魏 慶, 周 威, 陳小塵, 吳 容, 謝亞雄, 張婧雯

(1.四川省防雷中心,四川 成都 610072;2.四川省氣象臺(tái),四川 成都 610072)

0 引言

四川省橫跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地以及四川盆地等幾大地貌單元,海拔高度從200 m到5000 m以上,包括平原、丘陵、山地、高原等多種地形,其海拔懸殊巨大,地形構(gòu)造極為復(fù)雜[1-2]。 研究表明,地形是觸發(fā)和加強(qiáng)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的重要條件之一,而閃電又是最為常見(jiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣之一[3-6],所以研究閃電的活動(dòng)特征與海拔高度的關(guān)系有重要意義。

目前,國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于閃電與海拔高度關(guān)系的一些研究:馬明等[7]分析了中國(guó)及周邊地區(qū)的閃電密度分布,發(fā)現(xiàn)喜馬拉雅山系南側(cè)的平均閃電密度為北側(cè)的10 倍,而中國(guó)內(nèi)陸地區(qū)東部為西部的3 倍且東部濕潤(rùn)地區(qū)高閃密度帶經(jīng)常出現(xiàn)在南北或者東北-西南走向,其海拔高度在500 ～1500 m的中尺度山脈和丘陵地帶,而低密度帶則容易出現(xiàn)在山間谷地和平原地區(qū)。Mazarakis N 等[8]分析了希臘地區(qū)閃電活動(dòng)特征與海拔高度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)閃電的密度與海拔高度呈正相關(guān)。但是,劉海兵等[9]指出江西地區(qū)的閃電密度隨著海拔高度的上升逐漸減小,呈顯著的負(fù)相關(guān),而正負(fù)閃電的平均強(qiáng)度隨著海拔高度的上升而增強(qiáng),呈顯著的正相關(guān)。 李政等[10]發(fā)現(xiàn)重慶地區(qū)正地閃平均強(qiáng)度隨海拔上升變化較明顯,尤其是在高海拔地區(qū),且閃電強(qiáng)度超過(guò)200 kA的大幅值閃電在不同海拔時(shí)所占比例是不同的,比低海拔地區(qū)大。 可見(jiàn)不同地區(qū)或區(qū)域,其海拔高度與閃電活動(dòng)特征的相關(guān)性是存在差異的。

因此,研究不同地區(qū)不同海拔高度對(duì)應(yīng)的閃電活動(dòng)特征,不僅對(duì)了解該地區(qū)的閃電活動(dòng)規(guī)律有積極的意義,而且對(duì)當(dāng)?shù)胤览诇p災(zāi)工作有重要的指導(dǎo)價(jià)值。另外,與其他省份相比,四川省海拔高度差異巨大,以四川盆地、川西高原及攀西地區(qū)構(gòu)成了復(fù)雜的地形分布特征,其閃電災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。 尤其是近年來(lái)雷電引起森林火災(zāi)事件頻發(fā),引起了相關(guān)部門的高度重視。然而,目前針對(duì)于四川省閃電特征與海拔高度的相關(guān)性研究極少,所以非常有必要開(kāi)展相關(guān)研究。

1 數(shù)據(jù)資料

研究選取2015-2019 年四川省ADTD(advanced TOA and direction system)地閃定位系統(tǒng)資料[11-12],ADTD 雷電定位系統(tǒng)是專門探測(cè)云地閃(簡(jiǎn)稱地閃)的,該方法主要是基于TOA(time of arrival)定位方法,即測(cè)量信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間,然后轉(zhuǎn)換為距離,從而進(jìn)行定位,該方法至少需要3 個(gè)基站同時(shí)定位。 系統(tǒng)平均探測(cè)效率為90%,探測(cè)范圍約300 km,四川共有19 部ADTD 定位儀,能夠完全覆蓋全省范圍,具體分布如圖1 所示。 選取時(shí)段內(nèi)共計(jì)發(fā)生地閃2785031次,平均每年發(fā)生557006 次,包括負(fù)地閃516800 次,正地閃40206 次,負(fù)地閃頻次明顯多于正地閃,前者約為后者的13 倍;負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱強(qiáng)度)則弱于正地閃,負(fù)地閃平均強(qiáng)度為11.5 kA,正地閃平均強(qiáng)度為33.8 kA,后者約為前者的3 倍。 而且不同的地理區(qū)域、海拔高度對(duì)應(yīng)的閃電頻次和強(qiáng)度存在明顯差異。 研究采用臨近插值方法,根據(jù)閃電經(jīng)緯度信息將所有閃電數(shù)據(jù)依次插值到0.05°×0.05°格點(diǎn)中[13],建立閃電格點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)集,即形成閃電的年平均密度,文中的閃電密度均指的是0.05°×0.05°范圍(約5 km×5 km)內(nèi)閃電的年平均次數(shù)。 另外,研究還選取了四川省測(cè)繪局的地理信息海拔高度格點(diǎn)數(shù)據(jù)(0.05°×0.05°),形成與閃電格點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的格點(diǎn)海拔高度,圖2 給出了全省海拔高度的空間分布圖。

