中國雷暴日多發(fā)區(qū)特征及雷電發(fā)展變化

中國雷暴日多發(fā)區(qū)特征及雷電發(fā)展變化

研究方法及內(nèi)容雷利雨害是一種自然災(zāi)害。它可以直接造成人員傷亡,對航空、電力工業(yè)、計算機網(wǎng)絡(luò)以及建筑物等的危害都是十分明顯的。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計,全球每年因雷電造成的人員傷亡超過1萬人,所造成的經(jīng)濟損失在10億美元以上。我國地處溫帶和亞熱帶地區(qū),雷電活動十分頻繁,每年大約有3000～4000人因遭受雷電而傷亡。雷電災(zāi)害已經(jīng)被聯(lián)合國列為“最嚴重的十種自然災(zāi)害之一”。因此,通過雷電的時空分布特征分析,了解雷電發(fā)生的主要時段、重點區(qū)域,對于開展雷電預(yù)警業(yè)務(wù),促進防災(zāi)減災(zāi)是非常有意義的。文獻分別對武漢市、東北地區(qū)和全國雷暴天氣的氣候特征進行了分析,張義軍等探討了利用閃電資料進行雷電預(yù)警的方法和途徑,孟青等分析了閃電監(jiān)測系統(tǒng)在雷電預(yù)警中的應(yīng)用,鄭棟、郄秀書等利用閃電定位資料分析研究了北京及周邊地區(qū)和青藏高原的閃電活動特征。本文用更長時間序列資料分析全國范圍雷電事件的時空分布特征,尤其是全國范圍內(nèi)的雷電首次發(fā)生和最終消失的路徑,對雷電預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供氣候背景具有重要的意義。1雷暴觀測與雷暴事件的關(guān)系世界氣象組織給出的定義是在本站聽到雷聲的觀測日叫做雷暴日。在我國大范圍的雷電監(jiān)測是在近幾年才開展起來的,而雷暴的觀測則由來已久。一般來說雷暴伴有閃電活動,本文以20—20時聞雷一次及以上的雷暴日觀測代替雷電發(fā)生日,表明有雷電事件發(fā)生,以彌補歷史上雷電觀測不足的缺憾。本文選取國家氣象信息中心提供的1970—2006年全國847站逐日雷暴日資料來分析中國雷電事件的時空分布特征。本文所研究的雷電不涉及雷電的強度。2雷達空間分布特征2.1南方區(qū)雷達市根據(jù)1970—2006年雷電發(fā)生日的年平均分布(圖1,見彩頁),大致可以把全國雷電沿圖1中虛線分成4個區(qū)域:Ⅰ南方區(qū)(105°E以東,35°N以南,其中25°N以南為華南區(qū))、Ⅱ高原區(qū)(105°E以西除新疆以外)、Ⅲ北方區(qū)(105°E以東,35°N以北)、Ⅳ新疆區(qū)(90°E以西,35°N以北)?？梢钥闯?南方區(qū)的雷電日隨緯度增加是減少的,四川盆地東北部、重慶、貴州、江南大部及華南年均雷電發(fā)生日都在30天以上,為雷電易發(fā)區(qū),大值區(qū)主要分布在華南,廣西東部、廣東西部和海南達80天以上(海南儋縣108天);高原區(qū)的雷電大值帶從云南到川西高原呈縱向分布,藏東偏北地區(qū)呈緯向分布,年平均雷電日在60天以上,其中云南南部達80天以上(云南勐臘112天、江城109天、景洪106天);北方區(qū)的雷電主要分布在華北西部和北部偏山區(qū)一側(cè)以及東北的大興安嶺及長白山地區(qū);新疆區(qū)的雷電則主要分布在伊犁河谷一帶,年均雷電發(fā)生日也都在30天以上,也是雷電較容易發(fā)生的區(qū)域(新疆昭蘇84天)。