2010—2019年杭州地閃變化特征及其與海拔高度的關(guān)系

邊學(xué)文 鄭文佳 李強 孫瑋

(1.杭州市氣象局，浙江 杭州 310000；2.浙江省氣象安全技術(shù)中心，浙江 杭州 310000)

引言

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的最嚴重的十種自然災(zāi)害之一[1],嚴重威脅著人類的生命財產(chǎn)安全。近年來，不少學(xué)者通過分析總結(jié)雷電活動規(guī)律及雷電引發(fā)災(zāi)害的成因，為防御工作提出針對性的對策，以期減少雷災(zāi)造成的損失。有研究指出，全球的閃電活動因區(qū)域不同導(dǎo)致閃電頻數(shù)和雷電流強度方面存在很大差異，在海陸交界處尤為明顯[2-3]。朱浩等[4]基于雷暴日數(shù)和閃電定位數(shù)據(jù)建立了安徽省云地閃密度擬合公式。戴建華等[5]用TRMM/LIS資料分析長江三角洲地區(qū)的閃電活動發(fā)現(xiàn)閃電次數(shù)最多年份是最少年份的3倍，地形的動力作用和下墊面的物理特性及其差異是造成閃電空間分布差異的主要原因。王學(xué)良等[6]分析了湖北省湖泊和陸地區(qū)域的地閃電頻次、極性等雷電參數(shù)，發(fā)現(xiàn)湖泊的平均雷電流幅值較陸地大。李霞等[7]研究了蘇州地區(qū)閃電密度和強雷電流的空間分布，基于該特征規(guī)律對當(dāng)?shù)剞r(nóng)村雷擊原因的自然和人為原因進行了分析。

根據(jù)浙江省氣象局雷災(zāi)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計的結(jié)果，2007—2019年浙江省共發(fā)生雷災(zāi)4685起，其中杭州雷災(zāi)次數(shù)位居全省第一，給杭州當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展造成了嚴重的影響。已有專業(yè)人員對浙江雷暴過程中的環(huán)境條件、雷災(zāi)易損性及風(fēng)險等進行了分析，發(fā)現(xiàn)浙江雷災(zāi)多出現(xiàn)在3—9月，與雷電活動分布有一定關(guān)系，卻不完全由雷電活動頻繁程度所決定，其中杭州地區(qū)是浙江省雷電高風(fēng)險區(qū)[8-11]，但針對杭州地區(qū)地閃活動的特征并沒有詳細的分析。因此，本文利用杭州地區(qū)2010—2019年閃電定位資料對雷電活動時空規(guī)律進行分析，以期為杭州市防雷減災(zāi)工作提供參考。

1 資料與方法

杭州市地處中國長江三角洲南沿和錢塘江流域下游，位于浙江省北部，西部、中部和南部屬丘陵區(qū)，東部為平原。全年平均氣溫17.8 ℃，平均相對濕度70.3%，年降水量1454 mm，年日照時數(shù)1765 h。本次研究的范圍為29.19°—30.57°N、118.33°—120.72°E，杭州地區(qū)海拔見圖1，最高點白際山清涼峰海拔高達1787 m，東部平原海拔僅3—6 m，shp格式底圖面積為1.58×104km2。

圖1 杭州地區(qū)海拔高度分布

選用的閃電數(shù)據(jù)來源于浙江省氣象局布網(wǎng)的ADTD雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的云地閃數(shù)據(jù)(2010—2019年杭州地區(qū))，包括發(fā)生時間、經(jīng)緯度、雷電流強度等。ADTD型閃電定位儀是由中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制，主要用來探測云地閃，并且能區(qū)分正負極性，回擊波形到達時間精度優(yōu)于10-7s，組網(wǎng)后回擊位置的網(wǎng)內(nèi)理論定位精度優(yōu)于300 m(中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，《雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)ADTD雷電探測儀用戶手冊》，2004)，探測效率為80%—90%[12]。由于ADTD系統(tǒng)沒有對地閃回擊進行歸集，為提高該資料的有效性，應(yīng)用文獻[13]方法對數(shù)據(jù)進行處理：統(tǒng)計定位方法為3站及以上的數(shù)據(jù)，剔除雷電流強度絕對值≤5 kA或≥500 kA、陡度絕對值等于0 kA/μs或500 kA/μs的數(shù)據(jù)。

海拔高度數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集是由日本METI和美國NASA聯(lián)合研制的分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，水平精度為30 m。