圖1 四川省閃電定位儀位置分布圖

圖2 四川省海拔高度分布圖

2 閃電的空間分布特征

2.1 閃電密度的空間分布特征

閃電密度一定程度上能表征雷暴活動(dòng)強(qiáng)弱[5],也能為強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)提供參考。 圖3 給出了2015-2019 年總地閃、正地閃以及負(fù)地閃的年平均密度空間分布特征。如圖3(a)所示,除盆周山區(qū)以外,四川盆地的閃電密度主要為30～100 次,越往盆地的中心(靠近重慶西部區(qū)域)密度相對(duì)更大;涼山州北部和中部、攀枝花市大部密度在2.0次以上,密度高值中心位于該地區(qū),密度最大的達(dá)200次以上,但區(qū)域非常小,主要位于涼山州的中部(西昌市)和南部(會(huì)理縣),可見(jiàn)攀西地區(qū)是一個(gè)雷暴活動(dòng)較為旺盛的區(qū)域;川西高原(阿壩州、甘孜州)的閃電密度整體上比盆地和攀西地區(qū)的要少1 ～2 個(gè)等級(jí),多數(shù)在10 ～20次,中心大值區(qū)也在50 次以下,其中甘孜州西部和北部、阿壩州東部和北部以及攀西地區(qū)南部邊緣,密度最小的更是小于10 次。 由于正地閃發(fā)生的頻次更低,所以正地閃的密度更小,基本在5 次以下,其中阿壩州北部、涼山州中部的極小區(qū)域能夠達(dá)到5～10 次,如圖3(b)所示。 負(fù)地閃密度的空間分布與總地閃的非常相似(圖3c),是因?yàn)樨?fù)地閃的頻次明顯多于正地閃,總閃以負(fù)地閃為主。

圖3 四川省年平均閃電密度分布圖

結(jié)合海拔高度空間分布特征(圖2),發(fā)現(xiàn)海拔高度在0.5 km以下和1.0 ～2.0 km對(duì)應(yīng)的閃電密度更大,均能夠超過(guò)50 次。 可見(jiàn),海拔高度更低和地形更為復(fù)雜的區(qū)域閃電密度更大,這可能與低海拔區(qū)域的能量、水汽條件相對(duì)更好、山地地形抬升作用更強(qiáng)有一定的關(guān)系[14]。

2.2 閃電電流強(qiáng)度的空間分布特征

電流強(qiáng)度是閃電本身最重要的特征之一,尤其是與雷電防護(hù)工作息息相關(guān),不同的電流強(qiáng)度等級(jí)對(duì)雷電防護(hù)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)也必然不同[7-8]。 圖4 給出了全省地閃平均強(qiáng)度的空間分布特征,從圖4(a)總地閃強(qiáng)度的分布特征來(lái)看,全省絕大多數(shù)地區(qū)的閃電平均強(qiáng)度均在20 kA以下且10 kA以下的區(qū)域較為分散,而阿壩州北部(若爾蓋、九寨溝)的部分區(qū)域能達(dá)20 ～30 kA,甘孜州西北部閃電平均強(qiáng)度分布比較特別,既有小于10 kA的,又有超過(guò)50 kA的,分布非常不均。 除甘孜州西北部外,正地閃強(qiáng)度基本上均超過(guò)10 kA,其中,四川盆地的正地閃強(qiáng)度主要分布在20 ～50 kA,而盆地南部(宜賓、瀘州)和東北部(巴中、達(dá)州、廣安)的強(qiáng)度更強(qiáng),能夠達(dá)到50～100 kA,同樣分布較為分散(圖4b)。 負(fù)地閃空間分布特征與總地閃較為相似,但10 kA以下的范圍更廣且更為集中(圖4c)。 另外,研究還發(fā)現(xiàn)盡管涼山州北部和中部的閃電密度較大,但對(duì)應(yīng)的正地閃強(qiáng)度卻相對(duì)更弱,基本在30 kA以下,而密度更小的區(qū)域?qū)?yīng)的正地閃強(qiáng)度更大,能夠達(dá)50 kA以上。

