基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的雷暴天氣特征分析

基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的雷暴天氣特征分析

雷暴是一種局部的災(zāi)害天氣,它常伴有暴雨、大風(fēng)、冰雹,甚至龍卷風(fēng)等惡劣天氣,造成人畜雷擊死亡、毀壞建筑物、釀成森林火災(zāi),或者毀壞電力設(shè)備、電信設(shè)施,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅和損失.全國每年發(fā)生雷暴日數(shù)超過50d的有21個(gè)省,最多的可達(dá)131d[1];全國每年約有近萬人因遭受雷擊而傷亡,約有一半以上的森林火災(zāi)是由雷電引發(fā)的[2].重慶地處亞洲季風(fēng)區(qū),是雷電災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的地區(qū)之一;就雷電引發(fā)的雷災(zāi)數(shù)、人員死傷總數(shù)、死亡數(shù)、受傷數(shù)4項(xiàng)而言,重慶地區(qū)位列全國中下水平,據(jù)統(tǒng)計(jì)1997-2006年,重慶地區(qū)為321例雷災(zāi),造成106人死傷,其中50人死亡、56人受傷[3];2007年5月23日16:34,重慶市開縣義和鎮(zhèn)政府興業(yè)村小學(xué)教室遭遇雷電襲擊,造成四、六年級(jí)學(xué)生7人死亡,44人受傷,事后調(diào)查表明,該小學(xué)無防雷裝置,雷電流通過墻壁泄放入地時(shí),由于接觸電勢、旁側(cè)閃絡(luò)以及跨步電壓作用,導(dǎo)致室內(nèi)大量人員傷亡[4],這一重大的雷暴災(zāi)害事故震驚了全國上下.雷暴和其他災(zāi)害天氣相比,它具有時(shí)間的瞬時(shí)性和季節(jié)性強(qiáng)、空間上的分散性等特點(diǎn),這就增大了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)雷暴發(fā)生的時(shí)間和空間的難度.

近年來,許多學(xué)者對(duì)我國雷暴氣候開展了廣泛研究,取得了大量科研成果[5-10].張敏鋒等[5]認(rèn)為,近30年來我國大部分地區(qū)平均雷暴頻數(shù)在波動(dòng)中減少,而東北地區(qū)年平均雷暴日有增加的趨勢;徐桂玉等[6]研究了我國南方雷暴的氣候特征;許迎杰等[7]通過對(duì)低緯高原雷暴的氣候特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),低緯高原年雷暴日數(shù)有減少的趨勢.迄今為止,有關(guān)針對(duì)重慶雷暴的長序列氣候變化趨勢方面的研究所見甚少.因此,研究重慶雷暴的氣候變化,對(duì)于分析重慶區(qū)域氣候以及區(qū)域氣候資源要素的變化規(guī)律等具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)也為進(jìn)一步研究雷暴與強(qiáng)對(duì)流天氣的聯(lián)系,以及雷暴的成因,特別是與大尺度大氣環(huán)流的聯(lián)系打下基礎(chǔ).本文試圖通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)、REOF、最大熵譜分析等方法分析重慶地區(qū)雷暴的空間分布及年際變化、季節(jié)變化和周期變化的的氣候規(guī)律,旨在于為重慶市防雷減災(zāi)提供氣候背景和氣候資源綜合評(píng)價(jià)等參考依據(jù).

1資料來源及處理方法

采用重慶34個(gè)觀測站1973-2008年的雷暴日數(shù),數(shù)據(jù)來源于重慶市氣候中心.在資料統(tǒng)計(jì)時(shí),觀測資料上有閃電記錄或雷暴記錄的均作雷暴統(tǒng)計(jì),一日中無論打一聲雷還是打一整天雷,均計(jì)為一個(gè)雷暴日.在以上確定了雷暴日的基礎(chǔ)上,本文統(tǒng)計(jì)出重慶1973-2008年33個(gè)臺(tái)站逐月的雷暴日數(shù)并建立了時(shí)間序列,然后運(yùn)用EOF、REOF[11]、趨勢分析[12]、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[13]、最大熵譜估計(jì)等方法對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行了時(shí)空分布特征分析.

2結(jié)果分析

2·1重慶雷暴的氣候特征

據(jù)統(tǒng)計(jì),1973-2008年重慶地區(qū)平均雷暴日數(shù)為36·87d/a,平均歷年雷暴日數(shù)變化也不相同,由圖1A可見,以1973年最多,達(dá)49·51d,距平12·64d;2001年最少,僅為24·49d,距平-12·38d;從變化趨勢來看,1973-2008呈波動(dòng)減少趨勢,減少幅度為1·8d/10a.

