基于遥感影像的地闪空间分布特征研究

2022-09-19胡亚男陶世银龚梅竹刘晓燕王玉娟

气象与环境科学 2022年5期

胡亚男，陶世银，龚梅竹，金欣，刘晓燕，王玉娟

(1.青海省气候中心，西宁 810001； 2.青海省气象服务中心，西宁 810001；3.青海省气象灾害防御技术中心，西宁 810001)

引言

雷暴天气生成及其分布特征不仅与天气背景条件有关，同时与地理环境密切相关[1]。由于地理环境的多样性，闪电在不同下垫面上产生发展的机制随之不同，从而导致了地闪的强度差异，表现为地闪活动的地域性差异明显[2-3]。随着遥感技术的发展，陆地遥感数据结合地理环境特征对雷电活动进行精确深入研究变得可行。刘海兵等[4]利用Landsat数据分析，得到江西省不同地表覆盖类型上的不同雷电活动特征，最活跃区域在城乡建设用地、水域和未利用土地3类地表中所占比例较大。赵生昊等[5]利用30 m分辨率的SRTM数据，对闪电密度、闪电强度分别与海拔高度、坡度、坡向3类地形因素间的关系进行了分析。潘健等[6]利用MODIS地表反射率产品，对江苏省雷电强度等级与土地利用类型的关系进行分析后发现，林地对于雷电强度等级的空间分布影响最大。Rose等[7]对格鲁吉亚和亚特兰大地区地闪分布特征进行研究后发现，地闪空间分布差异与土地利用类型存在密切的相关性。上述研究主要分析了低海拔平原地区不同下垫面对地闪空间分布的影响，但是具体到内陆高原地区不同下垫面间地闪空间分布特征差异方面的研究较为鲜见。而青藏高原在地形和热力条件的影响下，闪电活动具有独特性。卫星资料表明，青藏高原地区是全球雷电活动最为活跃的地区之一[8]，尤其在夏季雷暴活动十分频繁，强雷暴发生频次是同纬度平原城市的3～5倍[9]。

此外，随着全球城市化进程进入空前快速的阶段，城市化引起的热岛效应已成为影响地闪分布特征的重要因素[10-13]。西宁市位于青藏高原东北部，是青藏高原最大的城市，更是青海省省会。现有研究表明，西宁市城市热岛面积自2011年日益增加[14]，夏季高温频繁出现，对流活动有增强的趋势，常出现雷电、短时强降水等灾害天气[15]。因此，西宁市城市热岛发展与地闪空间分布间的关系特征同样值得研究。本文利用遥感影像及ADTD闪电定位仪数据，基于地表覆盖类型和局地热岛强度等数据，分析了地理环境特征对西宁市区的雷电活动规律的影响，为西宁市区开展防雷减灾工作与制定合理的防雷措施提供一定的理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

如图1所示，研究区域为西宁市市区范围，其包括城东、城西、城北及城中4个城区。研究区地势由西北向东南倾斜，地形由丘陵、山地和冲积平原组成，地表覆盖类型复杂多样。西宁属高原大陆性干旱、半干旱气候。根据西宁市气象站点1981-2010年统计，年均降水量为351.7 mm，年均气温为5.4 ℃，年均雷暴日数为27.6天[16]。

1.2 数据来源与预处理

1.2.1 闪电定位资料

本文采用2013-2017年西宁市ADTD闪电定位仪所取得的闪电定位资料。考虑到ADTD闪电定位资料中可能存在具有小峰值电流(<10 kA)的云闪数据[17]，故剔除资料中强度小于10 kA的正地闪个例。

图1 研究区域分布图

1.2.2 地表覆盖类型资料

地表覆盖类型资料来源于Landsat数据。该数据至今已累积40多年全球范围的长时间序列遥感数据，数据的连续性使长时序地表覆盖分类和地表覆盖变化研究成为可能[18]。本文采用2013-2017年30 m分辨率Landsat 数据，利用ENVI软件对遥感影像进行辐射校正与几何校正等预处理，采用随机森林分类法将研究区地表覆盖类型分为6大类，分别为耕地、林地、草地、水体、不透水地表及未利用土地。由于研究区内未利用土地面积占比极小，本文只选取耕地、林地、草地、水体和不透水地表5种地表覆盖类型进行研究。

