泰山景區(qū)地閃分布特征及與海拔高度關系研究

劉向科，康寧，邱粲，蔣如斌，陳樂奇，鄔銘法

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250031；2.山東省氣象災害防御技術中心，山東 濟南 250031；3.國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；4.山東省氣候中心，山東 濟南 250031；5.中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境觀測重點實驗室，北京 100029)

引言

閃電是伴隨雷暴天氣系統(tǒng)的一種天氣現(xiàn)象，研究閃電特征及其時空分布，對了解雷暴發(fā)生規(guī)律和雷電災害的防御具有非常重要的意義[1-2]。閃電活動除與天氣系統(tǒng)有關外，還與地形等因素有緊密的關系，存在明顯的地域性特征[3-5]，不同地區(qū)的閃電活動受當?shù)氐臍夂颉⒌匦魏铜h(huán)境條件的影響而呈現(xiàn)出較大差別。KILINC and BERINGER[6]發(fā)現(xiàn)澳大利亞南部閃電密度和海拔成正相關，北部這一特征卻不明顯。BOURSCHEIDT et al.[7]研究發(fā)現(xiàn)巴西南部地區(qū)地形坡度對閃電活動的影響大于海拔的影響。ZAJAC and RUTLEDGE[8]對美國閃電密度與地形進行分析，發(fā)現(xiàn)地形與閃電密度和雷暴日之間存在較好的相關性。國內(nèi)成鵬偉等[9]研究發(fā)現(xiàn)北京市與成都市地閃密度與海拔高度呈明顯的負相關。劉海兵等[10-11]對不同尺度地閃密度與海拔進行分析發(fā)現(xiàn)，江西省地閃密度與海拔呈負相關，但江西省的三清山地閃密度在800 m以下隨海拔的上升而減小，800 m以上隨海拔上升表現(xiàn)出明顯的增長趨勢，不同地區(qū)及不同尺度地閃密度和海拔之間存在不同的相關性[12]。目前山東地區(qū)尤其是泰山景區(qū)的地閃分布特征及與下墊面關系研究相對較少。

泰山位于中國東南部的山東省泰安市內(nèi)，是山東省最高大的山脈，地勢較為險峻，有山峰150多座。泰山景區(qū)地理范圍為117.0°～117.2°E，36.20°～36.36°N，約300 km2，海拔高度在150～1 545 m之間。馮桂力等[13]、劉向科等[14]和唐巧玲等[15]在研究山東地區(qū)閃電特征時，均發(fā)現(xiàn)泰山景區(qū)為山東的閃電高發(fā)區(qū)。本文利用山東省2007—2018年12 a的地閃數(shù)據(jù)與地理高程數(shù)據(jù)，分析地形、高度對地閃分布特征的影響，在此基礎上，分析泰山的地閃密度、雷電流強度空間分布特征，同時對閃電的時空分布與海拔高度的關系進行分析。由此可對制定相應的雷電防御措施，減少雷擊災害造成的人員傷亡、森林火災和財產(chǎn)損失提供科學指導，并為地方政府部門決策提供技術支撐。

1 資料來源

文中所用閃電資料由山東省雷電監(jiān)測定位網(wǎng)提供，該系統(tǒng)由13個ADTD閃電定位儀組成(圖1)，可覆蓋山東95%以上陸地區(qū)域，探測效率為90%左右，其定位精度為300 m，地閃雷電波形鑒別率達95%，測向精度理論隨機誤差為0.5°，時鐘同步精度為0.1 μs。此系統(tǒng)能夠提供閃電事件發(fā)生的時間、位置、強度等數(shù)據(jù)[16-17]，根據(jù)相關專家對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的研究成果[18]，剔除強度值小于10 kA的正地閃。

圖1 山東省雷電監(jiān)測定位網(wǎng)Fig.1 Shandong Lightning Detection and Location Network

文中所使用泰山景區(qū)地貌、海拔數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)與日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(Ministry of Economy, Trade and Industry, METI)共同推出的最新地球電子地形數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，資料獲取地址為http://bjdl.gscloud.cn/search。

