重慶地區復雜地形影響下地閃活動特征分析

張新科，何躍，程譯萱，譚霞，李強

（1. 榮昌區氣象局，重慶 402460；2. 重慶市氣象臺，重慶 401147；3. 萬盛區氣象局，重慶 400800）

1 引 言

閃電是云與云、云與地或者云體內各部位之間的強烈放電現象，具有極大的破壞性。相對于云閃而言，地閃能夠直接損壞建筑物、電子設備，造成人員傷亡[1]，因此針對地閃的研究受到科學界的廣泛關注。

張義軍等[2]研究發現，全球閃電活動具有明顯的區域差異，閃電密度高值區主要分布在海岸地區、山地地區、中尺度氣旋多發地區以及熱帶輻合帶的輻合區內。Yang 等[3]、王娟等[4]研究發現中國閃電活動具有顯著地域差異性，華南地區、中東部地區和四川盆地為閃電活動密集區。由于閃電形成的天氣氣候機制較為復雜，地理位置、地形地貌等因素對閃電的產生有重要影響[5-6]。因此，國內外學者對閃電與地理特征、地形關系等方面做了大量的研究工作，Smith 等[7]研究墨西哥灣5—9 月地閃活動，發現閃電活動受地理特征和中尺度環流影響。Vassiliki 等[8]對地中海地區閃電與海拔、地形坡度和植被之間的關系研究發現，除冬季外，全年閃電活動與海拔高度呈正相關。劉海兵等[9]、劉雪濤等[10]和王學良等[11]分別對江西省、云南省及湖北省等不同區域的地閃活動與海拔高度關系進行了研究，發現地閃活動與地形及海拔高度密切相關，但不同區域具有差異性。重慶位于四川盆地東部，受特殊地形和東亞季風影響，雷電強對流天氣頻發，每年因雷電活動造成的財產損失或人身傷亡事件時有發生[12]。因此，詳細分析研究重慶地區閃電活動特征具有重要的現實意義。

李家啟等[13-14]對2008 年以前重慶地區閃電活動特征、雷電參數及雷電災害防御等方面做了研究。趙生昊等[15]、任照環等[16]重點研究了重慶地區雷電災害主要致災因子及雷電災害風險區劃。由于重慶地形復雜多變，海拔落差極大（73.1~2 796.8 m），兼有盆地、河谷、丘陵和山地等不同地形地貌，閃電活動時空分布差異顯著。然而近年來，針對重慶地區閃電活動時空分布特征，尤其是復雜地形及海拔高度對地閃活動影響的研究較為少見。因此，本文利用2008—2020 年重慶地區ADTD 閃電定位資料，并結合高精度DEM 海拔高程數據，研究了重慶地區復雜地形影響下的地閃活動特征，以加深對該地區地閃活動規律的認識，同時為雷電臨近預報及復雜地形條件下閃電活動規律的研究提供參考。

2 研究數據及方法

2.1 研究數據

地閃數據為2008—2020 年重慶地區ADTD閃電定位數據，由重慶市ADTD 閃電定位系統獲取。該系統包括一個主站（重慶沙坪壩站）、四個子站（酉陽、城口、云陽、石柱），且與四川、湖北、貴州等省鄰近區域的閃電監測站點聯網，共有13 個閃電定位探測站(圖1) ，探測范圍覆蓋重慶所有區域。其時鐘頻率最高為16 mHz，每個閃電回擊的處理時間在1 ms 左右，定位精度優于300 m，探測效率可達90%，提供包括地閃回擊發生的時間、位置、極性、強度、陡度、定位誤差和定位方式等信息。根據探測原理，刪除了小于2站探測到的數據記錄[17]。同時，王志超等[18]研究表明，受云閃干擾，ADTD 閃電定位系統對于電流強度小于10 kA 的閃電回擊探測能力較差，為了避免誤判，本文在使用閃電定位資料前剔除了小于10 kA 閃電定位資料。降水量資料為2016—2020 年重慶市34 個國家級地面氣象觀測站及1 929 個地面區域自動氣象站逐小時降水量數據，由國家信息中心CIMISS系統獲取，該數據經過了嚴格的質量控制。

地形高程數據為SRTM DEM 數據，空間分辨率為90 m，來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）。SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）是由美國航空航天局（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA)聯合測量數據[19]，是目前區域地形地貌研究采用較多的基礎分析數據。

