太行山地形因素對(duì)雷電分布的影響

馮 鶴，臧 舒，楊 蕊

（1.河北省氣象行政技術(shù)服務(wù)中心，河北 石家莊 050000；2.宜興市氣象局，江蘇 無(wú)錫 214200；3.滄州市渤海新區(qū)氣象局，河北 滄州 061000）

雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，雷電密度和強(qiáng)度是影響雷電災(zāi)害損失程度的重要因素。相關(guān)研究表明，地形變化會(huì)引起雷電參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，李瑞芳等[1]利用電氣幾何模型（EGM）中的擊距理論推導(dǎo)了山頂、山谷、山腳地區(qū)落雷分布系數(shù)理論計(jì)算公式，并利用某省雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，得到山頂?shù)貐^(qū)地閃密度大于山谷、山腳地區(qū)地閃密度，山體坡度越大不同地區(qū)的地閃密度差異越明顯；趙生昊等[2]研究了重慶市雷電參數(shù)與地形因素的關(guān)系，得出海拔高度、坡向?qū)Φ亻W密度的影響，認(rèn)為坡度與地閃密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；王學(xué)良等[3]研究了湖北省山區(qū)與平原雷電分布及參數(shù)特征，得到山區(qū)地閃密度略高于平原，平原正地閃百分比稍高于山區(qū)。但不同地區(qū)受氣候條件、地質(zhì)地貌影響，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣影響機(jī)制、程度、主導(dǎo)因子不盡相同，雷電活動(dòng)規(guī)律各有差異[4]，精細(xì)化研究特定區(qū)域微觀地形對(duì)雷電活動(dòng)規(guī)律的影響，得到更加準(zhǔn)確的雷電分布特征，可有效提升雷電防御水平。

太行山是中國(guó)東部地區(qū)重要山脈和地理分界線，綿延400余千米，最高峰高3 058 m，號(hào)稱華北屋脊，大部分海拔在1 200 m以上，地形起伏明顯，對(duì)雷電產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程影響顯著。本文利用閃電定位資料以及全國(guó)數(shù)字高程模型（地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載的30 m分辨率DEM）資料[5]，分析太行山脈閃電分布特征以及地形因素對(duì)雷電活動(dòng)特征的影響，為太行山脈雷電防御工作以及進(jìn)一步研究地形對(duì)雷電的影響提供參考。

1 太行山脈地形特點(diǎn)

太行山是中國(guó)重要的地形單元分界線，分布范圍主要涉及北京、河北、山西、河南4省市，東鄰華北平原、西面黃土高原、北接蒙古高原、南止于黃河谷地。太行山高程分布如圖1所示，太行山高程范圍為﹣49～3 072 m，山勢(shì)東陡西緩、北高南低，東翼由中山、低山、丘陵過(guò)渡到平原，為斷層構(gòu)造，相對(duì)高差達(dá)1 500～2 000 m；西翼連接山西高原，地勢(shì)落差小，起伏較為緩和；北端最高峰為位于河北境內(nèi)的小五臺(tái)山，高2 882 m；南端高峰為陵川的佛子山、板山，海拔分別為1 745 m、1 791 m[6]。

圖1 太行山高程分布圖

2 太行山脈雷電分布特征

2.1 空間分布特征

根據(jù)2015—2020年閃電定位資料，計(jì)算1 km2范圍內(nèi)每年發(fā)生的閃電頻次以及發(fā)生閃電的平均強(qiáng)度，借助Surfer軟件應(yīng)用克里金插值法作閃電頻次、閃電強(qiáng)度等值線，得到閃電頻數(shù)、閃電強(qiáng)度分布圖[7]。1 km2范圍內(nèi)年平均閃電頻數(shù)分布如圖2所示，由圖2可知，閃電頻數(shù)不均勻，閃電發(fā)生頻次為中部、北部多于南部，高發(fā)地主要分布在山脈東部且海拔較低區(qū)域，與太行山氣候特點(diǎn)相一致，因太行山為東北—西南走向，與中國(guó)東南季風(fēng)垂直，東南季風(fēng)受山體抬升影響，容易形成強(qiáng)對(duì)流天氣[8]。1 km2范圍內(nèi)平均閃電強(qiáng)度分布如圖3所示，由圖3可知，平均閃電強(qiáng)度與地理位置相對(duì)關(guān)系不明顯，平均閃電強(qiáng)度較高區(qū)域山脈南側(cè)較為集中。

圖2 1 km2范圍內(nèi)年平均閃電頻數(shù)分布圖

圖3 1 km2范圍內(nèi)平均閃電強(qiáng)度分布圖

2.2 時(shí)間分布特征

圖4給出了2015—2020年太行山月發(fā)生閃電頻次占全年閃電次數(shù)百分比以及正閃電占當(dāng)月總閃電次數(shù)百分比變化趨勢(shì)。由圖4可知，一年中，閃電主要分布在6—8月，閃電次數(shù)占全年總閃電次數(shù)的89.8%，為閃電高發(fā)期，5月、9月、10月閃電次數(shù)較多，閃電次數(shù)占全年總閃電次數(shù)的8.3%，為閃電多發(fā)期。同時(shí)，閃電多發(fā)的5—10月，正閃電占比均低于50%，平均占比30.8%，閃電以負(fù)閃電為主，而1—3月、11月，正閃電發(fā)生次數(shù)高于負(fù)閃電[9]，4月、12月正閃電占比分別為50.37%、49.55%，正負(fù)閃電數(shù)量無(wú)明顯差距。