2 落雷次數(shù)與海拔高度相關性分析

2.1 年落雷次數(shù)與海拔高度關系變化特征

不同海拔高度所占面積與對應海拔內(nèi)落雷次數(shù)占總閃比例分布趨勢基本一致(圖2a)，即所占面積越大落雷次數(shù)相對較多。整體來看：1 000 m以下的區(qū)域占總面積的94.96%，對應的落雷次數(shù)占總閃的92.20%；同時發(fā)現(xiàn)海拔600 m以下區(qū)域占總面積的66.67%，對應的落雷次數(shù)占總閃的55.27%，此區(qū)域雖然占總面積較多，但落雷次數(shù)占總閃比例不高；而海拔600 m以上區(qū)域占總面積的33.33%，對應的落雷次數(shù)占總閃的44.93%，其中海拔1 300 m以上區(qū)域占總面積的0.28%，但對應的落雷次數(shù)占總閃的2.29%，這也反映了海拔較高的區(qū)域比海拔較低的區(qū)域更容易發(fā)生雷擊。由年際變化趨勢(圖2b)可知，2007、2010和2012年1 000 m以下落雷次數(shù)較多，其中2010年落雷次數(shù)最多。整體來看，雖然不同年份的閃電數(shù)量有所差別，但每年不同海拔高度落雷次數(shù)的分布趨勢比較一致，即：100～500 m落雷次數(shù)占的比重最大；其次為500～1 000 m落雷次數(shù)較多；1 000 m以上落雷次數(shù)較少。

圖2 地閃次數(shù)與海拔高度關系變化特征(a)和不同海拔高度地閃年變化特征(b)Fig.2 Variation of cloud-to-ground (CG) lightning frequency and altitude (a) and annual variation of CG lightning at different altitudes (b)

2.2 月落雷次數(shù)與海拔高度關系變化特征

泰山景區(qū)地閃活動的季節(jié)性分布特征明顯(圖3a)，春季(3—5月)地閃活動逐漸增多，夏季(6—8月)地閃次數(shù)約占全年總地閃次數(shù)的86.86%，秋季(9—11月)地閃活動迅速減少，冬季僅2月出現(xiàn)過少量地閃，11月、12月和1月沒有出現(xiàn)地閃活動。正閃比的季節(jié)變化與地閃頻數(shù)的季節(jié)變化基本相反，正閃比最高出現(xiàn)在4月。泰山景區(qū)平均海拔在600 m左右，由圖3b可以看出落雷區(qū)域主要集中在海拔1 000 m以下，約占總閃的90%以上，其中8月海拔在100～500 m之間時落雷次數(shù)相對較多，由于夏季7、8月山東地區(qū)受西南季風和副熱帶高壓的影響，強對流天氣較多，泰山受地形熱力和動力特征影響[19-20]，海拔900 m以下落雷次數(shù)較多。

圖3 泰山景區(qū)閃電月變化特征(a)和不同海拔高度閃電月變化特征(b)Fig.3 Monthly variation of lightning in Mount Tai (a) and monthly variation of lightning at different altitudes (b)

2.3 日落雷次數(shù)與海拔高度關系變化特征

由泰山景區(qū)落雷次數(shù)日變化(圖4a)可見：總地閃數(shù)與負閃數(shù)呈多峰震蕩分布，在06時和14—20時出現(xiàn)峰值，其中19—20時最高，00—05時及08—13時為低值時段；正閃比在00—08時較高。圖4b為地閃頻數(shù)隨海拔高度每升高100 m的日變化分布，可以看出落雷區(qū)域主要集中在900 m以下；06時落雷高度在海拔400～800 m明顯增加，14—20時在海拔200～800 m落雷次數(shù)最多。由于太陽輻射在中午達到最強，大氣在午后容易形成不穩(wěn)定層結，當受山體抬升作用影響時，比較容易出現(xiàn)強對流天氣，所以該時段閃電活動最為活躍[21-23]。

圖4 泰山景區(qū)地閃次數(shù)日變化(a)和日落雷次數(shù)與海拔高度關系(b；色階代表地閃次數(shù))Fig.4 Diurnal variation of the number of CG lightning (a) and relationship between daily number of lightning and altitude (b; color scale for the number of CG lightning) in Mount Tai

3 地形對地閃空間分布的影響

圖5a為泰山景區(qū)遙感影像與地閃密度疊加圖。泰山景區(qū)地勢呈現(xiàn)北高南低、西高東低的特征，北部為山區(qū)，西南部為低山丘陵，東南部為平原。泰山景區(qū)年均地閃密度為1.82次·km-2·a-1，高于周邊區(qū)域年平均值，景區(qū)地閃密度高值區(qū)位于泰山主峰(A峰，1 545 m)峰頂區(qū)域，主峰西北方4 km附近C峰(964 m)峰頂?shù)谋眰群椭鞣逦鞅狈? km附近D峰(886 m)峰頂區(qū)域的地閃密度也相對較高。

