四川省闪电活动特征及其与海拔高度的关系分析

魏 庆, 周 威, 陈小尘, 吴 容, 谢亚雄, 张婧雯

(1.四川省防雷中心,四川 成都 610072;2.四川省气象台,四川 成都 610072)

0 引言

四川省横跨青藏高原、横断山脉、云贵高原、秦巴山地以及四川盆地等几大地貌单元,海拔高度从200 m到5000 m以上,包括平原、丘陵、山地、高原等多种地形,其海拔悬殊巨大,地形构造极为复杂[1-2]。 研究表明,地形是触发和加强强对流天气发生的重要条件之一,而闪电又是最为常见的强对流天气之一[3-6],所以研究闪电的活动特征与海拔高度的关系有重要意义。

目前,国内外已有关于闪电与海拔高度关系的一些研究:马明等[7]分析了中国及周边地区的闪电密度分布,发现喜马拉雅山系南侧的平均闪电密度为北侧的10 倍,而中国内陆地区东部为西部的3 倍且东部湿润地区高闪密度带经常出现在南北或者东北-西南走向,其海拔高度在500 ～1500 m的中尺度山脉和丘陵地带,而低密度带则容易出现在山间谷地和平原地区。Mazarakis N 等[8]分析了希腊地区闪电活动特征与海拔高度的关系,发现闪电的密度与海拔高度呈正相关。但是,刘海兵等[9]指出江西地区的闪电密度随着海拔高度的上升逐渐减小,呈显著的负相关,而正负闪电的平均强度随着海拔高度的上升而增强,呈显著的正相关。 李政等[10]发现重庆地区正地闪平均强度随海拔上升变化较明显,尤其是在高海拔地区,且闪电强度超过200 kA的大幅值闪电在不同海拔时所占比例是不同的,比低海拔地区大。 可见不同地区或区域,其海拔高度与闪电活动特征的相关性是存在差异的。

因此,研究不同地区不同海拔高度对应的闪电活动特征,不仅对了解该地区的闪电活动规律有积极的意义,而且对当地防雷减灾工作有重要的指导价值。另外,与其他省份相比,四川省海拔高度差异巨大,以四川盆地、川西高原及攀西地区构成了复杂的地形分布特征,其闪电灾害时常发生。 尤其是近年来雷电引起森林火灾事件频发,引起了相关部门的高度重视。然而,目前针对于四川省闪电特征与海拔高度的相关性研究极少,所以非常有必要开展相关研究。

1 数据资料

研究选取2015-2019 年四川省ADTD(advanced TOA and direction system)地闪定位系统资料[11-12],ADTD 雷电定位系统是专门探测云地闪(简称地闪)的,该方法主要是基于TOA(time of arrival)定位方法,即测量信号到达不同基站的时间,然后转换为距离,从而进行定位,该方法至少需要3 个基站同时定位。 系统平均探测效率为90%,探测范围约300 km,四川共有19 部ADTD 定位仪,能够完全覆盖全省范围,具体分布如图1 所示。 选取时段内共计发生地闪2785031次,平均每年发生557006 次,包括负地闪516800 次,正地闪40206 次,负地闪频次明显多于正地闪,前者约为后者的13 倍;负地闪平均电流强度(简称强度)则弱于正地闪,负地闪平均强度为11.5 kA,正地闪平均强度为33.8 kA,后者约为前者的3 倍。 而且不同的地理区域、海拔高度对应的闪电频次和强度存在明显差异。 研究采用临近插值方法,根据闪电经纬度信息将所有闪电数据依次插值到0.05°×0.05°格点中[13],建立闪电格点样本数据集,即形成闪电的年平均密度,文中的闪电密度均指的是0.05°×0.05°范围(约5 km×5 km)内闪电的年平均次数。 另外,研究还选取了四川省测绘局的地理信息海拔高度格点数据(0.05°×0.05°),形成与闪电格点一一对应的格点海拔高度,图2 给出了全省海拔高度的空间分布图。

