王少娟，王道平，劉鳳姣，周明薇，郭 斌，賀秋艷

（湖南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

雷電是大氣中發(fā)生的一種劇烈放電現(xiàn)象，具有時(shí)間短、距離長(zhǎng)、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)。全球每年因雷災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)數(shù)億元，人員傷亡數(shù)量達(dá)數(shù)千人［1］，嚴(yán)重威脅著人們的生產(chǎn)和生活。因此，掌握雷電活動(dòng)規(guī)律對(duì)提高抵御雷電災(zāi)害能力、指導(dǎo)防雷工程設(shè)計(jì)以及防災(zāi)減災(zāi)等工作具有重要意義。已有研究表明，不同的下墊面參數(shù)對(duì)雷電活動(dòng)產(chǎn)生的影響具有一定的差異性，成鵬偉等［2］對(duì)比分析了北京和成都兩個(gè)下墊面性質(zhì)不同地區(qū)的閃電分布特征，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)地區(qū)的閃電活動(dòng)主要集中在水汽充足的區(qū)域，如水體、農(nóng)田；王學(xué)良等［3－4］對(duì)比分析了湖泊與陸地、山區(qū)與平原的雷電參數(shù)分布特征，發(fā)現(xiàn)湖泊（山地）地閃密度比陸地（平原）小，湖泊（山區(qū)）平均雷電流強(qiáng)度大于陸地（平原）；潘建等［5］利用江蘇省閃電定位資料，對(duì)雷電強(qiáng)度等級(jí)與土地覆蓋類(lèi)型的相關(guān)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)林地對(duì)雷電強(qiáng)度等級(jí)的空間分布影響最大。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)雷電活動(dòng)與海拔高度的關(guān)系也進(jìn)行了很多研究工作［6－9］。長(zhǎng)沙地處湘東地區(qū)，屬洞庭湖平原向湘中丘陵盆地過(guò)渡地帶，地形地貌復(fù)雜，使該地區(qū)的雷電活動(dòng)分布具有一定的不均勻性，境內(nèi)地表覆蓋類(lèi)型多樣，且該地區(qū)還沒(méi)有開(kāi)展過(guò)雷電特征與土地覆蓋類(lèi)型的研究。因此，本文利用2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃定位資料和土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)，對(duì)不同土地覆蓋類(lèi)型因子上的雷電活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，并分析了地閃頻次和強(qiáng)度與土地覆蓋類(lèi)型因子之間的相關(guān)性。

1 資料及方法

1.1 資料來(lái)源

閃電定位資料來(lái)源于湖南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心（湖南省防雷中心）2009—2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括閃電頻次、發(fā)生時(shí)間、強(qiáng)度等（圖1）；土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)采用歐空局提供的長(zhǎng)沙土地覆蓋類(lèi)型產(chǎn)品中的lccs_class，文件格式為NetCDF4，分辨率為300m。

圖1 累年平均地閃頻次逐年分布Fig.1 Annual distribution of average lightning frequency

長(zhǎng)沙市轄區(qū)內(nèi)共有6區(qū)1縣2縣級(jí)市，分別為雨花區(qū)、天心區(qū)、芙蓉區(qū)、岳麓區(qū)、開(kāi)福區(qū)、望城區(qū)、長(zhǎng)沙縣、瀏陽(yáng)市、寧鄉(xiāng)市，總占地面積約為11 819km2。

1.2 研究方法

考慮到ADTD定位資料中有可能存在云閃對(duì)地閃數(shù)據(jù)的干擾，統(tǒng)計(jì)分析時(shí)將強(qiáng)度小于10kA的雷電流予以剔除；湖南省雷電定位系統(tǒng)是由10臺(tái)ADTD型閃電定位儀組成，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的雷電電流幅值范圍為（±1kA，±500kA），因此將雷電流強(qiáng)度大于500kA的數(shù)據(jù)刪除。

利用ARCGIS軟件將土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為tif文件，對(duì)影像進(jìn)行裁剪、重分類(lèi)以及柵格圖像矢量化，重分類(lèi)后的長(zhǎng)沙地區(qū)土地覆蓋類(lèi)型為耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地和水體，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地是指城市建設(shè)用地和農(nóng)村建設(shè)用地；將表示閃電發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度和強(qiáng)度的數(shù)據(jù)疊加到矢量化的土地覆蓋類(lèi)型圖上，統(tǒng)計(jì)落入各覆蓋類(lèi)型上的閃電數(shù)目和強(qiáng)度，然后分別分析各植被覆蓋類(lèi)型上的閃電活動(dòng)特征。

