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地中海地区海拔，地形，植被对闪电的影响

Vassiliki Kotroni¹ ， Kostas Lagouvardos¹

2008年6月13日初稿; 2008年8月11日修订;

2008年9月10日公认;发表2008年11月12日发表。

本文所应用的闪电资料​​来源于雅典国家观测台ZEUS实验网络框架，时长为一年，研究区域为地中海及周边国家。在第一阶段中，与ZEUS数据进行比较的是由英国气象局远距离闪电探测网提供的今年的暖期的数据。结果发现，尽管ZEUS系统提供的夜间和清晨活动值较低，但ZEUS系统的其余时间检测到的雷击的数量相比ATD是超过了其某一阈值的。此外，作者对闪电与海拔，地形坡度和植被的关系进行了研究。分析表明，春夏时期闪电与海拔呈现正相关关系，而这个关系在秋冬时期并不显著。因为它涉及的植被覆盖，人们发现，在裸露的地面闪电收益率较低，而林地地区则相反。暖期由于地中海表面森林和林区灌丛区的存在使得闪电产量，同一时期植被覆盖率低的地区闪电量则较少。

引文：Kotroni，V，和K. Lagouvardos（2008年），地中海区域闪电与海拔，地形坡度和植被的关系，J.地球物理。水库，113，D21118，DOI：10.1029/2008JD010605。

1. 简介

^【2】作为一种让人印象深刻的天气现象，闪电在科学界已经获得了大量的关注闪电可能会导致严重的农业损失，破环电力网络，甚至危机人类的生命财产安全。地中海区域是闪电活动的主要区域之一。 [Christian等人，1999年] 研究了在北半球冬天闪电的一些情况。而最近的一些研究，地中海区域闪电时空分布正广受关注。[例如，Altaratz等人，2003; Katsanos等人，2006]。此外，另 一个研究课题是闪电和降水之间的关系及闪电的一些微物理特征

（Soriano 等人, 2001; Ezcurra等人, 2002; Defer等人,2005; Price ， Federmesser, 2006; Katsanos等人., 2007）闪电活动期相关天气/中尺度条件目前已经有了其他地方的报告 [例如，Smith等人，2005; Gungle ，

Krider,，2006]。最近地中海暖期的相关报告也已经发布[Mazarakis等，2009]。

^{【3】一些}研究表明闪电和表面特性，例如海拔坡度，植被之间的关系是非常有限的。Dissing和Verbyla[2003]发现在阿拉斯加闪电和高度之间的正相关性很高，不同的植被覆盖表面之间的热力学差异可能会引发中尺度环流或对流。近日，Kilinc和Beringer [2007]研究了闪电与海拔和植被的一些其他关系，发现在澳大利亚北部，林地雷击密度明显高于灌木地，这是由于草原比其他植被类型有更大的表面加热效应。

^[4]这项工作主要是根据探索闪电和海拔，地形坡度和植被之间的可能关系，来帮助人们提高对地中海闪电活动的认识。数据来源为雅典国家天文台操作实验远距离闪电探测网ZEUS，时长一年。尤其是夏季期间（2006年6- 8月），将ZEUS数据与由英国气象局运营的远距离闪电探测网提供的数据进行了比较。

2.数据

2.1 ZEUS闪电探测网

ZEUS是一个长距离闪电探测网络​​，其接收器位于五个欧洲的五个地方（Birming在英国，罗斯基勒在丹麦，雅西在罗马尼亚，塞浦路斯在拉纳卡和里斯本葡萄牙）。该系统是由分辨率显示等制成，接收机录制无线电噪音，发现云对地闪发射低频（7--15kHz）。甚低频信号在每个接收站点前置放大和信号同步到地理定位系统。每个接收站点执行算法时，会排除弱信号和噪声，并且能够捕获高达每秒70单位。然后使用间差三角测量技术检索（在网络的中心站）确定闪电的位置。然后用sferic修复程序再次确定，到达时间差值就表示具有相同时间差的2个分站之间的位置。ZEUS定位算法至少需要四个接收机记录相同的事件。ZEUS定位的进一步细节法由Chronis和Anagnostou[2006]的研究中被发现。初步结果表明ZEUS的定位精度的为了4-5公里（贝茨，个人通信）。