圖4 太行山區(qū)雷電月分布圖

應(yīng)用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)高程進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)不同高程段閃電月發(fā)生次數(shù)，如圖5所示。由圖5可知，全部高程區(qū)域6—8月均為閃電高發(fā)期，但閃電發(fā)生最多月份因高低海拔區(qū)域有區(qū)別，高程437 m以下區(qū)域閃電發(fā)生次數(shù)最多月份為8月，次高月份為7月，其他高程區(qū)域閃電發(fā)生次數(shù)最多月份均為7月，次高月份為8月，此外，高程437 m以下2個(gè)高程段5月和4月閃電發(fā)生次數(shù)變化率大于其他區(qū)域，較早進(jìn)入閃電多發(fā)期。

圖5 不同高程段閃電月分布圖

3 太行山脈地形因素對(duì)雷電的影響分析

3.1 方法

以DEM資料為基礎(chǔ)，使用ArcGis中的3DAnalyst工具提取高程、坡度、坡向因素。高程是某點(diǎn)沿鉛垂線方向到絕對(duì)基面的距離；坡度指過(guò)該點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角，表示地表面在該點(diǎn)的傾斜程度；坡向是地表面上一點(diǎn)切平面的法線矢量在水平面的投影與過(guò)該點(diǎn)正北方向的夾角，表征了該點(diǎn)高程值改變最大變化方向[10]。根據(jù)自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)高程和坡度進(jìn)行分類。通過(guò)提取工具提取將各因素提取至1 km2網(wǎng)格年平均閃電頻數(shù)和閃電強(qiáng)度，根據(jù)提取結(jié)果分析各因素對(duì)應(yīng)的閃電分布特征。

3.2 高程對(duì)雷電的影響

不同高程段網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)、強(qiáng)度分布分別如圖6、圖7。由6圖可知，高程分級(jí)988～1 074 m段，網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)達(dá)到最低值后，各分級(jí)高程段間網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)明顯呈上升趨勢(shì)，認(rèn)為太行山高程1 000 m以下區(qū)域閃電發(fā)生概率無(wú)明顯變化，超過(guò)1 000 m后，閃電發(fā)生概率隨高度增加。由圖7可知，網(wǎng)格平均閃電強(qiáng)度與頻率規(guī)律正好相反，在高程分級(jí)988～1 074 m段后，各分級(jí)高程段間網(wǎng)格平均閃電強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但變化不明顯。

圖6 不同高程段網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)分布圖

圖7 不同高程段網(wǎng)格平均閃電強(qiáng)度分布圖

3.3 坡度對(duì)雷電的影響

不同坡度段網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)、強(qiáng)度分布分別如圖8、圖9所示。由圖8可知，網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)在中心點(diǎn)坡度11.42～46.59范圍內(nèi)較為平穩(wěn)，小于11.42以及大于46.59坡度范圍內(nèi)有明顯變化，整體來(lái)看，坡度較大網(wǎng)格閃電頻數(shù)較高。由圖9可知，網(wǎng)格平均閃電強(qiáng)度隨中心點(diǎn)坡度變化不明顯，整體較為平穩(wěn)。

圖8 不同坡度段網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)分布圖

圖9 不同坡度段網(wǎng)格平均閃電強(qiáng)度分布圖

3.4 坡向?qū)纂姷挠绊?/h3>

不同坡向網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)、強(qiáng)度分布分別如圖10、圖11所示。除平面網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)較少、平均閃電強(qiáng)度較大外，不同坡向閃電發(fā)生頻次、強(qiáng)度無(wú)明顯變化。

圖10 不同坡向網(wǎng)格平均閃電頻數(shù)分布圖

圖11 不同坡向網(wǎng)格平均閃電強(qiáng)度分布圖

4 結(jié)論

分析太行山閃電活動(dòng)特征，得到以下結(jié)論：①太行山山勢(shì)東陡西緩、北高南低，閃電發(fā)生頻數(shù)為中部、北部多于南部，東部多于西部，平均閃電強(qiáng)度較高區(qū)域山脈南側(cè)較為集中；②5—10月閃電多發(fā)，負(fù)閃電明顯多于正閃電，低海拔區(qū)域，較早進(jìn)入閃電多發(fā)期，閃電發(fā)生次數(shù)最多月份為8月，次高月份為7月，高海拔區(qū)域閃電發(fā)生次數(shù)最多月份均為7月，次高月份為8月；③閃電發(fā)生頻率與高程、坡度存在一定相關(guān)性，較高海拔區(qū)域，發(fā)生頻率隨高程、坡度增加而增加。