通過地閃密度與海拔高度等值線(圖5b)可看出，主峰(A峰)在海拔1 200 m以上區(qū)域地閃密度最高，年地閃密度在4.90次·km-2·a-1以上。主峰南側和東側3 km以上區(qū)域海拔迅速降低到500 m左右，其中主峰南10 km附近垂直落差在1 300 m以上。隨著地形的平緩，地閃密度也隨之減少，僅主峰東北側山脊處地閃密度相對較高。C峰(964 m)的北側地閃密度大于3.00次·km-2·a-1，D峰(886 m)峰頂?shù)亻W密度相對較高，泰山景區(qū)閃電密度高值區(qū)主要位于主峰和主峰西北方山峰的峰頂附近。根據(jù)陳善炳[24]對1959—1996年6—8月泰山頂逐日雷暴方向統(tǒng)計結論可知，雷暴移動方向基本規(guī)律為自西、北半面向東、南半面移動。結合泰山景區(qū)地形特點，雷暴自西北方進入泰山景區(qū)，受地形抬升作用，首先在C峰、D峰處放電，雖然B峰(1 130 m)海拔較高，但相對C峰、D峰來說，高度差異并不明顯且距離較近，所以B峰閃電密度較低，雷暴繼續(xù)向東南移動，由于主峰相對陡峭且海拔較高，加劇了對流的發(fā)展，因此主峰閃電密度最高。

圖5 泰山景區(qū)遙感影像與地閃密度分布(a；色階為地閃密度，單位：次·km-2·a-1)和海拔高度與地閃密度分布(b；等值線為海拔高度，單位：m；色階為地閃密度，單位：次·km-2·a-1)Fig.5 Remote sensing image and distribution of CG lightning density (a; color scale for CG lightning density, units: times·km-2·a-1) and altitude and distribution of CG lightning density (b; isoline for altitude; color scale for CG lightning density, units: times·km-2·a-1) in Mount Tai

4 雷電流幅值隨海拔高度變化規(guī)律

閃電強度是衡量閃電破壞能力的重要因素之一[25]，通過對閃電監(jiān)測資料統(tǒng)計分析，泰山景區(qū)地閃平均電流強度為11.91 kA，正閃的平均電流強度為45.42 kA，負閃的平均電流強度為11.01 kA。

為進一步了解地閃的電流強度分布特征，將地閃根據(jù)電流強度絕對值以5 kA為間隔分為21個等級，不同等級的地閃百分率變化曲線(圖6a)顯示，電流強度在5～10 kA的地閃比例最大，約為31.28%，強度主要集中在0～20 kA之間，占總數(shù)的92.43%。正閃電流強度在15～20 kA之間的占正地閃總數(shù)的比例最大，約為20.83%，正地閃主要集中在15～40 kA之間，占正地閃總數(shù)的76.19%。電流強度在5～10 kA之間的負閃占負閃總數(shù)的比例最大，約為32.11%，負地閃主要集中在0～20 kA之間，占負閃總數(shù)的93.86%。由于正地閃占總閃的比例非常低，負地閃占絕大多數(shù)，所以總閃的電流強度分布曲線與負地閃接近。

圖6 雷電流強度分布(a)和雷電流平均強度隨海拔高度變化曲線(b；單位：kA)Fig.6 Distribution of lightning current intensity (a) and variation curve of average lightning current intensity with altitude (b; units: kA)

由圖6b可以看出，在同一海拔高度處，正閃強度大于負閃強度，正閃強度均值隨海拔高度升高波動較大。900 m以下變化較小，正閃強度均值為40.64 kA；在500 m時有輕微下降，正閃強度均值平均為25.98 kA；在900～1 100 m之間，隨著海拔高度升高閃電強度均值明顯上升，海拔高度1 100 m時為最高值89.40 kA；在1 200～1 500 m之間，隨著海拔高度升高閃電強度均值波動中下降，海拔高度1 500 m時為最低值15.61 kA。負閃強度隨海拔高度的變化不大，比較穩(wěn)定，負閃強度均值在14.06 kA附近，最大負閃強度均值為20.65 kA，在海拔高度1 400 m處。由于正地閃強度遠大于負地閃，正地閃造成的危害相對較高。