^【6】这项研究将ZEUS从2006年6月至到2007年5月的数据进行了分析。虽然它在试验网数据可用性相当高（90％）。但是那10％

可能对在给出的结果产生一些影响。总体说，本研究所用数据大部分可用于以后的研究。

2.2英国气象局ATD雷电探测网

ZEUS网络与另一个建立远程云对地面检测系统的网络综合，对于3个月的数据（2006年6- 8月）（由英国气象局运营的ATD提供）。ATD系统观察到垂直极化雷电放电中心附近接近10千赫。波形由地面站接收。通过相关所获得的从不同的分站的波形可以算出时间差。通过三个时间差（收到满意的波形时四个分站最小值）需要计算闪电位置。每个测站都有误差。包括它的检测效率，由Holt所述。 [2001]和Keogh等人 [2006]正着力于解决该问题。

2.3海拔和植被数据

^[8]全球地形数据库的分辨率为1/120，由www.ngdc.noaa.gov /mgg/topo/globe.html计算得出 [Hastings等人，1999]并导出全局植被覆盖数据。全球土地覆盖（www.landcover.org） [Hansen等
人，2000]）已经被用于本研究。分析地区为0-32E，31-46 2 N（图1）。在此区域到地中海和周边国家的陆地表面区域等于海区域的表面，从而方便了关于闪电分布的讨论。海洋植被数据库包括14个类别（常绿针叶林，常绿阔叶林，落叶针叶林，落叶阔叶林，混合覆盖，林地，林木茂盛草原，封闭灌丛，开放灌丛，草原，农田，裸地，城市，和水体）。目前地形数据库已经计算出了地域坡度。

图2.由ZEUS和ATD系统检测出的闪电次数百分比及陆地闪电日变化数

该方法使用3X 3格集，单元格斜率由Burrough [1986]中描述的计算得出。

3.结论

3.1ZEUS和 ATD数据对比

^[9]ZEUS与ATD数据比较的目的是发现某一点发现的优点或缺点。这个实验网络比较成熟。本时段，也就是2006年6月至8月，大部分闪电活动集中在陆地表面。图2 按照ZEUS 和ATD系统给出了闪电每小时的总数的百分比变化。发生在陆地上闪电总数超过
海洋。两条曲线相当接近，表明1200至1900 UTC（本地时间为UTC 1和UTC 2的研究结构领域）的80％以上都在陆地上检测到的闪电，而在此之前0900 UTC雷电发生在土地的比例下降到不足45％。此功能预期今年暖期的闪电活动多在白天暖土地。边界层地块在潮湿不稳定的天气状况下有效地变换对流有效位能（CAPE）为上升气流动能。

^【10】图3表示了两个网络系统三个月内每小时对土地和在海洋感测。显而易见，在夏季期间闪电日变化呈现最大值在1400 UTC，。在陆地上发生雷电最多值在1000至1900UTC区域。高达84％，或72％（ZEUS和ATD的区别）。在类似的区域，闪电日变化分布，如，西班牙[Soriano等人，2001年]，希腊[Mazarakis等人，2009]。在海洋区域，两个时间序列0900 UTC提出一个共同的最大值。
通过云——地时空分布分析，地中海西部的Soriano 和 Pablo昼夜周期也是在早上最多，但要提前两个小时左右。这种差异可能确实存在。

图4. 一年间ZEUS记录的总闪电月度分布百分比（实心柱）和土地区域（白柱）和海洋区域的相对百分比表示(阴影柱）

^[11]从图3可以看到两个网络的检测效率的一些特征可。也就是说，ZEUS显然低估了夜间和清晨活动（从2000UTC到0300 UTC），陆地和海上都是。在当地白天时间，可能由于南美偏远地区雷暴活动比欧洲雷暴活动，这样就导致在夜间检测在欧洲闪光次数的低于实际天气。白天的其它系统检测到闪电的增加数相比ATD，差别是在最大闪电活性时期。此特征可以归因于在这两个系统的检测效率的差异。事实上，ATD系统的检测效率在欧洲为20〜90％，归因于记录的饱和，其闪烁上限为每小时12000次 [Keogh，2006]。

