重庆地区复杂地形影响下地闪活动特征分析

张新科，何跃，程译萱，谭霞，李强

（1. 荣昌区气象局，重庆 402460；2. 重庆市气象台，重庆 401147；3. 万盛区气象局，重庆 400800）

1 引 言

闪电是云与云、云与地或者云体内各部位之间的强烈放电现象，具有极大的破坏性。相对于云闪而言，地闪能够直接损坏建筑物、电子设备，造成人员伤亡[1]，因此针对地闪的研究受到科学界的广泛关注。

张义军等[2]研究发现，全球闪电活动具有明显的区域差异，闪电密度高值区主要分布在海岸地区、山地地区、中尺度气旋多发地区以及热带辐合带的辐合区内。Yang 等[3]、王娟等[4]研究发现中国闪电活动具有显著地域差异性，华南地区、中东部地区和四川盆地为闪电活动密集区。由于闪电形成的天气气候机制较为复杂，地理位置、地形地貌等因素对闪电的产生有重要影响[5-6]。因此，国内外学者对闪电与地理特征、地形关系等方面做了大量的研究工作，Smith 等[7]研究墨西哥湾5—9 月地闪活动，发现闪电活动受地理特征和中尺度环流影响。Vassiliki 等[8]对地中海地区闪电与海拔、地形坡度和植被之间的关系研究发现，除冬季外，全年闪电活动与海拔高度呈正相关。刘海兵等[9]、刘雪涛等[10]和王学良等[11]分别对江西省、云南省及湖北省等不同区域的地闪活动与海拔高度关系进行了研究，发现地闪活动与地形及海拔高度密切相关，但不同区域具有差异性。重庆位于四川盆地东部，受特殊地形和东亚季风影响，雷电强对流天气频发，每年因雷电活动造成的财产损失或人身伤亡事件时有发生[12]。因此，详细分析研究重庆地区闪电活动特征具有重要的现实意义。

李家启等[13-14]对2008 年以前重庆地区闪电活动特征、雷电参数及雷电灾害防御等方面做了研究。赵生昊等[15]、任照环等[16]重点研究了重庆地区雷电灾害主要致灾因子及雷电灾害风险区划。由于重庆地形复杂多变，海拔落差极大（73.1~2 796.8 m），兼有盆地、河谷、丘陵和山地等不同地形地貌，闪电活动时空分布差异显著。然而近年来，针对重庆地区闪电活动时空分布特征，尤其是复杂地形及海拔高度对地闪活动影响的研究较为少见。因此，本文利用2008—2020 年重庆地区ADTD 闪电定位资料，并结合高精度DEM 海拔高程数据，研究了重庆地区复杂地形影响下的地闪活动特征，以加深对该地区地闪活动规律的认识，同时为雷电临近预报及复杂地形条件下闪电活动规律的研究提供参考。

2 研究数据及方法

2.1 研究数据

地闪数据为2008—2020 年重庆地区ADTD闪电定位数据，由重庆市ADTD 闪电定位系统获取。该系统包括一个主站（重庆沙坪坝站）、四个子站（酉阳、城口、云阳、石柱），且与四川、湖北、贵州等省邻近区域的闪电监测站点联网，共有13 个闪电定位探测站(图1) ，探测范围覆盖重庆所有区域。其时钟频率最高为16 mHz，每个闪电回击的处理时间在1 ms 左右，定位精度优于300 m，探测效率可达90%，提供包括地闪回击发生的时间、位置、极性、强度、陡度、定位误差和定位方式等信息。根据探测原理，删除了小于2站探测到的数据记录[17]。同时，王志超等[18]研究表明，受云闪干扰，ADTD 闪电定位系统对于电流强度小于10 kA 的闪电回击探测能力较差，为了避免误判，本文在使用闪电定位资料前剔除了小于10 kA 闪电定位资料。降水量资料为2016—2020 年重庆市34 个国家级地面气象观测站及1 929 个地面区域自动气象站逐小时降水量数据，由国家信息中心CIMISS系统获取，该数据经过了严格的质量控制。

地形高程数据为SRTM DEM 数据，空间分辨率为90 m，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）。SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）是由美国航空航天局（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA)联合测量数据[19]，是目前区域地形地貌研究采用较多的基础分析数据。