5 地閃密度與海拔高度相關性分析

將海拔高度按100 m劃分為高度間隔，對泰山地區(qū)2007—2018年均地閃密度(0.01°×0.01°網(wǎng)格)進行分析，發(fā)現(xiàn)地閃密度隨海拔高度上升呈現(xiàn)上升趨勢(圖7a)，海拔高度小于800 m的區(qū)域地閃密度隨海拔高度增加呈緩慢上升的趨勢，平均值在1.80次·km-2·a-1左右，海拔高度大于1 000 m的區(qū)域地閃密度隨海拔高度增加呈明顯的上升趨勢，利用線性回歸方法擬合海拔高度(x)與地閃密度(y)的關系，得出R2=0.292 4，地閃密度與海拔高度呈現(xiàn)正相關，即高度越高，閃電密度越高，雷擊事故發(fā)生的概率也越大。

將海拔高度和地閃密度均按0.01°×0.01°網(wǎng)格進行劃分，將中心網(wǎng)格與其周圍相鄰網(wǎng)格數(shù)據(jù)按從小到大排序(共3×3=9個等級)，見圖7b，該等級可以較好地反映相對陡度與相對地閃密度之間的關系，可以看出隨海拔高度的增加地閃密度和陡度均呈現(xiàn)增高的趨勢，800 m以上尤其明顯，可見泰山景區(qū)地閃密度與陡度呈現(xiàn)較好的正相關。

圖7 地閃密度與海拔高度關系的變化特征(a)和閃電密度隨陡度與海拔的變化曲線(b；色階代表閃電密度等級)Fig.7 Variation of CG lightning density with altitude (a) variation curve of lightning density with steepness and altitude (b; color scale for grade of lightning density)

6 討論與結論

6.1 討論

雖然泰山景區(qū)地閃密度與海拔高度呈現(xiàn)較好的正相關，但緊鄰主峰的B峰(1 130 m)海拔相對較高，地閃密度卻低于2.5次·km-2·a-1。通過圖5b可以看出主峰A峰西北側地閃密度高值區(qū)在C峰的東側、北側山坡和西側D峰(886 m)附近，整體來看主峰A峰西北側地閃密度高值區(qū)位于B、C山峰的西北方。形成這一現(xiàn)象的原因可能是：由于夏季泰山景區(qū)雷暴來向以西北方居多[26]，受地形抬升作用，雷暴能量會在B、C山峰的西北方山坡處進行釋放，當?shù)竭_B、C山峰時能量已經(jīng)釋放完成；同時B峰、C峰山頂與主峰A峰距離較近且相對A峰比較平緩；另外可能是泰山主峰地形阻擋了低層的南風暖濕空氣，使其沿山區(qū)西側繞流北上到泰山北部，使得主峰西北側低層大氣增暖增濕，增強此處的位勢不穩(wěn)定，從而導致B、C山峰西北側山坡地閃密度較高。

6.2 結論

1)泰山景區(qū)海拔高度在200～500 m之間的年落雷次數(shù)呈明顯的上升趨勢，海拔600 m以上年閃電數(shù)量相對較少；泰山景區(qū)年均地閃密度為1.82次·km-2·a-1，地閃密度較高的區(qū)域集中在主峰和主峰西北方4～7 km附近的山頂區(qū)域。雖然不同年份的閃電數(shù)量有所差別，但年閃電密度分布趨勢比較一致。

2)地閃活動的季節(jié)性分布特征明顯。夏季(6—8月)地閃次數(shù)約占全年總地閃次數(shù)的86.86%，海拔900 m以下落雷次數(shù)較多；落雷次數(shù)的高峰時段是14—21時，峰值時段閃電主要落區(qū)集中在200～800 m之間。

3)正閃強度均值隨海拔升高波動較大，900 m以下變化較小，在900～1 100 m之間，隨著海拔升高閃電強度均值明顯上升，在1 200～1 500 m之間，隨著海拔升高閃電強度均值波動中下降；負閃強度隨海拔的變化不大。

4)地閃密度隨海拔上升呈現(xiàn)上升趨勢，海拔高度小于800 m的區(qū)域地閃密度隨海拔增加呈緩慢上升的趨勢，平均值在1.8次·km-2·a-1左右，海拔高度大于1 000 m的區(qū)域地閃密度隨海拔增加呈明顯的上升的趨勢，地閃密度與海拔高度呈現(xiàn)正相關；同時發(fā)現(xiàn)隨海拔高度的增加地閃密度和陡度均呈現(xiàn)增高的趨勢，800 m以上尤其明顯，可見泰山景區(qū)地閃密度與陡度呈現(xiàn)較好的正相關。

泰山景區(qū)在森林防火、旅游設施建設和游客安全等方面可參考以上結論，有效減少或避免因雷電導致的相關危害。