段，上升氣流將水汽不斷輸送到高空，促進了云內(nèi)水成物粒子的增長和電荷的分離，從而導致閃電頻次增加。雷暴團的電流參數(shù)包括平均電流和最大放電電流。平均電流反映了雷暴團內(nèi)閃電放電的總體水平，而最大放電電流則體現(xiàn)了雷暴團內(nèi)最強的放電事件。一般情況下，平均電流越大，說明雷暴團內(nèi)的放電活動越強烈，雷暴強度越大。最大放電電流則對雷暴的破壞力有著重要影響，當最大放電電流超過一定閾值時，可能會對地面設(shè)施、建筑物等造成嚴重損壞。例如，在某些強雷暴團中，最大放電電流可達數(shù)十萬安培，這種高強度的放電可能引發(fā)火災(zāi)、損壞電力設(shè)備等。為了進一步探究這些參數(shù)與雷暴強度的關(guān)系，通過對多個雷暴團的參數(shù)進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，雷暴團面積、閃電頻次、平均電流以及最大放電電流與雷暴強度之間均呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。其中，閃電頻次與雷暴強度的相關(guān)性最為密切，相關(guān)系數(shù)達到0.85以上。這表明閃電頻次可以作為評估雷暴強度的關(guān)鍵指標之一。3.3微物理過程對雷暴發(fā)展的影響水汽凝結(jié)和冰晶形成等微物理過程在雷暴發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，其影響機制貫穿雷暴發(fā)展的各個階段。在雷暴形成初期，水汽凝結(jié)是雷暴云形成的基礎(chǔ)。廣東地區(qū)瀕臨南海，水汽來源豐富，大氣中含有大量的水汽。當暖濕空氣在熱力或動力作用下上升時，隨著高度的增加，氣壓降低，空氣逐漸稀薄，氣團開始膨脹，對外做功消耗能量，導致溫度下降。當溫度降至露點溫度以下時，水汽達到過飽和狀態(tài)，開始在凝結(jié)核上凝結(jié)成小水滴，這些小水滴聚集在一起便形成了云。水汽凝結(jié)過程中釋放出大量的潛熱，進一步加熱空氣，增強了空氣的浮力，使上升氣流更加旺盛，為雷暴云的發(fā)展提供了持續(xù)的動力。隨著雷暴云的發(fā)展，進入成熟階段，冰晶形成和水成物粒子的相互作用對雷暴的發(fā)展和強度產(chǎn)生重要影響。在雷暴云的中上部，溫度低于0℃，水汽開始在冰核上凝華形成冰晶。冰晶通過捕獲過冷水滴或與其他冰晶相互碰撞合并而不斷增長，形成雪晶、霰等較大的冰相粒子。這些冰相粒子在重力作用下開始沉降，在沉降過程中與周圍的過冷水滴發(fā)生碰并，使過冷水滴凍結(jié)在冰相粒子表面，進一步增大了冰相粒子的尺寸。同時，在上升氣流的作用下，冰相粒子被向上輸送，與上方的冰晶和過冷水滴繼續(xù)相互作用，形成了復雜的微物理過程。水成物粒子間的相互作用還與雷暴云的起電過程密切相關(guān)。非感應(yīng)起電機制被認為是雷暴云最重要的起電機制之一，在合適的溫度和液態(tài)水含量條件下，大（霰?；蜍洷ⅲ┬。ūВ┍嗔Ｗ又g在碰撞、彈開的過程中，會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，霰粒帶負電，冰晶帶正電。在流場和重力作用下，大、小粒子宏觀上分層分布，使雷暴云呈現(xiàn)上正下負的電荷分布。隨著電荷的不斷積累，雷暴云內(nèi)的電場強度逐漸增大，當電場強度超過一定閾值時，就會發(fā)生閃電放電現(xiàn)象。在雷暴的消散階段，微物理過程同樣發(fā)揮作用。