1953—2022年阜新市雷暴活動規(guī)律及災(zāi)情特征分析

范 野，舒海燕，陶 倩，李 凝， 楊曉彤，謝 媛，常相伊

（阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000）

雷暴屬于中小尺度強對流天氣現(xiàn)象，具有瞬間性、多發(fā)性和毀滅性等特點，強雷暴往往伴隨大風(fēng)、冰雹、強降水等災(zāi)害性天氣，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴重的損失［1-2］。2021年我國共發(fā)布了387334條預(yù)警信息，而雷電是發(fā)布數(shù)量最多的預(yù)警類型，雷電目前已被聯(lián)合國氣象相關(guān)部門列為“最嚴重的10種自然災(zāi)害之一”［3-4］。據(jù)中國氣象局2007年第16號令規(guī)定，雷暴被列為重大氣象災(zāi)害性天氣，氣象部門應(yīng)根據(jù)危害程度向社會公眾發(fā)布不同級別的預(yù)警信號，并提出合理的防御措施和建議。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對雷暴災(zāi)害的變化規(guī)律開展了一定的研究并取得了有價值的結(jié)論［5-6］。中國南部和東部沿海地區(qū)是雷暴災(zāi)害多發(fā)區(qū)，其中海南、廣東2省的雷暴災(zāi)害發(fā)生高峰期為6—8月，雷暴日數(shù)月分布多呈雙峰形［7-9］。程向陽等［10］結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，通過區(qū)劃分析、災(zāi)害評估等方法分析了雷電災(zāi)害事件的成因。阜新市位于遼寧西北部，地形以丘陵山地為主，夏季大氣不穩(wěn)定度較大，易產(chǎn)生強對流天氣，雷暴出現(xiàn)次數(shù)較多，同時還會伴隨冰雹、大風(fēng)、強降雨等災(zāi)害性天氣，給阜新市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活造成了嚴重損失?；诖耍疚睦?953—2022年阜新市的雷暴日數(shù)，采用多種統(tǒng)計分析方法對阜新市的雷暴活動進行分析，以期充分認識當(dāng)?shù)乩妆┑陌l(fā)生規(guī)律及其區(qū)域分布特征，為阜新市雷暴天氣的預(yù)報、預(yù)警工作提供科學(xué)依據(jù)，減少雷暴氣象災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用數(shù)據(jù)包括阜新市2個國家基準氣候觀測站1953—2022年的逐日雷暴資料、平均2分鐘風(fēng)速、相對濕度、平均溫度、閃電定位儀資料，數(shù)據(jù)來源于氣象大數(shù)據(jù)云平臺、所轄縣常規(guī)自動站、61個加密自動站以及阜新市氣象臺發(fā)布的雷電預(yù)警信息，規(guī)定在1 d出現(xiàn)≥1次按1個雷暴日計算；1987—2022年雷暴災(zāi)情資料來源于阜新市2個國家氣象觀測站和農(nóng)業(yè)部門及統(tǒng)計部門；2010－2022年ERA5的逐小時再分析資料（水平分辨率為0.25°×0.25°）來源于歐洲數(shù)據(jù)中心；東亞夏季風(fēng)指數(shù)（EASMi）的月數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心及青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

1.2 研究方法

本文主要采用Morlet的小波分析方法，利用Matlab軟件對雷暴日數(shù)進行小波變換，計算出復(fù)小波系數(shù)的實部，根據(jù)小波系數(shù)的實部值來判斷雷暴日數(shù)呈現(xiàn)為偏多或偏少。小波方差能夠反映雷暴日數(shù)時間序列中包含的時間尺度的周期性波動及能量強弱隨尺度變化的特性。

利用滑動平均法對雷暴日數(shù)進行趨勢分析，用重標極差（R/S）統(tǒng)計分析方法對未來趨勢是否有轉(zhuǎn)折進行判斷，具體方法參考文獻［11-12］。

Pettitt方法［13］是一種與Mann-Kendall法相似的非參數(shù)檢驗方法。首先構(gòu)造秩序列Sk時間序列的累加模型，秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于或小于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。Pettitt法是直接利用秩序列來檢測突變點的，若t0時刻滿足k0=max（|Sk|），則t0點處為突變點。然后計算統(tǒng)計量P=2exp[-6（n3+n2）]，若P≤0.5，則認為檢測出的突變點在統(tǒng)計意義上是顯著的。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴日數(shù)的時間變化特征

