1973—2014年寧波地區(qū)雷暴氣候特征分析研究

石湘波++邵程遠(yuǎn)++王煥邦++鄭玲

摘要 通過對(duì)寧波地區(qū)1973—2014年的雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，該地區(qū)的雷暴日分布呈自西向東逐漸減少的趨勢(shì)。從年際分析來看，雷暴日數(shù)呈逐年減少趨勢(shì)，以-2.1044d/10年的線性趨勢(shì)顯著減少。除象山外，其他地區(qū)均以不同的線性趨勢(shì)減少。M-K突變檢驗(yàn)顯示在1989年前后發(fā)生了1次顯著減少性突變，1989年后的平均雷暴日較突變前平均值減少了近7.53 d。從小波分析來看，寧波地區(qū)雷暴日存在24年和14年左右的周期性變化，在較小時(shí)間尺度上，雷暴日年際變化存在5年和10年左右的短周期。寧波地區(qū)的雷暴日具有明顯的季節(jié)特征，主要發(fā)生在春季和夏季，且夏季最多。

關(guān)鍵詞 雷暴日；氣候特征；線性傾向分析；小波分析；Mann-Kendall法；浙江寧波；1973—2014年

中圖分類號(hào) P446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）17-0194-03

Abstract The statistical analysis of the thunderstorm days in Ningbo area during 1973-2014 was conducted. The results showed that the thunderstorm days in Ningbo area tended to decrease gradually from west to east.Based on the annual analysis，the thunderstorm days decreased year by year，and the decadal linear trend was -2.1044d.The thunderstorm days of the region reduced by different linear trends except Xiangshan.The M-K mutation test showed that one significant reduction occurred suddenly after 1989，and the average thunderstorm days after 1989 decreased by nearly 7.53 days compared with the average value. According to the wavelet analysis，it appeared 24-year periodic change and 14-year periodic change of thunderstorm days in Ningbo area. In small time scale，the interannual variation of thunderstorm days showed 5-year and 10-year short periods.The thunderstorm day in Ningbo had obvious seasonal characteristics，mainly in spring and summer，and summer thunderstorm days were the most.

Key words thunderstorm day；climate characteristics；linear propensity analysis；wavelet analysis；Mann-Kendall analysis；Ningbo Zhejiang；1973-2014

雷電對(duì)人類的生產(chǎn)生活具有重大影響，因雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失往往十分巨大，人員傷亡事件時(shí)有發(fā)生。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)雷暴活動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行分析和研究，從而提高雷電防御的效果。許多專家學(xué)者已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究工作，徐桂玉等[1]通過我國南方62個(gè)氣象觀測(cè)站的25年雷暴日資料研究了我國南方雷暴氣候的空間分布特征，季節(jié)變化特征和年際變化規(guī)律，為探討大范圍雷暴和大氣環(huán)流打下了基礎(chǔ)。高曉東等[2]通過對(duì)上海地區(qū)38年11個(gè)測(cè)站逐日雷暴觀測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)上海近38年來雷暴日呈顯著減少的趨勢(shì)。陳渭民[3]總結(jié)國內(nèi)外對(duì)全球雷暴活動(dòng)規(guī)律的研究成果，發(fā)現(xiàn)雷暴活動(dòng)因地形地勢(shì)不同，分布具有很大的不均勻性；海洋上的雷暴明顯小于同一緯度的陸地；隨緯度增加雷暴活動(dòng)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用資料是寧波地區(qū)8個(gè)地面觀測(cè)站記錄的1973—2014年雷暴日資料，這8個(gè)站分別為慈溪、余姚、北侖、奉化、鄞州、寧海、象山、石浦。

1.2 研究方法

1.2.1 線性傾向分析。本文采用線性傾向分析方法計(jì)算寧波地區(qū)雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)，用傾向率表示變化程度。研究寧波地區(qū)多年的雷暴變化趨勢(shì)，提出氣候趨勢(shì)系數(shù)R[4]，計(jì)算公式如下：

其中，i表示年數(shù)，X為各區(qū)塊第i年的雷暴日數(shù)，i和X分別表示雷暴日數(shù)和多年平均值。

用R值的正負(fù)表示在計(jì)算的i年內(nèi)雷暴有線性增（減）的趨勢(shì)，并把寧波地區(qū)多年雷暴日數(shù)，應(yīng)用二元一次線性方程進(jìn)行擬合，即：y=a+bx，然后通過t值檢驗(yàn)確定該趨勢(shì)是否顯著[5]。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)。用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法[6]判斷雷暴日序列的整體變化趨勢(shì)。Mann-Kendall法可以對(duì)雷暴日數(shù)序列整體變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，給出雷暴日數(shù)突變的情況的顯著水平（取a=0.05，u0.05=1.96），得到統(tǒng)計(jì)量曲線上升或下降趨勢(shì)，當(dāng)曲線超出臨界線時(shí)說明其變化顯著。