1.2.3 MODIS地表温度资料

地表温度资料利用2013-2017年MODIS地表温度产品(MYD11A1)，区域标识为h26v05，该数据为8天合成数据，分辨率为1 km，一年共有48期产品[19]。本文使用MRT软件对数据进行格式转换、拼接重投影等预处理，然后利用西宁市区行政边界进行裁剪，得到研究区地表温度数据。

1.3 研究方法

1.3.1 不同地表覆盖类型上的地闪数据统计

利用ArcGIS对研究区地表覆盖类型栅格图像进行矢量化后叠加地闪数据，通过地闪发生位置的经纬度，在地表覆盖类型图中获取地闪对应的土地利用类型，最后统计逐年各类地表覆盖面积上的地闪频次，得到地闪在不同年份各地表覆盖类型上的分布特征。

1.3.2 地闪相对密度差

为消除面积大小对地闪密度的影响，先逐年计算不同地表覆盖类型上的地闪相对密度差[20]，之后求得2013-2017年各覆盖类型上地闪相对密度差的平均值。地闪相对密度差计算公式如下：

(1)

式中，Dr为研究区地闪相对密度差；S为地表覆盖类型面积，Si为研究区总面积；F为该覆盖类型上的地闪频次，Fi为研究区地闪总频次。

1.3.3 局地热岛强度

热岛强度是度量热岛状况的重要指标。本文引入局地热岛强度以反映研究区每一个像元的热岛强度[21]。其公式如下：

TLST=0.02×BLST-273.15

(2)

式中，TLST为研究区像元地表温度，BLST为像元亮度值。研究区像元的局地热岛强度为

(3)

式中，IUHI为研究区像元的局地热岛强度，T为研究区像元的地表温度，Tmean为研究区平均地表温度。

2 结果分析与讨论

2.1 研究区内地闪时空分布特征

2.1.1 研究区内地闪时间分布特征

2013-2017年西宁市市区共发生闪电1814次，集中分布于7-9月。该时段地闪频次占全年总数的71.71%，其中8月地闪活动最频繁，达1100 次，10月份之后地闪活动逐渐减少，见图2(a)。图2(b)为西宁市区地闪逐时分布图。如图2(b)所示,西宁市区地闪逐时分布大致呈双峰双谷型，总地闪与负地闪主要集中于17-20时。其原因是午后剧烈的太阳辐射使大气动力与热力条件逐渐累积，对流活动加强，从而导致傍晚地闪活动频繁；20时以后，随着能量逐渐释放，温度降低，地闪频次也随之减少。

图2 研究区地闪逐月分布(a)和逐时分布(b)总地闪：CG,负地闪：-CG,正地闪：+CG

2.1.2 研究区内地闪空间分布特征

图3(a)为西宁市区1 km×1 km 网格的地闪密度分布图。从图3(a)中可以看出,西宁市区年均地闪密度为0.75 次/km2·a，城北区北部、城中区东南部、城西区西南部及城东区东北部的地闪活动频繁。其地闪高密度区分别分布在各城区的边缘地带，年均地闪密度值均在1.5 次/km2·a左右；地闪密度低值区主要集中于西宁市区中心地带，呈带状分布。

地闪强度反映了研究区地闪电流幅值的大小。西宁市区地闪以轻中度地闪为主，地闪强度绝对值集中分布在0 ～ 30 kA。空间分布呈自北向南递增后减弱的趋势，地闪强度高值区主要分布于城西区东部、城中区北部及城东区东北部，而地闪活动频繁的城北区，其地闪强度却相对较小，绝对值仅在 8～17 kA，见图3(b)。

2.2 不同地表覆盖类型对研究区地闪分布的影响

2.2.1 研究区内各地表覆盖类型分布情况

通过研究区地表覆盖类型图(图4)可以看出，耕地主要分布在城西区西部与城中区南部，林地集中于城西区，而草地在各城区均有分布，不透水地表沿湟水流域呈带状分布。利用ArcGIS对地表覆盖类型图进行矢量化后计算得到每种覆盖类型的面积(表1)。从表1可以看出，西宁市区以不透水地表为主，草地与林地的次之，耕地与水体面积较小。2013-2017年间耕地与林地面积逐渐减小，而草地、水体及不透水地表呈现不断扩张趋势。