2.1.1 雷暴的年代際變化 由圖1可知，1953—2022年阜新市雷暴日數(shù)整體呈下降的趨勢，遞減率為-0.10 d/a，此結(jié)論與畢伯鈞等［14］研究得出的中國東部地區(qū)夏季偏南風(fēng)隨年代表現(xiàn)出明顯減弱的變化趨勢一致；由阜新市雷暴日數(shù)的5 a滑動平均趨勢可見，1953—1991及2013—2022年雷暴日數(shù)偏多，而2007—2013年明顯偏少；其中雷暴日數(shù)出現(xiàn)次數(shù)最多的年份為2022年（57 d），1959年次之（55 d），出現(xiàn)次數(shù)最少的年份為2017年（15 d）；阜新市各年代平均雷暴日數(shù)也呈減少趨勢，其中以20世紀50年代平均最多（40 d），20世紀80年代次之（37 d），21世紀00年代最少（31 d）。

圖1 1953—2022年阜新市雷暴日數(shù)變化趨勢

2.1.2 雷暴的季、月變化 阜新市雷暴天氣發(fā)生頻率隨季節(jié)變化特征顯著，3—5月迅速增多，6—8月趨于平穩(wěn)，9—11月迅速減少。每年3—11月為雷暴活動期，其中以6—8月（夏季）最多，占總?cè)諗?shù)的69.9%。其原因是夏季隨著副熱帶高壓北跳，阜新市暖濕氣流增強，極易造成大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而產(chǎn)生強對流［15］。常煜等［16］研究發(fā)現(xiàn)，呼倫貝爾市雷暴的發(fā)生與西太平洋副熱帶高壓的南北進退時間基本一致。

由圖2可知，阜新市的雷暴天氣主要集中在5—9月（占比92.5%），其中7月最多（占比26.1%），6月次之（占比24.9%）；12月—翌年2月雷暴發(fā)生頻次最少，3月其次（占比0.3%）。

圖2 1953—2022年阜新市雷暴日數(shù)的月變化情況

2.1.3 雷暴的日變化 由圖3可知，阜新市雷暴日變化呈現(xiàn)典型的單峰雙谷形，6—8月雷暴發(fā)生峰值主要集中在13:00~22:00，占總次數(shù)的95.1%，最大值出現(xiàn)在16:00~18:00，占比70.1%；次高峰出現(xiàn)在14:00~19:00；11:00~12:00 和0:00~1:00 出現(xiàn)次數(shù)最少，平均占比為1.5%；4:00~08:00和13:00~17:00的雷暴發(fā)生次數(shù)較多，小時分布變化較為明顯。從總體分布來看，阜新市14:00~21:00發(fā)生對流性雷暴天氣次數(shù)較多，此期間為雷暴的高發(fā)集中時期，造成該結(jié)果的原因是午后太陽輻射加熱導(dǎo)致下墊面溫度升高，從而使地面熱力條件發(fā)展旺盛，增加了局地?zé)釋α鞯陌l(fā)生，此外還有系統(tǒng)性天氣對雷暴發(fā)生的影響。因此，14:00~21:00也是雷電防御的關(guān)鍵時期。

圖3 1953—2022年阜新市雷暴發(fā)生的日變化情況

2.1.4 雷暴初、終日的各月分布情況 由圖4可知，阜新市雷暴初日基本在3—5月（占比97%），其中4月最多（占65%），5月次之（占25%），雷暴初日在6月最少（占3%）；初日最早出現(xiàn)在1992年3月24日，最晚出現(xiàn)在1963年6月4日。雷暴終日基本在9—11月（占比98%），其中10月最多（占56%），9月次之（占31%），8月最少（占2%）；終日最早出現(xiàn)在1986年9月16日，最晚出現(xiàn)在2010年11月13日。

圖4 1953—2022年阜新市雷暴初、終日的各月分布

2.2 雷暴的周期性規(guī)律

根據(jù)阜新市1953—2022年雷暴日數(shù)繪制Morlet小波系數(shù)實部等值線及小波方差曲線（圖5），結(jié)果表明：阜新市近70 a雷暴日數(shù)存在2個完整尺度和一個不完整尺度的周期性變化規(guī)律，其周期變化規(guī)律均呈現(xiàn)在全部數(shù)據(jù)年限，其中準24年周期共經(jīng)歷了9個周期振蕩變化；準44年周期共經(jīng)歷了5個周期振蕩變化；大約70 a的周期性波動（由于數(shù)據(jù)有限，周期不完整）顯示經(jīng)歷了3個周期振蕩變化，且波動均較顯著。其中準24年的振蕩周期可能是受太陽黑子活動的影響。