從四個區(qū)域雷電的分布來看,雷電的發(fā)生與地形地貌關(guān)系十分密切,主要分布在高原、山區(qū)、丘陵或河谷地帶,而華南和云南南部地區(qū)是雷電發(fā)生最頻繁的區(qū)域,除了與地形有關(guān)外,可能還與東風(fēng)波、臺風(fēng)等熱帶對流系統(tǒng)的發(fā)展有關(guān)。2.2新疆雷暴活動區(qū)域及區(qū)域分布分析逐月雷電≥3天的樣本空間分布發(fā)現(xiàn),2月份雷電最早出現(xiàn)在湖南、廣西交界處,但主要是從3月份開始雷電發(fā)生區(qū)域不斷擴大,到7月份達到區(qū)域和頻率最大,8月份開始區(qū)域逐漸縮小,11月份開始中國大陸雷電基本消失。圖2(見彩頁)給出了3—10月雷電發(fā)生日的月平均分布,可以看到,3月份整個雷電區(qū)域從云南中南部到江南、華南中北部呈東西帶狀分布,約3～6天;4月份南方區(qū)域的雷電以江南南部和華南北部為中心向四周輻射,向北擴展到長江沿線一帶,向南擴展到整個華南,云南的雷電也進一步向北推進;大值區(qū)主要分布在云南南部、貴州、江南中西部和華南,江南東部相對偏少。另外,高原區(qū)的雷電由四川西南部向北擴展到四川大部,主要分布在川西高原,極大值出現(xiàn)在四川西南部(達8天);新疆阿拉山口也開始出現(xiàn)雷暴(4天)。5月,新疆西部雷電活動明顯增多,月平均雷電日達14天;高原區(qū)的雷電從四川南部往北擴展到青海東部,往西擴展到青海南部及西藏北部,極值出現(xiàn)在四川西北部和西南部(12天);南方區(qū)域的雷電范圍擴展不明顯,云南南部(16～18天)、廣西廣東(14天以上)和海南(17～19天)一帶雷電明顯增多;華北和東北地區(qū)開始出現(xiàn)雷電,月平均約3～5天。6月份,新疆西部的雷電區(qū)域繼續(xù)東擴,月發(fā)生頻率也明顯加強,伊犁河谷地區(qū)雷電日達20天;青藏高原雷電發(fā)生區(qū)域進一步向北向西擴展,青海、西藏及川西高原為12～16天;南方區(qū)域的雷電活動繼續(xù)向江淮發(fā)展,但主要集中在江南南部和華南以及云貴高原(14～18天);北方區(qū)的雷電向南延伸至黃淮地區(qū),華北、東北地區(qū)雷電活動明顯增加,達8～11天,主要分布在山西北部,河北北部、內(nèi)蒙古東部偏南地區(qū)和東北部、東北地區(qū)東部;漢水、黃淮、江淮及江南大部雷電活動相對偏少,為3～5天。7月份,全國雷電活動達到極盛,范圍和頻率都達到最強,南北方月平均≥6天的雷電區(qū)域連通。8月份,全國雷電活動明顯比7月減少,尤其是在華北、東北地區(qū)更為明顯。新疆西部的雷電也主要分布在伊犁河谷及其以南的新疆西南部;青藏高原及西南、華南的雷暴大值區(qū)都有所南壓,極值分布在云南西北部和四川西南部的交界處及青藏高原中部,達15～19天;云南南部、廣西東部、廣東西部和海南17～21天,我國東部長江以北大部地區(qū)在4～8天。9月份,雷電活動迅速減少,南方雷電區(qū)域的北界一下退到江南南部,北方雷電區(qū)域明顯縮小到華北東北部,僅為3～5天,大值區(qū)主要集中在青藏高原中部、青海南部、云南中西部及華南中南部,在9天以上,整個分布與5月份類似。新疆西部偏南地區(qū)為3～6天,極值為9天;10月份,僅在青海東南部、川西高原、云南中南部、華南南部沿海和海南雷暴日數(shù)為3～5天,個別地方為6～9天。綜上分析可以看出,3—7月雷電范圍往北擴展,8—10月迅速南壓。