图3 研究区地闪密度(a)和强度(b)空间分布

图4 2017年研究区地表覆盖图

表1 研究区内各地表覆盖类型面积 km

2.2.2 不同地表覆盖类型上地闪空间分布特征

地表由于覆盖类型不同，其受热程度也不同，而地表的温度差异是诱发对流天气的原始因素[22]。不同地表覆盖类型上的地闪分布特征存在显著差异(图5)，不透水地表类型上的年均地闪相对密度约高于平均值的23.79%，在地表覆盖类型中地闪相对密度最高。这是因为市区建筑物众多，且受人类活动影响较大，地表温度相对较高，易出现城市热岛效应，有利于雷暴的产生。此外，人类活动产生的气溶胶也会促进对流发展，从而形成雷电[11]。水体的年均地闪相对密度也相对较高，与郑栋等[23]对北京及其周边地区闪电观测数据的分析结果一致。分析其原因，可能是水体上方水汽供应充足，在充足的热力条件下对应位置上更易于雷暴的形成[24]，因此闪电活动与下垫面的水汽条件关系密切。研究区内耕地年均地闪相对密度相对较高的原因是其一般分布于水体附近，受到太阳辐射的影响，水体与陆地的增温效果出现差异，在水体附近区域产生上升气流，因此在水体周围的耕地发生雷暴的概率就相对较大。

为进一步研究不同强度的地闪在不同地表覆盖类型上的分布特征，根据青海省地方标准《气象灾害分级指标》，将西宁市区地闪强度分为3个等级，分别为轻度地闪(0-20 kA)，中度地闪(21-40 kA)及强地闪(>40 kA)。此外，由于电流幅值较大的地闪更易导致雷灾[25]，本文进一步研究了电流幅值绝对值在50 kA以上的地闪特征。为便于表述，在下文中将电流幅值绝对值大于50 kA的地闪统称为大电流地闪。图5为轻中度、强地闪及大电流地闪在不同地表覆盖类型上的年均地闪相对密度。从图5可以看出，水体与林地类型上的强地闪相对密度较高，这与赵生昊等[20]对重庆市地闪分布特征与地表覆盖种类的关系研究结果相一致。水体由于电阻率较低，更有利于闪电的形成。根据李家启[26]的研究，雷电流幅值随着海拔的上升而增大，而林地一般分布于海拔较高的区域，因此林地类型上更易发生闪电。虽然不透水地表类型上强地闪与轻中度地闪年均相对密度均大于其他覆盖类型的地闪相对密度，但其大电流地闪的年均相对密度反而为5种覆盖类型中最低的，说明西宁市区不透水地表上的年均地闪相对密度虽较高，但造成雷灾的可能性较小。

图5 不同地表覆盖类型的地闪相对密度分布图

2.2.3 不同地表覆盖类型上地闪季节分布特征

西宁市区地闪主要集中发生在夏、秋2季，分别占总地闪的80.60%和16.87%，春季发生的地闪仅占总地闪的1.82%，冬季地闪频次极少，见图2(a)。因此，仅对春、夏、秋3季不同地表覆盖类型上的地闪分布特征进行分析。图6为地闪相对密度季节分布图。由图6可以看出，在春季，不同地表覆盖类型上的地闪相对密度分布较为相近，无显著差异，这说明春季地闪活跃程度与地表覆盖类型间无明显相关关系。夏、秋两季，不同地表覆盖类型上的地闪相对密度具有明显差异，不透水地表与水体上地闪相对密度在两季中均较其他覆盖类型的高。此外，值得关注的是草地在夏季的地闪相对密度为5种覆盖类型中的最低，而到了秋季其覆盖类型的地闪相对密度逐渐升高，这可能是因为秋季草地枯黄，植被覆盖率减少，反射率随之下降[27]，致使云层上下发生热力差异，为形成不稳定的大气层结提供了更适宜的条件。

