基于SRMT的重庆市地闪空间分布特征分析
李卫平，赵生昊，易小萍，廖 路
(1.重庆市防雷中心，重庆 401147；
2.重庆市气象安全技术中心，重庆 401147)
雷电在时空分布上具有随机性、突发性，对其发生的时空进行精确预测和精准防御较为困难，但在统计数据方面，雷电的时空分布又具有一定的规律性。文章对地闪的时空分布特征进行了研究，为进一步掌握雷电活动规律，减少雷电灾害造成的损失提供借鉴[1-3]。目前，闪电定位系统广泛应用于闪电活动探测中，其时空分辨力较高，已经成为闪电活动研究的主要数据来源，周筠珺、王学良、卢友发、冯桂力[4-9]等学者分别利用不同类型的闪电定位资料对京津冀、湖北、河南、山东等地区的闪电时间分布特征进行了研究；
随着遥感技术和互联网的发展，对闪电空间分布特征进行精确研究也变得可行。郄秀书[10]等利用星载闪电探测系统获取的定位资料对一些典型地区的闪电活动进行了对比，认为不同地区的闪电活动在闪电频数或强度方面都有很大的差别；
李家启[11]等利用1999—2008年重庆地闪定位资料分析了丘陵山区(海拔≥800 m)的闪电分布特征，表明负闪频次明显高于正闪频次，且闪电频次随着海拔上升而逐渐减少。
文章对重庆市地闪的立体空间分布特征进行研究，并重点关注了危害较大的强地闪、特强地闪分布规律，对山区防雷、林区防雷击火等工作具有一定的参考和借鉴意义。
1.1 研究区概况
重庆市地处川渝盆地东南丘陵山地、长江上游地带，境内地形条件复杂，起伏变化大，西部、北部与四川盆地接壤、东北部与秦岭、大巴山地相连，南依云贵高原，地势北部、东部、南部高，中部、西部低。气候属东亚内陆季风区，冬季受东北季风控制，夏季受西南季风影响，特殊的地理位置、地形特征和植被分布不均等因素使得该地区气候特点突出，气象灾害复杂多样[12]。重庆市年平均降水量约1，125.3 mm，降雨时段主要集中在5—9月，且夜间降雨较多[13]，同时，重庆也是雷暴活动较为频繁的地区之一，2008—2021年重庆市雷电监测网年均监测地闪接近20万次，年均闪电密度2.43次/(km2·a)。
1.2 闪电定位数据
文章采用重庆市闪电定位系统地闪定位资料，时间跨度为2010—2019年。重庆市闪电定位系统于2007年建成，由第2代ADTD闪电定位仪、中心数据处理站、用户数据服务网络及图形显示终端组成，其观测网络由重庆市的5个监测站和临近省份的10个监测站组成(图1)，实现了对全市范围地闪时间、位置、强度和极性的不间断监测。2010—2019年，重庆市ADTD闪电定位网络共记录地闪2，217，433次，考虑到ADTD定位资料中可能存在的云闪干扰，将10 kA以下个例剔除，最终确定地闪总数为2，208，227次，其中负闪2，125，498次，正闪82，729次。
图1 研究区及ADTD站点分布
1.3 数字高程数据
SRTM数据由美国国家航空航天局和国家空间信息情报局自2003年开始发布，其平面精度达到±20 m，高程精度为±16 m。文章采用的SRTM V4版本数据分辨力为90 m，各图幅之间数据均为无缝拼接[14]。数字高程数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心。
2.1 空间密度分布
为分析重庆市地闪的空间分布，将闪电定位资料中WGS84地理坐标转换为横轴墨卡托投影坐标系(EPSG：3857)，以4 km×4 km网格绘制闪电频次二维直方图，得到2010—2019年重庆市地闪的空间累积分布[15]。
重庆市地闪密度在空间分布上差异较为显著，绝大部分地区地闪累积密度在20次/km2以下，地闪累积密度高值区(超过40次/km2)主要分布在渝西的荣昌与大足西部、重庆主城区、渝东北的忠县与石柱交界处和渝东北的开州、万州、云阳交界一带，主城区地闪累积密度最大，超过了125次/km2。结合重庆地貌特征，渝西地区以川东平行谷岭的丘陵地形为代表，海拔普遍在500 m以下，下垫面以水网、稻田等为主，水热条件较好，易形成雷暴天气；