為了研究土地覆蓋類(lèi)型因子與地閃活動(dòng)的關(guān)系，用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，將土地覆蓋類(lèi)型因子作為自變量，分別分析頻次、電流強(qiáng)度絕對(duì)值與各覆蓋類(lèi)型因子的相關(guān)程度，并對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，各因子需要服從正態(tài)分布。因此，在進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，對(duì)閃電頻次和電流強(qiáng)度絕對(duì)值進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閃電頻次不符合正態(tài)分布，將其取對(duì)數(shù)后服從正態(tài)分布。

2 長(zhǎng)沙地區(qū)雷電活動(dòng)特征

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，湖南省閃電定位系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到長(zhǎng)沙地區(qū)2009—2018年地閃178963次，其中正閃7528次，占4.2%；負(fù)閃171435次，占95.8%，可以看出長(zhǎng)沙地區(qū)地閃活動(dòng)主要以負(fù)地閃為主。由圖1可以看出，近10年地閃回?fù)纛l次年際變化明顯，呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，其中2014年最多，為41622次，2018年最少，為7028次。按照四季劃分法，以12—2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，從累年地閃頻次逐月分布圖可以看出，地閃活動(dòng)主要集中在春夏兩季，秋冬季節(jié)幾乎沒(méi)有閃電活動(dòng)發(fā)生，其中5—8月占比最多，為84%，7月份閃電活動(dòng)最活躍，為45371次，8月份之后閃電活動(dòng)逐漸減弱（圖2）。

圖2 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)累月平均地閃頻次逐月分布Fig.2 Monthly distribution of average lightning frequency

如圖3所示，長(zhǎng)沙地區(qū)地閃密度最大值位于長(zhǎng)沙市區(qū)，整體上呈現(xiàn)自西向東逐漸減小的趨勢(shì)，可能是因?yàn)槲鞑康貐^(qū)為湖南省雷暴活動(dòng)的次活動(dòng)地帶雪峰山脈，而瀏陽(yáng)市與洞庭湖相鄰，屬于平原型地帶，地閃回?fù)纛l次明顯低于臨近山脈的西部寧鄉(xiāng)區(qū)域。

圖3 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)地閃密度空間分布圖（單位：次／（km2·a））Fig.3 Lightning density spatial distribution map in Changsha area from 2009 to 2018

3 雷電活動(dòng)與土地覆蓋類(lèi)型相關(guān)性分析

3.1 地閃活動(dòng)在不同土地覆蓋類(lèi)型上的分布特征

表1為2009—2018年長(zhǎng)沙市土地覆蓋類(lèi)型分布，研究區(qū)內(nèi)主要以耕地（57.55%）、林地（36.6%）、城鎮(zhèn)建設(shè)用地（4.39%）為主，水體（1.2%）、草地（0.26%）占用面積較小。

表1 2009－2018年長(zhǎng)沙地區(qū)土地覆蓋類(lèi)型分布Tab.1 Distribution of land cover types in Changsha area from 2009 to 2018

將地閃經(jīng)緯度數(shù)據(jù)逐年疊加在土地覆蓋類(lèi)型分布圖上，得到2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)各土地覆蓋類(lèi)型上的地閃頻次分布，見(jiàn)表2。可以看出，各土地覆蓋類(lèi)型上的閃電均以負(fù)地閃為主，均在95%左右。耕地發(fā)生的地閃頻數(shù)最多，占全年地閃頻數(shù)的60%左右，其次為林地，占32%左右，地閃頻數(shù)發(fā)生最少的為草地，僅為0.24%，且總地閃頻數(shù)與地表類(lèi)型占地面積呈正比關(guān)系。

表2 2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)各土地覆蓋類(lèi)型地閃頻次分布Tab.2 Distribution of lightning frequency of different land cover types in Changsha area from 2009 to 2018

圖4給出了各土地覆蓋類(lèi)型上累月地閃頻次占全年總地閃頻次的百分比情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)各覆蓋類(lèi)型上的地閃活動(dòng)主要發(fā)生在6—8月，占比分別為耕地65.2%、草地61.49%、林地60.93%、城鎮(zhèn)建設(shè)用地 61.14% 以及水體64.68%。除草地上地閃頻次具有“雙峰單谷”特征外，其他類(lèi)型均表現(xiàn)為“單峰”特征。

圖4 各土地覆蓋類(lèi)型上累月地閃頻次占全年百分比Fig.4 Percentage of cumulative monthly lightning frequency of each land cover type in the whole year