圖1B給出了雷暴日數(shù)的年內(nèi)變化分布,可見重慶地區(qū)雷暴全年都可以發(fā)生,但主要集中于4-9月,4-9月累計(jì)平均雷暴日數(shù)為30·91d,占全年雷暴總數(shù)的89·4%;其中7,8月的雷暴日數(shù)最多,分別為8·73,7·,12月出現(xiàn)日數(shù)最少,平均為0·07d,其次是2月和11月出現(xiàn)次數(shù)均為0·6d,這4個(gè)月累計(jì)約占全年雷暴日數(shù)的3·75%,也就是說晚秋和冬季重慶地區(qū)出現(xiàn)雷暴的概率是非常小的.

以1981-2000年重慶地區(qū)雷暴日數(shù)13·45d為常年值,分析1973-2008年每10年間重慶地區(qū)雷暴的年代際距平.結(jié)果表明,重慶地區(qū)雷暴日數(shù)呈現(xiàn)出逐年代下降的變化趨勢.在20世紀(jì)70,80年代,雷暴日數(shù)為正距平;90年代為弱的負(fù)距平;在21世紀(jì)最初8年,雷暴日數(shù)負(fù)距平最高,距平值達(dá)4·89d.對(duì)重慶地區(qū)過去4個(gè)時(shí)期月雷暴距平分析,結(jié)果表明,在70年代,雷暴日數(shù)在1,2,5,11月為弱負(fù)距平外,在其他月均為正距平;7,8月雷暴日數(shù)在70,80年代為正距平,在90年代和21世紀(jì)最初8年為負(fù)距平,特別是在2001-2008年期間的8月,雷暴日數(shù)負(fù)距平最高.

2·2重慶地區(qū)雷暴的空間分布

圖3為1973-2008年37a重慶年平均雷暴日分布圖.由圖可見,重慶雷暴空間分布很不均勻,長江沿線和東南部較多,西北部和東北部相對(duì)較少;東南與西北和東北年平均雷暴日數(shù)相差20d左右.年平均雷暴日最大值出現(xiàn)在東南部,達(dá)45~50d,其中有2個(gè)站年均雷暴日數(shù)超過45d,分別是秀山、酉陽;中部地區(qū)年平均為38·8d,各站點(diǎn)差異相對(duì)較小;東北地區(qū)年平均雷暴日數(shù)為36·9d,屬于重慶年平均雷暴日數(shù)的次低值區(qū);西北部年平均雷暴日數(shù)為34·1d,為最低值區(qū);最小值出現(xiàn)在西北部的潼南,年平均雷暴日僅為28·1d.

這與重慶年降水日數(shù)的空間分布相近[14],表明重慶年平均雷暴日數(shù)空間分布與降水有很好的相關(guān)性.另外,這種雷暴分布形式還與重慶特殊的地形地貌和氣溫等的空間分布有關(guān).重慶地處亞洲季風(fēng)區(qū),西連四川盆地和青藏高原,南接云貴高原,是長江上游與長江中下游的過渡地帶;北有大巴山,東有巫山,東南有武陵山,南有大婁山,地勢由西向東逐步升高,由南北向長江河谷傾斜,起伏較大.當(dāng)夏季風(fēng)由東南方向吹來,越過大婁山等東南部山地,在迎風(fēng)坡的抬升作用和局地對(duì)流的影響下,雷暴容易在南部地區(qū)發(fā)展和成熟;長江流域的大多數(shù)站點(diǎn)位于海拔較低的河谷中,河谷的地形特點(diǎn)猶如鍋底,四周山地環(huán)抱,地面散熱困難,熱量不易散失,天氣系統(tǒng)向北移動(dòng)的過程中,由于其復(fù)雜的地形特征加上充沛的水汽條件和較高的氣溫,成為重慶地區(qū)雷暴日次多的地區(qū).

從各季分布圖中可清楚地看出雷暴的季節(jié)變化情況.冬季,雷暴主要分布在重慶東南部的秀山、酉陽、黔江、彭水等地,最大值為3·11d.春季雷暴日數(shù)增加且幅度較大,多雷暴帶還是位于重慶東南部,中心值為酉陽,為18·6d,重慶西部雷暴日數(shù)基本小于10d.夏季重慶雷暴日數(shù)的大值中心移至西部的南川、萬盛一帶,萬盛為26·4d,最小值位于重慶西北的潼南和東北部的巫山,分別為16·6,17·0d.秋季重慶雷暴明顯減少,中心位置維持東南部不變,中心在酉陽,同時(shí)還出現(xiàn)東北部的次高值中心.

