四川省閃電活動特征及其與海拔高度的關系分析

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,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,地形構造極為復雜[1-2]。 研究表明,地形是觸發和加強強對流天氣發生的重要條件之一,而閃電又是最為常見的強對流天氣之一[3-6],所以研究閃電的活動特征與海拔高度的關系有重要意義。

目前,國內外已有關于閃電與海拔高度關系的一些研究:馬明等[7]分析了中國及周邊地區的閃電密度分布,發現喜馬拉雅山系南側的平均閃電密度為北側的10 倍,而中國內陸地區東部為西部的3 倍且東部濕潤地區高閃密度帶經常出現在南北或者東北-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在山間谷地和平原地區。Mazarakis N 等[8]分析了希臘地區閃電活動特征與海拔高度的關系,發現閃電的密度與海拔高度呈正相關。但是,劉海兵等[9]指出江西地區的閃電密度隨著海拔高度的上升逐漸減小,呈顯著的負相關,而正負閃電的平均強度隨著海拔高度的上升而增強,呈顯著的正相關。 李政等[10]發現重慶地區正地閃平均強度隨海拔上升變化較明顯,尤其是在高海拔地區,且閃電強度超過200 kA的大幅值閃電在不同海拔時所占比例是不同的,比低海拔地區大。 可見不同地區或區域,其海拔高度與閃電活動特征的相關性是存在差異的。

因此,研究不同地區不同海拔高度對應的閃電活動特征,不僅對了解該地區的閃電活動規律有積極的意義,而且對當地防雷減災工作有重要的指導價值。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構成了復雜的地形分布特征,其閃電災害時常發生。 尤其是近年來雷電引起森林火災事件頻發,引起了相關部門的高度重視。然而,目前針對于四川省閃電特征與海拔高度的相關性研究極少,所以非常有必要開展相關研究。

1 數據資料

研究選取2015-2019 年四川省ADTD(advanced TOA and direction system)地閃定位系統資料[11-12],ADTD 雷電定位系統是專門探測云地閃(簡稱地閃)的,該方法主要是基于TOA(time of arrival)定位方法,即測量信號到達不同基站的時間,然后轉換為距離,從而進行定位,該方法至少需要3 個基站同時定位。 系統平均探測效率為90%,探測范圍約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。 選取時段內共計發生地閃2785031次,平均每年發生557006 次,包括負地閃516800 次,正地閃40206 次,負地閃頻次明顯多于正地閃,前者約為后者的13 倍;負地閃平均電流強度(簡稱強度)則弱于正地閃,負地閃平均強度為11.5 kA,正地閃平均強度為33.8 kA,后者約為前者的3 倍。 而且不同的地理區域、海拔高度對應的閃電頻次和強度存在明顯差異。 研究采用臨近插值方法,根據閃電經緯度信息將所有閃電數據依次插值到0.05°×0.05°格點中[13],建立閃電格點樣本數據集,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)內閃電的年平均次數。 另外,研究還選取了四川省測繪局的地理信息海拔高度格點數據(0.05°×0.05°),形成與閃電格點一一對應的格點海拔高度,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強弱[5],也能為強對流天氣預報提供參考。 圖3 給出了2015-2019 年總地閃、正地閃以及負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(靠近重慶西部區域)密度相對更大;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,密度最大的達200次以上,但區域非常小,主要位于涼山州的中部(西昌市)和南部(會理縣),可見攀西地區是一個雷暴活動較為旺盛的區域;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的要少1 ～2 個等級,多數在10 ～20次,中心大值區也在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南部邊緣,密度最小的更是小于10 次。 由于正地閃發生的頻次更低,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域能夠達到5～10 次,如圖3(b)所示。 負地閃密度的空間分布與總地閃的非常相似(圖3c),是因為負地閃的頻次明顯多于正地閃,總閃以負地閃為主。

圖3 四川省年平均閃電密度分布圖

結合海拔高度空間分布特征(圖2),發現海拔高度在0.5 km以下和1.0 ～2.0 km對應的閃電密度更大,均能夠超過50 次。 可見,海拔高度更低和地形更為復雜的區域閃電密度更大,這可能與低海拔區域的能量、水汽條件相對更好、山地地形抬升作用更強有一定的關系[14]。

