1961—2016年我國閃電日數(shù)時(shí)空分異格局及其變化趨勢(shì)和波動(dòng)特征

孔鋒 ，方建 ，孫劭 ，王品 ，呂麗莉

（1.清華大學(xué)公共管理學(xué)院，北京100084；2.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京100081；3.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆烏魯木齊830002；4.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079；5.中國氣象局國家氣候中心，北京100081；6.杭州師范大學(xué)理學(xué)院遙感與地球科學(xué)研究所，浙江杭州311121）

0 引 言

閃電是強(qiáng)對(duì)流的災(zāi)害性天氣之一［1-3］，一般發(fā)生在積雨云中［4-8］。閃電不僅顯著影響移動(dòng)通訊［9-11］，而且嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全［12-13］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每日約發(fā)生5萬次雷電活動(dòng)，任意時(shí)刻約發(fā)生2 000次。我國閃電每年致死人數(shù)達(dá)百人［14］，傷者近千人［15］，財(cái)產(chǎn)損失達(dá)數(shù)十億元［16］。以珠江三角洲為例，該地區(qū)是中國受閃電影響較嚴(yán)重的地區(qū)之一，閃電災(zāi)害占總災(zāi)害損失的6%左右，最高年份可達(dá)9.25%，每年閃電災(zāi)害的損失均在5 000萬元以上［17］。

根據(jù)雷電活動(dòng)的出現(xiàn)日數(shù)及初、終期，我國雷電分為4個(gè)區(qū)。第1區(qū)為105°E以東和長江以北地區(qū)，這一地區(qū)范圍大，年均閃電日數(shù)有所不同，集中在20～50 d，且閃電日數(shù)隨維度變化不大。其中，第1區(qū)春、夏、秋、冬季平均閃電日數(shù)分別約為4，25，5和0.1 d［18］。第 2區(qū)為 105°E以東和長江以南地區(qū)，該區(qū)是我國閃電日數(shù)最高區(qū)，其中，長江沿岸地區(qū)閃電日數(shù)約40 d，兩廣地區(qū)和海南島是我國閃電活動(dòng)最為活躍的區(qū)域，閃電日數(shù)普遍多于50 d。夏季，第2區(qū)熱對(duì)流活躍，沿海地區(qū)的閃電日數(shù)多于同緯度內(nèi)陸地區(qū)，南方丘陵地區(qū)多于平原，該地區(qū)閃電日數(shù)隨維度的減小而增加。第3區(qū)為105°E以西和36°N以北地區(qū)，深居?xùn)|亞大陸腹地，水汽少，對(duì)流活動(dòng)欠佳，產(chǎn)生閃電活動(dòng)的基本條件較差，年均閃電日數(shù)普遍少于10 d。第4區(qū)為105°E以西和36°N以南地區(qū)，該地區(qū)多為高原和山地，地形起伏較大，年均閃電日數(shù)在50 d以上，高于同緯度平原地區(qū)［19］。郄秀書等［20］研究了青藏高原的雷電活動(dòng)，提出高原上較低的對(duì)流不穩(wěn)定能量導(dǎo)致青藏高原雷電強(qiáng)度低于其他地區(qū)。同時(shí)，郄秀書等［21］利用衛(wèi)星觀測(cè)全球閃電定位資料，分析了全球閃電活動(dòng)的地域分異規(guī)律，發(fā)現(xiàn)海洋上的閃電活動(dòng)與陸地相差幾十倍，且閃電頻數(shù)與放電強(qiáng)度相差很大。周筠珺等［22-23］對(duì)我國西南及其周邊地區(qū)的雷電活動(dòng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)由于受下墊面性質(zhì)和地形影響，該區(qū)雷電的空間分布極不均勻，且雷電主要發(fā)生在春、夏季節(jié)，并受ENSO事件影響，伴有3 a的周期變化。林建等［24］分析了1970—2006年中國雷電事件的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)全國雷電日數(shù)呈下降趨勢(shì)，高原區(qū)和南方區(qū)的下降趨勢(shì)明顯。沈永海等［25］利用SAFIR閃電定位資料分析了2004—2010年北京及周邊地區(qū)夏季云閃時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)平原云閃密度高于山地，且與強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)高度吻合。鄧德文等［26］分析了2005—2010年我國3個(gè)典型地區(qū)的雷電活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)雷電活動(dòng)的區(qū)域性很大，對(duì)氣溫及大氣不穩(wěn)定參量有較好的響應(yīng)。閃電易損害發(fā)電廠和輸送變電設(shè)備終端，造成產(chǎn)業(yè)災(zāi)難［27-29］。據(jù)已有研究，全球變暖背景下閃電發(fā)生更加頻繁［13，27］。根據(jù)2007—2013年我國閃電定位網(wǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，82%的雷電活動(dòng)發(fā)生在6—8月［27］。以2013年為例，全國共發(fā)生閃電約1 047萬次，8月達(dá)到峰值，雷電災(zāi)害也以8月最多，達(dá)853起，占全年雷災(zāi)事故的25%。北方、華南和西南部分地區(qū)雷電活動(dòng)呈增強(qiáng)趨勢(shì)，平均每年每km2增加約0.7次。2007年以來，全國因雷擊災(zāi)害導(dǎo)致的傷亡明顯減少。以2013年為例，全國發(fā)生了3 380起雷電災(zāi)害事故，造成178人死亡、177人受傷，明顯少于2007年及2007—2013年的平均值；雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失卻不斷增加，尤其對(duì)電力和通信行業(yè)影響巨大。2013年，我國雷電災(zāi)害導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失為2.46億元，間接經(jīng)濟(jì)損失為3.23億元，其中，電力和通信行業(yè)雷電災(zāi)害事故較多，分別占總雷電災(zāi)害數(shù)的14%和11%。除此之外，我國的雷電活動(dòng)南方多，北方少；城市多，鄉(xiāng)村少，但農(nóng)村傷亡人數(shù)多，是城市傷亡人數(shù)的1.9倍。

