胡亞男， 陶世銀， 龔梅竹， 金 欣， 劉曉燕， 王玉娟

(1.青海省氣候中心，西寧 810001； 2.青海省氣象服務(wù)中心，西寧 810001；3.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西寧 810001)

引 言

雷暴天氣生成及其分布特征不僅與天氣背景條件有關(guān)，同時(shí)與地理環(huán)境密切相關(guān)[1]。由于地理環(huán)境的多樣性，閃電在不同下墊面上產(chǎn)生發(fā)展的機(jī)制隨之不同，從而導(dǎo)致了地閃的強(qiáng)度差異，表現(xiàn)為地閃活動(dòng)的地域性差異明顯[2-3]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，陸地遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地理環(huán)境特征對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行精確深入研究變得可行。劉海兵等[4]利用Landsat數(shù)據(jù)分析，得到江西省不同地表覆蓋類型上的不同雷電活動(dòng)特征，最活躍區(qū)域在城鄉(xiāng)建設(shè)用地、水域和未利用土地3類地表中所占比例較大。趙生昊等[5]利用30 m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)，對(duì)閃電密度、閃電強(qiáng)度分別與海拔高度、坡度、坡向3類地形因素間的關(guān)系進(jìn)行了分析。潘健等[6]利用MODIS地表反射率產(chǎn)品，對(duì)江蘇省雷電強(qiáng)度等級(jí)與土地利用類型的關(guān)系進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，林地對(duì)于雷電強(qiáng)度等級(jí)的空間分布影響最大。Rose等[7]對(duì)格魯吉亞和亞特蘭大地區(qū)地閃分布特征進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，地閃空間分布差異與土地利用類型存在密切的相關(guān)性。上述研究主要分析了低海拔平原地區(qū)不同下墊面對(duì)地閃空間分布的影響，但是具體到內(nèi)陸高原地區(qū)不同下墊面間地閃空間分布特征差異方面的研究較為鮮見。而青藏高原在地形和熱力條件的影響下，閃電活動(dòng)具有獨(dú)特性。衛(wèi)星資料表明，青藏高原地區(qū)是全球雷電活動(dòng)最為活躍的地區(qū)之一[8]，尤其在夏季雷暴活動(dòng)十分頻繁，強(qiáng)雷暴發(fā)生頻次是同緯度平原城市的3～5倍[9]。

此外，隨著全球城市化進(jìn)程進(jìn)入空前快速的階段，城市化引起的熱島效應(yīng)已成為影響地閃分布特征的重要因素[10-13]。西寧市位于青藏高原東北部，是青藏高原最大的城市，更是青海省省會(huì)。現(xiàn)有研究表明，西寧市城市熱島面積自2011年日益增加[14]，夏季高溫頻繁出現(xiàn)，對(duì)流活動(dòng)有增強(qiáng)的趨勢(shì)，常出現(xiàn)雷電、短時(shí)強(qiáng)降水等災(zāi)害天氣[15]。因此，西寧市城市熱島發(fā)展與地閃空間分布間的關(guān)系特征同樣值得研究。本文利用遙感影像及ADTD閃電定位儀數(shù)據(jù)，基于地表覆蓋類型和局地?zé)釐u強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，分析了地理環(huán)境特征對(duì)西寧市區(qū)的雷電活動(dòng)規(guī)律的影響，為西寧市區(qū)開展防雷減災(zāi)工作與制定合理的防雷措施提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示，研究區(qū)域?yàn)槲鲗幨惺袇^(qū)范圍，其包括城東、城西、城北及城中4個(gè)城區(qū)。研究區(qū)地勢(shì)由西北向東南傾斜，地形由丘陵、山地和沖積平原組成，地表覆蓋類型復(fù)雜多樣。西寧屬高原大陸性干旱、半干旱氣候。根據(jù)西寧市氣象站點(diǎn)1981-2010年統(tǒng)計(jì)，年均降水量為351.7 mm，年均氣溫為5.4 ℃，年均雷暴日數(shù)為27.6天[16]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.2.1 閃電定位資料