2 結(jié)果分析

2.1 杭州地閃活動的密度分布

對2010—2019年杭州地區(qū)雷電活動按季節(jié)進行空間特征分析(圖2)，以網(wǎng)格尺寸1 km×1 km進行Kriging插值，從圖2a至圖2d四個季節(jié)年均地閃密度可以看出，杭州西南部是地閃活動最活躍地區(qū)，中部及以北地區(qū)的年均地閃密度在春季和秋季遠小于1.0次·km-2，夏季基本在2.0次·km-2及以下，冬季低于0.1次·km-2。對比四個季節(jié)和年均地閃密度分布可知(圖2e)，總地閃年平均單位面積的頻次最多為10.0次·km-2·a-1，春季、秋季為3.0—4.0次·km-2·a-1)，冬季不超過0.6次·km-2·a-1?？傮w來說，地閃密度呈東多西少、南多北少的分布特征，高值區(qū)主要有兩個，分別為淳安縣和建德縣交界處以及東部的蕭山區(qū)(圖2e)。將累年平均地閃密度與杭州地區(qū)的海拔高度進行對比可知(圖1)，杭州地區(qū)北部海拔高、地閃密度值低，東部海拔低、地閃密度值反而較高。

單位為次·km-2·a-1

有研究表明，雷電活動的分布與地形地貌因素有關(guān)[14-16]。為了進一步弄清杭州地區(qū)地閃分布的空間差異，對比分析不同海拔高度范圍內(nèi)單位面積的地閃回擊次數(shù)，按海拔高度[16]將地形分為平原(<30 m)、丘陵(30—200 m)、小起伏山地(200—500 m)、中起伏山地(500—1000 m)、大起伏山地(1000—2500 m)和極大起伏山地(>2500 m)，各類地形面積占杭州shp格式底圖總面積的比例依次為17.92%、31.33%、33.22%、15.73%、1.8%和0。統(tǒng)計2010—2019年杭州地區(qū)發(fā)生的5類地形(除極大起伏山地外)的地閃頻次與相應(yīng)地形面積的比值：平原地形為23.0次/km2、丘陵地形為20.2次/km2、小起伏山地地形為19.6次/km2、中起伏山地地形為19.5次/km2、大起伏山地地形為15.0次/km2。隨著海拔高度的增加，頻次與面積的比值呈現(xiàn)出減小趨勢，海拔高度為30—500 m時，減小幅度由12.29%降低至0.18%；海拔高度由500 m上升至2500 m，減小幅度為0.18%增加至23.02%，變化率明顯大于上一個區(qū)間。由此可見，低海拔地區(qū)的地閃頻次較高海拔地區(qū)的地閃頻次高，這與文獻[12,16-18]的統(tǒng)計結(jié)果基本一致，大氣中氣溶膠的含量可能是造成該現(xiàn)象的原因之一。根據(jù)以往的研究結(jié)果，大氣中氣溶膠粒子增多使得云凝結(jié)核的數(shù)量增多，從而產(chǎn)生更多的雷電[19]，因氣溶膠主要集中在5 km高度以下的對流層，濃度隨著海拔增高呈現(xiàn)出指數(shù)減少的趨勢[20]，使得地閃總頻次隨高度的增加而減少。

2.2 杭州地閃活動的季節(jié)變化

2010—2019年杭州地區(qū)累月平均地閃頻次占年均地閃總頻次的百分比情況見圖3，由圖3可知，比例最大的兩個月份即7月和8月的平均地閃頻次約占年均地閃總頻次的58%。從累月平均地閃頻次逐月變化可知，3月雷電活動開始增加，8月達到峰值，9月之后明顯減少。

圖3 2010—2019年杭州地區(qū)累月平均地閃頻次逐月變化

有研究發(fā)現(xiàn)，雷電的發(fā)生因氣候背景的不同而差異較大，特別是具有周期性和地域性特點的典型氣候事件對區(qū)域雷電活動的影響尤為明顯[21-24]。對2010—2019年杭州地閃數(shù)據(jù)按四季劃分法進行分析，結(jié)果見表1。由表1可知，杭州地區(qū)雷電活動高發(fā)季節(jié)為夏季，季節(jié)地閃頻次占累年地閃總頻次的72.21%；其次為春季和秋季，季節(jié)地閃頻次占累年地閃總頻次的百分比相差不大，分別為12.64%、14.04%；冬季雷電活動最少，季節(jié)地閃頻次占累年地閃總頻次的百分比僅為1.12%。在冬季三個月中，2月地閃頻次的占比最大；雷電活動在春季三個月分布得較均勻，夏季主要集中在7月和8月，秋季的高發(fā)月份出現(xiàn)9月。冬季的雷電活動較其他三個季節(jié)少了一個量級，與文獻[25]中“云南秋冬季閃電活動量值相當(dāng)，比春夏季閃電活動明顯少一個量級”的結(jié)論有差異。這是由于云南秋季水汽條件和太陽輻射減弱，使得地閃活動減少，冬季受高原季風(fēng)影響，幾乎無地閃活動。而杭州秋季的地閃活動在杭州西南部及東部少部分區(qū)域較為頻繁，可能原因是西南部多丘陵和湖泊，使得秋季該地區(qū)地面相對溫度值較大，具備常年形成弱雷電的條件，從而使得秋季更容易發(fā)生地閃[12，26]。

