基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的閃電氣候研究

黃惺惺，魯峻麟，莊燕洵，殷啟元

(1.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣東 廣州 510641;2.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東 廣州 511430)

1 引言

廣東省是雷電災(zāi)害大省，雷電災(zāi)害常常引起社會(huì)的關(guān)注，具有較大的影響力，為了保證雷電災(zāi)害防御重點(diǎn)單位和區(qū)域的安全生產(chǎn)工作，深入研究全省閃電氣候特征變化顯得十分重要。早在2000年張敏鋒[1]等人利用1997—1998年的閃電資料分析得出廣東地區(qū)全天之中閃電高發(fā)時(shí)段為00—06時(shí)和12—18時(shí)；易燕明[2]等人通過分析廣東省雷暴日和閃電日的時(shí)空分布發(fā)現(xiàn)雷暴日和閃電日的趨勢(shì)變化有明顯的區(qū)域特征；莊燕洵[3]等人、劉三梅[4]等人利用廣東省閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)廣東省雷電活動(dòng)特征進(jìn)行了分析，得出全省的閃電密度高值區(qū)和雷電流分布情況。本文通過對(duì)最近17 a廣東省的閃電氣候進(jìn)行研究，著重分析全省閃電氣候年際變化特征、季節(jié)變化特征、月變化特征和閃電密度氣候變化趨勢(shì)等相關(guān)參數(shù)，得出雷暴日年際周期變化規(guī)律和閃電密度空間向量場分布規(guī)律，對(duì)減少雷電災(zāi)害事故具有重要意義，同時(shí)對(duì)閃電監(jiān)測(cè)預(yù)警具有一定的輔助研究意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文選取廣東省閃電定位系統(tǒng)近17 a(1999—2015年)的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。此套系統(tǒng)共有16個(gè)雷電方向時(shí)差探測(cè)站，在全省分布均勻，探測(cè)范圍覆蓋全省，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地閃活動(dòng)。該系統(tǒng)建于1995年，1997年開始運(yùn)行，2004年進(jìn)行過硬件升級(jí)，升級(jí)之后探測(cè)覆蓋范圍變廣，探測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)增多，數(shù)據(jù)源更加詳實(shí)可靠，探測(cè)效率和探測(cè)精度進(jìn)一步提高，對(duì)閃電事件的探測(cè)效率可達(dá)約93%[5]，平均定位精度約800～1 000 m，珠三角地區(qū)平均定位精度可達(dá)約320 m。

本文以每天00—24時(shí)為一個(gè)時(shí)段，如果在這個(gè)時(shí)段出現(xiàn)閃電則記錄為一個(gè)閃電日，一個(gè)閃電日內(nèi)包含多次閃電。主要采用的研究方法有小波分析和EOF分析等。EOF分析法是經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法，也稱特征向量分析或主成分分析，該方法以場的時(shí)間序列為分析對(duì)象。

3 閃電密度時(shí)間變化特征分析

3.1 年際變化特征

圖1給出了15 a(1999—2015年)廣東省閃電密度的距平情況和變化趨勢(shì)，由圖可知，全省的閃電密度值總體呈上升趨勢(shì)。通過計(jì)算得出，閃電密度的年際氣候趨勢(shì)傾向率a為0.53大于0，說明閃電密度隨著年份增加而出現(xiàn)明顯的增加，其中a的大小反應(yīng)了閃電密度增加的速率，氣候傾向率10 a則為5.3，表明每10 a閃電密度增加的幅度為5.3次/(km2·10 a)左右。從圖2廣東省閃電密度累積距平圖可以看出，全省閃電密度在2006年前后發(fā)生了變化，2006年以前年閃電密度負(fù)距平為主轉(zhuǎn)變?yōu)槟觊W電密度正距平為主，說明2006年以前閃電密度值較低，2006年以后閃電密度值增大。

圖1 1999—2015年廣東省閃電密度距平圖Fig.1 The lightning density departure map of guangdong province from 1999 to 2015

圖2 1999—2015廣東省閃電密度累積距平圖Fig.2 The cumulative lightning density departure map of guangdong province from 1999 to 2015

3.2 季節(jié)變化特征

由圖3季節(jié)分布柱狀圖可以看出，全省閃電日數(shù)夏季(6—8月)為全年最多，占全年總閃電日數(shù)的30.59%以上；春季(3—5月)次之，閃電日數(shù)約占全年28.63%；秋季(9—11月)閃電日數(shù)約占全年22.26%；冬季(12月—次年2月)最少，約占全年18.52%。造成這種季節(jié)分布的主要原因是3—5月廣東已進(jìn)入前汛期，也是華南暴雨高發(fā)期，雷電活動(dòng)頻繁；而6—8月份由于受暖濕氣流、局部對(duì)流抬升影響易形成強(qiáng)對(duì)流天氣，因此多雷電。

圖3 1999—2015廣東省閃電季節(jié)分布圖Fig.3 Distribution of lightning season in guangdong province from 1999 to 2015

表1可以看出廣東省春季平均閃電日數(shù)為75.5 d，夏季為79.6 d，秋季和冬季分別為58.3 d和48.5 d。閃電日數(shù)除了夏季以1.4 d/10 a速率減少以外，其他三季總體都表現(xiàn)為增加，其中春季以2.7 d/10 a的速率顯著增加，秋季和冬季分別以0.9 d/10 a和1.2 d/10 a的速率增加，其變化規(guī)律和變化趨勢(shì)見圖4。

表1 1999—2015年廣東省季節(jié)閃電氣候傾向率和相關(guān)系數(shù)Tab.1 Seasonal lightning climatic tendency rate and correlation coefficient in guangdong province from 1999 to 2015

