地形对广东省地闪活动的影响

2024-03-13徐金勤张毅符靖茹蔡倩

广东气象 2024年1期

徐金勤，张毅，符靖茹，蔡倩

（1.广东省气象服务中心，广东广州 510640；2.广州市突发事件预警信息发布中心，广东广州 511430；3.湛江市气象局，广东湛江 524001）

广东省地处东南沿海季风区，强对流天气盛行，雷电活动频繁，是全国地闪密度高值区［1－2］。据统计，广东省每年每100万人中约有0.58人死于雷击，高于全国平均水平约9%［3］。因此，加强对广东省雷电活动特征及影响因素研究，对于当地雷电灾害防御工作具有重要意义。

雷电活动具有较强的地域性特征。江西省地闪密度与海拔高度呈显著负相关，地闪平均强度则与海拔高度呈显著正相关［4］；河南省地闪密度与海拔高度呈现明显的正相关［5］；湖北省地闪密度随海拔增加递减，地闪强度随海拔增加呈现“先增后减”趋势，地闪密度和强度均随着坡度增加呈减少趋势，坡向朝南或朝东地闪密度较高［6］；长沙地区的地闪频次随着海拔增加呈减少趋势，而地闪强度则呈上升趋势［7］，上述研究表明地形要素对于地闪活动的影响具有明显的地域性差异。

本研究利用广东省2014—2022年地闪观测资料和地形数据，分析广东省地闪活动的空间分布特征，定量化研究海拔、坡度和坡向对广东省地闪活动的影响，以期为广东省雷电灾害风险区划及防御决策提供参考。

1 数据与研究方法

1.1 数据

1）地闪数据。2014—2022年地闪数据，包含观测时间、电流、经纬度等信息，来源于广东省ADTD闪电定位系统。该系统是一套专门探测云地闪的系统，传感器能够准确采集云地闪波形峰点到达时间，时间精度达到了0.1μs；中心定位处理软件采用时差测向混合定位算法，保证定位精度。

2）地形数据。DEM数字高程数据来源于地理空间数据云（https：／／www.gscloud.cn）。

1.2 研究方法

本研究采用坡度坡向提取方法、地闪密度和强度空间统计方法、相关分析方法、方差分析方法、K均值聚类分析法进行分析。

2 结果与分析

2.1 海拔高度对广东省地闪分布的影响

1）海拔高度与地闪密度。

广东省2014—2022年平均地闪密度空间分布特征较为明显，高值区（地闪密度高于4.0次·km－2·年－1）集中分布在珠三角平原地带，并在茂名和潮汕沿海地区也存在小范围高值区（图1a），其分布特征与庄燕洵等［8］制作的1999—2012年广东省地闪密度空间分布特征基本一致，珠三角是广东省地闪密度高值区，但是在湛江和潮汕地区会略有不同，这可能与研究年限不同有关。另外，广东省大部分地区（约87.8%）的海拔高度低于500 m，以平原和丘陵为主（图1b）。

图1 广东省2014—2022年平均地闪密度空间分布（a）、不同海拔高度区间的面积比例（b）

以100 m为间隔将0～1 200 m海拔高度划分为12个区间以及＞1 200 m单独作为一个区间，统计各个区间2014—2022年地闪累计发生频率、平均地闪密度和地闪强度，并绘制成曲线（图2）。由图2a可见，广东省地闪频次最高的海拔区间是0～100 m，占总发生频次的40.8%，远远超过其他区间；地闪集中分布在海拔0～500 m区间，累计发生概率达90.1%；海拔高于1 000 m后，地闪发生的概率极低。由图2b可见，随着海拔高度增加，地闪密度呈现整体递减趋势；在100～1 000 m之间，地闪密度随海拔增加而缓慢减小。Spearman检验结果表明，海拔高度与地闪密度之间的相关系数为－1.0，二者呈显著负相关（P＜0.01）。造成上述结果的原因可能与珠三角的“喇叭口”地形效应有关，雷暴等强对流天气更频繁发生在广东省的低海拔地带，因此低海拔地区的地闪频数和密度会相对更高。

图2 广东省2014—2022年不同海拔高度区间下地闪累计发生频率（a）、平均地闪密度（b）

2）海拔高度与地闪强度。

广东省2014—2022年平均地闪强度空间分布特征与地闪密度分布特征存在差异，地闪强度高值区集中分布在珠三角喇叭口周边的高海拔地区、沿海地区以及粤北地区（图3a）。

图3 广东省2014—2022年平均地闪强度空间分布（a）和不同海拔高度区间下平均地闪强度（b）

与地闪密度趋势相反，地闪强度随着海拔高度的增加呈现递增趋势（图3b），该变化趋势与江西、福建、湖南地区［6，13－14］的研究结果相同，却与湖北［13］、浙江［15］等的研究结果不同，这可能与各地区地形分布、局地气候和影响系统等因素有关。进一步对海拔高度与地闪强度作Spearman相关分析，得到二者相关系数为1.0（P＜0.01），呈显著正相关关系，这可能是与山地抬升作用有关，广东省对流潜热的高值区基本上位于较高海拔地区［16］，容易造成能量相较强烈的对流活动。

2.2 坡度对广东省地闪分布的影响

1）坡度与地闪密度。

广东省坡度的空间分布特征与海拔高度的分布特征一致，海拔较高的地带坡度也相对较大（图4a）；广东省整体坡度变化不大，大部分地区的坡度低于15°，面积占比达到77%，以平坡和缓坡为主（图4b）。

