基于DEM數(shù)據(jù)的長(zhǎng)沙地區(qū)地形因子與地閃活動(dòng)關(guān)系研究

周明薇 劉越嶼 黃浩 胡欣 劉為

(1.湖南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，湖南長(zhǎng)沙 410005； 2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410118)

引言

地閃活動(dòng)受地域、地形等下墊面因素影響較大，具有較強(qiáng)的局地性和區(qū)域性特征，不同的地表環(huán)境下，受地表粗糙度、地表能量通量等因子影響，地閃強(qiáng)度存在較大差異[1-4]。因此，區(qū)域地閃活動(dòng)與地表要素關(guān)系的研究成為近年來(lái)雷電科學(xué)技術(shù)研究的重要課題之一。Schulz和Diendorfer[5]、Dissing和Verbyla[6]、Mazarakis[7]通過(guò)研究認(rèn)為，地閃密度與海拔高度呈正相關(guān)。國(guó)內(nèi)學(xué)者也發(fā)現(xiàn)閃電活動(dòng)頻數(shù)、雷電流強(qiáng)度隨著海拔高度的增加表現(xiàn)出一定的規(guī)律。朱潤(rùn)鵬等[8]基于衛(wèi)星上的全球閃電資料發(fā)現(xiàn)閃電活動(dòng)隨海拔高度的變化表現(xiàn)出峰谷特征。李永福等[9]研究了重慶西部地區(qū)的雷電流參數(shù)，表明負(fù)地閃密度與海拔高度增加呈負(fù)相關(guān)。李家啟和申雙和[10]統(tǒng)計(jì)了重慶地區(qū)閃電頻次與海拔高度的關(guān)系，認(rèn)為閃電頻次隨著海拔高度上升而減少。劉海兵等[11]發(fā)現(xiàn)江西省閃電平均電流強(qiáng)度與海拔高度表現(xiàn)出正相關(guān)。費(fèi)蕾蕾等[12]對(duì)香港地區(qū)的地閃密度與海拔高度的關(guān)系進(jìn)行分析表明，地閃密度隨著海拔高度的增加而增大。除海拔高度這一地表因子外，趙生昊等[13]還發(fā)現(xiàn)坡向與地閃密度呈負(fù)相關(guān)。王赟等[14]對(duì)大連水庫(kù)區(qū)域的閃電特征與地形因子的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)閃電頻次與地形起伏度和地表切割深度呈正相關(guān)。崔雪東和張衛(wèi)斌[15]分析浙江省地形與雷暴路徑的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，雷暴主路徑為丘陵地形，平原和山地偏少，地勢(shì)越高路徑越少。

中國(guó)幅員遼闊，不同地形下的閃電活動(dòng)特征研究可對(duì)防雷工作的開展提供參考，還可以提高雷災(zāi)預(yù)警能力，防止或減少雷災(zāi)事故的發(fā)生。本文利用2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃定位資料和DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，提取海拔參數(shù)，基于DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡度、坡向等10個(gè)參數(shù)，分析這11個(gè)地形因子與地閃參數(shù)(地閃頻次和雷電流強(qiáng)度)之間的關(guān)系，建立地閃參數(shù)預(yù)報(bào)模型，以期為長(zhǎng)沙地區(qū)的防雷減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)，數(shù)據(jù)類型為img，空間分辨率為30 m，起始于2009年。長(zhǎng)沙地區(qū)位于111°53′—114°15′E、27°51′—28°41′N，面積為11819.5 km2，根據(jù)文獻(xiàn)[16]將該區(qū)域的地形分為平原(海拔高度<200 m)、丘陵(200 m≤海拔高度<500 m)、低山(500 m≤海拔高度<1000 m)、高山(海拔高度≥1000 m)，繪制地形分布(圖1)，得出各地形面積。長(zhǎng)沙地區(qū)平原面積為9487.15 km2，丘陵面積為1677.42 km2，低山面積為521.59 km2，高山面積為125.66 km2。