隨著上升氣流的減弱，云內(nèi)的水成物粒子逐漸沉降到地面，降水逐漸停止。同時，云內(nèi)的冰晶和霰粒在下降過程中逐漸融化，釋放出潛熱，使空氣溫度升高，進一步減弱了對流活動，導致雷暴云逐漸消散。為了更直觀地理解微物理過程對雷暴發(fā)展的影響，以廣東地區(qū)一次強雷暴過程為例進行分析。在此次雷暴過程中，通過飛機探測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對雷暴云內(nèi)的微物理過程進行了詳細研究。結(jié)果表明，在雷暴發(fā)展初期，水汽凝結(jié)釋放的潛熱使上升氣流速度迅速增加，雷暴云快速發(fā)展。在成熟階段，冰晶和霰粒的增長和沉降過程中，與過冷水滴的相互作用導致降水強度增大，同時電荷的分離和積累引發(fā)了頻繁的閃電活動。在消散階段，水成物粒子的沉降和融化使雷暴云的能量逐漸耗盡，最終消散。四、廣東地區(qū)雷暴電特征分析4.1雷電的產(chǎn)生機制雷電作為雷暴天氣中最為顯著的現(xiàn)象之一，其產(chǎn)生過程涉及復雜的物理機制，與雷暴云內(nèi)的電荷分離、積累和放電密切相關(guān)。在雷暴云的形成和發(fā)展過程中，水汽的上升和冷卻凝結(jié)是初始階段的關(guān)鍵過程。廣東地區(qū)瀕臨南海，水汽來源豐富，暖濕空氣在熱力或動力作用下強烈上升。隨著高度的增加，氣壓降低，空氣逐漸稀薄，氣團開始膨脹，對外做功消耗能量，導致溫度下降。當溫度降至露點溫度以下時，水汽達到過飽和狀態(tài)，開始在凝結(jié)核上凝結(jié)成小水滴，這些小水滴聚集在一起便形成了云。隨著云體的發(fā)展，上升氣流進一步增強，水汽不斷被輸送到高空，云內(nèi)的水成物粒子逐漸增多和增大。在雷暴云內(nèi)部，強烈的對流運動使得不同尺度和相態(tài)的水成物粒子相互作用，這是電荷分離的重要原因。其中，非感應(yīng)起電機制被認為是雷暴云最重要的起電機制之一。在雷暴云的中上部，溫度低于0℃，存在著冰晶、霰等冰相粒子。在合適的溫度（約-10℃至-25℃）和液態(tài)水含量條件下，大（霰?；蜍洷ⅲ┬。ūВ┍嗔Ｗ又g在碰撞、彈開的過程中，會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。由于粒子的物理性質(zhì)和運動狀態(tài)不同，霰粒通常帶負電，冰晶帶正電。這種電荷轉(zhuǎn)移的微觀過程在宏觀上表現(xiàn)為不同粒子的分層分布。在流場和重力作用下，較重的帶負電的霰粒逐漸向云的下部沉降，而較輕的帶正電的冰晶則在云的中上部聚集，從而使雷暴云呈現(xiàn)出上正下負的電荷分布結(jié)構(gòu)。除了非感應(yīng)起電機制，感應(yīng)起電和次生冰晶起電等機制也在雷暴云起電過程中發(fā)揮一定作用。感應(yīng)起電是指在電場中被極化的不同粒子碰撞時，接觸部分發(fā)生異性電荷中和，彈開后各自攜帶凈余的正、負電荷；次生冰晶起電則與冰晶的破碎、升華等過程有關(guān)。隨著電荷的不斷分離和積累，雷暴云內(nèi)的電場強度逐漸增大。當電場強度超過空氣的擊穿強度（約3×10^6V/m）時，空氣就會被擊穿，形成導電通道，即產(chǎn)生閃電。閃電的發(fā)生是電荷快速中和的過程，在極短的時間內(nèi)，大量的電荷通過閃電通道釋放，形成強大的電流，電流強度可達幾萬安培甚至幾十萬安培。閃電通道內(nèi)的高溫（可達上萬度）使通道周圍的空氣迅速加熱膨脹，形成沖擊波，向外傳播并逐漸衰減為聲波，這就是我們聽到的雷聲。