湖北省十堰市雷電環(huán)境特征分析

邢生惠 吳廣厚

摘要 以湖北省十堰市7個(gè)站點(diǎn)（丹江、十堰、房縣、鄖西、鄖縣、竹溪和竹山）1983—2012年的雷暴日數(shù)為依據(jù)的雷電日數(shù)資料為原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用氣候傾向率、滑動(dòng)平均、小波分析、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、EOF分解等方法，對(duì)十堰市雷電環(huán)境特征進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示：十堰地區(qū)雷暴的發(fā)生多在夏季，7月份是雷暴發(fā)生的汛期；雷暴日數(shù)的變化具有“兩端多、中間少”的空間變化特征，雷暴日數(shù)月變化不對(duì)稱，增加的速度明顯小于減小的速度；雷暴日數(shù)的年際變化差異比較大，總體是呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；各個(gè)站點(diǎn)的雷暴變化趨勢(shì)具有明顯的同步性。

關(guān)鍵詞 十堰；雷暴；小波分析；EOF分解

中圖分類(lèi)號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）02-032-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.02.014

雷暴是指積雨云云中、云間或云地之間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象[1]，這種天氣現(xiàn)象的發(fā)生伴隨著聲、光、電等多種物理現(xiàn)象，影響人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面，如引發(fā)火災(zāi)，干擾輸電、通訊以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的安全運(yùn)行[2]，給人民生命、財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失。雷電災(zāi)害分別被“國(guó)際減災(zāi)十年”委員會(huì)和國(guó)際電工委員會(huì)（IEO）認(rèn)定為最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一和“電子時(shí)代的一大公害”[3]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷暴日做了大量研究[4-16]，許多研究表明雷暴活動(dòng)在變化中整體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。十堰市地處湖北省西北部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，易于雷暴的產(chǎn)生。特殊的地理環(huán)境使得十堰市多年雷暴活動(dòng)的時(shí)間和空間分布都極不均勻，但一直都欠缺對(duì)該地區(qū)雷暴活動(dòng)特征的研究。據(jù)此，筆者根據(jù)十堰地區(qū)1983—2012年逐年雷暴日資料，運(yùn)用氣候傾向率、滑動(dòng)平均、離散小波分析、EOF分解和突變檢驗(yàn)等數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)十堰地區(qū)雷暴日活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

以一天內(nèi)聽(tīng)到1次或1次以上雷聲統(tǒng)計(jì)為1個(gè)雷暴日，只有閃電沒(méi)有雷聲也計(jì)入[17]，雷暴的初日指一年中最先聽(tīng)到雷聲的日期，終日指一年中最后一次聽(tīng)到雷聲的日期[18]。文中所采用的雷暴日資料是十堰市氣象局統(tǒng)計(jì)的當(dāng)?shù)?個(gè)站點(diǎn)1983—2012年近30年的雷暴日數(shù)，包括各站點(diǎn)每年測(cè)得的雷暴初日和終日的時(shí)間，初、終日的間隔日數(shù)，以及全年雷暴日數(shù)的總數(shù)。

依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，觀測(cè)氣象日界為20：00。在統(tǒng)計(jì)雷暴出現(xiàn)日數(shù)時(shí)，若某一次雷暴跨越20：00按2個(gè)雷暴出現(xiàn)日計(jì)算；當(dāng)某一天雷暴過(guò)程出現(xiàn)2次或以上時(shí)，仍按1個(gè)雷暴日計(jì)算。因此以在某站聽(tīng)到有雷聲的1個(gè)觀測(cè)日為雷暴日，當(dāng)天不論聽(tīng)到多少次雷聲，均記為1個(gè)雷暴日。通常在氣象學(xué)中雷電活動(dòng)的強(qiáng)度用雷暴日的多少來(lái)反映，而年平均雷暴日則反映某地雷電活動(dòng)的頻繁程度。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率和滑動(dòng)平均 采用氣象傾向率分析十堰地區(qū)近30年雷暴日年際、季節(jié)變化趨勢(shì)。氣候傾向率反映十堰30年來(lái)雷暴日的變化趨勢(shì)傾向。雷暴活動(dòng)上升或下降的速率通過(guò)b值的大小來(lái)反映。當(dāng)b>0時(shí)，雷暴日數(shù)呈上升趨勢(shì)；b<0時(shí)則反之。

采用滑動(dòng)平均對(duì)近30年十堰地區(qū)雷暴日進(jìn)行趨勢(shì)擬合，用來(lái)確定雷暴日趨勢(shì)變化。對(duì)樣本量為n的雷暴日序列x，其滑動(dòng)平均序列表示為：

式中，k為滑動(dòng)長(zhǎng)度，取值為5，n為樣本量，取值為30。

1.2.2 小波分析法[21] 低頻部分信號(hào)的重構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)時(shí)間序列的發(fā)展趨勢(shì)及規(guī)律，高頻部分信號(hào)的重構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)時(shí)間序列的突變特性和循環(huán)周期[22]，以此觀察不同時(shí)間尺度上的變化情況。小波函數(shù)定義為：如果ψ（t）∈λ2（R） [λ2（R）表示平方可積的實(shí)數(shù)空間，即能量有限的信號(hào)空間]，滿足允許性條件：

