內蒙古雷暴活動特征分析

石茹琳，徐燕霞，王曼霏，李慶君，高 菲，姜雨蒙

(1.內蒙古自治區雷電預警防護中心；2.內蒙古自治區氣象服務中心；3.內蒙古自治區氣象臺，內蒙古 呼和浩特 010051)

雷暴是一種伴有雷擊和閃電的強對流天氣現象，通常伴有大風、暴雨、冰雹等氣象災害，是我國十大自然災害之一，給社會經濟和人民的生命財產造成極大的危害[1-4]。隨著中國社會經濟的快速發展和電子信息產業的迅速推進，雷暴造成的災害影響越來越大[5]，因此，系統研究雷暴事件的氣候特征及其變化趨勢不僅可以反映雷暴事件時空分布，而且對新形勢下的防雷工作，尤其對減少雷暴天氣下各行業經濟損失有明確的指導作用[6]。長期以來氣象學者一直高度關注雷暴的研究，取得了許多成果。眾多學者分別對黑龍江[7]、江蘇[8]、遼寧[9]、新疆[10]、海南[11]、湖南[12]、浙江[13]等地區的雷暴特征進行分析討論。此外，鞏崇水等[14]分析了我國年平均雷暴日的時空分布特征，指出近30年中國北方地區的雷暴整體呈現出減少趨勢，而南方則是先減后增，其距平場的年代際變化較為明顯。孔鋒等[6]對中國及其七大地理分區的雷暴日進行分析得出，中國整體及其不同區域的雷暴日數整體均呈減少趨勢，年均單站雷暴日數均在2000年后普遍偏少，而從2010年開始迅速增加。

內蒙古自治區地域遼闊、地形復雜，是雷暴活動和雷電災害發生較頻繁的省份之一，其雷暴天氣具有發生頻率高、分布范圍廣的特點[15]。目前，針對內蒙古地區雷暴的長時間序列氣候變化趨勢方面的研究較少，因此，研究內蒙古雷暴的氣候特征和變化趨勢，對于分析內蒙古氣候變化規律及研究雷暴的成因等具有重要的理論和現實意義，同時為內蒙古雷暴預報預警及雷電防護等工作打下基礎。

1 資料與方法

本研究選取內蒙古自治區1971 年—2013 年43 a的雷暴日觀測資料，為保證數據的完整性和連續性，選取了116個站的觀測資料進行分析。利用常規數理統計方法、氣候傾向率、經驗正交函數(EOF)等方法，對內蒙古雷暴日數的時空分布特征和氣候變化趨勢等方面進行分析。氣候要素的趨勢變化一般用一次線性方程表示[16]，即用最小二乘法擬合趨勢變化：y=ax+b，定義10 a為氣候傾向率。經驗正交函數(Empirical Orthogonal Function, EOF)又稱主分量分析，由Pearson(1902)提出，被廣泛地應用于氣候研究領域中，該方法通過對矩陣數據的結構特征進行分析，能夠分離出主要空間模態和各模態的時間變化特征[17]，以便更好地了解內蒙古地區雷暴的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 雷暴日數時間變化特征

2.1.1 年際變化特征。內蒙古116個氣象站43 a平均雷暴日數為28.0 d，年際變化較為明顯。從平均雷暴日數逐年變化趨勢圖1可以看出，平均雷暴日數最多出現在1980年，為35.2 d，最少出現在2007年，為20.3 d。年平均雷暴日數高于43 a平均值的有22 a，低于平均值的有21 a，1971年—1992年平均雷暴日變化曲線在高值區振蕩，1993年—2010年曲線呈明顯偏小趨勢，雷暴日數總體上呈波動減少趨勢，其氣候傾向率為-2.0 d/10 a，即每10 a雷暴日數減少2.0 d。由表1可看出，20世紀70年代和80年代的平均雷暴日數分別為30.0 d和31.0 d，均高于43 a平均水平，20世紀90年代及21世紀初(2001年—2013年)的平均雷暴日數均低于平均水平，其中21世紀初為最低。

圖1 1971年—2013年內蒙古平均雷暴日數逐年變化

表1給出的1971年—2013年內蒙古自治區12個盟市平均雷暴日數的氣候變化參數，可以看出，年平均雷暴日數最多的地方為烏蘭察布市(36.6 d/a)，其次為呼和浩特市(35.6 d/a)年平均雷暴日數最少的是阿拉善盟，僅為11.8 d/a。據統計，12個盟市的氣候傾向率和相關系數均小于0，說明各盟市的年平均雷暴日數總體上均呈減少趨勢，其中烏蘭察布市、包頭市、赤峰市、巴彥淖爾市和呼倫貝爾市的氣候傾向率較大，說明這些地區的雷暴日減少較多。

