克拉瑪依市雷暴日數(shù)變化特征分析

馮志江，吳萍建，方金江，劉嘉浩

(貴州省貴陽市花溪區(qū)氣象局，貴陽 花溪 550025)

克拉瑪依市雷暴日數(shù)變化特征分析

馮志江，吳萍建，方金江，劉嘉浩

(貴州省貴陽市花溪區(qū)氣象局，貴陽 花溪 550025)

21世紀(jì)以來隨著全球經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，高層建筑以及化工、石油等易燃易爆場所的逐年增多，雷暴氣候給社會所帶來的災(zāi)害損失日趨嚴(yán)峻。該文通過1961—2010年克拉瑪依地面氣象觀測雷暴日資料以及國家氣候中心統(tǒng)計(jì)的年降水量、年平均氣溫資料，采用頻率統(tǒng)計(jì)、5 a滑動平均、M-K突變檢驗(yàn)、小波變換、相關(guān)性分析等方法，研究了克拉瑪依雷暴日數(shù)變化特征以及雷暴日數(shù)與相關(guān)氣象因子的關(guān)系，得到了該市的年雷暴日變化規(guī)律及其與相關(guān)氣象因子對應(yīng)的變化規(guī)律，對實(shí)際生活中的雷電災(zāi)害防御工作能起到一定的指導(dǎo)作用。

雷暴日數(shù)；頻數(shù)；5 a滑動平均值；突變年；小波分析;相關(guān)性

1 引言

雷暴日是指某地區(qū)一年中有雷電放電的天數(shù)，一天中只要聽到一次以上的雷聲就算一個(gè)雷暴日。雷電產(chǎn)生往往伴隨著強(qiáng)大的沖擊波、劇變的電磁場和熾熱的高溫，對人類的自然資源和物質(zhì)文明構(gòu)成了巨大威脅。因此，雷暴日活動規(guī)律的研究不僅是雷電科學(xué)發(fā)展的需要，同時(shí)也是對雷電災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)防護(hù)的需要。國內(nèi)外有學(xué)者對不同區(qū)域的雷暴日活動規(guī)律以及與相關(guān)氣象因子之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析研究。格央[2]等利用西藏地區(qū)地面氣象觀測資料，對西藏地區(qū)雷暴日氣候特征進(jìn)行了分析，以及對雷暴日與年平均氣溫、降水量之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究。得出了雷暴日與氣溫之間存在負(fù)相關(guān)性，與降水之間存在正相關(guān)性。楊志等[3]利用陸川縣地面觀測資料，對該縣雷暴日數(shù)變化規(guī)律以及與平均氣溫、降水之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析研究。得出了雷暴日與氣溫之間存在正相關(guān)性，而與降水量之間存在負(fù)相關(guān)性。高文勝等[4]利用聚類分類法對雷暴云進(jìn)行識別，并利用線性擬合求出了雷暴云中心位置，對未來云團(tuán)發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測，最后利用閃電定位資料對聚類分類法進(jìn)行了驗(yàn)證。還有很多人對其它區(qū)域的雷暴活動進(jìn)行了研究。

本文利用克拉瑪依1961—2010年地面氣象觀測的雷暴日資料，以及逐日氣溫、降水等氣象資料，采用了頻率統(tǒng)計(jì)、小波變換、相關(guān)性分析等方法，研究了克拉瑪依雷暴日數(shù)氣候變化規(guī)律，并對年雷暴日與年平均氣溫、年平均降水量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，這一結(jié)果能夠?qū)死斠览纂姙?zāi)害防御工作的開展提供借鑒以及指導(dǎo)意義。

2 數(shù)據(jù)來源以及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文利用克拉瑪依1961—2010年逐日雷暴日數(shù)據(jù)以及逐日平均氣溫、逐日降水量統(tǒng)計(jì)資料，對克拉瑪依雷暴日數(shù)變化特征進(jìn)行分析，并對雷暴日數(shù)與氣溫、降水量之間的相關(guān)性進(jìn)行研究，其中雷暴日數(shù)據(jù)來源于克拉瑪依氣象局人工觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果，氣溫與降水量資料來源于國家氣候中心編制的氣候統(tǒng)計(jì)資料。

2.2 研究方法

根據(jù)所求出的兩個(gè)變量之間相關(guān)性系數(shù)值的大小，來判斷兩者之間的相關(guān)性程度。若求出的rjk>0時(shí)，表示xj和xk的樣本之間存在正相關(guān)性；若求出rjk<0時(shí)，表示xj和xk的樣本之間存在負(fù)相關(guān)性。|rjk|越大，表示xj和xk的樣本之間關(guān)系越密切。

