天水市雷暴氣候特征分析

強(qiáng)玉柱，劉 揚(yáng)

(甘肅省天水市氣象局，甘肅天水741000)

雷暴是在積雨云中發(fā)生的放電、雷鳴現(xiàn)象，主要產(chǎn)生在夏季局地強(qiáng)對流的中小尺度天氣系統(tǒng)中，常伴有暴雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷等天氣現(xiàn)象，是一種局部災(zāi)害性天氣。由于雷暴出現(xiàn)放電現(xiàn)象，經(jīng)常造成人員傷亡、毀壞建筑物、引起森林火災(zāi)、干擾輸電和通訊，給人類和社會造成嚴(yán)重的危害和損失，因而被人們所關(guān)注［1］。近年來，有很多關(guān)于雷暴特征的研究［2-6］。如鞏崇水等使用EOF分解和主值函數(shù)分析方法對我國雷暴日的時空分布等特征進(jìn)行分析，并得出年平均雷暴日的地理分布可大致分為4個區(qū)域［2］;張敏鋒等對我國近30年的雷暴氣候特征進(jìn)行分析并指出大部分地區(qū)雷暴頻數(shù)在波動中減少［6］;高婧等通過小波分析、EOF分析、Mann-kendall突變檢驗(yàn)等方法分別對新疆伊犁［7］、重慶市［8］、上海地區(qū)［9］雷暴的氣候變化特征進(jìn)行了分析。但針對天水地區(qū)的雷暴氣候變化特征方面的研究很少。筆者利用天水市7個觀測站1971～2010年雷暴日資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、突變檢驗(yàn)、小波分析和EOF分析等方法，對近40年天水市雷暴的氣候特征進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 天水市位于甘肅省東南部地處陜、甘、川三省交界，地跨 34°05＇～35°10＇N、104°35＇～106°44＇E，面積1.43萬km2。天水屬于暖溫帶半濕潤、半干旱氣候過渡帶，以溫和半濕潤區(qū)為主，四季分明。天水地勢總體上東南低、西北高，海拔高程748.5～3 120.0 m，受西風(fēng)帶和青藏高原季風(fēng)控制以及西太平洋副熱帶高壓交替影響，下界面復(fù)雜，局地性氣候特征明顯，常有中小尺度天氣活動。天水市的雷暴主要集中在4～10月，夏季最強(qiáng)，春季次之，冬季幾乎沒有雷暴發(fā)生［10］。在此，筆者利用天水市近40年的雷暴日資料，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)、突變檢驗(yàn)、小波分析和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)等方法進(jìn)行分析，揭示天水市雷暴天氣氣候的統(tǒng)計(jì)特征、時空變化趨勢和規(guī)律，為政府防災(zāi)減災(zāi)提供氣候背景，也為研究雷暴與大氣環(huán)流的關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 資料選取和研究方法 選取1971～2010年天水市秦州、麥積、清水、張家川、秦安、甘谷、武山7個測站的雷暴資料，對雷暴日求取年代、月平均值，采用一元線性回歸，分析近40年天水市雷暴的時間尺度變化特征;采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法［11］，對天水市年雷暴日數(shù)進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn);采用Morlet小波分析方法［12］，分析雷暴日的周期變化;為了解天水市雷暴的主要空間分布類型，采用EOF分析(經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解)來研究天水7個站點(diǎn)雷暴時空分布特征，經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解可以針對氣象要素來進(jìn)行，其基本原理是對包含n個空間點(diǎn)(變量)的場隨時間變化進(jìn)行分解［12-13］。在分析天水市雷暴日的年、季、月變化特征時，根據(jù)天水市氣候特征和地形將其分為渭北、關(guān)山、河谷3個區(qū)域［14］(表1)，渭北選取甘谷為代表站，關(guān)山選取張家川，河谷選取秦州。

表1 天水市區(qū)域劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴時間變化特征

2.1.1 年際變化。由圖1可見，近40年天水市7個站的雷暴日數(shù)是770 d，年平均19.2 d，雷暴出現(xiàn)最多的年份為1973和1985年，為29 d;最少的年份為2009年，僅為5 d，雷暴日數(shù)年變化波動較大、差異顯著。近40年天水市雷暴日數(shù)總體呈下降趨勢，其氣候傾向率為-1.152 d/10a。