1.2.3 小波分析。采用小波分析（Morlet）分析雷暴日序列的振蕩規(guī)律和局部特征。小波分析兼顧整體和局部細(xì)節(jié)，具有多分辨能力[7]。對(duì)氣象時(shí)間序列進(jìn)行不同尺度成分的分析。對(duì)于時(shí)間序列函數(shù)f（t），小波變換定義為如下公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴日空間分布特征

由圖1可以看出，寧波地區(qū)的雷暴日分布特點(diǎn)是山區(qū)雷暴多于平原，西部多于東部，雷暴呈自西向東逐漸減少的趨勢(shì)，雷暴日經(jīng)度變化較緯度變化明顯。雷暴日高值區(qū)位于西南山區(qū)，位于西南山區(qū)的寧海站年平均雷暴日為41 d左右，中部山區(qū)的奉化站在37 d左右，位于中部城市帶及西北部平原的鄞州站、余姚、慈溪站雷暴日在31～34 d之間，越靠近東部的站點(diǎn)雷暴日越少。

2.2 雷暴的年際變化特征

2.2.1 年際變化差異大。圖2是寧波地區(qū)8個(gè)人工站近42年的年平均雷暴日數(shù)，數(shù)值在27.6 d（石浦站）至41 d（寧海站）之間。另外，根據(jù)單站統(tǒng)計(jì)，單站最多年雷暴日數(shù)68 d，出現(xiàn)在寧海站（1975年）；單站最少年平均雷暴日數(shù)為14 d，出現(xiàn)在北侖站（1978年）。單站最多年雷暴日數(shù)為單站最少年雷暴日數(shù)的5倍左右，說明該地區(qū)年雷暴日數(shù)年際間變化差異大。

2.2.2 雷暴日數(shù)呈減少趨勢(shì)。寧波地區(qū)年平均雷暴日數(shù)為50 d ，其中1975年發(fā)生雷暴日數(shù)最多，為74 d；1980年和2008年最少，為36 d。圖3中圓點(diǎn)橫線為寧波地區(qū)近42年年平均雷暴日數(shù)，1973—2014年每年雷暴日數(shù)圍繞多年平均值上下波動(dòng)。從圖3中折線變化可以看出，寧波地區(qū)的年雷暴日數(shù)基本呈逐年遞減的趨勢(shì)，1973—1982年雷暴日數(shù)波動(dòng)幅度較大，且多數(shù)處于多年平均值的上方，其10年平均年雷暴日數(shù)為54.7 d。1983—1992年的雷暴日數(shù)雖波動(dòng)幅度減小，但多處于多年平均值上方，其10年平均年雷暴日數(shù)為50.8 d。1993—2002年的雷暴日數(shù)多在多年平均值下方，其10年平均年雷暴日數(shù)為47.5 d。2003—2012年的雷暴日數(shù)，除2012年以外其余都在平均值以下，其10年平均年雷暴日數(shù)為45.9 d。這與張敏鋒等[7]的研究結(jié)論（近30年來我國大部分地區(qū)年平均雷暴呈減少趨勢(shì)）一致。2012年、2013年和2014年雷暴高于多年平均值，但預(yù)計(jì)之后幾年進(jìn)入雷暴偏少時(shí)期。

根據(jù)圖3可知，近42年來寧波地區(qū)全年雷暴日數(shù)呈波動(dòng)性減少趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為-0.286 7，根據(jù)0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，其減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平，經(jīng)過計(jì)算，寧波地區(qū)8個(gè)站的年雷暴日數(shù)的氣候趨勢(shì)系數(shù)見表1，其中7個(gè)測(cè)站年雷暴日數(shù)的氣候趨勢(shì)系數(shù)均<0，表明這些地區(qū)年雷暴日數(shù)呈現(xiàn)較為顯著的減少趨勢(shì)，其中，奉化、余姚、寧海的年雷暴日數(shù)減少得更為明顯，每10年雷暴日數(shù)大約分別減少4.54、3.14、3.18 d。只有象山的氣候趨勢(shì)系數(shù)R>0，表明象山的年平均雷暴日數(shù)存在增加的趨勢(shì)，每10年雷暴日數(shù)大約增加1.59 d。

2.3 突變檢驗(yàn)

圖4為寧波地區(qū)雷暴日數(shù)1973—2014年的年際變化M-K檢驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯?個(gè)統(tǒng)計(jì)量在±1.96顯著區(qū)間內(nèi)發(fā)生了1次交叉，說明寧波地區(qū)雷暴日數(shù)在1989年前后發(fā)生了1次顯著減少性突變，該地區(qū)1989年后的平均雷暴日較突變前平均值減少了近7.53 d，突變顯著。

