地形對(duì)廣東省地閃活動(dòng)的影響

徐金勤，張毅，符靖茹，蔡倩

（1.廣東省氣象服務(wù)中心，廣東廣州 510640；2.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州 511430；3.湛江市氣象局，廣東湛江 524001）

廣東省地處東南沿海季風(fēng)區(qū)，強(qiáng)對(duì)流天氣盛行，雷電活動(dòng)頻繁，是全國地閃密度高值區(qū)［1－2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣東省每年每100萬人中約有0.58人死于雷擊，高于全國平均水平約9%［3］。因此，加強(qiáng)對(duì)廣東省雷電活動(dòng)特征及影響因素研究，對(duì)于當(dāng)?shù)乩纂姙?zāi)害防御工作具有重要意義。

雷電活動(dòng)具有較強(qiáng)的地域性特征。江西省地閃密度與海拔高度呈顯著負(fù)相關(guān)，地閃平均強(qiáng)度則與海拔高度呈顯著正相關(guān)［4］；河南省地閃密度與海拔高度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)［5］；湖北省地閃密度隨海拔增加遞減，地閃強(qiáng)度隨海拔增加呈現(xiàn)“先增后減”趨勢(shì)，地閃密度和強(qiáng)度均隨著坡度增加呈減少趨勢(shì)，坡向朝南或朝東地閃密度較高［6］；長沙地區(qū)的地閃頻次隨著海拔增加呈減少趨勢(shì)，而地閃強(qiáng)度則呈上升趨勢(shì)［7］，上述研究表明地形要素對(duì)于地閃活動(dòng)的影響具有明顯的地域性差異。

本研究利用廣東省2014—2022年地閃觀測(cè)資料和地形數(shù)據(jù)，分析廣東省地閃活動(dòng)的空間分布特征，定量化研究海拔、坡度和坡向?qū)V東省地閃活動(dòng)的影響，以期為廣東省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及防御決策提供參考。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

1）地閃數(shù)據(jù)。2014—2022年地閃數(shù)據(jù)，包含觀測(cè)時(shí)間、電流、經(jīng)緯度等信息，來源于廣東省ADTD閃電定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一套專門探測(cè)云地閃的系統(tǒng)，傳感器能夠準(zhǔn)確采集云地閃波形峰點(diǎn)到達(dá)時(shí)間，時(shí)間精度達(dá)到了0.1μs；中心定位處理軟件采用時(shí)差測(cè)向混合定位算法，保證定位精度。

2）地形數(shù)據(jù)。DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https：／／www.gscloud.cn）。

1.2 研究方法

本研究采用坡度坡向提取方法、地閃密度和強(qiáng)度空間統(tǒng)計(jì)方法、相關(guān)分析方法、方差分析方法、K均值聚類分析法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔高度對(duì)廣東省地閃分布的影響

1）海拔高度與地閃密度。

廣東省2014—2022年平均地閃密度空間分布特征較為明顯，高值區(qū)（地閃密度高于4.0次·km－2·年－1）集中分布在珠三角平原地帶，并在茂名和潮汕沿海地區(qū)也存在小范圍高值區(qū)（圖1a），其分布特征與莊燕洵等［8］制作的1999—2012年廣東省地閃密度空間分布特征基本一致，珠三角是廣東省地閃密度高值區(qū)，但是在湛江和潮汕地區(qū)會(huì)略有不同，這可能與研究年限不同有關(guān)。另外，廣東省大部分地區(qū)（約87.8%）的海拔高度低于500 m，以平原和丘陵為主（圖1b）。

圖1 廣東省2014—2022年平均地閃密度空間分布（a）、不同海拔高度區(qū)間的面積比例（b）

以100 m為間隔將0～1 200 m海拔高度劃分為12個(gè)區(qū)間以及＞1 200 m單獨(dú)作為一個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間2014—2022年地閃累計(jì)發(fā)生頻率、平均地閃密度和地閃強(qiáng)度，并繪制成曲線（圖2）。由圖2a可見，廣東省地閃頻次最高的海拔區(qū)間是0～100 m，占總發(fā)生頻次的40.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他區(qū)間；地閃集中分布在海拔0～500 m區(qū)間，累計(jì)發(fā)生概率達(dá)90.1%；海拔高于1 000 m后，地閃發(fā)生的概率極低。由圖2b可見，隨著海拔高度增加，地閃密度呈現(xiàn)整體遞減趨勢(shì)；在100～1 000 m之間，地閃密度隨海拔增加而緩慢減小。Spearman檢驗(yàn)結(jié)果表明，海拔高度與地閃密度之間的相關(guān)系數(shù)為－1.0，二者呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。造成上述結(jié)果的原因可能與珠三角的“喇叭口”地形效應(yīng)有關(guān)，雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣更頻繁發(fā)生在廣東省的低海拔地帶，因此低海拔地區(qū)的地閃頻數(shù)和密度會(huì)相對(duì)更高。