圖1 1971～2010年天水市雷暴日數(shù)年變化

從天水市7個站點(diǎn)的雷暴日數(shù)距平年際序列和變化趨勢(圖2)分析可知，天水市7個站雷暴日數(shù)平均值年際變化幅度大，且年際趨勢變化階段性明顯，呈現(xiàn)出一定的波動性，在整個波動中呈減少趨勢。從10年雷暴距平平均值的分析中得出，20世紀(jì)70、80、90年代和21世紀(jì)以來各年代平均雷暴日數(shù)分別為-0.3、2.5、1.3和-3.3 d，可見天水市雷暴年代變化呈下降趨勢;70年代是天水的少雷暴時期，為負(fù)距平;在80年代雷暴日數(shù)最多，其次是在90年代，均為正距平;進(jìn)入21世紀(jì)后，雷暴日數(shù)減少趨勢明顯，為負(fù)距平。

圖2 1971～2010年天水市雷暴日數(shù)距平年際序列及變化趨勢

2.1.2 突變檢驗(yàn)。由圖3可見，1971～2010年天水市年雷暴日數(shù)在20世紀(jì)70年代～1983年正序特征曲線UF呈多波動性上升過程，從1983年開始到90年代中期上升幅度較大，1995年至今開始明顯減少，且在2008年前后UF與UB出現(xiàn)交點(diǎn)，說明在2008年前后發(fā)生了減少性突變，突變后年平均與突變前相比減少了10.4 d。

2.1.3 月、季變化。由近40年天水市各區(qū)域月平均雷暴日數(shù)變化趨勢(圖4)可知，天水市雷暴出現(xiàn)在4～10月，4～8月隨時間遞增，7～8月達(dá)到峰值，9～10月逐月減少;天水市3個代表區(qū)域與全市的變化趨勢一致，其中關(guān)山區(qū)雷暴日數(shù)最多，其次是渭北區(qū)，河谷區(qū)最少。從表2可以看出，天水雷暴日數(shù)的季節(jié)變化非常明顯，主要集中在6～9月，占全年的77.3%，其中7、8月雷暴日數(shù)最多，分別為22.4%、22.6%;其次是9月，為17.6%;夏季雷暴日數(shù)明顯最多，其次是春秋季，冬季無雷暴。

圖3 1971～2010年天水年雷暴日數(shù)M-K檢驗(yàn)

表2 1971～2010年天水各月雷暴日數(shù)所占比例

圖4 1971～2010年天水市月平均雷暴日數(shù)變化

2.2 小波分析 由圖5可見，1971～2010年天水市年雷暴日變化存在多時間尺度結(jié)構(gòu)。在整個時間域上具有22年的大周期振蕩和6年的小周期振蕩;在年際變化尺度上還存在3年小尺度的短周期振蕩，該尺度周期在20世紀(jì)70年代～80年代初期和90年代至今較為明顯。此外，在1983年至今還具有12年的周期振蕩。因此，天水市近40年雷暴日變化并沒有一個固定周期，而是大、中、小多種周期尺度相互嵌套。年雷暴日距平序列Morlet小波變換實(shí)部等值線(圖5)顯示，近40年天水市年雷暴日在不同時間尺度下周期變化的情況，多雷暴年出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代和2001～2007年，少雷暴年出現(xiàn)在70年代和90年代中后期。

2.3 雷暴空間分布特征 從天水市雷暴空間分布(圖6)可知，關(guān)山區(qū)年均雷暴日數(shù)最多，渭北區(qū)次之，河谷區(qū)最少。天水市34.6°N 以北、106.2°E以東地方雷暴日為19～25 d，34.6°N 以北、105.8°E 以西為17 ～21 d，34.6°N 以南為 13 ～17 d。可見地形分布的差異是導(dǎo)致雷暴空間分布差異的主要原因。

圖5 1971～2010年天水市年雷暴日數(shù)小波分析

圖6 1971～2010年天水市年均雷暴日數(shù)空間分布

2.4 EOF分析 對天水市7個站點(diǎn)年均雷暴日進(jìn)行EOF分解，得出前4個特征向量場的方差貢獻(xiàn)和累計(jì)方差貢獻(xiàn)(表3)。由表3可見，天水市雷暴日的收斂性很快，第1主成分的方差貢獻(xiàn)占總體方差的72.37%，前2個主成分累計(jì)貢獻(xiàn)達(dá)82.78%，第3個以后所占的貢獻(xiàn)很小，表明研究前2個主成分及其特征向量就能夠較好地表示天水市雷暴變化及其空間分布的基本特征。