ZEUS系统每秒钟能够捕获超过70次闪每小时超过200000次闪[Chronis和Anagnostou，2006年]。

3.2 闪电分布于地表结构的关系

本节分析2006年6月 - 2007年5月（1年）的数据，在本节进行了分析。它研究的区域（图1）为之前提过的陆地和海洋区域的几乎相等的表面。图4展示出（图4中实心条）每个月闪烁的总数分布百分比。七月为高峰期，是一年总闪电数的25％。相反，闪电活动在1月和2月非常弱，只占全年总数的1％。图中还给出每月海上检测到的闪烁点的百分比（图4中打开和阴影条）。 十月至次年三月，大部分闪烁检测显示海洋区域闪烁超过每月平均值的66％至82％。土地闪烁在四月到七月超过全年平均值的70％，其他时期则低于均值。

^[13]图4中显示的调查结果表明，用热力差异来解释发生在海洋和地面的闪电数量的差异或许是合理的 [[Williams和Stanfill，2002]。此外，阳光对土地的加热作用解释了午后
闪电频次最高（图3中示出）。 另外图3中显示出海洋最大闪电活动出现在早晨，目前尚没有合理的解释。一些文献[例如，Altaratz等，2003]海岸线附近就此提出一些看法，说这是由于早晨陆地和海洋的温差达到了最大化的结果。这是但这个问题需要进一步调查。

图5.每季闪电频率与海拔高度之间的关系

^[14]如前所述（第1节）讨论闪电与地面之间的关系如海拔，坡度，植被覆盖率等特点，我们所能获得的数据相当有限。正因此，在本节中，1年内发生在陆地表面的ZEUS闪电数据有被分布在不同海拔的高度，不同的地形坡度和不同的植被类型区域。将闪电数据按照季度分为四组，即12月至2月，三月至五月（5月），六月至八月和九月至十一月。

^[15]究其原因，可能是因为地形升降造成对流的加深或减弱从而影响闪电活动。图5所示给出了土地点数量的累积频率百分比和闪电一年中每个季节研究领域内各测点观测到的数目。冬季是闪电陆地活动的低潮期，大部分雷击发生在低海拔地区（图5）。实际上，虽然土地点的53％都是在海拔高度低于400米，但是这里发生了70％的闪电。这和预期的一样。在此期间，一年的大部分对流活动在低压系统中发展和激活，因此这种地形影响是不太重要的。正面内对流增强雷暴不与海拔高度本身有很大关系。沉淀增强已经多次报道，山峰和沙岸会减小地形之间的差异【例如，小仓等人[1985]于日本，Kotroni等。 [1999]于希腊和Kotroni等 [2005]于土耳】。类似的现象在秋天比较明显，但是这种相似程度仍然很低。因为秋季是一个夏季和冬季之间的一个过度，对流说不定和局部雷暴，雷雨相关。在春夏时期，当在陆地雷电在81％
以上时，似乎闪电活动的加强是与海拔较高有关。

^[16]图6所示是不同地形坡度条件下土地点的数量和闪电数的累积频率百分比。从该曲线图可以明显看出在春季，夏季和秋季闪电的数量百分比远低坡面点数目的百分比，这表明倾斜的地形是增加雷击的一个因素。例如，夏季在0斜坡时，相应的闪电百分比是20％到36％。同时斜坡大于5％的地方，相应的闪电是35％。在冬季累计闪电百分比与土地点的累积分布几乎一致，表示冬季雷电活动不受倾斜的地形影响。图5和6所示可以得出，春天，主要是夏天的雷电活动多与地形坡度呈现正相关关系，或许这与垂直的空气运动加深对流有关。

为了研究闪电
与植被类型的关系，图1中所示的研究领域内已经计算出研究期间的每个季节的闪光率（数每类植被次/平方公里/季）。

现提出一个发生的地面上的闪电的季节性变化（一年中暖期闪电比寒冷时期大一个数量级），也因为每个季节每个植被类别的总面积差别比较大，上述闪率已经按比例以闪电的总数记录到每个季节研究领域的陆地总面积。所得的数字可以看作是在每月闪电的“生产”。各自植被类别被看作“电位”，并会在下面（表1）中以“闪电收率”来表示。在这种情况下，theta;1的值意味着在此类别的区域季节性闪电的百分比等于这一类的面积与总面积的比例，并且因此存在“没有偏好”的雷电发生这种植物类别。从表中可以看出以下内容：

1. ^【18】在林区秋冬季节雷击收益率相当低（小于1），而春夏会升高很多。
2. ^【19】林地和森林草原地带的闪电收益率对整体闪电的收益都是很重要的（gt; 1）期间几乎贯穿一整年。
3. lt;

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