已有研究多從局地短時(shí)間角度分析短期內(nèi)的閃電形成原因，側(cè)重于閃電大氣動(dòng)力學(xué)過程［29-33］，而對(duì)我國整體長期的閃電時(shí)空演變特征研究較少。閃電是人類未來可利用的潛在資源之一，深入了解我國長期閃電事件時(shí)空演變特征，不僅可全面了解閃電的時(shí)空分布特征，合理利用閃電資源，服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，而且對(duì)開展閃電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及降低對(duì)人民生命安全的威脅和財(cái)產(chǎn)損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科技支撐作用。

1 數(shù)據(jù)和方法

1961—2016年2 481個(gè)站點(diǎn)的閃電日數(shù)年值數(shù)據(jù)來自中國氣象局國家氣候中心的《閃電日數(shù)數(shù)據(jù)集》。根據(jù)地面氣象閃電觀測(cè)規(guī)范，數(shù)據(jù)的實(shí)有率均在98%以上［34］，數(shù)據(jù)的正確率均接近100%，站點(diǎn)分布如圖1所示。本文采用的方法主要包括線性趨勢(shì)檢測(cè)、連續(xù)小波功率譜、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、反距離權(quán)重插值和變異系數(shù)。本文根據(jù)已有研究成果統(tǒng)計(jì)我國7大地理分區(qū)的閃電日數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征（見圖1）。

圖1 我國數(shù)字高程、7大地理分區(qū)和氣象站點(diǎn)分布Fig.1 DEM and meteorological station in China and distribution of seven geographical regions

