廣元市雷電易發(fā)區(qū)的特征分析*

侯林松，曹廣成，李志明，項(xiàng)朝軍

（廣元市氣象局，四川 廣元 628017）

雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一，廣元市地處山地向盆地過(guò)渡地帶，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，雷電活動(dòng)頻繁。四川省ADTD型閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，2005-2016年廣元市年平均地閃發(fā)生次數(shù)達(dá)5萬(wàn)余次，平均地閃日數(shù)高達(dá)105天[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2009年以來(lái)廣元市因雷電造成的人員傷亡財(cái)產(chǎn)損失的災(zāi)害事故就有12起，為了進(jìn)一步了解掌握廣元市雷電活動(dòng)特征，科學(xué)提升廣元市雷電災(zāi)害防御體系建設(shè)，有必要對(duì)廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。此外雷電作為一種自然天氣現(xiàn)象，通常發(fā)生于中小尺度的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)，充足的水汽，上升的氣流，大氣層結(jié)的不穩(wěn)定是形成雷雨云的主要條件。田晨等[2]研究指出下墊面具有的非均勻性特征會(huì)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生很大影響，胡艷等[3]研究表明上海地區(qū)的下墊面特征會(huì)對(duì)該地區(qū)的雷暴天氣產(chǎn)生一定的影響。這些研究表明了下墊面會(huì)對(duì)雷電的發(fā)生產(chǎn)生一定的影響。本文主要通過(guò)廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分結(jié)果與雷電流強(qiáng)度分布、雷電災(zāi)害分布，以及廣元市下墊面的地形起伏、海拔高度、水系分布特征進(jìn)行對(duì)比分析研究。

1 資料來(lái)源和處理

為排除干擾需要剔除小幅值雷擊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，關(guān)于小幅值地閃界定范圍尚未統(tǒng)一[4]。為了保證對(duì)比資料來(lái)源的完整和統(tǒng)一，本次研究分析使用的雷電數(shù)據(jù)來(lái)源于廣元市雷電易發(fā)區(qū)區(qū)劃研究中的排除了小幅值界定值為4kA的2005-2016年廣元市雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；廣元市雷電災(zāi)害事故統(tǒng)計(jì)來(lái)源于全國(guó)雷電災(zāi)害事例匯編和2009年以來(lái)有確切記錄的雷電災(zāi)害事故；此外使用的地理信息資料主要為廣元市雷電易發(fā)區(qū)區(qū)劃圖，廣元市的市縣邊界圖層，12.5 m高精度DEM高程地理圖層以及2020年OSM廣元水系地理信息資料。

將廣元市按照1km×1km（0.010×0.010 ）的分辨率，取得單位區(qū)域內(nèi)雷電發(fā)生的頻次、平均雷電流強(qiáng)度、海拔高度數(shù)據(jù)。采用皮爾遜相關(guān)性分析方法分析數(shù)據(jù)的相關(guān)性；同時(shí)做出不同易發(fā)區(qū)雷電發(fā)生頻次區(qū)域數(shù)量與區(qū)域海拔高度關(guān)系圖以及雷電流強(qiáng)度分布狀況。使用領(lǐng)域分析、格柵計(jì)算、坡度計(jì)算等方法，對(duì)高程地理圖層進(jìn)行計(jì)算得到的地形起伏數(shù)據(jù)，其中高程標(biāo)準(zhǔn)差的值越大，坡度越大，地形也就越不平坦。

2 分析結(jié)果

2.1 雷電易發(fā)區(qū)與雷電流強(qiáng)度分布的特征分析

雷電流強(qiáng)度是進(jìn)行雷電災(zāi)害防御設(shè)計(jì)計(jì)算中的重要組成參數(shù)之一，在雷電防護(hù)措施相同的條件下其強(qiáng)度越高，造成的損失也就越大。廣元市2005-2016年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄到的最大雷電流強(qiáng)度為498kA。通過(guò)廣元市的市縣邊界圖層與雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連接計(jì)算得到每平方公里的平均雷電流強(qiáng)度分布情況如圖1（b）所示，與廣元市雷電易發(fā)區(qū)劃分結(jié)果圖1（a）相比較，雷電流強(qiáng)度高的地區(qū)主要集中在朝天區(qū)、利州區(qū)、青川區(qū)雷電低易發(fā)的部分區(qū)域。這可能是由于雷電易發(fā)性越高的地區(qū)雷電活動(dòng)次數(shù)越多，雷電易發(fā)性越低的地區(qū)雷電活動(dòng)次數(shù)越少，當(dāng)雷雨云能量相當(dāng)時(shí)，在高易發(fā)區(qū)單次釋放的能量較小。程向陽(yáng)等[5]的研究也認(rèn)為當(dāng)雷暴云能量經(jīng)過(guò)充分釋放后雷電流的強(qiáng)度就不會(huì)太大。