圖1 長(zhǎng)沙地區(qū)海拔高度示意Fig.1 Distribution of altitude in Changsha area

地閃資料來(lái)源于湖南省地閃定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)是由中科院科學(xué)研究中心和北京華云東方探測(cè)技術(shù)有限公司合作研發(fā)生產(chǎn)并布點(diǎn)建設(shè)的ADTD型閃電定位系統(tǒng)，分別在長(zhǎng)沙、益陽(yáng)、岳陽(yáng)、常德、張家界、懷化、邵陽(yáng)、永州、郴州、衡陽(yáng)設(shè)有探測(cè)子站，站點(diǎn)之間相隔距離最遠(yuǎn)為179 km，最近為89 km(圖2)，于2008年初在湖南省布設(shè)完成，主要用于探測(cè)云地閃電，獲取閃擊的發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度位置、雷電流極性、峰值強(qiáng)度、雷電流上升陡度等參數(shù)，時(shí)間精度可達(dá)10-7s，湖南省內(nèi)地閃探測(cè)效率大于80%，定位精度可達(dá)300 m。由于2020年的閃電數(shù)據(jù)正在進(jìn)行質(zhì)量控制檢驗(yàn)，本文暫未應(yīng)用。

圖2 湖南省ADTD型雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)分布Fig.2 Distribution of ADTD lightning monitoring network in Hu′nan province

2009—2018年地閃資料用于建立地閃特征參數(shù)預(yù)測(cè)模型，應(yīng)用2019年地閃資料對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，統(tǒng)計(jì)地閃數(shù)據(jù)時(shí)，去掉2站定位，刪除雷電流強(qiáng)度為-500～500 kA和-5～5 kA的數(shù)據(jù)，雷電流波前陡度區(qū)間為絕對(duì)值小于500 kA/μs，大于0 kA/μs。按照《基于雷電定位系統(tǒng)(LLS)的地閃密度 總則》GB/T 37047—2018中4.5小節(jié)內(nèi)容，根據(jù)《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)指南》QXT 405—2017中5.2.2小節(jié)內(nèi)容劃分網(wǎng)格大小，將長(zhǎng)沙地區(qū)以3 km×3 km劃分單位網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)每一單位網(wǎng)格內(nèi)的地閃回?fù)纛l次和平均電流強(qiáng)度。

1.2 地形要素的提取

提取同一網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)全部閃電數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的經(jīng)度、緯度、海拔高度(H)、坡度(SL)、坡向(AS)、剖面曲率(SE)、平面曲率(SU)、坡度變率(SOS)、坡向變率(SOA)、地形起伏度(RDLS)、地表切割深度(CD)、地表粗糙度(RO)、高程變異系數(shù)(EV)等11個(gè)地表因子。

1.3 回歸模型

為研究各個(gè)因子與地閃活動(dòng)的關(guān)系，用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行95%置信度的顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)因子的顯著性水平P-value<0.05時(shí)，表示有顯著差異；當(dāng)P-value≥0.05時(shí)，表示沒有顯著差異。

按每50 m為一間隔，分析每個(gè)海拔高度區(qū)間單位面積年均地閃回?fù)纛l次(Y)、年均電流強(qiáng)度絕對(duì)值(I)與地形因子的相關(guān)程度，選取相關(guān)性好(P-value<0.05)的地形因子建立回歸模型，分別對(duì)Y和I模型進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 地閃頻次分布

2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)單位面積年均地閃頻次分布見圖3，結(jié)合圖1可知，長(zhǎng)沙地區(qū)年均地閃回?fù)裘芏取? 次·km-2·a-1分布在西部丘陵，平原的年均地閃回?fù)裘芏戎禐?.5～1.5 次·km-2·a-1，東部山地年均地閃回?fù)裘芏戎灯毡樾∮?.5 次·km-2·a-1。統(tǒng)計(jì)地閃回?fù)纛l次發(fā)生在各類地形單位面積所占的比例，平原占比最大，為74.34%，其次為丘陵，占比為20.65%，低山和高山發(fā)生的地閃占比分別為4.64%和0.37%。

單位網(wǎng)格為3 km×3 km圖3 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)單位面積年均地閃回?fù)裘芏瓤臻g分布Fig.3 Distribution of annual average return strike density of ground lightning per unit area in Changsha from 2009 to 2018

