阜新市雷暴發(fā)生規(guī)律及對(duì)農(nóng)業(yè)造成的災(zāi)害

楊曉彤舒海燕李 凝

(遼寧省阜新市氣象局,遼寧 阜新 123000)

雷暴是一種伴有雷電現(xiàn)象的局地對(duì)流過程[1～2],雷暴天氣常伴有大風(fēng)、暴雨、冰雹等,是突發(fā)性強(qiáng)、破壞大的氣象災(zāi)害之一,尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會(huì)帶來嚴(yán)重的損失[3～5]。國家預(yù)警信息發(fā)布中心發(fā)布的《2020年預(yù)警大數(shù)據(jù)報(bào)告》顯示,該年共發(fā)布各類預(yù)警信息342 209條,相比往年均值增加了32%。其中,雷電、大風(fēng)、暴雨預(yù)警信息占一半以上。長期以來氣象學(xué)者一直高度關(guān)注雷暴的研究,取得了大量有意義的成果。許多學(xué)者針對(duì)雷暴天氣過程的成因和物理量場方面開展了廣泛的分析,提出了各種分析方法,但研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同[6～10]。阜新地處遼寧西北部,地形以低山和丘陵為主,屬于東北遼河平原與內(nèi)蒙古高原的中間過渡地帶,地形復(fù)雜,易產(chǎn)生熱力對(duì)流,遇有天氣系統(tǒng),如冷渦、切變、氣旋等均會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的強(qiáng)對(duì)流天氣,導(dǎo)致雷暴大風(fēng)的天氣較多,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害性比較大。本文結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件與氣候,通過各類數(shù)據(jù)分析計(jì)算,尋求普遍規(guī)律,開展雷暴天氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響的研究,不斷完善防災(zāi)減災(zāi)措施,積極應(yīng)對(duì)雷暴大風(fēng)天氣對(duì)農(nóng)作物的危害,對(duì)減輕當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)方面的經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

本文應(yīng)用阜新地區(qū)53年多測站的雷電數(shù)據(jù),利用Morlet小波分析、MK突變檢驗(yàn)、重標(biāo)極差R/S等方法對(duì)雷暴形成與特征進(jìn)行探討,獲得當(dāng)?shù)氐睦妆┌l(fā)生規(guī)律,探求其運(yùn)行特征。旨在為該地雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣移動(dòng)路徑的臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警提供判斷依據(jù),為更好地認(rèn)識(shí)當(dāng)?shù)貙?duì)雷電發(fā)生規(guī)律和防御農(nóng)業(yè)災(zāi)害提供重要參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取阜新市兩個(gè)國家基準(zhǔn)氣象觀測站1961～2013年的逐日(前一天20:00至當(dāng)日20:00)雷暴日數(shù)和逐日平均2 min風(fēng)速數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于CIMISS氣象內(nèi)部網(wǎng)站,經(jīng)過中國氣象局的嚴(yán)格質(zhì)量控制和檢查。規(guī)定2個(gè)測站中有1個(gè)或2個(gè)測站在該天(前一天20:00至當(dāng)天20:00)發(fā)生雷暴,即視為1個(gè)雷暴日;阜新市的平均風(fēng)速規(guī)定為兩個(gè)氣象觀測站平均2 min風(fēng)速的平均值。

1.2 研究方法

本文主要采用了滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)以及重標(biāo)極差(R/S)等統(tǒng)計(jì)分析方法都是比較常用的方法,不再詳細(xì)說明[11]。

Morlet 小波分析法常用于復(fù)數(shù)信號(hào)的分解和時(shí)頻分析,其系數(shù)的實(shí)部可以表示不同特征時(shí)間尺度信號(hào)在不同時(shí)間的強(qiáng)弱和位相兩方面的信息[12],該圖能反映時(shí)間序列中所包含的各種尺度(周期)的波動(dòng)及其強(qiáng)弱隨尺度變化的特性。其公式如下:

式中:Wf是根據(jù)f(t)計(jì)算得出的小波變換系數(shù);ψ為母小波或基本小波;a是頻率參數(shù);b是時(shí)間參數(shù),表示波動(dòng)在時(shí)間上的平移。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴日數(shù)的時(shí)間變化特征