圖1 廣元市雷電易發(fā)區(qū)劃分（a）、雷電流強(qiáng)度分布（b）

2.2 雷電易發(fā)區(qū)與歷史雷電災(zāi)害分布的特征分析

在有確切記錄的12起雷電災(zāi)害事故地理分布如圖2所示，在高、中、低易發(fā)區(qū)均有雷電災(zāi)害事故發(fā)生的記錄，其中有6起雷電災(zāi)害事故發(fā)生在雷電中、高易發(fā)區(qū)；6起發(fā)生在雷電低易發(fā)區(qū)，尤其是在屬于低易發(fā)區(qū)的廣元市城區(qū)就有5起雷電災(zāi)害事故。按雷電災(zāi)害事故造成的損失劃分，雷擊人員傷亡事故發(fā)生的地區(qū)在雷電高易發(fā)區(qū)和雷電流強(qiáng)度高的區(qū)域；發(fā)生財(cái)產(chǎn)損失的地區(qū)在雷電中易發(fā)區(qū)，而經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)達(dá)、人員密集的廣元市中心城區(qū)，雖然大部地區(qū)為雷電低易發(fā)區(qū)，但該區(qū)域是發(fā)生雷擊財(cái)產(chǎn)損失次數(shù)最多的地區(qū)。廣元市發(fā)生雷電災(zāi)害的地區(qū)主要集中在雷電中、高易發(fā)區(qū)以及屬于低易發(fā)區(qū)的市城區(qū)。

圖2 廣元市雷電災(zāi)害分布情況

2.3 雷電易發(fā)區(qū)與地形變化和水系分布的特征分析

下墊面情況會(huì)對(duì)雷電活動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，影響的因素在不同地區(qū)得到了不同的研究結(jié)論。劉海兵[6]等對(duì)江西閃電特征研究表明地形海拔因素對(duì)雷電活動(dòng)具有較大的影響；朱興明等對(duì)2008年廣東及周邊海域雷電活動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)海陸熱力差異對(duì)沿海地區(qū)雷電活動(dòng)的影響比較大。廣元市處于四川盆地北部，山地向盆地過(guò)渡，地勢(shì)由南向北逐步抬升高差達(dá)到3000余m。從圖3可以看出，廣元地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)劃分與廣元市地形走勢(shì)變化密切相關(guān)。位于南部的劍閣縣、蒼溪縣、昭化縣以及旺蒼縣、利州區(qū)南部和青川縣的東南地形起伏變化較小的中低山區(qū)雷電易發(fā)性的等級(jí)更高。值得注意的是，圖1（b）中的雷電流強(qiáng)度高的朝天區(qū)東部區(qū)域雖海拔高度較高，但該地區(qū)地形起伏、坡度相對(duì)較緩；同樣在利州區(qū)雷電流強(qiáng)度高的區(qū)域地形起伏、坡度同樣相對(duì)較緩。

圖3 地形起伏狀況（a）、坡度變化（b）、海拔高程（b）

通過(guò)計(jì)算得到雷電易發(fā)區(qū)分布與海拔高度的相關(guān)系數(shù)為-0.179，呈微弱的負(fù)相關(guān)。圖4為高、中、低雷電易發(fā)區(qū)中各區(qū)域隨海拔高度的變化情況，雷電高易發(fā)區(qū)分布在海拔高度2100m以內(nèi)的區(qū)域，雷電中易發(fā)區(qū)分布在海拔高度2700m以內(nèi)的區(qū)域。不同易發(fā)性的雷電活動(dòng)區(qū)域海拔高度的分布變化情況基本保持一致，隨海拔的升高雷電活動(dòng)區(qū)域面積逐漸增多，達(dá)到一定的海拔高度后雷電活動(dòng)區(qū)域的面積逐漸減小。海拔高度450m到1100m的區(qū)域是雷電活動(dòng)最為活躍的地區(qū)。海拔高度的變化對(duì)雷電的活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生的影響沒(méi)有地形變化的影響大，不是影響廣元市雷電易發(fā)性分布的主要因素。

圖4 雷電易發(fā)區(qū)海拔高度分布

對(duì)比廣元市雷電易發(fā)區(qū)劃分與水系的空間分布（見(jiàn)圖5），除高海拔相對(duì)較高的地區(qū)外，在河網(wǎng)、水庫(kù)越密集的地方雷電易發(fā)性的等級(jí)越高。因?yàn)槌渥愕乃?yīng)是形成雷雨云的條件之一，在較低海拔的地區(qū)氣溫高，當(dāng)?shù)孛娴乃得芏仍酱髸r(shí)能夠?yàn)榫值氐膹?qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供更為充足的水汽供應(yīng)。

圖5 廣元市水系分布

3 結(jié)論

（1）廣元市雷電易發(fā)區(qū)的易發(fā)性分布與雷電流強(qiáng)度分布相反，雷電流強(qiáng)度高的地區(qū)位于雷電低易發(fā)區(qū)，在地形起伏、坡度相對(duì)較緩的朝天區(qū)東部和利州區(qū)是高雷電流強(qiáng)度的主要分布區(qū)域。

（2）廣元市發(fā)生雷電災(zāi)害的地區(qū)主要為雷電中、高易發(fā)區(qū)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)達(dá)、人員密集的低易發(fā)區(qū)。

（3）下墊面特性會(huì)對(duì)雷電的活動(dòng)產(chǎn)生影響，但各因素對(duì)雷電的活動(dòng)影響程度不同。廣元市的雷電易發(fā)性主要受地形起伏變化的影響，劍閣縣、蒼溪縣、昭化縣以及旺蒼縣、利州區(qū)南部和青川縣的東南部為地形起伏變化小的中低山區(qū)，雷電易發(fā)性的等級(jí)更高。

（4）雷電的活動(dòng)情況是受多種因素的共同影響，并且其之間的關(guān)系、影響因子是非常復(fù)雜的。文章只討論了地形變化、海拔高度、水系因素對(duì)雷電活動(dòng)的影響，還需要對(duì)其他影響因素及之間的相互關(guān)系進(jìn)行深入研究。