2·3夏半年異常分布特征

重慶地區(qū)夏半年主要受西南季風(fēng)及東亞副熱帶高壓邊緣暖濕氣流的共同影響,雷暴日占全年的89·4%,所以,分析夏半年雷暴日的空間分布異常特征具有實(shí)際意義.對(duì)重慶34個(gè)臺(tái)站夏半年雷暴日利用主成分和旋轉(zhuǎn)主成分進(jìn)行分析,由于站點(diǎn)較多,資料序列長度較短,為保證EOF分解的可靠性,用North等[15]提出的計(jì)算特征值誤差范圍的方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),經(jīng)計(jì)算,前2個(gè)載荷向量場所占方差分別為48·386%,10·615%,前10個(gè)載荷向量場所占總方差的累積為90·671%,第1載荷向量場占總方差的比例最大,其載荷向量呈一致的正值,在0·05~0·25之間變化,反映了重慶地區(qū)受大尺度氣候異常的影響,表現(xiàn)為一致的有雷暴日或無雷暴日.表明盡管重慶地形復(fù)雜,地勢起伏較大,但雷暴日數(shù)的空間分布仍有很好的一致性.即在同一天氣系統(tǒng)控制之下,出現(xiàn)雷暴的步調(diào)一致.

第2載荷向量場表現(xiàn)為東南部與西部、東北相反的異常分布,東南部為負(fù),西部、東北部基本為正,0值線在石柱到武隆一帶.之所以會(huì)出現(xiàn)這種變化特征,可能主要與重慶地區(qū)的地形分布有關(guān),夏季東南季風(fēng)盛行,當(dāng)越過大婁山等東南部山地,在迎風(fēng)坡的抬升作用和局地對(duì)流的影響下,重慶東南部雷暴日數(shù)偏多;而某些情況下,例如當(dāng)盆地渦活躍時(shí)或當(dāng)副熱帶高壓位置偏南時(shí),重慶地區(qū)西部、東北地區(qū)雷暴日偏多,而東南部高海拔地區(qū)雷暴日數(shù)會(huì)有所減少.

為了進(jìn)一步了解夏半年雷暴日數(shù)的地域特點(diǎn),選用經(jīng)過EOF分解的前10個(gè)載荷向量進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)變換,取旋轉(zhuǎn)特征向量絕對(duì)值0·5為臨界值,對(duì)重慶地區(qū)近37a夏半年雷暴日數(shù)的空間變化進(jìn)行分區(qū),共分了4個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)選取1個(gè)代表站.

Ⅰ區(qū)———重慶中西部.這是重慶夏半年雷暴日數(shù)的空間分布第一關(guān)鍵區(qū),占方差貢獻(xiàn)的24·263%,旋轉(zhuǎn)載荷向量全部為正值,中心值為0·83,代表站是萬盛.高值區(qū)域集中在重慶中西部,包括梁平、巴南、沙坪壩、涪陵、北碚、長壽、合川、南川、綦江、萬盛等10個(gè)市.

Ⅱ區(qū)———東南部.旋轉(zhuǎn)載荷向量均是負(fù)值,其中心值為0·87,代表站是黔江,高值區(qū)域集中在重慶東南部,包括黔江、彭水、武隆、酉陽、秀山等4個(gè)市.

Ⅲ區(qū)———東北部.旋轉(zhuǎn)載荷向量均是負(fù)值,高值區(qū)域集中在重慶東北部,包括巫溪、巫山、奉節(jié)、萬州、云陽、城口、開縣共7市、縣,其中心值為-0·81,代表站是巫溪.

Ⅳ區(qū)———西部.高值區(qū)域集中在重慶西部,旋轉(zhuǎn)載荷向量均是負(fù)值,其中心值為-0·75,代表站是永川.包括永川、璧山、大足、榮昌、銅梁、江津、渝北、潼南共8個(gè)市.

2·4重慶夏半年雷暴日數(shù)異常的時(shí)間變化特征

2·4·1年際變化及趨勢分析

圖7為各區(qū)代表站夏半年雷暴日的標(biāo)準(zhǔn)化距平曲線和一階時(shí)間趨勢.可以看出,萬盛37年來夏半年雷暴日發(fā)生頻次表現(xiàn)為下降趨勢,減少幅度為1·3d/10a;1984,1994和2000年夏半年雷暴日數(shù)異常偏多,而1989,2001,1993,2007,1980和2008年異常偏少.其中2000和1994年為發(fā)生日數(shù)最多的年份,發(fā)生雷暴日數(shù)為53,45d;1989年為發(fā)生日數(shù)最少的年份,雷暴日數(shù)僅為19d.

黔江37年來夏半年雷暴日數(shù)呈顯著的減少趨勢,減少幅度為4·0d/10a;1982,1994,1978,1984,1973和1983年夏半年雷暴日數(shù)異常偏多,而2001,2003,2004,2006,1989和1996年異常偏少.其中2001和2003年為發(fā)生日數(shù)最少的年份,發(fā)生雷暴日數(shù)分別為16,18d;1983和1973年為發(fā)生雷暴日數(shù)最多的年份,發(fā)生雷暴日數(shù)為44,42d.