表1 1971年—2013年內蒙古12個盟市年平均雷暴日數氣候變化參數

2.1.2 季節變化特征。內蒙古雷暴的季節性變化明顯，總體呈現單峰型特征。結合表2可得，雷暴主要集中在夏季(6月—8月)，平均每年夏季出現21.8個雷暴日，占全年雷暴日數的78.0%，其中峰值出現在7月(8.5 d/月)，占全年雷暴日數的30.4%；其次為秋季和春季，有少量雷暴發生，分別占全年雷暴日數的11.9%和10.1%；冬季幾乎無雷暴發生。這是因為夏季受東南季風的影響，水汽充沛，結合動力、熱力作用，容易引發局地性強對流天氣，導致夏季雷暴多發[18]。

表2 1971年—2013年內蒙古各月平均雷暴日數

圖2給出了內蒙古12個盟市1971年—2013年平均雷暴日數隨月份的分布情況，可見各盟市雷暴日的逐月變化表現出很強的一致性。雷暴主要發生在4月—10月，峰值均出現在夏季，除通遼地區在6月份平均雷暴日數已達到峰值水平，其他地區均在7月份達到峰值。

圖2 1971年—2013年內蒙古12個盟市平均雷暴日數逐月變化

2.1.3 雷暴的初終期特征。雷暴出現的初、終期是很重要的氣候指標，每年第一次雷暴出現的日期稱為初雷日，最后一次出現雷暴的日期稱為終雷日。根據內蒙古自治區1971年—2013年43 a的雷暴日觀測資料統計歸納了12個盟市的雷暴日初、終日變化概況，見表3。

從表3可知，內蒙古最早在3月初出現雷暴，最晚在8月中旬出現，雷暴平均初日為4月下旬—5月下旬。由于內蒙古地域跨度較大，導致東西差異較為明顯，即各盟市間雷暴開始日期差異較大。內蒙古中部地區雷暴出現得最早，如呼和浩特市、包頭市、烏蘭察布市、鄂爾多斯市及錫林郭勒盟，最早初日出現在3月上旬(3月1日—4日)；內蒙古西部地區，如巴彥淖爾市、烏海市及阿拉善盟，雷暴最早初日在3月中旬(3月11日—12日)出現；內蒙古東部地區最早初日相對較晚出現，其中呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市最早在3月中到下旬(3月15日—31日)首次出現雷暴天氣。同時雷暴初日也有明顯的年際差異，各站雷暴初日出現的最早時間和最晚時間相差3個月～5個月，有的年份在3月就出現雷暴，有的年份在6月—8月才出現。雷暴終日平均日期在9月—10月之間，阿拉善盟平均終日出現時間最早，為9月上旬，其余各盟市的雷暴終日平均日期均在9月中下旬到10月上旬之間。雷暴終日也有明顯的年際差異，最早終日和最晚終日相差2個月～3個月左右。

雷暴初、終日之間持續的日數稱為雷暴持續期。由于雷暴持續期的大小由當年雷暴初、終日出現的日期決定，所以雷暴持續期的年際變化比較大。2009年鄂爾多斯市東勝站的持續期最長，為252 d，最短持續期發生在阿拉善盟，為0 d，即當年沒有雷暴過程發生或僅發生一次。各盟市平均雷暴持續期在103 d～161 d之間，其中呼和浩特市的平均持續期最長，為161 d，其次為烏蘭察布市，其平均持續期為157 d，阿拉善盟的平均持續期最短，為103 d。結合雷暴日數的分布表3可知，烏蘭察布市和呼和浩特市的年平均雷暴日數最多，阿拉善盟的年平均雷暴日數最少，由此可見，平均雷暴持續期的分布趨勢和平均雷暴日數的分布基本保持一致。

表3 1971年—2013年內蒙古12個盟市雷暴初終日期和持續期

2.2 雷暴日數空間變化特征

內蒙古自治區地域廣袤，所處緯度較高，經度橫跨范圍廣，呈現平原、山地、高原帶狀分布的地貌特征，以高原為主，海拔1 000 km～1 500 km，地勢起伏較緩且向北傾斜，其中錫林郭勒盟、烏蘭察布市高原地勢較高，呼倫貝爾、烏珠穆沁、居延海盆地地勢較低。氣候受東亞季風環流影響，呈現自東向西由濕潤型向干旱型過渡的大陸性氣候。復雜的地形地貌及氣候的差異，使內蒙古雷暴活動的空間分布不盡相同。

2.2.1 年平均分布特征。圖3為1971年—2013年內蒙古雷暴日數的空間分布情況，由圖可知年平均雷暴日數總體上呈現東南多西北少的特征，其中中南部地區雷暴日數最多，西部地區最少。全區年平均雷暴日數在7.6 d～40.1 d之間，年平均雷暴日數最多的地方為烏蘭察布豐鎮市，最少出現在阿拉善盟額濟納旗。呼和浩特市、烏蘭察布市中南部、錫林郭勒盟南部及赤峰市西南部地區為雷暴日數高值區，年平均雷暴日數在31.6 d～40.1 d之間；其次為鄂爾多斯市西部、包頭市中南部、錫林郭勒盟中部、赤峰市和通遼市北部、興安盟以及呼倫貝爾市東部，年平均雷暴日數為26.7 d～31.6 d；西部的阿拉善盟地區為雷暴日數的低值區，年平均雷暴日數為11.8 d。綜上，內蒙古各地區的雷暴日數分布差異較大，最多可相差30余天。

