天津地區(qū)閃電活動(dòng)與地形因子關(guān)系研究

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(1 天津市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 天津 300074；2湖南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 長沙 410007；3 天津市防雷技術(shù)中心 天津 300074)

0 引 言

閃電一般產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，最大閃電強(qiáng)度可達(dá)到200 kA以上[1]，具有極強(qiáng)的破壞性。不同的地表環(huán)境下，受海拔、坡度、坡向等地形因子影響，閃電頻率、強(qiáng)度等參數(shù)存在極大差異。因此，區(qū)域閃電活動(dòng)與地表要素關(guān)系的研究成為近年來雷電研究的重要課題之一。目前，國內(nèi)外關(guān)于閃電與地形因子關(guān)系的研究已取得一些發(fā)現(xiàn)。Nmazaris[2]、李政[3]、劉海兵[4]、王赟[5]等國內(nèi)外學(xué)者分析了希臘、重慶、江西、大連地區(qū)閃電與海拔等地形因子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系較為顯著。

天津地處燕山山地向?yàn)I海平原的過渡地帶，地形主要有山地、丘陵和平原三種，受海洋氣候影響明顯，年均雷暴日高達(dá)29.8天，雷電災(zāi)害頻繁發(fā)生，因此防雷減災(zāi)成為近年重要的研究課題。在未考慮下墊面的因素下分析過天津區(qū)域內(nèi)的雷電風(fēng)險(xiǎn)特征[6]，引入天津DEM資料，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，結(jié)合本地閃電定位資料，利用相關(guān)分析、線性回歸和GIS空間分析方法，研究閃電活動(dòng)與地形因子的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用2008—2015年閃電定位資料來源于天津市氣象局，其中利用2008—2013年資料用于分析建模， 2014-2015年資料驗(yàn)證模型； DEM資料來源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為30m。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2008—2015年發(fā)生閃電共計(jì)196833次，其中2008-2013年間177395次，2014-2015年間19438次。繪制2008—2015年閃電密度空間分布圖(圖1)，由圖可知：天津北部閃電密度較高，中南部閃電密度相對(duì)較小。

圖1 2008-2015年天津地區(qū)閃電密度空間分布圖

1.2 地形因子提取

利用Gis軟件 3D分析提取工具，提取海拔(H)、坡度(S)、坡度變率(SV)、坡向{A0(-1)、A1(0，22.5°，337.5°-360°] 、A2( 22.5° ，67.5°]、A3( 67.5 °，112.5°]、A4(112.5°，157.5°]、A5(157.5°，202.5°]、A6( 202.5 °，247.5°]、A7(247.5°，292.5°]、A8(292.5°，337.5°]}、地形起伏度(D)，提取方法見[4、7],提取柵格寬度為5m。

提取后天津地區(qū)的海拔、坡度分布圖如圖2，3所示：

圖2 天津海拔高度分布圖

圖3 天津坡度分布圖

將Gis提取后的閃電數(shù)據(jù)與地形因子連接，以海拔高度每50m，提取所對(duì)應(yīng)的閃電頻次、平均閃電強(qiáng)度和地形因子，用spss軟件，對(duì)其做相關(guān)性分析。

經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閃電頻次不符合正態(tài)分布，將其對(duì)數(shù)處理后呈正態(tài)分布，以閃電頻次對(duì)數(shù)為研究對(duì)象，記作，平均閃電強(qiáng)度記作。

2 結(jié)果分析

2.1 閃電與海拔相關(guān)性分析

2.1.1 閃電頻次與海拔

利用皮爾遜相關(guān)分析，分析閃電頻次對(duì)數(shù)與平均海拔的關(guān)系，結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)為-0.914，P=0，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

以海拔間隔每50m提取閃電頻次，得到閃電頻次與海拔關(guān)系圖(圖4)。 由圖4可知，天津地區(qū)閃電主要分布在海拔0～450m的海拔高度上，在海拔0～50 m的高度上，閃電急劇增加，50～100m之間閃電次數(shù)急劇減少，100 m之后閃電次數(shù)減少，450 m以后閃電發(fā)生次數(shù)較少，地形分類見表1。

以起伏度對(duì)地形細(xì)分[8]，進(jìn)而分析閃電與海拔之間的關(guān)系。

表1 地形分類表

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：平原發(fā)生閃電次數(shù)最高，164705次，占總閃電比例的92.85%；小起伏山地次之，5979次，占比例為3.37%；臺(tái)地、丘陵發(fā)生閃電次數(shù)5537次，所占比例為3.12%，中、大起伏山地發(fā)生閃電次數(shù)較少。可見，天津絕大部分閃電發(fā)生在平原。