2.2 研究方法

地闪密度是指单位面积、单位时间内的平均地闪次数，该值能精确反映全年闪电活动的频繁程度，单位：fl/(km2·a)。在计算地闪密度时，参照GB/T 37047-2018《基于雷电定位系统(LLS)的地闪密度总则》标准[20]。即计算地闪密度选择网格大小时需保证每个网格的大小和观测周期都满足下式：

式中NG为地闪密度；Tobs为观测周期，单位为年；Acell为每个网格单元的面积，单位为km2，式(1)左边表示单个网格内地闪总次数，即需要满足规定单个网格内的地闪次数大于80 次。本文计算地闪密度时共有13 年时间序列的地闪数据，将重庆地区划分为10 km×10 km 的网格空间显然满足要求，然后计算地闪密度。

在分析重庆地区地闪活动时空分布时，考虑地形和气候特征的差异，将重庆按照多年气候特征、地形及行政区划分为西部、西南部、主城、中部、东南部和东北部等6 个区域（图1）。其中，西部、主城以平原和丘陵地形为主，代表了渝西经济圈和城市人口聚集区，西南部为渝西偏南地区的丘陵、低山山地地形，中部为盆地与低山山地的过渡带，东北部和东南部为起伏较大的山地地形，针对重庆复杂地形下的地闪活动特征进行研究。

图1 重庆地区周边地形、ADTD闪电定位探测站（五角星）及气候业务区域分布

3 地闪活动空间分布

经统计，2008—2020 年重庆地区共出现地闪2 307 261 次，其中负地闪2 211 437 次，正地闪仅有95 824次，正地闪占比（正地闪次数占总地闪次数的比）仅有4.15%，因此负地闪的变化决定了总地闪的变化。与其他区域对比发现，重庆地区正地闪占比要明显小于京津冀地区[21]和新疆[22]等地区，与云南等地区较为接近[10]。从图2 可以看出，重庆地区地闪活动空间分布差异显著，地闪密度大值区主要集中在西部、主城和西南部偏北区域，在6～9 fl/(km2·a)，尤其在主城人口密集区域，甚至超过9 fl/(km2·a)，许多研究表明由于城市热岛效应和人类活动造成的气溶胶增多，导致大城市区域的闪电活动明显增加[23-24]。其次是中部、东北部偏南及东南部偏北区域，地闪密度在3～6 fl/(km2·a)，东北部偏北和东南部偏南区域地闪活动较少，地闪密度小于2 fl/(km2·a)。依据李炳元等[25]对地形地貌的分类标准，重庆地区地闪活动主要集中在地形较为平缓的盆地、丘陵和低山山地等区域，地形起伏剧烈的高山山地区域地闪活动要明显偏弱，整体上表现为自西向东，由盆地、丘陵到高山山地区域地闪活动逐渐减弱的特征。

分析海拔高度变化对地闪活动影响时，每100 m划分为1个高度间隔。图3给出了不同高度区间内的地闪频数占整个重庆区域总地闪频数的百分比、累计百分比及平均地闪密度，图中横轴数值代表海拔高度区间，如200 表示100～200 m 区间。结果显示，300~400 m 区间内，平均地闪密度最大，为8.4 fl/(km2·a)，地闪频数占 比 最多，为23.5%，海拔高度大于400 m 以上区域，地闪频数及地闪密度随海拔升高而不断减小。整体而言，闪电活动主要集中在海拔1 000 m以下的盆地、丘陵和低山山地区域，占到83.6%，海拔高度1 000 m以上区域仅占到16.4%，尤其海拔超过2 300 m 的高山山地区域几乎无闪电活动，仅占0.1%。由此可见，海拔高度变化显著影响了地闪活动的空间分布特征。

图2 2008—2020年重庆地区年平均地闪密度空间分布

表1 总地闪频数、正地闪占比和海拔高度的相关性检验

图3 不同海拔高度区间内的地闪频数占总地闪数的百分比、累计百分比及地闪密度分布特征

正地闪占比对强对流天气类型具有指示意义，不同强对流天气类型中正地闪占比差异较大，冯桂力等[26]研究表明，冰雹过程中正地闪占比较强降水过程更大。图4 给出了重庆地区正地闪占比空间分布及其随海拔高度变化特征，可以看出，重庆地区正地闪占比空间差异较大，东北部正地闪占比明显大于其他区域。在海拔高度低于1 000 m 的平原、丘陵和低山山地区域，平均正闪占比在3.3%～4.6%，海拔高度1 000 m 以上的山地区域，平均正地闪占比达到6.2%，最大可以达到9.2%（图4a）。对正地闪占比随海拔高度变化做线性拟合，可以看出，正地闪占比随海拔高度呈线性递增，拟合度（R2）较高，为0.86，斜率为0.002 3，即海拔每升高100 m，平均正地闪占比增大0.23%，海拔越高正地闪占比越大，正地闪占比的区域差异显著（图4b）。由此可见，重庆地区正地闪占比受地形影响具有较大差异，应用正地闪占比判别该区域强对流天气类型时需要特别注意区域差异性的影响。