閃電的過程非常復雜，通常包括先導放電和回擊過程。先導放電是閃電向地面發(fā)展的初始階段，由云內(nèi)的負電荷向地面逐步推進，形成一條充滿等離子體的導電通道；當先導接近地面時，地面的正電荷會沿著先導通道迅速向上傳播，形成回擊，回擊過程的電流強度極大，釋放出巨大的能量，產(chǎn)生強烈的光和熱。四、廣東地區(qū)雷暴電特征分析4.2閃電定位與參數(shù)統(tǒng)計4.2.1閃電定位技術(shù)與資料獲取本研究中，廣東地區(qū)閃電定位主要依靠南方電網(wǎng)廣東省閃電定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個分布在廣東各地的探測站組成，通過探測閃電產(chǎn)生的電磁信號來確定閃電的位置、時間、電流強度等參數(shù)。其探測原理基于三角相位法，當閃電發(fā)生時，會產(chǎn)生甚高頻信號，探測站接收到這些信號后，通過干涉運算對接收到的甚高頻信號進行處理，從而精確定位閃電發(fā)生區(qū)域，并通過低頻信號判斷云間閃（IC）和云地閃（CG）。每個閃電資料包含時間、位置（經(jīng)緯度）、極性和強度等關(guān)鍵參數(shù)。在資料獲取方面，通過與相關(guān)部門合作，收集了2016-2020年粵港澳閃電定位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制和預處理，確保了數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。在質(zhì)量控制過程中，對數(shù)據(jù)進行了異常值檢測和剔除，例如，對于一些明顯不符合物理規(guī)律的電流強度值或位置信息錯誤的數(shù)據(jù)進行了修正或刪除。同時，對數(shù)據(jù)進行了時間同步和空間校準，以保證不同探測站獲取的數(shù)據(jù)能夠在統(tǒng)一的時間和空間坐標系下進行分析。通過對這些數(shù)據(jù)的整理和分析，能夠準確地獲取廣東地區(qū)閃電活動的詳細信息，為后續(xù)的閃電特征研究提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)不僅記錄了閃電發(fā)生的具體位置，還包含了閃電的電流強度、極性等參數(shù)，通過對這些參數(shù)的分析，可以深入了解閃電的物理過程和特征，為研究雷暴的電特征提供了有力支持。4.2.2地閃密度與電流強度分布地閃密度反映了一定區(qū)域內(nèi)單位面積上閃電發(fā)生的頻繁程度，是衡量雷電活動強度的重要指標。通過對2016-2020年閃電定位數(shù)據(jù)的分析，繪制出廣東地區(qū)地閃密度分布圖。從空間分布來看，地閃密度大值區(qū)以廣州為中心向四周遞減，中心值達到33次/(km2?年)以上。廣州作為珠三角地區(qū)的核心城市，其地閃密度高與城市的熱島效應(yīng)、地形地貌以及大氣環(huán)流等因素密切相關(guān)。城市熱島效應(yīng)使得城市地區(qū)的氣溫升高，空氣對流加劇，有利于雷暴云的發(fā)展和閃電的產(chǎn)生。同時，廣州周邊地形復雜，山脈和河流較多，對氣流有一定的阻擋和抬升作用，促進了對流的發(fā)展，增加了地閃發(fā)生的概率。在時間分布上，廣東逐月地閃頻次呈雙峰型分布，峰值在6月和8月。這與廣東地區(qū)的降水變化趨勢一致，兩者相關(guān)系數(shù)達到0.95。