2 結(jié)果與分析

2.1 我國閃電日數(shù)時(shí)序趨勢(shì)性分析

從時(shí)間變化來看，1961—2016年我國年均單站閃電日數(shù)呈明顯的波動(dòng)減少趨勢(shì)（見圖2）。在年代變化上，我國各年代年均單站閃電日數(shù)除2010年增加外，其他年均呈不同程度的減少趨勢(shì)，年平均單站閃電日數(shù)從1960年的31 d降至2000年的7 d，減少77.42%。

從區(qū)域來看，1961—2016年我國7大地理分區(qū)年均單站閃電日數(shù)均呈明顯的波動(dòng)減少趨勢(shì)。其中，西北西部和西藏地區(qū)年均單站閃電日數(shù)波動(dòng)幅度較大，呈“先減（1961—1970年）-后增（1971—1983年）-再減（1984—2016年）”的分段變化特征。通過對(duì)比7大地理分區(qū)閃電日數(shù)時(shí)序變化發(fā)現(xiàn)，1961—2016年我國西南地區(qū)和東南地區(qū)年均閃電事件發(fā)生頻率最高，西北東部地區(qū)和西北西部地區(qū)相對(duì)較少，這與水汽來源和對(duì)流活動(dòng)的活躍程度一致相關(guān)。西北地區(qū)深居我國內(nèi)陸腹地，降水事件頻率較東部地區(qū)少，且多以大尺度的過程型天氣事件為主，強(qiáng)對(duì)流天氣活動(dòng)相對(duì)不發(fā)達(dá)［35］。而我國西南和東南地區(qū)，水汽來源充足，加之城市化水平相對(duì)較高，因此，極有利于對(duì)流型天氣過程的發(fā)育，尤其是午后城市區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)頻繁［36］。

研究表明，我國多數(shù)城市極端降水事件呈增多趨勢(shì)［37-40］，大尺度過程型降水和局地尺度的對(duì)流型降水均有不同程度的增加［41］。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市午后的對(duì)流活動(dòng)不斷增強(qiáng)。值得注意的是，全球變暖背景下，我國7大地理分區(qū)氣溫均呈上升趨勢(shì)，海陸溫差整體減小，東亞季風(fēng)強(qiáng)度有所減弱，大氣中的云層覆蓋率也呈明顯降低趨勢(shì)，綜合自然和人文因素，可能導(dǎo)致中國閃電事件發(fā)生頻率降低。

2.2 我國閃電日數(shù)周期振蕩特征分析

圖3為基于連續(xù)小波功率譜的全國和我國不同地理分區(qū)的年均閃電日數(shù)周期振蕩圖?！癡”形黑線表示1961—2016年閃電日數(shù)波譜的有效閾值；該線以上區(qū)域表示1961—2016年閃電日數(shù)的有效波譜值，該線以下區(qū)域表示1961—2016年閃電日數(shù)的無效波譜值。粗黑線圍成的圓形表示閃電日數(shù)的振蕩周期通過了P＜60.05顯著性水平的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)。據(jù)此可知，1961—2016年我國年均單站閃電日數(shù)具有2～4 a的振蕩周期（見圖3），且通過了P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)。從7大地理分區(qū)來看，東北、北方、西北東部和東南地區(qū)的年均單站閃電日數(shù)也具有2～4 a的振蕩周期，且通過了P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)。西北西部地區(qū)的年均單站閃電日數(shù)具有2，4和6 a左右的振蕩周期，且通過了P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)。西藏地區(qū)年均單站閃電日數(shù)存在3和8 a左右的振蕩周期，且通過了P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)。西南地區(qū)年均單站閃電日數(shù)存在2～6 a的振蕩周期，且通過了P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)。通過分析不同地區(qū)的振蕩周期，不僅可有效了解該區(qū)閃電事件的規(guī)律性特征，還有助于閃電事件的氣候預(yù)測(cè)，從而更好地服務(wù)于防災(zāi)減災(zāi)和雷電資源利用。

圖2 我國閃電日數(shù)分段時(shí)序變化（1961—2016年）Fig.2 Piecewise tendency of lighting days in China from 1961 to 2016

