近80年天津市雷暴日數(shù)變化特征研究

閆軍輝，王 娟，盧 山，王義民*，兀藝凡， 王黎明，馬 煜，崔 越

(1.信陽師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院,河南 信陽 464000; 2.信陽師范學(xué)院 河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治 重點實驗室,河南 信陽 464000; 3.陜西省氣候中心,陜西 西安 710014; 4.固始縣氣象局,河南 信陽 465200; 5.信陽師范學(xué)院 氣候與環(huán)境演變重點實驗室,河南 信陽 464000)

0 引言

雷暴日數(shù)作為一種中小尺度天氣系統(tǒng)的局地強對流天氣，常造成人畜傷亡，建筑物、電力設(shè)備或通信設(shè)施毀壞，引發(fā)森林火災(zāi)，給人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅.我國每一百萬人中大約有0.53人死于雷擊，高于美國和英國等發(fā)達國家[1].雷電災(zāi)害已被列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”和“電子時代的一大公害”，因而雷暴活動規(guī)律研究引起眾多學(xué)者的關(guān)注.例如有學(xué)者基于EOF和主值函數(shù)分析等方法，分析了我國年平均雷暴日數(shù)的時空分布特征，指出雷暴日數(shù)總體在波動中呈減少趨勢[2]156-162.區(qū)域雷暴日數(shù)也呈類似變化趨勢[3]，并于20世紀(jì)后期發(fā)生了減少性的突變[4-6].也有學(xué)者采用數(shù)理統(tǒng)計方法，對河南省雷暴日數(shù)時空分布的非均一性進行了分析，結(jié)果顯示河南省絕大多數(shù)地區(qū)的雷暴日數(shù)服從正態(tài)分布，站點之間偏度和峰度系數(shù)具有明顯的年際變化特征[7].然而，隨著雷暴日數(shù)的減少，部分地區(qū)雷暴初日和終日卻呈現(xiàn)開始早、結(jié)束晚的趨勢[8].盡管前人做了大量研究，但多集中于過去幾十年雷暴日數(shù)的變化，時間尺度相對較短.不同于過去百年局地氣候變化[9]1176-1183[10-11]，雷暴日數(shù)在更長時間尺度上的變化研究相對較少.本文利用天津市1934—2013年逐月雷暴日數(shù)資料，分析該地區(qū)雷暴日數(shù)的階段性變化、變化速率和突變時間，旨在揭示天津市雷暴現(xiàn)象的變化規(guī)律，可為雷電預(yù)警、預(yù)報及防雷決策等提供理論依據(jù).

1 資料來源和研究方法

1.1 資料來源

論文所用資料為1934—2013年天津市逐月雷暴日數(shù)資料.其中，1934—1960年逐月雷暴日數(shù)來自《天津氣象資料1890—1960》,1961—1970年逐月雷暴日數(shù)來自《1961—1970中國天氣日數(shù)資料》,1971—2013年逐月雷暴日數(shù)資料源自《中國地面氣象資料年冊》.根據(jù)氣象觀測規(guī)范定義，只要一日中觀測到或聞雷，無論其持續(xù)時間長短，均定義為一個雷暴日，年雷暴日數(shù)為一年內(nèi)各月雷暴日數(shù)的總和.太平洋年代際震蕩指數(shù)(Pacific Decadal Oscillation Index,PDOI)數(shù)據(jù)來自美國大氣與海洋聯(lián)合研究所(http:∥research.jisao.washington.edu/pdo/).