表3 1971～2010年天水市雷暴日數(shù)EOF分析前4個特征向量場的方差貢獻(xiàn)

從天水市年平均雷暴日經(jīng)EOF分解的前2個特征向量場分布(圖7)可以看出，第1特征向量場全部為正，稱為全市一致型，反映了天水市雷暴日空間分布的主要特點(diǎn)，表示如果雷暴出現(xiàn)異常，天水的變化趨勢是一致的。整體看來，全市第1特征向量場值大小差異很小，說明雷暴分布在全市變化較小。第2特征向量場的特征是天水東北、東南為正值，而中部和西部為負(fù)值，表示天水東北部、東南部和西部、中部的雷暴空間分布在呈反相關(guān)，稱為經(jīng)向型。

圖7 1971～2010年天水市雷暴日經(jīng)EOF分解后第1(a)和第2(a)空間向量場

3 結(jié)論

(1)天水市年平均雷暴日數(shù)為19.2 d，近40年天水市雷暴日數(shù)總體呈下降趨勢，通過Mann-Kendall檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在2008年前后天水市年均雷暴日發(fā)生了突變，突變后年平均與突變前相比減少了10.4 d。雷暴主要發(fā)生在春夏季，冬季幾乎無雷暴，7、8月雷暴日最多。

(2)小波分析結(jié)果表明天水市雷暴日具有3和6年短周期、12年中周期和22年長周期的變化特征，雷暴日年際變化較大，1971～2010年雷暴日數(shù)呈波動減少趨勢，且具有明顯的階段性。

(3)天水年平均雷暴日數(shù)空間分布不均勻，總體呈現(xiàn)關(guān)山區(qū)最多、渭北區(qū)次之、河谷區(qū)最少的特征。根據(jù)EOF分析表明，天水雷暴異?？臻g分布類型主要是全市一致型和經(jīng)向型。地形分布的差異是雷暴空間分布差異的主要原因。

［1］李家啟，李良福.雷電災(zāi)害典型案例分析［M］.北京:氣象出版社，2007.

［2］鞏崇水，曾淑玲，王嘉媛，等.近30年中國雷暴天氣氣候特征分析［J］.高原氣象，2013，32(5):1442-1449.

［3］蔡新玲，劉宇，康嵐，等.陜西省雷暴的氣候特征［J］.高原氣象，2004，23(S1):118-123.

［4］尹麗云，許迎杰，張騰飛，等.云南雷暴的時空分布特征［J］.災(zāi)害學(xué)，2007，22(2):87-92.

［5］馮建英，陳佩璇，梁東升.西北地區(qū)雷暴的氣候特征及其變化規(guī)律［J］.甘肅科技學(xué)報(bào)，2007，19(3):71-74.

［6］張敏鋒，馮霞.我國雷暴天氣的氣候特征［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1998，14(2):156-162.

［7］高婧，井立軍，井立紅，等.1961-2009年伊犁雷暴氣候特征分析［J］.沙漠與綠洲氣象，2011，5(4):81-86.

［8］李京校，李家啟，肖穩(wěn)安，等.重慶市雷暴氣候變化特征分析［J］.熱帶地理，2011，31(2):171-177.

［9］高曉東，楊仲江，劉曉東，等.上海地區(qū)雷暴時空分布特征分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(21):11246-11248.

［10］李照榮，康鳳琴，馬勝萍，等.西北地區(qū)雷暴氣候特征分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2005，20(2):83-88.

［11］黃嘉佑.氣候狀態(tài)變化趨勢與突變分析［J］.氣象，1995，21(7):54-57.

［12］魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)［M］.北京:氣象出版社，2007:99-104.

［13］施能.氣象科研與預(yù)報(bào)中的多元分析方法［M］.北京:氣象出版社，2008.

［14］姚小英，朱擁軍，把多輝，等.天水市45年氣候變化特征及對林果生長的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26(2):240-245.