魏 慶,周 威,謝亞雄,張 偉,段 煥

(1.四川省防雷中心,成都 610072;2.四川省氣象臺,成都 610072;3.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610072)

0 引言

閃電的發(fā)生發(fā)展與大氣的溫度、壓強(qiáng)、濕度以及降水等氣象要素密切相關(guān),而溫度和濕度是氣象觀測最基本的要素,許多學(xué)者就閃電與溫濕度的相關(guān)性做了大量的研究和模擬試驗(yàn)。

研究發(fā)現(xiàn)閃電活動對地面溫度和相對濕度有較為靈敏的響應(yīng),Price等[1]利用大氣環(huán)流模式得出全球閃電活動對全球范圍內(nèi)地面氣溫季度平均值的年際變化都有靈敏的正響應(yīng);馬明等[2]指出在年際時(shí)間尺度上,全球總閃率對全球地表溫度的變化同樣是正響應(yīng),靈敏度為(17±7)%/K;Williams[3]通過對氣象資料和舒曼共振反演獲得的閃電資料的對比分析發(fā)現(xiàn),月平均閃電密度與濕球溫度的季節(jié)變化有較好的一致性,閃電活動隨地面濕球溫度的增加呈近似線性增加;熊亞軍等[4]利用全球閃電資料和NCEP再分析資料研究了區(qū)域閃電密度對地面相對濕度的響應(yīng),指出在相對濕度較大的地區(qū),相對濕度的增加不利于閃電活動的發(fā)生,在相對濕度較小的地區(qū),相對濕度的增加有利于閃電活動的發(fā)生;袁湘玲等[5]指出70%RH～90%RH為閃電易發(fā)濕度區(qū)間,在閃電密度與濕度相關(guān)度高的區(qū)域,閃電更趨于集中發(fā)生在閃電易發(fā)濕度區(qū)間;柴賈然[6]分析了閃電強(qiáng)度與溫濕度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)閃電強(qiáng)度大于或小于60 kA時(shí)地面與高空的平均溫度無顯著性差異,但與地面及高空的相對濕度均存在顯著性差異。

雷暴發(fā)生的三要素是水汽、大氣層結(jié)不穩(wěn)定和抬升觸發(fā)條件[7]。溫度和濕度(即能量和水汽條件)是影響雷暴發(fā)生發(fā)展的重要因素之一,開展閃電特征與溫度、濕度的相關(guān)性研究,對了解閃電活動規(guī)律有較高的價(jià)值。四川省地形復(fù)雜,海拔高差顯著,氣候類型多樣,閃電區(qū)域性特征差異明顯[8-10]。目前針對四川省閃電特征與溫度、濕度的相關(guān)性研究極少,所以開展相關(guān)的研究工作對進(jìn)一步認(rèn)識和了解四川省閃電的活動規(guī)律有積極意義,能夠?yàn)榉览诇p災(zāi)提供指導(dǎo),為閃電監(jiān)測預(yù)警、預(yù)報(bào)提供背景支撐。

1 資料和方法

四川省閃電資料通過ADTD閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)組網(wǎng)探測獲取,該系統(tǒng)平均探測效率為90%,單站探測范圍約為300 km,探測精度小于300 m,探測要素包括閃電的發(fā)生時(shí)間、位置(經(jīng)緯度)、極性、電流強(qiáng)度(峰值電流)和陡度等相關(guān)參數(shù)[11]。溫度和濕度資料為國家站逐小時(shí)觀測資料。以上資料均由四川省數(shù)據(jù)探測中心提供,數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)控。選擇盆地西北部的廣元和成都、東北部的達(dá)州、中部的遂寧、西南部的樂山、南部的宜賓以及川西高原的馬爾康和稻城、攀西地區(qū)的西昌和攀枝花10個(gè)典型城市作為研究對象,分析其閃電特征和溫濕度的關(guān)系。

根據(jù)中國氣象局閃電預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法評分標(biāo)準(zhǔn),即采用點(diǎn)對面的方式,掃描25 km半徑范圍內(nèi)的閃電作為站點(diǎn)發(fā)生的閃電情況進(jìn)行結(jié)果檢驗(yàn)。利用2008—2020年4—10月閃電資料和地面溫度、相對濕度資料,以典型城市站點(diǎn)為中心,統(tǒng)計(jì)每小時(shí)半徑為25 km范圍內(nèi)的閃電,同時(shí)提取與閃電數(shù)據(jù)相對應(yīng)的溫度和相對濕度數(shù)據(jù),建立研究數(shù)據(jù)集。