图6 不同地表覆盖类型的地闪相对密度季节分布图

2.2.4 不同地表覆盖类型上地闪昼夜分布特征

以北京时20时为昼夜界限。西宁市区2013-2017年昼间共发生地闪1084次，占总地闪的59.76%，夜间发生地闪703次，占总地闪的40.27%。因此，西宁市地闪分布特征为昼间主导型。王东方等[28]对北京地区闪电时空分布特征的研究表明，形成昼间主导型的主要原因是随着太阳高度角增加，辐射加热增强，热力条件充沛，有利于对流的发展，昼间闪电活动逐渐活跃；而入夜后随着热力条件和不稳定能量减弱，闪电活动迅速下降。西宁市海拔较高，雷暴云底离地高度较低，由于太阳短波辐射与地表长波辐射对雷暴云的加热,促使昼间形成较强的上升气流,导致热力对流旺盛,易产生雷暴；而夜间气温下降幅度大，且云层稀薄，空气垂直运动大大减弱，无法为对流天气提供热力条件，因此闪电活动减弱。

不同地表类型年均昼夜地闪相对密度统计结果见图7。由图7可看出，不透水地表上的地闪昼夜相对密度均高于平均值；水体上的年均地闪相对密度昼间的高于平均值，夜间的则相反；林地上昼间地闪相对密度较平均值偏低，夜间的则较平均值高出3.56%。根据张祎[29]的土地利用变化对地表温度影响的研究结果，不同地表覆盖类型的比热容与土地利用类型之间存在相关性。林、草地的比热容大于耕地的，水体的比热容大于陆地的。不透水地表的比热容为5种地表覆盖类型中最小的，昼夜温度变化幅度大，云层上下热力差异随之增大，有利于对

图7 西宁市区地闪相对密度昼夜分布图

流的产生；水体由于其比热容的原因，昼夜温度变化幅度平缓，云层上下热力差异小，夜间不易发生雷暴；林地的比热容较大，夜间温度下降缓慢，导致夜间云顶与云底的气温分布不均，为夜间闪电的发生提供了有利条件。

2.3 昼夜局地热岛强度对研究区地闪分布的影响

热岛的抬升作用也会使对流活动增强[30]。为更好地研究不同地表覆盖类型上的地闪分布特征，有必要结合局地热岛强度进行更深入的分析。西宁市区昼间局地热岛强度与地闪密度分布特征如图8所示。由图8(a)可知，西宁市区城东区、城西区、城北区与城中区均出现了局地热岛强度高值区，但范围较小且分布零散。城东区经济开发区、城西区海湖新区与西宁钢铁集团、城北区高科技生物园区及城中区城南新区的局地热岛强度都达到了强热岛程度。对比地闪密度分布特征发现(图8b)，密度高值区主要分布于强热岛向弱热岛的过渡区，说明局地热力差异是雷电产生的条件之一。此外，地闪密度高值区还分布在城西区西宁钢铁集团、城北区高科技生物园区等工业园区所在区域，这可能是因为这些区域大气污染物相对较多，形成人为气溶胶，气溶胶大量吸收地面辐射，使大气热量增加，这种加热作用使大气不稳定，从而产生对流天气和雷电。

图8 西宁市区昼间局地热岛强度(a)与地闪密度(b)分布图

图9为西宁市区夜间局地热岛强度与地闪密度分布图。对比西宁市区昼间局地热岛强度与地闪密度分布特征发现，西宁市区夜间局地热岛强度明显下降，白天位于城西区西宁钢铁集团、城北区高科技生物园区及城中区城南新区的局地热岛消失(图9a)，该区域对应的地闪密度高值区也随之消失(图9b)。而城东区经济开发区的局地热岛强度加强且范围增大，其所在区域的地闪密度也随之增加。对比图3 研究区地表覆盖类型图可以看出,城东区以城市下垫面的不透水地表覆盖类型为主，草地覆盖率也极高，与不透水地表面积几乎相等，此外城东区内湟水河水系覆盖，形成了城东区良好的水汽条件，因此当城东区夜间局地热岛强度增大时，地闪活动也随之增强。