以海拔高度50 m為間隔，統(tǒng)計(jì)2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)各海拔高度區(qū)間的年均單位面積地閃頻次，如圖4所示。從圖4可以看出，海拔高度低于200 m，地閃回?fù)纛l次急劇增加，從0.58 次·km-2·a-1增加至1.78 次·km-2·a-1。海拔高度為200～600 m，地閃回?fù)纛l次呈波動(dòng)變化。海拔高度由600 m上升至1550 m，地閃回?fù)纛l次從1.28 次·km-2·a-1降至0.07 次·km-2·a-1。統(tǒng)計(jì)分析表明，隨著海拔高度的增加，地閃回?fù)纛l次呈減少趨勢(shì)，與文獻(xiàn)[11，17]得出的結(jié)論一致。有研究表明，大氣中的氣溶膠濃度影響閃電的發(fā)生，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，氣溶膠多分布在5 km及以下的對(duì)流層中，氣溶膠濃度隨海拔高度呈指數(shù)級(jí)減少[18-19]，導(dǎo)致地閃回?fù)纛l次隨海拔高度的增加而減少。

圖4 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)單位面積年均地閃回?fù)纛l次隨海拔高度變化Fig.4 Variation of annual average return strike frequency of ground lightning per unit area in Changsha with altitude from 2009 to 2018

2.2 電流強(qiáng)度分布

2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃平均電流強(qiáng)度分布見圖5。由圖5可知，電流強(qiáng)度主要集中在25～65 kA，所占比例為74.91%。其中，發(fā)生在平原的地閃占比為77.84%，丘陵為14.66%，低山為6.45%，高山為1.05%。

單位網(wǎng)格為3 km×3 km圖5 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃回?fù)羝骄娏鲝?qiáng)度分布Fig.5 Distribution of average current intensity of ground lightning in Changsha from 2009 to 2018

2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃平均電流強(qiáng)度在各海拔高度區(qū)間的分布見圖6。由圖6可知，700 m及以下海拔高度區(qū)間，地閃平均強(qiáng)度比較平緩，為46～51 kA。海拔高度700～1450 m，地閃平均強(qiáng)度呈波動(dòng)式增加，從海拔高度700 m的50.73 kA增加至83.94 kA。海拔高度在1450 m以上時(shí)，地閃平均電流強(qiáng)度隨海拔高度的增加而變小。隨著海拔高度的增加，地閃平均電流強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，與年均地閃回?fù)纛l次隨海拔高度的變化趨勢(shì)相反，這一結(jié)論與江西地閃幅值分布特征一致[11]。

圖6 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)平均電流強(qiáng)度隨海拔高度變化Fig.6 Variation of the average current intensity of ground lightning in Changsha with altitude from 2009 to 2018

2.3 地閃頻次與地表要素

按海拔高度每隔50 m統(tǒng)計(jì)，使用SPSS軟件計(jì)算2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)單位面積年均地閃頻次與11個(gè)地形因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。由表1可知，Y與EV和SE的相關(guān)系數(shù)分別為0.550、0.434，呈正相關(guān)，與H、SU、RO、CD及RDLS呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，均通過(guò)了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。

表1 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)單位面積年均地閃頻次與地形因子相關(guān)性Table 1 Correlation between annual average ground lightning frequency per unit area and several topographic factors in the Changsha area from 2009 to 2018

2.4 電流強(qiáng)度與地表要素

按每50 m海拔高度統(tǒng)計(jì)2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃回?fù)魯?shù)據(jù)電流強(qiáng)度年均值，地閃回?fù)綦娏鲝?qiáng)度年均值與區(qū)間平均海拔高度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)見表2。由表2可知，I與H、AS、RO、CD及RDLS這5個(gè)地形因子之間為正相關(guān)，均通過(guò)了置信度0.05的顯著性檢驗(yàn)；與EV和SOS呈負(fù)相關(guān)，P分別為0.000、0.001，表明這兩個(gè)因子對(duì)I的影響也具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)年均電流強(qiáng)度與地形因子相關(guān)性Table 2 Correlation between annual average current intensity and several topographic factors in the Changsha area from 2009 to 2018

2.5 模型的建立與檢驗(yàn)