從表3的季節(jié)分布表中可以看出，各土地覆蓋類(lèi)型上的地閃活動(dòng)均主要集中在春、夏、秋三季，冬季雷電活動(dòng)最少，各土地覆蓋類(lèi)型上的地閃活動(dòng)的季節(jié)分布規(guī)律一致，說(shuō)明土地覆蓋類(lèi)型對(duì)地閃活動(dòng)的季節(jié)分布影響不明顯，這與趙生昊等［10］的研究結(jié)果一致。

表3 各土地覆蓋類(lèi)型上四季地閃頻次占比Tab.3 Proportion of lightning fr equency of different land cover types in four seasons

相鄰兩個(gè)不同的地表類(lèi)型由于其熱力屬性存在差異而容易產(chǎn)生局地垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)，從而引起大氣層結(jié)的不穩(wěn)定程度增加、不穩(wěn)定能量的積聚以及水汽輸送等有利于雷暴發(fā)生、發(fā)展的條件［11］。在充足的水汽條件和大的環(huán)流背景配合下，就可能產(chǎn)生雷電。

統(tǒng)計(jì)1—12月發(fā)生的閃電占全年總閃電頻次的百分?jǐn)?shù)，對(duì)5種土地覆蓋類(lèi)型上的地閃頻次進(jìn)行日變化分析（圖5），可以看出各土地覆蓋類(lèi)型上的地閃頻次呈單峰型變化特征。地閃活動(dòng)多發(fā)生在午后至傍晚，與對(duì)流活動(dòng)發(fā)展規(guī)律相一致。除草地外，其他土地覆蓋類(lèi)型上的地閃活動(dòng)均在午后16時(shí)達(dá)到峰值。耕地、林地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地上午后地閃活動(dòng)呈較均勻變化。水體和草地上的地閃活動(dòng)午后波動(dòng)較為劇烈，考慮到是因?yàn)槲绾笫芴?yáng)輻射的影響，水面向上輸送的水汽含量較多，在水汽條件和環(huán)流背景配合下就可能產(chǎn)生雷電。長(zhǎng)沙地區(qū)的草地主要位于耕地、林地以及城鎮(zhèn)建設(shè)用地之間，耕地以水田為主，水田午后升溫慢和釋放熱量少，林地受午后太陽(yáng)輻射的影響較小，城鎮(zhèn)建設(shè)用地午后升溫快和釋放熱量多，相對(duì)于三者，草地極易成為不穩(wěn)定區(qū)域，產(chǎn)生對(duì)流云團(tuán)，進(jìn)而產(chǎn)生雷暴。

圖5 各土地覆蓋類(lèi)型上地閃頻次日變化Fig.5 The daily change of lightning frequency of different land cover types

圖6給出了地閃密度和雷電流幅值在不同土地覆蓋類(lèi)型上的平均值。不難發(fā)現(xiàn)耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地和水體的地閃密度平均值較高，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地為1.6617次／km2·a最大。原因主要是因?yàn)槌菂^(qū)人口密集，城市建筑和道路吸收熱量大，城市熱島效應(yīng)顯著，而熱島效應(yīng)產(chǎn)生的局地氣候環(huán)境，易觸發(fā)地閃活動(dòng)的發(fā)生。夜間郊區(qū)與城區(qū)地表溫度經(jīng)輻射降溫形成一定溫差，熱島抬升作用明顯，容易形成雷暴云，進(jìn)而引發(fā)雷電。耕地和水體附近的土壤電阻率較低，而雷擊的發(fā)生具有一定的選擇性，極易發(fā)生在土壤電阻率較低的區(qū)域。

圖6 地閃密度和雷電流幅值在各土地覆蓋類(lèi)型上的均值Fig.6 Mean value of lightning density and lightning current amplitude of different land cover types

雷電流幅值最大值位于林地，主要是因?yàn)殚L(zhǎng)沙地區(qū)林地一般分布在海拔較高的地區(qū)，例如瀏陽(yáng)地區(qū)的大圍山等，與李政等［12］研究的雷電流幅值與海拔高度呈正相關(guān)結(jié)論相符合。在五種土地覆蓋類(lèi)型中，城鎮(zhèn)建設(shè)用地上的地閃密度平均值最大，但雷電流強(qiáng)度卻比較小，主要是因?yàn)槌菂^(qū)熱島效應(yīng)明顯，有利于雷電活動(dòng)的發(fā)生，但城鎮(zhèn)地面多為不滲透層，含水量較低，這也印證了雷電流與空氣中的水汽含量有關(guān)，地面輸送的水汽越多，對(duì)流云對(duì)地的電場(chǎng)強(qiáng)度就越大，雷電流強(qiáng)度就越大。

