近53年博羅縣的雷暴氣候特征分析

聶曉婷， 黎廣林， 鄧福興

(1.博羅縣氣象局，廣東博羅　516100；2.連州市氣象局，廣東連州　513400)

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近53年博羅縣的雷暴氣候特征分析

聶曉婷1， 黎廣林1， 鄧福興2

(1.博羅縣氣象局，廣東博羅516100；2.連州市氣象局，廣東連州513400)

摘要：利用博羅縣1961—2013年的雷暴資料，采用趨勢系數(shù)、諧波分析、Yamamoto法和Mann-Kendall(M-K)等方法，分析了雷暴的年、月、季變化和初終日、持續(xù)期等特征。結(jié)果表明：1961—2013年博羅縣平均雷暴日數(shù)為81 d，雷暴日數(shù)以0.47 d/年的速率顯著減少；雷暴日數(shù)在1975年發(fā)生轉(zhuǎn)折突變，在1985年發(fā)生均值突變。全年均有雷暴發(fā)生，月分布呈單峰型的特征，具有集中性、季節(jié)性的特點，主要集中在夏季，冬季出現(xiàn)雷暴的幾率很小。初雷主要出現(xiàn)在2月份，終雷主要出現(xiàn)的10月份，雷暴持續(xù)期相對較長，年際差異較大。由諧波可分析出雷暴日數(shù)具有準10年短周期、準53年長周期的震蕩變化。

關(guān)鍵詞：氣候?qū)W； 雷暴； 氣候特征； 突變檢驗； 博羅縣

雷暴為中γ尺度伴有雷鳴、閃電的強對流性天氣，是一種局部而激烈放電現(xiàn)象。雷暴災(zāi)害是我國十大自然災(zāi)害之一[1-2]，對人畜、建筑物、電子設(shè)備等產(chǎn)生極大的危害，給人民的日常生活、國民經(jīng)濟、生產(chǎn)活動造成嚴重的威脅。因此對雷暴的活動規(guī)律、氣候特征的研究成為眾多學(xué)者的重要研究內(nèi)容[3-5]。張敏鋒等[6]用我國104個臺站30年雷暴資料，分析了我國雷暴氣候特征，指出近30年來我國大部分地區(qū)雷暴頻數(shù)在波動中減少；徐桂玉等[7]研究了我國南方的雷暴氣候特征，指出我國南方年雷暴日數(shù)呈現(xiàn)逐年減少的總趨勢，多雷暴帶主要與山地分布密切相關(guān)；毛慧琴等[8]分析廣東86個站歷年平均雷暴日、初終日資料，并通過分析雷暴與氣溫的相互關(guān)系，揭示出廣東省的雷暴主要是由熱力條件引起。近幾年來，博羅縣經(jīng)濟快速發(fā)展，高層建筑和現(xiàn)代化高技術(shù)電子產(chǎn)品的日益普及，雷電災(zāi)害隱患越來越大。如何減少雷暴帶來的危害，開展防雷監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報、雷電災(zāi)害防御與管理等工作，備受社會的關(guān)注。因此，有必要對博羅縣多年雷暴進行統(tǒng)計研究，分析了解其變化規(guī)律，以期為雷電預(yù)警、預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。

1資料和方法

本研究選取博羅縣地面氣象觀測站1961—2013年完整的逐日雷暴資料，建立博羅雷暴出現(xiàn)日數(shù)的逐年時間序列和每年雷暴的初日、終日、持續(xù)期的逐年時間序列資料。采用數(shù)理統(tǒng)計、線性分析、突變分析等方法對博羅縣歷年雷暴日數(shù)及初雷日、終雷日等進行氣候統(tǒng)計分析，運用諧波估計的方法計算博羅縣雷暴的周期變化。

在統(tǒng)計資料時，根據(jù)我國氣象觀測規(guī)范定義，氣象日界為每日20：00；雷暴日為一年中有雷暴現(xiàn)象的天數(shù)，一天中只要聽到1次或以上的雷聲就算1個雷暴日。此外根據(jù)華南地區(qū)的特點，將3—5、6—8、9—11、12—次年2月分別定為春、夏、秋、冬4季。采用趨勢系數(shù)、諧波分析、Yamamoto法和Mann-Kendall(M-K)法等分析雷暴日數(shù)的變化趨勢、周期和突變特征[9]。