3 克拉瑪依雷暴日數(shù)變化特征

3.1 雷暴日數(shù)頻率變化規(guī)律

本文對克拉瑪依1961—2010年的年雷暴日數(shù)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，用來研究該地區(qū)雷暴日數(shù)頻率的變化規(guī)律。圖1為1961—2010年克拉瑪依年雷暴日數(shù)頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看出克拉瑪依年雷暴日數(shù)存在顯著性的頻率分布差異性，年雷暴日數(shù)主要集中在45～50d，在該頻率范圍下出現(xiàn)的年雷暴日頻率為18次，其次是分布在15～20d，出現(xiàn)的年雷暴頻率為11次。年雷暴日數(shù)出現(xiàn)在30～35d以及35～40d內(nèi)的頻率相同，均為7次，年雷暴日數(shù)出現(xiàn)在10～15d、45～50d以及50～55d內(nèi)的頻率也相同，均為1次，說明了分布在該范圍內(nèi)克拉瑪依出現(xiàn)的年雷暴日頻率最小。

圖1 1961—2010年克拉瑪依年雷暴日數(shù)頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Frequency statistics of thunderstorm days in Karamay in 1961—2010

3.2 雷暴日數(shù)年變化規(guī)律

本文對克拉瑪依1961—2010年的雷暴日數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來研究克拉瑪依雷暴日年變化規(guī)律。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析得出，克拉瑪依年平均雷暴日數(shù)為38d，雷暴活動較多，圖2為1961—2010年克拉瑪依雷暴日數(shù)年變化規(guī)律以及曲線擬合結(jié)果，從圖中可以看出，克拉瑪依雷暴活動年變化差異較大，具有顯著性的年際變化特征。從一次曲線擬合的結(jié)果可以看出，擬合出的方程斜率為-0.2709，斜率小于0，這說明了克拉瑪依年雷暴日總體上具有在波動中呈逐年遞減的變化趨勢，且得出年雷暴日數(shù)氣候傾向率為-2.7d/10a，說明了克拉瑪依年雷暴日數(shù)每10a減少約3d左右，這一遞減的幅度較大。從二次曲線擬合的結(jié)果可以看出，克拉瑪依年雷暴日二次曲線存在一個(gè)波谷，即在1961—1995年期間年雷暴日數(shù)呈遞減的發(fā)展趨勢，從1995年之后年雷暴日數(shù)又呈遞增的發(fā)展趨勢。

圖2 1961—2010年克拉瑪依雷暴日數(shù)年變化規(guī)律以及曲線擬合結(jié)果Fig.2 The variation law of the thunderstorm days in Karamay in 1961—2010 and the results of curve fitting

3.3 雷暴日數(shù)突變年檢驗(yàn)

在對克拉瑪依年雷暴日變化突變的研究中，本文取顯著性水平α=0.05，則臨界值曲線為U0.05=±1.96。計(jì)算出克拉瑪依年雷暴日UF順序統(tǒng)計(jì)值以及UB逆序統(tǒng)計(jì)值，然后根據(jù)求出的年雷暴日UF順序統(tǒng)計(jì)值的正負(fù)情況來判斷克拉瑪依年雷暴日數(shù)的變化情況，若求出的年雷暴日數(shù)UF順序統(tǒng)計(jì)值在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)小于0，則表明了在該時(shí)期內(nèi)雷暴活動呈遞減的發(fā)展趨勢；若求出的雷暴活動UF順序統(tǒng)計(jì)值在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)大于0，說明了在該時(shí)期內(nèi)雷暴活動呈遞增的發(fā)展趨勢；當(dāng)UF順序統(tǒng)計(jì)值從某一時(shí)刻超出了置信檢驗(yàn)曲線時(shí)，說明了雷暴活動從該時(shí)刻起呈顯著性的遞增或遞減發(fā)展趨勢。如果UF順序統(tǒng)計(jì)曲線和UB逆序統(tǒng)計(jì)曲線出現(xiàn)了交點(diǎn)，且該交點(diǎn)位于置信檢驗(yàn)曲線內(nèi)，則說明了該交點(diǎn)為克拉瑪依雷暴活動變化的一個(gè)突變年。

