內(nèi)蒙古雷暴活動(dòng)特征分析

石茹琳，徐燕霞，王曼霏，李慶君，高 菲，姜雨蒙

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)雷電預(yù)警防護(hù)中心；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

雷暴是一種伴有雷擊和閃電的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象，通常伴有大風(fēng)、暴雨、冰雹等氣象災(zāi)害，是我國(guó)十大自然災(zāi)害之一，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的危害[1-4]。隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速推進(jìn)，雷暴造成的災(zāi)害影響越來(lái)越大[5]，因此，系統(tǒng)研究雷暴事件的氣候特征及其變化趨勢(shì)不僅可以反映雷暴事件時(shí)空分布，而且對(duì)新形勢(shì)下的防雷工作，尤其對(duì)減少雷暴天氣下各行業(yè)經(jīng)濟(jì)損失有明確的指導(dǎo)作用[6]。長(zhǎng)期以來(lái)氣象學(xué)者一直高度關(guān)注雷暴的研究，取得了許多成果。眾多學(xué)者分別對(duì)黑龍江[7]、江蘇[8]、遼寧[9]、新疆[10]、海南[11]、湖南[12]、浙江[13]等地區(qū)的雷暴特征進(jìn)行分析討論。此外，鞏崇水等[14]分析了我國(guó)年平均雷暴日的時(shí)空分布特征，指出近30年中國(guó)北方地區(qū)的雷暴整體呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，而南方則是先減后增，其距平場(chǎng)的年代際變化較為明顯?？卒h等[6]對(duì)中國(guó)及其七大地理分區(qū)的雷暴日進(jìn)行分析得出，中國(guó)整體及其不同區(qū)域的雷暴日數(shù)整體均呈減少趨勢(shì)，年均單站雷暴日數(shù)均在2000年后普遍偏少，而從2010年開始迅速增加。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊、地形復(fù)雜，是雷暴活動(dòng)和雷電災(zāi)害發(fā)生較頻繁的省份之一，其雷暴天氣具有發(fā)生頻率高、分布范圍廣的特點(diǎn)[15]。目前，針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)雷暴的長(zhǎng)時(shí)間序列氣候變化趨勢(shì)方面的研究較少，因此，研究?jī)?nèi)蒙古雷暴的氣候特征和變化趨勢(shì)，對(duì)于分析內(nèi)蒙古氣候變化規(guī)律及研究雷暴的成因等具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)為內(nèi)蒙古雷暴預(yù)報(bào)預(yù)警及雷電防護(hù)等工作打下基礎(chǔ)。

1 資料與方法

本研究選取內(nèi)蒙古自治區(qū)1971 年—2013 年43 a的雷暴日觀測(cè)資料，為保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性，選取了116個(gè)站的觀測(cè)資料進(jìn)行分析。利用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、氣候傾向率、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)等方法，對(duì)內(nèi)蒙古雷暴日數(shù)的時(shí)空分布特征和氣候變化趨勢(shì)等方面進(jìn)行分析。氣候要素的趨勢(shì)變化一般用一次線性方程表示[16]，即用最小二乘法擬合趨勢(shì)變化：y=ax+b，定義10 a為氣候傾向率。經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Function, EOF)又稱主分量分析，由Pearson(1902)提出，被廣泛地應(yīng)用于氣候研究領(lǐng)域中，該方法通過(guò)對(duì)矩陣數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，能夠分離出主要空間模態(tài)和各模態(tài)的時(shí)間變化特征[17]，以便更好地了解內(nèi)蒙古地區(qū)雷暴的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴日數(shù)時(shí)間變化特征

2.1.1 年際變化特征。內(nèi)蒙古116個(gè)氣象站43 a平均雷暴日數(shù)為28.0 d，年際變化較為明顯。從平均雷暴日數(shù)逐年變化趨勢(shì)圖1可以看出，平均雷暴日數(shù)最多出現(xiàn)在1980年，為35.2 d，最少出現(xiàn)在2007年，為20.3 d。年平均雷暴日數(shù)高于43 a平均值的有22 a，低于平均值的有21 a，1971年—1992年平均雷暴日變化曲線在高值區(qū)振蕩，1993年—2010年曲線呈明顯偏小趨勢(shì)，雷暴日數(shù)總體上呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，其氣候傾向率為-2.0 d/10 a，即每10 a雷暴日數(shù)減少2.0 d。由表1可看出，20世紀(jì)70年代和80年代的平均雷暴日數(shù)分別為30.0 d和31.0 d，均高于43 a平均水平，20世紀(jì)90年代及21世紀(jì)初(2001年—2013年)的平均雷暴日數(shù)均低于平均水平，其中21世紀(jì)初為最低。

