近33年來烏魯木齊地區(qū)雷暴時(shí)空變化特征及趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

趙德龍　曹興　萬(wàn)瑜

摘要利用1981—2013年新疆烏魯木齊地區(qū)逐月雷暴日數(shù)資料，采用線性趨勢(shì)擬合、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、R/S趨勢(shì)分析以及克里金空間插值等方法，探討烏魯木齊地區(qū)復(fù)雜地形下的雷暴日數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律及未來變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，近33年來烏魯木齊地區(qū)雷暴空間分布總體表現(xiàn)為山區(qū)多于平原、南部多北部少的特征，南部山區(qū)為雷暴多發(fā)中心，城區(qū)、北部平原區(qū)及達(dá)坂城谷地為低值區(qū)域；烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-1.67 d/10 a；山區(qū)下降最為顯著，其次為平原區(qū)，城區(qū)表現(xiàn)為不顯著的下降過程；雷暴主要集中在5—8月，7月雷暴頻率最高，10月—次年3月基本無雷暴發(fā)生。突變檢驗(yàn)分析表明，近33年來各區(qū)均未出現(xiàn)顯著性下降的突變過程，卻存在明顯的Hurst現(xiàn)象，未來變化趨勢(shì)存在較強(qiáng)的持續(xù)性，即仍將維持下降的態(tài)勢(shì)，城區(qū)的持續(xù)性強(qiáng)度不大。

關(guān)鍵詞雷暴；時(shí)空變化；突變；趨勢(shì)預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)P446文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）20-0165-04

AbstractUsing the monthly thunderstorms data in Urumqi during 1981-2013， the linear trend fitting， MannKendall mutation test， R/S trend analysis and Kriging space interpolation were used to explore the temporal and spatial distribution law and future trends of thunderstorms days in complex terrain of Urumqi.The results showed that the spatial distribution of thunderstorms in Urumqi was characterized by the mountainous area more than plain and south more than north.The southern mountainous area was a thunderstorm multicenter，the urban area， northern plain and Dabancheng valley were lowvalue areas.The thunderstorm days in Urumqi region showed a trend of falling volatility and climate tendency rate was -1.67 d/10 a.The mountain area was the most significant decline， followed by the plain area，and the decline process performance was not significant in urban area.Thunderstorms were mainly concentrated from May to August， the frequency of thunderstorms was highest in July， almost no thunderstorms occurred from October to next March.Mutation test analysis showed that the district had not been significant decline mutation process in the past 33 years， but there was an obvious phenomenon of Hurst， future trends exist strong sustainability， which will remain down trend， urban sustainability strength is not big.

Key wordsThunderstorm； Temporal and spatial variation； Mutation； Trend prediction

雷暴是我國(guó)夏季常見的重大災(zāi)害性天氣之一，常與突發(fā)性暴雨、冰雹和雷雨大風(fēng)等劇烈天氣現(xiàn)象相聯(lián)系，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大的損失。鑒于雷暴的危害性，許多學(xué)者對(duì)雷暴活動(dòng)的氣候統(tǒng)計(jì)特征展開了廣泛而深入的研究，并取得了一定的成果[1-6]。張敏鋒等[4]統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)104個(gè)臺(tái)站30年雷暴資料，得出我國(guó)大部分地區(qū)雷暴頻數(shù)在波動(dòng)中呈減少的趨勢(shì)；李照榮等[7]研究指出，西北地區(qū)雷暴總的特征是高原和山區(qū)雷暴多，河谷、盆地和沙漠雷暴少。

雷暴產(chǎn)生于中尺度對(duì)流天氣系統(tǒng)，局地和時(shí)效特征明顯，其時(shí)空分布與區(qū)域氣候條件、地形和下墊面性質(zhì)等因素相關(guān)[5]。烏魯木齊市地處歐亞大陸腹地，地形復(fù)雜，區(qū)域小氣候差異大，相比我國(guó)東部地區(qū)，總體雷暴發(fā)生頻數(shù)少，但受地形等因素影響，夏季雷暴天氣常常發(fā)生。在氣候變暖的大背景下，極端天氣事件頻發(fā)。筆者利用1981—2013年新疆烏魯木齊地區(qū)逐月雷暴日數(shù)資料，采用線性趨勢(shì)擬合、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、R/S趨勢(shì)分析以及克里金空間插值等方法，深入分析烏魯木齊小區(qū)域氣候背景下的各區(qū)雷暴時(shí)空特征及未來變化趨勢(shì)，為做好精細(xì)化防雷減災(zāi)工作提供依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料來源選取1981—2013年烏魯木齊地區(qū)6個(gè)氣象觀測(cè)站的逐月雷暴觀測(cè)資料，研究區(qū)地理環(huán)境特征及觀測(cè)站點(diǎn)位置見圖1。