圖3為1961—2010年克拉瑪依雷暴日數(shù)突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看出，從1961年開始，求出的雷暴日UF順序統(tǒng)計(jì)值均小于0，表明了根據(jù)突變年檢驗(yàn)結(jié)果顯示，克拉瑪依年雷暴日數(shù)從1961年開始呈遞減的變化趨勢，且從1967年開始計(jì)算出的雷暴日UF順序統(tǒng)計(jì)曲線值開始超出了置信檢驗(yàn)曲線，這表明了克拉瑪依年雷暴日數(shù)從1967年開始呈顯著性的逐年遞減的變化趨勢，求出的雷暴日UF順序以及UB逆序統(tǒng)計(jì)值有一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)位于1966年，且該交點(diǎn)位于置信檢驗(yàn)曲線之內(nèi)，根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)理論得知，1966年為克拉瑪依年雷暴日突變年。

圖3 1961—2010年克拉瑪依雷暴日數(shù)突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical results of abrupt change of thunderstorm days in Karamay in 1961—2010

3.4 雷暴日數(shù)周期變化規(guī)律

本文對1961—2010年克拉瑪依雷暴日數(shù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用小波變換方法，一方面對克拉瑪依年雷暴日數(shù)突變年的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，另一方面對克拉瑪依年雷暴日數(shù)周期變化規(guī)律進(jìn)行研究。

運(yùn)用matlab編寫出小波變換程序，求出克拉瑪依年雷暴日數(shù)小波變換等值線結(jié)果，小波變換取樣周期為1a，最大周期尺度為32a。圖4為1961—2010年克拉瑪依雷暴日數(shù)小波變換結(jié)果，從圖中可以看出，在8～12a的周期變化的時(shí)間尺度上，在1961—1966年之間克拉瑪依年雷暴日小波變換等值線值為正數(shù)，而在1966—1972年之間克拉瑪依年雷暴日小波變換等值線值為負(fù)數(shù)，因此可以看出1966年為等值線值正負(fù)變化的交界面，所以進(jìn)一步說明了上文中使用M-K突變檢驗(yàn)法求出的1966年為該地區(qū)年雷暴日數(shù)突變年是準(zhǔn)確可靠的。

從圖還可以看出，在1961—1968年期間年雷暴日小波變化等值線值為正數(shù)，因此說明了在此年份期間克拉瑪依雷暴活動較多，同時(shí)可以看出，年雷暴日數(shù)具有4～7a的小尺度演變規(guī)律，且這個(gè)小尺度演變規(guī)律在1980年之前較為顯著，同時(shí)存在8～12a的中時(shí)間尺度的演變規(guī)律，且該中等時(shí)間尺度的演變規(guī)律在90年代中期之前顯得較為顯著，中時(shí)間尺度上存在顯著的5次峰—谷振蕩變化規(guī)律。還存在14～24a的長時(shí)間尺度的演變周期，該長時(shí)間尺度在80年代中期之前較為顯著，該長時(shí)間尺度上存在顯著的3次峰—谷振蕩變化規(guī)律。從而得出年雷暴日數(shù)具有4～7a、8～12a以及14～24a這3類時(shí)間尺度的演變周期。

圖4 1961—2010年克拉瑪依雷暴日數(shù)小波變換結(jié)果Fig.4 Results of wavelet transform of thunderstorm days in Karamay in 1961—2010

4 雷暴日數(shù)與相關(guān)氣象因子相關(guān)性分析

本文利用1961—2010年克拉瑪依年雷暴日數(shù)、年平均氣溫、年降水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用來研究年雷暴日數(shù)與年平均氣溫、降水量之間的相關(guān)性。

4.1 年雷暴日數(shù)與年降水量相關(guān)性分析

雷暴常常發(fā)生在中小尺度對流系統(tǒng)中，雷暴出現(xiàn)時(shí)必然伴有強(qiáng)烈的積雨云活動。有研究結(jié)果表明，克拉瑪依雷暴活動主要集中在5—9月份，占到全年總雷暴數(shù)的92%以上。圖5為1961—2010年克拉瑪依年降水量變化規(guī)律以及曲線擬合結(jié)果，從圖中可以看出，克拉瑪依年降水量也與雷暴日數(shù)一樣具有顯著的年際差異性。根據(jù)一次曲線擬合的結(jié)果可以看出，擬合出的方程斜率為0.6887，斜率大于0，這說明了克拉瑪依年降水量總體上具有在波動中呈逐年遞增的變化趨勢，且得出年降水量氣候傾向率為6.9mm/10a。而上文求出的克拉瑪依年雷暴日數(shù)呈逐年遞減的變化趨勢。將相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入2.2中所述的相關(guān)性系數(shù)表達(dá)式[21]中可以得出，年雷暴日數(shù)與年降水量之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.6213，說明了克拉瑪依在這10a間的年雷暴日數(shù)與年降水量之間存在中高度的負(fù)相關(guān)性。