6月和8月分別處于前汛期和后汛期，這兩個時期廣東地區(qū)水汽充足，暖濕空氣與冷空氣交匯頻繁，容易觸發(fā)強對流天氣，導致雷電活動頻繁。地閃強度分布與地閃密度呈現(xiàn)相反的特征，即地閃密度大的地區(qū)，其平均地閃強度相對較小。這可能是由于在雷電活動頻繁的地區(qū)，雷暴云內(nèi)的電荷分布相對較為分散，單次閃電釋放的能量相對較少，導致平均地閃強度較小；而在雷電活動相對較少的地區(qū)，雷暴云內(nèi)的電荷更容易集中，單次閃電釋放的能量較大，平均地閃強度也就相對較大。為了更直觀地了解地閃密度和電流強度的分布情況，以珠三角地區(qū)為例進行詳細分析。珠三角地區(qū)地閃密度值較高，平均電流強度值則是沿海片區(qū)更高。在廣州、深圳、東莞等城市，地閃密度明顯高于周邊地區(qū)。這是因為這些城市人口密集，建筑物眾多，城市化進程快速發(fā)展，細粒子氣溶膠增多，改變了城市群凝結(jié)核特性，導致云頂抬升和冰相增加，從而使得雷電頻次增多。同時，城市中的高大建筑物增多，增大了地面對氣流的摩擦力，阻礙氣流的運動，城區(qū)風速減小阻礙了雷暴云的水平運動速度，使其在城市上空的停留時間變長，城市的雷電密度也隨之升高。而在珠三角的沿海片區(qū)，由于海洋的調(diào)節(jié)作用，水汽更加充足，大氣不穩(wěn)定度更高，使得雷暴云發(fā)展更為旺盛，閃電的電流強度也更大。4.3雷電活動與雷暴強度的關(guān)系通過對多個雷暴個例的深入分析，能夠清晰地揭示出雷電活動與雷暴強度之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。以2018年5月10日發(fā)生在廣州的一次強雷暴過程為例，在此次雷暴過程中，閃電定位系統(tǒng)記錄到了大量的閃電活動。在雷暴發(fā)展的初期階段，閃電頻次相對較低，每小時約為10-20次，雷暴云的回波強度在40-45dBZ之間，對應(yīng)著較弱的雷暴強度。此時，雷暴云內(nèi)的對流運動相對較弱，水汽的上升和凝結(jié)過程相對穩(wěn)定，電荷的分離和積累也較為緩慢。隨著雷暴的發(fā)展，進入成熟階段，閃電頻次急劇增加，達到每小時50-80次，甚至在某些時段超過100次。同時，雷暴云的回波強度增強到50-60dBZ，雷暴強度明顯增大。在這個階段，雷暴云內(nèi)的對流運動變得極為劇烈，大量的水汽被迅速輸送到高空，云內(nèi)的水成物粒子之間的相互作用加劇，導致電荷的分離和積累速度加快，電場強度增大，從而引發(fā)了更為頻繁的閃電活動。在此次雷暴過程中，還觀測到了地閃強度的變化。在雷暴成熟階段，地閃的平均電流強度增大，最大放電電流也顯著增強。例如，在某一時刻，檢測到一次地閃的最大放電電流達到了50kA以上，這表明雷暴云內(nèi)的電荷分布更加集中，單次閃電釋放的能量更大，進一步說明了雷暴強度的增強。從整體趨勢來看，隨著雷暴強度的增強，雷電活動的頻繁程度和強度都呈現(xiàn)出上升趨勢。雷暴強度越大，意味著雷暴云內(nèi)的對流運動越劇烈，水汽的上升和凝結(jié)過程越強烈，這將導致更多的水成物粒子相互作用，促進電荷的分離和積累，從而增加閃電發(fā)生的概率和強度。通過對多個類似雷暴個例的分析，均發(fā)現(xiàn)了這種相似的規(guī)律，進一步證實了雷電活動與雷暴強度之間的正相關(guān)關(guān)系。這種關(guān)聯(lián)對于雷暴監(jiān)測和預警具有重要意義。在實際應(yīng)用中，可以通過監(jiān)測雷電活動的頻繁程度和強度，來初步判斷雷暴的強度和發(fā)展趨勢。