基于SRMT的重慶市地閃空間分布特征分析

李衛(wèi)平，趙生昊，易小萍，廖 路

(1.重慶市防雷中心，重慶 401147；2.重慶市氣象安全技術(shù)中心，重慶 401147)

0 引言

雷電在時(shí)空分布上具有隨機(jī)性、突發(fā)性，對(duì)其發(fā)生的時(shí)空進(jìn)行精確預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)防御較為困難，但在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方面，雷電的時(shí)空分布又具有一定的規(guī)律性。文章對(duì)地閃的時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步掌握雷電活動(dòng)規(guī)律，減少雷電災(zāi)害造成的損失提供借鑒[1-3]。目前，閃電定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于閃電活動(dòng)探測(cè)中，其時(shí)空分辨力較高，已經(jīng)成為閃電活動(dòng)研究的主要數(shù)據(jù)來源，周筠珺、王學(xué)良、盧友發(fā)、馮桂力[4-9]等學(xué)者分別利用不同類型的閃電定位資料對(duì)京津冀、湖北、河南、山東等地區(qū)的閃電時(shí)間分布特征進(jìn)行了研究；隨著遙感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)閃電空間分布特征進(jìn)行精確研究也變得可行。郄秀書[10]等利用星載閃電探測(cè)系統(tǒng)獲取的定位資料對(duì)一些典型地區(qū)的閃電活動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為不同地區(qū)的閃電活動(dòng)在閃電頻數(shù)或強(qiáng)度方面都有很大的差別；李家啟[11]等利用1999—2008年重慶地閃定位資料分析了丘陵山區(qū)(海拔≥800 m)的閃電分布特征，表明負(fù)閃頻次明顯高于正閃頻次，且閃電頻次隨著海拔上升而逐漸減少。

文章對(duì)重慶市地閃的立體空間分布特征進(jìn)行研究，并重點(diǎn)關(guān)注了危害較大的強(qiáng)地閃、特強(qiáng)地閃分布規(guī)律，對(duì)山區(qū)防雷、林區(qū)防雷擊火等工作具有一定的參考和借鑒意義。

1 資料來源及處理方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市地處川渝盆地東南丘陵山地、長(zhǎng)江上游地帶，境內(nèi)地形條件復(fù)雜，起伏變化大，西部、北部與四川盆地接壤、東北部與秦嶺、大巴山地相連，南依云貴高原，地勢(shì)北部、東部、南部高，中部、西部低。氣候?qū)贃|亞內(nèi)陸季風(fēng)區(qū)，冬季受東北季風(fēng)控制，夏季受西南季風(fēng)影響，特殊的地理位置、地形特征和植被分布不均等因素使得該地區(qū)氣候特點(diǎn)突出，氣象災(zāi)害復(fù)雜多樣[12]。重慶市年平均降水量約1，125.3 mm，降雨時(shí)段主要集中在5—9月，且夜間降雨較多[13]，同時(shí)，重慶也是雷暴活動(dòng)較為頻繁的地區(qū)之一，2008—2021年重慶市雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)年均監(jiān)測(cè)地閃接近20萬次，年均閃電密度2.43次/(km2·a)。

1.2 閃電定位數(shù)據(jù)

文章采用重慶市閃電定位系統(tǒng)地閃定位資料，時(shí)間跨度為2010—2019年。重慶市閃電定位系統(tǒng)于2007年建成，由第2代ADTD閃電定位儀、中心數(shù)據(jù)處理站、用戶數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及圖形顯示終端組成，其觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)由重慶市的5個(gè)監(jiān)測(cè)站和臨近省份的10個(gè)監(jiān)測(cè)站組成(圖1)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全市范圍地閃時(shí)間、位置、強(qiáng)度和極性的不間斷監(jiān)測(cè)。2010—2019年，重慶市ADTD閃電定位網(wǎng)絡(luò)共記錄地閃2，217，433次，考慮到ADTD定位資料中可能存在的云閃干擾，將10 kA以下個(gè)例剔除，最終確定地閃總數(shù)為2，208，227次，其中負(fù)閃2，125，498次，正閃82，729次。

圖1 研究區(qū)及ADTD站點(diǎn)分布

1.3 數(shù)字高程數(shù)據(jù)

SRTM數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家航空航天局和國(guó)家空間信息情報(bào)局自2003年開始發(fā)布，其平面精度達(dá)到±20 m，高程精度為±16 m。文章采用的SRTM V4版本數(shù)據(jù)分辨力為90 m，各圖幅之間數(shù)據(jù)均為無縫拼接[14]。數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

2 空間分布特征

2.1 空間密度分布

為分析重慶市地閃的空間分布，將閃電定位資料中WGS84地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為橫軸墨卡托投影坐標(biāo)系(EPSG：3857)，以4 km×4 km網(wǎng)格繪制閃電頻次二維直方圖，得到2010—2019年重慶市地閃的空間累積分布[15]。

重慶市地閃密度在空間分布上差異較為顯著，絕大部分地區(qū)地閃累積密度在20次/km2以下，地閃累積密度高值區(qū)(超過40次/km2)主要分布在渝西的榮昌與大足西部、重慶主城區(qū)、渝東北的忠縣與石柱交界處和渝東北的開州、萬州、云陽交界一帶，主城區(qū)地閃累積密度最大，超過了125次/km2。結(jié)合重慶地貌特征，渝西地區(qū)以川東平行谷嶺的丘陵地形為代表，海拔普遍在500 m以下，下墊面以水網(wǎng)、稻田等為主，水熱條件較好，易形成雷暴天氣；重慶主城區(qū)因城市熱島效應(yīng)明顯，郊區(qū)地表經(jīng)過夜間輻射降溫與城區(qū)熱島形成溫差，熱島抬升作用凸顯，較易形成雷暴云，從而引發(fā)夜間閃電；忠縣南部位于挖斷山與方斗山之間，開州、萬州、云陽交界處位于方斗山與七曜山之間，均為長(zhǎng)江河谷地帶，特殊的地形條件導(dǎo)致地面熱量聚集，加上充沛的水汽條件，使其成為閃電高發(fā)區(qū)。