2.3 杭州地閃活動的日變化

對2010—2019年杭州地區(qū)地閃頻次按季節(jié)進行日變化分析(圖4)，可以看出杭州地區(qū)夏季和秋季地閃頻次具有單峰特征，最活躍時段為14:00—19:00(圖4b和圖4c)，與全年地閃活動的活躍時段(圖4e)相一致；春季地閃活動主要從14:00持續(xù)至次日03:00(圖4a)，冬季地閃活動主要出現(xiàn)在19:00至次日00:00(圖4d)。夏季和秋季的地閃活動多發(fā)生在午后至傍晚，與對流活動發(fā)展規(guī)律相一致，春季地閃活動在凌晨發(fā)生較為頻繁，這可能與具有夜發(fā)性特征中尺度對流系統(tǒng)持續(xù)時間長有關(guān)[27]。

圖4 2010—2019年杭州地區(qū)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)及全年(e)日地閃頻次分布

2.4 杭州地閃活動的強度與海拔高度

2.4.1 地閃活動強度

對2010—2019年杭州地區(qū)的累年地閃頻次及其雷電流強度絕對值按季節(jié)進行分析(表2)，由表2可知，杭州地區(qū)地閃活動主要為負地閃，累年負地閃占總地閃的95.92%，四個季節(jié)中負地閃占相應(yīng)季節(jié)總地閃的比例分別約為85%、97%、97%、90%。統(tǒng)計表明，地閃強度絕對值主要集中在10—60 kA，占相應(yīng)季節(jié)的比例分別為87.58%(春季)、90.52%(夏季)、90.32%(秋季)、85.14%(冬季)、90.06%(全年)；大于100 kA的地閃較少，全年僅為2%，即高幅值閃電發(fā)生的概率較小。

表2 2010—2019年杭州地區(qū)四個季節(jié)地閃頻次統(tǒng)計

2.4.2 地閃強度與海拔高度

2010—2019年杭州地區(qū)地閃強度在不同海拔高度(每100 m為間隔)的變化見圖5。由圖5可知，正地閃均值隨著海拔高度的增加呈減少趨勢，負地閃和總地閃的雷電流均值隨海拔高度的上升均呈現(xiàn)“V”形變化，這是因為近10 a負地閃占總地閃的比例為95.92%，致使總地閃電流均值的變化趨勢與負地閃電流均值的變化趨勢基本一致。海拔高度在200 m以下時，負地閃和總地閃的均值電流呈下降趨勢，分別從36.97 kA和37.54 kA降低至34.32 kA和35.10 kA。海拔高度在200 m及以上，兩條曲線呈現(xiàn)出波動式增加。對比圖5正、負地閃的均值區(qū)間發(fā)現(xiàn)，正地閃的電流均值比負地閃的電流均值大，這一結(jié)論與王學(xué)良等[28]分析湖北地區(qū)地閃幅值的分布特征相同。

圖5 2010—2019年杭州地區(qū)正地閃(a)、負地閃及總地閃(b)雷電流平均值隨海拔高度變化

根據(jù)GB/T 21714.1—2015的規(guī)定“第Ⅳ級雷電防護等級對應(yīng)的雷電流的最小值為16 kA，最大值是100 kA”，當(dāng)雷電流幅值超出最大值或小于最小值時，則存在反擊或繞擊造成的殘余損害風(fēng)險。因此，文中將≤16 kA的雷電流定義為小幅值電流，≥100 kA的雷電流定義為大幅值電流，統(tǒng)計兩種幅值電流隨海拔高度的變化規(guī)律，以期為雷電防護工程的參數(shù)選取及安裝提出有效的設(shè)計參考。圖6為2010—2019年杭州地區(qū)兩種幅值電流比例(圖6a和圖6b為小幅值雷電流，圖6c和圖6d為大幅值雷電流)隨海拔高度增加的變化曲線。