當監(jiān)測到閃電頻次突然增加、地閃強度增大時，預示著雷暴強度可能正在增強，需要及時發(fā)布預警信息，提醒相關(guān)部門和公眾做好防范措施，以減少雷暴天氣可能帶來的危害。五、案例分析5.1典型雷暴事件選取為深入剖析廣東地區(qū)雷暴的宏微觀及電特征，本研究精心選取了多個具有代表性的典型雷暴案例，涵蓋不同季節(jié)和區(qū)域，旨在全面揭示雷暴在不同環(huán)境條件下的特征和規(guī)律。5.1.1春季案例2023年3月12-13日，廣東多地遭遇雷暴大風等強對流天氣，其中粵北韶關(guān)部分地區(qū)出現(xiàn)冰雹。此次雷暴過程正值春季，冷空氣與暖濕氣流激烈交匯。在12日傍晚前后，韶關(guān)樂昌北部局地出現(xiàn)了大雨到暴雨、冰雹和10級左右雷暴大風。春季是冷暖空氣交替頻繁的時期，廣東地區(qū)受海洋暖濕氣流和北方冷空氣的共同影響，大氣不穩(wěn)定度較高，容易觸發(fā)雷暴天氣。該案例發(fā)生在粵北地區(qū)，這里多山地，地形對氣流有一定的阻擋和抬升作用，使得暖濕氣流在上升過程中冷卻凝結(jié)，促進了雷暴云的發(fā)展。同時，春季的太陽輻射逐漸增強，地面受熱不均，也為對流的發(fā)展提供了能量。通過對這一案例的分析，可以深入了解春季雷暴在山區(qū)的形成機制和發(fā)展特點，以及地形對雷暴的影響。5.1.2夏季案例2022年8月15日，珠三角地區(qū)出現(xiàn)了一次強雷暴過程，廣州、深圳等城市雷電活動頻繁，伴有短時強降水和8-10級雷暴大風。夏季是廣東雷暴的高發(fā)季節(jié)，此時太陽輻射強烈，地面受熱不均，熱力對流旺盛，且水汽充足，為雷暴的形成提供了有利條件。珠三角地區(qū)城市化進程快速發(fā)展，城市熱島效應(yīng)增強，使得城市地區(qū)的氣溫升高，空氣對流加劇，有利于雷暴云的發(fā)展和閃電的產(chǎn)生。同時，該地區(qū)地形平坦，有利于暖濕氣流的匯聚和對流的發(fā)展。通過研究這一案例，可以探究夏季雷暴在城市化區(qū)域的特征，以及城市熱島效應(yīng)和地形對雷暴的作用。5.1.3秋季案例2021年9月20日，雷州半島發(fā)生雷暴天氣，出現(xiàn)了強雷電和短時強降水。秋季，雖然大氣活動相對夏季有所減弱，但在廣東的部分地區(qū)，如雷州半島，由于其獨特的地理位置和地形條件，雷暴活動仍較為頻繁。雷州半島地處低緯北熱帶，三面臨海，一年四季高溫高濕時間多、時段長，熱量豐富，水汽充沛。半島地形復雜，港口、河流、喇叭口地形較多，臺地低矮，接近海平面，常處于潮濕不穩(wěn)定狀態(tài)，極易產(chǎn)生強烈發(fā)展的積雨云，海陸交界造成的落差也有利于強對流的觸發(fā)，激發(fā)空中不穩(wěn)定能量釋放。該案例能幫助我們分析秋季雷暴在特殊地理環(huán)境下的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，以及海陸熱力差異和地形對雷暴的影響。5.1.4冬季案例2020年1月10日，廣東南部沿海地區(qū)出現(xiàn)了一次罕見的雷暴天氣，伴有微弱降水和雷電活動。冬季，廣東大部分地區(qū)受大陸冷氣團控制，氣溫較低，水汽較少，雷暴天氣極為罕見。但在某些特殊情況下，當有較強的暖濕氣流北上與冷空氣交匯時，仍可能引發(fā)雷暴。此次案例發(fā)生在廣東南部沿海地區(qū)，這里靠近海洋，暖濕氣流相對較多。通過對這一案例的研究，可以探討冬季雷暴的特殊形成條件和特征，以及在寒冷季節(jié)中雷暴發(fā)生的可能性和影響因素。