同樣結(jié)合海拔高度的分布特征(圖2),四川盆地的負(fù)地閃強(qiáng)度具有一定的規(guī)律可循,其北部、南部海拔高度在0.5 ～1.0 km的山地區(qū)域,強(qiáng)度集中分布在10～20 kA,而海拔小于0.5 km 的區(qū)域則主要分布在10 kA以下;攀西地區(qū)海拔高度在1.0 ～2.0 km的狹長(zhǎng)地形帶區(qū)域?qū)?yīng)的負(fù)閃電強(qiáng)度多數(shù)在10 kA以下,而超過(guò)2.0 km海拔的區(qū)域則大多數(shù)都在20 kA以上。 綜上分析,說(shuō)明四川盆地和攀西地區(qū)負(fù)地閃強(qiáng)度與海拔高度在空間上呈正相關(guān),即海拔高度越高對(duì)應(yīng)的負(fù)地閃強(qiáng)度越強(qiáng)。

3 閃電特征和海拔高度的關(guān)系分析

3.1 閃電強(qiáng)度和密度與海拔高度的相關(guān)性分析

針對(duì)兩個(gè)或多個(gè)變量進(jìn)行相關(guān)性分析,進(jìn)而判斷變量的相關(guān)密切程度,而變量之間也應(yīng)存在一定的聯(lián)系,相關(guān)性并不代表因果關(guān)系。 本研究利用皮爾遜(Pearson)雙變量相關(guān)性檢驗(yàn)[15-16],對(duì)閃電密度和強(qiáng)度與海拔高度的相關(guān)性進(jìn)行分析。 其中,Pearson 相關(guān)系數(shù)r的算法公式:

式中,X和Y為變量因子,和為變量的平均值。

通過(guò)數(shù)據(jù)篩選,排除奇異值等,共計(jì)31623 個(gè)樣本變量納入統(tǒng)計(jì)分析。 表1 給出了正、負(fù)地閃的密度和強(qiáng)度分別與海拔高度的相關(guān)性分析結(jié)果。 除了正地閃密度沒(méi)有通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn),其余變量的顯著性水平均為0.00,全部通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)[7](顯著性水平超過(guò)0.05,則沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),即無(wú)相關(guān)性),說(shuō)明正地閃密度的分布與海拔高度無(wú)關(guān)。 然而,負(fù)地閃密度與海拔高度存在明顯的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.42,表明隨海拔高度的增加負(fù)地閃密度越小。 同樣,正地閃強(qiáng)度和負(fù)地閃強(qiáng)度與海拔高度均存在一定的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.093和-0.072,但是相關(guān)性沒(méi)有負(fù)地閃密度的強(qiáng)。

表1 閃電密度和強(qiáng)度與海拔高度的相關(guān)性分析

3.2 不同海拔高度的閃電(正、負(fù))平均密度分布特征

為進(jìn)一步分析海拔高度的變化與閃電密度和強(qiáng)度的關(guān)系,對(duì)海拔高度進(jìn)行了等級(jí)范圍劃分,并對(duì)比分析不同海拔高度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的閃電密度和強(qiáng)度的關(guān)系。該高度劃分與地形地貌分類有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1],這里不具體展開(kāi)。

圖5 為不同海拔高度段和對(duì)應(yīng)的閃電年平均密度分布關(guān)系圖。 結(jié)果表明,不同海拔高段對(duì)應(yīng)的負(fù)地閃年平均密度均明顯高于正地閃。 負(fù)地閃年平均密度隨海拔高度的增加呈減少的趨勢(shì)(藍(lán)色柱形圖),與相關(guān)性分析結(jié)果一致。 當(dāng)海拔高度低于0.5 km時(shí),負(fù)地閃密度為39.0次,明顯高于其他海拔高度段所對(duì)應(yīng)的;其次是海拔高度在0.5 ～1.0 km時(shí),為20.3次;當(dāng)海拔高度在2.0 ～3.0 km時(shí),為14.0次,僅比海拔低于1.0 km對(duì)應(yīng)的負(fù)地閃年平均密度小;當(dāng)海拔高度高于4.0 km時(shí),負(fù)地閃年平均密度僅有7.2次。