2.1.1 雷暴的年代際變化

通過53年的雷暴日數(shù)線性趨勢(shì)分析,阜新市總體出現(xiàn)的雷暴日數(shù)均呈減少趨勢(shì),見圖1(a),傾向率為-1.72/10年。同時(shí),年代變化也呈減少的趨勢(shì)(見表1),與畢伯鈞等研究的雷暴發(fā)生規(guī)律一致[14]。通過Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法分析,這個(gè)趨勢(shì)變化主要分為兩個(gè)階段,見圖1(b),第一階段從20世紀(jì)60～90年代雷暴日數(shù)較多,從本世紀(jì)開始雷暴較少。趨勢(shì)變化的轉(zhuǎn)折時(shí)間出現(xiàn)在2006年,可以理解為產(chǎn)生了突變,突變后雷暴日數(shù)明顯減少。

表1 阜新市各年代平均雷暴日數(shù)以及累年平均、累年最多、累年最少日數(shù)Table 1 The average number of thunderstorm days and the annual average, annual maximum and annual minimum days in Fuxin city

圖1 阜新市1961～2013年雷暴日數(shù)變化趨勢(shì)(a)及MK突變檢驗(yàn)曲線(b)Figure 1 Trend of thunderstorm days (a) and MK Mutation Test Curve (b) in Fuxin,1961～2013

阜新市累年平均雷暴日數(shù)為40.0 d,年際雷暴日數(shù)變化大,最多為60 d(1970年),2005年次之,為56 d;最少為25 d,出現(xiàn)在2007年、2010年,2009年 和2013年次之,為26 d。

2.1.2 雷暴的季、月變化

雷暴天氣季、月變化特征顯著(圖2),每年3～11月為雷暴活動(dòng)期,其中夏季(6～8月)最多,夏季日數(shù)占總?cè)諗?shù)的70.3%(1 741/2 478),秋季(9～11月)次之,占總?cè)諗?shù)的15.1%(375/2 478),春季(3～5月)較少,占總?cè)諗?shù)的14.6%(362/2478),冬季為零。

圖2 阜新市1961～2013年雷暴日數(shù)的月變化Figure 2 Monthly variation of thunderstorm days in Fuxin,1961～2013

夏季雷暴頻繁的原因是太陽直射點(diǎn)北移,促使副熱帶高壓隨之北跳, 引導(dǎo)偏南暖濕氣流向北輸送到達(dá)遼寧。阜新地區(qū)產(chǎn)生雷暴天氣的類型可分為5種:當(dāng)8月份阜新處于副高西北部時(shí)就易產(chǎn)生雷暴天氣,大約占雷暴總數(shù)的10%;6月份高空冷渦和6～8月份高空冷槽出現(xiàn)雷暴的頻率也比較高,分別占比為11%和37%;6～8月西北氣流和局地?zé)釋?duì)流也會(huì)產(chǎn)生雷暴,占比為40%和2%。其它季節(jié)由于天氣干冷等原因,不符合雷暴發(fā)生的3要素(水汽、大氣層結(jié)不穩(wěn)定和抬升觸發(fā))等條件,所以雷暴天氣較少[15]。

雷暴天氣主要集中在5～9月份, 6月最多,占總?cè)諗?shù)的26.1%,7月次之,占比為25.1%。3月是有雷暴日的最少月份,占總?cè)諗?shù)的0.2%,11月次之,占比為0.4%。

2.2 雷暴的初、終日及保證率

由圖3和表2可見,雷暴初日基本在3～5月,其中4月最多,占比66%,5月次之;6月最少,占2%,3月次之。雷暴終日基本在8～11月,其中10月最多,占比62%,9月次之;8月最少,占比2%,11月次之。

表2 阜新市雷暴初終日的頻率及保證率Table 2 Frequency and guaranteed rate of thunderstorms in Fuxin city

圖3 阜新市1961～2013年雷暴初、終日變化曲線Figure 3 Initial and end-of-day curves of thunderstorm in Fuxin, 1961～2013

2.3 雷暴的周期性規(guī)律

通過Morlet小波與小波模分析方法,阜新市雷暴日數(shù)有3～5年、9～12年、21～24年和43～47年的周期性波動(dòng)規(guī)律,其中以21～24年波動(dòng)最顯著,為主周期。其中,9～12年、21～24年及43～47年的振蕩周期與太陽黑子的周期規(guī)律基本一致,說明其周期極可能是受太陽黑子活動(dòng)的影響。

