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渡地帶，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雷電活動頻繁。四川省ADTD型閃電監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測統(tǒng)計，2005-2016年廣元市年平均地閃發(fā)生次數(shù)達(dá)5萬余次，平均地閃日數(shù)高達(dá)105天[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，自2009年以來廣元市因雷電造成的人員傷亡財產(chǎn)損失的災(zāi)害事故就有12起，為了進一步了解掌握廣元市雷電活動特征，科學(xué)提升廣元市雷電災(zāi)害防御體系建設(shè)，有必要對廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分結(jié)果進行進一步的研究分析。此外雷電作為一種自然天氣現(xiàn)象，通常發(fā)生于中小尺度的強對流天氣系統(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對強對流天氣產(chǎn)生很大影響，胡艷等[3]研究表明上海地區(qū)的下墊面特征會對該地區(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對雷電的發(fā)生產(chǎn)生一定的影響。本文主要通過廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分結(jié)果與雷電流強度分布、雷電災(zāi)害分布，以及廣元市下墊面的地形起伏、海拔高度、水系分布特征進行對比分析研究。

1 資料來源和處理

為排除干擾需要剔除小幅值雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)，關(guān)于小幅值地閃界定范圍尚未統(tǒng)一[4]。為了保證對比資料來源的完整和統(tǒng)一，本次研究分析使用的雷電數(shù)據(jù)來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)測數(shù)據(jù)；廣元市雷電災(zāi)害事故統(tǒng)計來源于全國雷電災(zāi)害事例匯編和2009年以來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)系圖以及雷電流強度分布狀況。使用領(lǐng)域分析、格柵計算、坡度計算等方法，對高程地理圖層進行計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)與雷電流強度分布的特征分析

雷電流強度是進行雷電災(zāi)害防御設(shè)計計算中的重要組成參數(shù)之一，在雷電防護措施相同的條件下其強度越高，造成的損失也就越大。廣元市2005-2016年雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄到的最大雷電流強度為498kA。通過廣元市的市縣邊界圖層與雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)的連接計算得到每平方公里的平均雷電流強度分布情況如圖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)雷電活動次數(shù)越多，雷電易發(fā)性越低的地區(qū)雷電活動次數(shù)越少，當(dāng)雷雨云能量相當(dāng)時，在高易發(fā)區(qū)單次釋放的能量較小。程向陽等[5]的研究也認(rèn)為當(dāng)雷暴云能量經(jīng)過充分釋放后雷電流的強度就不會太大。

圖1 廣元市雷電易發(fā)區(qū)劃分（a）、雷電流強度分布（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)和雷電流強度高的區(qū)域；發(fā)生財產(chǎn)損失的地區(qū)在雷電中易發(fā)區(qū)，而經(jīng)濟社會發(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

下墊面情況會對雷電活動產(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]等對江西閃電特征研究表明地形海拔因素對雷電活動具有較大的影響；朱興明等對2008年廣東及周邊海域雷電活動研究發(fā)現(xiàn)海陸熱力差異對沿海地區(qū)雷電活動的影響比較大。廣元市處于四川盆地北部，山地向盆地過渡，地勢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)性的等級更高。值得注意的是，圖1（b）中的雷電流強度高的朝天區(qū)東部區(qū)域雖海拔高度較高，但該地區(qū)地形起伏、坡度相對較緩；同樣在利州區(qū)雷電流強度高的區(qū)域地形起伏、坡度同樣相對較緩。

圖3 地形起伏狀況（a）、坡度變化（b）、海拔高程（b）

通過計算得到雷電易發(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區(qū)域面積逐漸增多，達(dá)到一定的海拔高度后雷電活動區(qū)域的面積逐漸減小。海拔高度450m到1100m的區(qū)域是雷電活動最為活躍的地區(qū)。海拔高度的變化對雷電的活動會產(chǎn)生的影響沒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

對比廣元市雷電易發(fā)區(qū)劃分與水系的空間分布（見圖5），除高海拔相對較高的地區(qū)外，在河網(wǎng)、水庫越密集的地方雷電易發(fā)性的等級越高。因為充足的水汽供應(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能夠為局地的強對流天氣的發(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)性分布與雷電流強度分布相反，雷電流強度高的地區(qū)位于雷電低易發(fā)區(qū)，在地形起伏、坡度相對較緩的朝天區(qū)東部和利州區(qū)是高雷電流強度的主要分布區(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)濟社會發(fā)達(dá)、人員密集的低易發(fā)區(qū)。

（3）下墊面特性會對雷電的活動產(chǎn)生影響，但各因素對雷電的活動影響程度不同。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)性的等級更高。

（4）雷電的活動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、水系因素對雷電活動的影響，還需要對其他影響因素及之間的相互關(guān)系進行深入研究。