圖5 不同海拔高度范圍與閃電平均密度分布關(guān)系圖

正地閃平均密度相對(duì)負(fù)地閃的明顯偏小,各海拔高度段對(duì)應(yīng)的正地閃年平均密度均在1.0次左右,當(dāng)海拔高度低于0.5 km時(shí),密度最大,但只有1.6次。 盡管前面結(jié)果顯示正地閃密度和海拔高度沒(méi)有明顯的相關(guān)性,但是從不同海拔高度范圍分析來(lái)看(紅色柱形圖),隨著海拔高度的增加,正地閃年平均密度呈先減小再增加的趨勢(shì),海拔高度在1.0 ～1.5 km,對(duì)應(yīng)的正地閃年平均密度最小,僅有0.8次,從海拔高度空間分布圖可知,該海拔高度主要集中在盆地周邊山區(qū)一地帶,屬于高原與盆地的過(guò)渡帶區(qū)域。

3.3 不同海拔高度的閃電平均強(qiáng)度分布特征

圖6 為不同海拔高度范圍與閃電平均電流強(qiáng)度的關(guān)系分布圖。 結(jié)果表明,不同海拔高度范圍的正地閃強(qiáng)度均強(qiáng)于負(fù)地閃強(qiáng)度,前者約為后者的2 ～3 倍。 整體上,兩者與各海拔高度范圍的關(guān)系同相關(guān)性分析結(jié)果一致,均無(wú)明顯的相關(guān)性。 正地閃(紅色柱形圖)和負(fù)地閃(藍(lán)色柱形圖)強(qiáng)度均在海拔高度1.0 ～1.5 km為最強(qiáng),分別為44.3 kA和17.5 kA,結(jié)合海拔高度的空間分布,發(fā)現(xiàn)1.0 ～1.5 km的海拔高度主要集中在盆周山區(qū)一帶,即海拔高度跨度最明顯的區(qū)域,該區(qū)域閃電強(qiáng)度最強(qiáng)應(yīng)該與地形抬升作用有一定的關(guān)系。 平均強(qiáng)度最弱的正地閃分布在海拔高度3.0 ～4.0 km,即川西高原和攀西地區(qū)西北部的高原地區(qū),為32.4 kA,由于海拔高度越高,能量條件相對(duì)低海拔地區(qū)較差,而正地閃的發(fā)生需要在更高的位置放電[3-4],這可能是高海拔地區(qū)正閃強(qiáng)度相對(duì)較弱的原因;平均強(qiáng)度最弱的負(fù)地閃分布在海拔高度小于0.5 km 的盆地內(nèi),為11.5 kA,該海拔主要為平原地區(qū),沒(méi)有明顯的地形抬升作用,若一般的對(duì)流發(fā)展高度可能不會(huì)太高,所以負(fù)地閃強(qiáng)度相對(duì)較弱。

圖6 不同海拔高度范圍與閃電強(qiáng)度分布關(guān)系圖

另外,閃電強(qiáng)度是閃電最重要的特征之一,也是雷電防護(hù)和研究最關(guān)注的參量之一,所以將正、負(fù)閃電強(qiáng)度進(jìn)行再分級(jí),并分析其在不同海拔高度范圍內(nèi)的占比,為雷電防護(hù)、防雷檢測(cè)等工作提供參考。 表2將閃電強(qiáng)度CI(current intensity)劃分為5 個(gè)等級(jí),其中30～50 kA占比最多,達(dá)到了42.2%,其次是20 ～30 kA,為29.9%,而小于10 kA的僅有0.1%。 具體分析,30 ～50 kA的正地閃在各個(gè)海拔高度段分布較為均勻,其中占比最多的兩個(gè)在海拔高度為0.5 ～1.0 km和4.0 km以上,分別為17.4%和17.0%,其余的在各海拔高度占比約10% ～15%。 另外,10 kA以下、10 ～20 kA及20～30 kA的正地閃則主要分布在海拔3.0 km以上,分別占比36.1%、59.8%及46.1%,可見(jiàn)電流強(qiáng)度更弱的正地閃容易發(fā)生在高海拔地區(qū)。 而強(qiáng)度超過(guò)50 kA的閃電則主要集中在0.5 ～1.0 km、1.0 ～1.5 km及4.0 km以上,分別占比19.2%、20.7%及22.1%,3 個(gè)海拔高度段共計(jì)占比62%。