ψ（t）即基小波，式中ψ（ω）是ψ（t）的Fourier變換，由基小波函數(shù)ψ（t）進(jìn)行伸縮和平移[23]。

運(yùn)用Matlab小波工具箱中離散小波分解功能，在db3小波基礎(chǔ)上進(jìn)行水平上的分解變換成不相同子序列，其中包括1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)a5和4個(gè)周期項(xiàng)d4，d3，d2，d1逐步細(xì)節(jié)化分析了十堰市近30年雷暴活動(dòng)的變化。

1.2.3 滑動(dòng)t檢驗(yàn) 對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，認(rèn)為的設(shè)置某一時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)前后兩段序列x1和x2的樣本分別為n1和n2兩段子序列，其平均值分別為x1和x2，方差為s12和s22。定義統(tǒng)計(jì)量：

上式遵從自由度v=n1+n2-2的t分布。

1.2.4 EOF分解 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解在數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的多變量分析中稱為主分量分析。

文中以矩陣方式給出某氣候變量場(chǎng)的觀測(cè)資料，如下：

分別稱為空間函數(shù)矩陣和時(shí)間系數(shù)矩陣。

若X為距平資料矩陣，則可對(duì)上式式右乘以X，即XX=VTX=VTTV，XX，是實(shí)對(duì)稱陣。

2 雷暴日的時(shí)空變化特征

2.1 空間分布特征

十堰市近30年來(lái)的雷暴日數(shù)變化根據(jù)地理環(huán)境的不同也有明顯的變化，選取十堰市1983—2002年（前20年）與2003—2012年（近10年）的各個(gè)站點(diǎn)的平均雷暴日數(shù)進(jìn)行分析，得出表1。

從表1可以看出，1983—2002年中出現(xiàn)雷暴最多的是房縣，平均每年出現(xiàn)雷暴日數(shù)是27.9 d，占總?cè)諗?shù)的17.3%，年平均雷暴日數(shù)出現(xiàn)最少的是十堰，僅有16.7 d，占總?cè)諗?shù)的10.3%；2003—2012年年平均雷暴日數(shù)最多的依然是房縣，達(dá)到23.4 d，最少的則是丹江，僅有14.5 d。

此外，1983—2002年，年平均雷暴日數(shù)最多的地區(qū)是房縣、竹山、竹溪，均位于十堰市的南部，其次為鄖西、鄖縣，位于十堰市的北部，年平均雷暴日數(shù)最少的地區(qū)是位于十堰市中部的十堰和丹江；2003—2012年，年平均雷暴日最多的地區(qū)是位于十堰市南部的房縣、竹溪、竹山，位于十堰市北部的鄖西和鄖縣，而年平均雷暴日數(shù)最少的則是位于十堰市中部的十堰和丹江（圖1）。

由此可見(jiàn)，十堰市雷暴分布空間特征呈兩端多，中間少的趨勢(shì)，并且南部的雷暴日數(shù)明顯多于北部，中部則最少，且空間分布特征不隨時(shí)間改變。

2.2 年際變化特征

從圖2可以看出，1983—2014年十堰市雷暴日數(shù)存在極顯著的減小趨勢(shì)，線性傾向率達(dá)-1.702 d/10年（P<0.01）。此外，雷暴日數(shù)年際變化幅度大，雷暴日最多的年份（2011年）達(dá)到31 d，雷暴日最少的年份（2005年）僅不到6 d，相差近5倍。

由各月份雷暴日數(shù)分析可知：月雷暴日最多的發(fā)生在7月，共有雷暴日1 362個(gè)，最少的在2月，共有34個(gè)。雷暴日發(fā)生在每年2—11月，該期間，累計(jì)雷暴日數(shù)先增加，并且在7月達(dá)到頂峰，8月持續(xù)7月的頂峰，但有略微減少，7月和8月的累計(jì)雷暴日數(shù)占全年累計(jì)雷暴日數(shù)的55.9%。進(jìn)入9月，雷暴日數(shù)急劇減小，并在11月達(dá)到最小值，11月和2月的累計(jì)雷暴日數(shù)僅占到全年的1.8%。

2.3 趨勢(shì)分析

由圖3可見(jiàn)，十堰市7個(gè)站點(diǎn)中有6個(gè)線性傾向率均為負(fù)值，只有竹溪的線性傾向率為正值。十堰城區(qū)站點(diǎn)的雷暴日數(shù)變化時(shí)平緩的，沒(méi)有明顯的增加或減少的趨勢(shì)變化，而竹溪站點(diǎn)的雷暴日數(shù)則是呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，其余各個(gè)站點(diǎn)的雷暴日數(shù)則均呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)，而十堰市整體上雷電日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但減少的幅度有所差異。