2.2 閃電電流強度的空間分布特征

電流強度是閃電本身最重要的特征之一,尤其是與雷電防護工作息息相關,不同的電流強度等級對雷電防護的防護標準也必然不同[7-8]。 圖4 給出了全省地閃平均強度的空間分布特征,從圖4(a)總地閃強度的分布特征來看,全省絕大多數地區的閃電平均強度均在20 kA以下且10 kA以下的區域較為分散,而阿壩州北部(若爾蓋、九寨溝)的部分區域能達20 ～30 kA,甘孜州西北部閃電平均強度分布比較特別,既有小于10 kA的,又有超過50 kA的,分布非常不均。 除甘孜州西北部外,正地閃強度基本上均超過10 kA,其中,四川盆地的正地閃強度主要分布在20 ～50 kA,而盆地南部(宜賓、瀘州)和東北部(巴中、達州、廣安)的強度更強,能夠達到50～100 kA,同樣分布較為分散(圖4b)。 負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,研究還發現盡管涼山州北部和中部的閃電密度較大,但對應的正地閃強度卻相對更弱,基本在30 kA以下,而密度更小的區域對應的正地閃強度更大,能夠達50 kA以上。

同樣結合海拔高度的分布特征(圖2),四川盆地的負地閃強度具有一定的規律可循,其北部、南部海拔高度在0.5 ～1.0 km的山地區域,強度集中分布在10～20 kA,而海拔小于0.5 km 的區域則主要分布在10 kA以下;攀西地區海拔高度在1.0 ～2.0 km的狹長地形帶區域對應的負閃電強度多數在10 kA以下,而超過2.0 km海拔的區域則大多數都在20 kA以上。 綜上分析,說明四川盆地和攀西地區負地閃強度與海拔高度在空間上呈正相關,即海拔高度越高對應的負地閃強度越強。

3 閃電特征和海拔高度的關系分析

3.1 閃電強度和密度與海拔高度的相關性分析

針對兩個或多個變量進行相關性分析,進而判斷變量的相關密切程度,而變量之間也應存在一定的聯系,相關性并不代表因果關系。 本研究利用皮爾遜(Pearson)雙變量相關性檢驗[15-16],對閃電密度和強度與海拔高度的相關性進行分析。 其中,Pearson 相關系數r的算法公式:

式中,X和Y為變量因子,和為變量的平均值。

通過數據篩選,排除奇異值等,共計31623 個樣本變量納入統計分析。 表1 給出了正、負地閃的密度和強度分別與海拔高度的相關性分析結果。 除了正地閃密度沒有通過顯著性水平檢驗,其余變量的顯著性水平均為0.00,全部通過了0.01的顯著性檢驗[7](顯著性水平超過0.05,則沒有通過顯著性檢驗,即無相關性),說明正地閃密度的分布與海拔高度無關。 然而,負地閃密度與海拔高度存在明顯的負相關,相關系數達到了-0.42,表明隨海拔高度的增加負地閃密度越小。 同樣,正地閃強度和負地閃強度與海拔高度均存在一定的負相關,相關系數分別為-0.093和-0.072,但是相關性沒有負地閃密度的強。

表1 閃電密度和強度與海拔高度的相關性分析

3.2 不同海拔高度的閃電(正、負)平均密度分布特征

為進一步分析海拔高度的變化與閃電密度和強度的關系,對海拔高度進行了等級范圍劃分,并對比分析不同海拔高度范圍內對應的閃電密度和強度的關系。該高度劃分與地形地貌分類有一定的對應關系[1],這里不具體展開。

圖5 為不同海拔高度段和對應的閃電年平均密度分布關系圖。 結果表明,不同海拔高段對應的負地閃年平均密度均明顯高于正地閃。 負地閃年平均密度隨海拔高度的增加呈減少的趨勢(藍色柱形圖),與相關性分析結果一致。 當海拔高度低于0.5 km時,負地閃密度為39.0次,明顯高于其他海拔高度段所對應的;其次是海拔高度在0.5 ～1.0 km時,為20.3次;當海拔高度在2.0 ～3.0 km時,為14.0次,僅比海拔低于1.0 km對應的負地閃年平均密度小;當海拔高度高于4.0 km時,負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系圖

