湖州市雷暴活動(dòng)特征分析

馬金福馮志偉虞 進(jìn)肖穩(wěn)安朱奎榮

(1.湖州市氣象局,浙江湖州313000;2.南京信息工程大學(xué),江蘇南京210044)

湖州市雷暴活動(dòng)特征分析

馬金福1馮志偉1虞 進(jìn)1肖穩(wěn)安2朱奎榮1

(1.湖州市氣象局,浙江湖州313000;2.南京信息工程大學(xué),江蘇南京210044)

應(yīng)用湖州地區(qū)4個(gè)氣象站多年雷暴觀測(cè)資料及浙江省閃電定位系統(tǒng)觀測(cè)資料,從區(qū)域分布、年際變化、月際變化及日變化等方面對(duì)湖州地區(qū)雷暴活動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。湖州地區(qū)年均雷暴日為34.7 d,山區(qū)的雷暴日明顯偏多。每年的3—9月是雷暴活躍期,7月最多,1月和12月最少。湖州地區(qū)雷暴活動(dòng)日變化呈現(xiàn)雙峰特點(diǎn),最高峰出現(xiàn)在14—15時(shí),次高峰出現(xiàn)在21時(shí),7—9時(shí)是最低值區(qū)。應(yīng)用趨勢(shì)分析法,發(fā)現(xiàn)近50 a湖州地區(qū)雷暴日數(shù)呈現(xiàn)出在波動(dòng)中減少的趨勢(shì)。進(jìn)一步應(yīng)用小波分析得出湖州地區(qū)的雷暴日數(shù)具有8～9 a的震蕩周期。近50 a湖州地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了3個(gè)活躍期和2個(gè)減弱期,目前正處于第3個(gè)活躍期中。湖州地區(qū)雷暴活動(dòng)平均每8.5 a出現(xiàn)1個(gè)達(dá)到嚴(yán)重事件標(biāo)準(zhǔn)的年份,嚴(yán)重偏多和嚴(yán)重偏少的年份基本相當(dāng);每22.4 a出現(xiàn)1個(gè)異常年份,主要表現(xiàn)為異常偏多。

雷暴活動(dòng);趨勢(shì);周期;異常;特征

0 引 言

湖州市處于浙江省西北部,下轄3縣2區(qū),有4個(gè)地面氣象觀測(cè)站。作為一個(gè)多雷地區(qū),每年都有大量的雷擊災(zāi)害發(fā)生,輕則財(cái)產(chǎn)損失,重則人員傷亡,已引起政府和社會(huì)的高度關(guān)注,防雷減災(zāi)已成為建設(shè)和諧社會(huì)和平安社會(huì)的重要課題,而掌握雷電活動(dòng)規(guī)律是做好防雷減災(zāi)工作的前提條件。許多研究表明,各地的雷電活動(dòng)都有其地方特征。陳渭民在分析我國(guó)雷暴地理分布時(shí)指出,地勢(shì)較高、地形復(fù)雜的山區(qū),雷暴日往往高于同緯度地區(qū)的數(shù)值[1]。朱乾根、林錦瑞等在分析雷暴天氣成因時(shí)指出,由于山地迎風(fēng)坡的抬升作用很大,一般來說,山區(qū)的雷暴比平原地區(qū)要多[2]。馬明、呂偉濤等分析中國(guó)雷電活動(dòng)特征時(shí)指出青藏高原及鄰近地區(qū)是雷暴日的次高值區(qū),卻是閃電密度的次低值區(qū),反差較大[3]。徐桂玉等根據(jù)我國(guó)南方62個(gè)氣象觀測(cè)站1971—1995年月雷暴日數(shù)資料,分析指出我國(guó)南方雷暴的年際變化存在著2 a,4 a較短周期和9 a,21 a長(zhǎng)周期振蕩[4]。胡艷等分析了上海地區(qū)45 a(1960—2004年)的雷暴氣候特征,結(jié)果表明,上海地區(qū)雷暴發(fā)生期主要集中在每年的5—9月;雷暴的季節(jié)變化明顯;上海地區(qū)的“城市熱島”效應(yīng)可能會(huì)增加城區(qū)雷暴的發(fā)生頻數(shù);上海地區(qū)雷暴日年變化的主周期約為6 a[5]。