2雷暴的氣候統(tǒng)計特征

2.1雷暴的年變化

圖1給出了53年博羅縣平均雷暴日數(shù)逐年分布，以53年雷暴日數(shù)平均值81 d為0刻度線，很好地表示了歷年雷暴的距平值和變化趨勢。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)標準[10]，平均雷暴日為41～90 d的屬于多雷區(qū)，因此博羅屬于多雷區(qū)。從圖1中雷暴日數(shù)分布和5年平滑線可以看出博羅歷年雷暴分布不均勻，最大雷暴年為1975年127 d，最少雷暴年為2002年55 d，二者相差達72 d。年雷暴日數(shù)超出平均值的有25年，在1961—1978年18年間有17年超出平均值，其中1970—1975年雷暴日數(shù)連續(xù)6年超過90 d。雷暴少發(fā)期集中在1979—2013年，在這35年內(nèi)共24年低于平均值，其中1998—2006年這段時間雷暴日數(shù)最少。雷暴日數(shù)的年際變化線性擬合趨勢如圖1中細實線所示，氣候趨勢系數(shù)為-4.743，可見1961—2013年博羅年雷暴日數(shù)以0.47 d/年的速率減少，通過了0.001顯著性水平檢驗，減少趨勢非常顯著，近50年來約減少了24 d。這與徐桂玉等[8]研究我國南方年雷暴次數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的總趨勢是一致的。

圖1　博羅縣1961—2013年雷暴日數(shù)逐年變化

從年代際變化(表略)可以看出博羅雷暴日數(shù)年代際間差異顯著：從20世紀60年代到21世紀初，雷暴發(fā)生日數(shù)變化幅度較大，70年代最多，然后逐年遞減，而進入21世紀以后，雷暴日數(shù)明顯減少，年均為72 d。經(jīng)過氣候趨勢分析，20世紀60—80年代雷暴日數(shù)氣候傾向率均為負值，分別約以-0.73、-2.66、-1.09 d/年的速率在下降；70年代下降的趨勢最為厲害，而60和80年代雷暴日數(shù)沒有顯著的減少趨勢；90年代至21世紀初表現(xiàn)為上升趨勢，尤其是21世紀初，雷暴約以1.79 d/年的速率在上升。從53年總體趨勢看，氣候傾向率<0，且通過了顯著性檢驗，雷暴日數(shù)呈減少趨勢。

2.2雷暴的突變特征

對博羅1961—2013年雷暴序列用Yamamoto、M-K法進行突變分析，分別繪出了信噪比SNR曲線和UF、UB曲線(圖2)。從圖2a中UF曲線的變化趨勢可以看到，雷暴日數(shù)在20世紀60年代呈下降趨勢，70年代初變?yōu)樯仙厔?，?0年代中期后持續(xù)下降，且下降趨勢顯著，并在1986年左右超過了顯著性水平為0.05的臨界線。為了減少人為的影響，Yamamoto子序列長度分別取10、5，結(jié)果如圖2b所示。子序列長度為10時，SNR均沒有超過顯著水平，而當(dāng)子序列長度為5時，在1975年發(fā)生了突變，SNR超過了顯著水平。對比Yamamoto法和M-K法，結(jié)合雷暴日數(shù)的5年滑動平均曲線(圖2c)發(fā)現(xiàn)，Yamamoto法能夠檢測出雷暴日數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)折的年份，為轉(zhuǎn)折突變[11-12]，即在1968—1980年期間雷暴日數(shù)發(fā)生了先增后減的劇烈變化，這與5年滑動平均曲線中的轉(zhuǎn)折是非常符合的。M-K法則檢測出雷暴日數(shù)的變化趨勢為均值突變[12]，從UF和UB曲線的交點位置可以確定雷暴日數(shù)在1985年發(fā)生了突變。

