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北京冬天会打雷吗?

来源: 北京日报     2016年11月30日        版次: 13     作者: 吴凡 崔晓鹏

    北京地区闪电密度空间分布:左列为地闪密度,右列为云闪密度。

    编者导读

    “冬雷震震,夏雨雪,天地合,乃敢与君绝。”这是汉乐府民歌中的著名诗句。那么,冬天真的不会打雷吗?

    中国科学院大气物理研究所吴凡和崔晓鹏与其合作者利用法国Dimensions公司研制的SAFIR-3000闪电监测系统,统计研究了2005年至2007年北京地区的地闪和云闪,包括月变化、日变化以及空间分布等统计特征,成果近日发表于《应用气象学与气候学杂志》。对于前面我们提出的疑问,研究给出了权威解答。本版特约研究者撰文向读者解析。

    如何知道发生的闪电数目?

    现代科学研究表明,闪电一般指发生在云中不同极性电荷区之间的强放电现象,根据电荷区位置和闪电是否接地,可将闪电分为云内或云际间不接地的放电现象(简称云闪),以及云和大地间可到达地面的放电现象(简称地闪)。

    受观测手段限制,以往对北京地区闪电特征的研究主要是基于地闪观测资料来开展,而对云中更为频发的云闪的统计研究相对较少。但云闪却是最经常发生的闪电事件,一般占全部闪电的2/3以上,对云闪的统计研究有助于全面了解大气中的放电现象。随着闪电探测定位系统不断发展升级,云闪识别和定位成为可能。

    过去人们要想知道雷暴中发生的闪电次数,只能通过人为的视觉和听觉进行大致估计。随着遥感技术的快速发展以及对雷电现象的深入研究,近30年来,闪电遥感探测技术已经逐步在气象业务部门和电力部门等机构中得到广泛应用。

    根据探测方法的不同,闪电定位技术又分为从地面探测的地基闪电定位技术和从卫星探测的星载探测技术。其中,地基探测最为普遍,其主要原理是:根据探测闪电辐射出的电磁脉冲得到脉冲波形,从这些波形中识别和定位出闪电过程中的辐射源位置及高度,经过一定的算法将辐射源归到相应的闪电,从而可“数”出天空中的闪电数目。

    本项研究使用的资料,就来源于北京SAFIR-3000闪电地基探测网,该系统在北京及附近地区共有三个站点,站点之间相距120公里左右, 探测范围覆盖包括北京在内的270至280平方公里。该系统利用低频和甚高频探头同时探测地闪和云闪,得到相应的闪电发生时间、位置、极性和峰值电流等信息,实现全天候的闪电观测。

    傍晚和午夜闪电最多

    2005年至2007年间,北京地区共探测到196789次云闪和44879次地闪,云闪占据了闪电活动的绝大多数(81.4%),而地闪仅占闪电总数的一小部分(18.6%);在地闪中,正电流地闪(又称为正地闪)约占13.5%(此类型地闪因其时常伴随剧烈的天气灾害而引起高度重视)。

    在统计的3年中,北京地区平均每年有99个雷暴日(每天至少出现2次闪电的天数),其中强雷暴日(每天闪电数超过1000次)的天数为18天/年,平均持续时间约为10小时。总体而言,北京地区闪电活动频发,云闪活动尤为显著。

    北京地区的雷暴基本发生在夏季(6月至8月),从3年雷暴日统计来看,夏季雷暴日数约54天,超过全年雷暴日数的一半,春、秋季雷暴日数相差不大,冬季雷暴日数最少;地闪和云闪的月变化统计特征显示,全年约94%至96%的闪电发生在6月至8月,夏季出现闪电活动峰值的原因主要是:北京地区夏季盛行暖湿的东南气流,为雷暴活动的形成和发展提供了必要的环境条件。统计还发现,尽管地闪峰值出现在8月,但所有闪电的月变化峰值却出现在7月,可见将云闪纳入统计对全面了解闪电的月分布特征十分必要;从有闪电记录的小时数来看,夏季平均每个月约有300至400小时出现闪电。

