1952-2012年蚌埠市雷暴氣候統(tǒng)計(jì)特征研究

陸琴琴，汪 翔，葉金印， 周麗雅

(1.南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院 江蘇 南京 210093；2.蚌埠市氣象局 安徽 蚌埠 233040；3.安徽省氣象臺(tái)，安徽 合肥 230000)

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1952-2012年蚌埠市雷暴氣候統(tǒng)計(jì)特征研究

陸琴琴1,2，汪 翔2，葉金印3， 周麗雅2

(1.南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院 江蘇 南京 210093；2.蚌埠市氣象局 安徽 蚌埠 233040；3.安徽省氣象臺(tái)，安徽 合肥 230000)

利用蚌埠市1952-2012年雷暴資料，采用氣候傾向率、保證率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和Morlet小波分析等氣候診斷方法，分析蚌埠市近61a雷暴的氣候變化趨勢(shì)、初終日分布、突變和周期變化特征.結(jié)果表明：蚌埠市雷暴日數(shù)年際變化較大，平均雷暴日數(shù)總體呈略下降趨勢(shì)，夏季雷暴日數(shù)下降趨勢(shì)最明顯；雷暴有很強(qiáng)的季節(jié)性，集中出現(xiàn)在4-9月份，以7月份出現(xiàn)最多；雷暴初日普遍在3月中旬，終日普遍在9月下旬，雷暴初終日年際間差異大；雷暴日數(shù)呈先升后降的氣候變化趨勢(shì)，顯著突變年份是1980年；雷暴日數(shù)年際和年代際變化存在2-4a、10-12a以及準(zhǔn)16a振蕩周期.

雷暴；氣候特征；Mann-Kendall突變檢驗(yàn)；Morlet小波分析

雷暴是發(fā)生在大氣中的激烈天氣現(xiàn)象，出現(xiàn)時(shí)常伴有狂風(fēng)、暴雨、冰雹等天氣現(xiàn)象.與其他災(zāi)害天氣相比，雷暴具有時(shí)間分布的瞬時(shí)性、季節(jié)性和空間分布的分散性、局地性以及破壞力非常大等特點(diǎn)，是一種危害性極大的自然災(zāi)害，常對(duì)輸電和通信設(shè)施、建筑、航空器、車(chē)船、農(nóng)作物以及人畜等帶來(lái)毀滅性的損害.加強(qiáng)雷暴發(fā)生規(guī)律的研究，對(duì)防雷減災(zāi)、雷電預(yù)警預(yù)報(bào)都具有重要意義[1].有關(guān)研究表明，我國(guó)雷暴的地理分布存在明顯的空間變異性，空間分布呈現(xiàn)自南向北遞減，總體呈減少趨勢(shì)[2].雷暴日存在明顯的年代際變化[3]，在1980年代和2000年代呈現(xiàn)2個(gè)相對(duì)多發(fā)期，而1990年代為相對(duì)少發(fā)期.年均雷暴日具有不同時(shí)間尺度的周期變化[4].根據(jù)1961-2010年月雷暴日資料，采用小波分析方法，發(fā)現(xiàn)我國(guó)中部5省雷暴日呈11a、17a和6a、4a左右的周期，季節(jié)變化總體上表現(xiàn)為春夏季多發(fā)而秋冬季少發(fā)的特點(diǎn)[5].由于雷暴氣候特征的時(shí)空變異性明顯，對(duì)于不同地理區(qū)域，特別是雷暴時(shí)空特征、預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)以及防范措施的研究也備受關(guān)注[6-9]，但利用長(zhǎng)序列資料對(duì)南北氣候過(guò)渡帶城市雷暴氣候特征的研究則相對(duì)較少.

蚌埠市位于南北氣候過(guò)渡帶，是冷暖氣流頻繁交匯的地帶，雷暴天氣頻繁.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，多種電氣系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備以及電子信息系統(tǒng)的廣泛使用，這些電子設(shè)備抗雷擊電磁脈沖的能力差，大大增加了雷電災(zāi)害的可能，因雷暴造成的人民生命財(cái)產(chǎn)安全的損失越來(lái)越大[9].據(jù)蚌埠市防雷減災(zāi)管理辦公室不完全統(tǒng)計(jì)，2001-2009年共發(fā)生重大雷電災(zāi)害43起，涉及人員傷亡、建筑物破壞、停斷電事故、雷擊火災(zāi)、家用電器損壞、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備癱瘓等，共造成傷亡27人，直接經(jīng)濟(jì)損失超千萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)損失無(wú)法估量.

