近50 a銅仁市雷暴與降雨活動特征分析

吳安坤，李建峰，張淑霞，劉 波

(貴州省防雷減災中心，貴州 貴陽 55002)

近50 a銅仁市雷暴與降雨活動特征分析

吳安坤，李建峰，張淑霞，劉 波

(貴州省防雷減災中心，貴州 貴陽 55002)

該文利用銅仁市近50 a(1960—2009年)的氣象觀測資料，探討雷暴與降雨活動特征。通過離散小波分析發(fā)現(xiàn)，雷暴活動及降雨量大尺度上均以1993年為突變點，呈現(xiàn)兩種不同的變化趨勢;與之對應在小尺度上兩者呈現(xiàn)各式各樣的波動，較為明顯的是出現(xiàn)1～2a振蕩周期。

雷暴日數(shù);降雨日數(shù);小波分析

1 引言

雷電作為產(chǎn)生于強對流天氣系統(tǒng)下的一種常見的災害性天氣現(xiàn)象，常與突發(fā)性暴雨、冰雹和雷電大風等劇烈天氣現(xiàn)象相聯(lián)系。周筠珺等［1，2］利用地閃資料與雷達、降水及探空資料的對比分析，發(fā)現(xiàn)閃電與對流性降水存在著較好的相關關系。同時鄭棟［3］(2008)在對閃電活動與降水的相關分析時發(fā)現(xiàn)總閃電頻次與對流降雨量、對流降水區(qū)域面積具有較好的線性關系，與最大降雨強度的關系在降雨強度＞30 mm/h的條件下較為明顯。本文采用銅仁市50 a地面觀測資料，分析降雨情況及雷暴活動的變化特征。

2 小波分析

小波分析方法是一種窗口大小(即窗口面積)固定，但是其形狀可改變，時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，這正符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點。因此，小波分析能將交織在一起的不同頻率成分組成的復雜的時間序列分解成頻率不相同的子序列。低頻部分信號的重構可以發(fā)現(xiàn)時間序列的發(fā)展趨勢及規(guī)律，高頻部分信號的重構可以發(fā)現(xiàn)時間序列的突變特性和循環(huán)周期，以此觀察不同時間尺度上的變化情況。小波函數(shù)定義為：如果ψ(t)??2(R)。表示平方可積的實數(shù)空間，即能量有限的信號空間滿足允許性條件：

那么ψ(t)叫做基小波，式中 ψ(ω)是 ψ(t)的Fourier變換，由基小波函數(shù)ψ(t)進行伸縮和平移，本文選用Daubechies(db)小波函數(shù)，使用MATLAB小波工具箱實現(xiàn)小波變換，對銅仁50 a雷暴日數(shù)離散序列進行分析，更清晰的反映雷暴日序列的細微變化情況。Daubechies小波是由世界著名的小波分析分析學者Inrid Daubechies構造的小波函數(shù)，小波ψ(t)和尺度函數(shù)φ(t)中的支撐區(qū)2N-1，ψ(t)的消逝矩為N。除N=1外，dbN不具有對稱性(即非線性相位)，dbN 沒有明確的表達式(除了 N=1 外)［4］。

本文采集銅仁市1960—2009年雷暴日數(shù)及降雨量資料，運用Matlab自帶的小波工具包中的一維離散小波分解功能，在db5小波基礎上進行水平2上的分解變換成頻率不相同的子序列，包括一個低頻部分 a5和 4 個高頻部分 d5、d4、d3、d2、d1，逐步細節(jié)化對比分析50 a間變化特征。

3 歷史變化特征

銅仁市近50 a來雷暴高閾值活動區(qū)域隨月份呈現(xiàn)離散對稱雙峰分布，主要分布在3—9月，活動于春、夏兩季，11、12月份少有雷電發(fā)生;降雨量高閾值區(qū)域隨月份呈現(xiàn)離散單峰分布，主要分布在3—8月(圖1)。

圖1 變化趨勢等值線圖(a.雷暴日;b.降雨量)

自20世紀90年代以后，雷暴活動沒有前一時期活躍，高閾值區(qū)域逐漸減少;與之對應降雨量在90年代呈現(xiàn)大范圍持續(xù)的高閾值活動區(qū)域。

利用Daubechies小波(db5)將交織在一起的不同頻率成分組成的復雜的時間序列分解成頻率不相同的子序列，其中包括一個低頻部分a5和4個高頻部分 d1、d2、d3、d4、d5。序列重構低頻部分a5揭示時間序列的發(fā)展趨勢及規(guī)律，高頻部分可以發(fā)現(xiàn)時間序列的突變特性和循環(huán)周期，以此觀察不同時間尺度上的變化情況。

利用近50 a銅仁市逐年雷暴日及降雨量實時資料，將時間變化序列轉(zhuǎn)化為Matlab環(huán)境下的離散信號，運用Matlab自帶的小波工具包中的一維離散小波分解功能，在db5小波基礎上進行水平2上的分解變換。經(jīng)序列中的a5變換，雷暴活動與降雨量變化情況均以整個序列的第34 a(即1993年)為突變點，呈現(xiàn)不同的變化趨勢。雷暴活動呈現(xiàn)2個持續(xù)下滑的變化趨勢，其中后16 a(1993—2009)減少較前一時期迅猛;逐年降雨變化情況則以1993為界，呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。與之對應在高頻變換中，兩者在小尺度上均呈現(xiàn)各式各樣的波動，較為明顯的是出現(xiàn)1～2 a振蕩周期。

圖2 離散小波分析序列(a.雷暴日;b.降雨量)

4 結論

本文以銅仁市50 a氣象觀測資料為基礎，采用數(shù)理分析方法探討雷暴活動與降雨情況的關系。通過離散小波分析，雷暴活動及降雨量大尺度上均以1993年為突變點，呈現(xiàn)兩種不同的變化趨勢;與之對應在小尺度上呈現(xiàn)各式各樣的波動，較為明顯的是出現(xiàn)1～2 a振蕩周期。

［1］ 周筠珺，郄秀書，張義軍，等.地閃與對流性天氣系統(tǒng)中降水關系的分析［J］.氣象學報，1999，57(1)：103-111.

［2］ 周筠君，郄秀書，王懷斌，等.利用對地閃的觀測估算對流性天氣中的降水［J］.高原氣象，2003，22(2)：168-172.

［3］ 鄭棟.閃電活動與降水的相關關系研究［D］.北京：中國氣象科學研究院，2008.

［4］ 飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.小波分析理論與MATLAB實現(xiàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：39-40.

P446

B

1003-6598(2011)06-0036-02

2011-11-17

吳安坤(1986-)，男，助工，主要從事雷電風險評估、雷電監(jiān)測預警服務工作。