天津地区闪电活动与地形因子关系研究

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(1 天津市气象灾害防御技术中心 天津 300074；2湖南省气象灾害防御技术中心 长沙 410007；3 天津市防雷技术中心 天津 300074)

0 引 言

闪电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，最大闪电强度可达到200 kA以上[1]，具有极强的破坏性。不同的地表环境下，受海拔、坡度、坡向等地形因子影响，闪电频率、强度等参数存在极大差异。因此，区域闪电活动与地表要素关系的研究成为近年来雷电研究的重要课题之一。目前，国内外关于闪电与地形因子关系的研究已取得一些发现。Nmazaris[2]、李政[3]、刘海兵[4]、王赟[5]等国内外学者分析了希腊、重庆、江西、大连地区闪电与海拔等地形因子的关系，发现两者关系较为显著。

天津地处燕山山地向滨海平原的过渡地带，地形主要有山地、丘陵和平原三种，受海洋气候影响明显，年均雷暴日高达29.8天，雷电灾害频繁发生，因此防雷减灾成为近年重要的研究课题。在未考虑下垫面的因素下分析过天津区域内的雷电风险特征[6]，引入天津DEM资料，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，结合本地闪电定位资料，利用相关分析、线性回归和GIS空间分析方法，研究闪电活动与地形因子的关系。

1 资料与方法

1.1 资 料

所用2008—2015年闪电定位资料来源于天津市气象局，其中利用2008—2013年资料用于分析建模， 2014-2015年资料验证模型； DEM资料来源于地理空间数据云，分辨率为30m。

经统计，2008—2015年发生闪电共计196833次，其中2008-2013年间177395次，2014-2015年间19438次。绘制2008—2015年闪电密度空间分布图(图1)，由图可知：天津北部闪电密度较高，中南部闪电密度相对较小。

图1 2008-2015年天津地区闪电密度空间分布图

1.2 地形因子提取

利用Gis软件 3D分析提取工具，提取海拔(H)、坡度(S)、坡度变率(SV)、坡向{A0(-1)、A1(0，22.5°，337.5°-360°] 、A2( 22.5° ，67.5°]、A3( 67.5 °，112.5°]、A4(112.5°，157.5°]、A5(157.5°，202.5°]、A6( 202.5 °，247.5°]、A7(247.5°，292.5°]、A8(292.5°，337.5°]}、地形起伏度(D)，提取方法见[4、7],提取栅格宽度为5m。

提取后天津地区的海拔、坡度分布图如图2，3所示：

图2 天津海拔高度分布图

图3 天津坡度分布图

将Gis提取后的闪电数据与地形因子连接，以海拔高度每50m，提取所对应的闪电频次、平均闪电强度和地形因子，用spss软件，对其做相关性分析。

经检验发现闪电频次不符合正态分布，将其对数处理后呈正态分布，以闪电频次对数为研究对象，记作，平均闪电强度记作。

2 结果分析

2.1 闪电与海拔相关性分析

2.1.1 闪电频次与海拔

利用皮尔逊相关分析，分析闪电频次对数与平均海拔的关系，结果显示相关系数为-0.914，P=0，呈显著负相关关系。

以海拔间隔每50m提取闪电频次，得到闪电频次与海拔关系图(图4)。 由图4可知，天津地区闪电主要分布在海拔0～450m的海拔高度上，在海拔0～50 m的高度上，闪电急剧增加，50～100m之间闪电次数急剧减少，100 m之后闪电次数减少，450 m以后闪电发生次数较少，地形分类见表1。

以起伏度对地形细分[8]，进而分析闪电与海拔之间的关系。

表1 地形分类表

经分析发现：平原发生闪电次数最高，164705次，占总闪电比例的92.85%；小起伏山地次之，5979次，占比例为3.37%；台地、丘陵发生闪电次数5537次，所占比例为3.12%，中、大起伏山地发生闪电次数较少。可见，天津绝大部分闪电发生在平原。

