四川省闪电与温湿度的关系研究

魏 庆,周 威,谢亚雄,张 伟,段 焕

(1.四川省防雷中心,成都 610072;2.四川省气象台,成都 610072;3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,成都 610072)

0 引言

闪电的发生发展与大气的温度、压强、湿度以及降水等气象要素密切相关,而温度和湿度是气象观测最基本的要素,许多学者就闪电与温湿度的相关性做了大量的研究和模拟试验。

研究发现闪电活动对地面温度和相对湿度有较为灵敏的响应,Price等[1]利用大气环流模式得出全球闪电活动对全球范围内地面气温季度平均值的年际变化都有灵敏的正响应;马明等[2]指出在年际时间尺度上,全球总闪率对全球地表温度的变化同样是正响应,灵敏度为(17±7)%/K;Williams[3]通过对气象资料和舒曼共振反演获得的闪电资料的对比分析发现,月平均闪电密度与湿球温度的季节变化有较好的一致性,闪电活动随地面湿球温度的增加呈近似线性增加;熊亚军等[4]利用全球闪电资料和NCEP再分析资料研究了区域闪电密度对地面相对湿度的响应,指出在相对湿度较大的地区,相对湿度的增加不利于闪电活动的发生,在相对湿度较小的地区,相对湿度的增加有利于闪电活动的发生;袁湘玲等[5]指出70%RH～90%RH为闪电易发湿度区间,在闪电密度与湿度相关度高的区域,闪电更趋于集中发生在闪电易发湿度区间;柴贾然[6]分析了闪电强度与温湿度的关系,发现闪电强度大于或小于60 kA时地面与高空的平均温度无显著性差异,但与地面及高空的相对湿度均存在显著性差异。

雷暴发生的三要素是水汽、大气层结不稳定和抬升触发条件[7]。温度和湿度(即能量和水汽条件)是影响雷暴发生发展的重要因素之一,开展闪电特征与温度、湿度的相关性研究,对了解闪电活动规律有较高的价值。四川省地形复杂,海拔高差显著,气候类型多样,闪电区域性特征差异明显[8-10]。目前针对四川省闪电特征与温度、湿度的相关性研究极少,所以开展相关的研究工作对进一步认识和了解四川省闪电的活动规律有积极意义,能够为防雷减灾提供指导,为闪电监测预警、预报提供背景支撑。

1 资料和方法

四川省闪电资料通过ADTD闪电监测定位系统组网探测获取,该系统平均探测效率为90%,单站探测范围约为300 km,探测精度小于300 m,探测要素包括闪电的发生时间、位置(经纬度)、极性、电流强度(峰值电流)和陡度等相关参数[11]。温度和湿度资料为国家站逐小时观测资料。以上资料均由四川省数据探测中心提供,数据经过严格质控。选择盆地西北部的广元和成都、东北部的达州、中部的遂宁、西南部的乐山、南部的宜宾以及川西高原的马尔康和稻城、攀西地区的西昌和攀枝花10个典型城市作为研究对象,分析其闪电特征和温湿度的关系。

根据中国气象局闪电预报检验方法评分标准,即采用点对面的方式,扫描25 km半径范围内的闪电作为站点发生的闪电情况进行结果检验。利用2008—2020年4—10月闪电资料和地面温度、相对湿度资料,以典型城市站点为中心,统计每小时半径为25 km范围内的闪电,同时提取与闪电数据相对应的温度和相对湿度数据,建立研究数据集。

2 结果分析

2.1 不同月份闪电特征与温度和湿度的对应关系

统计分析10个典型城市4—10月的闪电频次、强度以及温、湿度的分布特征,发现闪电高发月份主要是6—9月。6月份闪电发生频次最多的是西昌(1700余次),7月份频次最多的是遂宁(3500余次),8月份是达州(4600余次);4,5及10月发生的闪电频次较少,均在400次以下。除了达州市6月份闪电的平均强度最强外,其余城市闪电的最强平均强度均在4月份,尤其是稻城和宜宾2个站的闪电强度明显高于其他城市,均超过了40 kA,其他城市闪电的平均强度大多数在10 kA～20 kA。多数城市的温度和湿度具有相似特征,西昌和攀枝花4—9月的日平均温度变化较小,西昌日平均温度约为22 ℃,攀枝花日平均温度在26～27 ℃,10月开始略微下降,而其他城市均在7—8月温度最高。相对湿度除了达州外,其余城市均从4—5月开始逐渐增大,7—8月达到最大,之后逐渐减小;达州8月的日平均相对湿度在各月份中最小,为69%,其余月份均超过70%。