    那么一天之中的闪电活动有何规律呢?统计结果显示,北京地区的闪电日变化主要有两个峰值,一个出现在傍晚的19:00,另一个出现在午夜的23:00,此外,清晨的闪电活动也较活跃,而上午至中午闪电活动则相对较少。此日变化特征可能受到北京地区局地地形的影响。北京北靠燕山山脉,西临太行山脉,东南是华北平原,地势西北高、东南低。北部和西部山区的闪电日变化峰值主要出现在下午,而平原地区则是夜晚的闪电居多,可能与雷暴系统经常在下午生成于山区,于夜晚移动到平原地区有关。

    冬季有云闪但听不到雷声

    对于有人提出的北京冬天到底会不会打雷,我们也可以做出一个解答了。

    我们通常所说的“雷电”是指听到的雷声(“打雷”)和看到的流光(“闪电”),放电过程形成电流和辐射、出现闪电,同时加热大气,致使空气膨胀形成冲击波、出现雷声。雷声和闪电产生的物理原因不同,出现的强度也不同,看到闪电,没听到雷声不代表没有雷声,可能由于放电过程加热较小,空气膨胀较小,导致雷声较弱,没有被清晰察觉到。

    本项研究中关注的大气放电过程,既包括听得到清晰雷声的放电过程,也包括听不到清晰雷声的放电过程。在闪电定位系统业务化运行之前,气象部门对雷暴日的观测只能通过辨识雷声,将听到一次或多次雷声的日子定为雷暴日,根据人工观测到的“打雷”现象,把一年中第一次听到雷声的时间定为“初雷日”,最后一次定为“末雷日”。对北京地区2005年至2007年的人工雷暴日观测数据分析显示,这三年的“初雷日”分别为4月18日、4月6日和3月29日,“末雷日”分别为9月19日、10月16日和10月28日。可见,人工观测到的雷暴日一般开始于春季,结束在秋季,而冬季没有雷暴日。

    人工观测受限于雷声传播距离、地形和观测员听力等因素,观测到的雷暴日数通常小于闪电定位系统的观测结果。使用闪电定位系统,不仅可以探测到观测员听到有雷声的闪电,还能探测到听不到清晰雷声的闪电。利用SAFIR-3000定位系统观测得到的不同月份的雷暴日和闪电数可以发现,北京地区全年都有雷暴日出现,其雷暴日与人工观测雷暴日在暖季(5月至9月)的观测结果基本一致;而在冷季(10月至次年4月)尤其在冬季(12月至次年2月),SAFIR-3000观测到的雷暴日明显多于人工观测结果。这3年里,每年冬季SAFIR-3000平均观测到6个雷暴日,而人工观测则没有雷暴日出现。

    人工观测没有雷暴日的月份同时也没有探测到地闪,即北京地区冬季出现的闪电均是云闪。云闪由于放电强度较小且发生在云中,伴随的雷声往往远不如地闪,所以地面观测员很难靠听觉来清晰辨识出云闪。以上结果表明,北京冬季虽无“打雷”,但有云闪,这种冬季的闪电一般与雨雪天气有关。

    闪电多发在京东南部平原地区

    为了定量研究闪电空间分布,科学家们定义了闪电密度的概念,即单位面积上发生的闪电频数。北京地区闪电密度空间分布受地形影响显著,闪电密度从200米地形高度以下的东南平原地区向200米地形高度以上的西北山地地区逐渐减少,大多数闪电发生在北京东南部的平原地区,其次是平原和山地的交界处,而西北山地地区闪电活动最少。

    雷暴日的空间分布也是如此:北京东南部平原地区的年平均雷暴日数最多,达到40天/年,山地和平原交界处次之,为30天/年,而西北部山区的年平均雷暴日数最少,约20天/年。