本文采用2013-2017年西寧市ADTD閃電定位儀所取得的閃電定位資料。考慮到ADTD閃電定位資料中可能存在具有小峰值電流(<10 kA)的云閃數(shù)據(jù)[17]，故剔除資料中強(qiáng)度小于10 kA的正地閃個(gè)例。

圖1 研究區(qū)域分布圖

1.2.2 地表覆蓋類型資料

地表覆蓋類型資料來源于Landsat數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)至今已累積40多年全球范圍的長時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的連續(xù)性使長時(shí)序地表覆蓋分類和地表覆蓋變化研究成為可能[18]。本文采用2013-2017年30 m分辨率Landsat 數(shù)據(jù)，利用ENVI軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射校正與幾何校正等預(yù)處理，采用隨機(jī)森林分類法將研究區(qū)地表覆蓋類型分為6大類，分別為耕地、林地、草地、水體、不透水地表及未利用土地。由于研究區(qū)內(nèi)未利用土地面積占比極小，本文只選取耕地、林地、草地、水體和不透水地表5種地表覆蓋類型進(jìn)行研究。

1.2.3 MODIS地表溫度資料

地表溫度資料利用2013-2017年MODIS地表溫度產(chǎn)品(MYD11A1)，區(qū)域標(biāo)識(shí)為h26v05，該數(shù)據(jù)為8天合成數(shù)據(jù)，分辨率為1 km，一年共有48期產(chǎn)品[19]。本文使用MRT軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、拼接重投影等預(yù)處理，然后利用西寧市區(qū)行政邊界進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 不同地表覆蓋類型上的地閃數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用ArcGIS對(duì)研究區(qū)地表覆蓋類型柵格圖像進(jìn)行矢量化后疊加地閃數(shù)據(jù)，通過地閃發(fā)生位置的經(jīng)緯度，在地表覆蓋類型圖中獲取地閃對(duì)應(yīng)的土地利用類型，最后統(tǒng)計(jì)逐年各類地表覆蓋面積上的地閃頻次，得到地閃在不同年份各地表覆蓋類型上的分布特征。

1.3.2 地閃相對(duì)密度差

為消除面積大小對(duì)地閃密度的影響，先逐年計(jì)算不同地表覆蓋類型上的地閃相對(duì)密度差[20]，之后求得2013-2017年各覆蓋類型上地閃相對(duì)密度差的平均值。地閃相對(duì)密度差計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Dr為研究區(qū)地閃相對(duì)密度差；S為地表覆蓋類型面積，Si為研究區(qū)總面積；F為該覆蓋類型上的地閃頻次，F(xiàn)i為研究區(qū)地閃總頻次。

1.3.3 局地?zé)釐u強(qiáng)度

熱島強(qiáng)度是度量熱島狀況的重要指標(biāo)。本文引入局地?zé)釐u強(qiáng)度以反映研究區(qū)每一個(gè)像元的熱島強(qiáng)度[21]。其公式如下：

TLST=0.02×BLST-273.15

(2)

式中，TLST為研究區(qū)像元地表溫度，BLST為像元亮度值。研究區(qū)像元的局地?zé)釐u強(qiáng)度為

(3)

式中，IUHI為研究區(qū)像元的局地?zé)釐u強(qiáng)度，T為研究區(qū)像元的地表溫度，Tmean為研究區(qū)平均地表溫度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 研究區(qū)內(nèi)地閃時(shí)空分布特征