依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，20∶00—次日20∶00出現(xiàn)雷暴，記為一個(gè)雷暴日（一天內(nèi)出現(xiàn)多次雷暴也記一個(gè)雷暴日）；選擇小渠子、天山區(qū)、蔡家湖分別作為山區(qū)、城區(qū)、平原區(qū)代表站，3站平均值作為烏魯木齊區(qū)域平均值。

1.2分析方法空間分布上采用克里金插值法；時(shí)間序列上，采用線性擬合、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、R/S趨勢(shì)分析等方法[8]，為檢驗(yàn)氣候要素轉(zhuǎn)折是否達(dá)到突變的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各轉(zhuǎn)折年份突變點(diǎn)進(jìn)行信噪比S/N檢驗(yàn)，公式如下：

S/N=xa-xbSa+Sb

式中，xa、xb、Sa、Sb分別為轉(zhuǎn)折年份前后2段要素的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，規(guī)定S/N>1時(shí)，則可以認(rèn)為這個(gè)年份存在要素的突變，否則不存在突變。

2結(jié)果與分析

2.1雷暴日數(shù)的空間分布特征

由圖2可知，近33年烏魯木齊地區(qū)年平均雷暴日數(shù)為6.0～21.3 d，由于受地形、海拔等因素的影響，雷暴日數(shù)空間分布區(qū)域差異顯著，總體表現(xiàn)為山區(qū)多于平原、南部多北部少的特征。雷暴日數(shù)的高值中心位于南部山區(qū)，隨著海拔的下降，雷暴日數(shù)呈大幅度減少的趨勢(shì)，城區(qū)、平原區(qū)及達(dá)坂城谷地為相對(duì)的低值區(qū)域，其中山區(qū)年平均雷暴日數(shù)為25.9 d，城區(qū)、平原區(qū)、達(dá)坂城谷地分別為4.9、7.2、5.2 d，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于南部山區(qū)。結(jié)合中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB50343—2012）雷暴日等級(jí)劃分，烏魯木齊地區(qū)無強(qiáng)雷區(qū)和多雷區(qū)，山區(qū)屬于中雷區(qū)，城區(qū)、平原區(qū)、達(dá)坂城谷地屬于少雷區(qū)。

為進(jìn)一步分析雷暴日數(shù)和海拔的關(guān)系，建立平均雷暴日數(shù)（y）和海拔（x）的線性方程為：y=0.018x-5.4（R2=0.84），即海拔增高100 m，平均雷暴日數(shù)增加0.18 d，雷暴日數(shù)與海拔存在顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92。由此可見，烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)的空間分布特征與地形關(guān)系密切。有研究認(rèn)為[9]，山區(qū)水汽相對(duì)充沛，山地抬升作用可導(dǎo)致上升氣流加速，熱力效應(yīng)可使底層大氣中產(chǎn)生氣旋性輻合，水汽和熱量集中時(shí)易產(chǎn)生不穩(wěn)定的層結(jié)，利于對(duì)流云的形成和發(fā)展。

2.2雷暴日數(shù)的時(shí)間分布特征

2.2.1年際變化特征。

由圖3可知，烏魯木齊地區(qū)平均雷暴日數(shù)為12.7 d，年際變化范圍為6.0～21.3 d；雷暴日數(shù)的年際變化特征總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，其氣候傾向率為-1.67 d/10 a（P<0.05）。相關(guān)研究表明，在時(shí)間序列上，雷暴日數(shù)的變化與影響新疆的低值系統(tǒng)和伊朗副高的強(qiáng)弱具有密切的關(guān)系，夏半年北半球極渦強(qiáng)度的減弱，影響新疆低值系統(tǒng)的強(qiáng)度以及頻率亦有所減弱（少），伊朗副高較為活躍，強(qiáng)度增強(qiáng)，在一定程度上抑制了影響新疆低值系統(tǒng)的活動(dòng)，是造成雷暴日數(shù)呈下降趨勢(shì)的主要原因[10]。

進(jìn)一步分析表明，1981—2013年烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)以20世紀(jì)80年代增多，為15.6 d，總體呈正距平狀態(tài)；20世紀(jì)90年代，負(fù)距平年份逐步增多，年代平均雷暴日數(shù)下降至12.3 d；2001—2010年，雷暴日數(shù)下降幅度增大，負(fù)距平越明顯，下降趨勢(shì)進(jìn)一步加快，年代均值達(dá)到最低值，較20世紀(jì)80年代下降了近一半?？傮w而言，1995—2010年雷暴日數(shù)呈負(fù)距平狀態(tài)，為雷暴相對(duì)少發(fā)時(shí)期。