2.2 研究方法

地閃密度是指單位面積、單位時間內的平均地閃次數，該值能精確反映全年閃電活動的頻繁程度，單位：fl/(km2·a)。在計算地閃密度時，參照GB/T 37047-2018《基于雷電定位系統(LLS)的地閃密度總則》標準[20]。即計算地閃密度選擇網格大小時需保證每個網格的大小和觀測周期都滿足下式：

式中NG為地閃密度；Tobs為觀測周期，單位為年；Acell為每個網格單元的面積，單位為km2，式(1)左邊表示單個網格內地閃總次數，即需要滿足規定單個網格內的地閃次數大于80 次。本文計算地閃密度時共有13 年時間序列的地閃數據，將重慶地區劃分為10 km×10 km 的網格空間顯然滿足要求，然后計算地閃密度。

在分析重慶地區地閃活動時空分布時，考慮地形和氣候特征的差異，將重慶按照多年氣候特征、地形及行政區劃分為西部、西南部、主城、中部、東南部和東北部等6 個區域（圖1）。其中，西部、主城以平原和丘陵地形為主，代表了渝西經濟圈和城市人口聚集區，西南部為渝西偏南地區的丘陵、低山山地地形，中部為盆地與低山山地的過渡帶，東北部和東南部為起伏較大的山地地形，針對重慶復雜地形下的地閃活動特征進行研究。

圖1 重慶地區周邊地形、ADTD閃電定位探測站（五角星）及氣候業務區域分布

3 地閃活動空間分布

經統計，2008—2020 年重慶地區共出現地閃2 307 261 次，其中負地閃2 211 437 次，正地閃僅有95 824次，正地閃占比（正地閃次數占總地閃次數的比）僅有4.15%，因此負地閃的變化決定了總地閃的變化。與其他區域對比發現，重慶地區正地閃占比要明顯小于京津冀地區[21]和新疆[22]等地區，與云南等地區較為接近[10]。從圖2 可以看出，重慶地區地閃活動空間分布差異顯著，地閃密度大值區主要集中在西部、主城和西南部偏北區域，在6～9 fl/(km2·a)，尤其在主城人口密集區域，甚至超過9 fl/(km2·a)，許多研究表明由于城市熱島效應和人類活動造成的氣溶膠增多，導致大城市區域的閃電活動明顯增加[23-24]。其次是中部、東北部偏南及東南部偏北區域，地閃密度在3～6 fl/(km2·a)，東北部偏北和東南部偏南區域地閃活動較少，地閃密度小于2 fl/(km2·a)。依據李炳元等[25]對地形地貌的分類標準，重慶地區地閃活動主要集中在地形較為平緩的盆地、丘陵和低山山地等區域，地形起伏劇烈的高山山地區域地閃活動要明顯偏弱，整體上表現為自西向東，由盆地、丘陵到高山山地區域地閃活動逐漸減弱的特征。

分析海拔高度變化對地閃活動影響時，每100 m劃分為1個高度間隔。圖3給出了不同高度區間內的地閃頻數占整個重慶區域總地閃頻數的百分比、累計百分比及平均地閃密度，圖中橫軸數值代表海拔高度區間，如200 表示100～200 m 區間。結果顯示，300~400 m 區間內，平均地閃密度最大，為8.4 fl/(km2·a)，地閃頻數占 比 最多，為23.5%，海拔高度大于400 m 以上區域，地閃頻數及地閃密度隨海拔升高而不斷減小。整體而言，閃電活動主要集中在海拔1 000 m以下的盆地、丘陵和低山山地區域，占到83.6%，海拔高度1 000 m以上區域僅占到16.4%，尤其海拔超過2 300 m 的高山山地區域幾乎無閃電活動，僅占0.1%。由此可見，海拔高度變化顯著影響了地閃活動的空間分布特征。

圖2 2008—2020年重慶地區年平均地閃密度空間分布

表1 總地閃頻數、正地閃占比和海拔高度的相關性檢驗

圖3 不同海拔高度區間內的地閃頻數占總地閃數的百分比、累計百分比及地閃密度分布特征

正地閃占比對強對流天氣類型具有指示意義，不同強對流天氣類型中正地閃占比差異較大，馮桂力等[26]研究表明，冰雹過程中正地閃占比較強降水過程更大。圖4 給出了重慶地區正地閃占比空間分布及其隨海拔高度變化特征，可以看出，重慶地區正地閃占比空間差異較大，東北部正地閃占比明顯大于其他區域。在海拔高度低于1 000 m 的平原、丘陵和低山山地區域，平均正閃占比在3.3%～4.6%，海拔高度1 000 m 以上的山地區域，平均正地閃占比達到6.2%，最大可以達到9.2%（圖4a）。對正地閃占比隨海拔高度變化做線性擬合，可以看出，正地閃占比隨海拔高度呈線性遞增，擬合度（R2）較高，為0.86，斜率為0.002 3，即海拔每升高100 m，平均正地閃占比增大0.23%，海拔越高正地閃占比越大，正地閃占比的區域差異顯著（圖4b）。由此可見，重慶地區正地閃占比受地形影響具有較大差異，應用正地閃占比判別該區域強對流天氣類型時需要特別注意區域差異性的影響。