圖5 雷暴日數(shù)小波系數(shù)實部等值線及小波方差曲線

2.3 雷暴的突變檢驗

由圖6可知，近70 a阜新市雷暴日數(shù)在2006年統(tǒng)計量Ut達到最大值368（P=0.1935），在P=0.5的顯著性檢驗（±311.2）范圍內(nèi)，說明這一年發(fā)生了突變。從圖1也可以看出，在2006年發(fā)生突變后，雷暴日數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。

圖6 雷暴日數(shù)Pettitt突變檢驗曲線

2.4 雷暴的未來發(fā)展趨勢

應(yīng)用重標極差法（R/S）計算出Hurst指數(shù)為0.4535，這說明未來的雷暴日數(shù)變化趨勢與歷史序列具有反持續(xù)性。雷暴日數(shù)的過去趨勢為逐漸減少（圖1），而Hurst指數(shù)小于0.5，表示未來會從減少趨勢反轉(zhuǎn)為增多趨勢（圖7a）。

圖7 阜新市雷暴日數(shù)持續(xù)指數(shù)的log(R/S)-log n曲線（a）及V統(tǒng)計量-log n曲線（b）

雖然Hurst指數(shù)能夠表示未來的發(fā)展趨勢，但雷暴日數(shù)的過去趨勢會持續(xù)一段時間，也無法得知持續(xù)多長時間進行反轉(zhuǎn)。通過計算統(tǒng)計量V可以揭示平均循環(huán)長度，借助劉倩等［17］的方法計算V統(tǒng)計量。由圖7b可知，當(dāng)logn=1.4時，散點明顯出現(xiàn)偏離，即出現(xiàn)未來轉(zhuǎn)折（虛線所示處）的時間為n=25，即25 a后雷暴日數(shù)將完全失去對初始數(shù)據(jù)的依賴，趨勢會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

3 災(zāi)情特征及影響因子

3.1 雷暴對農(nóng)業(yè)造成的危害

阜新市雷暴災(zāi)害為季節(jié)性災(zāi)害，雷暴產(chǎn)生在強烈的積雨云中，常伴有大風(fēng)、短時強降水、冰雹和龍卷風(fēng)等強對流天氣。從2005—2019年雷暴造成的重災(zāi)實況記錄來看（表1），共記錄了8次雷暴重點災(zāi)害情況，大多出現(xiàn)在夏季（6—8月），占比87.5%。在發(fā)生雷暴災(zāi)害過程中，其中7次伴隨有大風(fēng)出現(xiàn)，占比為87.5%，有2次為龍卷風(fēng)，雷暴大風(fēng)往往造成局地風(fēng)災(zāi)，毀壞房屋和林木，使農(nóng)作物折斷、倒伏、互相摩擦、裂莢或落粒，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)；6次有短時強降水伴隨出現(xiàn)，占比為75.0%，強降水導(dǎo)致水分過多，使土壤水分飽和，若田間積水不能及時排除，則會產(chǎn)生洪澇災(zāi)害；阜新市受丘陵、山地地形的影響，易產(chǎn)生不穩(wěn)定的強對流天氣，有6次伴隨冰雹出現(xiàn)，占比為75.0%，冰雹多發(fā)生在午后14:00~17:00，一般小冰雹會造成農(nóng)作物減產(chǎn)歉收，大冰雹則會造成農(nóng)作物絕產(chǎn)或者嚴重減產(chǎn)。雷暴天氣產(chǎn)生的雷電還可能引起人身、家畜的傷亡和電器故障，尤其春、秋季節(jié)比較干燥，還可能引起森林火災(zāi)。從經(jīng)濟損失上看，冰雹和大風(fēng)對作物的危害最大，經(jīng)濟損失最為嚴重，暴雨災(zāi)害和雷電災(zāi)害相對較少，經(jīng)濟損失相對較小。