2.4 小波分析

為了更好地分析寧波地區(qū)8個(gè)測(cè)站年雷暴日序列的振蕩規(guī)律和局部特征，利用該區(qū)域的年雷暴日資料進(jìn)行Morlet小波分析[8]（圖5）。結(jié)果表明，寧波地區(qū)8站雷暴日變化存在多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)。研究時(shí)域范圍內(nèi)中，各站年平均雷暴日在24年和14年尺度上交替振蕩顯著，即存在24年和14年左右的周期性變化。對(duì)應(yīng)雷暴14年的變化周期可以看出，1973—2014年寧波地區(qū)主要經(jīng)歷了3個(gè)雷暴偏多期和2個(gè)雷暴偏少期，多雷暴時(shí)段為1973—1981年、1990—1999年、2008—2014年，少雷暴時(shí)段為1982—1989年、2000—2007年。

在較小的時(shí)間尺度上，雷暴年際變化存在5年和10年左右的短周期，5年周期性變化具有局部化特征，主要表現(xiàn)為20世紀(jì)80—90年代和21世紀(jì)初；在1973—2014年時(shí)域中都存在10年左右的周期，從圖5中的變化規(guī)律看，還存在局部2～3年更短周期的變化。

2.5 雷暴日的季節(jié)變化特征

從圖6可以看出，寧波地區(qū)的雷暴具有明顯的季節(jié)特征，主要發(fā)生在春、夏2個(gè)季節(jié)。其中，夏季最多，年平均雷暴日數(shù)為29.5 d，占全年的比例為59.2%；春季年平均雷暴日數(shù)為12.2 d，占全年的比例為24.5%；冬季最少，年平均雷暴日數(shù)1.5 d。

2.6 雷暴日的月變化特征

從圖7可以看出，寧波地區(qū)近42年年平均雷暴日在1—12月分布都不均勻。全年每月均有雷暴發(fā)生，主要分布在3—9月，高峰集中在7—8月，其雷暴日數(shù)占全年的46%，為雷暴高發(fā)期。3月、4月、5月、6月、9月為雷暴易發(fā)期，1月、2月、10月、11月、12月為雷暴少發(fā)期。

2.7 雷暴初、終日變化特征

統(tǒng)計(jì)寧波地區(qū)8個(gè)站1973—2014年42年逐年雷暴初日、終日。結(jié)果表明，寧波地區(qū)的雷暴初日發(fā)生主要集中在2—3月，最早的雷暴初日發(fā)生在2002年1月15日（余姚），最晚的雷暴初日發(fā)生在2000年4月14日（北侖）。寧波地區(qū)的雷暴終日主要集中在10—11月，雷暴終日最早出現(xiàn)在8月30日（2001年），最晚出現(xiàn)在1979年12月19日（慈溪、余姚、鄞州）。

3 結(jié)論

寧波地區(qū)的雷暴日分布特點(diǎn)是山區(qū)雷暴多于平原，西部多于東部，雷暴日呈自西向東逐漸減少的趨勢(shì)。從年際分析來看，寧波地區(qū)近42年多年雷暴日數(shù)呈逐年減少趨勢(shì)，以-2.104 4 d/10年的線性趨勢(shì)顯著減少。寧波地區(qū)除象山外，其他地區(qū)均以不同的線性趨勢(shì)減少。M-K突變檢驗(yàn)顯示，在1989年前后發(fā)生了1次顯著減少性突變，該市1989年后的平均雷暴日較突變前平均值減少了近7.53 d。從小波分析來看，寧波地區(qū)雷暴日存在24年和14年左右的周期性變化，在較小時(shí)間尺度上，雷暴日年際變化存在5年和10年左右的短周期，甚至還存在局部2～3年更短周期的變化。寧波地區(qū)的雷暴日具有明顯的季節(jié)特征，主要發(fā)生在春、夏2個(gè)季節(jié)，且夏季最多，主要分布在3—9月，高峰集中在7—8月。雷暴初日發(fā)生主要集中在2—3月，雷暴終日主要集中在10—11月。

4 參考文獻(xiàn)

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

[2] 高曉東，楊仲江，劉曉東，等.上海地區(qū)雷暴時(shí)空分布特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（21）：11246-11248.

[3] 陳渭民.雷電學(xué)原理[M].北京：氣象出版社，2006.

[4] 張敏鋒，馮霞.我國雷暴天氣的氣候特征[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，1998，14（2）：156-162.

[5] 黃嘉佑.氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法[M].北京：氣象出版社，2004：3-28.

[6] 吳誠鷗，秦偉良.近代實(shí)用多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：氣象出版社，2007：119-148.

[7] 符淙斌，王強(qiáng).氣候突變的定義和檢測(cè)方法[J].大氣科學(xué)，1992，16（4）：482-493.

[8] 董霖.MATLAB使用詳解：基礎(chǔ)、開發(fā)及工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：648-659.