這些案例的選取具有代表性，分別涵蓋了廣東地區(qū)不同季節(jié)和不同區(qū)域的雷暴情況。不同季節(jié)的案例反映了雷暴在不同氣候條件下的特征，春季案例展示了冷暖空氣交匯對雷暴的影響，夏季案例體現(xiàn)了熱力對流和水汽條件的作用，秋季案例突出了特殊地理環(huán)境的影響，冬季案例則揭示了罕見情況下雷暴的形成機制。不同區(qū)域的案例則體現(xiàn)了地形、城市化等因素對雷暴的影響，粵北山區(qū)案例展示了地形對氣流的抬升作用，珠三角案例反映了城市化對雷暴的影響，雷州半島案例凸顯了特殊地形和海陸位置的作用，南部沿海案例則展示了海洋對雷暴的影響。5.2宏微觀及電特征綜合分析5.2.1事件過程回顧以2022年8月15日珠三角地區(qū)的強雷暴過程為例，詳細回顧其發(fā)生發(fā)展過程。此次雷暴過程起始于午后13時左右，首先在珠三角西部邊緣地區(qū)有積云開始發(fā)展。當時，該地區(qū)地面氣溫高達35℃以上，相對濕度在70%左右，受太陽輻射加熱影響，近地面空氣強烈上升，水汽迅速冷卻凝結(jié)，形成積云。隨著時間推移，積云逐漸發(fā)展壯大，云頂高度不斷增加。14時30分左右，積云發(fā)展為濃積云，云體變得更加龐大，頂部呈現(xiàn)出花椰菜狀。此時，云內(nèi)上升氣流速度明顯增強，達到10-15m/s，水汽不斷被輸送到高空，云內(nèi)的水成物粒子逐漸增多，開始出現(xiàn)小水滴和冰晶。同時，在云的中下部，由于水汽的不斷凝結(jié)和粒子的相互作用，降水開始形成，但強度較弱。15時30分，濃積云進一步發(fā)展成為成熟的積雨云，標志著雷暴進入成熟階段。此時，雷暴云覆蓋范圍迅速擴大，從珠三角西部逐漸向東部推進，影響范圍包括廣州、深圳、佛山等多個城市。在廣州地區(qū)，雷暴云帶來了強烈的雷電活動，閃電頻次急劇增加，每小時可達30-50次。同時，伴隨著短時強降水，1小時降水量達到30-50毫米，雨強較大，部分地區(qū)出現(xiàn)積水現(xiàn)象。此外，還出現(xiàn)了8-10級的雷暴大風，大風刮倒了一些廣告牌和樹木，對城市基礎(chǔ)設(shè)施造成了一定破壞。在雷暴云內(nèi)部，上升氣流和下沉氣流強烈且并存。上升氣流速度在云的中上部達到15-20m/s，將水汽不斷輸送到高空，促進了冰晶和霰粒的增長。下沉氣流速度也較大，在云的下部可達5-10m/s，將降水粒子迅速帶到地面，增強了降水強度。在云的中上部，溫度低于0℃，冰晶通過捕獲過冷水滴或與其他冰晶相互碰撞合并而不斷增長，形成雪晶、霰等較大的冰相粒子。在云的下部，溫度高于0℃，冰晶融化成水滴，與原來的水滴一起形成降雨。隨著時間的推移，到17時左右，雷暴云逐漸進入消散階段。上升氣流逐漸減弱，降水強度開始減小，閃電頻次也明顯降低。18時30分左右，雷暴云基本消散，此次雷暴過程結(jié)束。整個過程持續(xù)了約5個半小時，對珠三角地區(qū)的天氣和城市生活造成了較大影響。5.2.2多特征分析與對比從宏觀特征來看，此次雷暴過程發(fā)生在夏季午后，符合廣東地區(qū)雷暴的時間分布規(guī)律。其影響范圍主要集中在珠三角地區(qū)，這與珠三角地區(qū)城市化進程快、城市熱島效應(yīng)強有關(guān)。城市熱島效應(yīng)使得城市地區(qū)的氣溫升高，空氣對流加劇，有利于雷暴云的發(fā)展和維持。與其他地區(qū)的雷暴相比，珠三角地區(qū)的雷暴由于受到城市環(huán)境的影響，其發(fā)展速度可能更快，持續(xù)時間相對較短，但強度可能更大。在微觀特征方面，此次雷暴云內(nèi)的微物理過程十分活躍。