2.1.2 闪电强度与海拔

利用皮尔逊相关分析，分析闪电强度与平均海拔的关系，得到两者相关系数为0.361，P=0.099，两者不相关。

图4 闪电频次与海拔关系图

图5 闪电强度与海拔关系图

2.2 闪电与坡向

2.2.1 闪电频次与坡向

以平均海拔为控制变量，对闪电频次对数与坡向做偏相关分析，结果如表2。结果分析发现闪电频次与坡向无关。

2.2.2 闪电强度与坡向关系

以平均海拔为控制变量，对闪电强度与坡向做偏相关分析，结果如表3。结果分析发现闪电强度与坡向无关。

表2 闪电频次与坡向关系

表3 闪电强度与坡向关系

2.3 闪电与坡度、坡度变率

2.3.1 闪电频次与坡度、坡度变率

以平均海拔为控制变量，对闪电频次与坡度、坡度变率做偏相关分析，发现闪电频次与坡度、坡度变率相关系数分别为-0.79、-0.848，p值均为0，即闪电频次与坡度、坡度变率相关系数均呈负相关。

2.3.2 闪电强度与坡度、坡度变率

以平均海拔为控制变量，对闪电强度和坡度、坡度变率做偏相关分析，发现闪电强度与坡度相关系数为0.454，P=0.039；与坡度变率相关系数为0.176，P=0.445，即闪电强度与坡度呈正相关关系，与地形起伏度不相关。

2.4 闪电与地形起伏度

以海拔为控制变量，对闪电频次对数和地形起伏度作偏相关分析，发现闪电频次与地形起伏度相关系数为-0.882，P=0，即闪电频次与地形起伏度呈负相关。

以海拔为控制变量，对平均闪电强度与地形起伏度作偏相关分析，结果显示闪电强度与地形起伏度相关系数为0.42，P=0.058，即闪电强度与地形起伏度关系不相关。

3 建立基于地形因子的闪电空间分布模型

通过以上分析，发现闪电频次与海拔、坡度、坡度变率、地形起伏度因子均有相关关系，闪电强度与坡度相关。基于以上地形因子，利用spss多元线性回归方法，建立闪电频次和闪电强度的空间分布模型，结果如下。

Y=10.531-0.003H+0.135S-0.26SV-0.051D

( 1)

I=32.526+0.144S

(2)

对回归方程进行模型检验，FY=28.253，P=0；F1=4.921，P=0.039，均通过检验。

将2014-2015年闪电数据带入方程作预测检验，并与实际监测数据对比，发现闪电频次平均误差为30.4%，平均电流强度平均误差为4.77%。

4 结 论

通过对天津地区2008—2013年闪电定位数据和30m的DEM数据提取海拔、坡向、坡度、坡度变率、地形起伏度地形因子进行分析，得到如下结论：

(1)闪电频次与海拔、坡度变率、地形起伏度呈负相关关系，与坡度呈正相关关系，与坡向不相关； 闪电电流强度与坡度呈正相关关系，与其他地形因子相关性不相关。

(2)利用spss多元线性回归建立闪电频次和闪电强度空间分布模型，将2014—2015年闪电数据带入模型方程预测检验，并与实际监测结果对比，发现闪电频次的平均误差为30.4%，平均电流强度平均误差为4.77%。

参考文献:

[1] 何晖,李宏宇.北京地区闪电特征初探[J].气象科技,2005,33(6):496-500.

[2] Mazarakis N, Kotroni V, Lagouvardos K,et al. Stroms and Lightning Activity in Greece During the Warm Periods of 2003-2006[J].Journal of Applied Meteorology and Climatology,2008,46(12):3089-3098.

[3] 李政,肖稳安,李家启,等.区域海拔高度变化对闪电特征影响的初步分析[J].湖北大学学报(自然科学版),2011,33(2):197-201.

[4] 刘海兵,张云峰,李玉塔.江西闪电特征海拔高度影响分析[J].气象科技,2017,45(2):342-348.

[5] 王赟,何阳,王洪祥,等.基于地形因子的闪电空间分布研究[A].第32届中国气象学会年会S20 第十三届防雷减灾论坛——雷电物理和防雷新技术.

[6] 宋喃喃,刘邕.基于天津各行政区的雷电风险区划初探[J].安徽农业科学,2015,43(2):206-208,311.

[7] 张勇荣,杨琴,刘兴荣.基于ASTERGDEM的六盘水市地形特征分析[J].贵州师范学院学报，2011,27(6):26-29.

[8] 李炳元,潘保田,韩嘉福.中国陆地基本地貌类型及其划分指标探讨[J].第四世纪研究,2008,28(4):535-543.