圖1 1971年—2013年內(nèi)蒙古平均雷暴日數(shù)逐年變化

表1給出的1971年—2013年內(nèi)蒙古自治區(qū)12個(gè)盟市平均雷暴日數(shù)的氣候變化參數(shù)，可以看出，年平均雷暴日數(shù)最多的地方為烏蘭察布市(36.6 d/a)，其次為呼和浩特市(35.6 d/a)年平均雷暴日數(shù)最少的是阿拉善盟，僅為11.8 d/a。據(jù)統(tǒng)計(jì)，12個(gè)盟市的氣候傾向率和相關(guān)系數(shù)均小于0，說(shuō)明各盟市的年平均雷暴日數(shù)總體上均呈減少趨勢(shì)，其中烏蘭察布市、包頭市、赤峰市、巴彥淖爾市和呼倫貝爾市的氣候傾向率較大，說(shuō)明這些地區(qū)的雷暴日減少較多。

表1 1971年—2013年內(nèi)蒙古12個(gè)盟市年平均雷暴日數(shù)氣候變化參數(shù)

2.1.2 季節(jié)變化特征。內(nèi)蒙古雷暴的季節(jié)性變化明顯，總體呈現(xiàn)單峰型特征。結(jié)合表2可得，雷暴主要集中在夏季(6月—8月)，平均每年夏季出現(xiàn)21.8個(gè)雷暴日，占全年雷暴日數(shù)的78.0%，其中峰值出現(xiàn)在7月(8.5 d/月)，占全年雷暴日數(shù)的30.4%；其次為秋季和春季，有少量雷暴發(fā)生，分別占全年雷暴日數(shù)的11.9%和10.1%；冬季幾乎無(wú)雷暴發(fā)生。這是因?yàn)橄募臼軚|南季風(fēng)的影響，水汽充沛，結(jié)合動(dòng)力、熱力作用，容易引發(fā)局地性強(qiáng)對(duì)流天氣，導(dǎo)致夏季雷暴多發(fā)[18]。

表2 1971年—2013年內(nèi)蒙古各月平均雷暴日數(shù)

圖2給出了內(nèi)蒙古12個(gè)盟市1971年—2013年平均雷暴日數(shù)隨月份的分布情況，可見(jiàn)各盟市雷暴日的逐月變化表現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性。雷暴主要發(fā)生在4月—10月，峰值均出現(xiàn)在夏季，除通遼地區(qū)在6月份平均雷暴日數(shù)已達(dá)到峰值水平，其他地區(qū)均在7月份達(dá)到峰值。

圖2 1971年—2013年內(nèi)蒙古12個(gè)盟市平均雷暴日數(shù)逐月變化

2.1.3 雷暴的初終期特征。雷暴出現(xiàn)的初、終期是很重要的氣候指標(biāo)，每年第一次雷暴出現(xiàn)的日期稱為初雷日，最后一次出現(xiàn)雷暴的日期稱為終雷日。根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)1971年—2013年43 a的雷暴日觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)歸納了12個(gè)盟市的雷暴日初、終日變化概況，見(jiàn)表3。

