基于EOF方法的福建省近50年雷暴日變化分析

莆田市氣象局 姚永建 孫蔡亮 王益鑫 周志忠

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基于EOF方法的福建省近50年雷暴日變化分析

莆田市氣象局 姚永建 孫蔡亮 王益鑫 周志忠

該文利用福建省氣象局提供的1961年~2010年雷暴日觀測數據，對福建省雷暴時空分布特征和規律進行探討。結果表明: 近50年來，福建省雷暴活動的3個典型空間分布類型為全省一致型、南北差異型和東西差異型，其中全省一致型是最主要的模態，解釋了總方差的62.32%，反映了福建省雷電活動呈現出全省多發(少發)的同步變化特征，體現全省雷暴活動經歷了由強到弱的變化；南北差異型說明北部雷暴活動經歷了由強到弱的變化，而福建南部雷暴活動經歷了由弱到強的變化；東西差異型說明福建東部沿海地區雷暴活動經歷了由弱到強的變化；東西差異型說明福建東部沿海地區雷暴活動經歷了由弱到強的變化，而福建西部、南部地區雷暴活動經歷了由強到弱的變化趨勢。

雷暴日變化自然正交函數方法空間分布福建

據相關統計，全世界每年因雷電災害造成的人員傷亡不低于1萬人，而經濟損失則超過10億美元[1]。雷電因其具有強大的電流，并且釋放炙熱的高溫和猛烈的沖擊波以及復雜的電磁輻射等效應，可以造成巨大的破壞力，經常導致生物傷亡，房屋建筑、電力系統、電子系統和家用設備故障或損壞，甚至引發嚴重的次生災害，如森林火災，危險易燃易爆場所起火或爆炸，對人民的安全、財產威脅無處不在。張敏峰[2]等選取我國104個臺站30年的雷暴日資料，采用自然正交函數方法（EOF）研究了我國雷暴日時空分布，發現在上世紀60～80年代全國大部地區雷暴頻數在波動減少，東南沿海減少幅度最為劇烈，只有東北地區年雷暴日數有增加趨勢。徐桂玉[3]等利用我國南方62個氣象觀測站1971年～1995年的雷暴日資料，得出我國南方雷暴日分布特點為：南方多于北方，山區多于平原，沿海多于內陸（除東南沿海受內陸山區影響）。

1 資料與方法

本文使用福建省氣象局提供的能覆蓋福建省全境的67個氣象站1961年～2010年共50年的雷暴日觀測記錄，以北京時間當日08:00至次日08:00出現雷暴記為一個雷暴日(一日之內出現多次雷暴也統計為1個雷暴日，不重復計算)，采用EOF分析方法對福建省67個測站逐年平均雷暴日分布特征作深入研究。由于雷暴日數存在明顯的季節變化，平穩性較差，使用原始場直接進行EOF分析容易造成經驗正交函數不穩定[4]，因此，在EOF分析前，我們先對1961年～2010年全省67個測站的雷暴日數序列進行了標準化處理,然后使用標準化場進行EOF分析。考慮到本研究中測站的數量（67站）超過了樣本的長度（50年），為了保證分解出的經驗正交函數是有價值的信號，采用特征值誤差范圍法對特征向量進行顯著性檢驗。

2 雷暴日時空變化特征

表1列出了福建省雷暴日數EOF分解的前6個特征向量場的特征值、方差、方差貢獻、累計方差貢獻、相鄰特征值誤差（λi－λi+1）和特征值誤差范圍ej，從此表可知，只有前3個特征向量通過了顯著性檢驗（λi－λi+1≥ej），他們的方差貢獻分別為62.3%、6.7%和3.72%,其累計方差貢獻達到場的總方差的72.74%，收斂性較好，余下的荷載向量的方差貢獻均小于3%，由此說明福建省雷暴日EOF分解的前3個特征向量最大限度地表征了該變量場的變率分布結構，前3個特征向量所代表的空間分布型式也就對應了福建省雷暴活動3個典型的空間分布結構。下面，我們將就前3個特征向量的模態特征進行詳細分析。