從圖6a可以看出，在200 m及以下的海拔高度，正地閃小幅值雷電流占正閃總頻次的比例隨海拔高度的增加而增大，在200 m以上的高度，該比例逐漸減少?？傮w來說，正地閃小幅值雷電流占正閃總頻次的比例隨海拔高度的增加呈減少趨勢，在1500 m以上的比例減少為0，由此可知，海拔超過1500 m的山區(qū)，正地閃小幅值雷電流產(chǎn)生繞擊的風(fēng)險較小。圖6b表明，負地閃與總地閃小幅值雷電流的比例變化趨勢與正地閃小幅值雷電流的比例變化曲線較一致。在100 m及以下海拔，負地閃和總地閃的比例分別為15.28%和15.59%，當(dāng)上升至200 m時，該比例分別增加至22.0%和21.97%，即兩個海拔高度區(qū)間的負地閃和總地閃頻次相差1倍以上。之后隨著海拔高度的上升，兩個比例值均呈下降趨勢，當(dāng)海拔≥500 m時，該比例已降至10%以下。因此，海拔在100—200 m的丘陵和200—500 m的小起伏山地，繞擊率較高。

圖6 2010—2019年杭州地區(qū)≤16 kA正地閃(a)、負地閃(b)和≥100 kA正地閃(c)、負地閃(d)雷電流幅值比例隨海拔高度變化

由圖6c和圖6d的大幅值雷電流比例隨海拔高度增加的變化曲線可以看出，正地閃、負地閃和總地閃的比例同樣呈下降趨勢，當(dāng)海拔從200 m上升至300 m時，比例值急劇減少，分別從20.16%、17.01%、17.69%減少至14.43%、13.39%、13.61%。當(dāng)海拔高度超過400 m時，三個比例值均低于10%；超過1600 m時，未監(jiān)測到大幅值雷電流。由此可知，400 m及以下海拔地區(qū)，大幅值雷電流造成的反擊概率較大，高于1600 m的大起伏山地基本不會發(fā)生反擊現(xiàn)象。

3 結(jié)論與討論

(1)2010—2019年杭州地閃活動呈東多西少、南多北少的分布特征，最活躍地區(qū)出現(xiàn)在西南部的淳安縣和建德縣交界處。北部海拔高、地閃密度值低，東部海拔低、地閃密度值反而較高，即低海拔地區(qū)的地閃頻次大于高海拔地區(qū)的地閃頻次。年平均單位面積的總地閃頻次最多為10次/(km2·a)，春季和秋季為3—4次/(km2·a)，冬季不超過0.6次/(km2·a)。

(2)杭州地閃活動主要發(fā)生在夏季，春季、秋季次之，冬季最少。累年地閃活動在春季三個月分布較均勻，夏季主要集中在7月和8月，秋季高發(fā)月份為9月，冬季地閃頻次較其他三個季節(jié)少一個量級，其中2月是該季節(jié)中地閃活動最活躍的月份。夏季和秋季的地閃活動多發(fā)生在午后至傍晚，春季地閃活動在凌晨發(fā)生較為頻繁，這可能與具有夜發(fā)性特征中尺度對流系統(tǒng)持續(xù)時間長有關(guān)。

(3)杭州地閃活動主要為負地閃，四個季節(jié)中負地閃占相應(yīng)季節(jié)總地閃的比例分別約為85%、97%和97%和90%。地閃強度絕對值主要集中在10—60 kA，大于100 kA的地閃僅占總地閃的2%，即高幅值閃電發(fā)生的概率小。正地閃均值隨著海拔高度的增加呈上升趨勢，負地閃和總地閃的雷電流均值隨海拔高度的上升均呈“V”形變化。

(4)正地閃、負地閃和總地閃小幅值雷電流比例和大幅值雷電流比例均隨海拔高度增加而減小。在100—200 m的丘陵和200—500 m的小起伏山地，繞擊率較高，超過1500 m的山區(qū)，小幅值雷電流產(chǎn)生繞擊的風(fēng)險較?。?00 m及以下地區(qū)，大幅值雷電流造成的反擊概率較大，高于1600 m的大起伏山地基本不會發(fā)生反擊現(xiàn)象。

(5)由于雷電活動與環(huán)流背景、地形條件、地理位置等有關(guān)，地閃回擊密度、雷電流強度等特征參數(shù)與海拔高度、空氣濕度、電荷分布等關(guān)系密切，同時，雷電對地放電具有隨機性，且表征地形條件的因子除了海拔高度外，還有坡度、坡向、地形起伏度等，因此，雷電活動參數(shù)與海拔高度及其他地形因子之間的關(guān)系還需進一步研究。