长沙市土地覆盖类型与雷电特征的相关性分析

王少娟，王道平，刘凤姣，周明薇，郭 斌，贺秋艳

（湖南省气象灾害防御技术中心 气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410007）

0 引言

雷电是大气中发生的一种剧烈放电现象，具有时间短、距离长、破坏力强的特点。全球每年因雷灾造成的经济损失多达数亿元，人员伤亡数量达数千人［1］，严重威胁着人们的生产和生活。因此，掌握雷电活动规律对提高抵御雷电灾害能力、指导防雷工程设计以及防灾减灾等工作具有重要意义。已有研究表明，不同的下垫面参数对雷电活动产生的影响具有一定的差异性，成鹏伟等［2］对比分析了北京和成都两个下垫面性质不同地区的闪电分布特征，发现两个地区的闪电活动主要集中在水汽充足的区域，如水体、农田；王学良等［3－4］对比分析了湖泊与陆地、山区与平原的雷电参数分布特征，发现湖泊（山地）地闪密度比陆地（平原）小，湖泊（山区）平均雷电流强度大于陆地（平原）；潘建等［5］利用江苏省闪电定位资料，对雷电强度等级与土地覆盖类型的相关性进行分析，发现林地对雷电强度等级的空间分布影响最大。国内外研究者对雷电活动与海拔高度的关系也进行了很多研究工作［6－9］。长沙地处湘东地区，属洞庭湖平原向湘中丘陵盆地过渡地带，地形地貌复杂，使该地区的雷电活动分布具有一定的不均匀性，境内地表覆盖类型多样，且该地区还没有开展过雷电特征与土地覆盖类型的研究。因此，本文利用2009—2018年长沙地区地闪定位资料和土地覆盖类型数据，对不同土地覆盖类型因子上的雷电活动规律进行了研究，并分析了地闪频次和强度与土地覆盖类型因子之间的相关性。

1 资料及方法

1.1 资料来源

闪电定位资料来源于湖南省气象灾害防御技术中心（湖南省防雷中心）2009—2018年的统计数据，包括闪电频次、发生时间、强度等（图1）；土地覆盖类型数据采用欧空局提供的长沙土地覆盖类型产品中的lccs_class，文件格式为NetCDF4，分辨率为300m。

图1 累年平均地闪频次逐年分布Fig.1 Annual distribution of average lightning frequency

长沙市辖区内共有6区1县2县级市，分别为雨花区、天心区、芙蓉区、岳麓区、开福区、望城区、长沙县、浏阳市、宁乡市，总占地面积约为11 819km2。

1.2 研究方法

考虑到ADTD定位资料中有可能存在云闪对地闪数据的干扰，统计分析时将强度小于10kA的雷电流予以剔除；湖南省雷电定位系统是由10台ADTD型闪电定位仪组成，系统监测的雷电电流幅值范围为（±1kA，±500kA），因此将雷电流强度大于500kA的数据删除。

利用ARCGIS软件将土地覆盖类型数据转换为tif文件，对影像进行裁剪、重分类以及栅格图像矢量化，重分类后的长沙地区土地覆盖类型为耕地、林地、草地、城镇建设用地和水体，其中城镇建设用地是指城市建设用地和农村建设用地；将表示闪电发生时间、经纬度和强度的数据叠加到矢量化的土地覆盖类型图上，统计落入各覆盖类型上的闪电数目和强度，然后分别分析各植被覆盖类型上的闪电活动特征。

为了研究土地覆盖类型因子与地闪活动的关系，用SPSS软件进行相关性分析，将土地覆盖类型因子作为自变量，分别分析频次、电流强度绝对值与各覆盖类型因子的相关程度，并对相关系数进行显著性检验，各因子需要服从正态分布。因此，在进行相关性分析时，对闪电频次和电流强度绝对值进行正态分布检验，发现闪电频次不符合正态分布，将其取对数后服从正态分布。

2 长沙地区雷电活动特征

经统计，湖南省闪电定位系统共监测到长沙地区2009—2018年地闪178963次，其中正闪7528次，占4.2%；负闪171435次，占95.8%，可以看出长沙地区地闪活动主要以负地闪为主。由图1可以看出，近10年地闪回击频次年际变化明显，呈现出先增加后减少的趋势，其中2014年最多，为41622次，2018年最少，为7028次。按照四季划分法，以12—2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，从累年地闪频次逐月分布图可以看出，地闪活动主要集中在春夏两季，秋冬季节几乎没有闪电活动发生，其中5—8月占比最多，为84%，7月份闪电活动最活跃，为45371次，8月份之后闪电活动逐渐减弱（图2）。

