四川省閃電與溫濕度的關系研究

魏 慶,周 威,謝亞雄,張 偉,段 煥

(1.四川省防雷中心,成都 610072;2.四川省氣象臺,成都 610072;3.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,成都 610072)

0 引言

閃電的發生發展與大氣的溫度、壓強、濕度以及降水等氣象要素密切相關,而溫度和濕度是氣象觀測最基本的要素,許多學者就閃電與溫濕度的相關性做了大量的研究和模擬試驗。

研究發現閃電活動對地面溫度和相對濕度有較為靈敏的響應,Price等[1]利用大氣環流模式得出全球閃電活動對全球范圍內地面氣溫季度平均值的年際變化都有靈敏的正響應;馬明等[2]指出在年際時間尺度上,全球總閃率對全球地表溫度的變化同樣是正響應,靈敏度為(17±7)%/K;Williams[3]通過對氣象資料和舒曼共振反演獲得的閃電資料的對比分析發現,月平均閃電密度與濕球溫度的季節變化有較好的一致性,閃電活動隨地面濕球溫度的增加呈近似線性增加;熊亞軍等[4]利用全球閃電資料和NCEP再分析資料研究了區域閃電密度對地面相對濕度的響應,指出在相對濕度較大的地區,相對濕度的增加不利于閃電活動的發生,在相對濕度較小的地區,相對濕度的增加有利于閃電活動的發生;袁湘玲等[5]指出70%RH～90%RH為閃電易發濕度區間,在閃電密度與濕度相關度高的區域,閃電更趨于集中發生在閃電易發濕度區間;柴賈然[6]分析了閃電強度與溫濕度的關系,發現閃電強度大于或小于60 kA時地面與高空的平均溫度無顯著性差異,但與地面及高空的相對濕度均存在顯著性差異。

雷暴發生的三要素是水汽、大氣層結不穩定和抬升觸發條件[7]。溫度和濕度(即能量和水汽條件)是影響雷暴發生發展的重要因素之一,開展閃電特征與溫度、濕度的相關性研究,對了解閃電活動規律有較高的價值。四川省地形復雜,海拔高差顯著,氣候類型多樣,閃電區域性特征差異明顯[8-10]。目前針對四川省閃電特征與溫度、濕度的相關性研究極少,所以開展相關的研究工作對進一步認識和了解四川省閃電的活動規律有積極意義,能夠為防雷減災提供指導,為閃電監測預警、預報提供背景支撐。

1 資料和方法

四川省閃電資料通過ADTD閃電監測定位系統組網探測獲取,該系統平均探測效率為90%,單站探測范圍約為300 km,探測精度小于300 m,探測要素包括閃電的發生時間、位置(經緯度)、極性、電流強度(峰值電流)和陡度等相關參數[11]。溫度和濕度資料為國家站逐小時觀測資料。以上資料均由四川省數據探測中心提供,數據經過嚴格質控。選擇盆地西北部的廣元和成都、東北部的達州、中部的遂寧、西南部的樂山、南部的宜賓以及川西高原的馬爾康和稻城、攀西地區的西昌和攀枝花10個典型城市作為研究對象,分析其閃電特征和溫濕度的關系。

根據中國氣象局閃電預報檢驗方法評分標準,即采用點對面的方式,掃描25 km半徑范圍內的閃電作為站點發生的閃電情況進行結果檢驗。利用2008—2020年4—10月閃電資料和地面溫度、相對濕度資料,以典型城市站點為中心,統計每小時半徑為25 km范圍內的閃電,同時提取與閃電數據相對應的溫度和相對濕度數據,建立研究數據集。

2 結果分析

2.1 不同月份閃電特征與溫度和濕度的對應關系

統計分析10個典型城市4—10月的閃電頻次、強度以及溫、濕度的分布特征,發現閃電高發月份主要是6—9月。6月份閃電發生頻次最多的是西昌(1700余次),7月份頻次最多的是遂寧(3500余次),8月份是達州(4600余次);4,5及10月發生的閃電頻次較少,均在400次以下。除了達州市6月份閃電的平均強度最強外,其余城市閃電的最強平均強度均在4月份,尤其是稻城和宜賓2個站的閃電強度明顯高于其他城市,均超過了40 kA,其他城市閃電的平均強度大多數在10 kA～20 kA。多數城市的溫度和濕度具有相似特征,西昌和攀枝花4—9月的日平均溫度變化較小,西昌日平均溫度約為22 ℃,攀枝花日平均溫度在26～27 ℃,10月開始略微下降,而其他城市均在7—8月溫度最高。相對濕度除了達州外,其余城市均從4—5月開始逐漸增大,7—8月達到最大,之后逐漸減小;達州8月的日平均相對濕度在各月份中最小,為69%,其余月份均超過70%。