由表1可知，近33年來烏魯木齊各區(qū)雷暴日數(shù)均呈波動(dòng)下降過程，山區(qū)下降最為顯著，傾向率為-3.23 d/10 a；平原區(qū)次之，傾向率為-1.54 d/10 a；城區(qū)最小，傾向率為-0.25 d/10 a，呈不顯著的下降過程。標(biāo)準(zhǔn)差分析表明，山區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于城區(qū)和平原區(qū)，說明在時(shí)間序列上，山區(qū)雷暴日數(shù)年際變化明顯，過程不穩(wěn)定，城區(qū)雷暴日數(shù)呈低水平的波動(dòng)下降過程。進(jìn)一步相關(guān)性分析得出，山區(qū)、城區(qū)、平原區(qū)的雷暴日數(shù)與烏魯木齊地區(qū)呈極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.947、0.803、 0.808（P<0.01），表明山區(qū)對(duì)烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)減少貢獻(xiàn)率最高。

為深入分析烏魯木齊地區(qū)異常雷暴事件，引入氣候異常事件和嚴(yán)重事件的判斷標(biāo)準(zhǔn)。將雷暴日數(shù)距平達(dá)到2倍標(biāo)準(zhǔn)差的事件劃為異常事件。結(jié)果表明，近33年烏魯木齊各區(qū)未出現(xiàn)雷暴異常偏少年份；山區(qū)、城區(qū)、平原區(qū)均出現(xiàn)異常偏多年，分別為1984、2012、1995年，其中山區(qū)1984年出現(xiàn)近33年來最大值（41.0 d），遠(yuǎn)超平均日數(shù)。從大的尺度可知，20世紀(jì)80年代烏魯木齊地區(qū)雷暴活動(dòng)比較頻繁，90年代和2001—2010年雷暴活動(dòng)相對(duì)減少，但2011—2013年又進(jìn)入相對(duì)頻繁期，這可能與近年來極端災(zāi)害性天氣頻發(fā)有關(guān)。

2.2.2月際變化特征。

由圖4可知，近33年來烏魯木齊地區(qū)月平均雷暴日數(shù)呈單峰型，從4月開始，雷暴發(fā)生頻數(shù)開始增多，在6—7月達(dá)到年內(nèi)雷暴發(fā)生高峰時(shí)期，8月開始回

落，10月—次年3月進(jìn)入雷暴少發(fā)期。雷暴日數(shù)主要活動(dòng)期出現(xiàn)在4—10月，其中5—8月最為集中，占年雷暴總?cè)諗?shù)的95.0%，7月雷暴出現(xiàn)頻率最高，占總數(shù)的33.9%，6月次之，占總數(shù)的30.4%。夏季雷暴日數(shù)占全年的82.6%，春季雷暴日數(shù)占全年的14.2%，秋季雷暴出現(xiàn)最少，僅占全年的3.2%。進(jìn)一步對(duì)山區(qū)、城區(qū)、平原區(qū)的雷暴日數(shù)月際特征分析得出，各區(qū)月際分布表現(xiàn)為較強(qiáng)的趨同性，均呈明顯的單峰型，其中雷暴日數(shù)較多月份依次為7、6、8月，其他月份幾乎無雷暴發(fā)生。分析認(rèn)為，造成烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)月際分布差異的主要原因是：4月隨著大氣環(huán)流的調(diào)整，氣溫回升，熱力不穩(wěn)定條件逐漸增強(qiáng)，對(duì)流性天氣增多，雷暴發(fā)生的次數(shù)逐月增加，至7月空氣中水汽含量最充足，雷暴現(xiàn)象最多，8月以后，隨著氣溫回落，熱力不穩(wěn)定條件減弱，雷暴發(fā)生次數(shù)開始減少。由于冬季干冷，大氣層結(jié)穩(wěn)定，不具備雷暴發(fā)生的條件。