表1 2005—2019年雷暴重災(zāi)發(fā)生的災(zāi)情實況

3.2 雷暴天氣的影響因子

許多學(xué)者對于強雷暴天氣進行了研究，發(fā)現(xiàn)雷暴天氣的發(fā)生受天氣系統(tǒng)、盛行氣流、下墊面和地形等多種因素的影響［18-20］。本文主要從影響雷暴發(fā)生的天氣類型、環(huán)境場要素、雷達回波及其他氣象要素進行分析。

3.2.1 天氣類型 利用2011－2020年6－8月55次典型雷暴天氣過程和ERA5再分析資料，依據(jù)500 hPa環(huán)流形勢，配合對流層低層的特點，參考張丹梅等［21］的分型方法，將阜新市雷暴天氣形勢劃分為4個類型：高空冷渦型、高空冷槽型、西北氣流型、副高西北部型，也與秦春明等［22］劃分的天氣形勢基本一致。按照雷暴天氣形勢的發(fā)生次數(shù)排序為：西北氣流型占比最高，為36.4%（20次）；高空冷槽型占比次之，為34.5%（19次）；高空冷渦型占比居中，為25.5%（14次）；副高西北部型占比最低，為3.6%（2次）。

3.2.2 天氣環(huán)境場要素 選取阜新市2011－2020年6－8月55次典型雷暴天氣過程，發(fā)生時長為1~2 h，根據(jù)雷暴形成需要的不穩(wěn)定層結(jié)、水汽條件和抬升條件，共篩選出13個物理量因子，其中有9個對流不穩(wěn)定因子、2個水汽條件因子以及2個動力因子，具體為：對流有效位能（CAPE）、抑制對流有效位能（CIN）、沙氏指數(shù)（SI）、抬升指數(shù)（LI）、K指數(shù)、A指數(shù)、TT指數(shù)、850 hPa與500 hPa的溫度差（△T850-500）、對流溫度（Tg）、850 hPa 露點溫度（Td850）、850 hPa溫度露點差（Tdd850）、風(fēng)暴強度指數(shù)（SSI）、強天氣威脅指數(shù)（sweat）。利用ERA5再分析資料，通過grads軟件計算各項物理量在8:00、14:00、20:00（即雷暴發(fā)生前最近時刻）的數(shù)值，得出環(huán)境場的要素值及擬合率（表2）。

表2 環(huán)境場指標

在氣象預(yù)報時，根據(jù)上述13個環(huán)境場物理指標，再配合雷暴天氣類型，判斷是否有雷暴發(fā)生。這些物理量隨著季節(jié)變化很大，不能形成適用于全年的預(yù)報指標。

3.2.3 雷暴天氣雷達回波特點 選取阜新市發(fā)生持續(xù)時間為1~2 h的20個雷暴天氣樣本，研究雷電密集區(qū)雷達的回波特點，結(jié)果表明：（1）雷電發(fā)生時，反射率強度CR≥40 dBZ（擬合率：95.0%），回波頂高度ET≥8 km（擬合率：90.0%），液態(tài)水含量VIL≥10 kg/m2（擬合率：90.0%）；（2）雷電發(fā)生前的2~3 h，如果阜新市有CR≥40 dBZ的回波進入阜新市境內(nèi)，且滿足上述條件，則需發(fā)布預(yù)警信息，同時根據(jù)閃電定位儀和雷達回波的情況，還可以實現(xiàn)定點、定時的跟蹤服務(wù)。

3.2.4 其他氣象要素的影響 阜新市雷暴日數(shù)5年滑動平均值與平均風(fēng)速、相對濕度、平均氣溫的5 a滑動平均值均呈負相關(guān)，與東亞夏季風(fēng)指數(shù)（EASMi）的5 a滑動平均值呈正相關(guān)（表3），其中與EASMi相關(guān)性最顯著，與平均風(fēng)速的相關(guān)性最差。這表明雷暴日數(shù)減少趨勢與氣溫升高、風(fēng)速減小、空氣變干燥均有關(guān)，更與EASMi的減少密切相關(guān)，EASMi是雷暴發(fā)生的主要影響因子。