表2 正地閃平均強(qiáng)度閃電在不同海拔高度中的比例分布單位:%

同樣地,類似于正地閃的劃分等級(jí),表3 也給出了負(fù)地閃強(qiáng)度在不同海拔段的占比情況。 與正地閃強(qiáng)度占比不同的是,負(fù)地閃強(qiáng)度主要集中在20 kA以下,明顯弱于正地閃,其中10 ～20 kA占比最多為56.4%,其次是10 kA以下占比28%,而對(duì)應(yīng)正地閃強(qiáng)度占比最多的是30 ～50 kA,為42.2%,此強(qiáng)度負(fù)地閃僅占比2.3%。 具體分析,10 ～20 kA的負(fù)地閃在各個(gè)海拔高度段分布同樣較為均勻,且最多的兩個(gè)占比與正地閃完全一致,出現(xiàn)在海拔高度為0.5 ～1.0 km和4.0 km以上,分別為17.3%和17.1%,其余的在各海拔高度段占比分布在9% ～16%。 10 kA以下強(qiáng)度的負(fù)地閃則主要分布在海拔4.0 km以上,占比為31.1%。 而超過(guò)30 kA的閃電則主要集中在海拔4.0 km以上,其中30～50 kA在該海拔高度占比32.4%,50 kA 以上占比40.4%,可見(jiàn)電流強(qiáng)度更強(qiáng)的負(fù)地閃更容易發(fā)生在高海拔地區(qū)。

表3 負(fù)地閃平均強(qiáng)度閃電在不同海拔高度中的比例分布單位:%

4 結(jié)論

(1)四川省2015 ～2019 年共計(jì)發(fā)生地閃2785031次,平均每年發(fā)生557006 次,包括負(fù)地閃516800 次,正地閃40206 次,負(fù)地閃頻次明顯多于正地閃,前者約為后者的13 倍;負(fù)地閃平均強(qiáng)度則弱于正地閃,負(fù)地閃平均強(qiáng)度為11.5 kA,正地閃的平均強(qiáng)度為33.8 kA,后者約為前者的3 倍。

(2)全省海拔呈西高東低特征,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,攀西地區(qū)主要在1.5 ～3.0 km,中部一線存在明顯的低海拔狹長(zhǎng)的復(fù)雜地形帶(海拔在1.0 ～2.0 km)。 當(dāng)海拔高度低于0.5 km的盆地東部和地形更為復(fù)雜的攀西地區(qū)狹長(zhǎng)低海拔地形帶(1.0 ～2.0 km)的閃電密度更大,年平均閃電密度超過(guò)50 ～100 次/(a·25 km2)或以上,這可能與低海拔區(qū)域的能量、水汽條件相對(duì)更好以及山地地形抬升作用更強(qiáng)有一定的關(guān)系。

(3)隨海拔高度的增加負(fù)地閃密度呈減少的趨勢(shì),兩者呈明顯的負(fù)相關(guān),其相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.42,其中當(dāng)海拔高度低于0.5 km時(shí),負(fù)地閃年平均密度最大,為39.0次;當(dāng)海拔高度高于4.0 km時(shí),負(fù)地閃年平均密度最小,僅有7.2次。 正地閃平均密度相對(duì)負(fù)地閃的明顯偏小,正地閃年平均密度呈先減小再增加的趨勢(shì),當(dāng)海拔高度低于0.5 km時(shí),密度最大,但也只有1.6次,當(dāng)海拔高度在1.0 ～1.5 km,正地閃年平均密度最小,僅有0.8次。

(4)正地閃和負(fù)地閃平均強(qiáng)度均在海拔高度為1.0 ～1.5 km為最強(qiáng)(盆地西部沿山和攀西地區(qū),分別為44.3 kA和17.5 kA,即地形海拔跨度最大和最為復(fù)雜的地區(qū),同樣與地形抬升作用有關(guān)系,而電流強(qiáng)度較弱的正地閃和電流強(qiáng)度更強(qiáng)的負(fù)地閃偏向于發(fā)生在海拔更高的地區(qū)。