对比分析发现,大多数城市闪电频次最多的月份对应温度和湿度均为最高或最大,说明这些城市闪电频次和温湿度具有一定的正相关关系。稻城、遂宁、宜宾及成都4月份的平均温度和湿度均为所有月份中最低或最小的,但是其闪电平均强度却较强,说明这4个城市的闪电强度与温湿度具有一定的负相关性。

2.2 闪电与温湿度日变化特征的相关性

在统计分析中,皮尔逊相关系数广泛用于度量变量X和Y之间的相关性(线性相关),其值在-1～1,值大于0表明二者为正相关,值小于0表明者为负相关。皮尔逊相关系数的绝对值越大,相关性越强,相关强度分为极强相关(0.8～1.0)、强相关(0.6～0.8)、中等程度相关(0.4～0.6)、 弱相关(0.2～0.4)、极弱相关或无相关(0.0～0.2)[12]。文章将基于皮尔逊相关系数法分析闪电和温湿度的相关程度。

2.2.1 闪电频次和强度与日平均气温

表1给出了10个典型城市闪电频次和强度与日平均气温的相关性分析结果。由表1可知,日平均气温与闪电(总闪、正闪及负闪)频次的相关系数多为正值,说明日平均气温与闪电频次具有一定的正相关性;日平均气温与闪电平均强度的相关系数多为负值,说明两者呈一定程度的负相关。其中,马尔康的日平均气温与总闪平均强度的相关系数达到了-0.42,呈中等程度的负相关,说明该地区随着日平均气温的升高,闪电平均强度呈减弱趋势。乐山和宜宾的总闪强度、达州和遂宁的正闪强度及乐山的负闪强度与和日平均气温呈弱的负相关,相关系数均在-0.2以下;马尔康和稻城的日平均温度与总闪、负闪频次呈弱的正相关,相关系数在0.2以上;其余城市日平均气温与闪电的相关性极弱或者不相关。

表1 闪电频次和强度与日平均气温的相关性分析

2.2.2 闪电频次和强度与日平均相对湿度

表2给出了10个典型城市闪电频次和强度与日平均相对湿度的相关性分析结果。由表2可知,闪电(总闪、正闪及负闪)频次与日平均相对湿度的相关系数多为正值,说明两者具有一定正相关性,多数城市相关系数在0.12～0.28;正闪频次和日平均相对湿度的相关性较强,乐山、攀枝花、广元、达州、遂宁5市正闪频次与日平均相对湿度的相关系数超过了0.22,其中遂宁最大,为0.28。日平均相对湿度与闪电平均强度的相关系数的绝对值非常小,大多数在0.1以下,说明两者相关性极弱或者不相关。

表2 闪电频次和强度与日平均相对湿度的相关性分析

2.3 闪电特征与温湿度小时特征的对应关系

2.3.1 闪电频次最多和强度最强时段对应的日最高气温和最大相对湿度

闪电频次最多或者强度最强的时段均对应一个整点温度和湿度,但该温度或湿度不一定是当日最高或者最大。为了进一步分析闪电特征与小时温湿度的关系,逐日提取闪电频次最多或者强度最强的时段对应的温度和湿度,并判断该温度或湿度是否为当日的最高值,计算其在总闪电日数中的占比。

图1给出了10个典型城市闪电频次最多和强度最强时段对应的日最高气温和日最大相对湿度的占比分布。除了遂宁以外,闪电频次最多时段对应为日最高气温的占比均比强度最强时对应日最高气温的占比多(图1a),表明闪电频次与日最高气温关系更密切。稻城、马尔康、攀枝花、西昌及成都无论是频次还是强度对应日最高气温的占比均在0.16以下,而处于盆地的其余城市站点的占比均在0.23以上,表明盆地闪电频次和强度与日最高气温的关系明显优于高原地区。图1(b)是频次最多和强度最强时段对应的日最大相对湿度的占比情况,由图可知频次最多时段对应的日最大相对湿度的占比均少于强度对应的,与日最高气温的对比结果完全相反,可见闪电强度与日最大相对湿度关系更密切。稻城、马尔康,攀枝花、西昌4市闪电频次和强度对应日最大相对湿度的占比均在0.2以下,稻城频次最多对应时段的占比仅有0.04,而其他盆地城市的占比均在0.24以上,且多数超过0.30。占比最大的是宜宾,均超过了0.45,高占比表明闪电频次越多和强度越强与日最大相对湿度相关关系更好。另外,盆地和高原城市的日最高温度占比差值最大,约为17%,而日最大相对湿度占比差值达到了约40%,可见盆地闪电频次最多和强度最强时段与日最大湿度的关系明显优于高原城市。