图2 2009—2018年长沙地区累月平均地闪频次逐月分布Fig.2 Monthly distribution of average lightning frequency

如图3所示，长沙地区地闪密度最大值位于长沙市区，整体上呈现自西向东逐渐减小的趋势，可能是因为西部地区为湖南省雷暴活动的次活动地带雪峰山脉，而浏阳市与洞庭湖相邻，属于平原型地带，地闪回击频次明显低于临近山脉的西部宁乡区域。

图3 2009—2018年长沙地区地闪密度空间分布图（单位：次／（km2·a））Fig.3 Lightning density spatial distribution map in Changsha area from 2009 to 2018

3 雷电活动与土地覆盖类型相关性分析

3.1 地闪活动在不同土地覆盖类型上的分布特征

表1为2009—2018年长沙市土地覆盖类型分布，研究区内主要以耕地（57.55%）、林地（36.6%）、城镇建设用地（4.39%）为主，水体（1.2%）、草地（0.26%）占用面积较小。

表1 2009－2018年长沙地区土地覆盖类型分布Tab.1 Distribution of land cover types in Changsha area from 2009 to 2018

将地闪经纬度数据逐年叠加在土地覆盖类型分布图上，得到2009—2018年长沙地区各土地覆盖类型上的地闪频次分布，见表2。可以看出，各土地覆盖类型上的闪电均以负地闪为主，均在95%左右。耕地发生的地闪频数最多，占全年地闪频数的60%左右，其次为林地，占32%左右，地闪频数发生最少的为草地，仅为0.24%，且总地闪频数与地表类型占地面积呈正比关系。

表2 2009—2018年长沙地区各土地覆盖类型地闪频次分布Tab.2 Distribution of lightning frequency of different land cover types in Changsha area from 2009 to 2018

图4给出了各土地覆盖类型上累月地闪频次占全年总地闪频次的百分比情况，从图中可以发现各覆盖类型上的地闪活动主要发生在6—8月，占比分别为耕地65.2%、草地61.49%、林地60.93%、城镇建设用地 61.14% 以及水体64.68%。除草地上地闪频次具有“双峰单谷”特征外，其他类型均表现为“单峰”特征。

图4 各土地覆盖类型上累月地闪频次占全年百分比Fig.4 Percentage of cumulative monthly lightning frequency of each land cover type in the whole year

从表3的季节分布表中可以看出，各土地覆盖类型上的地闪活动均主要集中在春、夏、秋三季，冬季雷电活动最少，各土地覆盖类型上的地闪活动的季节分布规律一致，说明土地覆盖类型对地闪活动的季节分布影响不明显，这与赵生昊等［10］的研究结果一致。

表3 各土地覆盖类型上四季地闪频次占比Tab.3 Proportion of lightning fr equency of different land cover types in four seasons

相邻两个不同的地表类型由于其热力属性存在差异而容易产生局地垂直对流运动，从而引起大气层结的不稳定程度增加、不稳定能量的积聚以及水汽输送等有利于雷暴发生、发展的条件［11］。在充足的水汽条件和大的环流背景配合下，就可能产生雷电。

统计1—12月发生的闪电占全年总闪电频次的百分数，对5种土地覆盖类型上的地闪频次进行日变化分析（图5），可以看出各土地覆盖类型上的地闪频次呈单峰型变化特征。地闪活动多发生在午后至傍晚，与对流活动发展规律相一致。除草地外，其他土地覆盖类型上的地闪活动均在午后16时达到峰值。耕地、林地和城镇建设用地上午后地闪活动呈较均匀变化。水体和草地上的地闪活动午后波动较为剧烈，考虑到是因为午后受太阳辐射的影响，水面向上输送的水汽含量较多，在水汽条件和环流背景配合下就可能产生雷电。长沙地区的草地主要位于耕地、林地以及城镇建设用地之间，耕地以水田为主，水田午后升温慢和释放热量少，林地受午后太阳辐射的影响较小，城镇建设用地午后升温快和释放热量多，相对于三者，草地极易成为不稳定区域，产生对流云团，进而产生雷暴。

图5 各土地覆盖类型上地闪频次日变化Fig.5 The daily change of lightning frequency of different land cover types