因此,為減少雷電活動(dòng)造成的損失,有必要對(duì)湖州市雷電活動(dòng)的特征進(jìn)行深入的分析,掌握其活動(dòng)規(guī)律。

1 資料來源

1.1 湖州市地面觀測(cè)資料

湖州市本級(jí)1956—2008年雷暴地面觀測(cè)數(shù)據(jù),安吉縣1959—2008年雷暴地面觀測(cè)數(shù)據(jù),德清縣、長(zhǎng)興縣1971—2008年雷暴地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 閃電定位儀觀測(cè)資料

2007—2009年浙江省閃電定位系統(tǒng)觀測(cè)資料,包括閃電的位置(經(jīng)緯度)、閃電時(shí)間、閃電強(qiáng)度、閃電極性等。

2 雷暴日數(shù)特征分析

2.1 雷暴日數(shù)的區(qū)域分布

湖州地區(qū)年平均雷暴日為34.7 d,各站年平均雷暴日數(shù)分別為:湖州市本級(jí)34.3 d,安吉縣40.6 d,德清縣31.9 d,長(zhǎng)興縣30.5 d。根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)范規(guī)定,湖州、德清及長(zhǎng)興3個(gè)站屬于多雷區(qū),而安吉站屬于高雷區(qū)[6]。若比較相同時(shí)期的雷暴日數(shù),從1971—2008年這一時(shí)期湖州市本級(jí)及安吉縣年平均雷暴日分別為31.1 d和38.9d。比較4個(gè)站年均雷暴日數(shù),發(fā)現(xiàn)湖州市本級(jí)、德清縣及長(zhǎng)興縣三地比較接近,而安吉縣的雷暴日數(shù)明顯高于其他三地,主要原因是安吉地處湖州市西部山區(qū),地形起伏較大,易形成局地?zé)釋?duì)流,而其他三地都處于丘陵與平原的過渡地帶,地形相對(duì)較平坦,地形不同造成差異,這與陳渭民[1]、朱乾根等[2]提出的山地雷暴日往往高于同緯度其他地區(qū)的研究成果相一致。進(jìn)一步分析德清(北緯30°32’)、湖州(北緯30°52’)、長(zhǎng)興(北緯30°59’)3站1971—2008年同期雷暴日數(shù),發(fā)現(xiàn)與三地緯度從低到高相對(duì)應(yīng),雷暴日數(shù)從高到低。

2.2 雷暴日數(shù)的年際變化

2.2.1 雷暴日數(shù)年際變化概況

湖州地區(qū)各縣(區(qū))雷暴日數(shù)年際變化圖(圖1)清晰反映了4個(gè)站雷暴日數(shù)的年際變化(為看得清楚,把4條變化曲線分二部分顯示),從圖1可以看出,湖州市所轄4個(gè)縣(區(qū))雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致,因此本文選擇積累資料時(shí)間較長(zhǎng)且雷暴活動(dòng)最多的安吉站為代表進(jìn)行分析。

圖1 湖州地區(qū)各縣(區(qū))雷暴日數(shù)年際變化圖

分析安吉站1959—2008年共50 a雷暴觀測(cè)數(shù)據(jù),年平均雷暴日數(shù)為40.6 d,雷暴日數(shù)年際差異非常大,最多年份雷暴日數(shù)為71 d,也是湖州地區(qū)的極大值,出現(xiàn)在1963年,最少年份雷暴日數(shù)為20 d,出現(xiàn)在2000年。從安吉站雷暴日數(shù)5 a滑動(dòng)平均曲線圖(圖2)可見,雷暴日數(shù)變化呈現(xiàn)周期性,期間出現(xiàn)3個(gè)高值區(qū)和2個(gè)低值區(qū)。1959—1964年、1981—1987年、2003—2008年是3個(gè)相對(duì)高值區(qū),期間年平均雷暴日數(shù)為53.3 d,43.7 d,43.8 d,1966—1980年、1988—2002年是2個(gè)相對(duì)低值區(qū),期間年平均雷暴日數(shù)為37.5 d和35.8 d。從圖2還可以看出,近年來湖州地區(qū)正處于雷暴活動(dòng)活躍期。

圖2 安吉站雷暴日數(shù)5 a滑動(dòng)平均曲線圖

根據(jù)世界氣象組織和一些國(guó)家的規(guī)定,把雷暴日數(shù)距平|ΔS|達(dá)到2倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ)的事件稱為異常,距平達(dá)到1.3σ的稱為嚴(yán)重事件[7]。