图1 四川省闪电定位仪位置分布图

图2 四川省海拔高度分布图

2 闪电的空间分布特征

2.1 闪电密度的空间分布特征

闪电密度一定程度上能表征雷暴活动强弱[5],也能为强对流天气预报提供参考。 图3 给出了2015-2019 年总地闪、正地闪以及负地闪的年平均密度空间分布特征。如图3(a)所示,除盆周山区以外,四川盆地的闪电密度主要为30～100 次,越往盆地的中心(靠近重庆西部区域)密度相对更大;凉山州北部和中部、攀枝花市大部密度在2.0次以上,密度高值中心位于该地区,密度最大的达200次以上,但区域非常小,主要位于凉山州的中部(西昌市)和南部(会理县),可见攀西地区是一个雷暴活动较为旺盛的区域;川西高原(阿坝州、甘孜州)的闪电密度整体上比盆地和攀西地区的要少1 ～2 个等级,多数在10 ～20次,中心大值区也在50 次以下,其中甘孜州西部和北部、阿坝州东部和北部以及攀西地区南部边缘,密度最小的更是小于10 次。 由于正地闪发生的频次更低,所以正地闪的密度更小,基本在5 次以下,其中阿坝州北部、凉山州中部的极小区域能够达到5～10 次,如图3(b)所示。 负地闪密度的空间分布与总地闪的非常相似(图3c),是因为负地闪的频次明显多于正地闪,总闪以负地闪为主。

图3 四川省年平均闪电密度分布图

结合海拔高度空间分布特征(图2),发现海拔高度在0.5 km以下和1.0 ～2.0 km对应的闪电密度更大,均能够超过50 次。 可见,海拔高度更低和地形更为复杂的区域闪电密度更大,这可能与低海拔区域的能量、水汽条件相对更好、山地地形抬升作用更强有一定的关系[14]。

2.2 闪电电流强度的空间分布特征

电流强度是闪电本身最重要的特征之一,尤其是与雷电防护工作息息相关,不同的电流强度等级对雷电防护的防护标准也必然不同[7-8]。 图4 给出了全省地闪平均强度的空间分布特征,从图4(a)总地闪强度的分布特征来看,全省绝大多数地区的闪电平均强度均在20 kA以下且10 kA以下的区域较为分散,而阿坝州北部(若尔盖、九寨沟)的部分区域能达20 ～30 kA,甘孜州西北部闪电平均强度分布比较特别,既有小于10 kA的,又有超过50 kA的,分布非常不均。 除甘孜州西北部外,正地闪强度基本上均超过10 kA,其中,四川盆地的正地闪强度主要分布在20 ～50 kA,而盆地南部(宜宾、泸州)和东北部(巴中、达州、广安)的强度更强,能够达到50～100 kA,同样分布较为分散(图4b)。 负地闪空间分布特征与总地闪较为相似,但10 kA以下的范围更广且更为集中(图4c)。 另外,研究还发现尽管凉山州北部和中部的闪电密度较大,但对应的正地闪强度却相对更弱,基本在30 kA以下,而密度更小的区域对应的正地闪强度更大,能够达50 kA以上。

同样结合海拔高度的分布特征(图2),四川盆地的负地闪强度具有一定的规律可循,其北部、南部海拔高度在0.5 ～1.0 km的山地区域,强度集中分布在10～20 kA,而海拔小于0.5 km 的区域则主要分布在10 kA以下;攀西地区海拔高度在1.0 ～2.0 km的狭长地形带区域对应的负闪电强度多数在10 kA以下,而超过2.0 km海拔的区域则大多数都在20 kA以上。 综上分析,说明四川盆地和攀西地区负地闪强度与海拔高度在空间上呈正相关,即海拔高度越高对应的负地闪强度越强。

3 闪电特征和海拔高度的关系分析

3.1 闪电强度和密度与海拔高度的相关性分析

针对两个或多个变量进行相关性分析,进而判断变量的相关密切程度,而变量之间也应存在一定的联系,相关性并不代表因果关系。 本研究利用皮尔逊(Pearson)双变量相关性检验[15-16],对闪电密度和强度与海拔高度的相关性进行分析。 其中,Pearson 相关系数r的算法公式:

式中,X和Y为变量因子,和为变量的平均值。

通过数据筛选,排除奇异值等,共计31623 个样本变量纳入统计分析。 表1 给出了正、负地闪的密度和强度分别与海拔高度的相关性分析结果。 除了正地闪密度没有通过显著性水平检验,其余变量的显著性水平均为0.00,全部通过了0.01的显著性检验[7](显著性水平超过0.05,则没有通过显著性检验,即无相关性),说明正地闪密度的分布与海拔高度无关。 然而,负地闪密度与海拔高度存在明显的负相关,相关系数达到了-0.42,表明随海拔高度的增加负地闪密度越小。 同样,正地闪强度和负地闪强度与海拔高度均存在一定的负相关,相关系数分别为-0.093和-0.072,但是相关性没有负地闪密度的强。

表1 闪电密度和强度与海拔高度的相关性分析

3.2 不同海拔高度的闪电(正、负)平均密度分布特征

为进一步分析海拔高度的变化与闪电密度和强度的关系,对海拔高度进行了等级范围划分,并对比分析不同海拔高度范围内对应的闪电密度和强度的关系。该高度划分与地形地貌分类有一定的对应关系[1],这里不具体展开。

图5 为不同海拔高度段和对应的闪电年平均密度分布关系图。 结果表明,不同海拔高段对应的负地闪年平均密度均明显高于正地闪。 负地闪年平均密度随海拔高度的增加呈减少的趋势(蓝色柱形图),与相关性分析结果一致。 当海拔高度低于0.5 km时,负地闪密度为39.0次,明显高于其他海拔高度段所对应的;其次是海拔高度在0.5 ～1.0 km时,为20.3次;当海拔高度在2.0 ～3.0 km时,为14.0次,仅比海拔低于1.0 km对应的负地闪年平均密度小;当海拔高度高于4.0 km时,负地闪年平均密度仅有7.2次。

图5 不同海拔高度范围与闪电平均密度分布关系图

正地闪平均密度相对负地闪的明显偏小,各海拔高度段对应的正地闪年平均密度均在1.0次左右,当海拔高度低于0.5 km时,密度最大,但只有1.6次。 尽管前面结果显示正地闪密度和海拔高度没有明显的相关性,但是从不同海拔高度范围分析来看(红色柱形图),随着海拔高度的增加,正地闪年平均密度呈先减小再增加的趋势,海拔高度在1.0 ～1.5 km,对应的正地闪年平均密度最小,仅有0.8次,从海拔高度空间分布图可知,该海拔高度主要集中在盆地周边山区一地带,属于高原与盆地的过渡带区域。

3.3 不同海拔高度的闪电平均强度分布特征

图6 为不同海拔高度范围与闪电平均电流强度的关系分布图。 结果表明,不同海拔高度范围的正地闪强度均强于负地闪强度,前者约为后者的2 ～3 倍。 整体上,两者与各海拔高度范围的关系同相关性分析结果一致,均无明显的相关性。 正地闪(红色柱形图)和负地闪(蓝色柱形图)强度均在海拔高度1.0 ～1.5 km为最强,分别为44.3 kA和17.5 kA,结合海拔高度的空间分布,发现1.0 ～1.5 km的海拔高度主要集中在盆周山区一带,即海拔高度跨度最明显的区域,该区域闪电强度最强应该与地形抬升作用有一定的关系。 平均强度最弱的正地闪分布在海拔高度3.0 ～4.0 km,即川西高原和攀西地区西北部的高原地区,为32.4 kA,由于海拔高度越高,能量条件相对低海拔地区较差,而正地闪的发生需要在更高的位置放电[3-4],这可能是高海拔地区正闪强度相对较弱的原因;平均强度最弱的负地闪分布在海拔高度小于0.5 km 的盆地内,为11.5 kA,该海拔主要为平原地区,没有明显的地形抬升作用,若一般的对流发展高度可能不会太高,所以负地闪强度相对较弱。

