孝感地區(qū)雷暴日氣候特征及規(guī)律研究

湖北省孝感市氣象局 孫芃

一、引言

本論文對(duì)孝感地區(qū)雷暴日進(jìn)行了氣候特征分析及規(guī)律研究，以便減少雷暴活動(dòng)給孝感地區(qū)帶來的相關(guān)損失，同時(shí)文中所用到的灰色災(zāi)變預(yù)測(cè)可為雷暴日的預(yù)測(cè)研究提供新的研究方向，并為孝感地區(qū)的雷暴監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

二、資料來源與方法

（一）資料來源

本論文中所采用的雷暴資料是來源于孝感地區(qū)地面氣象觀測(cè)資料，雷暴資料的時(shí)間跨度為1981-2010年。本文月雷暴日資料采用當(dāng)月孝感地區(qū)30年雷暴日的平均值，以此來減小誤差。

（二）方法

1.線性傾向率

y=a+bx,xbybbb>0運(yùn)用線性傾向率來研究某地區(qū)雷暴日的年際、月際變化趨勢(shì)，用以探究該地區(qū)雷暴活動(dòng)的趨勢(shì)變化情況。最小二乘法其表示公式為:線性傾向率值的大小可以反映該地區(qū)雷暴日變化趨勢(shì)的升降情況。當(dāng)?shù)姆?hào)為正號(hào)，即當(dāng)時(shí)，則可以說明隨著時(shí)間的增加，呈上升趨勢(shì)，也即雷暴日隨時(shí)間年限的增加呈上升趨勢(shì)；當(dāng)?shù)姆?hào)為負(fù)號(hào)，即當(dāng)y b<0時(shí)，則可以說明隨著時(shí)間的減少，呈下降趨勢(shì)，也即雷暴日隨時(shí)間年限的減少呈下降趨勢(shì)。從而b值的大小也即線性傾向率的大小，可以反映雷暴活動(dòng)趨勢(shì)變化的升降情況。

2.小波分析

小波分析被用在氣候診斷中時(shí),其可以給出時(shí)間序列變化的尺度和這種變化出現(xiàn)的位置。小波分析的核心內(nèi)容是小波函數(shù)，其公式為ψ(t)∈L2(R)且滿足：。

應(yīng)用小波方差圖來反映出時(shí)間序列周期變化中主周期的數(shù)量，并且可以判斷出振動(dòng)最強(qiáng)的主周期。根據(jù)小波系數(shù)實(shí)部等值線圖顯示的尺度位置，便可以推測(cè)出所研究序列的周期變化規(guī)律，并根據(jù)這種規(guī)律進(jìn)行深度探究，從而便可以進(jìn)一步推測(cè)出該地區(qū)的氣候變化規(guī)律。

3.灰色災(zāi)變預(yù)測(cè)模型

灰色災(zāi)變預(yù)測(cè)可以預(yù)測(cè)出下一次發(fā)生災(zāi)變的時(shí)間，以供人們參考，采取相對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

GM(1,1)災(zāi)變預(yù)測(cè)即是通過研究災(zāi)變時(shí)間序列，探究出其潛在的規(guī)律，并根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律來預(yù)測(cè)出以后可能會(huì)發(fā)生災(zāi)變事件的時(shí)刻?；疑到y(tǒng)的災(zāi)變預(yù)測(cè)是運(yùn)用模型，利用災(zāi)變時(shí)間序列來確立的。

設(shè)Q(1)=(q(1)(1),q( 2)(1), ...,q(m)(1))為災(zāi)變?nèi)掌谛蛄?，??AGO序列為Q(0)=(q( 1),q( 2),...,q(m))

Z(1)為Q(1)的相鄰均值時(shí)間序列,那么q(k)+az(1)(k)=b為災(zāi)變序列的GM(1,1)。式中q(m)(≤n)為近期內(nèi)災(zāi)變事件發(fā)生的時(shí)間，從而可以稱為下一次發(fā)生災(zāi)變事件的預(yù)測(cè)時(shí)間；故對(duì)任意k>0,稱為將來第 次發(fā)生災(zāi)變k事件的預(yù)測(cè)時(shí)間。

三、孝感地區(qū)雷暴日氣候特征分析

（一）雷暴日基本氣候特征分析

利用孝感地區(qū)1981-2010年雷暴日觀測(cè)資料數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出孝感地區(qū)30年雷暴日的極值、平均值和中位數(shù)可以得出：孝感地區(qū)年雷暴日的極大值為53d,出現(xiàn)于1987年；孝感地區(qū)年雷暴日極小值為16d，出現(xiàn)于2001年；并且，孝感地區(qū)年雷暴日平均值為31d,年雷暴日中位數(shù)為31.5d。

分析孝感地區(qū)1981-2010年逐年的雷暴日數(shù)，并且計(jì)算出了雷暴日的線性傾向率方程y=? 0 .2883x+606.2099?？梢灾庇^地看出孝感地區(qū)30年雷暴日波動(dòng)幅度較大，并且存在著明顯的遞減趨勢(shì)，1987年達(dá)到極大值53d，2001年達(dá)到極小值16d，同時(shí)可以得出20世紀(jì)80年代至90年代初期，年雷暴日數(shù)值基本上都大于平均年雷暴日數(shù)值，并在20世紀(jì)80年代后期（1987年）達(dá)到最高峰，在20世紀(jì)90年代中期（1996年）達(dá)到另一高峰，其后便開始逐年下降，并在2001年降到最低值，其后逐年開始上升，在2010年達(dá)到最后一個(gè)高峰。