图6给出了地闪密度和雷电流幅值在不同土地覆盖类型上的平均值。不难发现耕地、城镇建设用地和水体的地闪密度平均值较高，其中城镇建设用地为1.6617次／km2·a最大。原因主要是因为城区人口密集，城市建筑和道路吸收热量大，城市热岛效应显著，而热岛效应产生的局地气候环境，易触发地闪活动的发生。夜间郊区与城区地表温度经辐射降温形成一定温差，热岛抬升作用明显，容易形成雷暴云，进而引发雷电。耕地和水体附近的土壤电阻率较低，而雷击的发生具有一定的选择性，极易发生在土壤电阻率较低的区域。

图6 地闪密度和雷电流幅值在各土地覆盖类型上的均值Fig.6 Mean value of lightning density and lightning current amplitude of different land cover types

雷电流幅值最大值位于林地，主要是因为长沙地区林地一般分布在海拔较高的地区，例如浏阳地区的大围山等，与李政等［12］研究的雷电流幅值与海拔高度呈正相关结论相符合。在五种土地覆盖类型中，城镇建设用地上的地闪密度平均值最大，但雷电流强度却比较小，主要是因为城区热岛效应明显，有利于雷电活动的发生，但城镇地面多为不渗透层，含水量较低，这也印证了雷电流与空气中的水汽含量有关，地面输送的水汽越多，对流云对地的电场强度就越大，雷电流强度就越大。

表4给出了各土地覆盖类型上地闪平均强度所占百分比。可以看出，各土地覆盖类型上发生的地闪均主要集中在10～60kA，所占比例依次为城镇建设用地87.13%、水体86.98%、耕地86.05%、草地86.02%以及林地81.94%。60k A以上的地闪变化与10～60kA相反；60kA以上的地闪发生在林地上的比例最大，说明高海拔地区的林地较易发生强地闪；200～500kA的强地闪在草地上没有发生。

表4 各土地覆盖类型上地闪强度平均占比Tab.4 The average percentage of lightning intensity of different land cover types

3.2 土地覆盖类型与地闪的相关性分析

应用SPSS软件分别计算地闪频次对数和平均电流强度与土地覆盖类型因子占地面积的皮尔逊相关系数，见表5。结果发现，耕地占地面积与地闪频数、平均电流强度之间存在明显的相关性，相关性系数分别为0.689、－0.669，P值分别为0.028、0.034，通过了显著性水平0.05的检验，其他土地覆盖类型因子占地面积与地闪频数和平均电流强度的相关性不显著。经线性拟合，地闪频数和平均电流强度和耕地占地面积的相关方程如下：

表5 地闪频数和地闪强度与土地覆盖类型因子相关性分析Tab.5 Correlation analysis of the frequency and intensity of lightning and the factors of land cover type

式中，A为耕地占地面积（km2）；NI为地闪频数；NNg为地闪强度（kA）。

长沙地区的耕地多以水田为主，土壤含水量较高，因此，地面向空中输送的水汽较多，而水汽输送的越多就越有利于雷电的发生。

4 结论

利用2009—2018年长沙地区的土地覆盖资料及闪电定位资料，分析了土地覆盖类型与雷电的相关性，得到以下结论：

（1）长沙地区地闪活动主要集中春夏两季，秋冬季节几乎没有闪电活动发生，其中5—8月占比最多，平均地闪密度最大值位于长沙市区内。

（2）长沙地区各土地覆盖类型上的地闪均以负地闪为主，且各土地覆盖类型上的总闪电频数与地表类型占地面积呈正比关系。

（3）各覆盖类型上的地闪活动均主要集中在6—8月，除草地上地闪活动呈现“双峰单谷”型外，其他类型上均呈现出“单峰”型变化特征；土地覆盖类型对地闪活动的季节分布影响不明显。

（4）各土地覆盖类型上的地闪活动呈单峰型变化特征，主要集中在午后及傍晚时段。耕地、林地及城镇建设用地上的地闪活动呈较均匀变化，水体和草地上的地闪日变化波动较剧烈。

（5）城镇建设用地上的雷电活动最活跃，平均地闪密度值最大。平均地闪密度较高的土地覆盖类型其雷电流强度却相对较弱，平均雷电流强度相对较强的区域其地闪密度反而较低。

（6）耕地占地面积与地闪频数对数和平均电流强度成正相关的关系，即地闪频数对数随着耕地面积的增多而增多，随着耕地面积的减少而减少；平均电流强度随着耕地面积的增多而降低，随着面积的减少而增大。