對比分析發現,大多數城市閃電頻次最多的月份對應溫度和濕度均為最高或最大,說明這些城市閃電頻次和溫濕度具有一定的正相關關系。稻城、遂寧、宜賓及成都4月份的平均溫度和濕度均為所有月份中最低或最小的,但是其閃電平均強度卻較強,說明這4個城市的閃電強度與溫濕度具有一定的負相關性。

2.2 閃電與溫濕度日變化特征的相關性

在統計分析中,皮爾遜相關系數廣泛用于度量變量X和Y之間的相關性(線性相關),其值在-1～1,值大于0表明二者為正相關,值小于0表明者為負相關。皮爾遜相關系數的絕對值越大,相關性越強,相關強度分為極強相關(0.8～1.0)、強相關(0.6～0.8)、中等程度相關(0.4～0.6)、 弱相關(0.2～0.4)、極弱相關或無相關(0.0～0.2)[12]。文章將基于皮爾遜相關系數法分析閃電和溫濕度的相關程度。

2.2.1 閃電頻次和強度與日平均氣溫

表1給出了10個典型城市閃電頻次和強度與日平均氣溫的相關性分析結果。由表1可知,日平均氣溫與閃電(總閃、正閃及負閃)頻次的相關系數多為正值,說明日平均氣溫與閃電頻次具有一定的正相關性;日平均氣溫與閃電平均強度的相關系數多為負值,說明兩者呈一定程度的負相關。其中,馬爾康的日平均氣溫與總閃平均強度的相關系數達到了-0.42,呈中等程度的負相關,說明該地區隨著日平均氣溫的升高,閃電平均強度呈減弱趨勢。樂山和宜賓的總閃強度、達州和遂寧的正閃強度及樂山的負閃強度與和日平均氣溫呈弱的負相關,相關系數均在-0.2以下;馬爾康和稻城的日平均溫度與總閃、負閃頻次呈弱的正相關,相關系數在0.2以上;其余城市日平均氣溫與閃電的相關性極弱或者不相關。

表1 閃電頻次和強度與日平均氣溫的相關性分析

2.2.2 閃電頻次和強度與日平均相對濕度

表2給出了10個典型城市閃電頻次和強度與日平均相對濕度的相關性分析結果。由表2可知,閃電(總閃、正閃及負閃)頻次與日平均相對濕度的相關系數多為正值,說明兩者具有一定正相關性,多數城市相關系數在0.12～0.28;正閃頻次和日平均相對濕度的相關性較強,樂山、攀枝花、廣元、達州、遂寧5市正閃頻次與日平均相對濕度的相關系數超過了0.22,其中遂寧最大,為0.28。日平均相對濕度與閃電平均強度的相關系數的絕對值非常小,大多數在0.1以下,說明兩者相關性極弱或者不相關。

表2 閃電頻次和強度與日平均相對濕度的相關性分析

2.3 閃電特征與溫濕度小時特征的對應關系

2.3.1 閃電頻次最多和強度最強時段對應的日最高氣溫和最大相對濕度

閃電頻次最多或者強度最強的時段均對應一個整點溫度和濕度,但該溫度或濕度不一定是當日最高或者最大。為了進一步分析閃電特征與小時溫濕度的關系,逐日提取閃電頻次最多或者強度最強的時段對應的溫度和濕度,并判斷該溫度或濕度是否為當日的最高值,計算其在總閃電日數中的占比。

圖1給出了10個典型城市閃電頻次最多和強度最強時段對應的日最高氣溫和日最大相對濕度的占比分布。除了遂寧以外,閃電頻次最多時段對應為日最高氣溫的占比均比強度最強時對應日最高氣溫的占比多(圖1a),表明閃電頻次與日最高氣溫關系更密切。稻城、馬爾康、攀枝花、西昌及成都無論是頻次還是強度對應日最高氣溫的占比均在0.16以下,而處于盆地的其余城市站點的占比均在0.23以上,表明盆地閃電頻次和強度與日最高氣溫的關系明顯優于高原地區。圖1(b)是頻次最多和強度最強時段對應的日最大相對濕度的占比情況,由圖可知頻次最多時段對應的日最大相對濕度的占比均少于強度對應的,與日最高氣溫的對比結果完全相反,可見閃電強度與日最大相對濕度關系更密切。稻城、馬爾康,攀枝花、西昌4市閃電頻次和強度對應日最大相對濕度的占比均在0.2以下,稻城頻次最多對應時段的占比僅有0.04,而其他盆地城市的占比均在0.24以上,且多數超過0.30。占比最大的是宜賓,均超過了0.45,高占比表明閃電頻次越多和強度越強與日最大相對濕度相關關系更好。另外,盆地和高原城市的日最高溫度占比差值最大,約為17%,而日最大相對濕度占比差值達到了約40%,可見盆地閃電頻次最多和強度最強時段與日最大濕度的關系明顯優于高原城市。