在雷暴發(fā)展初期，水汽凝結(jié)和冰晶形成過程迅速，為雷暴云的發(fā)展提供了充足的水成物粒子。在成熟階段，水成物粒子間的相互作用強烈，冰晶和霰粒的增長和沉降過程明顯，這與雷暴云內(nèi)強烈的上升氣流和下沉氣流密切相關(guān)。與其他雷暴案例相比，此次雷暴云內(nèi)的水成物粒子濃度可能更高，尺度分布更不均勻，這可能導致雷暴云內(nèi)的電荷分離和積累過程更加劇烈。從電特征角度分析，此次雷暴過程中閃電活動頻繁，地閃密度較大，尤其是在廣州、深圳等城市地區(qū)。閃電的電流強度也較大，部分地閃的最大放電電流可達40-50kA。與其他地區(qū)的雷暴相比，珠三角地區(qū)的雷暴由于其特殊的地理環(huán)境和氣候條件，雷電活動可能更加頻繁，地閃密度和電流強度可能更高。這可能與珠三角地區(qū)水汽充足、大氣不穩(wěn)定度高以及城市環(huán)境對雷暴云的影響有關(guān)。不同案例之間存在一些相同點。在宏觀上，都與暖濕氣流、大氣不穩(wěn)定以及地形等因素密切相關(guān)，大多發(fā)生在午后時段，且影響范圍與當?shù)氐牡匦魏痛髿猸h(huán)流條件有關(guān)。在微觀上，都涉及水汽凝結(jié)、冰晶形成以及水成物粒子間的相互作用等微物理過程，這些過程在雷暴的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。在電特征方面，都伴隨著雷電活動，閃電的發(fā)生與雷暴云內(nèi)的電荷分離和積累密切相關(guān)。不同案例之間也存在差異。在宏觀特征上，不同地區(qū)的雷暴受地形和城市化影響程度不同，導致其發(fā)生頻率、強度和影響范圍有所差異。例如，山區(qū)的雷暴可能受地形抬升作用影響更大，而城市地區(qū)的雷暴則受城市熱島效應(yīng)影響明顯。在微觀特征上，不同案例中雷暴云內(nèi)的水成物粒子濃度、尺度分布以及微物理過程的活躍程度可能不同，這與當?shù)氐乃麠l件、溫度和氣流運動等因素有關(guān)。在電特征方面，不同案例中閃電的頻次、地閃密度和電流強度等參數(shù)存在差異，這與雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)和起電機制有關(guān)。5.3雷暴致災(zāi)分析與防范建議在廣東地區(qū)，雷暴天氣所引發(fā)的災(zāi)害類型豐富多樣，對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生了顯著影響。以2022年8月15日珠三角地區(qū)的強雷暴過程為例，其造成的災(zāi)害涉及多個領(lǐng)域。在人員安全方面，雷暴引發(fā)的雷電活動直接威脅民眾生命。閃電的高電壓和強電流具有致命危險，一旦擊中人體，可能導致嚴重的傷亡。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，在此次雷暴過程中，雖未有確切的人員傷亡數(shù)據(jù)，但類似強度的雷暴在其他地區(qū)曾有人員因雷擊而傷亡的案例。在廣東歷年的雷暴天氣中，都有因雷擊導致人員受傷甚至死亡的情況發(fā)生，這些事件給受害者家庭帶來了巨大的痛苦和損失。在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，雷暴帶來的短時強降水和雷暴大風破壞力驚人。短時強降水使得城市排水系統(tǒng)不堪重負，導致內(nèi)澇嚴重。