2.4 雷暴的未來發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)用重標(biāo)極差R/S分析法計(jì)算出了阜新市雷暴變化的Hurst指數(shù)為0.44,小于0.5,說明未來雷暴的未來發(fā)展趨勢(shì)與歷史序列具有反持續(xù)性,在2013年前為減少趨勢(shì),而未來會(huì)逐漸轉(zhuǎn)為增多趨勢(shì)。

Hurst指數(shù)能夠表示未來的發(fā)展趨勢(shì),但無法得知持續(xù)多長時(shí)間進(jìn)行反轉(zhuǎn)。通過求統(tǒng)計(jì)量V可以揭示平均循環(huán)長度,趙嘉陽利用此方法得出平均氣溫和降水的過去趨勢(shì)影響未來趨勢(shì)的時(shí)間長度(平均循環(huán)長度)[16]。由圖4可見,曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折(箭頭所示處)的時(shí)間為n=8(8即為平均循環(huán)長度),即8年后阜蒙縣雷暴日數(shù)將完全失去對(duì)初始數(shù)據(jù)的依賴,趨勢(shì)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。

圖4 阜新市53年雷暴日數(shù)持續(xù)指數(shù)的V-ln(n) 曲線Figure 4 V-ln(n) curve of duration index of thunderstorm days 53 Years in Fuxin City

2.5 雷暴的相關(guān)因子

從圖5可見,阜新市雷暴活動(dòng)規(guī)律與風(fēng)速的相關(guān)性很明顯,總體呈負(fù)相關(guān),特別是80年代開始到2013年更加明顯,其相關(guān)系數(shù)為-0.5988。

圖5 阜新市53年雷暴與平均2 min風(fēng)速的5日滑動(dòng)平均圖Figure 5 5-day moving average of thunderstorm and mean 2-minute wind speed in 53 Years of Fuxin City

3 雷暴天氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的災(zāi)害

雷暴天氣常伴隨著大風(fēng)、暴雨、冰雹等氣象災(zāi)害。首先是雷暴天氣帶來的風(fēng)災(zāi),阜新春季雷暴出現(xiàn)次數(shù)較少,但是發(fā)生時(shí)帶來的災(zāi)害影響比較嚴(yán)重,地表土易被刮走,使土壤及墑情下降,對(duì)已播種的沙質(zhì)地塊,會(huì)造成風(fēng)剝沙壓、缺苗、斷條的災(zāi)害,對(duì)蔬菜大棚和地膜也有較大的破壞作用。

夏季雷雨、大風(fēng)、冰雹往往同時(shí)到來,雖然出現(xiàn)的次數(shù)少,但危害很大,往往造成局地風(fēng)災(zāi),使農(nóng)作物倒伏,毀壞房屋和林木。如1989年8月11日,阜蒙、彰武兩縣北部塔營子、豐田等六個(gè)鄉(xiāng)受雷暴、強(qiáng)風(fēng)襲擊,受災(zāi)面積3 806 hm2,其中,絕收596 hm2,刮斷樹木13 693棵,果樹1 500棵,損失果實(shí)2.58萬kg。秋季成熟的高粱、谷子、大豆、玉米,受雷暴大風(fēng)影響導(dǎo)致倒伏、折斷,或者搖動(dòng)互相摩擦,落粒、裂莢造成減產(chǎn),同時(shí)也給收割帶來困難。

其次是雷暴天氣帶來的暴雨災(zāi)害,導(dǎo)致水分過多,使土壤水分飽和,田間積水不能及時(shí)排除,會(huì)造成澇災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)(1961～2013年)阜新地區(qū)雷暴共出現(xiàn)2 478次,平均每年46.7次,暴雨(1961～2013年)共計(jì)120次,平均每年2.8次,而30%左右的暴雨天氣是伴有雷暴大風(fēng)天氣。