按照閃電的峰值電流區(qū)分強(qiáng)度等級(jí)(表1)。強(qiáng)閃電、特強(qiáng)閃電因其能量巨大，造成的危害往往更加嚴(yán)重，應(yīng)給予更多的關(guān)注和研究。

表1 閃電強(qiáng)度等級(jí)劃分

通過分析重慶市各強(qiáng)度等級(jí)地閃的空間分布，可以得出輕度地閃密度分布有3個(gè)明顯的高值區(qū)域，分別為主城區(qū)、忠縣南部與石柱交界處和開州、萬州、云陽交界一帶；中度地閃高值區(qū)與總閃高值區(qū)較相似；強(qiáng)地閃高值區(qū)主要分布于渝西、長(zhǎng)江河谷地帶；特強(qiáng)閃電高值區(qū)集中在渝西。與圖1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4個(gè)密度高值地區(qū)中，榮昌與大足南部主要以中度和強(qiáng)地閃為主；主城區(qū)總閃電密度最高，但多以輕中度地閃為主；忠縣與石柱交界處、渝東北的開州、萬州、云陽交界一帶以輕、中度閃電為主，強(qiáng)閃電也較為多發(fā)。

進(jìn)一步分析強(qiáng)地閃和特強(qiáng)地閃分布情況，根據(jù)SRTM數(shù)據(jù)制作了山體陰影圖，并與強(qiáng)地閃、特強(qiáng)地閃空間累積密度圖進(jìn)行疊加，得出強(qiáng)閃電與特強(qiáng)閃電的密度高值區(qū)域(≥12次/km2)主要分布于長(zhǎng)江河谷地帶且與山脈分布走向高度吻合，山谷內(nèi)特殊立體小氣候是強(qiáng)閃電發(fā)生的有利因素。根據(jù)趙生昊[16]等的研究結(jié)論，強(qiáng)地閃在林木地區(qū)發(fā)生的概率高于其他地表覆蓋類型，具體原因有待結(jié)合山脈坡度與歸一化植被指數(shù)等做進(jìn)一步研究。

2.2 各海拔區(qū)間的密度分布

將覆蓋重慶范圍的4景SRTM數(shù)字高程數(shù)據(jù)拼接并矢量化后，與ADTD閃電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到閃擊點(diǎn)的海拔。以100 m為區(qū)間將各高度區(qū)間地閃頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出300～400 m海拔地閃頻次最多，密度最大，達(dá)到25.70 次/km2，400 m之后隨著海拔增加，地閃密度呈下降趨勢(shì)。

為消除各海拔區(qū)間面積對(duì)閃電密度的影響，計(jì)算各海拔區(qū)間的閃電相對(duì)密度差，將某海拔區(qū)間的閃電相對(duì)密度差Dr定義如下：

(1)

式中，S為該海拔區(qū)間區(qū)域面積；St為研究區(qū)總面積；T為該海拔區(qū)間內(nèi)的地閃電頻次；Tt為研究區(qū)內(nèi)總地閃頻次。閃電相對(duì)密度差反映了閃電的活躍程度，如Dr=0表示其活躍程度處于平均水平；Dr>(<)0時(shí)，表明該海拔區(qū)間上的閃電活躍程度較高(低)。

圖2為2010-2019年重慶市各海拔區(qū)間Dr以及正、負(fù)閃平均強(qiáng)度對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)閃的相對(duì)密度差與總閃基本一致。在100～600 m高度，其活躍程度大于平均值，隨海拔的增加其活躍程度逐漸下降；正閃在1200 m以下活躍程度低于平均值，但隨著海拔的增加活躍程度逐漸升高。

圖2 重慶市各海拔區(qū)間地閃分布

平均強(qiáng)度方面，任意海拔正地閃平均強(qiáng)度均明顯大于負(fù)地閃；在0～300 m，正、負(fù)地閃平均強(qiáng)度隨海拔增加而明顯增大。300 m以上正、負(fù)地閃的平均強(qiáng)度變化均不大。對(duì)各海拔與正、負(fù)閃平均強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析，正閃平均強(qiáng)度與海拔的相關(guān)系數(shù)γ為-0.15，顯著性差異ρ為0.45；負(fù)閃平均強(qiáng)度與海拔的相關(guān)系數(shù)γ為-0.17，顯著性差異ρ為0.39；表明無論正閃還是負(fù)閃，其平均強(qiáng)度與海拔均無明顯線性關(guān)系。

3 結(jié)束語

文章通過對(duì)2010-2019年重慶地閃定位數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出重慶市地閃空間分布具有以下特征：

1)地閃分布有4個(gè)高密度中心：一是榮昌與大足南部；二是重慶主城區(qū)；三是忠縣與石柱交界處；四是開州、萬州、云陽交界一帶。強(qiáng)地閃高值區(qū)主要分布在渝西、長(zhǎng)江河谷地帶，特強(qiáng)閃電高值區(qū)集中在渝西，總體與山脈分布走向吻合。

2)從海拔來看，地閃密度在300～400 m最大，400 m以上隨海拔增加呈下降趨勢(shì)。

3)正、負(fù)地閃的平均強(qiáng)度與海拔關(guān)系不顯著，負(fù)閃的活躍程度隨海拔的增加波動(dòng)下降，但平均強(qiáng)度較高的正閃活躍性隨著海拔升高波動(dòng)增加。