图4 广东省坡度空间分布（a）和不同坡度区间的面积比例（b）

以0.5°为间隔将0°～35°坡度划分为7个区间以及＞35°单独作为一个区间。统计8个区间2014—2022年地闪累计发生频率、平均地闪密度和地闪强度，并绘制成曲线（图5）。由图5a可见，广东省2014—2022年地闪发生概率最大的坡度区间为0°～5°，概率曲线变化趋势与面积占比趋势相同，随着坡度增大，地闪累计发生概率减少。由图5b可见，广东省2014—2022年平均地闪密度随坡度增加呈现“减小－增加－减小”趋势；最高值为2.12次·km－2·年－1，出现在0°～5°区间；次高值为1.97次·km－2·年－1，出现在20°～25°区间。Spearman检验结果表明，坡度与地闪密度之间的相关系数为－0.55，显著性P为0.16，表明二者无显著相关关系。

图5 广东省2014—2022年不同坡度区间下地闪累计发生概率（a）、平均地闪密度（b）和平均地闪强度（c）

2）坡度与地闪强度。

坡度对广东省2014—2022年平均地闪强度的影响较为明显，地闪强度随着坡度增加而增加（图5c）。对坡度与地闪强度作Spearman相关分析，得到二者相关系数为1.0（P＜0.01），呈显著正相关关系。这是由于坡度更陡的地区基本位于较高的地形山脉，与海拔高度对地闪强度的影响机制解释类似。

2.3 坡向对广东省地闪分布的影响

本研究将坡向按照区间分为8类：西北坡（292.5°～337.5°）、北坡（337.5°～360°和0°～22.5°）、东北坡（22.5°～67.5°）、东坡（67.5°～112.5°）、东南坡（112.5°～157.5°）、南坡（157.5°～202.5°）、西南坡（202.5°～247.5°）、西坡（247.5°～292.5°）。广东省坡向的空间分布总体特征没有海拔高度和坡度分布特征显著，主要体现在局地细节上，在海拔较高和坡度较大时，坡向的南北方向特征更为明显（图6）。8个坡向的面积占比相对较为均等，面积比例在11.6%～13.5%之间，最大为东南坡，占比13.5%。

图6 广东省坡向空间分布

1）坡向与地闪密度。

广东省2014—2022年在北坡的地闪累积发生概率最高，约14.3%，东北坡的地闪累计发生概率最低，约11.0%（图7a）。以8类坡向为自变量，地闪密度为因变量，通过单因素方差分析表明不同坡向分类对地闪密度具有显著影响（P＜0.05）。地闪密度在北坡最高，次高值出现在南坡、东南坡和西南坡，东北坡地闪密度最低（图7b），这可能是由于东南沿海地理位置、南北冷暖气流、台风系统、西南季风和地形抬升作用的综合影响，雷暴等强对流天气活动在南北朝向上更为频繁发生。

图7 广东省2014—2022年不同坡向下地闪累计发生概率（a）、平均地闪密度（b）和平均地闪强度（c）

2）坡向与地闪强度。

以8类坡向为自变量，地闪强度为因变量，通过单因素方差分析表明不同坡向分类下的地闪强度存在显著差异（P＜0.05），说明广东省2014—2022年不同坡向的地闪强度也存在一定差异。由图7c可见，北坡的平均地闪强度最低，东坡和东南坡的地闪强度相对较高，其次是南坡和东北坡。

2.4 基于地形影响的广东省地闪活动分类

为便于聚类分析，将海拔高度分为4种类型，即平原（≤200 m）、丘陵（200～500 m）、小起伏山地（500～1 000 m）、山地（＞1 000 m）。将坡度分为5种类型，即平坡（≤5°）、缓坡（5°～15°）、斜坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、峭坡（＞35°）。坡向即为8个方位。按照上述地形因子类型，利用K均值聚类法对广东省2014—2022年地闪活动进行分类，在聚类过程中地形因子的重要性排序如下：海拔＞坡度＞坡向，最终分类结果如表1所示。

表1 基于地形影响的广东省2014—2022年地闪活动聚类分析结果

由表1可见，基于海拔、坡度和坡向3种地形要素，可将广东省2014—2022年地闪活动分为4类，即“平原－平坡－北坡”、“平原－缓坡－东南坡”、“丘陵－缓坡－西南坡”、“丘陵－斜坡－东北坡”；其中，“平原－平坡－北坡”类型的样本比例最高，“丘陵－斜坡－东北坡”类型的样本比例最低，仅占13.3%，这也说明发生在北坡的地闪活动大多处于地势平坦地带，而发生在东北坡的地闪活动则多数位于地势相对复杂地带。

对于“平原－平坡－北坡”型地闪活动，由于平原和平坡两种地形下的平均地闪密度均是相对最高（图2b、图5b），并且其平均地闪强度均是相对最低（图3b、图5c），因此，最终表现为北坡的平均地闪密度最高，但其地闪强度却最低（图7b－c）。同理，“丘陵－斜坡－东北坡”型地闪活动，丘陵和斜坡对应着较高的海拔和坡度；而海拔越高、坡度越大对应的地闪强度就越高（图3b、图5c），因此，东北坡的地闪密度虽然不高但其地闪强度仍然相对较高（图7b－c）。