太行山地形因素对雷电分布的影响

冯 鹤，臧 舒，杨 蕊

（1.河北省气象行政技术服务中心，河北 石家庄 050000；2.宜兴市气象局，江苏 无锡 214200；3.沧州市渤海新区气象局，河北 沧州 061000）

雷电灾害是最严重的自然灾害之一，雷电密度和强度是影响雷电灾害损失程度的重要因素。相关研究表明，地形变化会引起雷电参数发生相应变化，李瑞芳等[1]利用电气几何模型（EGM）中的击距理论推导了山顶、山谷、山脚地区落雷分布系数理论计算公式，并利用某省雷电定位系统数据进行了实例验证，得到山顶地区地闪密度大于山谷、山脚地区地闪密度，山体坡度越大不同地区的地闪密度差异越明显；赵生昊等[2]研究了重庆市雷电参数与地形因素的关系，得出海拔高度、坡向对地闪密度的影响，认为坡度与地闪密度呈负相关关系；王学良等[3]研究了湖北省山区与平原雷电分布及参数特征，得到山区地闪密度略高于平原，平原正地闪百分比稍高于山区。但不同地区受气候条件、地质地貌影响，对强对流天气影响机制、程度、主导因子不尽相同，雷电活动规律各有差异[4]，精细化研究特定区域微观地形对雷电活动规律的影响，得到更加准确的雷电分布特征，可有效提升雷电防御水平。

太行山是中国东部地区重要山脉和地理分界线，绵延400余千米，最高峰高3 058 m，号称华北屋脊，大部分海拔在1 200 m以上，地形起伏明显，对雷电产生和发展过程影响显著。本文利用闪电定位资料以及全国数字高程模型（地理空间数据云平台下载的30 m分辨率DEM）资料[5]，分析太行山脉闪电分布特征以及地形因素对雷电活动特征的影响，为太行山脉雷电防御工作以及进一步研究地形对雷电的影响提供参考。

1 太行山脉地形特点

太行山是中国重要的地形单元分界线，分布范围主要涉及北京、河北、山西、河南4省市，东邻华北平原、西面黄土高原、北接蒙古高原、南止于黄河谷地。太行山高程分布如图1所示，太行山高程范围为﹣49～3 072 m，山势东陡西缓、北高南低，东翼由中山、低山、丘陵过渡到平原，为断层构造，相对高差达1 500～2 000 m；西翼连接山西高原，地势落差小，起伏较为缓和；北端最高峰为位于河北境内的小五台山，高2 882 m；南端高峰为陵川的佛子山、板山，海拔分别为1 745 m、1 791 m[6]。

图1 太行山高程分布图

2 太行山脉雷电分布特征

2.1 空间分布特征

根据2015—2020年闪电定位资料，计算1 km2范围内每年发生的闪电频次以及发生闪电的平均强度，借助Surfer软件应用克里金插值法作闪电频次、闪电强度等值线，得到闪电频数、闪电强度分布图[7]。1 km2范围内年平均闪电频数分布如图2所示，由图2可知，闪电频数不均匀，闪电发生频次为中部、北部多于南部，高发地主要分布在山脉东部且海拔较低区域，与太行山气候特点相一致，因太行山为东北—西南走向，与中国东南季风垂直，东南季风受山体抬升影响，容易形成强对流天气[8]。1 km2范围内平均闪电强度分布如图3所示，由图3可知，平均闪电强度与地理位置相对关系不明显，平均闪电强度较高区域山脉南侧较为集中。

图2 1 km2范围内年平均闪电频数分布图

图3 1 km2范围内平均闪电强度分布图

2.2 时间分布特征

图4给出了2015—2020年太行山月发生闪电频次占全年闪电次数百分比以及正闪电占当月总闪电次数百分比变化趋势。由图4可知，一年中，闪电主要分布在6—8月，闪电次数占全年总闪电次数的89.8%，为闪电高发期，5月、9月、10月闪电次数较多，闪电次数占全年总闪电次数的8.3%，为闪电多发期。同时，闪电多发的5—10月，正闪电占比均低于50%，平均占比30.8%，闪电以负闪电为主，而1—3月、11月，正闪电发生次数高于负闪电[9]，4月、12月正闪电占比分别为50.37%、49.55%，正负闪电数量无明显差距。

图4 太行山区雷电月分布图

应用自然间断点分级法对高程进行分类，统计不同高程段闪电月发生次数，如图5所示。由图5可知，全部高程区域6—8月均为闪电高发期，但闪电发生最多月份因高低海拔区域有区别，高程437 m以下区域闪电发生次数最多月份为8月，次高月份为7月，其他高程区域闪电发生次数最多月份均为7月，次高月份为8月，此外，高程437 m以下2个高程段5月和4月闪电发生次数变化率大于其他区域，较早进入闪电多发期。

图5 不同高程段闪电月分布图

3 太行山脉地形因素对雷电的影响分析

3.1 方法

以DEM资料为基础，使用ArcGis中的3DAnalyst工具提取高程、坡度、坡向因素。高程是某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离；坡度指过该点的切平面与水平地面的夹角，表示地表面在该点的倾斜程度；坡向是地表面上一点切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点正北方向的夹角，表征了该点高程值改变最大变化方向[10]。根据自然间断点分级法对高程和坡度进行分类。通过提取工具提取将各因素提取至1 km2网格年平均闪电频数和闪电强度，根据提取结果分析各因素对应的闪电分布特征。

3.2 高程对雷电的影响

不同高程段网格平均闪电频数、强度分布分别如图6、图7。由6图可知，高程分级988～1 074 m段，网格平均闪电频数达到最低值后，各分级高程段间网格平均闪电频数明显呈上升趋势，认为太行山高程1 000 m以下区域闪电发生概率无明显变化，超过1 000 m后，闪电发生概率随高度增加。由图7可知，网格平均闪电强度与频率规律正好相反，在高程分级988～1 074 m段后，各分级高程段间网格平均闪电强度呈下降趋势，但变化不明显。

图6 不同高程段网格平均闪电频数分布图

图7 不同高程段网格平均闪电强度分布图

3.3 坡度对雷电的影响

不同坡度段网格平均闪电频数、强度分布分别如图8、图9所示。由图8可知，网格平均闪电频数在中心点坡度11.42～46.59范围内较为平稳，小于11.42以及大于46.59坡度范围内有明显变化，整体来看，坡度较大网格闪电频数较高。由图9可知，网格平均闪电强度随中心点坡度变化不明显，整体较为平稳。

图8 不同坡度段网格平均闪电频数分布图

图9 不同坡度段网格平均闪电强度分布图

3.4 坡向对雷电的影响

不同坡向网格平均闪电频数、强度分布分别如图10、图11所示。除平面网格平均闪电频数较少、平均闪电强度较大外，不同坡向闪电发生频次、强度无明显变化。

图10 不同坡向网格平均闪电频数分布图

图11 不同坡向网格平均闪电强度分布图

4 结论

分析太行山闪电活动特征，得到以下结论：①太行山山势东陡西缓、北高南低，闪电发生频数为中部、北部多于南部，东部多于西部，平均闪电强度较高区域山脉南侧较为集中；②5—10月闪电多发，负闪电明显多于正闪电，低海拔区域，较早进入闪电多发期，闪电发生次数最多月份为8月，次高月份为7月，高海拔区域闪电发生次数最多月份均为7月，次高月份为8月；③闪电发生频率与高程、坡度存在一定相关性，较高海拔区域，发生频率随高程、坡度增加而增加。