表3 1953—2022年阜新市雷暴日數(shù)與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

應(yīng)用matlab軟件分別使用雷暴日數(shù)和EASMi的5 a滑動平均值進行擬合，得到4個回歸方程，分別為：Y=81.96sin(0.01388X+6.281)、Y=-0.2676sin(X-π)+0.0076(X-10)2+40.74、Y=2.698X0.7588、Y=0.4535X+1.351，其R2值分別為0.9367、0.8407、0.8664、0.8694，RMSE值分別為0.1847、0.3006、0.2795、0.2793，P值分別為0.026、0.089、0.057、0.054。分別用雷暴日數(shù)和相對濕度、平均氣溫、風(fēng)速的5 a滑動平均值進行擬合，得到的最優(yōu)方程分別為Y=0.02X-0.0578 exp（-0.124X0.942）、Y=1007/（X+8.785）、Y=169.4（0.013X+2.736），其R2值分別為10.93、12.81、1.595，RMSE值分別為6.254、6.092、6.516，P值分別為7.594、8.364、10.283，因此不具有實用意義。綜上指標分析，雷暴日數(shù)和EASMi相關(guān)性最高，關(guān)系也最密切，使用5 a滑動平均值擬合出的最佳方程為Y=81.96sin（0.01388X+6.281），P=0.026，通過了α=0.05的顯著性檢驗。

4 結(jié)論與討論

本研究對1953—2022年阜新市雷暴日數(shù)及雷暴發(fā)生日的相關(guān)氣象資料進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）雷暴日數(shù)的歷史數(shù)據(jù)年際變化較大，總體呈減少趨勢，遞減率為-0.10 d/a，經(jīng)R/S分析得出在25年后趨勢將發(fā)生反轉(zhuǎn)，由原來的減少趨勢轉(zhuǎn)為增加趨勢；存在準24年、準44年、準70年的3個尺度的周期性變化規(guī)律；2006年雷暴天氣規(guī)律發(fā)生了轉(zhuǎn)折性變化。

（2）雷暴天氣季、月變化特征顯著，阜新市雷暴天氣主要集中在5—9月（占比92.5%），夏季最多（占比69.9%），7月最多（占26.1%），6月次之（占24.9%）；雷暴初日基本在3—5月（占97%），其中4月最多（65%），6月最少（3%）；雷暴終日基本在9—11月（占98%），其中10月最多（56%），8月最少（2%）；阜新雷暴日變化呈現(xiàn)典型的單峰雙谷形，峰值主要集中13:00~22:00（占比95.1%），最大值出現(xiàn)在16:00~18:00（70.1%）。

（3）從2005—2019年雷暴造成的重災(zāi)實況記錄來看，災(zāi)情多出現(xiàn)在夏季（6—8月），占比為87.5%，其中有大風(fēng)伴隨出現(xiàn)（2次為龍卷風(fēng)）的頻率為87.5%，有短時強降水伴隨出現(xiàn)的頻率為75.0%，有冰雹伴隨出現(xiàn)的頻率為75.0%。

（4）根據(jù)6—8 月阜新市雷暴天氣的500 hPa 環(huán)流形勢，按照主要類型的發(fā)生次數(shù)排序為：西北氣流型占比最高，為36.4%（20 次）；高空冷槽型占比次之，為34.5%（19 次）；高空冷渦型占比居中，為25.5%（14 次）；副高西北部型占比最低，為3.6%（2 次）。

（5）根據(jù)55次典型雷暴天氣過程，選出阜新市環(huán)境場13個物理量影響因子，按擬合率大小進行排序：TT指數(shù)（96.3%）、CIN（94.4%）、sweat（94.4%）、CAPE（90.7%）、△T850-500與SSI指數(shù)（88.9%）、Tg與A指數(shù)（85.2%）、Tdd850與Td850（83.3%）、LI指數(shù)（79.6%）、SI指數(shù)（77.8%）、K指數(shù)（75.9%）。在預(yù)報時，可根據(jù)13個環(huán)境場物理指標，再配合雷暴天氣類型，判斷是否有雷暴發(fā)生。

（6）研究阜新雷電密集區(qū)雷達的回波特點，得出短時預(yù)警指標為：CR≥40 dBZ，ET≥8 km，VIL≥10 kg/m2。有時在8:00物理量數(shù)值沒有達到閾值，但是在14:00或20:00預(yù)警指標突然加強，也會有雷暴天氣的發(fā)生。

（7）阜新市雷暴日數(shù)與平均風(fēng)速、相對濕度、平均氣溫均呈負相關(guān)，與東亞夏季風(fēng)指數(shù)呈正相關(guān)；其中與EASMi相關(guān)性最高，與平均風(fēng)速的相關(guān)性最差。