2.3 我國閃電日數(shù)突變特征診斷

圖3 基于連續(xù)小波功率譜的我國閃電日數(shù)周期特征（1961—2016年）Fig.3 Fluctuation of lighting days in China from 1961 to 2016 based on continuous wavelet power spectrum

圖4是基于MK檢驗(yàn)的1961—2016年全國和不同地理分區(qū)年均單站閃電日數(shù)的突變?cè)\斷圖。UF和UB為閃電日數(shù)統(tǒng)計(jì)量曲線。在本研究中分別取－1.96～1.96和－2.56～2.56作為閃電日數(shù)臨界曲線的MK檢驗(yàn)值，也即P＜0.05和P＜0.1顯著性水平的置信區(qū)間。從圖4可知，1961—2016年全國和西北東部、西北西部、西藏和西南地區(qū)年均單站閃電日數(shù)分別在1993，1995，1997和1991年發(fā)生了突變，但均未通過P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)，僅西北西部和西藏地區(qū)年均單站閃電日數(shù)突變通過了P＜0.1顯著性水平的檢驗(yàn)。由此可判斷，全國及7大地理分區(qū)的年均單站閃電日數(shù)在1961—2016年具有突變特征，且相對(duì)集中在20世紀(jì)80年代末至90年代中后期，但置信水平較低。

圖4 基于MK檢驗(yàn)的我國閃電日數(shù)突變特征（1961—2016年）Fig.4 Climatic mutation of lighting days in China from 1961 to 2016 based on Mann-Kendall

2.4 我國閃電日數(shù)氣候態(tài)空間分異特征

從空間分布看，1961—2016年我國年均閃電日數(shù)呈明顯的“南高北低”的空間分布格局（見圖5）。其中，年均閃電日數(shù)超過40 d的地區(qū)主要分布在華南及其以西的西南地區(qū)，尤其是福建、江西、廣東、廣西、海南、云南、貴州南部和四川南部地區(qū)，年均閃電日數(shù)超過了45 d。這些地區(qū)處于低緯度，深受南海季風(fēng)和東南季風(fēng)的影響，以熱帶季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，臺(tái)風(fēng)登陸頻繁，常年水汽充足。同時(shí)，該地區(qū)受西太平洋副熱帶高壓控制，對(duì)流有效位能高，對(duì)流活動(dòng)顯著，是我國雨帶的主要集中地之一［42］。加之地形復(fù)雜，人類活動(dòng)程度劇烈，城市化水平高，城市熱島和城市雨島效應(yīng)顯著，地理環(huán)境和人類活動(dòng)有利于閃電事件的發(fā)生［42-44］。我國西北內(nèi)陸地區(qū)的年均閃電日數(shù)普遍偏低，尤其是新疆南部和東部、甘肅北部和青海北部，年均閃電日數(shù)低于5 d。這可能是由于這些地區(qū)深入我國內(nèi)陸腹地，水汽來源稀少，天氣系統(tǒng)過程相對(duì)較少，強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)較弱［45］。我國其他地區(qū)的年均閃電日數(shù)主要集中在15～20 d。綜上，1961—2016年我國氣候態(tài)的閃電日數(shù)分布特征是地理環(huán)境、對(duì)流性天氣過程和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。

圖5 中國年均閃電日數(shù)氣候態(tài)空間分布（1961—2016年）Fig.5 Spatial distribution of lightning days in China from 1961 to 2016

圖6 我國閃電日數(shù)年代距平空間分布（1961—2016年）Fig.6 Spatial distribution of decadal anomaly of lightning days in China from 1961 to 2016