(a)日最高气温;(b)日最大相对温度。图1 闪电频次最多和强度最强时段对应的日最高气温和日最大相对湿度的占比分布

2.3.2 日最高温度和日最大相对湿度与对应时段闪电频次和强度的关系

根据前文分析可知,当日最高气温或者日最大相对湿度出现时,对应时段不一定有闪电出现,即使有闪电出现也不一定是当日闪电频次最多或者强度最强的时段,因此进一步分析日最高气温和日最大相对湿度时刻(如14:00)对应时段(14:00—15:00)的闪电特征。

图2给出了日最高温度和日最大相对湿度时刻对应时段闪电频次及强度分布。由图2(a)可知日最高气温对应时段的正、负地闪频次最高是乐山,分别为5.5次和57.8次;频次最少的是马尔康和稻城,均在5次以下。日最高气温对应时段的正、负地闪平均强度最强的均为宜宾,分别为50.5 kA和20.5 kA;尽管稻城的地闪频次偏少,但是其正地闪强度非常强,达到了47.5 kA;负闪强度最小的是马尔康,仅有9.2 kA。由图2(b)可知,日最大相对湿度时刻对应时段的负地闪频次最多的是乐山,为66.0次,其次是成都、宜宾2市,平均频次达到了50次以上;对应正地闪频次最多的是成都,为7.6次。对应正、负地闪频次最少是稻城,均少于3次;对应正、负地闪强度最强是稻城,分别为48.7 kA和22.1 kA。广元日最大相对湿度对应的正地闪平均强度是37.2 kA,比日最高温度对应的21.2 kA高了16.0 kA,可见该地区较强的相对湿度比较高的温度更能够产生更强的正地闪。

(a)日最高温度;(b)日最大相对湿度。图2 日最高温度和日最大相对湿度时刻对应时段闪电频次和强度分布

对比分析发现,除了马尔康和稻城外,日最大相对湿度时刻对应的负地闪频次整体上比日最高气温的更高,表明日最大相对湿度对负地闪频次的影响高于日最高温度;除了广元、达州外,日最高气温对应的正地闪强度比日最大相对湿度对应的更强,表明日最高温度对正地闪强度的影响高于日最大相对湿度。

3 结束语

文章利用近13 a的闪电和温湿度资料,应用统计和相关性分析等方法,研究四川省不同区域10个典型城市的闪电频次和强度特征与温湿度月变化、日变化及小时演变的相关关系,得到以下主要结论:

1)闪电高发月份主要集中在6—9月,大多数城市闪电的平均强度均在4月份出现峰值。西昌和攀枝花4—9月的日平均温度变化较小,其他城市7—8月温度明显高于其他月份。多数城市相对湿度在7—8月达到最大。

2)多数城市闪电频次最多的月份对应温度和相对湿度均为最高或最大,说明闪电频次和温湿度具有一定的正相关关系。稻城、遂宁、宜宾及成都4市4月的闪电平均强度明显偏强,说明这些地区的闪电强度和温湿度具有一定的负相关性。

3)日平均气温与闪电频次的相关系数多为正值,说明日平均气温与闪电频次具有一定的正相关性;而日平均气温与闪电平均强度的相关系数多为负值,说明两者之间呈一定程度的负相关。其中,马尔康的日平均气温与总闪平均强度的相关系数达到了-0.42。

4)日平均相对湿度与闪电频次的相关系数多为正值,说明两者具有一定正相关性;多数城市相关系数在0.12～0.28,尤其是正闪和日平均相对湿度的相关性更强。然而,日平均相对湿度与闪电平均强度的相关系数的绝对值非常小,大多数在0.1以下,说明两者相关性极弱或者不相关。

5)多数城市的小时闪电频次最多时段对应的日最高气温频次的占比高于闪电强度最大时段,而闪电频次最多时段对应日最大相对湿度频次占比则均少于闪电强度最大时段,说明日最高气温对闪电频次的影响高于对闪电强度的影响,而日最大相对湿度对闪电强度的影响大于对闪电频次的影响。另外,出现了闪电的时段对应的温度更接近于日最高气温,而对应的相对湿度则更接近日平均相对湿度,日最高气温和日平均温度差值越大的区域,发生闪电的频次更少。