图4 正地闪占比空间分布（a）及其随海拔高度变化（b）特征

由于闪电与降水属于同一强对流系统（雷暴）内的两种不同现象，二者具有内在动力和微物理联系。根据Zhuo 等[27]的做法，将小时降水量R≥0.1 mm作为一次降水记录，并引入降水量、降水频率、短时强降水贡献率。其中降水量是指统计时段内总降水量/总时次，描述单位时间内的降水量，单位为mm/h。降水频率是指统计时段内有降水的时次与总时次的比值，描述降水事件出现的频率。短时强降水贡献率是指该区域短时强降水（中央气象台对短时强降水的定义是小时降水量R≥20 mm）所产生的降水量与总降水量的比值，描述对流性降水的贡献。

重庆属于东亚季风区，强对流天气活动主要发生在暖季5—9 月，图5 给出了2016—2020 年5—9月重庆地区平均降水量、降水频率及短时强降水贡献率的空间分布特征。结果显示，重庆地区有两个降水大值中心，分别位于东北部的巫溪、开县和云阳的交界地带，以及东南部的酉阳、秀山地带，西部及中部地区降水量相对较少（图5a），这与闪电活动空间分布具有明显不同。同时，降水频次分布与重庆地形分布较为吻合，地形起伏较大的山地区域降水频次要高于平原、盆地区域，高值区主要分布在海拔1 000 m 以上的山地区域，在15%~20%，部分高海拔区域甚至超过20%，西部及中部等平原、盆地和丘陵区域在8%~12%，说明地形抬升作用有利于降水发生（图5b）。西部平原、盆地和丘陵区域短时强降水的贡献率要明显高于东北部和东南部高山山地区域，尤其是东北部城口等区域，短时强降水的贡献率仅5%左右（图5c）。以上分析表明，在东南部和东北部等高山山地区域地形抬升有利于降水形成，降水频次高且降水量更大，但是对流活动弱，不易发生强对流天气，短时强降水贡献率较小，闪电活动也相对较弱。在西部平原、盆地和丘陵等区域，降水量及降水频次虽然较少，但受周围高大山脉阻挡，能量聚集不宜散失，低层水汽能量条件较好，易引发强对流天气产生短时强降水，从而伴随强烈的闪电活动。

图5 2016—2020年5—9月重庆地区平均降水量（a）、降水频率（b）及短时强降水贡献率（c）的空间分布

综上所述，重庆地区地闪活动空间分布差异显著，且与地形及海拔高度密切相关，整体上表现为自西向东，由盆地、丘陵到高山山地区域地闪活动逐渐减弱，正地闪占比逐渐增大的特征。同时，该区域闪电活动与降水量的空间分布差异显著，二者几乎成相反的分布状况，可见地形及海拔高度对闪电活动和降水时空分布的影响是不同的。

4 地闪活动时间分布

2008—2020年整个重庆地区地闪频数及正地闪占比逐年分布差异显著，2018年地闪频数最多，为265 977 次，2015 年地闪频数最少，为55 178次，最多年是最少年的4.8 倍。各年正地闪占比在2.78%～9.31%，2013 年最小，2018 年最大（图略）。对比不同区域地闪频数年际变化发现，各区域地闪频数逐年分布具有一定差异，地闪频数最多年及最少年与整个重庆地区分布并不一致，这与强对流天气在不同区域年际变化分布不均有关。