最后是雷暴天氣伴隨出現(xiàn)的冰雹災(zāi)害,阜新地區(qū)每年都有由雷暴天氣而伴隨出現(xiàn)的冰雹災(zāi)害,阜蒙縣較重,一般性在4～9月,而95.5%集中在5～9月,尤以6～7月最多,占55%,而且多發(fā)生在午后14:00～17:00。其中1980年冰雹災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)最多(6次),都是由強(qiáng)對(duì)流天氣引發(fā)的,同時(shí)還有雷暴大風(fēng)天氣現(xiàn)象。這6次雹災(zāi)當(dāng)中,有兩次是連續(xù)兩天出現(xiàn)的,災(zāi)害嚴(yán)重,是比較少見的。1980年7月9日下午1:00化石戈公社突降冰雹超過20 min,大如雞蛋,小如衛(wèi)生球,有48個(gè)生產(chǎn)隊(duì)受災(zāi),面積達(dá)1 667 hm2。1980年7月10日下午又降冰雹雨,有大巴、招束溝、老河土、大板、紫都臺(tái)、務(wù)歡池、十家子、蒼土等8個(gè)公社受災(zāi)。受災(zāi)作物面積有7 560余hm2,同時(shí)程度不同被打傷的社員有167人,打死雞鴨585只,刮斷樹木100多棵。

4 結(jié)論

4.1 阜新市年際雷暴日數(shù)變化大,總體出現(xiàn)的雷暴日數(shù)均呈減少趨勢(shì),傾向率為-1.72/10年。同時(shí),年代變化也呈減少的趨勢(shì),從20世紀(jì)60～90年代雷暴日數(shù)較多,從本世紀(jì)開始則雷暴較少。趨勢(shì)變化的轉(zhuǎn)折時(shí)間出現(xiàn)在2006年,可以理解為產(chǎn)生了突變,突變后雷暴日數(shù)明顯減少。阜新市累年平均雷暴日數(shù)為40.0 d,年際雷暴日數(shù)變化大,最多為60 d(1970年),最少為25 d(2007年和2010年)。

4.2 雷暴天氣季、月變化特征顯著,每年3～11月為雷暴活動(dòng)期,其中夏季最多,占比70.3%,春秋季次之。夏季雷暴頻繁的原因是太陽直射點(diǎn)北移,促使副熱帶高壓隨之北跳, 引導(dǎo)偏南暖濕氣流向北輸送到達(dá)遼寧。阜新地區(qū)產(chǎn)生雷暴天氣的類型可分為5種:副高西北部、高空冷渦、高空冷槽、西北氣流和局地?zé)釋?duì)流,其中西北氣流型占比最高約40%。雷暴天氣主要集中在5～9 月份, 6月最多,占比26.1%,7月次之,占比25.1%。

4.3 雷暴初日基本在3～5月,其中4月最多,6月最少。雷暴終日基本在9～11月,其中10月最多,8月最少。

4.4 阜新市雷暴有3～5年、9～12年、21～24年和43～47年的周期性波動(dòng)規(guī)律,其中以21～24年波動(dòng)最顯著,為主周期。其中,9～12年和21～24年周期與太陽黑子的周期規(guī)律基本一致,說明其周期極可能是受太陽黑子活動(dòng)的影響。

4.5 阜新市未來雷暴日數(shù)的趨勢(shì)與歷史序列具有反持續(xù)性,在2013年前為減少趨勢(shì),6年后雷暴趨勢(shì)將發(fā)生反轉(zhuǎn)。

4.6 阜新市雷暴活動(dòng)規(guī)律與風(fēng)速的相關(guān)性很明顯,總體呈負(fù)相關(guān),特別是80年代開始到2013年更加明顯,其相關(guān)系數(shù)為-0.5988。

4.7 雷暴天氣常伴隨著大風(fēng)、暴雨、冰雹等氣象災(zāi)害。風(fēng)災(zāi)對(duì)土壤、蔬菜大棚以及農(nóng)作物有較大的破壞作用;暴雨災(zāi)害導(dǎo)致水分過多,使土壤水分飽和,田間積水不能及時(shí)排除,會(huì)造成澇災(zāi);阜新地區(qū)每年都有由雷暴天氣而伴隨出現(xiàn)的冰雹災(zāi)害,多發(fā)生在4～9月,而95.5%集中在5～9月,尤以6～7月最多,占55%,而且多發(fā)生在午后14:00～17:00,其中最為嚴(yán)重的是1980年,有6次雹災(zāi),給農(nóng)作物造成嚴(yán)重的災(zāi)害,給農(nóng)民帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。