2.5 我國閃電日數(shù)年代距平空間分異特征

從年代距平來看，1961—1970年和1971—1980年，我國胡煥庸線以東地區(qū)的閃電日數(shù)距平以正距平為主（見圖6），1971—1980年，我國長江以南地區(qū)是閃電日數(shù)正距平高值分布區(qū)，而1961—1970年，除黃土高原和華北平原部分地區(qū)外，胡煥庸線以東地區(qū)是閃電日數(shù)正距平高值分布區(qū)。長江以南地區(qū)是閃電日數(shù)正距平高值區(qū)，1981—2000年正距平高值區(qū)范圍較1961—1980年有所減小，且閃電日數(shù)正距平的區(qū)域范圍也相繼減少。2000年后，秦嶺-淮河以南多數(shù)地區(qū)的閃電日數(shù)均為負(fù)距平高值區(qū)，且這一時(shí)段胡煥庸線以東的我國東部地區(qū)閃電日數(shù)距平多為較大負(fù)值，胡煥庸線以西地區(qū)的閃電日數(shù)距平也多為較小負(fù)值。

2.6 我國閃電日數(shù)變化趨勢(shì)和波動(dòng)的空間分異特征

從變化趨勢(shì)來看，1961—2016年我國閃電日數(shù)變化趨勢(shì)整體上以減少為主（見圖7），僅西北內(nèi)陸地區(qū)呈微弱增加的趨勢(shì)。閃電日數(shù)變化趨勢(shì)以長江為界呈明顯的“南低-北高”的空間分異特征。我國沿海省份閃電日數(shù)的變化趨勢(shì)明顯低于相鄰的內(nèi)陸省份。西北內(nèi)陸地區(qū)由于對(duì)流性天氣過程相對(duì)較少，尤其是以閃電為表征的極端天氣事件發(fā)生較少，因此，其閃電日數(shù)變化趨勢(shì)增減幅度很小。從波動(dòng)特征來看，1961—2016年我國閃電日數(shù)年際波動(dòng)呈明顯的團(tuán)狀分散分布特征（見圖8），這可能與自然地理環(huán)境和人類活動(dòng)有關(guān)。其中，青藏高原、華北平原、長江兩岸附近地區(qū)均為閃電日數(shù)年際波動(dòng)較大的地區(qū)。而長江以南的沿海地區(qū)和新疆中部及北部地區(qū)的閃電日數(shù)年際波動(dòng)相對(duì)較小，表明這些地區(qū)的閃電天氣較我國其他地區(qū)穩(wěn)定。

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié) 論

3.1.1 1961—2016年，我國年均單站閃電日數(shù)整體呈減少趨勢(shì)。年代際年均單站閃電日數(shù)除2010年增加外，其他均呈減少趨勢(shì)，減少了77.42%。7大地理分區(qū)1961—2016年年均單站閃電日數(shù)整體呈減少趨勢(shì)。西北西部和西藏地區(qū)年均單站閃電日數(shù)呈“減（1961—1970年）-增（1971—1983年）-減（1984—2016年）”的分段變化特征。

圖7 我國閃電日數(shù)年際變化趨勢(shì)的空間分布（1961—2016年）Fig.7 Spatial distribution of annual trend of lightning days in China from 1961 to 2016

圖8 我國閃電日數(shù)年際波動(dòng)特征的空間分布（1961—2016年）Fig.8 Spatial distribution of annual fluctuation of lightning days in China from 1961 to 2016

3.1.2 1961—2016年，全國、東北、北方、西北東部和東南地區(qū)年均單站閃電日數(shù)呈2～4 a的周期變化。西北西部年均單站閃電日數(shù)呈2，4和6 a左右的周期變化。西藏地區(qū)年均單站閃電日數(shù)呈3和8 a左右的周期變化。西南地區(qū)年均單站閃電日數(shù)呈2～6 a左右的周期變化。以上地區(qū)的周期振蕩均通過了P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)。全國及7大地理分區(qū)的年均單站閃電日數(shù)突變集中發(fā)生在20世紀(jì)80年代末至90年代中后期。全國、東北、北方和東南地區(qū)年均單站閃電日數(shù)突變均發(fā)生在1988年。西北東部、西北西部、西藏和西南地區(qū)突變分別發(fā)生在1993，1995，1997和1991年。上述地區(qū)的周期振蕩均未通過P＜0.05顯著性水平的檢驗(yàn)。