本文利用1952-2012年蚌埠市長(zhǎng)時(shí)間序列的雷暴觀測(cè)資料，采用氣候傾向率、保證率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析等方法，對(duì)蚌埠市雷暴的年代際、年際、季節(jié)、月變化規(guī)律以及初終日分布、突變和周期變化特征進(jìn)行分析，旨在掌握蚌埠市雷暴氣候特征，為雷暴潛勢(shì)預(yù)報(bào)和雷電防御提供參考依據(jù).

1 資料及方法

資料來(lái)源于蚌埠國(guó)家基本氣象觀測(cè)站.利用蚌埠站1952-2012年61a逐日地面觀測(cè)資料中有關(guān)雷暴的人工觀測(cè)記錄進(jìn)行雷暴氣候統(tǒng)計(jì)分析.在資料統(tǒng)計(jì)時(shí)，觀測(cè)簿上只記錄閃電而無(wú)雷暴記錄的不作雷暴；一日之內(nèi)發(fā)生一次或數(shù)次雷暴的作為一個(gè)雷暴日.用3-5月、6-8月、9-11月、12月-次年2月分別代表春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié).

采用最小二乘法求取雷暴日數(shù)線性回歸趨勢(shì)方程，其回歸方程表達(dá)式為

Y=at+b

(1)

式中，回歸系數(shù)a表示雷暴日的氣候傾向趨勢(shì)，a>0說(shuō)明隨時(shí)間增加雷暴日呈上升趨勢(shì)，a<0說(shuō)明隨時(shí)間增加雷暴日呈下降趨勢(shì)，a的大小反映了上升或下降的速率，把10a稱(chēng)為氣候傾向率[10].

使用經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算雷暴初、終日保證率，其公式為

Pm=m/(n+1)×100%

(2)

它反映雷暴初日(終日) 出現(xiàn)某一天以后(以前) 的累計(jì)頻率，用來(lái)表示地面物體不受雷暴危害的可靠程度[11].式中m為雷暴初日(終日) 由后(前)向前(后)排列的序號(hào)，n為雷暴資料樣本年數(shù)，Pm為保證率.

采用Mann-Kendall和Morlet小波分析方法[12]研究蚌埠市雷暴天氣的突變和周期變化.

2 雷暴的氣候特征

圖1 蚌埠市雷暴年際變化(虛線為平均值，實(shí)線為趨勢(shì)線，點(diǎn)劃線為5年滑動(dòng)平均)

2.1 年(年代)際變化特征

近61a，蚌埠市共出現(xiàn)1706個(gè)雷暴日，年平均雷暴日數(shù)為28d.雷暴出現(xiàn)最多的年份是1964年，有49個(gè)雷暴日；出現(xiàn)最少的年份是1999年，只有11個(gè)雷暴日.蚌埠市逐年雷暴日數(shù)變化如圖1.20世紀(jì)50、60年代基本呈振蕩上升趨勢(shì)，并在1964年達(dá)到最高峰后，呈振蕩下降趨勢(shì)，在2000年左右達(dá)到最低值，然后稍有回升，基本在年平均值28d上下波動(dòng).由圖中趨勢(shì)線可以看出，蚌埠市雷暴的發(fā)生有減小的趨勢(shì)變化，氣候傾向率為-1.2d/10a.

年雷暴日數(shù)明顯的正距平區(qū)主要分布在20世紀(jì)60年代到70年代末、21世紀(jì)初期；負(fù)距平區(qū)主要出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代之前、80年代初期到2000年左右.1960年代末-1970年代中期，蚌埠市一直處于雷暴多發(fā)期，距平值基本都在5d以上，1961-1964年連續(xù)4年距平值超過(guò)10d；1970年代后期以后出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)距平時(shí)段；在21世紀(jì)初期出現(xiàn)短暫的雷暴多發(fā)期.5年滑動(dòng)平均值也能反映出年際變化特征.