2.1.2 閃電強(qiáng)度與海拔

利用皮爾遜相關(guān)分析，分析閃電強(qiáng)度與平均海拔的關(guān)系，得到兩者相關(guān)系數(shù)為0.361，P=0.099，兩者不相關(guān)。

圖4 閃電頻次與海拔關(guān)系圖

圖5 閃電強(qiáng)度與海拔關(guān)系圖

2.2 閃電與坡向

2.2.1 閃電頻次與坡向

以平均海拔為控制變量，對(duì)閃電頻次對(duì)數(shù)與坡向做偏相關(guān)分析，結(jié)果如表2。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)閃電頻次與坡向無關(guān)。

2.2.2 閃電強(qiáng)度與坡向關(guān)系

以平均海拔為控制變量，對(duì)閃電強(qiáng)度與坡向做偏相關(guān)分析，結(jié)果如表3。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)閃電強(qiáng)度與坡向無關(guān)。

表2 閃電頻次與坡向關(guān)系

表3 閃電強(qiáng)度與坡向關(guān)系

2.3 閃電與坡度、坡度變率

2.3.1 閃電頻次與坡度、坡度變率

以平均海拔為控制變量，對(duì)閃電頻次與坡度、坡度變率做偏相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)閃電頻次與坡度、坡度變率相關(guān)系數(shù)分別為-0.79、-0.848，p值均為0，即閃電頻次與坡度、坡度變率相關(guān)系數(shù)均呈負(fù)相關(guān)。

2.3.2 閃電強(qiáng)度與坡度、坡度變率

以平均海拔為控制變量，對(duì)閃電強(qiáng)度和坡度、坡度變率做偏相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)閃電強(qiáng)度與坡度相關(guān)系數(shù)為0.454，P=0.039；與坡度變率相關(guān)系數(shù)為0.176，P=0.445，即閃電強(qiáng)度與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，與地形起伏度不相關(guān)。

2.4 閃電與地形起伏度

以海拔為控制變量，對(duì)閃電頻次對(duì)數(shù)和地形起伏度作偏相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)閃電頻次與地形起伏度相關(guān)系數(shù)為-0.882，P=0，即閃電頻次與地形起伏度呈負(fù)相關(guān)。

以海拔為控制變量，對(duì)平均閃電強(qiáng)度與地形起伏度作偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示閃電強(qiáng)度與地形起伏度相關(guān)系數(shù)為0.42，P=0.058，即閃電強(qiáng)度與地形起伏度關(guān)系不相關(guān)。

3 建立基于地形因子的閃電空間分布模型

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)閃電頻次與海拔、坡度、坡度變率、地形起伏度因子均有相關(guān)關(guān)系，閃電強(qiáng)度與坡度相關(guān)?；谝陨系匦我蜃?，利用spss多元線性回歸方法，建立閃電頻次和閃電強(qiáng)度的空間分布模型，結(jié)果如下。

Y=10.531-0.003H+0.135S-0.26SV-0.051D

( 1)

I=32.526+0.144S

(2)

對(duì)回歸方程進(jìn)行模型檢驗(yàn)，F(xiàn)Y=28.253，P=0；F1=4.921，P=0.039，均通過檢驗(yàn)。

將2014-2015年閃電數(shù)據(jù)帶入方程作預(yù)測檢驗(yàn)，并與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)閃電頻次平均誤差為30.4%，平均電流強(qiáng)度平均誤差為4.77%。

4 結(jié) 論

通過對(duì)天津地區(qū)2008—2013年閃電定位數(shù)據(jù)和30m的DEM數(shù)據(jù)提取海拔、坡向、坡度、坡度變率、地形起伏度地形因子進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)閃電頻次與海拔、坡度變率、地形起伏度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，與坡向不相關(guān)； 閃電電流強(qiáng)度與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，與其他地形因子相關(guān)性不相關(guān)。

(2)利用spss多元線性回歸建立閃電頻次和閃電強(qiáng)度空間分布模型，將2014—2015年閃電數(shù)據(jù)帶入模型方程預(yù)測檢驗(yàn)，并與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)閃電頻次的平均誤差為30.4%，平均電流強(qiáng)度平均誤差為4.77%。

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