貴州省雷暴氣候特征分析

周永水,謝 波,嚴小冬

(1.貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002;2.貴州省貴陽市花溪區氣象局,貴州 貴陽 550025;3.貴州省氣候中心,貴州 貴陽 550002)

貴州省雷暴氣候特征分析

周永水1,謝 波2,嚴小冬3

(1.貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002;2.貴州省貴陽市花溪區氣象局,貴州 貴陽 550025;3.貴州省氣候中心,貴州 貴陽 550002)

利用貴州 84個測站 1961—2007年雷暴觀測資料,通過數理統計、EOF分析、一元線性回歸擬合,研究了貴州雷暴的氣候變化特征。結果表明:貴州年雷暴日數較多,年際變化較大,季節變化也極為顯著,從冬季到夏季,雷暴發生日數逐漸增多,從夏季到冬季,雷暴逐漸減少。貴州雷暴空間分布在冬季主要為南北走向,在其余季節為東西走向,在中部一線和南部常年存在幾個低值中心,年雷暴日數均在 20d/a以下。春季和夏季,春季和秋季,秋季和冬季的雷暴日數具有較高的正相關關系。從小波分析的結果看,4個季節的年雷暴日數均存在周期振蕩,不同季節的振蕩周期存在一定的差異。對貴州省 47a中 4個季節雷暴日數進行線性擬合發現:貴州雷暴有逐漸減少趨勢。

雷暴;空間分布;氣候變化

1 引言

雷暴是積雨云內云與云間或云與地間因產生一定的電位差,發生放電并伴有雷聲的天氣現象,是一種局部的但很猛烈的災害天氣,常伴有暴雨、大風、冰雹,甚至龍卷風等惡劣天氣,常造成人畜雷擊死亡、毀壞建筑物、釀成森林火災,或者毀壞電力、電信設施,給人民生命財產造成嚴重威脅和損失。為此研究雷暴天氣有著十分重要的意義。

目前我國對雷暴氣候的研究較多,如盛承禹[1]對我國雷暴的地理分布、季節變化及年際變化等作了分析概括;張敏鋒[2]等的研究指出,近 30a來我國大部分地區平均雷暴頻數在波動中減少,減少最多的地區為我國東南沿海地區;徐桂玉[3]等對我國南方雷暴的氣候特征的研究結果表明:我國南方雷暴自 20世紀 70年代初至 90年代中期年變化的總趨勢是逐漸減少的,且我國南方雷暴的季節變化顯著。

其它省份對于本地的雷暴氣候特征也有很多研究[4,5,6],都得出了有益的結果。主毅[7]等研究了貴州西部的雷暴時空分布特征,但是對貴州全省的長時間序列的雷暴特征研究還比較少,本文利用貴州省 1961—2007年長時間序列的雷暴觀測資料,通過數理統計、EOF[8]分析和一元線性回歸等方法,著重分析了貴州省雷暴的空間分布特征以及在不同季節的變化和年際變化。

2 資料和方法

本文采用貴州 84個觀測站 1961—2007年的雷暴日數,對于數據中的缺省值,在處理時首先采用多年平均進行 EOF分解,利用特征值累計方差達到85%的主分量對原始場進行還原后再對缺省值插值。

3 結果分析

3.1總體空間分布特征

圖 1為 1971—2007年 35a貴州年平均雷暴日分布圖。由圖 1可見,貴州雷暴空間分布很不均勻,具體表現為中部少、東西部高、而西部又比東部平均雷暴日多的趨勢。在省的中部一線和南部有 5個雷暴低值中心,年平均雷暴日數均在 20d以下,其中普定測站 4.8d/a為全省最小。除去這 5個低值中心,貴州其他地區的年平均雷暴日均在 39d以上,雷暴高值區主要位于西部地區,中東部地區年平均雷暴日數差別不大,西部地區年平均雷暴日是中東部地區的 1.5倍左右,其中黔西南的安龍縣達到96.7d/a,是全省年平均雷暴日最多的站點。

貴州雷暴分布這種空間上的變化,和貴州地理分布有一定的關系,貴州西部地勢較高,高山峽谷相間,且由于影響我省的天氣系統大多從西部進入我省,受地形抬升影響,容易在迎風坡一側形成強對流天氣,而在東移過程中,受高山阻擋,系統會逐漸減弱;而黔西南作為我省孟加拉灣水汽輸送到我省的入口,水汽條件較為充沛,再加上黔西南地區較高的氣溫,使該地成為貴州省年平均雷暴日最多的地區。

