湖北省十堰市雷電環境特征分析

邢生惠 吳廣厚

摘要 以湖北省十堰市7個站點（丹江、十堰、房縣、鄖西、鄖縣、竹溪和竹山）1983—2012年的雷暴日數為依據的雷電日數資料為原始數據，運用氣候傾向率、滑動平均、小波分析、滑動t檢驗、EOF分解等方法，對十堰市雷電環境特征進行了分析。結果顯示：十堰地區雷暴的發生多在夏季，7月份是雷暴發生的汛期；雷暴日數的變化具有“兩端多、中間少”的空間變化特征，雷暴日數月變化不對稱，增加的速度明顯小于減小的速度；雷暴日數的年際變化差異比較大，總體是呈現減小的趨勢；各個站點的雷暴變化趨勢具有明顯的同步性。

關鍵詞 十堰；雷暴；小波分析；EOF分解

中圖分類號：P429 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2018）02-032-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.02.014

雷暴是指積雨云云中、云間或云地之間產生的放電現象[1]，這種天氣現象的發生伴隨著聲、光、電等多種物理現象，影響人類社會經濟生活的各個方面，如引發火災，干擾輸電、通訊以及計算機網絡等的安全運行[2]，給人民生命、財產安全造成巨大損失。雷電災害分別被“國際減災十年”委員會和國際電工委員會（IEO）認定為最嚴重的10種自然災害之一和“電子時代的一大公害”[3]。

目前國內外學者對雷暴日做了大量研究[4-16]，許多研究表明雷暴活動在變化中整體呈現減少的趨勢。十堰市地處湖北省西北部，屬于亞熱帶季風氣候，易于雷暴的產生。特殊的地理環境使得十堰市多年雷暴活動的時間和空間分布都極不均勻，但一直都欠缺對該地區雷暴活動特征的研究。據此，筆者根據十堰地區1983—2012年逐年雷暴日資料，運用氣候傾向率、滑動平均、離散小波分析、EOF分解和突變檢驗等數學統計方法對十堰地區雷暴日活動規律進行了分析。

1 資料與方法

1.1 資料來源

以一天內聽到1次或1次以上雷聲統計為1個雷暴日，只有閃電沒有雷聲也計入[17]，雷暴的初日指一年中最先聽到雷聲的日期，終日指一年中最后一次聽到雷聲的日期[18]。文中所采用的雷暴日資料是十堰市氣象局統計的當地7個站點1983—2012年近30年的雷暴日數，包括各站點每年測得的雷暴初日和終日的時間，初、終日的間隔日數，以及全年雷暴日數的總數。

依據《地面氣象觀測規范》，觀測氣象日界為20：00。在統計雷暴出現日數時，若某一次雷暴跨越20：00按2個雷暴出現日計算；當某一天雷暴過程出現2次或以上時，仍按1個雷暴日計算。因此以在某站聽到有雷聲的1個觀測日為雷暴日，當天不論聽到多少次雷聲，均記為1個雷暴日。通常在氣象學中雷電活動的強度用雷暴日的多少來反映，而年平均雷暴日則反映某地雷電活動的頻繁程度。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率和滑動平均 采用氣象傾向率分析十堰地區近30年雷暴日年際、季節變化趨勢。氣候傾向率反映十堰30年來雷暴日的變化趨勢傾向。雷暴活動上升或下降的速率通過b值的大小來反映。當b>0時，雷暴日數呈上升趨勢；b<0時則反之。

采用滑動平均對近30年十堰地區雷暴日進行趨勢擬合，用來確定雷暴日趨勢變化。對樣本量為n的雷暴日序列x，其滑動平均序列表示為：

式中，k為滑動長度，取值為5，n為樣本量，取值為30。

1.2.2 小波分析法[21] 低頻部分信號的重構可以發現時間序列的發展趨勢及規律，高頻部分信號的重構可以發現時間序列的突變特性和循環周期[22]，以此觀察不同時間尺度上的變化情況。小波函數定義為：如果ψ（t）∈λ2（R） [λ2（R）表示平方可積的實數空間，即能量有限的信號空間]，滿足允許性條件：