正地閃平均密度相對負地閃的明顯偏小,各海拔高度段對應的正地閃年平均密度均在1.0次左右,當海拔高度低于0.5 km時,密度最大,但只有1.6次。 盡管前面結果顯示正地閃密度和海拔高度沒有明顯的相關性,但是從不同海拔高度范圍分析來看(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,海拔高度在1.0 ～1.5 km,對應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一地帶,屬于高原與盆地的過渡帶區域。

3.3 不同海拔高度的閃電平均強度分布特征

圖6 為不同海拔高度范圍與閃電平均電流強度的關系分布圖。 結果表明,不同海拔高度范圍的正地閃強度均強于負地閃強度,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系同相關性分析結果一致,均無明顯的相關性。 正地閃(紅色柱形圖)和負地閃(藍色柱形圖)強度均在海拔高度1.0 ～1.5 km為最強,分別為44.3 kA和17.5 kA,結合海拔高度的空間分布,發現1.0 ～1.5 km的海拔高度主要集中在盆周山區一帶,即海拔高度跨度最明顯的區域,該區域閃電強度最強應該與地形抬升作用有一定的關系。 平均強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西北部的高原地區,為32.4 kA,由于海拔高度越高,能量條件相對低海拔地區較差,而正地閃的發生需要在更高的位置放電[3-4],這可能是高海拔地區正閃強度相對較弱的原因;平均強度最弱的負地閃分布在海拔高度小于0.5 km 的盆地內,為11.5 kA,該海拔主要為平原地區,沒有明顯的地形抬升作用,若一般的對流發展高度可能不會太高,所以負地閃強度相對較弱。

圖6 不同海拔高度范圍與閃電強度分布關系圖

另外,閃電強度是閃電最重要的特征之一,也是雷電防護和研究最關注的參量之一,所以將正、負閃電強度進行再分級,并分析其在不同海拔高度范圍內的占比,為雷電防護、防雷檢測等工作提供參考。 表2將閃電強度CI(current intensity)劃分為5 個等級,其中30～50 kA占比最多,達到了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的正地閃在各個海拔高度段分布較為均勻,其中占比最多的兩個在海拔高度為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%,可見電流強度更弱的正地閃容易發生在高海拔地區。 而強度超過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 個海拔高度段共計占比62%。

表2 正地閃平均強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,表3 也給出了負地閃強度在不同海拔段的占比情況。 與正地閃強度占比不同的是,負地閃強度主要集中在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%,而對應正地閃強度占比最多的是30 ～50 kA,為42.2%,此強度負地閃僅占比2.3%。 具體分析,10 ～20 kA的負地閃在各個海拔高度段分布同樣較為均勻,且最多的兩個占比與正地閃完全一致,出現在海拔高度為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以下強度的負地閃則主要分布在海拔4.0 km以上,占比為31.1%。 而超過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%,可見電流強度更強的負地閃更容易發生在高海拔地區。

表3 負地閃平均強度閃電在不同海拔高度中的比例分布單位:%

4 結論

(1)四川省2015 ～2019 年共計發生地閃2785031次,平均每年發生557006 次,包括負地閃516800 次,正地閃40206 次,負地閃頻次明顯多于正地閃,前者約為后者的13 倍;負地閃平均強度則弱于正地閃,負地閃平均強度為11.5 kA,正地閃的平均強度為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,攀西地區主要在1.5 ～3.0 km,中部一線存在明顯的低海拔狹長的復雜地形帶(海拔在1.0 ～2.0 km)。 當海拔高度低于0.5 km的盆地東部和地形更為復雜的攀西地區狹長低海拔地形帶(1.0 ～2.0 km)的閃電密度更大,年平均閃電密度超過50 ～100 次/(a·25 km2)或以上,這可能與低海拔區域的能量、水汽條件相對更好以及山地地形抬升作用更強有一定的關系。

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

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