2.1.1 研究區(qū)內(nèi)地閃時(shí)間分布特征

2013-2017年西寧市市區(qū)共發(fā)生閃電1814次，集中分布于7-9月。該時(shí)段地閃頻次占全年總數(shù)的71.71%，其中8月地閃活動(dòng)最頻繁，達(dá)1100 次，10月份之后地閃活動(dòng)逐漸減少，見圖2(a)。圖2(b)為西寧市區(qū)地閃逐時(shí)分布圖。如圖2(b)所示,西寧市區(qū)地閃逐時(shí)分布大致呈雙峰雙谷型，總地閃與負(fù)地閃主要集中于17-20時(shí)。其原因是午后劇烈的太陽輻射使大氣動(dòng)力與熱力條件逐漸累積，對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)，從而導(dǎo)致傍晚地閃活動(dòng)頻繁；20時(shí)以后，隨著能量逐漸釋放，溫度降低，地閃頻次也隨之減少。

圖2 研究區(qū)地閃逐月分布(a)和逐時(shí)分布(b)總地閃：CG,負(fù)地閃：-CG,正地閃：+CG

2.1.2 研究區(qū)內(nèi)地閃空間分布特征

圖3(a)為西寧市區(qū)1 km×1 km 網(wǎng)格的地閃密度分布圖。從圖3(a)中可以看出,西寧市區(qū)年均地閃密度為0.75 次/km2·a，城北區(qū)北部、城中區(qū)東南部、城西區(qū)西南部及城東區(qū)東北部的地閃活動(dòng)頻繁。其地閃高密度區(qū)分別分布在各城區(qū)的邊緣地帶，年均地閃密度值均在1.5 次/km2·a左右；地閃密度低值區(qū)主要集中于西寧市區(qū)中心地帶，呈帶狀分布。

地閃強(qiáng)度反映了研究區(qū)地閃電流幅值的大小。西寧市區(qū)地閃以輕中度地閃為主，地閃強(qiáng)度絕對(duì)值集中分布在0 ～ 30 kA?？臻g分布呈自北向南遞增后減弱的趨勢(shì)，地閃強(qiáng)度高值區(qū)主要分布于城西區(qū)東部、城中區(qū)北部及城東區(qū)東北部，而地閃活動(dòng)頻繁的城北區(qū)，其地閃強(qiáng)度卻相對(duì)較小，絕對(duì)值僅在 8～17 kA，見圖3(b)。

2.2 不同地表覆蓋類型對(duì)研究區(qū)地閃分布的影響

2.2.1 研究區(qū)內(nèi)各地表覆蓋類型分布情況

通過研究區(qū)地表覆蓋類型圖(圖4)可以看出，耕地主要分布在城西區(qū)西部與城中區(qū)南部，林地集中于城西區(qū)，而草地在各城區(qū)均有分布，不透水地表沿湟水流域呈帶狀分布。利用ArcGIS對(duì)地表覆蓋類型圖進(jìn)行矢量化后計(jì)算得到每種覆蓋類型的面積(表1)。從表1可以看出，西寧市區(qū)以不透水地表為主，草地與林地的次之，耕地與水體面積較小。2013-2017年間耕地與林地面積逐漸減小，而草地、水體及不透水地表呈現(xiàn)不斷擴(kuò)張趨勢(shì)。