圖4 正地閃占比空間分布（a）及其隨海拔高度變化（b）特征

由于閃電與降水屬于同一強對流系統（雷暴）內的兩種不同現象，二者具有內在動力和微物理聯系。根據Zhuo 等[27]的做法，將小時降水量R≥0.1 mm作為一次降水記錄，并引入降水量、降水頻率、短時強降水貢獻率。其中降水量是指統計時段內總降水量/總時次，描述單位時間內的降水量，單位為mm/h。降水頻率是指統計時段內有降水的時次與總時次的比值，描述降水事件出現的頻率。短時強降水貢獻率是指該區域短時強降水（中央氣象臺對短時強降水的定義是小時降水量R≥20 mm）所產生的降水量與總降水量的比值，描述對流性降水的貢獻。

重慶屬于東亞季風區，強對流天氣活動主要發生在暖季5—9 月，圖5 給出了2016—2020 年5—9月重慶地區平均降水量、降水頻率及短時強降水貢獻率的空間分布特征。結果顯示，重慶地區有兩個降水大值中心，分別位于東北部的巫溪、開縣和云陽的交界地帶，以及東南部的酉陽、秀山地帶，西部及中部地區降水量相對較少（圖5a），這與閃電活動空間分布具有明顯不同。同時，降水頻次分布與重慶地形分布較為吻合，地形起伏較大的山地區域降水頻次要高于平原、盆地區域，高值區主要分布在海拔1 000 m 以上的山地區域，在15%~20%，部分高海拔區域甚至超過20%，西部及中部等平原、盆地和丘陵區域在8%~12%，說明地形抬升作用有利于降水發生（圖5b）。西部平原、盆地和丘陵區域短時強降水的貢獻率要明顯高于東北部和東南部高山山地區域，尤其是東北部城口等區域，短時強降水的貢獻率僅5%左右（圖5c）。以上分析表明，在東南部和東北部等高山山地區域地形抬升有利于降水形成，降水頻次高且降水量更大，但是對流活動弱，不易發生強對流天氣，短時強降水貢獻率較小，閃電活動也相對較弱。在西部平原、盆地和丘陵等區域，降水量及降水頻次雖然較少，但受周圍高大山脈阻擋，能量聚集不宜散失，低層水汽能量條件較好，易引發強對流天氣產生短時強降水，從而伴隨強烈的閃電活動。

圖5 2016—2020年5—9月重慶地區平均降水量（a）、降水頻率（b）及短時強降水貢獻率（c）的空間分布

綜上所述，重慶地區地閃活動空間分布差異顯著，且與地形及海拔高度密切相關，整體上表現為自西向東，由盆地、丘陵到高山山地區域地閃活動逐漸減弱，正地閃占比逐漸增大的特征。同時，該區域閃電活動與降水量的空間分布差異顯著，二者幾乎成相反的分布狀況，可見地形及海拔高度對閃電活動和降水時空分布的影響是不同的。

4 地閃活動時間分布

2008—2020年整個重慶地區地閃頻數及正地閃占比逐年分布差異顯著，2018年地閃頻數最多，為265 977 次，2015 年地閃頻數最少，為55 178次，最多年是最少年的4.8 倍。各年正地閃占比在2.78%～9.31%，2013 年最小，2018 年最大（圖略）。對比不同區域地閃頻數年際變化發現，各區域地閃頻數逐年分布具有一定差異，地閃頻數最多年及最少年與整個重慶地區分布并不一致，這與強對流天氣在不同區域年際變化分布不均有關。