4.1 月、季节变化

图6 给出了2008—2020 年重庆地区逐月地闪频数占全年百分比及各区域月平均地闪密度分布。结果显示，重庆地区地闪活动逐月变化呈单峰型分布，7 月为峰值，主要集中在4—9 月，占全年的96.3%，其余月份仅占3.7%。按照季节分析，夏季（6—8 月）闪电活动最为剧烈，占全年的73.7%，其次是春季（3—5 月），占全年的16.3%，秋季（9—11 月）闪电活动明显减弱，占全年的10.0%，冬季（12—2月）几乎没有地闪活动，仅占全年的0.1%（图6a）。同时，对重庆不同区域月平均地闪密度分析发现，各区域地闪活动月变化均呈单峰型分布，除西南部外，其余各区域峰值均出现在7 月，主要集中在4—9 月，其余月份地闪活动较弱（图6b），各区域地闪活动逐月变化差异不大，说明地形及海拔高度变化对月、季节尺度变化影响不明显，这是因为重庆地区属于亚洲夏季风影响区域，强对流天气的月、季节尺度变化主要受到东亚季风、副热带高压等大尺度天气系统影响[28]，地形起伏及下垫面物理特性的差异主要引起低层大气温湿度分布不均匀，从而导致中小尺度系统日变化的显著差异。

图6 2008—2020年整个重庆地区逐月地闪频数占全年百分比（a）及各区域月平均地闪密度（b）分布

4.2 日变化

图7给出了重庆地区不同区域地闪密度日变化特征，重庆各区域地闪密度日变化均呈双峰型分布，分别在夜间和白天各有一个峰值，夜间峰值集中在00:00—04:00（北京时间，下同），白天峰值集中在14:00—18:00，08:00—12:00 为地闪活动最弱时段。值得注意的是，其中夜间峰值出现时间表现为自西向东逐渐延后特征，其中西南部、西部和主城出现在00:00，中部出现在02:00，东南部出现在03:00，东北部出现在04:00，渝西地区（西部、西南部和主城）晚于渝东北地区约4 h，方德贤等[29]对重庆地区降水分析发现，降水以夜雨为主，且降水峰值出现时间也表现为向东延迟的特征，表明重庆地区夜间天气系统活跃时段与地形及特殊的地理位置密切相关。王娟等[4]、王义耕等[30]研究发现，西南地区夜间多雷暴，闪电活动具有明显的夜发性特征，但重庆地区地闪活动并不表现为单一的夜发性特征，地形起伏和海拔高度的变化影响了该区域地闪活动昼夜分布，其中重庆西部、主城地区地闪活动主峰值出现在夜间，西南部、中部和东南部地区峰值白天与夜间相当，东北部主峰值出现在白天。

图7 2008—2020年重庆不同区域每小时地闪密度(fl/(km2·h))日变化特征

为了详细分析重庆各区域地闪活动昼夜分布特征，表2 给出了2008—2020 年重庆各区域地闪频数昼夜比统计。结果显示，2008—2020 年重庆地区白天共出现地闪1 003 237 次，其中夜间有1 304 024 次，地闪频数昼夜（白天总地闪频数与夜间总地闪频数之比）比为0.77，呈明显的夜间主导型特征。不同区域地闪活动昼夜分布具有复杂性，其中西部、主城、中部及东南部地区地闪活动表现出夜间主导型特征，地闪频数昼夜比分别为0.33、0.68、0.85 和0.89，尤其是西部，昼夜比仅为0.33，夜间地闪频数约是白天的3 倍，呈现出显著的夜间主导型特征。西南部和东北部地闪频数昼夜比分别为1.05 和1.06，白天闪电活动略多于夜间，并不表现为夜间主导型，逐渐向白天主导型转变。

图8 给出了2008—2020 年重庆地闪频数昼夜比空间分布及其随海拔高度变化的特征。图8a显示，在海拔较低的盆地、丘陵和低山山地区域夜间闪电活动多于夜间，地闪频数昼夜比小于1.0，呈夜间主导型特征。在高山山地区域，白天闪电活动多于夜间，地闪频数昼夜比大于1.0，尤其是海拔更高大娄山区域和大巴山区域甚至超过2.0，地闪活动表现为明显的白天主导型特征。图8b 显示，地闪频数昼夜比随海拔高度升高而逐渐增大，海拔低于1 000 m 区域，地闪频数昼夜比小于1.0，地闪活动呈现出夜间主导型特征，海拔1 000 m以上区域，地闪频数昼夜大于1.0，尤其是1 800 m 以上的高海拔区域，平均地闪频数昼夜比大于1.5，地闪活动呈明显的白天主导型特征。由此可见，重庆地区由盆地、丘陵到高山山地区域随着海拔高度的升高，地闪活动由夜间主导型向白天主导型转变，海拔越高白天地闪活动越剧烈。