(a)日最高氣溫;(b)日最大相對溫度。圖1 閃電頻次最多和強度最強時段對應的日最高氣溫和日最大相對濕度的占比分布

2.3.2 日最高溫度和日最大相對濕度與對應時段閃電頻次和強度的關系

根據前文分析可知,當日最高氣溫或者日最大相對濕度出現時,對應時段不一定有閃電出現,即使有閃電出現也不一定是當日閃電頻次最多或者強度最強的時段,因此進一步分析日最高氣溫和日最大相對濕度時刻(如14:00)對應時段(14:00—15:00)的閃電特征。

圖2給出了日最高溫度和日最大相對濕度時刻對應時段閃電頻次及強度分布。由圖2(a)可知日最高氣溫對應時段的正、負地閃頻次最高是樂山,分別為5.5次和57.8次;頻次最少的是馬爾康和稻城,均在5次以下。日最高氣溫對應時段的正、負地閃平均強度最強的均為宜賓,分別為50.5 kA和20.5 kA;盡管稻城的地閃頻次偏少,但是其正地閃強度非常強,達到了47.5 kA;負閃強度最小的是馬爾康,僅有9.2 kA。由圖2(b)可知,日最大相對濕度時刻對應時段的負地閃頻次最多的是樂山,為66.0次,其次是成都、宜賓2市,平均頻次達到了50次以上;對應正地閃頻次最多的是成都,為7.6次。對應正、負地閃頻次最少是稻城,均少于3次;對應正、負地閃強度最強是稻城,分別為48.7 kA和22.1 kA。廣元日最大相對濕度對應的正地閃平均強度是37.2 kA,比日最高溫度對應的21.2 kA高了16.0 kA,可見該地區較強的相對濕度比較高的溫度更能夠產生更強的正地閃。

(a)日最高溫度;(b)日最大相對濕度。圖2 日最高溫度和日最大相對濕度時刻對應時段閃電頻次和強度分布

對比分析發現,除了馬爾康和稻城外,日最大相對濕度時刻對應的負地閃頻次整體上比日最高氣溫的更高,表明日最大相對濕度對負地閃頻次的影響高于日最高溫度;除了廣元、達州外,日最高氣溫對應的正地閃強度比日最大相對濕度對應的更強,表明日最高溫度對正地閃強度的影響高于日最大相對濕度。

3 結束語

文章利用近13 a的閃電和溫濕度資料,應用統計和相關性分析等方法,研究四川省不同區域10個典型城市的閃電頻次和強度特征與溫濕度月變化、日變化及小時演變的相關關系,得到以下主要結論:

1)閃電高發月份主要集中在6—9月,大多數城市閃電的平均強度均在4月份出現峰值。西昌和攀枝花4—9月的日平均溫度變化較小,其他城市7—8月溫度明顯高于其他月份。多數城市相對濕度在7—8月達到最大。

2)多數城市閃電頻次最多的月份對應溫度和相對濕度均為最高或最大,說明閃電頻次和溫濕度具有一定的正相關關系。稻城、遂寧、宜賓及成都4市4月的閃電平均強度明顯偏強,說明這些地區的閃電強度和溫濕度具有一定的負相關性。

3)日平均氣溫與閃電頻次的相關系數多為正值,說明日平均氣溫與閃電頻次具有一定的正相關性;而日平均氣溫與閃電平均強度的相關系數多為負值,說明兩者之間呈一定程度的負相關。其中,馬爾康的日平均氣溫與總閃平均強度的相關系數達到了-0.42。

4)日平均相對濕度與閃電頻次的相關系數多為正值,說明兩者具有一定正相關性;多數城市相關系數在0.12～0.28,尤其是正閃和日平均相對濕度的相關性更強。然而,日平均相對濕度與閃電平均強度的相關系數的絕對值非常小,大多數在0.1以下,說明兩者相關性極弱或者不相關。

5)多數城市的小時閃電頻次最多時段對應的日最高氣溫頻次的占比高于閃電強度最大時段,而閃電頻次最多時段對應日最大相對濕度頻次占比則均少于閃電強度最大時段,說明日最高氣溫對閃電頻次的影響高于對閃電強度的影響,而日最大相對濕度對閃電強度的影響大于對閃電頻次的影響。另外,出現了閃電的時段對應的溫度更接近于日最高氣溫,而對應的相對濕度則更接近日平均相對濕度,日最高氣溫和日平均溫度差值越大的區域,發生閃電的頻次更少。