ψ（t）即基小波，式中ψ（ω）是ψ（t）的Fourier變換，由基小波函數ψ（t）進行伸縮和平移[23]。

運用Matlab小波工具箱中離散小波分解功能，在db3小波基礎上進行水平上的分解變換成不相同子序列，其中包括1個趨勢項a5和4個周期項d4，d3，d2，d1逐步細節化分析了十堰市近30年雷暴活動的變化。

1.2.3 滑動t檢驗 對于具有n個樣本量的時間序列x，認為的設置某一時刻為基準點，基準點前后兩段序列x1和x2的樣本分別為n1和n2兩段子序列，其平均值分別為x1和x2，方差為s12和s22。定義統計量：

上式遵從自由度v=n1+n2-2的t分布。

1.2.4 EOF分解 經驗正交函數（EOF）分解在數理統計學的多變量分析中稱為主分量分析。

文中以矩陣方式給出某氣候變量場的觀測資料，如下：

分別稱為空間函數矩陣和時間系數矩陣。

若X為距平資料矩陣，則可對上式式右乘以X，即XX=VTX=VTTV，XX，是實對稱陣。

2 雷暴日的時空變化特征

2.1 空間分布特征

十堰市近30年來的雷暴日數變化根據地理環境的不同也有明顯的變化，選取十堰市1983—2002年（前20年）與2003—2012年（近10年）的各個站點的平均雷暴日數進行分析，得出表1。

從表1可以看出，1983—2002年中出現雷暴最多的是房縣，平均每年出現雷暴日數是27.9 d，占總日數的17.3%，年平均雷暴日數出現最少的是十堰，僅有16.7 d，占總日數的10.3%；2003—2012年年平均雷暴日數最多的依然是房縣，達到23.4 d，最少的則是丹江，僅有14.5 d。

此外，1983—2002年，年平均雷暴日數最多的地區是房縣、竹山、竹溪，均位于十堰市的南部，其次為鄖西、鄖縣，位于十堰市的北部，年平均雷暴日數最少的地區是位于十堰市中部的十堰和丹江；2003—2012年，年平均雷暴日最多的地區是位于十堰市南部的房縣、竹溪、竹山，位于十堰市北部的鄖西和鄖縣，而年平均雷暴日數最少的則是位于十堰市中部的十堰和丹江（圖1）。

由此可見，十堰市雷暴分布空間特征呈兩端多，中間少的趨勢，并且南部的雷暴日數明顯多于北部，中部則最少，且空間分布特征不隨時間改變。

2.2 年際變化特征

從圖2可以看出，1983—2014年十堰市雷暴日數存在極顯著的減小趨勢，線性傾向率達-1.702 d/10年（P<0.01）。此外，雷暴日數年際變化幅度大，雷暴日最多的年份（2011年）達到31 d，雷暴日最少的年份（2005年）僅不到6 d，相差近5倍。

由各月份雷暴日數分析可知：月雷暴日最多的發生在7月，共有雷暴日1 362個，最少的在2月，共有34個。雷暴日發生在每年2—11月，該期間，累計雷暴日數先增加，并且在7月達到頂峰，8月持續7月的頂峰，但有略微減少，7月和8月的累計雷暴日數占全年累計雷暴日數的55.9%。進入9月，雷暴日數急劇減小，并在11月達到最小值，11月和2月的累計雷暴日數僅占到全年的1.8%。

2.3 趨勢分析

由圖3可見，十堰市7個站點中有6個線性傾向率均為負值，只有竹溪的線性傾向率為正值。十堰城區站點的雷暴日數變化時平緩的，沒有明顯的增加或減少的趨勢變化，而竹溪站點的雷暴日數則是呈現明顯的增加趨勢，其余各個站點的雷暴日數則均呈現明顯的減少趨勢，而十堰市整體上雷電日數呈現減少趨勢，但減少的幅度有所差異。