3.1.3 在空間上，1961—2016年我國年均閃電日數(shù)呈明顯的“南多北少”的空間分布格局。對(duì)于年代際距平，1961—1970年和1971—1980年，胡煥庸線以東地區(qū)閃電日數(shù)以正距平為主。1981—2000年，長江以南地區(qū)正距平范圍相繼減少。2000年以后，胡煥庸線以東地區(qū)以負(fù)距平為主。我國閃電日數(shù)年際變化趨勢(shì)整體上以減少為主，尤其是長江以南的沿海地區(qū)減少明顯。青藏高原、華北平原、長江兩岸附近地區(qū)均為閃電日數(shù)年際波動(dòng)較大的地區(qū)。而長江以南的沿海地區(qū)和新疆中部及北部地區(qū)年際波動(dòng)相對(duì)較小。

閃電事件是強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)物，通常會(huì)嚴(yán)重影響城市通信，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。在我國長江以南的沿海地區(qū)，閃電發(fā)生頻率最高，年均閃電日數(shù)超過45 d，加之這一區(qū)域人口密集，通信類科技公司高度集聚，用電量大，閃電易對(duì)該地區(qū)通信類產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重影響。針對(duì)這一時(shí)空分布特征以及閃電資源的可利用性，需開展閃電致災(zāi)防范和閃電災(zāi)害指數(shù)保險(xiǎn)。同時(shí)，根據(jù)閃電的發(fā)生時(shí)間及特征，開展閃電資源的合理規(guī)劃與利用。對(duì)于我國長江以南的大部分地區(qū)，尤其是大都市群集聚的區(qū)域，要高度關(guān)注閃電致災(zāi)特征，科學(xué)規(guī)避閃電可能造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

3.2 討 論

3.2.1 本研究基于1961—2016年我國《閃電日數(shù)數(shù)據(jù)集》，該資料的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間序列長、站點(diǎn)密集。我國早期閃電活動(dòng)以基層觀測(cè)員的觀測(cè)為主，器測(cè)為輔，導(dǎo)致部分觀測(cè)遺漏，數(shù)據(jù)集均一性較差；同時(shí)，早期站點(diǎn)數(shù)量較少，有些資料經(jīng)過人工補(bǔ)缺或插補(bǔ)處理，具一定的不確定性。有待基于不同源的多套閃電資料，檢驗(yàn)不同時(shí)期、不同資料、不同尺度下的閃電活動(dòng)地域分異特征。

3.2.2 氣候變化背景下，極端天氣氣候事件增多，同時(shí)伴隨城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國多數(shù)氣象站點(diǎn)都或多或少受到城市化和大氣污染等人類活動(dòng)的影響。人類活動(dòng)和氣候變化如何影響閃電活動(dòng)，是當(dāng)前閃電研究的焦點(diǎn)問題之一。同時(shí)，雖然本文的結(jié)論與已有研究的結(jié)論具有一致性［18-26］，但基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)得到的閃電時(shí)空變化規(guī)律不一定完全代表我國面狀區(qū)域的閃電變化情況。尚需針對(duì)不同區(qū)域、不同尺度、不同時(shí)段的閃電活動(dòng)，采用高精度格點(diǎn)閃電資料做進(jìn)一步對(duì)比分析。

3.2.3 變化環(huán)境下的閃電變化區(qū)劃研究?？焖俪鞘谢腿驓夂蜃兓尘跋拢W電活動(dòng)的局地性增強(qiáng)，且變異幅度出現(xiàn)新的特征。亟須開展不同環(huán)境下的閃電變化區(qū)劃研究，即以變化趨勢(shì)和波動(dòng)特征為指標(biāo)，開展閃電變率的區(qū)劃研究。