從表3可知，內(nèi)蒙古最早在3月初出現(xiàn)雷暴，最晚在8月中旬出現(xiàn)，雷暴平均初日為4月下旬—5月下旬。由于內(nèi)蒙古地域跨度較大，導(dǎo)致東西差異較為明顯，即各盟市間雷暴開始日期差異較大。內(nèi)蒙古中部地區(qū)雷暴出現(xiàn)得最早，如呼和浩特市、包頭市、烏蘭察布市、鄂爾多斯市及錫林郭勒盟，最早初日出現(xiàn)在3月上旬(3月1日—4日)；內(nèi)蒙古西部地區(qū)，如巴彥淖爾市、烏海市及阿拉善盟，雷暴最早初日在3月中旬(3月11日—12日)出現(xiàn)；內(nèi)蒙古東部地區(qū)最早初日相對(duì)較晚出現(xiàn)，其中呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市最早在3月中到下旬(3月15日—31日)首次出現(xiàn)雷暴天氣。同時(shí)雷暴初日也有明顯的年際差異，各站雷暴初日出現(xiàn)的最早時(shí)間和最晚時(shí)間相差3個(gè)月～5個(gè)月，有的年份在3月就出現(xiàn)雷暴，有的年份在6月—8月才出現(xiàn)。雷暴終日平均日期在9月—10月之間，阿拉善盟平均終日出現(xiàn)時(shí)間最早，為9月上旬，其余各盟市的雷暴終日平均日期均在9月中下旬到10月上旬之間。雷暴終日也有明顯的年際差異，最早終日和最晚終日相差2個(gè)月～3個(gè)月左右。

雷暴初、終日之間持續(xù)的日數(shù)稱為雷暴持續(xù)期。由于雷暴持續(xù)期的大小由當(dāng)年雷暴初、終日出現(xiàn)的日期決定，所以雷暴持續(xù)期的年際變化比較大。2009年鄂爾多斯市東勝站的持續(xù)期最長(zhǎng)，為252 d，最短持續(xù)期發(fā)生在阿拉善盟，為0 d，即當(dāng)年沒(méi)有雷暴過(guò)程發(fā)生或僅發(fā)生一次。各盟市平均雷暴持續(xù)期在103 d～161 d之間，其中呼和浩特市的平均持續(xù)期最長(zhǎng)，為161 d，其次為烏蘭察布市，其平均持續(xù)期為157 d，阿拉善盟的平均持續(xù)期最短，為103 d。結(jié)合雷暴日數(shù)的分布表3可知，烏蘭察布市和呼和浩特市的年平均雷暴日數(shù)最多，阿拉善盟的年平均雷暴日數(shù)最少，由此可見(jiàn)，平均雷暴持續(xù)期的分布趨勢(shì)和平均雷暴日數(shù)的分布基本保持一致。

表3 1971年—2013年內(nèi)蒙古12個(gè)盟市雷暴初終日期和持續(xù)期

2.2 雷暴日數(shù)空間變化特征

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域廣袤，所處緯度較高，經(jīng)度橫跨范圍廣，呈現(xiàn)平原、山地、高原帶狀分布的地貌特征，以高原為主，海拔1 000 km～1 500 km，地勢(shì)起伏較緩且向北傾斜，其中錫林郭勒盟、烏蘭察布市高原地勢(shì)較高，呼倫貝爾、烏珠穆沁、居延海盆地地勢(shì)較低。氣候受東亞季風(fēng)環(huán)流影響，呈現(xiàn)自東向西由濕潤(rùn)型向干旱型過(guò)渡的大陸性氣候。復(fù)雜的地形地貌及氣候的差異，使內(nèi)蒙古雷暴活動(dòng)的空間分布不盡相同。

2.2.1 年平均分布特征。圖3為1971年—2013年內(nèi)蒙古雷暴日數(shù)的空間分布情況，由圖可知年平均雷暴日數(shù)總體上呈現(xiàn)東南多西北少的特征，其中中南部地區(qū)雷暴日數(shù)最多，西部地區(qū)最少。全區(qū)年平均雷暴日數(shù)在7.6 d～40.1 d之間，年平均雷暴日數(shù)最多的地方為烏蘭察布豐鎮(zhèn)市，最少出現(xiàn)在阿拉善盟額濟(jì)納旗。呼和浩特市、烏蘭察布市中南部、錫林郭勒盟南部及赤峰市西南部地區(qū)為雷暴日數(shù)高值區(qū)，年平均雷暴日數(shù)在31.6 d～40.1 d之間；其次為鄂爾多斯市西部、包頭市中南部、錫林郭勒盟中部、赤峰市和通遼市北部、興安盟以及呼倫貝爾市東部，年平均雷暴日數(shù)為26.7 d～31.6 d；西部的阿拉善盟地區(qū)為雷暴日數(shù)的低值區(qū)，年平均雷暴日數(shù)為11.8 d。綜上，內(nèi)蒙古各地區(qū)的雷暴日數(shù)分布差異較大，最多可相差30余天。