表4給出了各土地覆蓋類(lèi)型上地閃平均強(qiáng)度所占百分比?？梢钥闯?，各土地覆蓋類(lèi)型上發(fā)生的地閃均主要集中在10～60kA，所占比例依次為城鎮(zhèn)建設(shè)用地87.13%、水體86.98%、耕地86.05%、草地86.02%以及林地81.94%。60k A以上的地閃變化與10～60kA相反；60kA以上的地閃發(fā)生在林地上的比例最大，說(shuō)明高海拔地區(qū)的林地較易發(fā)生強(qiáng)地閃；200～500kA的強(qiáng)地閃在草地上沒(méi)有發(fā)生。

表4 各土地覆蓋類(lèi)型上地閃強(qiáng)度平均占比Tab.4 The average percentage of lightning intensity of different land cover types

3.2 土地覆蓋類(lèi)型與地閃的相關(guān)性分析

應(yīng)用SPSS軟件分別計(jì)算地閃頻次對(duì)數(shù)和平均電流強(qiáng)度與土地覆蓋類(lèi)型因子占地面積的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表5。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，耕地占地面積與地閃頻數(shù)、平均電流強(qiáng)度之間存在明顯的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別為0.689、－0.669，P值分別為0.028、0.034，通過(guò)了顯著性水平0.05的檢驗(yàn)，其他土地覆蓋類(lèi)型因子占地面積與地閃頻數(shù)和平均電流強(qiáng)度的相關(guān)性不顯著。經(jīng)線(xiàn)性擬合，地閃頻數(shù)和平均電流強(qiáng)度和耕地占地面積的相關(guān)方程如下：

表5 地閃頻數(shù)和地閃強(qiáng)度與土地覆蓋類(lèi)型因子相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis of the frequency and intensity of lightning and the factors of land cover type

式中，A為耕地占地面積（km2）；NI為地閃頻數(shù)；NNg為地閃強(qiáng)度（kA）。

長(zhǎng)沙地區(qū)的耕地多以水田為主，土壤含水量較高，因此，地面向空中輸送的水汽較多，而水汽輸送的越多就越有利于雷電的發(fā)生。

4 結(jié)論

利用2009—2018年長(zhǎng)沙地區(qū)的土地覆蓋資料及閃電定位資料，分析了土地覆蓋類(lèi)型與雷電的相關(guān)性，得到以下結(jié)論：

（1）長(zhǎng)沙地區(qū)地閃活動(dòng)主要集中春夏兩季，秋冬季節(jié)幾乎沒(méi)有閃電活動(dòng)發(fā)生，其中5—8月占比最多，平均地閃密度最大值位于長(zhǎng)沙市區(qū)內(nèi)。

（2）長(zhǎng)沙地區(qū)各土地覆蓋類(lèi)型上的地閃均以負(fù)地閃為主，且各土地覆蓋類(lèi)型上的總閃電頻數(shù)與地表類(lèi)型占地面積呈正比關(guān)系。

（3）各覆蓋類(lèi)型上的地閃活動(dòng)均主要集中在6—8月，除草地上地閃活動(dòng)呈現(xiàn)“雙峰單谷”型外，其他類(lèi)型上均呈現(xiàn)出“單峰”型變化特征；土地覆蓋類(lèi)型對(duì)地閃活動(dòng)的季節(jié)分布影響不明顯。

（4）各土地覆蓋類(lèi)型上的地閃活動(dòng)呈單峰型變化特征，主要集中在午后及傍晚時(shí)段。耕地、林地及城鎮(zhèn)建設(shè)用地上的地閃活動(dòng)呈較均勻變化，水體和草地上的地閃日變化波動(dòng)較劇烈。

（5）城鎮(zhèn)建設(shè)用地上的雷電活動(dòng)最活躍，平均地閃密度值最大。平均地閃密度較高的土地覆蓋類(lèi)型其雷電流強(qiáng)度卻相對(duì)較弱，平均雷電流強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域其地閃密度反而較低。

（6）耕地占地面積與地閃頻數(shù)對(duì)數(shù)和平均電流強(qiáng)度成正相關(guān)的關(guān)系，即地閃頻數(shù)對(duì)數(shù)隨著耕地面積的增多而增多，隨著耕地面積的減少而減少；平均電流強(qiáng)度隨著耕地面積的增多而降低，隨著面積的減少而增大。