1.2 研究方法

1.2.1 最優(yōu)分割法

為更精確地分析天津市雷暴日數(shù)的階段性變化特征，本文采用最優(yōu)分割法對序列進行冷暖時段劃分.該方法是對一批有序數(shù)據(jù)進行分段的統(tǒng)計方法，分段的結(jié)果使段內(nèi)數(shù)據(jù)之間的差異最小，而各段之間的差異最大[12].我們可以用離差平方和來表示分段內(nèi)(間)的差異.假設(shè)將n個有序樣品分割成L段，分段后總的離差平方和T可分解為段內(nèi)離差平方和W和段間離差平方和B：

T=W+B,

(1)

(2)

(3)

1.2.2 滑動線性傾向率

論文采用回歸方法計算天津市年雷暴日數(shù)的逐年變化趨勢.為更精確分析近80 a天津市雷暴日數(shù)的多年代變化特征，論文采用30 a滑動方法，滑動計算每30 a雷暴日數(shù)的線性趨勢，采用最小二乘法擬合其線性傾向率，并估算其95%置信區(qū)間[9]1177[13].若xi為ti年天津市雷暴日數(shù)，則氣候傾向率k公式為：

(4)

1.2.3 滑動t檢驗

(5)

其中，

(6)

t統(tǒng)計量遵從自由度n1+n2-2的t分布.給定顯著性水平α，若|ti|>tα，則認為基準(zhǔn)點前后的兩子序列在基準(zhǔn)點時刻出現(xiàn)了突變[14]63-65.

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴日數(shù)階段變化

1934—2013年天津市年雷暴日數(shù)變化曲線如圖1.由圖1可知，近80 a天津市年均雷暴日數(shù)為26.3 d，根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB 50343—2012)[15]，年平均雷暴日數(shù)大于25 d，不超過40 d，屬于中雷區(qū).天津市年雷暴日數(shù)年際差異顯著，最大值為43 d，出現(xiàn)在1967年；最小值僅為6 d，出現(xiàn)在1934年.線性擬合顯示，1934—2013年天津市逐年雷暴日數(shù)呈不顯著增加趨勢，變化速率為0.6 d/10 a，回歸方程未通過0.05顯著性檢驗.

圖1 1934—2013年天津市雷暴日數(shù)變化

最優(yōu)分割線顯示，過去80 a天津市年雷暴日數(shù)大致經(jīng)歷“少—多—少”的多年代際波動，可將其劃分為3個時段：1934—1953年雷暴日數(shù)相對較少，該時段年均雷暴日數(shù)為21.2 d，多數(shù)年份(15 a，占該時段75%)雷暴日數(shù)在均值以下.其中，雷暴日數(shù)最多為38 d，出現(xiàn)在1941年；最少僅為6 d，出現(xiàn)在1934年，最多年雷暴日數(shù)比最少年多32 d.1954—1996年時段是雷暴現(xiàn)象多發(fā)期，屬雷暴日數(shù)較多的時段，該時段年均雷暴日數(shù)達29.4 d，約2/3年份的雷暴日數(shù)在均值以上，1967年雷暴日數(shù)最多(43 d)，1981年最少(15 d)，極差為28 d.1997年開始，天津市雷暴日數(shù)開始急劇減少，1997—2013年平均雷暴日數(shù)為24.3 d，雷暴日數(shù)最多年份(1998年,31 d)比最少年份(2010年,12 d)多19 d.對比3個時段雷暴日數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差可知，1997—2013年標(biāo)準(zhǔn)差最小，為5.6 d；1934—1953年最大,為8.5 d.表明第一個時段雷暴日數(shù)波動較為劇烈，21世紀(jì)初以來雷暴日數(shù)波動則較為平緩.這一特征在3個時段內(nèi)的極差上也有所體現(xiàn)(表1).