圖4 1999—2015年廣東省四季閃電日數(shù)變化圖Fig.4 The variation of four seasonal lightning days in guangdong province from 1999 to 2015

3.3 月變化特征

廣東省幾乎每個(gè)月都會(huì)出現(xiàn)閃電，圖5為1—12月平均閃電日數(shù)，由圖可知閃電日數(shù)月變化特征十分明顯，全年有91.81%的閃電出現(xiàn)在1—10月。其中閃電日數(shù)在8月份為全年最高值，月平均閃電日數(shù)高達(dá)28 d，占據(jù)全年總閃電日數(shù)的10.51%。12月往往為全年閃電日數(shù)的最低值，比例僅為2.65%。

圖5 1999—2015年廣東省月平均閃電日變化Fig.5 The changes of monthly average lightning days in guangdong province from 1999 to 2015

3.4 周期變化特征

閃電日其中一個(gè)重要特征為多時(shí)間尺度。多時(shí)間尺度是指：閃電日變化規(guī)律，并不存在真正意義上的變化周期，而是其變化周期隨著研究尺度的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，這種變化具有特定的規(guī)律：即大時(shí)間尺度和小時(shí)間尺度時(shí)間的周期往往互相嵌套。也就是說，閃電日變化在時(shí)間域中存在多層次的時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)和局部變化特征。

圖6 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(1980—2013年雷暴日數(shù)據(jù))Fig.6 Contour map of wavelet coefficients real part (1980—2013 thunderstorm data)

圖6為小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，小波系數(shù)實(shí)部值的正負(fù)代表著雷暴日數(shù)的多少。由圖可知，雷暴日變化過程中有不同尺度的年周期變化特征?？偟膩碚f，在雷暴日變化過程中存在著13～16 a、7～11 a以及2～6 a的3類尺度的周期變化規(guī)律。13～16 a和7～11 a兩類尺度的周期變化表現(xiàn)出穩(wěn)定性和全域性，而2～6 a尺度的周期變化在2000年前有一定穩(wěn)定性。此外，13～16 a、7～11 a尺度中分別出現(xiàn)了高低交替的準(zhǔn)2次震蕩和準(zhǔn)4次震蕩。

4 閃電密度空間分布特征

本文采用EOF分析法來進(jìn)一步分析研究廣東省閃電密度的空間分布特征，將隨時(shí)間變化的變量場分解為不隨時(shí)間變化的空間函數(shù)部分以及只依賴時(shí)間變化的時(shí)間函數(shù)部分。

從表2可以看出前6個(gè)特征向量場累積的方差貢獻(xiàn)最大，占了總方差的95%以上，這種結(jié)果證明使用EOF分析特征向量場是合適的，在分析類似閃電這種天氣氣候來說是十分收斂的。

表2 閃電密度EOF分析前6個(gè)特征向量場的方差貢獻(xiàn)Tab.2 Percent of total variance explained by first six eigenvectors was analyzed by EOF

圖7為通過EOF分解廣東省21個(gè)地市15 a平均地閃密度得出的前4個(gè)特征向量場分布情況。EOF分解結(jié)果顯示：第一特征向量場EOF1全數(shù)為正值，稱為“一致型”，此種特征表現(xiàn)能出全省平均地閃密度空間分布的主要特點(diǎn)，即全省閃電密度值增加或減少的趨勢(shì)是統(tǒng)一的。高值區(qū)域主要分布在珠江三角洲一帶，低值區(qū)域主要分布在粵北，這種分布情況和廣東省海拔北高南低的地形情況有一定關(guān)系。第二特征向量場EOF2大致呈緯向型分布，負(fù)值區(qū)域出現(xiàn)在廣州市，高值中心出現(xiàn)在中山市，說明當(dāng)全省閃電密度發(fā)生變化時(shí)，廣州具有變化小，中山具有變化大的特征；第三特征向量場EOF3負(fù)值區(qū)域出現(xiàn)在粵西，說明當(dāng)全省其他區(qū)域閃電密度一致增加時(shí)，粵西閃電密度相對(duì)減少，EOF3反映了局部性對(duì)全省閃電密度的影響。第四特征向量EOF4全部為正值且大致呈經(jīng)向分布，閃電密度由西向東呈現(xiàn)“減少—增加—減少”的規(guī)律。

圖7 閃電密度空間向量場Fig.7 Lightning density spatial vector fields

5 結(jié)論

①1999—2015年來，廣東省閃電密度值隨著年份增加整體呈上升趨勢(shì)，每10 a閃電密度增加的幅度為5.3次/(km2·10 a)左右。

②全省閃電日數(shù)夏季(6—8月)為全年最多，且以1.4 d/10 a速率減少。春季、秋季和冬季總體都表現(xiàn)為增加，其中春季以2.7 d/10 a的速率顯著增加，秋季和冬季分別以0.9 d/10 a和1.2 d/10 a的速率增加。

③廣東省幾乎每個(gè)月都會(huì)出現(xiàn)閃電，閃電日數(shù)具有明顯的月變化特征，其中8月份達(dá)到閃電日數(shù)的峰值，月平均閃電日數(shù)高達(dá)28 d，占據(jù)全年總閃電日數(shù)的10.51%。12月為全年閃電日數(shù)的最低值，比例僅為2.65%。

④在雷暴日變化過程中存在著13～16 a、7～11 a以及2～6 a的3類尺度的周期變化規(guī)律。13～16 a和7～11 a兩類尺度的周期變化表現(xiàn)出穩(wěn)定性和全域性，而2～6 a尺度的周期變化在2000年前有一定穩(wěn)定性。

⑤廣東省閃電密度空間分布特征主要有一致型、局部型、緯向型和經(jīng)向型4種類型。