2.4 初、終日及雷暴期變化特征

由圖4（a）可知，1983—2012年十堰市雷暴初日最早出現(xiàn)在2004年的2月20號(hào)，最晚出現(xiàn)在2010年的5月24號(hào)，相差104 d；由圖4（b）可知，1983—2012年十堰市雷暴終日最早結(jié)束于2011年的7月8號(hào)，最晚結(jié)束于2012年的11月6號(hào)，相差121 d；由圖4（c）可知，1983—2012年雷電初終日的間隔日數(shù)最少128 d，出現(xiàn)在1996年，最多是211 d，出現(xiàn)在1989年，30年來(lái)的平均間隔日數(shù)為179 d。可見(jiàn)，雷暴初、終日的間隔日數(shù)均呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢(shì)，從1983年開(kāi)始，間隔日數(shù)的變化趨勢(shì)先緩慢上升，而后又緩慢下降，到1993年達(dá)到這一階段的最低值；從1994年開(kāi)始又開(kāi)始上升，后又減小，直到2003年左右又達(dá)到這10年之中的谷值；從2004年開(kāi)始，雷暴初、終日的間隔日數(shù)開(kāi)始上升，到2011年達(dá)到最小值，而2012年的間隔日數(shù)又急劇增加，達(dá)到雷暴初、終日間隔的新的峰值。

總體來(lái)說(shuō)，雷暴初、終日的間隔日數(shù)呈現(xiàn)階段性的變化，這種變化趨勢(shì)以大約10年為1個(gè)階段，然而雷暴初、終日的間隔日數(shù)總體變化仍呈減少趨勢(shì)，通過(guò)計(jì)算可知，雷暴初日是在以4.0 d/10年的速率推后，雷暴終日是在以4.5 d/10年的速率推后，雷暴初、終日的間隔日數(shù)是在以0.7 d/10年的速率增加。

2.5 EOF分析

對(duì)十堰市7個(gè)縣的氣象觀測(cè)站1983—2012年的年雷暴日進(jìn)行EOF分析，給出了EOF分析所得到的前2個(gè)特征向量（表2），結(jié)果表明：第一特征向量約解釋了總方差的67.4%，可以認(rèn)為在構(gòu)成雷暴日活動(dòng)空間分布中，第一特征向量的作用最為重要。十堰市各縣的第一特征向量的量值正負(fù)相同，這表明十堰市各地區(qū)雷暴活動(dòng)具有同步性；丹江、十堰、鄖西縣是雷暴的高值區(qū)，竹溪是雷暴的低值區(qū)。而第二特征向量有正有負(fù)，說(shuō)明7個(gè)站點(diǎn)雷暴活動(dòng)也有不同步性，但是由于第二特征向量的方差貢獻(xiàn)僅占9.834%，所以該特點(diǎn)可以忽略。

2.6 小波分析

從圖5反映可以看出，高頻成分與原始數(shù)據(jù)的趨勢(shì)大體相同，低頻成分圍繞著上下波動(dòng)，可見(jiàn)雷暴日時(shí)間序列已得到很好的分離。趨勢(shì)項(xiàng)a4可以反映近30年來(lái)湖北省十堰市地區(qū)雷暴日主要變化趨勢(shì)。從a4中可以看出在在1983—2012年，十堰市地區(qū)雷暴日數(shù)都是呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，但是前18年的下降趨勢(shì)比較緩慢，而后12年下降的趨勢(shì)比較明顯。從第1層周期項(xiàng)d4的重構(gòu)及第2層周期項(xiàng)d3的重構(gòu)看不出明顯的變化周期；從第3層周期項(xiàng)d2的重構(gòu)可以看出，存在比較明顯的18年的振蕩周期；從第4層周期項(xiàng)d1的重構(gòu)可以看出，存在著明顯的6～7年的振蕩周期。

2.7 突變分析

用滑動(dòng)t檢驗(yàn)1983—2012年十堰雷暴日數(shù)序列的突變。從圖6可以看出統(tǒng)計(jì)量有2處超過(guò)0.01顯著性水平，說(shuō)明十堰市年平均雷暴日數(shù)在近30年來(lái)存在2次突變：從1983年左右開(kāi)始由高到低的突變；從2000年開(kāi)始到2012年有1次由低到高的突變。

3 結(jié)論與討論

（1）十堰地區(qū)雷暴的發(fā)生多在夏季，7月份是雷暴發(fā)生的高峰期。雷暴日數(shù)月變化不對(duì)稱，增加的速度明顯小于減少的速度。雷暴日數(shù)的變化總體上呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，這可能與十堰市局部小氣候相關(guān)。

（2）十堰地區(qū)雷暴日數(shù)的變化具有“兩端多、中間少”的空間變化特征。

（3）十堰市雷暴日數(shù)的年際變化差異比較大?？傮w是呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，但是前18年的減小趨勢(shì)比近12年的減少趨勢(shì)明顯。而且存在約7～8年的震蕩周期，十堰地區(qū)的雷暴日數(shù)有繼續(xù)減少的趨勢(shì)。

（4）十堰地區(qū)的雷暴變化在近30年中有2次明顯的突變，從1983年開(kāi)始有1次減少的突變，在2000—2012年之間有1次增加的突變。

（5）十堰地區(qū)各個(gè)站點(diǎn)的雷暴變化趨勢(shì)具有明顯的同步性，其中也有可忽略的不同步性存在。

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責(zé)任編輯：劉赟