圖5 1961—2010年克拉瑪依年降水量變化規(guī)律以及曲線擬合結(jié)果Fig.5 Variation of annual precipitation in Karamay during 1961—2010 and curve fitting

4.2 年雷暴日數(shù)與年平均氣溫相關(guān)性分析

圖6為1961—2010年克拉瑪依年平均氣溫變化規(guī)律以及曲線擬合結(jié)果，從圖中可以看出，克拉瑪依年平均氣溫也與雷暴日數(shù)一樣具有顯著性的年際差異性。根據(jù)線性擬合的結(jié)果可以看出，擬合出的方程斜率為0.0184，斜率大于0，說明克拉瑪依年平均氣溫總體上具有在波動中呈逐年遞增的變化趨勢，且得出年平均氣溫氣候傾向率為0.18 ℃/10a。根據(jù)二次曲線擬合得出，在1961—1975年之間年平均氣溫呈逐年遞減的變化趨勢，從1975年之后年平均氣溫呈遞增的變化趨勢。

上文求出的克拉瑪依年雷暴日數(shù)呈逐年遞減的變化趨勢，并且可以得出，隨著氣溫的逐年增加，克拉瑪依年雷暴日數(shù)呈逐年遞減的變化趨勢。求出年雷暴日數(shù)與年平均氣溫之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.5233，說明了克拉瑪依年雷暴日數(shù)與年平均氣溫之間也存在中高度的負(fù)相關(guān)性。

圖6 1961—2010年克拉瑪依年平均氣溫變化規(guī)律以及曲線擬合結(jié)果Fig.6 The variation law of annual mean temperature in Karamay during 1961—2010 and the results of curve fitting

5 結(jié)論

①對克拉瑪依年雷暴日數(shù)頻數(shù)進(jìn)行分析得出，年雷暴日數(shù)主要集中在45～50d，在該時(shí)間范圍下出現(xiàn)的年雷暴日頻率為18次。

②對克拉瑪依雷暴日年變化進(jìn)行分析得出，年雷暴日總體上具有在波動中呈逐年遞減的變化趨勢，每10a減少約3d左右。

③對克拉瑪依雷暴日年代變化規(guī)律分析得出，20世紀(jì)60年代、70年代、80年代、21世紀(jì)10年代雷暴日數(shù)呈逐年遞減的變化趨勢，其中21世紀(jì)10年代雷暴日數(shù)遞減速度最大；20世紀(jì)90年代雷暴日呈遞增的變化趨勢。

④對克拉瑪依年雷暴日突變年檢驗(yàn)以及周期變化規(guī)律分析得出，首先使用M-K突變檢驗(yàn)分析可知，1996年為年雷暴日突變年，然后使用小波變換方法對突變結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)，同時(shí)得出年雷暴日數(shù)具有4～7a、8～12a以及14～24a這3類時(shí)間尺度的演變周期。

⑤對克拉瑪依年雷暴日與年降水量以及年平均氣溫之間相關(guān)性分析得出，年雷暴日數(shù)與年降水量、年平均氣溫之間均存在負(fù)相關(guān)性，求出的相關(guān)性系數(shù)分別為-0.6213、-0.5233。

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Characteristics analysis of Karamay thunderstorm days change

FENG Zhijiang, WU Pingjian, FANG Jinjiang, LIU Jiahao

(Huaxi County Meteorological Bureau of Guiyang City, Guiyang 550025, Guizhou)

Since twenty-first Century, with the rapid development of the global economy and society, high-rise buildings and chemicals, oil and other flammable and explosive places are increasing year by year. We used the ground meteorological observation data of thunderstorm, and the national climate center statistics of annual precipitation, annual average temperature data from 1961 to 2010 in Karamay, using the frequency statistics, 5 years moving average, the M - K mutation testing, methods of wavelet transform, correlation analysis to study the changes characteristics of thunderstorm days and the correlation between the thunderstorm days number and the related meteorological factors of Karamay. It can play a guiding role in the prevention of lightning disaster in real life.

thunderstorm days; frequency; 5years moving average; mutations years; wavelet transform; correlation

1003-6598(2017)02-0048-05

2016-12-13

馮志江(1990—)，男，助工，主要從事防雷檢測工作，E-mail:472447038@qq.com。

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