圖2　雷暴日數(shù)M-K法(a)、Yamamoto法(b)和5年滑動平均(c)曲線

2.3雷暴月、季變化特征

1961—2013年博羅各月均有雷暴發(fā)生，平均月雷暴日數(shù)在0.1～16.6 d之間，月際之間雷暴日數(shù)相差較大。從圖3月平均雷暴變化曲線可以看出，月變化曲線呈單峰型，峰值出現(xiàn)在8月，10月至次年3月是雷暴較少的半年，僅占全年雷暴日數(shù)的7.98%，4—9月是雷暴多發(fā)的半年，占全年雷暴日數(shù)的92.02%。其中夏季為雷暴高發(fā)期，歷年平均出現(xiàn)46個雷暴日，占全年雷暴日數(shù)的57.41%，是春、秋、冬累計平均出現(xiàn)日數(shù)(35 d)的1倍多；春季次之，累計年平均出現(xiàn)22個雷暴日；冬季出現(xiàn)雷暴的幾率最小，僅占0.12%，普查博羅冬季53年的雷暴資料發(fā)現(xiàn)，其中有26年冬季是沒有出現(xiàn)雷暴?？梢姴┝_一年4季中，雷暴活動具有明顯的集中性和季節(jié)性分布的特點。

對比歷年月平均降水量、氣溫變化曲線(圖略)發(fā)現(xiàn)，氣溫與雷暴分布狀況一致，均為單峰型，而降水為雙峰型，最大值均出現(xiàn)在夏季。計算歷年月平均雷暴與降水量、溫度之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.88，均達到0.001(r0.001=0.823)的顯著水平，月平均雷暴日數(shù)與降水、氣溫之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，表明水汽條件、熱力條件對雷暴的形成是非常有利的。

2.4雷暴初、終日特征

初雷、終雷是很重要的氣候指標，博羅初雷主要出現(xiàn)在每年的2月份，其次是3月份，分別占了47.2%、39.6%，最早一年是在2000年的1月4日，最晚一年是2011年的4月17日。終雷主要出現(xiàn)在每年的10月份，其次是9月份，分別占到了49.1%、32.1%，其中最早終雷是1966年9月4日，最晚是1992年12月27日。雷暴初、終日之間的日數(shù)稱為持續(xù)期，初、終日的變化必然會造成持續(xù)期發(fā)生變化。博羅1961—2013年雷暴持續(xù)期長，年際差異變化大，平均為227 d，最長持續(xù)時間在1992年有325 d，持續(xù)時間最短的為172 d，發(fā)生在1966年，二者相差了153 d。分析發(fā)現(xiàn)雷暴持續(xù)期的氣候傾向率為-2.578 d/年，說明雷暴持續(xù)期有變短的趨勢。

雷暴初、終日的保證率分析[13-14]是雷暴風(fēng)險評估的重要指標，不同保證率的初、終日對雷暴的預(yù)警預(yù)報提供了一定的依據(jù)，對交通運輸、旅游等行業(yè)具有重要意義。根據(jù)經(jīng)驗頻率公式計算雷暴初、終日保證率：

P=m/(n+1)×100%

式中m為雷暴初(終)日由后(前)向前(后)排列的序號；n為樣本數(shù)53；P為保證率(%)，其定義為地面受(不受)雷暴危害的可能程度。計算得到博羅不同保證率的可能初、終日如表1。

表1　博羅雷暴初、終日保證率

由表1可知，53年來博羅雷暴初日出現(xiàn)較早，80%保證率出現(xiàn)在2月13日，從2月中旬到3月中旬保證率迅速變小，而到4月7日保證率僅為5%，這說明博羅雷暴初日大多出現(xiàn)在3月中旬之前。博羅雷暴終日出現(xiàn)較晚，出現(xiàn)在9月上旬的保證率只有5%，95%保證率日期在12月20日，說明9月中旬前雷暴結(jié)束的可能性很小，越接近年末，出現(xiàn)終雷的可能性越大。表1中雷暴保證率表明博羅雷暴現(xiàn)象一年中任意時期都有可能發(fā)生，防雷減災(zāi)工作隨時都要進行。

2.5雷暴周期變化

將博羅雷暴日數(shù)時間序列分解成若干個諧波函數(shù)[15]，分析雷暴日數(shù)的周期變化特征。由博羅雷暴日距平前20個諧波的方差貢獻可知，較為突出的峰值在k=1、5、7的諧波。計算各諧波的F檢驗值可知，95%置信度的閾值是F0.05=3.18。因此這20個諧波中只有k=1、5兩個是顯著的，其他的諧波都可能是隨機噪音。