重慶東北部的巫溪37年來夏半年雷暴發(fā)生日數(shù)呈減少趨勢,10a減少率分為2·,2002,1995夏半年雷暴日數(shù)異常偏多;而1989,1980,2005,2007,2001,2004,1993年異常偏少.其中1995年為發(fā)生日數(shù)最多的年份,發(fā)生雷暴日日數(shù)為37d;2002年次之,為34d;1989和1980年為發(fā)生日數(shù)最少的年份,雷暴日數(shù)為13和16d.

永川37年來夏半年雷暴日數(shù)呈下降趨勢,10a減少率分為2·7日.1977,1984,1994,1975和1983年夏半年雷暴日數(shù)異常偏多,而2001,2003,2006,1993和1980年異常偏少.其中1983年和1975年為發(fā)生日數(shù)最多的年份,發(fā)生雷暴日日數(shù)均為39d;1994年次之,為38d;2001,2003和2006年為發(fā)生日數(shù)最少的年份,雷暴日數(shù)均為14d.

2·4·2Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

運(yùn)用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)方法,對(duì)各異常型代表站夏半年雷暴日數(shù)進(jìn)行了時(shí)間序列的趨勢分析和突變檢驗(yàn),圖8為重慶各異常型典型代表站夏半年雷暴日M-K統(tǒng)計(jì)曲線,圖中UF代表降水的順序統(tǒng)計(jì)曲線,UB為降水的逆序統(tǒng)計(jì)曲線,并給定顯著性水平:p=0·05,臨界線為±1·96.若UF值大于0,則表明序列呈上升的趨勢,小于0則表明呈下降趨勢.當(dāng)統(tǒng)計(jì)曲線超過臨界線時(shí),表明上升或下降趨勢顯著.如果統(tǒng)計(jì)曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn),則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)間.

萬盛夏半年雷暴日數(shù)的M-K檢驗(yàn)曲線表明,夏半年雷暴日數(shù)80年代末到今有明顯的減少趨勢,在2006年發(fā)生一次減少突變,由于突變后的資料年限太短,突變雖具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但不排除是臨時(shí)性的短期突變.黔江夏半年雷暴日數(shù)UF曲線可見,80年代末期以來雷暴日數(shù)有減少的趨勢,而且雷暴日數(shù)減少是一突變現(xiàn)象,開始時(shí)間為1995年.巫溪夏半年雷暴日數(shù)M-K曲線表明,從1985年開始呈減少趨勢,減少突變發(fā)生在1999年.永川夏半年雷暴日數(shù)M-K曲線表明,1984年以來雷暴日數(shù)有下降的趨勢,根據(jù)兩曲線交點(diǎn)的位置,確定該區(qū)80年代末以來減少是一突變現(xiàn)象,1989年為突變年.

2·4·3周期分析

為研究重慶各分區(qū)夏半年雷暴日數(shù)的周期,針對(duì)資料序列不太長的特點(diǎn),對(duì)各代表站夏半年雷暴日數(shù)進(jìn)行最大熵譜估計(jì).計(jì)算結(jié)果為圖9,萬盛第一峰值和第二峰值分別對(duì)應(yīng)2a和3a的周期,第三峰值和第四峰值分別對(duì)應(yīng)4·5a和12a的周期,表明萬盛夏半年雷暴日數(shù)存在顯著12a左右的年代際變化周期和顯著的2~3a左右年際變化周期.黔江夏半年雷暴日數(shù)存在顯著12a左右的年代際變化周期和顯著的2a左右年際變化周期.巫溪夏半年雷暴日數(shù)年際變化信號(hào)比較強(qiáng),9a和2~4a左右的年際變化周期最為顯著.

永川存在顯著的2a的年際變化周期.

因此,重慶夏半年雷暴日數(shù)的各空間分區(qū)中,近37年來夏半年雷暴日數(shù)各區(qū)之間的周期振蕩不太一致,均存在2a左右的年際變化周期,不同的分區(qū)主要還存在著4a的年際變化周期和12a左右的年代際變化周期振蕩.

3結(jié)論

1)重慶雷暴年際變化較大,自1973-2008年雷暴日數(shù)有明顯減少的趨勢,每10a雷暴日數(shù)減少近1·8d.

2)重慶雷暴空間分布的總趨勢是自東南向西北和東北減少,東南與西北和東北年平均雷暴日數(shù)相差20d左右,雷暴日數(shù)分布與降水、氣溫和地形密切相關(guān).

3)重慶雷暴季節(jié)變化顯著,由冬至夏,雷暴逐漸增多,7月達(dá)最大值,其中4-9月為多雷暴月.由夏至冬,雷暴逐月減少,尤其9月以后雷暴量驟減,其中以12月為最少;雖重慶地區(qū)雷暴全年都可以發(fā)生,但夏半年占全年雷暴總數(shù)的89·4%.

4)一