圖3 研究區(qū)地閃密度(a)和強(qiáng)度(b)空間分布

圖4 2017年研究區(qū)地表覆蓋圖

表1 研究區(qū)內(nèi)各地表覆蓋類型面積 km

2.2.2 不同地表覆蓋類型上地閃空間分布特征

地表由于覆蓋類型不同，其受熱程度也不同，而地表的溫度差異是誘發(fā)對(duì)流天氣的原始因素[22]。不同地表覆蓋類型上的地閃分布特征存在顯著差異(圖5)，不透水地表類型上的年均地閃相對(duì)密度約高于平均值的23.79%，在地表覆蓋類型中地閃相對(duì)密度最高。這是因?yàn)槭袇^(qū)建筑物眾多，且受人類活動(dòng)影響較大，地表溫度相對(duì)較高，易出現(xiàn)城市熱島效應(yīng)，有利于雷暴的產(chǎn)生。此外，人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠也會(huì)促進(jìn)對(duì)流發(fā)展，從而形成雷電[11]。水體的年均地閃相對(duì)密度也相對(duì)較高，與鄭棟等[23]對(duì)北京及其周邊地區(qū)閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果一致。分析其原因，可能是水體上方水汽供應(yīng)充足，在充足的熱力條件下對(duì)應(yīng)位置上更易于雷暴的形成[24]，因此閃電活動(dòng)與下墊面的水汽條件關(guān)系密切。研究區(qū)內(nèi)耕地年均地閃相對(duì)密度相對(duì)較高的原因是其一般分布于水體附近，受到太陽輻射的影響，水體與陸地的增溫效果出現(xiàn)差異，在水體附近區(qū)域產(chǎn)生上升氣流，因此在水體周圍的耕地發(fā)生雷暴的概率就相對(duì)較大。

為進(jìn)一步研究不同強(qiáng)度的地閃在不同地表覆蓋類型上的分布特征，根據(jù)青海省地方標(biāo)準(zhǔn)《氣象災(zāi)害分級(jí)指標(biāo)》，將西寧市區(qū)地閃強(qiáng)度分為3個(gè)等級(jí)，分別為輕度地閃(0-20 kA)，中度地閃(21-40 kA)及強(qiáng)地閃(>40 kA)。此外，由于電流幅值較大的地閃更易導(dǎo)致雷災(zāi)[25]，本文進(jìn)一步研究了電流幅值絕對(duì)值在50 kA以上的地閃特征。為便于表述，在下文中將電流幅值絕對(duì)值大于50 kA的地閃統(tǒng)稱為大電流地閃。圖5為輕中度、強(qiáng)地閃及大電流地閃在不同地表覆蓋類型上的年均地閃相對(duì)密度。從圖5可以看出，水體與林地類型上的強(qiáng)地閃相對(duì)密度較高，這與趙生昊等[20]對(duì)重慶市地閃分布特征與地表覆蓋種類的關(guān)系研究結(jié)果相一致。水體由于電阻率較低，更有利于閃電的形成。根據(jù)李家啟[26]的研究，雷電流幅值隨著海拔的上升而增大，而林地一般分布于海拔較高的區(qū)域，因此林地類型上更易發(fā)生閃電。雖然不透水地表類型上強(qiáng)地閃與輕中度地閃年均相對(duì)密度均大于其他覆蓋類型的地閃相對(duì)密度，但其大電流地閃的年均相對(duì)密度反而為5種覆蓋類型中最低的，說明西寧市區(qū)不透水地表上的年均地閃相對(duì)密度雖較高，但造成雷災(zāi)的可能性較小。

圖5 不同地表覆蓋類型的地閃相對(duì)密度分布圖

2.2.3 不同地表覆蓋類型上地閃季節(jié)分布特征

西寧市區(qū)地閃主要集中發(fā)生在夏、秋2季，分別占總地閃的80.60%和16.87%，春季發(fā)生的地閃僅占總地閃的1.82%，冬季地閃頻次極少，見圖2(a)。因此，僅對(duì)春、夏、秋3季不同地表覆蓋類型上的地閃分布特征進(jìn)行分析。圖6為地閃相對(duì)密度季節(jié)分布圖。由圖6可以看出，在春季，不同地表覆蓋類型上的地閃相對(duì)密度分布較為相近，無顯著差異，這說明春季地閃活躍程度與地表覆蓋類型間無明顯相關(guān)關(guān)系。夏、秋兩季，不同地表覆蓋類型上的地閃相對(duì)密度具有明顯差異，不透水地表與水體上地閃相對(duì)密度在兩季中均較其他覆蓋類型的高。此外，值得關(guān)注的是草地在夏季的地閃相對(duì)密度為5種覆蓋類型中的最低，而到了秋季其覆蓋類型的地閃相對(duì)密度逐漸升高，這可能是因?yàn)榍锛静莸乜蔹S，植被覆蓋率減少，反射率隨之下降[27]，致使云層上下發(fā)生熱力差異，為形成不穩(wěn)定的大氣層結(jié)提供了更適宜的條件。