3.2 時空分布特征分析

3.2.1 前 n個主分量方差貢獻率的月、季變化 將特征根按從大到小的順序進行排列,按累積方差貢獻率 >85%、90%、95%選取主分量個數分析發現(表 1):在不同月份和季節,主分量的收斂速度存在一定的差異,在選取前 5個主分量的前提下,各月、季的累積方差貢獻率均超過 85%。說明貴州雷暴場的空間變化主要集中在前 5個主分量以內,之后的變化主要表現為細微擾動。

圖 1 貴州省 1971—2005年年平均雷暴日分布

用季節作為時間尺度進行 EOF分解,其主分量收斂速度均快于對應 3個月的主分量收斂速度,前5個特征根的方差貢獻也大于其對應的 3個月,因此各個季節反映的場信息明顯優于與之對應的各月單獨反映的場信息。

冬季由于雷暴發生較少,造成其空間分布差別較大,局地性很強,所以月份和季節的收斂速度明顯小于其他季節。需要更多的特征向量主成分才能描述出該場的大部分信息。

從數理統計上我們得知:8月雷暴發生日數最多而 12月最少,全年按月 EOF分解后的最大特征根也是 8月最大而 12月最小。比較全省每個月的雷暴發生日數和每月的最大特征根發現:兩者的趨勢基本一致。所以每月的最大特征根的大小也是該月雷暴發生日數多少的一種反映。

表 1 主分量統計結果

3.2.2 第一特征向量場分布 每個季節的第一特征向量的最大特征根貢獻值除冬季在 75%左右外,其余 3個季節均在 95%以上,其收斂性較好,第一特征向量基本能反映貴州雷暴場的空間分布。

圖 2a～d為不同季節第一特征向量場空間分布圖,從這幾張圖可以看出:①貴州雷暴的分布類型在春季和秋季主要為東西分布型,夏季為中東部一致型,冬季則為南北分布型,季節上存在一定變化。②貴州雷暴日數從地區分布來看西部明顯高于東部,南部略多于北部,和圖 1表現的一樣,四季均在中部和南部一線存在 5個低值雷暴中心,雷暴高值中心在春季、夏季主要位于我省西部地區,秋季的另一個高值中心位于我省東北部,冬季也有兩個高值中心,一個仍然在西部地區,而另一個則分布在我省東南部一帶。③不同季節的變化特點是:秋季和冬季空間分布變化梯度大,春季和夏季空間分布變化梯度相對小。

3.2.3 第一特征向量場對應的時間系數年際變化分析 用不同季節第一特征向量所對應的時間系數序列作圖 (圖 3),結合 4個季節的均方差變化(春、夏、秋、冬各季第一時間系數的均方差分別為1257.2、1597、320.178、196.61)可知 :春季和夏季的雷暴發生日數遠遠高于冬季和秋季,這在各個季節第一時間特征向量場時間系數年紀變化圖上體現為春夏季節的曲線變化一直在秋冬季節之上;由于春夏季節雷暴較多,且在不同年份雷暴發生日數變化較大,造成春夏季節第一時間系數的均方差較大,年紀變化曲線振幅也大,造成春夏季節特別是夏季的雷暴日數可預報程度難度增加;秋冬季節由于雷暴發生較少,所以其方差變化較小。

圖 2 四季第一空間特征向量場分布 (a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)

圖 3 第一特征向量對應的時間系數(4條曲線從上到下依次為夏 -春 -秋 -冬)

為了從長時間上研究貴州雷暴的變化趨勢,用全省 4個季節雷暴日數列分別用最小二乘法求取線性擬合趨勢,假設回歸方程形式為:

式中回歸系數 b表示雷暴的氣候趨勢傾向。b>0表示雷暴有增加的趨勢,b<0則表示雷暴有減少趨勢。從貴州 47a雷暴氣候傾向率(表 2)可知:47a 4個季節雷暴均有減少趨勢,所以貴州省雷暴發生日數從長時間尺度上看在不斷減少。