表2 2008—2020年重庆各区域地闪频数昼夜比统计（包括整个区域）

图8 2008—2020年重庆地区地闪频数昼夜比空间分布（a）和地闪频数昼夜比随海拔变化（b）

5 闪电强度变化

闪电强度是指闪电活动产生的电流强度，是雷电潜在破坏力的一个重要方面，目前研究表明，正地闪的强度通常强于负地闪[31-32]。如图9(见下页)所示，重庆地区正地闪集中在31.9～71.0 kA，平均为55.9 kA，负地闪集中在22.9～43.6 kA，平均为36.2 kA，平均正地闪强度与平均负地闪强度差值为19.7 kA，正地闪强度要强于负地闪。对比不同区域发现，各区域的正、负地闪强度差异较小，正地闪强度集中在30.9～81.5 kA，平均正地闪在50.9～61.9 kA，西部略大于其他区域。负地闪集中在21.6～45.9 kA，平均值在32.8～42.3 kA，东北部略大于其他区域。由此可见，地形差异及海拔高度变化对地闪强度分布影响并不十分显著。多数研究认为闪电强度与湿度条件[33]、气温[34]以及对流有效位能[35]等有较强的相关性，因此在雷电灾害防御时更应注意系统本身的强度影响，地形及海拔变化对地闪活动的影响可以作为次要因素。

6 结论与讨论

（1）重庆地区地闪活动以负地闪为主，平均正地闪占比为4.15%，其值随海拔高度升高而增大。地闪密度高值区位于重庆西部、主城、及西南部偏北等海拔较低的盆地、丘陵和低山山地区域，在6.0～9.0 fl/(km2·a)，东北部偏北和东南部偏南等地形起伏剧烈的高山山地区域地闪活动最弱，地闪密度小于2.0 fl/(km2·a)。整体而言，地闪活动表现为自西向东，由盆地、丘陵到山地区域逐渐减弱，正地闪占比逐渐增大的特征。

图9 重庆不同区域的正、负地闪强度（绝对值）箱线图

（2）重庆地区地闪活动年际变化分布不均，地闪频数最多年是最少年的4.8 倍，月变化呈单峰型分布，7 月为峰值，主要集中在4—9 月，占全年的96.3%。日变化呈双峰型分布，各区域夜间峰值集中在00:00—04:00，白天峰值集中在14:00—18:00，08:00—12:00为地闪活动最弱时段。

（3）地闪活动的月、季节尺度变化主要受大尺度天气系统支配，地形及海拔对地闪活动影响主要体现在日变化的显著差异上，具体表现为夜间峰值出现时间自西向东逐渐向后延迟，其中西南部、西部和主城出现在00:00，中部出现02:00，东南部出现在03:00，东北部出现在04:00，渝西地区（西部、西南部和主城）晚于渝东北地区约4 h。同时，海拔高度1 000 m 以下区域，夜间地闪频数多于白天，表现为夜间主导型，海拔高度1 000 m以上区域，白天地闪频数多于夜间，为白天主导型特征，且海拔高度越高，闪电越易发生在白天。

（4）重庆地区正地闪强度集中在31.9～71.0 kA，负地闪集中在22.9～43.6 kA，正地闪强度要明显强于负地闪，正闪主要分布在闪电强度的高值区，负地闪主要分布在闪电强度的低值区，并且各区域地闪强度差异不大，地形及海拔高度变化对地闪强度的影响不显著。

通过分析重庆地区复杂地形下地闪活动时空分布特征，进一步加深了对该地区闪电活动规律的认识，为开展复杂地形条件下闪电活动的天气学机制及地形对闪电活动的影响研究提供参考。同时，值得注意的是该地区暖季的地闪活动与降水空间分布具有明显差异，地闪密度高值区位于重庆西部、主城、及西南部偏北等海拔较低的盆地、丘陵和低山山地区域，降水量的大值区位于重庆东北部和东南部等高海拔山地区域，闪电活动与降水量空间分布几乎呈相反分布状况。由于闪电与强降水属于同一强对流系统（雷暴）内的两种不同现象，二者具有内在的动力和微物理联系[36]，但由于复杂地形、气候条件等显著不同，造成重庆地区闪电活动和降水的时空分布特征具有显著差异，因此有待进一步深入研究重庆地区复杂地形条件下，闪电活动与强降水时空分布特征以及二者的相关关系，为该区域强对流天气的临近预报预警提供参考。