雷雨云的形成要具備充足的水汽條件、使?jié)窨諝馍仙膭?dòng)力、劇烈的對(duì)流，從而形成雷雨云，進(jìn)而產(chǎn)生雷暴.由于1980年以后全球變暖，與之對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流也相應(yīng)改變，大氣環(huán)流變得更趨向于緯向環(huán)流，經(jīng)向環(huán)流變得較弱，這樣使冷空氣的強(qiáng)度減弱或者頻率減少，缺少了抬升濕空氣的動(dòng)力[13]，大氣不穩(wěn)定性也因此變?nèi)?，不利于雷暴天氣發(fā)生.

2.2 季節(jié)變化

一年四季中，雷暴以夏季出現(xiàn)最多，累年平均出現(xiàn)21.1個(gè)雷暴日，是各季累計(jì)平均出現(xiàn)日數(shù)(7.0d)的3倍多，約占全年雷暴出現(xiàn)日數(shù)的75.4%；春季次之，累年平均出現(xiàn)4.5個(gè)雷暴日；冬季出現(xiàn)最少，累年平均僅0.4個(gè)雷暴日.春夏季平均雷暴日為25.6d，占全年雷暴日的91.4%，這與王學(xué)良等[4]分析得出的我國(guó)中部5省雷暴主要發(fā)生在春夏季(占全年80%以上)的結(jié)論相一致.

由圖2可知，秋季雷暴在1964年出現(xiàn)異常極大值，達(dá)到11天；冬季雷暴極大值為4天，出現(xiàn)在2010年.據(jù)觀測(cè)資料，1964年秋季雷暴均出現(xiàn)在9月，當(dāng)月的高溫日、雨日、降水量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均值，冷暖空氣活動(dòng)頻繁；2010年冬季雨雪日較常年偏多，暖濕空氣活躍.冷暖空氣活動(dòng)頻繁，造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增大是雷暴增多的可能原因之一.

從趨勢(shì)線可以看出，各季節(jié)雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)差異很大.夏季的減少趨勢(shì)最明顯，氣候傾向率為-0.86d/10a，春季次之.因此，蚌埠市雷暴日數(shù)減少趨勢(shì)主要表現(xiàn)在夏、春季.但冬季的趨勢(shì)線略有上升傾向，表明蚌埠市冬季雷暴有增加的趨勢(shì).

圖2 蚌埠市雷暴季節(jié)變化

2.3 月變化

一年12個(gè)月都有可能出現(xiàn)雷暴，但月均雷暴日及占比變化差別非常大(圖3)，呈明顯的單峰型.雷暴多集中出現(xiàn)在4-9月份，累計(jì)平均出現(xiàn)26.3d，約占全年雷暴出現(xiàn)日數(shù)的94.2%；其中，以7月份出現(xiàn)最多，累年平均有9.8個(gè)雷暴日，約占全年雷暴出現(xiàn)日數(shù)的35%，其次為8、6月份，累年平均分別為7.2、4.2個(gè)雷暴日.11、12月份出現(xiàn)最少，累年平均僅有0.1個(gè)雷暴日；次少為1、10月份，累年平均分別為0.1、0.2個(gè)雷暴日；這4個(gè)月出現(xiàn)雷暴的概率非常小，累計(jì)雷暴出現(xiàn)日數(shù)僅占全年的1.6%.

圖3 蚌埠市月均雷暴日及占比變化圖

蚌埠市雷暴日數(shù)這種明顯的單峰型月分布與蘇北地區(qū)城市雷暴日數(shù)的月分布型是一致的[6].溫暖潮濕的上升氣流和熱力不穩(wěn)定是產(chǎn)生雷暴云的必要條件.隨著大氣環(huán)流的調(diào)整， 3月蚌埠市氣溫開(kāi)始上升，熱力不穩(wěn)定條件逐漸增強(qiáng)，對(duì)流性天氣增多，雷暴發(fā)生的次數(shù)逐月增加.夏季因受副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)等的影響，冷暖空氣交匯頻繁，前期的高溫使得近地層有充足的能量來(lái)加劇對(duì)流運(yùn)動(dòng)，所以7-8月雷暴發(fā)生頻率最高.9月以后，氣溫開(kāi)始下降，熱力不穩(wěn)定條件減弱，雷暴次數(shù)迅速減少.由于蚌埠市冬季大氣層結(jié)穩(wěn)定，故冬季雷暴發(fā)生次數(shù)少.大氣環(huán)流的調(diào)整對(duì)蚌埠市雷暴月變化的影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究.