圖2 廣東省2014—2022年不同海拔高度區(qū)間下地閃累計(jì)發(fā)生頻率（a）、平均地閃密度（b）

2）海拔高度與地閃強(qiáng)度。

廣東省2014—2022年平均地閃強(qiáng)度空間分布特征與地閃密度分布特征存在差異，地閃強(qiáng)度高值區(qū)集中分布在珠三角喇叭口周邊的高海拔地區(qū)、沿海地區(qū)以及粵北地區(qū)（圖3a）。

圖3 廣東省2014—2022年平均地閃強(qiáng)度空間分布（a）和不同海拔高度區(qū)間下平均地閃強(qiáng)度（b）

與地閃密度趨勢(shì)相反，地閃強(qiáng)度隨著海拔高度的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)（圖3b），該變化趨勢(shì)與江西、福建、湖南地區(qū)［6，13－14］的研究結(jié)果相同，卻與湖北［13］、浙江［15］等的研究結(jié)果不同，這可能與各地區(qū)地形分布、局地氣候和影響系統(tǒng)等因素有關(guān)。進(jìn)一步對(duì)海拔高度與地閃強(qiáng)度作Spearman相關(guān)分析，得到二者相關(guān)系數(shù)為1.0（P＜0.01），呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是與山地抬升作用有關(guān)，廣東省對(duì)流潛熱的高值區(qū)基本上位于較高海拔地區(qū)［16］，容易造成能量相較強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)。

2.2 坡度對(duì)廣東省地閃分布的影響

1）坡度與地閃密度。

廣東省坡度的空間分布特征與海拔高度的分布特征一致，海拔較高的地帶坡度也相對(duì)較大（圖4a）；廣東省整體坡度變化不大，大部分地區(qū)的坡度低于15°，面積占比達(dá)到77%，以平坡和緩坡為主（圖4b）。

圖4 廣東省坡度空間分布（a）和不同坡度區(qū)間的面積比例（b）

以0.5°為間隔將0°～35°坡度劃分為7個(gè)區(qū)間以及＞35°單獨(dú)作為一個(gè)區(qū)間。統(tǒng)計(jì)8個(gè)區(qū)間2014—2022年地閃累計(jì)發(fā)生頻率、平均地閃密度和地閃強(qiáng)度，并繪制成曲線（圖5）。由圖5a可見，廣東省2014—2022年地閃發(fā)生概率最大的坡度區(qū)間為0°～5°，概率曲線變化趨勢(shì)與面積占比趨勢(shì)相同，隨著坡度增大，地閃累計(jì)發(fā)生概率減少。由圖5b可見，廣東省2014—2022年平均地閃密度隨坡度增加呈現(xiàn)“減?。黾樱瓬p小”趨勢(shì)；最高值為2.12次·km－2·年－1，出現(xiàn)在0°～5°區(qū)間；次高值為1.97次·km－2·年－1，出現(xiàn)在20°～25°區(qū)間。Spearman檢驗(yàn)結(jié)果表明，坡度與地閃密度之間的相關(guān)系數(shù)為－0.55，顯著性P為0.16，表明二者無顯著相關(guān)關(guān)系。

圖5 廣東省2014—2022年不同坡度區(qū)間下地閃累計(jì)發(fā)生概率（a）、平均地閃密度（b）和平均地閃強(qiáng)度（c）

2）坡度與地閃強(qiáng)度。

坡度對(duì)廣東省2014—2022年平均地閃強(qiáng)度的影響較為明顯，地閃強(qiáng)度隨著坡度增加而增加（圖5c）。對(duì)坡度與地閃強(qiáng)度作Spearman相關(guān)分析，得到二者相關(guān)系數(shù)為1.0（P＜0.01），呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這是由于坡度更陡的地區(qū)基本位于較高的地形山脈，與海拔高度對(duì)地閃強(qiáng)度的影響機(jī)制解釋類似。

2.3 坡向?qū)V東省地閃分布的影響

本研究將坡向按照區(qū)間分為8類：西北坡（292.5°～337.5°）、北坡（337.5°～360°和0°～22.5°）、東北坡（22.5°～67.5°）、東坡（67.5°～112.5°）、東 南 坡（112.5°～157.5°）、南 坡（157.5°～202.5°）、西南坡（202.5°～247.5°）、西坡（247.5°～292.5°）。廣東省坡向的空間分布總體特征沒有海拔高度和坡度分布特征顯著，主要體現(xiàn)在局地細(xì)節(jié)上，在海拔較高和坡度較大時(shí)，坡向的南北方向特征更為明顯（圖6）。8個(gè)坡向的面積占比相對(duì)較為均等，面積比例在11.6%～13.5%之間，最大為東南坡，占比13.5%。