表1 1934—2013年天津市雷暴日數(shù)階段變化

2.2 雷暴日數(shù)月變化

近80 a天津市雷暴日數(shù)月變化呈典型的“單峰型”結(jié)構(gòu)(圖2)，偏度為1.130，正值表明天津市月均雷暴日數(shù)為正偏(右偏)；峰度為-0.156，負值表明月均雷暴日數(shù)曲線比較平緩.從月平均雷暴日數(shù)變化曲線可知，天津市冬季沒有雷暴現(xiàn)象出現(xiàn)，3月與11月雷暴日數(shù)極少，二者平均雷暴日數(shù)不足全年的1%;4、5月雷暴日數(shù)相對3月份明顯增多，兩個月平均雷暴日數(shù)約占全年雷暴日數(shù)的13.4%;6～8月為雷暴日數(shù)高發(fā)期，并于7月達到峰值，夏季3個月平均雷暴日數(shù)為19.6 d，占全年雷暴日數(shù)的75%;天津市雷暴日數(shù)從9月份開始減少，9～10月平均雷暴日數(shù)為3 d，占全年雷暴日數(shù)的11.4%.由此可知，1934年以來天津市月均雷暴日數(shù)主要集中在夏季6～8月，雷暴活動具有明顯的集中性和季節(jié)性特點.這一特點可能與天津市的氣候特征有關(guān)：天津市東臨渤海，夏季高溫潮濕,隨著太平洋高壓增強并逐漸北移，潮濕的東南季風(fēng)沿著高壓的西側(cè)向北移動，帶來大量的暖濕空氣,一旦有弱的中小尺度天氣系統(tǒng)移來，很容易形成局地強對流天氣;冬季冷空氣占主導(dǎo)地位，空氣對流運動較弱，沒有雷暴現(xiàn)象發(fā)生.

圖2 1934—2013年天津市雷暴日數(shù)逐月變化

2.3 雷暴日數(shù)年際變化

由圖1可知，1934—2013年天津市雷暴日數(shù)呈不顯著增加趨勢(回歸方程未通過0.05顯著性檢驗).盡管天津市雷暴日數(shù)在百年尺度上線性趨勢不明顯，但在多年代際尺度上呈多次顯著增加和減少趨勢.由圖3(a)可知，過去80 a天津市雷暴日數(shù)存在“增加—減少—增加—減少”的變化趨勢.1934—1980年與1965—2002年時段內(nèi)，天津市雷暴日數(shù)30 a滑動變化速率均為正值；1952—1993年與1974—2013年兩時段的滑動變化速率為負.表明前兩個時段雷暴日數(shù)呈增加趨勢，后兩個時段則呈減少趨勢.其中，最大增加速率出現(xiàn)在1942—1971年，一元線性回歸擬合顯示，線性傾向率為4.46±3.3 d/10 a(95%置信區(qū)間，下同)，回歸方程通過0.01顯著性水平檢驗.天津市年雷暴日數(shù)30 a尺度上的最大減少速率發(fā)生于1955—1984年，其線性傾向率為-3.07±3.18 d/10 a，回歸模型F檢驗統(tǒng)計量值為3.895，未通過0.05顯著性檢驗(sig.=0.058).以上分析也表明，過去80 a天津市雷暴日數(shù)增減呈不對稱性變化，雷暴日數(shù)增加速率高于減少速率.

2.4 雷暴日數(shù)突變

滑動t檢驗檢測1934—2013年天津市雷暴日數(shù)的突變結(jié)果見圖3(b).序列樣本量為80，選取的子序列長度為15 a，給定顯著性水平α=0.01下t統(tǒng)計量的信度值為±2.47，滑動t統(tǒng)計量超過99%置信線的峰值即為突變年份.從圖中可以看出，在30 a時間尺度上，t統(tǒng)計量超過0.01顯著性水平的峰值點有2個，其中1954年為正值，1997年為負值，表明在30 a尺度上，天津市雷暴日數(shù)出現(xiàn)過2次明顯的突變.其中，在1954年發(fā)生了由少轉(zhuǎn)多的轉(zhuǎn)折，1997年則經(jīng)歷一次由多轉(zhuǎn)少的明顯突變.