圖6 不同地表覆蓋類型的地閃相對(duì)密度季節(jié)分布圖

2.2.4 不同地表覆蓋類型上地閃晝夜分布特征

以北京時(shí)20時(shí)為晝夜界限。西寧市區(qū)2013-2017年晝間共發(fā)生地閃1084次，占總地閃的59.76%，夜間發(fā)生地閃703次，占總地閃的40.27%。因此，西寧市地閃分布特征為晝間主導(dǎo)型。王東方等[28]對(duì)北京地區(qū)閃電時(shí)空分布特征的研究表明，形成晝間主導(dǎo)型的主要原因是隨著太陽高度角增加，輻射加熱增強(qiáng)，熱力條件充沛，有利于對(duì)流的發(fā)展，晝間閃電活動(dòng)逐漸活躍；而入夜后隨著熱力條件和不穩(wěn)定能量減弱，閃電活動(dòng)迅速下降。西寧市海拔較高，雷暴云底離地高度較低，由于太陽短波輻射與地表長波輻射對(duì)雷暴云的加熱,促使晝間形成較強(qiáng)的上升氣流,導(dǎo)致熱力對(duì)流旺盛,易產(chǎn)生雷暴；而夜間氣溫下降幅度大，且云層稀薄，空氣垂直運(yùn)動(dòng)大大減弱，無法為對(duì)流天氣提供熱力條件，因此閃電活動(dòng)減弱。

不同地表類型年均晝夜地閃相對(duì)密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖7。由圖7可看出，不透水地表上的地閃晝夜相對(duì)密度均高于平均值；水體上的年均地閃相對(duì)密度晝間的高于平均值，夜間的則相反；林地上晝間地閃相對(duì)密度較平均值偏低，夜間的則較平均值高出3.56%。根據(jù)張祎[29]的土地利用變化對(duì)地表溫度影響的研究結(jié)果，不同地表覆蓋類型的比熱容與土地利用類型之間存在相關(guān)性。林、草地的比熱容大于耕地的，水體的比熱容大于陸地的。不透水地表的比熱容為5種地表覆蓋類型中最小的，晝夜溫度變化幅度大，云層上下熱力差異隨之增大，有利于對(duì)

圖7 西寧市區(qū)地閃相對(duì)密度晝夜分布圖

流的產(chǎn)生；水體由于其比熱容的原因，晝夜溫度變化幅度平緩，云層上下熱力差異小，夜間不易發(fā)生雷暴；林地的比熱容較大，夜間溫度下降緩慢，導(dǎo)致夜間云頂與云底的氣溫分布不均，為夜間閃電的發(fā)生提供了有利條件。