2.4 初終日及雷暴期統(tǒng)計(jì)

雷暴出現(xiàn)的初、終日是重要的氣候指標(biāo).1952-2012年蚌埠雷暴出現(xiàn)的平均初日是3月15日，最早的初日是1月4日(2000年)，最晚的初日是5月10日(2011年).雷暴出現(xiàn)的平均終日是9月23日，最早的終雷日是8月7日(1953年)，最晚的終雷日是12月31日(1996年).雷暴初、終日最早和最晚均相差4個(gè)月以上，年際波動(dòng)較大.近61a的平均雷暴期達(dá)到190.2d，最長(zhǎng)雷暴期為290d，出現(xiàn)在1996年；最短雷暴期為111d，出現(xiàn)在2011年.

雷暴的初、終日期只提供了雷暴的大致氣候情況，在利用價(jià)值上，不同保證率下的雷暴初、終日對(duì)交通運(yùn)輸、旅游安全、電力等行業(yè)具有更重要的意義[8].從表1可以看出，80%保證率雷暴初日在2月24日，終日在10月17日，即80%的雷暴初日都發(fā)生在2月下旬及以后，而80%的雷暴終日在10月中旬及以前；5%保證率初日為5月1日，終日為8月20日，即雷暴初日一般出現(xiàn)在5月1日前，而8月20日后雷暴結(jié)束的可能性較小.雷暴初終日出現(xiàn)的日期跨度很大，雷暴發(fā)生的不確定性較大.

表1 蚌埠市不同保證率(%)下雷暴出現(xiàn)的初、終日統(tǒng)計(jì)(日/月)

3 突變檢驗(yàn)

在時(shí)間序列趨勢(shì)分析中，Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)[12].

圖4為蚌埠市雷暴日數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果，UF為年雷暴日順序時(shí)間序列曲線，UB為年雷暴日逆序時(shí)間序列曲線，上下兩條平行線為5%顯著性檢驗(yàn)水平值.近61a，蚌埠市雷暴日數(shù)變化過(guò)程大致為升-降：1952年至80年代初為正位相，表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，且上升達(dá)到5%顯著性水平；80年代起呈下降趨勢(shì)，并一直持續(xù)至2012年.2002年起雷暴日數(shù)雖有所增多，但與80年代前相比，并沒(méi)有表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，仍處于負(fù)位相.同時(shí)，從UF和UB曲線交點(diǎn)的位置來(lái)看，雷暴序列在1980年左右發(fā)生了第一次突變，即由此前的雷暴日上升趨勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì).21世紀(jì)初發(fā)生了第二次突變，之后雷暴日由下降轉(zhuǎn)為上升.第一次突變?cè)诔掷m(xù)性顯著上升趨勢(shì)后發(fā)生的，而第二次突變比較而言不太顯著，是在略微有所超過(guò)5%顯著性水平且持續(xù)時(shí)間短促后發(fā)生的.

圖4 蚌埠市雷暴日數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果

4 小波分析

小波分析的核心是多分辨率分析，它能把信號(hào)在時(shí)間和頻率域上同時(shí)展開(kāi)，得到各個(gè)頻率隨時(shí)間的變化和不同頻率之間的關(guān)系.同時(shí)小波變換可以分析出其他方法不能分析的短波分量，并具有分析函數(shù)奇異性的能力[12].本文采用Morlet小波變換方法，Morlet小波系數(shù)的實(shí)部表示不同特征時(shí)間尺度信號(hào)在不同時(shí)間上的分布和位相兩方面的信息，正的小波系數(shù)反映出分析對(duì)象在該時(shí)間段為偏多期，負(fù)值時(shí)反映為偏少期，零值對(duì)應(yīng)著突變點(diǎn).