圖3 1971年—2013年內(nèi)蒙古年平均雷暴日分布/單位：d(a-1)

2.2.2 月平均分布特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)，6月—9月的平均雷暴日數(shù)占全年雷暴日數(shù)的88.1%，故圖4給出6月—9月每月月平均雷暴日數(shù)的空間分布圖，以便于分析不同月份雷暴日空間分布的差異?？偟膩?lái)說(shuō)各月的平均雷暴日分布均呈東高西低、北高南低的趨勢(shì)。6月份的雷暴日數(shù)高值區(qū)主要分布于呼和浩特市、烏蘭察布市南部、錫林郭勒盟南部、赤峰市西北部、通遼市西部、興安盟及呼倫貝爾市東部，呈現(xiàn)一條西南-東北走向的高值帶，最大月平均雷暴日數(shù)為8.0 d～10.1 d；7月份雷暴日數(shù)的高值帶狀區(qū)域向西北移動(dòng)并擴(kuò)散，雷暴日數(shù)高值區(qū)范圍增大，最大月平均雷暴日數(shù)達(dá)9.2 d～10.8 d；8月份雷暴日天數(shù)有一定的回落，高值區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，即鄂爾多斯東部、包頭市東南部、呼和浩特市和烏蘭察布市中南部地區(qū)，最大月平均雷暴日數(shù)降至7.4 d～8.7 d；9月份雷暴日數(shù)大幅減少，高值區(qū)位于內(nèi)蒙古中南部地區(qū)，最大月平均雷暴日數(shù)僅為3.6 d～4.3 d。

圖4 1971年—2013年內(nèi)蒙古(a)6月、(b)7月、(c)8月和(d)9月平均雷暴日分布/單位：d(a-1)

3 雷暴空間分布的EOF分析

為了清楚地顯示內(nèi)蒙古地區(qū)雷暴的主要空間分布類型及其與年際變化之間的聯(lián)系，下面對(duì)1971年—2013年的雷暴資料進(jìn)一步做EOF分析，資料采用各測(cè)站的距平值，用特征向量及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)和方差貢獻(xiàn)率來(lái)表示時(shí)空分布特征。表4列出了EOF前4個(gè)特征向量場(chǎng)的個(gè)別方差貢獻(xiàn)及累積方差貢獻(xiàn)，可以看出，前4個(gè)特征向量場(chǎng)累積方差貢獻(xiàn)占總方差的61.1%，對(duì)于雷暴這類地域性較強(qiáng)的天氣現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，其收斂性較好。

表4 雷暴日數(shù)年際變化EOF分析前4個(gè)特征向量場(chǎng)的方差貢獻(xiàn)

第一特征向量場(chǎng)圖5(a)占總方差比例最大39.2%，呈一致的正值，稱為“全區(qū)一致型”，是內(nèi)蒙古雷暴日空間分布的主要特點(diǎn)。該型反映出雖然內(nèi)蒙古地區(qū)地形復(fù)雜，但在很大程度上受到同一天氣系統(tǒng)和某些因子的影響，雷暴日的變化趨勢(shì)是一致的。圖6(a)是對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)曲線，大于0的年份為全區(qū)雷暴日數(shù)偏多年，小于0的年份為全區(qū)雷暴日數(shù)偏少年。可以看出，20世紀(jì)70年代—90年代初期為總體偏多期，90年代中期以后為總體偏少期，年雷暴日數(shù)氣候傾向率是負(fù)值，且呈下降趨勢(shì)，這與之前分析的雷暴日年際變化規(guī)律是一致的。