表1 福建省雷暴日數EOF分析結果

2.1 第一特征向量

圖1（a）為第一特征向量的空間分布特征，其方差貢獻達到了總方差的62.32%，從圖中可以看出，第一特征向量在全省范圍內均為正值，表明福建省雷暴活動在空間上一致性良好，具有同步變化的特征，稱其為全省一致型。因其解釋了總方差的62.32%，很明顯是與大尺度天氣系統的影響密切相關。福建屬于亞熱帶海洋性季風氣候區，溫帶、熱帶天氣系統頻繁活動、交替影響，造成全省雷暴日數分布趨于一致。特征向量的高值區（≥0.13）集中在西部、西南山區和東北部的山海交匯區，雷暴發生變率較大；低值區主要沿著閩江河谷和平原地區分布。這種分布主要反映了地形對雷暴活動的影響，在水汽、不穩定層結以及天氣系統造成的抬升力均相當的條件下，山區地形的抬升將有利于對流系統的發展，而當對流系統移到河谷時，地形產生下沉氣流往往會削弱對流單體。圖1（b）為第一特征向量時間系數的逐年變化，由于第一特征向量空間分布均為正值，因此正的時間系數表示雷暴偏多，負的時間系數表示雷暴偏少。從該圖可以看出，上世紀80年代之前以偏多為主，90年代后進入偏少期，1975年和2003年分別為偏大和偏小極值年，上述第一特征向量高（低）極值中心附近地區雷暴偏多（少）的情況最為明顯。其二階多項式擬合曲線呈下降趨勢，顯示近50年全省雷暴活動經歷了由強到弱的變化。

圖1

2.2 第二特征向量

圖2（a）為第二特征向量的空間分布特征，解釋了總方差的6.7%（見表1），從圖中可以看出，其分布主要表現為福建南部和北部雷暴活動呈截然相反的反位相型，沿東西走向的零等值線橫貫全省，大致位于25.5°N附近地區，北部為正值區，正值中心位于武夷山脈和閩中戴云山脈的西側，南部為負值區，將該空間分布稱為南北差異型，這是福建省出現次高概率的雷暴活動分布型。這一分布型反映了西太平洋副熱帶高壓活動對福建雷暴的影響，當夏季副熱帶高壓偏強、位置偏西時，南部地區處副熱帶高壓控制下，雷暴活動偏弱，北部地區常處副高邊緣，迭加上山區的特殊地形效應，對流活動頻繁；反之，當副熱帶高壓偏弱、位置偏東時，南部地區處于副高邊緣，雷暴活動頻繁，北部地區由于水汽條件較弱，對流活動較弱。

第二特征向量的時間系數演變與第一特征向量較為相似，上世紀60年代至90年代中期為總體偏多期,90年代中期后進入總體偏少期，其二階多項式擬合曲線呈下降趨勢（見圖2（b）），由于該特征向量場分布結構為北正南負，說明了北部雷暴活動經歷了由強到弱的變化，而福建南部雷暴活動經歷了由弱到強的變化。

圖2

2.3 第三特征向量

第三特征向量的方差貢獻明顯減小，僅為3.73%。第三特征向量場的分布見圖3（a），主要表現為東部與西部、南部雷暴活動截然相反的反位相型，福建省東部沿海為正值區，大范圍的負值區位于福建的西部和南部，將該空間型稱為東西差異型。值得注意的是,特征向量的零值線在25°N以北地區呈現東北—西南的走向,位置與閩中大山帶相互對應。這一特征向量可能與福建省大地形的影響以及東風帶影響系統的異常有關。

圖3

圖3（b）表明，1987年以前為總體的偏少期，1987年后進入了總體偏多期, 其二階多項式擬合曲線呈上升降趨勢，由于該特征向量場分布結構為東正西負,說明了福建東部沿海地區雷暴活動經歷了由弱到強的變化，而福建西部、南部地區雷暴活動經歷了由強到弱的變換趨勢。

綜上所述,EOF分解的前3個特征向量所代表的空間分布型較好地反映了福建省雷暴活動3個典型的空間分布類型，分別是：全省一致型、南北差異型和東西差異型（見表2）。其中全省一致型是最主要的模態，解釋了總方差的62.32%，反映了福建省雷電活動呈現出全省多發(少發)的同步變化特征；其次是南北反相變化,即表現出閩北多(少)雷、閩南少(多)雷的變化；同時還具有東西反相的變化特征。

表2 福建省雷暴活動前3個特征向量場分布特征的空間含義

3 結果與討論

近50年來，福建省雷暴日3個典型空間分布類型可代表全省變化時空分布的主要格局，分別為全省一致型、南北差異型和東西差異型，反映了福建省雷電活動呈現出全省多發(少發)的同步變化特征。其中全省一致型是最主要的模態，解釋了總方差的62.32%，體現全省雷暴活動經歷了由強到弱的變化；南北差異型說明了北部雷暴活動經歷了由強到弱的變化，而福建南部雷暴活動經歷了由弱到強的變化；東西差異型說明了福建東部沿海地區雷暴活動經歷了由弱到強的變化；而福建西部、南部地區雷暴活動經歷了由強到弱的變化趨勢。

[1] 許小峰．雷電災害與監測預報[J].氣象,2004,30(12)：17-21．

[2] 張敏峰，馮霞．我國雷暴天氣的氣候特征[J]．熱帶氣學,1998,14(2)：156-162．

[3] 徐桂玉，楊修群．我國南方雷暴的氣候特征研究[J]．氣象科學，2001，21(3)：299-307．

[4] 魏鳳英. 現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，2007.