2 結(jié)果分析

2.1 不同月份閃電特征與溫度和濕度的對應(yīng)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)分析10個(gè)典型城市4—10月的閃電頻次、強(qiáng)度以及溫、濕度的分布特征,發(fā)現(xiàn)閃電高發(fā)月份主要是6—9月。6月份閃電發(fā)生頻次最多的是西昌(1700余次),7月份頻次最多的是遂寧(3500余次),8月份是達(dá)州(4600余次);4,5及10月發(fā)生的閃電頻次較少,均在400次以下。除了達(dá)州市6月份閃電的平均強(qiáng)度最強(qiáng)外,其余城市閃電的最強(qiáng)平均強(qiáng)度均在4月份,尤其是稻城和宜賓2個(gè)站的閃電強(qiáng)度明顯高于其他城市,均超過了40 kA,其他城市閃電的平均強(qiáng)度大多數(shù)在10 kA～20 kA。多數(shù)城市的溫度和濕度具有相似特征,西昌和攀枝花4—9月的日平均溫度變化較小,西昌日平均溫度約為22 ℃,攀枝花日平均溫度在26～27 ℃,10月開始略微下降,而其他城市均在7—8月溫度最高。相對濕度除了達(dá)州外,其余城市均從4—5月開始逐漸增大,7—8月達(dá)到最大,之后逐漸減小;達(dá)州8月的日平均相對濕度在各月份中最小,為69%,其余月份均超過70%。

對比分析發(fā)現(xiàn),大多數(shù)城市閃電頻次最多的月份對應(yīng)溫度和濕度均為最高或最大,說明這些城市閃電頻次和溫濕度具有一定的正相關(guān)關(guān)系。稻城、遂寧、宜賓及成都4月份的平均溫度和濕度均為所有月份中最低或最小的,但是其閃電平均強(qiáng)度卻較強(qiáng),說明這4個(gè)城市的閃電強(qiáng)度與溫濕度具有一定的負(fù)相關(guān)性。

2.2 閃電與溫濕度日變化特征的相關(guān)性

在統(tǒng)計(jì)分析中,皮爾遜相關(guān)系數(shù)廣泛用于度量變量X和Y之間的相關(guān)性(線性相關(guān)),其值在-1～1,值大于0表明二者為正相關(guān),值小于0表明者為負(fù)相關(guān)。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的絕對值越大,相關(guān)性越強(qiáng),相關(guān)強(qiáng)度分為極強(qiáng)相關(guān)(0.8～1.0)、強(qiáng)相關(guān)(0.6～0.8)、中等程度相關(guān)(0.4～0.6)、 弱相關(guān)(0.2～0.4)、極弱相關(guān)或無相關(guān)(0.0～0.2)[12]。文章將基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析閃電和溫濕度的相關(guān)程度。

2.2.1 閃電頻次和強(qiáng)度與日平均氣溫

表1給出了10個(gè)典型城市閃電頻次和強(qiáng)度與日平均氣溫的相關(guān)性分析結(jié)果。由表1可知,日平均氣溫與閃電(總閃、正閃及負(fù)閃)頻次的相關(guān)系數(shù)多為正值,說明日平均氣溫與閃電頻次具有一定的正相關(guān)性;日平均氣溫與閃電平均強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)多為負(fù)值,說明兩者呈一定程度的負(fù)相關(guān)。其中,馬爾康的日平均氣溫與總閃平均強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.42,呈中等程度的負(fù)相關(guān),說明該地區(qū)隨著日平均氣溫的升高,閃電平均強(qiáng)度呈減弱趨勢。樂山和宜賓的總閃強(qiáng)度、達(dá)州和遂寧的正閃強(qiáng)度及樂山的負(fù)閃強(qiáng)度與和日平均氣溫呈弱的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)均在-0.2以下;馬爾康和稻城的日平均溫度與總閃、負(fù)閃頻次呈弱的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.2以上;其余城市日平均氣溫與閃電的相關(guān)性極弱或者不相關(guān)。