綜合上述分析，基于相關(guān)性顯著的地形因子，建立單位面積年均地閃回?fù)纛l次、年均電流強(qiáng)度的多元線性回歸模型：

Y=3.666-0.002×H-46.873×EV+7.80×10-11×SU+8.05×10-5×RO+6.73×10-11×SE+0.108×CD-0.174×RDLS

(1)

I=28.252+0.026×H+372.709×EV+0.195×AS-0.453×SOS-0.002×RO-2.289×CD+3.347×RDLS

(2)

式(1)～式(2)中，兩個(gè)回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.944和0.936，均通過(guò)了置信度0.05的顯著性檢驗(yàn)，為高度正相關(guān)。

將2019年閃電數(shù)據(jù)帶入模型進(jìn)行檢驗(yàn)，按3 km×3 km網(wǎng)格繪制單位面積年均地閃回?fù)纛l次和平均電流強(qiáng)度的分布(圖7a和圖7b)，分別與實(shí)況數(shù)據(jù)(圖7c和圖7d)進(jìn)行對(duì)比。由圖7可知，單位面積年均地閃回?fù)纛l次的模型計(jì)算結(jié)果(圖7a)小于觀測(cè)值(圖7c)，計(jì)算結(jié)果中(圖7a)，寧鄉(xiāng)市北部和瀏陽(yáng)市東南部出現(xiàn)兩個(gè)高值區(qū)，計(jì)算最大值與觀值最大值相差13.22%。

根據(jù)誤差率=(預(yù)測(cè)值-實(shí)況值)/實(shí)況值，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格計(jì)算值與觀測(cè)值之間的誤差，對(duì)所有網(wǎng)格的誤差率取平均值，得到單位面積年均地閃回?fù)纛l次的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之間的誤差均值為9.20%。

圖7 2019年長(zhǎng)沙地區(qū)單位面積年均地閃回?fù)纛l次計(jì)算結(jié)果(a)和觀測(cè)結(jié)果(c)、平均電流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(b) 和觀測(cè)結(jié)果(d)空間分布Fig.7 Distribution of calculated (a) and observed (c) of average annual return strike frequency of ground lightning per unit area,and calculated (b) and observed (d) average current intensity in Changsha area in 2019

對(duì)比圖7b和圖7d可知，平均電流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的分布較相似，數(shù)值表現(xiàn)為計(jì)算結(jié)果偏高于觀測(cè)結(jié)果。每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)模型計(jì)算電流值與觀測(cè)電流值之間的差異，平均值約為4.40%。

3 結(jié)論與討論

(1)2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃回?fù)纛l次發(fā)生在平原的占比最大，其次為丘陵，高山最低，且隨著海拔高度的增加，地閃回?fù)纛l次呈減少趨勢(shì)。

(2)2009—2018年年長(zhǎng)沙地區(qū)電流強(qiáng)度主要集中在25～65 kA，其中，發(fā)生在平原的地閃回?fù)粽急葹?7%以上，隨著海拔高度的增加，地閃平均電流強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。

(3)利用2019年閃電數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，單位面積年均地閃回?fù)纛l次的計(jì)算值較觀測(cè)值小，誤差平均值為9.20%；平均電流強(qiáng)度計(jì)算值偏高，與觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差平均值約為4.40%。

(4)雷電流幅值是根據(jù)100 km處的輻射場(chǎng)波形計(jì)算得出的近似值，實(shí)際上地面、樹木、建筑物等均會(huì)發(fā)生反射，作用于雷電流的電場(chǎng)[17]，導(dǎo)致雷電流幅值與實(shí)際值之間存在一定誤差。另外，由于長(zhǎng)沙地區(qū)閃電定位儀布設(shè)位置及探測(cè)半徑造成相鄰省份接壤地區(qū)被監(jiān)測(cè)到的地閃數(shù)據(jù)較實(shí)際發(fā)生的地閃少，今后將通過(guò)相鄰省份的閃電定位組網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行補(bǔ)充，如長(zhǎng)沙東部瀏陽(yáng)地區(qū)的閃電數(shù)據(jù)可增加江西省組網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的長(zhǎng)沙地區(qū)閃電數(shù)據(jù)，有助于減小模型計(jì)算的誤差。