(a)為天津市雷暴日數(shù)30 a尺度滑動線性速率,

2.5 雷暴日數(shù)與太平洋年代際震蕩指數(shù)(PDOI)對比

在年代際尺度上，雷暴日數(shù)的變化與太平洋年代際震蕩有關(guān).研究表明，春季PDOI與江蘇省夏季雷暴日數(shù)的變化趨勢幾乎相反[16]，天津市雷暴日數(shù)與PDOI關(guān)系也呈類似規(guī)律.過去80 a，天津市年雷暴日數(shù)與PDOI大致呈反相位關(guān)系：1934年至20世紀(jì)40年代初，PDOI為正，雷暴日數(shù)相對較少；20世紀(jì)40年代末至70年代后期，PDOI轉(zhuǎn)為負值，天津市雷暴日數(shù)主要以正距平為主；進入21世紀(jì)后，PDOI為負距平，天津市雷暴日數(shù)逐漸增加;然而20世紀(jì)80年代至90年代末，PDOI為正值，但天津市雷暴日數(shù)仍以正距平為主，二者相位相同，變化趨勢一致，出現(xiàn)了同步變化的現(xiàn)象(圖4)，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因，有待于進一步研究.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

已有研究表明：我國南方及東北地區(qū)雷暴日數(shù)存在顯著年代變化，20世紀(jì)80年代的頻次明顯偏高,20世紀(jì)最后30年，我國大部分地區(qū)雷暴頻數(shù)在波動中減少[2]156-162，但由于21世紀(jì)初雷暴頻次逐漸增加，導(dǎo)致南方地區(qū)1980—2010年沒有顯著的線性趨勢[17].天津市1954—1996年雷暴日數(shù)相對偏多，1974—2013年雷暴日數(shù)30 a滑動變化速率為負，表明近40 a天津市雷暴日數(shù)呈減少趨勢，且變化速率未通過0.05顯著性水平檢驗.這與前人研究結(jié)論基本一致.本文研究還表明，盡管1965年開始，天津市雷暴日數(shù)先后出現(xiàn)“增加”和“減少”變化趨勢，但從更長時間尺度上看，增加與減少速率均未超過20世紀(jì)50年代以前的水平.進入21世紀(jì)后，PDOI為負距平，天津市雷暴日數(shù)逐漸增加.20世紀(jì)80年代至90年代末，PDOI為正值，但天津市雷暴日數(shù)仍以正距平為主，二者相位相同，變化趨勢一致，出現(xiàn)了同步變化的現(xiàn)象，導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因有待進一步分析.

(a)為1934—2013年天津市雷暴日數(shù),

3.2 結(jié)論

利用天津市1934年以來逐月雷暴日數(shù)資料，分析了過去80 a天津市雷暴日數(shù)的變化特征，主要結(jié)論如下：

1)1934—2013年天津市雷暴日數(shù)多年平均值為26.3 d，其中最大值(1967年,43 d)比最小值(1934年,6 d)多37 d；近80 a天津市雷暴日數(shù)經(jīng)歷“少—多—少”的多年代際波動,1934—1953年與1997—2013年相對較少，多年雷暴日數(shù)均值分別為21.2 d和24.3 d；1954—1996年則相對較多，多年雷暴日數(shù)均值達29.4 d.

2)近80 a天津市雷暴日數(shù)月變化呈典型的“單峰型”結(jié)構(gòu).集中發(fā)生在6～8月，平均雷暴日數(shù)為19.6 d，占全年雷暴日數(shù)的75%；其次為4、5月和9、10月；3月和11月雷暴日數(shù)較少，冬季未發(fā)生雷暴現(xiàn)象.

3)30 a滑動變化速率顯示,過去80 a天津市雷暴日數(shù)出現(xiàn)多次增加和減少過程.其中，最大增加速率出現(xiàn)在1942—1971年，線性傾向率為4.46±3.3 d/10 a；最大減少速率發(fā)生在1955—1984年，其線性傾向率為-3.07±3.18 d/10 a，未通過0.05 顯著性檢驗.盡管天津市雷暴日數(shù)自20世紀(jì)70年代末開始出現(xiàn)多次增減過程，但其增加與減小速率均未超出以前水平.

4)滑動t檢驗顯示在30 a尺度上，天津市雷暴日數(shù)分別于1954年和1997年發(fā)生兩次突變.前者雷暴日數(shù)由少轉(zhuǎn)多，而后者則由多轉(zhuǎn)少.