重庆主城区因城市热岛效应明显，郊区地表经过夜间辐射降温与城区热岛形成温差，热岛抬升作用凸显，较易形成雷暴云，从而引发夜间闪电；
忠县南部位于挖断山与方斗山之间，开州、万州、云阳交界处位于方斗山与七曜山之间，均为长江河谷地带，特殊的地形条件导致地面热量聚集，加上充沛的水汽条件，使其成为闪电高发区。
按照闪电的峰值电流区分强度等级(表1)。强闪电、特强闪电因其能量巨大，造成的危害往往更加严重，应给予更多的关注和研究。
表1 闪电强度等级划分
通过分析重庆市各强度等级地闪的空间分布，可以得出轻度地闪密度分布有3个明显的高值区域，分别为主城区、忠县南部与石柱交界处和开州、万州、云阳交界一带；
中度地闪高值区与总闪高值区较相似；
强地闪高值区主要分布于渝西、长江河谷地带；
特强闪电高值区集中在渝西。与图1对比发现，4个密度高值地区中，荣昌与大足南部主要以中度和强地闪为主；
主城区总闪电密度最高，但多以轻中度地闪为主；
忠县与石柱交界处、渝东北的开州、万州、云阳交界一带以轻、中度闪电为主，强闪电也较为多发。
进一步分析强地闪和特强地闪分布情况，根据SRTM数据制作了山体阴影图，并与强地闪、特强地闪空间累积密度图进行叠加，得出强闪电与特强闪电的密度高值区域(≥12次/km2)主要分布于长江河谷地带且与山脉分布走向高度吻合，山谷内特殊立体小气候是强闪电发生的有利因素。根据赵生昊[16]等的研究结论，强地闪在林木地区发生的概率高于其他地表覆盖类型，具体原因有待结合山脉坡度与归一化植被指数等做进一步研究。
2.2 各海拔区间的密度分布
将覆盖重庆范围的4景SRTM数字高程数据拼接并矢量化后，与ADTD闪电定位数据进行叠加，得到闪击点的海拔。以100 m为区间将各高度区间地闪频次进行统计，得出300～400 m海拔地闪频次最多，密度最大，达到25.70 次/km2，400 m之后随着海拔增加，地闪密度呈下降趋势。
为消除各海拔区间面积对闪电密度的影响，计算各海拔区间的闪电相对密度差，将某海拔区间的闪电相对密度差Dr定义如下：
(1)
式中，S为该海拔区间区域面积；
St为研究区总面积；
T为该海拔区间内的地闪电频次；
Tt为研究区内总地闪频次。闪电相对密度差反映了闪电的活跃程度，如Dr=0表示其活跃程度处于平均水平；
Dr>(<)0时，表明该海拔区间上的闪电活跃程度较高(低)。
图2为2010-2019年重庆市各海拔区间Dr以及正、负闪平均强度对比，可以发现，负闪的相对密度差与总闪基本一致。在100～600 m高度，其活跃程度大于平均值，随海拔的增加其活跃程度逐渐下降；
正闪在1200 m以下活跃程度低于平均值，但随着海拔的增加活跃程度逐渐升高。
图2 重庆市各海拔区间地闪分布
平均强度方面，任意海拔正地闪平均强度均明显大于负地闪；
在0～300 m，正、负地闪平均强度随海拔增加而明显增大。300 m以上正、负地闪的平均强度变化均不大。对各海拔与正、负闪平均强度进行相关性分析，正闪平均强度与海拔的相关系数γ为-0.15，显著性差异ρ为0.45；
负闪平均强度与海拔的相关系数γ为-0.17，显著性差异ρ为0.39；
表明无论正闪还是负闪，其平均强度与海拔均无明显线性关系。
文章通过对2010-2019年重庆地闪定位数据的分析，总结出重庆市地闪空间分布具有以下特征：
1)地闪分布有4个高密度中心：一是荣昌与大足南部；
二是重庆主城区；
三是忠县与石柱交界处；
四是开州、万州、云阳交界一带。强地闪高值区主要分布在渝西、长江河谷地带，特强闪电高值区集中在渝西，总体与山脉分布走向吻合。
2)从海拔来看，地闪密度在300～400 m最大，400 m以上随海拔增加呈下降趋势。
3)正、负地闪的平均强度与海拔关系不显著，负闪的活跃程度随海拔的增加波动下降，但平均强度较高的正闪活跃性随着海拔升高波动增加。
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