道路被淹沒，交通陷入癱瘓，車輛在積水中熄火，不僅影響市民出行，還可能對車輛等財產(chǎn)造成損壞。在此次雷暴中，廣州部分道路積水深度達到半米以上，多輛汽車被淹，造成了直接的財產(chǎn)損失。雷暴大風則吹倒了許多廣告牌和樹木，廣告牌被大風吹落，可能砸中行人或車輛，樹木被吹倒則可能壓壞路邊的建筑物和車輛。據(jù)不完全統(tǒng)計，此次雷暴過程中，珠三角地區(qū)有數(shù)百個廣告牌被吹倒，大量樹木被連根拔起，對城市的基礎(chǔ)設(shè)施和公共環(huán)境造成了嚴重破壞。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也未能幸免。短時強降水和大風對農(nóng)作物生長極為不利。強降水可能引發(fā)農(nóng)田積水，導致農(nóng)作物根系缺氧，影響其正常生長，甚至造成農(nóng)作物死亡。大風則可能吹倒農(nóng)作物，使其倒伏在地，影響產(chǎn)量。在珠三角的一些郊區(qū)農(nóng)田，此次雷暴導致部分蔬菜、水果等農(nóng)作物受損，農(nóng)民的辛勤勞作付諸東流，經(jīng)濟收入受到影響?；诶妆┲聻?zāi)的特點，提出以下針對性的防范措施和建議。在監(jiān)測預警方面，應(yīng)進一步優(yōu)化雷電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。增加探測站的數(shù)量，特別是在雷暴高發(fā)區(qū)域，如珠三角地區(qū)、雷州半島等，提高監(jiān)測的密度和精度。同時，升級探測技術(shù)，采用更先進的閃電定位系統(tǒng)和氣象雷達，提高對雷暴的監(jiān)測能力，提前準確地捕捉雷暴的發(fā)生和發(fā)展趨勢。例如，利用新一代的雙極化雷達，能夠更準確地探測雷暴云內(nèi)的微物理結(jié)構(gòu)和電荷分布，為預警提供更可靠的依據(jù)。預警發(fā)布機制也需完善。建立多渠道、全方位的預警信息發(fā)布平臺，確保預警信息能夠及時、準確地傳達給公眾。除了傳統(tǒng)的電視、廣播、短信等方式外，還應(yīng)充分利用社交媒體、手機應(yīng)用程序等新興渠道。例如，開發(fā)專門的氣象預警手機應(yīng)用，用戶可以實時接收雷暴預警信息，并提供個性化的提醒服務(wù)。同時，加強預警信息的解讀和宣傳，提高公眾對預警信息的理解和重視程度，讓公眾能夠根據(jù)預警信息及時采取有效的防范措施。在工程防護方面，建筑物的防雷設(shè)計至關(guān)重要。嚴格按照國家相關(guān)標準，對新建建筑物進行防雷設(shè)計和施工，確保防雷設(shè)施的質(zhì)量和可靠性。對于老舊建筑物，要定期進行防雷檢測和維護，及時發(fā)現(xiàn)和修復存在的問題。在城市規(guī)劃中，合理布局建筑物，避免在雷電高發(fā)區(qū)域建設(shè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施和人員密集場所。例如，在珠三角地區(qū)的城市建設(shè)中，應(yīng)充分考慮雷電風險，避免在雷電活動頻繁的區(qū)域建設(shè)學校、醫(yī)院等重要公共設(shè)施。電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施的防雷措施也不容忽視。對電力線路和通信線路進行防雷改造，安裝避雷裝置，如避雷針、避雷線、避雷器等，減少雷電對線路的損害。加強對電力、通信設(shè)備的維護和管理，定期