4.1 月、季節變化

圖6 給出了2008—2020 年重慶地區逐月地閃頻數占全年百分比及各區域月平均地閃密度分布。結果顯示，重慶地區地閃活動逐月變化呈單峰型分布，7 月為峰值，主要集中在4—9 月，占全年的96.3%，其余月份僅占3.7%。按照季節分析，夏季（6—8 月）閃電活動最為劇烈，占全年的73.7%，其次是春季（3—5 月），占全年的16.3%，秋季（9—11 月）閃電活動明顯減弱，占全年的10.0%，冬季（12—2月）幾乎沒有地閃活動，僅占全年的0.1%（圖6a）。同時，對重慶不同區域月平均地閃密度分析發現，各區域地閃活動月變化均呈單峰型分布，除西南部外，其余各區域峰值均出現在7 月，主要集中在4—9 月，其余月份地閃活動較弱（圖6b），各區域地閃活動逐月變化差異不大，說明地形及海拔高度變化對月、季節尺度變化影響不明顯，這是因為重慶地區屬于亞洲夏季風影響區域，強對流天氣的月、季節尺度變化主要受到東亞季風、副熱帶高壓等大尺度天氣系統影響[28]，地形起伏及下墊面物理特性的差異主要引起低層大氣溫濕度分布不均勻，從而導致中小尺度系統日變化的顯著差異。

圖6 2008—2020年整個重慶地區逐月地閃頻數占全年百分比（a）及各區域月平均地閃密度（b）分布

4.2 日變化

圖7給出了重慶地區不同區域地閃密度日變化特征，重慶各區域地閃密度日變化均呈雙峰型分布，分別在夜間和白天各有一個峰值，夜間峰值集中在00:00—04:00（北京時間，下同），白天峰值集中在14:00—18:00，08:00—12:00 為地閃活動最弱時段。值得注意的是，其中夜間峰值出現時間表現為自西向東逐漸延后特征，其中西南部、西部和主城出現在00:00，中部出現在02:00，東南部出現在03:00，東北部出現在04:00，渝西地區（西部、西南部和主城）晚于渝東北地區約4 h，方德賢等[29]對重慶地區降水分析發現，降水以夜雨為主，且降水峰值出現時間也表現為向東延遲的特征，表明重慶地區夜間天氣系統活躍時段與地形及特殊的地理位置密切相關。王娟等[4]、王義耕等[30]研究發現，西南地區夜間多雷暴，閃電活動具有明顯的夜發性特征，但重慶地區地閃活動并不表現為單一的夜發性特征，地形起伏和海拔高度的變化影響了該區域地閃活動晝夜分布，其中重慶西部、主城地區地閃活動主峰值出現在夜間，西南部、中部和東南部地區峰值白天與夜間相當，東北部主峰值出現在白天。

圖7 2008—2020年重慶不同區域每小時地閃密度(fl/(km2·h))日變化特征

為了詳細分析重慶各區域地閃活動晝夜分布特征，表2 給出了2008—2020 年重慶各區域地閃頻數晝夜比統計。結果顯示，2008—2020 年重慶地區白天共出現地閃1 003 237 次，其中夜間有1 304 024 次，地閃頻數晝夜（白天總地閃頻數與夜間總地閃頻數之比）比為0.77，呈明顯的夜間主導型特征。不同區域地閃活動晝夜分布具有復雜性，其中西部、主城、中部及東南部地區地閃活動表現出夜間主導型特征，地閃頻數晝夜比分別為0.33、0.68、0.85 和0.89，尤其是西部，晝夜比僅為0.33，夜間地閃頻數約是白天的3 倍，呈現出顯著的夜間主導型特征。西南部和東北部地閃頻數晝夜比分別為1.05 和1.06，白天閃電活動略多于夜間，并不表現為夜間主導型，逐漸向白天主導型轉變。

圖8 給出了2008—2020 年重慶地閃頻數晝夜比空間分布及其隨海拔高度變化的特征。圖8a顯示，在海拔較低的盆地、丘陵和低山山地區域夜間閃電活動多于夜間，地閃頻數晝夜比小于1.0，呈夜間主導型特征。在高山山地區域，白天閃電活動多于夜間，地閃頻數晝夜比大于1.0，尤其是海拔更高大婁山區域和大巴山區域甚至超過2.0，地閃活動表現為明顯的白天主導型特征。圖8b 顯示，地閃頻數晝夜比隨海拔高度升高而逐漸增大，海拔低于1 000 m 區域，地閃頻數晝夜比小于1.0，地閃活動呈現出夜間主導型特征，海拔1 000 m以上區域，地閃頻數晝夜大于1.0，尤其是1 800 m 以上的高海拔區域，平均地閃頻數晝夜比大于1.5，地閃活動呈明顯的白天主導型特征。由此可見，重慶地區由盆地、丘陵到高山山地區域隨著海拔高度的升高，地閃活動由夜間主導型向白天主導型轉變，海拔越高白天地閃活動越劇烈。