按照上述標(biāo)準(zhǔn),湖州地區(qū)4個(gè)站共出現(xiàn)8站次異常年份,其中湖州市本級(jí)3次(1956, 1960,1963年),安吉站2次(1960,1963年),德清站1次(1987年),長(zhǎng)興站2次(1978,1987年),平均每22.4 a出現(xiàn)1個(gè)異常年份。在這8站次異常年份中有7站次是正距平,也即雷暴日異常多,只有1978年的長(zhǎng)興站出現(xiàn)異常少的情況,這說明湖州地區(qū)雷暴日異常的主要特點(diǎn)是雷暴日異常多,這為防雷減災(zāi)提供了依據(jù)。湖州地區(qū)共出現(xiàn)21站次嚴(yán)重事件年份,其中湖州站6次,安吉站4次,德清站7次,長(zhǎng)興站4次,平均每8.5 a出現(xiàn)1個(gè)達(dá)到嚴(yán)重事件標(biāo)準(zhǔn)的年份。在這21站次嚴(yán)重事件中,其中9次嚴(yán)重偏多,12次嚴(yán)重偏少,兩者相差不大。

由于湖州地區(qū)面積不大,氣候環(huán)境基本相同,4個(gè)站出現(xiàn)異?；驀?yán)重的年份大都相同,但也有個(gè)別年份差異較大,例如1983年和1985年,德清站的距平與標(biāo)準(zhǔn)差之比達(dá)到了1.30和1.60,而湖州市本級(jí)站分別為-0.22和0.26,這說明雷暴活動(dòng)具有局地性的氣候特征,具體的氣候成因有待于進(jìn)一步分析。

2.2.2 雷暴日數(shù)年際變化趨勢(shì)分析

為了更清楚地了解雷暴日數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì),以安吉站為例,根據(jù)下面公式,計(jì)算雷暴日數(shù)的氣候趨勢(shì)系數(shù)rxt。

式中:n為年數(shù);Xi為第i年的雷暴日數(shù);ˉX為所統(tǒng)計(jì)年內(nèi)平均雷暴日數(shù),ˉt=(n+1)/2,rxt的正負(fù)值表示該要素在計(jì)算的年內(nèi)增(降)的變化趨勢(shì)。

經(jīng)計(jì)算,安吉站的rxt值為-0.26,表明近50 a安吉雷暴日數(shù)呈下降趨勢(shì)。

年雷暴日數(shù)的趨勢(shì)定量變化可以用一次線性方程表示,即:

Xi=a0+a1t(t=1,2,3…n),式中:a1為氣候傾向率,t為年份序列數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,安吉站年雷暴日數(shù)變化趨勢(shì)直線方程為Xi=-0.158t+354.6,如圖3所示。由擬合結(jié)果可知近50 a來,平均每10 a安吉站雷暴日數(shù)大約減1.58 d。這與張敏鋒等于1998年在研究我國(guó)雷暴天氣的氣候特征中指出的,近30 a來我國(guó)大部分地區(qū)平均雷暴頻數(shù)在波動(dòng)中減少的變化趨勢(shì)基本一致[8]。

圖3 安吉站近50 a雷暴日數(shù)變化趨勢(shì)擬合直線

2.2.3 雷暴日數(shù)年際變化周期分析

利用Morlet小波分析方法對(duì)安吉站雷暴日數(shù)序列進(jìn)行周期分析,在MAT LAB中編程畫圖,如圖4所示,Morlet小波變化實(shí)部表示了雷暴日數(shù)變化的時(shí)間尺度特征。由圖4可以看到雷暴日變化存在多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu),在8～9 a的時(shí)間尺度上正負(fù)閉合中心比較明顯,表明雷暴日數(shù)序列在8～9 a時(shí)間尺度下交替振蕩最為顯著,即安吉站雷暴日數(shù)的年際變化存在以8～9 a為振蕩周期的特征。

圖4 安吉站1959—2008年雷暴序列的小波系數(shù)實(shí)部分布圖

2.3 雷暴日數(shù)的月際變化分析

分析湖州地區(qū)4個(gè)測(cè)站各月的數(shù)據(jù),4個(gè)測(cè)站變化趨勢(shì)是一致的,發(fā)現(xiàn)每個(gè)月都有雷暴發(fā)生,從湖州地區(qū)各站月平均雷暴日數(shù)占比表(表1)上可以看出,其變化呈現(xiàn)單峰特征,最高值出現(xiàn)在7月份,次高值出現(xiàn)在8月份,兩月之和占總雷暴日數(shù)的56.4%。1月和12月為最低,僅記錄有8個(gè)站日,占總數(shù)的0.11%。10月到次年2月為雷暴的少發(fā)期,雷暴日數(shù)之和占總數(shù)的2.5%。雷暴活動(dòng)從3月份開始活躍,近80%的年份在3月有雷暴發(fā)生,活躍期一直延續(xù)到9月份。最早的初雷日出現(xiàn)在1960年1月6日的湖州站,最遲終雷日出現(xiàn)在1965年12月22日的安吉站。