圖6 廣東省坡向空間分布

1）坡向與地閃密度。

廣東省2014—2022年在北坡的地閃累積發(fā)生概率最高，約14.3%，東北坡的地閃累計(jì)發(fā)生概率最低，約11.0%（圖7a）。以8類坡向?yàn)樽宰兞?，地閃密度為因變量，通過單因素方差分析表明不同坡向分類對(duì)地閃密度具有顯著影響（P＜0.05）。地閃密度在北坡最高，次高值出現(xiàn)在南坡、東南坡和西南坡，東北坡地閃密度最低（圖7b），這可能是由于東南沿海地理位置、南北冷暖氣流、臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)、西南季風(fēng)和地形抬升作用的綜合影響，雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣活動(dòng)在南北朝向上更為頻繁發(fā)生。

圖7 廣東省2014—2022年不同坡向下地閃累計(jì)發(fā)生概率（a）、平均地閃密度（b）和平均地閃強(qiáng)度（c）

2）坡向與地閃強(qiáng)度。

以8類坡向?yàn)樽宰兞?，地閃強(qiáng)度為因變量，通過單因素方差分析表明不同坡向分類下的地閃強(qiáng)度存在顯著差異（P＜0.05），說明廣東省2014—2022年不同坡向的地閃強(qiáng)度也存在一定差異。由圖7c可見，北坡的平均地閃強(qiáng)度最低，東坡和東南坡的地閃強(qiáng)度相對(duì)較高，其次是南坡和東北坡。

2.4 基于地形影響的廣東省地閃活動(dòng)分類

為便于聚類分析，將海拔高度分為4種類型，即平原（≤200 m）、丘陵（200～500 m）、小起伏山地（500～1 000 m）、山地（＞1 000 m）。將坡度分為5種類型，即平坡（≤5°）、緩坡（5°～15°）、斜坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、峭坡（＞35°）。坡向即為8個(gè)方位。按照上述地形因子類型，利用K均值聚類法對(duì)廣東省2014—2022年地閃活動(dòng)進(jìn)行分類，在聚類過程中地形因子的重要性排序如下：海拔＞坡度＞坡向，最終分類結(jié)果如表1所示。

表1 基于地形影響的廣東省2014—2022年地閃活動(dòng)聚類分析結(jié)果

由表1可見，基于海拔、坡度和坡向3種地形要素，可將廣東省2014—2022年地閃活動(dòng)分為4類，即“平原－平坡－北坡”、“平原－緩坡－東南坡”、“丘陵－緩坡－西南坡”、“丘陵－斜坡－東北坡”；其中，“平原－平坡－北坡”類型的樣本比例最高，“丘陵－斜坡－東北坡”類型的樣本比例最低，僅占13.3%，這也說明發(fā)生在北坡的地閃活動(dòng)大多處于地勢(shì)平坦地帶，而發(fā)生在東北坡的地閃活動(dòng)則多數(shù)位于地勢(shì)相對(duì)復(fù)雜地帶。

對(duì)于“平原－平坡－北坡”型地閃活動(dòng)，由于平原和平坡兩種地形下的平均地閃密度均是相對(duì)最高（圖2b、圖5b），并且其平均地閃強(qiáng)度均是相對(duì)最低（圖3b、圖5c），因此，最終表現(xiàn)為北坡的平均地閃密度最高，但其地閃強(qiáng)度卻最低（圖7b－c）。同理，“丘陵－斜坡－東北坡”型地閃活動(dòng)，丘陵和斜坡對(duì)應(yīng)著較高的海拔和坡度；而海拔越高、坡度越大對(duì)應(yīng)的地閃強(qiáng)度就越高（圖3b、圖5c），因此，東北坡的地閃密度雖然不高但其地閃強(qiáng)度仍然相對(duì)較高（圖7b－c）。

3 結(jié)論

通過對(duì)廣東省2014—2022年地閃觀測(cè)資料和地形數(shù)據(jù)的定量化處理和分析，得到以下結(jié)論：

1）海拔高度對(duì)廣東省地閃活動(dòng)的影響顯著。地閃密度與海拔高度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，地閃密度高值區(qū)集中在珠三角平原；地閃強(qiáng)度與海拔高度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，隨著海拔高度的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

2）坡度與地閃密度無顯著相關(guān)，卻對(duì)地閃強(qiáng)度具有顯著影響。隨著坡度增加，地閃累積發(fā)生概率減少，地閃密度呈現(xiàn)“減?。黾樱瓬p小”趨勢(shì)；坡度與地閃強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，地閃強(qiáng)度隨坡度增加而增加。

3）不同坡向的地閃活動(dòng)存在顯著性差異。地閃密度在北坡最高，次高值出現(xiàn)在南坡、東南坡和西南坡，東北坡地閃密度最低；地閃強(qiáng)度在東坡和東南坡最高，其次是南坡和東北坡，北坡最低。

4）基于海拔、坡度和坡向三種地形要素，可將廣東省2014—2022年地閃活動(dòng)分為4類，按照地閃頻次比例依次為平原－平坡－北坡（30.6%）、平原－緩坡－東南坡（29.5%）、丘陵－緩坡－西南坡（26.6%）、丘陵－斜坡－東北坡（13.3%）。