2.2.3突變特征。Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法結(jié)果表明，近33年烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)UF曲線總體呈先升后降的趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代前期雷暴日數(shù)表現(xiàn)為波動(dòng)上升的過程；在1986年，UF曲線由正轉(zhuǎn)負(fù)，減少態(tài)勢(shì)開始突顯，雷暴日數(shù)也由增加趨勢(shì)轉(zhuǎn)為減少趨勢(shì)，并在1990年前后與UB曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，突變點(diǎn)位于顯著性區(qū)域內(nèi)，經(jīng)信噪比檢驗(yàn)S/N=0.56，突變點(diǎn)未通過顯著性檢驗(yàn)，且1990年前后兩段時(shí)間序列的雷暴日數(shù)均值變幅僅為4.3 d，說明烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)未出現(xiàn)明顯減少的突變趨勢(shì)。在2001年后 UF曲線超過臨界值，雷暴日數(shù)減少趨勢(shì)顯著增強(qiáng)，但在2011—2013年雷暴日數(shù)減少趨勢(shì)變緩。

進(jìn)一步對(duì)山區(qū)、城區(qū)、平原區(qū)雷暴日數(shù)的突變分析表明，城區(qū)在時(shí)間序列上UF曲線與UB未出現(xiàn)交點(diǎn)，僅在1984年雷暴日數(shù)表現(xiàn)為由上升轉(zhuǎn)為下降的過程；山區(qū)和平原區(qū)在臨界范圍內(nèi)UF曲線與UB均出現(xiàn)交點(diǎn)，分別為1991年（S/N=0.54）、1986年（S/N=0.33），均未通過信噪比檢驗(yàn)，說明近33年來烏魯木齊各區(qū)雷暴日數(shù)總體表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)，但均未出現(xiàn)顯著下降的突變特征。

2.2.4變化趨勢(shì)。

根據(jù)R/S分析計(jì)算得出的Hurst指數(shù)值可知，近33年烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)的Hurst指數(shù)值達(dá)0.89，持續(xù)性達(dá)到很強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，表明雷暴日數(shù)未來還將維持過去的變化趨勢(shì)，亦即維持過去雷暴日數(shù)下降的變化趨勢(shì)，且持續(xù)性強(qiáng)度大。進(jìn)一步分析表明，烏魯木齊各區(qū)雷暴日數(shù)未來變化趨勢(shì)存在明顯的Hurst現(xiàn)象，Hurst指數(shù)值表現(xiàn)為平原區(qū)>山區(qū)>城區(qū)。其中平原區(qū)Hurst指數(shù)值達(dá)到0.90，趨勢(shì)持續(xù)性最強(qiáng)，其次為山區(qū)，而城區(qū)Hurst指數(shù)值僅為0.67，表明未來趨勢(shì)仍將維持下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)的持續(xù)性遠(yuǎn)弱于其他區(qū)域，結(jié)合近33年來城區(qū)雷暴日數(shù)表現(xiàn)為不顯著的下降趨勢(shì)，可推斷未來城區(qū)雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)維持下降的持續(xù)性強(qiáng)度不高，一定程度上保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

3結(jié)論

（1）近33年烏魯木齊地區(qū)雷暴空間分布總體表現(xiàn)為山區(qū)多于平原、南部多北部少的特征，南部山區(qū)為雷暴日數(shù)高值區(qū)，城區(qū)、北部平原區(qū)及達(dá)坂城谷地為相對(duì)低值區(qū)域。海拔與雷暴日數(shù)存在顯著的相關(guān)性，地形是影響空間分布差異的重要因素。

（2）近33年烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)總體呈波動(dòng)的下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-1.67 d/10 a。其中山區(qū)下降趨勢(shì)最為顯著，其次為平原區(qū)，城區(qū)表現(xiàn)為不顯著的下降過程?？傮w而言，20世紀(jì)80年代烏魯木齊地區(qū)雷暴活動(dòng)頻繁，1995—2010年為雷暴相對(duì)少發(fā)時(shí)期。

（3）近33年烏魯木齊地區(qū)月平均雷暴日數(shù)呈單峰型，

5—8月最為集中，其中7月雷暴出現(xiàn)頻率最高。夏季占全年

雷暴日數(shù)的82.6%，春季次之，秋季雷暴出現(xiàn)最少。山區(qū)、城區(qū)、平原區(qū)雷暴日數(shù)月際分布表現(xiàn)為較強(qiáng)的趨同性，均呈明顯的單峰型。

（4）突變檢驗(yàn)分析表明，近33年烏魯木齊地區(qū)雷暴日數(shù)總體表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)，但均未出現(xiàn)顯著下降的突變特征。R/S趨勢(shì)分析結(jié)果得出，烏魯木齊各區(qū)雷暴日數(shù)未來變化趨勢(shì)存在較強(qiáng)的持續(xù)性，即雷暴日數(shù)未來仍將維持下降趨勢(shì)，但城區(qū)維持下降趨勢(shì)的持續(xù)性強(qiáng)度不大。

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