表2 2008—2020年重慶各區域地閃頻數晝夜比統計（包括整個區域）

圖8 2008—2020年重慶地區地閃頻數晝夜比空間分布（a）和地閃頻數晝夜比隨海拔變化（b）

5 閃電強度變化

閃電強度是指閃電活動產生的電流強度，是雷電潛在破壞力的一個重要方面，目前研究表明，正地閃的強度通常強于負地閃[31-32]。如圖9(見下頁)所示，重慶地區正地閃集中在31.9～71.0 kA，平均為55.9 kA，負地閃集中在22.9～43.6 kA，平均為36.2 kA，平均正地閃強度與平均負地閃強度差值為19.7 kA，正地閃強度要強于負地閃。對比不同區域發現，各區域的正、負地閃強度差異較小，正地閃強度集中在30.9～81.5 kA，平均正地閃在50.9～61.9 kA，西部略大于其他區域。負地閃集中在21.6～45.9 kA，平均值在32.8～42.3 kA，東北部略大于其他區域。由此可見，地形差異及海拔高度變化對地閃強度分布影響并不十分顯著。多數研究認為閃電強度與濕度條件[33]、氣溫[34]以及對流有效位能[35]等有較強的相關性，因此在雷電災害防御時更應注意系統本身的強度影響，地形及海拔變化對地閃活動的影響可以作為次要因素。

6 結論與討論

（1）重慶地區地閃活動以負地閃為主，平均正地閃占比為4.15%，其值隨海拔高度升高而增大。地閃密度高值區位于重慶西部、主城、及西南部偏北等海拔較低的盆地、丘陵和低山山地區域，在6.0～9.0 fl/(km2·a)，東北部偏北和東南部偏南等地形起伏劇烈的高山山地區域地閃活動最弱，地閃密度小于2.0 fl/(km2·a)。整體而言，地閃活動表現為自西向東，由盆地、丘陵到山地區域逐漸減弱，正地閃占比逐漸增大的特征。

圖9 重慶不同區域的正、負地閃強度（絕對值）箱線圖

（2）重慶地區地閃活動年際變化分布不均，地閃頻數最多年是最少年的4.8 倍，月變化呈單峰型分布，7 月為峰值，主要集中在4—9 月，占全年的96.3%。日變化呈雙峰型分布，各區域夜間峰值集中在00:00—04:00，白天峰值集中在14:00—18:00，08:00—12:00為地閃活動最弱時段。

（3）地閃活動的月、季節尺度變化主要受大尺度天氣系統支配，地形及海拔對地閃活動影響主要體現在日變化的顯著差異上，具體表現為夜間峰值出現時間自西向東逐漸向后延遲，其中西南部、西部和主城出現在00:00，中部出現02:00，東南部出現在03:00，東北部出現在04:00，渝西地區（西部、西南部和主城）晚于渝東北地區約4 h。同時，海拔高度1 000 m 以下區域，夜間地閃頻數多于白天，表現為夜間主導型，海拔高度1 000 m以上區域，白天地閃頻數多于夜間，為白天主導型特征，且海拔高度越高，閃電越易發生在白天。

（4）重慶地區正地閃強度集中在31.9～71.0 kA，負地閃集中在22.9～43.6 kA，正地閃強度要明顯強于負地閃，正閃主要分布在閃電強度的高值區，負地閃主要分布在閃電強度的低值區，并且各區域地閃強度差異不大，地形及海拔高度變化對地閃強度的影響不顯著。

通過分析重慶地區復雜地形下地閃活動時空分布特征，進一步加深了對該地區閃電活動規律的認識，為開展復雜地形條件下閃電活動的天氣學機制及地形對閃電活動的影響研究提供參考。同時，值得注意的是該地區暖季的地閃活動與降水空間分布具有明顯差異，地閃密度高值區位于重慶西部、主城、及西南部偏北等海拔較低的盆地、丘陵和低山山地區域，降水量的大值區位于重慶東北部和東南部等高海拔山地區域，閃電活動與降水量空間分布幾乎呈相反分布狀況。由于閃電與強降水屬于同一強對流系統（雷暴）內的兩種不同現象，二者具有內在的動力和微物理聯系[36]，但由于復雜地形、氣候條件等顯著不同，造成重慶地區閃電活動和降水的時空分布特征具有顯著差異，因此有待進一步深入研究重慶地區復雜地形條件下，閃電活動與強降水時空分布特征以及二者的相關關系，為該區域強對流天氣的臨近預報預警提供參考。