2.4 初、終日及雷暴期變化特征

由圖4（a）可知，1983—2012年十堰市雷暴初日最早出現在2004年的2月20號，最晚出現在2010年的5月24號，相差104 d；由圖4（b）可知，1983—2012年十堰市雷暴終日最早結束于2011年的7月8號，最晚結束于2012年的11月6號，相差121 d；由圖4（c）可知，1983—2012年雷電初終日的間隔日數最少128 d，出現在1996年，最多是211 d，出現在1989年，30年來的平均間隔日數為179 d。可見，雷暴初、終日的間隔日數均呈現相應的變化趨勢，從1983年開始，間隔日數的變化趨勢先緩慢上升，而后又緩慢下降，到1993年達到這一階段的最低值；從1994年開始又開始上升，后又減小，直到2003年左右又達到這10年之中的谷值；從2004年開始，雷暴初、終日的間隔日數開始上升，到2011年達到最小值，而2012年的間隔日數又急劇增加，達到雷暴初、終日間隔的新的峰值。

總體來說，雷暴初、終日的間隔日數呈現階段性的變化，這種變化趨勢以大約10年為1個階段，然而雷暴初、終日的間隔日數總體變化仍呈減少趨勢，通過計算可知，雷暴初日是在以4.0 d/10年的速率推后，雷暴終日是在以4.5 d/10年的速率推后，雷暴初、終日的間隔日數是在以0.7 d/10年的速率增加。

2.5 EOF分析

對十堰市7個縣的氣象觀測站1983—2012年的年雷暴日進行EOF分析，給出了EOF分析所得到的前2個特征向量（表2），結果表明：第一特征向量約解釋了總方差的67.4%，可以認為在構成雷暴日活動空間分布中，第一特征向量的作用最為重要。十堰市各縣的第一特征向量的量值正負相同，這表明十堰市各地區雷暴活動具有同步性；丹江、十堰、鄖西縣是雷暴的高值區，竹溪是雷暴的低值區。而第二特征向量有正有負，說明7個站點雷暴活動也有不同步性，但是由于第二特征向量的方差貢獻僅占9.834%，所以該特點可以忽略。

2.6 小波分析

從圖5反映可以看出，高頻成分與原始數據的趨勢大體相同，低頻成分圍繞著上下波動，可見雷暴日時間序列已得到很好的分離。趨勢項a4可以反映近30年來湖北省十堰市地區雷暴日主要變化趨勢。從a4中可以看出在在1983—2012年，十堰市地區雷暴日數都是呈現減少的趨勢，但是前18年的下降趨勢比較緩慢，而后12年下降的趨勢比較明顯。從第1層周期項d4的重構及第2層周期項d3的重構看不出明顯的變化周期；從第3層周期項d2的重構可以看出，存在比較明顯的18年的振蕩周期；從第4層周期項d1的重構可以看出，存在著明顯的6～7年的振蕩周期。

2.7 突變分析

用滑動t檢驗1983—2012年十堰雷暴日數序列的突變。從圖6可以看出統計量有2處超過0.01顯著性水平，說明十堰市年平均雷暴日數在近30年來存在2次突變：從1983年左右開始由高到低的突變；從2000年開始到2012年有1次由低到高的突變。

3 結論與討論

（1）十堰地區雷暴的發生多在夏季，7月份是雷暴發生的高峰期。雷暴日數月變化不對稱，增加的速度明顯小于減少的速度。雷暴日數的變化總體上呈現減少的趨勢，這可能與十堰市局部小氣候相關。

（2）十堰地區雷暴日數的變化具有“兩端多、中間少”的空間變化特征。

（3）十堰市雷暴日數的年際變化差異比較大。總體是呈現減少的趨勢，但是前18年的減小趨勢比近12年的減少趨勢明顯。而且存在約7～8年的震蕩周期，十堰地區的雷暴日數有繼續減少的趨勢。

（4）十堰地區的雷暴變化在近30年中有2次明顯的突變，從1983年開始有1次減少的突變，在2000—2012年之間有1次增加的突變。

（5）十堰地區各個站點的雷暴變化趨勢具有明顯的同步性，其中也有可忽略的不同步性存在。

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責任編輯：劉赟