第二特征向量場(chǎng)圖5(b)占總方差的11.8%，表現(xiàn)為東西相反的異常分布，稱為“東西差異型”。錫林郭勒盟以東為正值，大值區(qū)位于內(nèi)蒙古東南部地區(qū)，即赤峰市、通遼市一帶；錫林郭勒盟以西為負(fù)值，大值區(qū)位于巴彥淖爾市及鄂爾多斯市地區(qū)。該型反映了內(nèi)蒙古雷暴日空間分布的總趨勢(shì)還存在東西反位相的特點(diǎn)，即東部雷暴減少時(shí)西部雷暴相對(duì)增多，反之趨勢(shì)相反。從對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)曲線圖6(b)上看，總體上氣候變化趨勢(shì)不明顯，有微弱的上升趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代—80年代中期為總體偏少期，80年代后期至21世紀(jì)初為總體偏多期，之后又轉(zhuǎn)為總體偏多期，結(jié)合該型為東正西負(fù)，反映了錫林郭勒盟以東雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)為少—多—少，以西的變化趨勢(shì)為多—少—多。

第三特征向量場(chǎng)圖5(c)占總方差的5.8%，其符號(hào)從北到南呈負(fù)-正-負(fù)-正的分布，該型稱為經(jīng)向型。正值區(qū)位于呼倫貝爾市、興安盟及烏蘭察布市和錫林郭勒盟西部，負(fù)值區(qū)位于赤峰市、通遼市和錫林郭勒盟東部以及包頭市和呼和浩特市以西地區(qū)。從其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)曲線圖6(c)可以看出，正負(fù)相位變化較為顯著，總體呈上升趨勢(shì)。

圖6 1971年—2013年內(nèi)蒙古自治區(qū)雷暴日數(shù)年際變化EOF的(a)第一、(b)第二、(c)第三和(d)第四特征向量場(chǎng)時(shí)間分布型

第四特征向量場(chǎng)圖5(d)僅占總方差的4.3%，其符號(hào)從東到西呈正—負(fù)—正—負(fù)的分布，該型稱為緯向型。正值區(qū)位于呼倫貝爾市南部、興安盟、通遼市東部以及巴彥淖爾市、鄂爾多斯市西部、烏海市和阿拉善盟，負(fù)值區(qū)位于呼倫貝爾市北部及赤峰市、錫林郭勒盟、烏蘭察布市一帶。

圖5 1971年—2013年內(nèi)蒙古自治區(qū)雷暴日數(shù)年際變化EOF的(a)第一、(b)第二、(c)第三和(d)第四特征向量場(chǎng)空間分布

綜上所述，內(nèi)蒙古雷暴異常的空間分布類型主要有：全區(qū)一致型、東西差異型、緯向型和徑向型4種類型。

4 結(jié)論

本研究使用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、氣候傾向率、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)等方法，對(duì)內(nèi)蒙古1971年—2013年雷暴日數(shù)的時(shí)空分布特征和氣候變化趨勢(shì)等方面進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：①內(nèi)蒙古雷暴日年際變化較為明顯，年平均雷暴日數(shù)為28.0 d，總體上呈現(xiàn)波動(dòng)減少的趨勢(shì)，下降幅度為2.0 d/10 a。平均雷暴日數(shù)最多的地方為烏蘭察布市，其次為呼和浩特市，平均雷暴日數(shù)最少的是阿拉善盟。②內(nèi)蒙古雷暴季節(jié)性變化顯著，總體呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在7月，夏季為雷暴多發(fā)期，占全年總雷暴日數(shù)的78.0%。③內(nèi)蒙古地區(qū)雷暴平均初日為4月下旬-5月下旬，在內(nèi)蒙古中部出現(xiàn)最早，內(nèi)蒙古西部其次，內(nèi)蒙古東部地區(qū)最晚，雷暴平均終日為9月中下旬到10月上旬之間，并且雷暴初、終日有明顯的年際差異。④內(nèi)蒙古年平均雷暴日數(shù)總體上呈東南多西北少的特征, 其中中南部地區(qū)雷暴日數(shù)最多，西部地區(qū)最少。各地區(qū)間的雷暴日數(shù)分布差異較大，最多可相差30余天。⑤根據(jù)EOF分析, 內(nèi)蒙古雷暴異常的空間分布類型主要有：全區(qū)一致型、東西差異型、緯向型和徑向型4種類型。其中全區(qū)一致型是內(nèi)蒙古雷暴日空間分布的主要特點(diǎn)。