這種變化與西太平洋副高的南北進退基本一致,實際上是因為副高西北部空氣比較暖濕,常儲備大量不穩(wěn)定的能量,當(dāng)副高西北部有鋒面、低壓、高空槽、切變線、低渦等系統(tǒng)影響時,副高西北部會出現(xiàn)范圍較大的雷電區(qū)。但受上述提到的天氣系統(tǒng)的單獨影響,也會出現(xiàn)雷電天氣,所以雷電的發(fā)生與副高的進退又不是完全一致。3根據(jù)閃電時間特征分析3.1各區(qū)域最大陣風(fēng)日變化從全國雷電日數(shù)37年的線性趨勢變化(圖3,見彩頁)來看,除內(nèi)蒙古東部偏南地區(qū)、西藏、云貴交界處、湖南南部雷電日數(shù)呈較明顯的增加趨勢外,全國各地的雷電日數(shù)基本上呈遞減趨勢,尤其是在青海南部和東南部、甘肅北部和中部、四川大部、重慶、云南西部和東部、貴州、廣西大部、廣東西部等地的雷電日數(shù)明顯減少。圖4給出了全國及4個區(qū)域的雷電日年際變化曲線,同樣可以清楚地看到這種線性遞減的趨勢變化,并且1980年代后期是一個轉(zhuǎn)折年代,在此期間雷電日略微上升,之后主要呈下降趨勢;從4個區(qū)域年際變化對比可以看出,高原區(qū)(主要是青海和川西高原)和南方區(qū)的下降趨勢明顯強于新疆區(qū)和北方區(qū),1985年前偏高,之后明顯下降;北方區(qū)1990年前雷電日呈波動變化,1990年后下降明顯,這與圖3a中全國雷電線性趨勢系數(shù)分布是一致的。可以看出,雷電日數(shù)的變化與中國大陸北方和西藏地區(qū)的增溫以及西北地區(qū)東部、西南地區(qū)的降溫趨勢是較為一致的,同時,任國玉等也指出中國與溫度相關(guān)的極端氣候事件強度和頻率一般呈降低趨勢或穩(wěn)定態(tài)勢,與該文結(jié)論也是吻合的。3.2方區(qū)和北方區(qū)從雷電發(fā)生日的月變化來看(圖5),全國雷電主要發(fā)生在4—9月,7月份達到峰值,月平均9天左右,11月至次年2月全國幾乎無雷暴出現(xiàn),與2.2節(jié)中雷電的月平均分布特征是吻合的。南方區(qū)雷電發(fā)生最早,結(jié)束較晚,3月開始9月才結(jié)束,在4月份有一個次極值,但雷電日數(shù)峰值主要集中在7—8月,月平均雷電日數(shù)在3—5月為3～6天,7—8月為9天,均高于全國平均水平,而華南(圖略)雷電發(fā)生日數(shù)更多,在4—9月為6天以上,5—8月達10天以上,8月份極值達13天以上;高原區(qū)雷電發(fā)生在4—9月,略晚于南方,峰值也在7—8月,達10天,整個期間發(fā)生頻率均高于全國平均水平,5月一直持續(xù)到9月均在6天以上;北方區(qū)雷電發(fā)生較晚,基本上發(fā)生在5—9月,峰值在7月,與全國平均峰值時間一致,為8天;新疆區(qū)和北方區(qū)的月變化是一致的。3.3晚配方時最大風(fēng)速時,集中時段是第5—日變化特征為了了解雷電在不同月份的日變化,圖6給出了全國及不同區(qū)域平均雷電發(fā)生的時間及頻次分布。就全國平均來說,雷電(≥1次/小時)大都發(fā)生在4—9月正午到深夜(12—24時)這段時間,主要集中在13—21時,在盛夏表現(xiàn)比較明顯,頻次≥2次,在15—17時和19—20時存在兩個峰值,頻次為3.5次,而在春季頻次≤2次,峰值則以19—20時為主。