2.3 晝夜局地?zé)釐u強(qiáng)度對(duì)研究區(qū)地閃分布的影響

熱島的抬升作用也會(huì)使對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)[30]。為更好地研究不同地表覆蓋類型上的地閃分布特征，有必要結(jié)合局地?zé)釐u強(qiáng)度進(jìn)行更深入的分析。西寧市區(qū)晝間局地?zé)釐u強(qiáng)度與地閃密度分布特征如圖8所示。由圖8(a)可知，西寧市區(qū)城東區(qū)、城西區(qū)、城北區(qū)與城中區(qū)均出現(xiàn)了局地?zé)釐u強(qiáng)度高值區(qū)，但范圍較小且分布零散。城東區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、城西區(qū)海湖新區(qū)與西寧鋼鐵集團(tuán)、城北區(qū)高科技生物園區(qū)及城中區(qū)城南新區(qū)的局地?zé)釐u強(qiáng)度都達(dá)到了強(qiáng)熱島程度。對(duì)比地閃密度分布特征發(fā)現(xiàn)(圖8b)，密度高值區(qū)主要分布于強(qiáng)熱島向弱熱島的過渡區(qū)，說明局地?zé)崃Σ町愂抢纂姰a(chǎn)生的條件之一。此外，地閃密度高值區(qū)還分布在城西區(qū)西寧鋼鐵集團(tuán)、城北區(qū)高科技生物園區(qū)等工業(yè)園區(qū)所在區(qū)域，這可能是因?yàn)檫@些區(qū)域大氣污染物相對(duì)較多，形成人為氣溶膠，氣溶膠大量吸收地面輻射，使大氣熱量增加，這種加熱作用使大氣不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生對(duì)流天氣和雷電。

圖8 西寧市區(qū)晝間局地?zé)釐u強(qiáng)度(a)與地閃密度(b)分布圖

圖9為西寧市區(qū)夜間局地?zé)釐u強(qiáng)度與地閃密度分布圖。對(duì)比西寧市區(qū)晝間局地?zé)釐u強(qiáng)度與地閃密度分布特征發(fā)現(xiàn)，西寧市區(qū)夜間局地?zé)釐u強(qiáng)度明顯下降，白天位于城西區(qū)西寧鋼鐵集團(tuán)、城北區(qū)高科技生物園區(qū)及城中區(qū)城南新區(qū)的局地?zé)釐u消失(圖9a)，該區(qū)域?qū)?yīng)的地閃密度高值區(qū)也隨之消失(圖9b)。而城東區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的局地?zé)釐u強(qiáng)度加強(qiáng)且范圍增大，其所在區(qū)域的地閃密度也隨之增加。對(duì)比圖3 研究區(qū)地表覆蓋類型圖可以看出,城東區(qū)以城市下墊面的不透水地表覆蓋類型為主，草地覆蓋率也極高，與不透水地表面積幾乎相等，此外城東區(qū)內(nèi)湟水河水系覆蓋，形成了城東區(qū)良好的水汽條件，因此當(dāng)城東區(qū)夜間局地?zé)釐u強(qiáng)度增大時(shí)，地閃活動(dòng)也隨之增強(qiáng)。

圖9 西寧市區(qū)夜間局地?zé)釐u強(qiáng)度(a)與地閃密度(b)分布圖

3 結(jié) 論

本文利用Landsat數(shù)據(jù)、MODIS地表溫度產(chǎn)品及ADTD閃電定位資料，分析了研究區(qū)內(nèi)地表覆蓋類型、局地?zé)釐u強(qiáng)度對(duì)地閃分布特征的影響，得到以下結(jié)論：

(1)不同地表覆蓋類型上的地閃分布存在明顯差異，在不透水地表與水體類型上的年均地閃相對(duì)密度相對(duì)較高，地閃活動(dòng)較為頻繁。

(2)不透水地表類型上強(qiáng)地閃與輕中度年均地閃相對(duì)密度均大于其他覆蓋類型的，強(qiáng)地閃與大電流地閃易發(fā)生在水體與林地類型上。

(3)春季，地閃活躍程度在不同地表覆蓋類型間無顯著差異；而夏、秋兩季，不同地表覆蓋類型上的地閃相對(duì)密度差異明顯。

(4)地閃活動(dòng)在不同的地表覆蓋類型上晝夜分布差異明顯，其中水體類型上晝間地閃活動(dòng)較為活躍，林地類型上夜間地閃活動(dòng)頻繁。

(5)不同地表覆蓋類型上的地閃分布與晝夜局地?zé)釐u強(qiáng)度空間分布特征間存在較好的關(guān)聯(lián)性，夜間局地?zé)釐u強(qiáng)度增大對(duì)夜間地閃增強(qiáng)起主導(dǎo)作用。