分析博羅雷暴日數(shù)距平階數(shù)為k=1、5的諧波結(jié)果可知，當(dāng)k=5時相應(yīng)的周期(n/k)是10年；同理容易算出k=1時對應(yīng)的n/k為53，但是由于所選取的時間序列只有53年，因此不能確定是否有53年的周期變化。圖3給出了k=1、5 兩個諧波疊加結(jié)果以及觀測雷暴日數(shù)距平的時間序列，2者變化趨勢有很好的一致性。可以看出博羅雷暴日數(shù)在1961—1985年以10年周期為主，并且雷暴日數(shù)均大于歷年平均值；同時1985—2013年也以10年周期為主，但雷暴日數(shù)均小于歷年平均值。表3用前20個諧波來擬合歷年雷暴日數(shù)距平變化，總的累積擬合率超過了77.86%，其中k=1、5兩個諧波就占了44.15%，進一步突出了k=1、5諧波的作用，擬合效果明顯，能夠代表整個時間序列的主要表現(xiàn)特征。

(諧波階數(shù)取1、5，實線為諧波擬合結(jié)果，虛線為觀測雷暴日數(shù)距平)

圖3博羅年雷暴日數(shù)距平的諧波分析

3結(jié)論

1)1951—2013年博羅平均雷暴日數(shù)為81 d，屬于多雷區(qū)，具有顯著的年際和年代際變化。其階段性變化明顯，自20世紀60年代以來整體有下降趨勢，高發(fā)年份主要集中在20世紀60年代至70年代，其中1970—1975年雷暴日數(shù)連續(xù)6年超過90 d；雷暴少發(fā)期集中在1979—2013年，在這35年內(nèi)共24年低于平均值。

2)用Yamamoto法和M-K法檢測出雷暴日數(shù)在1975年發(fā)生轉(zhuǎn)折突變，在1985年發(fā)生均值突變。

3)博羅全年均有雷暴發(fā)生，月分布具有單峰型的特征，具有集中性、季節(jié)性的特點。雷暴日數(shù)主要集中在夏季，春季次之，冬季最少，僅占0.12%，53年中有26年冬季無雷暴出現(xiàn)，即博羅冬季出現(xiàn)雷暴的幾率非常小。此外多年平均雷暴日數(shù)序列與相應(yīng)的降水、氣溫序列之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。

4)博羅初雷主要出現(xiàn)在2月中下旬，終雷主要在10月中旬。初、終雷日之間持續(xù)期相對較長，年際差異變化大，平均為227 d。博羅雷暴80%保證率初雷日都在2月13日左右，終雷日出現(xiàn)較晚，95%保證率終雷日在12月20日。

5)把博羅雷暴日序列分解成若干個諧波函數(shù)，表明博羅雷暴日數(shù)存在準10年短周期變化。其中k=1、5諧波的突出作用，擬合效果明顯，能夠代表整個時間序列的主要表現(xiàn)特征。

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收稿日期：2015-09-20

作者簡介：聶曉婷(1986年生)，女，助理工程師，本科，從事地面氣象觀測工作。E-mail：niexiao1874@qq.com

中圖分類號：P46

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.007

Analysis of the Climatological Characteristics of Thunderstormsin Boluo County in the Past 53 Years

NIEXiao-ting1,LIGuang-lin1,DENGFu-xing2

(1. Meteorological Bureau of Boluo County, Boluo 516100; 2. Meteorological Bureau ofLianzhou City, Lianzhou 513400)

Abstract：With data of thunderstorms in Boluo County from 1961 to 2013 and methods of tendency coefficients, harmonics, Yamamoto method and Mann-Kendall test, we studied the annual, monthly and seasonal variations of the thunderstorms and the dates of annually first and last thunderstorm and duration of thunderstorm seasons. The result is shown as follows. The average number of thunderstorm days for 1961-2013 is 81 d and decreases significantly at a rate of 0.47 d/year. With the Yamamoto method and Mann-Kendall test, the number of thunderstorm days and the mean value were found to have an abrupt change in 1975 and 1985, respectively. In Boluo, thunderstorms can occur all year round with the monthly occurrence in unimodal distribution. They appear mainly in summer but rarely in winter. Annually, the first thunderstorm occurs in February and the last in October. Its duration is relatively long and varies much from year to year. It is known from the harmonics analysis that the number of thunderstorm days shows a short period of quasi-10 years and a long period of quasi-53 years.

Key words：climatology; thunderstorm; climatological characteristics; abrupt change test; Boluo County

聶曉婷， 黎廣林， 鄧福興.近53年博羅縣的雷暴氣候特征分析[J].廣東氣象，2016,38(2)：29-33.