雷暴日數(shù)的月際變化特征與天氣系統(tǒng)變化是密切相關(guān)的。10月份開始湖州地區(qū)受大陸氣團(tuán)控制,氣溫逐漸降低,對(duì)流較弱,層結(jié)趨于穩(wěn)定,不易形成雷暴;3月份以后,南方的暖濕氣流逐漸北抬影響湖州地區(qū),冷暖空氣在本地交匯開始增多,雷暴逐漸活躍,這時(shí)以系統(tǒng)過境發(fā)生的雷暴為主。7—8月份為盛夏季節(jié),局地?zé)釋?duì)流旺盛,是造成雷暴頻發(fā)的主要原因。

表1 湖州地區(qū)各站月平均雷暴日數(shù)占比表 %

3 雷暴活動(dòng)的日變化

分析2007—2009年閃電頻次日變化曲線(圖5)可以看到,湖州地區(qū)的閃電活動(dòng)出現(xiàn)雙峰特點(diǎn),且上升和下降的曲線非常陡峭,呈現(xiàn)出快速上升和快速下降的特點(diǎn)。從上午10時(shí)開始快速增加,14—15時(shí)達(dá)到最大,15時(shí)以后快速下降,到19時(shí)達(dá)到一個(gè)低點(diǎn)后又呈現(xiàn)上升狀態(tài),到21時(shí)達(dá)到次高峰,接著快速下降,23時(shí)至10時(shí)處于低值區(qū),最低出現(xiàn)在7—9時(shí)。這個(gè)日變化特點(diǎn)與美國(guó)衛(wèi)星觀測(cè)(1995—2005年)得到的中國(guó)閃電日變化特點(diǎn)基本相一致[3],只是峰值出現(xiàn)時(shí)間提前了1 h。但衛(wèi)星觀測(cè)也顯示,華東地區(qū)閃電日變化呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)[3],而非雙峰結(jié)構(gòu),這可能與閃電定位系統(tǒng)資料積累時(shí)間較短且與衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間段不同有關(guān),有待于繼續(xù)積累資料作進(jìn)一步研究。

圖5 2007—2009年湖州地區(qū)閃電頻次日變化圖

4 結(jié) 語(yǔ)

4.1 湖州地區(qū)4個(gè)縣(區(qū))屬于多雷區(qū)或高雷區(qū),山區(qū)雷暴日數(shù)多于平原地區(qū)。

4.2 湖州地區(qū)4個(gè)縣(區(qū))雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致,呈現(xiàn)出在波動(dòng)中減少的趨勢(shì)。從20世紀(jì)50年代末至今,雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了3個(gè)活躍期和2個(gè)減弱期,目前正處于第3個(gè)活躍期中。

4.3 湖州地區(qū)雷暴活動(dòng)平均每8.5 a出現(xiàn)1個(gè)達(dá)到嚴(yán)重事件標(biāo)準(zhǔn)的年份,嚴(yán)重偏多和嚴(yán)重偏少的年份相差不多;每22.4 a出現(xiàn)1個(gè)的異常年份,主要表現(xiàn)為異常偏多。

4.4 湖州地區(qū)雷暴日數(shù)的年際變化存在著以8～9 a作為周期振蕩的特征。

4.5 湖州地區(qū)雷暴活動(dòng)月際變化呈現(xiàn)單峰特征,從3月開始活躍,活躍期一直延續(xù)到9月,最高值出現(xiàn)在7月份,次高值出現(xiàn)在8月份,1月份和12月份為最低。

4.6 湖州地區(qū)雷暴活動(dòng)的日變化呈現(xiàn)出雙峰特征,最高峰出現(xiàn)在14時(shí),次高峰出現(xiàn)在21時(shí),最低谷出現(xiàn)在7—9時(shí)。

[1] 陳渭民.雷電學(xué)原理.北京:氣象出版社,2006:220,375.

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[8] 張敏鋒,馮 霞.我國(guó)雷暴天氣的氣候特征.熱帶氣象學(xué)報(bào),1998,14(2):156-182.

2010-01-18