表1 閃電頻次和強(qiáng)度與日平均氣溫的相關(guān)性分析

2.2.2 閃電頻次和強(qiáng)度與日平均相對濕度

表2給出了10個(gè)典型城市閃電頻次和強(qiáng)度與日平均相對濕度的相關(guān)性分析結(jié)果。由表2可知,閃電(總閃、正閃及負(fù)閃)頻次與日平均相對濕度的相關(guān)系數(shù)多為正值,說明兩者具有一定正相關(guān)性,多數(shù)城市相關(guān)系數(shù)在0.12～0.28;正閃頻次和日平均相對濕度的相關(guān)性較強(qiáng),樂山、攀枝花、廣元、達(dá)州、遂寧5市正閃頻次與日平均相對濕度的相關(guān)系數(shù)超過了0.22,其中遂寧最大,為0.28。日平均相對濕度與閃電平均強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)的絕對值非常小,大多數(shù)在0.1以下,說明兩者相關(guān)性極弱或者不相關(guān)。

表2 閃電頻次和強(qiáng)度與日平均相對濕度的相關(guān)性分析

2.3 閃電特征與溫濕度小時(shí)特征的對應(yīng)關(guān)系

2.3.1 閃電頻次最多和強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)段對應(yīng)的日最高氣溫和最大相對濕度

閃電頻次最多或者強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段均對應(yīng)一個(gè)整點(diǎn)溫度和濕度,但該溫度或濕度不一定是當(dāng)日最高或者最大。為了進(jìn)一步分析閃電特征與小時(shí)溫濕度的關(guān)系,逐日提取閃電頻次最多或者強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段對應(yīng)的溫度和濕度,并判斷該溫度或濕度是否為當(dāng)日的最高值,計(jì)算其在總閃電日數(shù)中的占比。

圖1給出了10個(gè)典型城市閃電頻次最多和強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)段對應(yīng)的日最高氣溫和日最大相對濕度的占比分布。除了遂寧以外,閃電頻次最多時(shí)段對應(yīng)為日最高氣溫的占比均比強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)對應(yīng)日最高氣溫的占比多(圖1a),表明閃電頻次與日最高氣溫關(guān)系更密切。稻城、馬爾康、攀枝花、西昌及成都無論是頻次還是強(qiáng)度對應(yīng)日最高氣溫的占比均在0.16以下,而處于盆地的其余城市站點(diǎn)的占比均在0.23以上,表明盆地閃電頻次和強(qiáng)度與日最高氣溫的關(guān)系明顯優(yōu)于高原地區(qū)。圖1(b)是頻次最多和強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)段對應(yīng)的日最大相對濕度的占比情況,由圖可知頻次最多時(shí)段對應(yīng)的日最大相對濕度的占比均少于強(qiáng)度對應(yīng)的,與日最高氣溫的對比結(jié)果完全相反,可見閃電強(qiáng)度與日最大相對濕度關(guān)系更密切。稻城、馬爾康,攀枝花、西昌4市閃電頻次和強(qiáng)度對應(yīng)日最大相對濕度的占比均在0.2以下,稻城頻次最多對應(yīng)時(shí)段的占比僅有0.04,而其他盆地城市的占比均在0.24以上,且多數(shù)超過0.30。占比最大的是宜賓,均超過了0.45,高占比表明閃電頻次越多和強(qiáng)度越強(qiáng)與日最大相對濕度相關(guān)關(guān)系更好。另外,盆地和高原城市的日最高溫度占比差值最大,約為17%,而日最大相對濕度占比差值達(dá)到了約40%,可見盆地閃電頻次最多和強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)段與日最大濕度的關(guān)系明顯優(yōu)于高原城市。

(a)日最高氣溫;(b)日最大相對溫度。圖1 閃電頻次最多和強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)段對應(yīng)的日最高氣溫和日最大相對濕度的占比分布

2.3.2 日最高溫度和日最大相對濕度與對應(yīng)時(shí)段閃電頻次和強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)前文分析可知,當(dāng)日最高氣溫或者日最大相對濕度出現(xiàn)時(shí),對應(yīng)時(shí)段不一定有閃電出現(xiàn),即使有閃電出現(xiàn)也不一定是當(dāng)日閃電頻次最多或者強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段,因此進(jìn)一步分析日最高氣溫和日最大相對濕度時(shí)刻(如14:00)對應(yīng)時(shí)段(14:00—15:00)的閃電特征。