图6 不同海拔高度范围与闪电强度分布关系图

另外,闪电强度是闪电最重要的特征之一,也是雷电防护和研究最关注的参量之一,所以将正、负闪电强度进行再分级,并分析其在不同海拔高度范围内的占比,为雷电防护、防雷检测等工作提供参考。 表2将闪电强度CI(current intensity)划分为5 个等级,其中30～50 kA占比最多,达到了42.2%,其次是20 ～30 kA,为29.9%,而小于10 kA的仅有0.1%。 具体分析,30 ～50 kA的正地闪在各个海拔高度段分布较为均匀,其中占比最多的两个在海拔高度为0.5 ～1.0 km和4.0 km以上,分别为17.4%和17.0%,其余的在各海拔高度占比约10% ～15%。 另外,10 kA以下、10 ～20 kA及20～30 kA的正地闪则主要分布在海拔3.0 km以上,分别占比36.1%、59.8%及46.1%,可见电流强度更弱的正地闪容易发生在高海拔地区。 而强度超过50 kA的闪电则主要集中在0.5 ～1.0 km、1.0 ～1.5 km及4.0 km以上,分别占比19.2%、20.7%及22.1%,3 个海拔高度段共计占比62%。

表2 正地闪平均强度闪电在不同海拔高度中的比例分布单位:%

同样地,类似于正地闪的划分等级,表3 也给出了负地闪强度在不同海拔段的占比情况。 与正地闪强度占比不同的是,负地闪强度主要集中在20 kA以下,明显弱于正地闪,其中10 ～20 kA占比最多为56.4%,其次是10 kA以下占比28%,而对应正地闪强度占比最多的是30 ～50 kA,为42.2%,此强度负地闪仅占比2.3%。 具体分析,10 ～20 kA的负地闪在各个海拔高度段分布同样较为均匀,且最多的两个占比与正地闪完全一致,出现在海拔高度为0.5 ～1.0 km和4.0 km以上,分别为17.3%和17.1%,其余的在各海拔高度段占比分布在9% ～16%。 10 kA以下强度的负地闪则主要分布在海拔4.0 km以上,占比为31.1%。 而超过30 kA的闪电则主要集中在海拔4.0 km以上,其中30～50 kA在该海拔高度占比32.4%,50 kA 以上占比40.4%,可见电流强度更强的负地闪更容易发生在高海拔地区。

表3 负地闪平均强度闪电在不同海拔高度中的比例分布单位:%

4 结论

(1)四川省2015 ～2019 年共计发生地闪2785031次,平均每年发生557006 次,包括负地闪516800 次,正地闪40206 次,负地闪频次明显多于正地闪,前者约为后者的13 倍;负地闪平均强度则弱于正地闪,负地闪平均强度为11.5 kA,正地闪的平均强度为33.8 kA,后者约为前者的3 倍。

(2)全省海拔呈西高东低特征,盆地海拔主要在0.2 ～1.0 km,川西高原主要在3.0 ～4.0 km及以上,攀西地区主要在1.5 ～3.0 km,中部一线存在明显的低海拔狭长的复杂地形带(海拔在1.0 ～2.0 km)。 当海拔高度低于0.5 km的盆地东部和地形更为复杂的攀西地区狭长低海拔地形带(1.0 ～2.0 km)的闪电密度更大,年平均闪电密度超过50 ～100 次/(a·25 km2)或以上,这可能与低海拔区域的能量、水汽条件相对更好以及山地地形抬升作用更强有一定的关系。

(3)随海拔高度的增加负地闪密度呈减少的趋势,两者呈明显的负相关,其相关系数达到了-0.42,其中当海拔高度低于0.5 km时,负地闪年平均密度最大,为39.0次;当海拔高度高于4.0 km时,负地闪年平均密度最小,仅有7.2次。 正地闪平均密度相对负地闪的明显偏小,正地闪年平均密度呈先减小再增加的趋势,当海拔高度低于0.5 km时,密度最大,但也只有1.6次,当海拔高度在1.0 ～1.5 km,正地闪年平均密度最小,仅有0.8次。

(4)正地闪和负地闪平均强度均在海拔高度为1.0 ～1.5 km为最强(盆地西部沿山和攀西地区,分别为44.3 kA和17.5 kA,即地形海拔跨度最大和最为复杂的地区,同样与地形抬升作用有关系,而电流强度较弱的正地闪和电流强度更强的负地闪偏向于发生在海拔更高的地区。