南方區(qū)雷電集中在3—9月12時至凌晨6時,主要集中時段和全國平均基本相當(dāng)(13—21時),3—4月為單峰型(19—21時),頻次≤2次,5—8月為雙峰型(15—17時和19—20時),頻次為4次,其中華南區(qū)在3—9月幾乎整天都有雷電發(fā)生,有三個峰值:2—6時(5—6月)、13—18時(4—8月)、19—20時(3—9月),發(fā)生在2—6時的峰值頻次較低,為2次,而另兩個峰值頻次≥4次,19—20時這個峰值持續(xù)時間最長(3—9月);高原區(qū)雷電發(fā)生在4—9月12時至凌晨4時,峰值在15—18時和19—20時,5—8月發(fā)生頻次較高(≥2次),6、7月峰值頻次為4和3.5次,并且西藏東部比西部雷電持續(xù)時間長2小時以上,西部雷電發(fā)生時間(圖略)比較集中(13—21時),峰值主要出現(xiàn)在17時左右,與郄秀書等利用閃電資料得出的結(jié)論是吻合的;北方區(qū)雷暴發(fā)生在5—8月12—23時,峰值時間略微偏前,分別在14—17時和19—20時,頻次為2.5次,在4個區(qū)中頻次最低;新疆區(qū)雷電發(fā)生在5—8月13時至凌晨4時,略比全國平均開始時間偏后,峰值時間也略偏后,分別在16—18時和19—20時,頻次為3次,這應(yīng)該與時差有關(guān)系?？梢钥闯?北方區(qū)(包括新疆)雷電發(fā)生時間較短,主要集中在夏季,發(fā)生月份和時段均晚于南方區(qū),發(fā)生頻次也明顯低于南方區(qū)和高原區(qū)。4外廓線的動態(tài)演變?yōu)榱烁宄亓私庵袊箨懤纂姷陌l(fā)展演變情況,圖7給出了旬平均雷電日≥2天的外廓線分布,通過追蹤外廓線的動態(tài)演變來了解雷電在發(fā)展階段和消退階段的路徑變化。4.1湖南:地質(zhì)及構(gòu)造從旬平均雷電日≥2天的外廓線分布(圖7a)可以清楚地看到,3月第2旬開始雷電發(fā)生在湖南東部、江西中部和福建西北部(簡稱A1區(qū)),3月第3旬云南南部的雷電(簡稱B1區(qū))也開始發(fā)展,從3月第3旬至4月第2旬以A1區(qū)為中心雷電區(qū)向西向南輻射,形成南方雷電區(qū)(Ⅰ區(qū)),并與云南的雷電區(qū)相連,5月第1、2旬,南方區(qū)雷電的北界在湖南境內(nèi)明顯南移,一直到6月第2旬,湖南大部分地區(qū)雷電日明顯較前期偏少,到6月第3旬南方雷電區(qū)向北發(fā)展到長江沿線;同時4月第2旬四川西南部開始出現(xiàn)雷電(簡稱B2區(qū)),4月第3旬向北發(fā)展至川西高原,5月第1、2旬向北向西發(fā)展到高原東部(青海東部和南部、西藏東北部),5月第3旬B1、B2區(qū)的雷電在云南北部連通,形成高原雷電區(qū)(Ⅱ區(qū)),到6月第3旬高原區(qū)雷電發(fā)展到最北端-甘肅祁連山區(qū),7月第2旬發(fā)展到最西端,擴展到整個西藏地區(qū);另外,5月第3旬在華北西北部開始出現(xiàn)北方雷電區(qū)中心,6月第1、2旬向東北方向擴展至整個東北地區(qū)和內(nèi)蒙古中東部偏南地區(qū),向南擴展到京津地區(qū),6月第3旬北方雷電區(qū)從陜西中北部、寧夏及甘肅東部與高原雷電區(qū)連通,并向南擴展至黃河下游,形成北方雷電區(qū)(Ⅲ區(qū)),此時僅四川東北部、甘肅南部、陜西南部、湖北北部及黃淮處于雷電低值區(qū);7月第1旬,南方雷電區(qū)繼續(xù)向北推進與北方雷電區(qū)全線打通,并持續(xù)到8月第1旬;同時7月第3旬開始高原區(qū)與北方雷電區(qū)也逐漸斷裂。另外,新疆區(qū)雷電區(qū)(Ⅳ區(qū))與北方區(qū)雷電發(fā)生時間一致,最初發(fā)生在5月第3旬伊犁河谷地區(qū)和新疆西南部,之后一直向東向北推進,6月第1、2旬略向東擴至天山西部和準葛爾盆地,6月第3旬北端東擴至天山以北的新疆北部地區(qū)。