圖2給出了日最高溫度和日最大相對濕度時(shí)刻對應(yīng)時(shí)段閃電頻次及強(qiáng)度分布。由圖2(a)可知日最高氣溫對應(yīng)時(shí)段的正、負(fù)地閃頻次最高是樂山,分別為5.5次和57.8次;頻次最少的是馬爾康和稻城,均在5次以下。日最高氣溫對應(yīng)時(shí)段的正、負(fù)地閃平均強(qiáng)度最強(qiáng)的均為宜賓,分別為50.5 kA和20.5 kA;盡管稻城的地閃頻次偏少,但是其正地閃強(qiáng)度非常強(qiáng),達(dá)到了47.5 kA;負(fù)閃強(qiáng)度最小的是馬爾康,僅有9.2 kA。由圖2(b)可知,日最大相對濕度時(shí)刻對應(yīng)時(shí)段的負(fù)地閃頻次最多的是樂山,為66.0次,其次是成都、宜賓2市,平均頻次達(dá)到了50次以上;對應(yīng)正地閃頻次最多的是成都,為7.6次。對應(yīng)正、負(fù)地閃頻次最少是稻城,均少于3次;對應(yīng)正、負(fù)地閃強(qiáng)度最強(qiáng)是稻城,分別為48.7 kA和22.1 kA。廣元日最大相對濕度對應(yīng)的正地閃平均強(qiáng)度是37.2 kA,比日最高溫度對應(yīng)的21.2 kA高了16.0 kA,可見該地區(qū)較強(qiáng)的相對濕度比較高的溫度更能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的正地閃。

(a)日最高溫度;(b)日最大相對濕度。圖2 日最高溫度和日最大相對濕度時(shí)刻對應(yīng)時(shí)段閃電頻次和強(qiáng)度分布

對比分析發(fā)現(xiàn),除了馬爾康和稻城外,日最大相對濕度時(shí)刻對應(yīng)的負(fù)地閃頻次整體上比日最高氣溫的更高,表明日最大相對濕度對負(fù)地閃頻次的影響高于日最高溫度;除了廣元、達(dá)州外,日最高氣溫對應(yīng)的正地閃強(qiáng)度比日最大相對濕度對應(yīng)的更強(qiáng),表明日最高溫度對正地閃強(qiáng)度的影響高于日最大相對濕度。

3 結(jié)束語

文章利用近13 a的閃電和溫濕度資料,應(yīng)用統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析等方法,研究四川省不同區(qū)域10個(gè)典型城市的閃電頻次和強(qiáng)度特征與溫濕度月變化、日變化及小時(shí)演變的相關(guān)關(guān)系,得到以下主要結(jié)論:

1)閃電高發(fā)月份主要集中在6—9月,大多數(shù)城市閃電的平均強(qiáng)度均在4月份出現(xiàn)峰值。西昌和攀枝花4—9月的日平均溫度變化較小,其他城市7—8月溫度明顯高于其他月份。多數(shù)城市相對濕度在7—8月達(dá)到最大。

2)多數(shù)城市閃電頻次最多的月份對應(yīng)溫度和相對濕度均為最高或最大,說明閃電頻次和溫濕度具有一定的正相關(guān)關(guān)系。稻城、遂寧、宜賓及成都4市4月的閃電平均強(qiáng)度明顯偏強(qiáng),說明這些地區(qū)的閃電強(qiáng)度和溫濕度具有一定的負(fù)相關(guān)性。

3)日平均氣溫與閃電頻次的相關(guān)系數(shù)多為正值,說明日平均氣溫與閃電頻次具有一定的正相關(guān)性;而日平均氣溫與閃電平均強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)多為負(fù)值,說明兩者之間呈一定程度的負(fù)相關(guān)。其中,馬爾康的日平均氣溫與總閃平均強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.42。

4)日平均相對濕度與閃電頻次的相關(guān)系數(shù)多為正值,說明兩者具有一定正相關(guān)性;多數(shù)城市相關(guān)系數(shù)在0.12～0.28,尤其是正閃和日平均相對濕度的相關(guān)性更強(qiáng)。然而,日平均相對濕度與閃電平均強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)的絕對值非常小,大多數(shù)在0.1以下,說明兩者相關(guān)性極弱或者不相關(guān)。

5)多數(shù)城市的小時(shí)閃電頻次最多時(shí)段對應(yīng)的日最高氣溫頻次的占比高于閃電強(qiáng)度最大時(shí)段,而閃電頻次最多時(shí)段對應(yīng)日最大相對濕度頻次占比則均少于閃電強(qiáng)度最大時(shí)段,說明日最高氣溫對閃電頻次的影響高于對閃電強(qiáng)度的影響,而日最大相對濕度對閃電強(qiáng)度的影響大于對閃電頻次的影響。另外,出現(xiàn)了閃電的時(shí)段對應(yīng)的溫度更接近于日最高氣溫,而對應(yīng)的相對濕度則更接近日平均相對濕度,日最高氣溫和日平均溫度差值越大的區(qū)域,發(fā)生閃電的頻次更少。