圖5為1952-2012年蚌埠月雷暴日(濾掉年變化，即通過(guò)求距平的方法將資料中一年的自然周期濾去，因此，實(shí)際上用來(lái)變換的資料序列為距平序列)的小波變換系數(shù)圖.圖中正值用等值線和陰影表示，負(fù)值用等值線表示，等值線間隔為0.5.Morlet小波變化清晰地顯示出蚌埠雷暴日的各種周期振蕩，主要存在2-4a、10-12a以及16a左右的變化周期.首先，在圖的上部，從上世紀(jì)50年代至70年代末表現(xiàn)出明顯的16a左右的周期；從70年代初期至2012年，10-12a的周期表現(xiàn)較為明顯，依次表現(xiàn)為低、高、低、高、低、高6個(gè)中心，且在70年代末期振蕩最為明顯，即表現(xiàn)為強(qiáng)的正值中心；其次，在圖的中間部分，2-4a的周期一直貫穿著整個(gè)時(shí)間段，并且從上世紀(jì)80年代起至21世紀(jì)初的周期振蕩表現(xiàn)很強(qiáng).從長(zhǎng)時(shí)間尺度周期和變化趨勢(shì)分析，蚌埠市雷暴日近幾年處于偏少周期內(nèi).

圖5 1952-2012年蚌埠市年雷暴Morlet小波變化

5 結(jié)論

利用國(guó)家基本氣象觀測(cè)站1952-2012年雷暴觀測(cè)資料，通過(guò)氣候傾向率、保證率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析等方法，對(duì)蚌埠市雷暴的年代際、年際、季節(jié)、月變化規(guī)律以及初終日分布、突變和周期變化特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)蚌埠市每年都有雷暴發(fā)生，但年際變化大，波動(dòng)起伏明顯.20世紀(jì)50、60年代呈振蕩上升趨勢(shì)，60年代中期起下降，2000年以后稍有回升.近61a平均雷暴日總體呈略下降趨勢(shì)，夏季的下降趨勢(shì)最明顯，冬季呈略增加趨勢(shì).

(2)蚌埠市平均雷暴日的月變化呈單峰型.雷暴多集中出現(xiàn)在4-9月份，累計(jì)平均出現(xiàn)26.3d，約占全年雷暴出現(xiàn)日數(shù)的94.2%；其中，以7月份出現(xiàn)最多，累年平均有9.8個(gè)雷暴日，約占全年雷暴出現(xiàn)日數(shù)的35%，其次為8、6月份，累年平均分別為7.2、4.2個(gè)雷暴日.秋冬季雷暴日數(shù)相比較少.

(3)蚌埠市雷暴出現(xiàn)的平均初日是3月15日，平均終日是9月23日，近61a平均雷暴期為190.2d；80%保證率下雷暴初(終)日在2月下旬(10月中旬).

(4)蚌埠市雷暴日變化過(guò)程大致呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在1980年左右發(fā)生了一次明顯突變.蚌埠市雷暴日存在2-4a、10-12a以及準(zhǔn)16a周期振蕩.

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A Study on Climatic Characteristics of Thunderstorm in Bengbu from 1952 to 2012

LU Qin-qin1,2， WANG Xiang2， YE Jin-yin3， ZHOU Li-ya2

(1. School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2. Bengbu Meteorological Bureau, Bengbu 233040, China; 3. Meteorological Observatory of Anhui Province, Hefei 230000, China)

With the data of thunderstorms in Bengbu from 1952 to 2012,the climatological variation trends,initial and ending dates,abrupt changes and periodicity features of thunderstorms during the recent 61years are analyzed by means of climatic trends,assurance ratios, Mann-Kendall abrupt change test and Morlet wavelets analysis. The results show that the interannual thunderstorm variability is great and the mean annual thunderstorm days decline because of the reducing of thunderstorm days in summer. Most thunde rstorms appear from April to September, of which July reaches the toppest. The initial thunderstorm dates occur in mid-March while the ending dates occur in late September. Interannual thunderstorm variability presents a trend of first increasing then decreasing and the significant abrupt change occurs in 1980. The thunderstorm days show 2-4 years, 10-12 years and 16 years oscillating periods for inter-annual and inter-decadal variations.

thunderstorm; climatic characteristic; Mann-Kendall abrupt change test; Morlet wavelets analysis

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.03.014

2014-08-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(41130639)；公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)(GYHY201006037).

陸琴琴(1985-)，女，江蘇泰興人，工程師，南京大學(xué)碩士研修班在讀，主要從事天氣、氣候方面的研究.

陸琴琴，汪翔，葉金印，等.1952-2012年蚌埠市雷暴氣候統(tǒng)計(jì)特征研究[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，38(3)：285-289.

P446

A

1001-2443(2015)03-0285-05