對不同季節對應第一特征向量時間系數時進行相關性分析 (表 3)得出:春季和夏季,秋季冬季具有一定的正相關關系,春夏季通過 r0.05(47)=0.23的相關系數顯著性檢驗,秋冬季通過 r0.01(47)=0.3613的相關系數顯著性檢驗;春季和秋季具有較高的正相關關系,其值通過 r0.001(47)=0.4539的相關系數顯著性檢驗。

表 3 第一時間系數相關性分析結果

4 小波分析

小波分析的主要思想是將任一信號分解成時間和頻率的獨立貢獻,同時又不失原有信號的信息。小波分析能將氣象時間序列曲線分解成交織在一起的多尺度成分,并對不同尺度成分采用相應粗細的時域取樣步長,從而能不斷聚焦到曲線的任意細節[9],基本小波有多種形式,本文采用Morlet小波,Morlet小波在揭示氣候資料的奇異性 (突變點)方面表現出良好的性能。

對于時間序列函數 f(x),小波變換定義為:其中,Wf(a,b)是小波系數,a為伸縮因子,決定小波寬度;b∈R為平移因子,是反映小波位置移動的參數,ψ是ψ＊的共軛函數。Morlet小波母波函數為

其中 C為重構時的歸一化常數。

為了更好地反映貴州省 4個季節年雷暴日數周期變化,對貴州省 4個季節年雷暴日數采用 Morlet小波進行小波分析,結果如圖 4所示:

圖 4 1961—2007年貴州雷暴日各季 Morlet小波分析 (a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)

①貴州年雷暴日序列 (圖 4a)春季變化存在 2～3a,4～6a的短周期和 10a的長周期振蕩變化,4～6a的短周期振蕩貫穿于 47a里 。短周期在 20世紀 60年代以 2a周期為主,從 70年代到 90年代以3a周期為主;在 1994年以前存在一個 10a的長周期,1994年以后長周期不明顯。最強負中心出現在10a周期的 1978年和 1988年,最強正中心出現在10a周期的 1982年。

②夏季周期變化存在一個貫穿 47a的 13～18a的長周期振蕩,1961—1982年存在 6a周期振蕩,1972—1976年,2000—2005年短周期以 2a周期為主,1986—1998年短周期為 3a。最強正中心出現在13～18a長周期的 1997年,最強負中心出現在長周期的 1991年和 2004年。

③秋季從 20世紀 70年代開始存在一個 16a的長周期振蕩,短周期主要以 3a和 6a為主,6a振蕩周期變化貫穿于 47a中,最強負中心出現在 6a周期的 1975年,最強正中心出現在 6a周期的 1985年。

④冬季在 1964—1976年存在一個 8a的長周期振蕩,20世紀 80年代以后存在一個 14a的長周期,短周期分布為:1964—1968年,1987—2001年振蕩周期為 4a,1980—1986年振蕩周期為 3a。最強正中心出現在 14a長周期的 1993年,最強負中心出現在14a長周期的 1987年。

5 小結

①從氣候統計和 EOF分解 4個季節的第一特征向量場分布來看,貴州雷暴場從春季到秋季主要為東西分布型,冬季則為南北分布型,中部一線和南部存在 5個雷暴低值中心,黔西南的安龍一帶是全省雷暴發生最多的地區。

②用季作為時間尺度對貴州雷暴場進行尺度分析比用月作為時間尺度對貴州雷暴場進行尺度分析效果要好;按月 EOF分解后的最大特征根和全省每個月的雷暴平均發生日數的趨勢基本一致,月最大特征根的大小可作為該月份雷暴發生日數多少的一種參考。

③貴州省 4個季節的雷暴發生日數 47a來均有逐漸減少的趨勢,各個季節減少的趨勢有所差別。

④一年中的大多數雷暴主要集中在春夏季節,且雷暴發生日數年紀變化較大,所以春夏季節的第一時間系數均方差也較大,而秋冬季節由于雷暴發生較少,年紀變化較為穩定,其均方差也較小;通過對時間系數進行相關性分析可知,春季和夏季,春季和秋季,秋季和冬季具有較高的正相關關系,其值均通過一定限度的相關系數顯著性檢驗。

⑤4個季節的年雷暴日數均存在一定的周期變化,都有一個較長的振蕩周期和幾個較短的振蕩周期,不同季節的長短振蕩周期存在一定的差異。

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1003-6598(2010)06-0014-04

2010-04-07

周永水 (1982-),男,助工,主要從事短期天氣預報工作。