4.2中部及東部沿海地區(qū)8月第2旬北方雷電區(qū)(Ⅲ區(qū))率先由東向西收縮,整個東北地區(qū)中南部雷電日明顯減少(圖7b),山東半島也處于雷電低值區(qū);8月第3旬西藏的雷電區(qū)明顯東撤,北方雷電區(qū)(Ⅲ區(qū))從陜西南部與南方雷電區(qū)(Ⅰ區(qū))分離,并從河套、陜北東撤至內(nèi)蒙古中部及東部偏南地區(qū),東北地區(qū)的雷電大值區(qū)向西北方向明顯縮小,黃淮、江淮、江漢、陜西和四川盆地東北部為雷電低值區(qū),除了高原雷電區(qū)(Ⅱ區(qū))與北方雷電區(qū)(Ⅲ區(qū))是斷裂的外,整體與6月第3旬的分布非常類似;至9月第2旬北方雷電的高值區(qū)僅分布在河北西北部和內(nèi)蒙古中部偏南地區(qū),而南方雷電區(qū)(Ⅰ區(qū))9月第1、2旬向西向南方向撤退至長江及江南南部和四川西部、貴州西南部;9月第3旬高原雷電區(qū)(Ⅱ區(qū))僅剩下西藏東北部、青海南部、川西高原及云南中西部,南方雷電區(qū)(Ⅰ區(qū))退到華南北部;同時,新疆雷電區(qū)(Ⅳ區(qū))從7月第1旬至9月第1旬自東向西撤退,北段西退較明顯,8月第2旬已西退至6月第1旬的位置,8月第3旬至9月第1旬退到5月第3旬的位置;10月第1旬全國的雷電僅分布在華南沿海和云南西部和川西高原。4.3月第38月第3監(jiān)—綜合分析從旬平均雷電日(≥2天)外廓線沿115°E的時間(旬)-緯度變化(圖7c)可以更清楚地看到南方雷電在3月第2旬開始出現(xiàn),之后南界往南延伸至華南沿海,北界開始緩慢北抬,4月第3旬北抬至長江沿線(30.6°N),然后一直到5月第3旬北界有所南落,6月第2旬以后又開始北抬;北方雷電從5月第3旬出現(xiàn)以后,北界在6月第2旬?dāng)U展至內(nèi)蒙古邊界,南界一直向南擴展,在7月第1旬開始與隨副高季節(jié)性移動而北抬的南方雷電在淮河一帶(35°N)連通,整個7月份和8月第1旬這種狀態(tài)一直持續(xù),8月第2旬以后,隨著副高南撤南方雷電區(qū)向南收縮,從而南北方雷電分離,北支向北收縮直到8月第3旬,南支一直向南撤直到10月第1旬撤到華南沿海。綜上所述不難看出,南方雷電最早并不是從華南往北推進,而是3月第2旬從江南中部往西往南輻射然后再往北發(fā)展的,高原的雷電最早是3月第3旬從云南南部開始,但卻主要是4月第2旬四川南部的雷電往北往西的發(fā)展,而北方的雷電是5月第3旬從華北東北部往東往南擴展的。同時,5月第3旬起源于云南和四川的高原雷電區(qū)連通,并與南方雷電區(qū)連接,6月第3旬高原雷電區(qū)又與北方雷電區(qū)連通,到7月第1旬南北方雷電區(qū)及高原雷電區(qū)三區(qū)連成一片,全國雷電范圍達到最大,并一直持續(xù)到8月第1旬,8月第2旬各雷電區(qū)開始逐漸撤退,8月第3旬北方雷電區(qū)與高原和南方雷電區(qū)分離,之后高原雷電區(qū)向東向南撤,南方雷電區(qū)向西向南撤,而北方雷電區(qū)則由東西向中間收縮。從全國雷電的發(fā)展和消亡可以清楚地看到,雷電的發(fā)展經(jīng)歷了一個較長的時間,從3月第2旬直到8月第1旬,歷時4個月2旬,而消退階段最長只經(jīng)歷了1個月2旬(8月第2旬至10月第1旬),而其中北方雷電區(qū)在短短不到一個月就迅速西撤減弱。5我國各區(qū)域雷暴事件的時代特征綜合上述分析可以得