（二）雷暴日變化特征分析

孝感地區(qū)月雷暴日表現(xiàn)為雙峰型，分別是4月和7月，從而可以推測(cè)出春季和夏季為雷暴發(fā)生高峰期。同時(shí)可以看出，孝感地區(qū)7月份雷暴日數(shù)最多，平均為7.3d，并且8月份雷暴日數(shù)也相對(duì)較多，平均為6.6d。1月份雷暴日數(shù)幾乎為0，直至2月份，開始有雷暴活動(dòng)發(fā)生，雷暴日數(shù)也逐步上升；一直到4月份達(dá)到第一個(gè)峰值，隨后雷暴日略有下降，到7月份達(dá)到第二個(gè)峰值，也即達(dá)到最大值；7月份過后，雷暴日數(shù)逐步遞減，直至12月份遞減為0，這表示12月份幾乎無雷暴活動(dòng)發(fā)生。

四、孝感地區(qū)雷暴日規(guī)律研究

（一）雷暴氣候特征小波分析

運(yùn)用小波分析理論方法，來處理孝感地區(qū)1981-2010年雷暴日觀測(cè)資料數(shù)據(jù)，并用MATLAB制出孝感地區(qū)30年雷暴日小波方差圖，如圖1所示。

圖1 孝感市30年雷暴日小波方差圖

圖1顯示的是孝感地區(qū)30年雷暴日的小波方差圖。通過觀察圖1，可以清晰地看到，雷暴日的小波方差有著5個(gè)峰值，并且這5個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的周期分別為2年、4年、10年、22年和30年。由于這5個(gè)峰值對(duì)應(yīng)尺度的小波方差不同，那么則代表了這5個(gè)不同周期的振蕩強(qiáng)度不同。圖中30年的小波方差為最大值，則30年為第一主周期，其振蕩強(qiáng)度最強(qiáng)。依次可以推斷出，22年為第二主周期，10年為第三主周期，4年和2年分別為第四、第五主周期。

（二）雷暴日灰色災(zāi)變預(yù)測(cè)

根據(jù)孝感地區(qū)1981-2010年雷暴日觀測(cè)資料，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行灰色災(zāi)變預(yù)測(cè)，取ξ的值為31,也即雷暴日年平均值。運(yùn)算結(jié)果如下。

GM(1,1)災(zāi)變?nèi)掌谛蛄械男蛱?hào)響應(yīng)式

Q(0)由此可得的模擬

進(jìn)行預(yù)測(cè)

即從2010年起，孝感地區(qū)下次出現(xiàn)年雷暴日大于平均值的年份為2017年。

五、結(jié)論和討論

本文利用孝感地區(qū)1981-2010年雷暴日觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，并結(jié)合MATLAB軟件，對(duì)孝感地區(qū)的雷暴日進(jìn)行了氣候特征及規(guī)律研究，得出了以下結(jié)論：

（1）孝感地區(qū)年雷暴日的極大值為53d,年雷暴日極小值為16d，年雷暴日平均值為31d，計(jì)算得出極小值與極大值之間相差37d，近3.3倍。畫出并分析孝感地區(qū)30年雷暴日趨勢(shì)圖可以發(fā)現(xiàn)，線性傾向率為負(fù)值，為?2.9d/10a，因此孝感地區(qū)整體年雷暴日呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，并且每10a減少2.9d。

（2）畫出并分析孝感地區(qū)月雷暴日趨勢(shì)圖可知，孝感地區(qū)月雷暴日呈雙峰型，分別發(fā)生在4月和7月，其中7月為最高峰，雷暴日平均值為7.3d，8月份雷暴日也相對(duì)較多，為6.6d。1月份雷暴日數(shù)幾乎為0，到4月份開始達(dá)到第一個(gè)峰值，隨后略有下降，接著在7月份上升到第二個(gè)峰值，隨后逐步遞減，至12月份后，雷暴日幾乎遞減為0。

（3）采用了小波分析方法，研究并畫出了孝感地區(qū)30年雷暴日小波系數(shù)實(shí)部等值線圖和小波方差圖，從孝感地區(qū)30年雷暴日小波系數(shù)等值線圖得出，孝感地區(qū)雷暴活動(dòng)有著兩種周期變化尺度，分別為5-10年、15-30年；從小波方差圖可以看出，30年雷暴日有5個(gè)主周期。

（4）運(yùn)用灰色災(zāi)變預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)出孝感地區(qū)雷暴日出現(xiàn)災(zāi)變值的時(shí)間；令ξ=31，即預(yù)測(cè)自2010年起，下次出現(xiàn)雷暴日大于平均值的年份，得出結(jié)論為2017年，也即預(yù)測(cè)2017年孝感地區(qū)年雷暴日數(shù)值將大于31d。