圖3 1971年—2013年內蒙古年平均雷暴日分布/單位：d(a-1)

2.2.2 月平均分布特征。據統計，6月—9月的平均雷暴日數占全年雷暴日數的88.1%，故圖4給出6月—9月每月月平均雷暴日數的空間分布圖，以便于分析不同月份雷暴日空間分布的差異。總的來說各月的平均雷暴日分布均呈東高西低、北高南低的趨勢。6月份的雷暴日數高值區主要分布于呼和浩特市、烏蘭察布市南部、錫林郭勒盟南部、赤峰市西北部、通遼市西部、興安盟及呼倫貝爾市東部，呈現一條西南-東北走向的高值帶，最大月平均雷暴日數為8.0 d～10.1 d；7月份雷暴日數的高值帶狀區域向西北移動并擴散，雷暴日數高值區范圍增大，最大月平均雷暴日數達9.2 d～10.8 d；8月份雷暴日天數有一定的回落，高值區主要集中在內蒙古中西部地區，即鄂爾多斯東部、包頭市東南部、呼和浩特市和烏蘭察布市中南部地區，最大月平均雷暴日數降至7.4 d～8.7 d；9月份雷暴日數大幅減少，高值區位于內蒙古中南部地區，最大月平均雷暴日數僅為3.6 d～4.3 d。

圖4 1971年—2013年內蒙古(a)6月、(b)7月、(c)8月和(d)9月平均雷暴日分布/單位：d(a-1)

3 雷暴空間分布的EOF分析

為了清楚地顯示內蒙古地區雷暴的主要空間分布類型及其與年際變化之間的聯系，下面對1971年—2013年的雷暴資料進一步做EOF分析，資料采用各測站的距平值，用特征向量及其所對應的時間系數和方差貢獻率來表示時空分布特征。表4列出了EOF前4個特征向量場的個別方差貢獻及累積方差貢獻，可以看出，前4個特征向量場累積方差貢獻占總方差的61.1%，對于雷暴這類地域性較強的天氣現象來說，其收斂性較好。

表4 雷暴日數年際變化EOF分析前4個特征向量場的方差貢獻

第一特征向量場圖5(a)占總方差比例最大39.2%，呈一致的正值，稱為“全區一致型”，是內蒙古雷暴日空間分布的主要特點。該型反映出雖然內蒙古地區地形復雜，但在很大程度上受到同一天氣系統和某些因子的影響，雷暴日的變化趨勢是一致的。圖6(a)是對應的時間系數曲線，大于0的年份為全區雷暴日數偏多年，小于0的年份為全區雷暴日數偏少年。可以看出，20世紀70年代—90年代初期為總體偏多期，90年代中期以后為總體偏少期，年雷暴日數氣候傾向率是負值，且呈下降趨勢，這與之前分析的雷暴日年際變化規律是一致的。

第二特征向量場圖5(b)占總方差的11.8%，表現為東西相反的異常分布，稱為“東西差異型”。錫林郭勒盟以東為正值，大值區位于內蒙古東南部地區，即赤峰市、通遼市一帶；錫林郭勒盟以西為負值，大值區位于巴彥淖爾市及鄂爾多斯市地區。該型反映了內蒙古雷暴日空間分布的總趨勢還存在東西反位相的特點，即東部雷暴減少時西部雷暴相對增多，反之趨勢相反。從對應的時間系數曲線圖6(b)上看，總體上氣候變化趨勢不明顯，有微弱的上升趨勢。20世紀70年代—80年代中期為總體偏少期，80年代后期至21世紀初為總體偏多期，之后又轉為總體偏多期，結合該型為東正西負，反映了錫林郭勒盟以東雷暴日數的變化趨勢為少—多—少，以西的變化趨勢為多—少—多。

第三特征向量場圖5(c)占總方差的5.8%，其符號從北到南呈負-正-負-正的分布，該型稱為經向型。正值區位于呼倫貝爾市、興安盟及烏蘭察布市和錫林郭勒盟西部，負值區位于赤峰市、通遼市和錫林郭勒盟東部以及包頭市和呼和浩特市以西地區。從其對應的時間系數曲線圖6(c)可以看出，正負相位變化較為顯著，總體呈上升趨勢。

圖6 1971年—2013年內蒙古自治區雷暴日數年際變化EOF的(a)第一、(b)第二、(c)第三和(d)第四特征向量場時間分布型

第四特征向量場圖5(d)僅占總方差的4.3%，其符號從東到西呈正—負—正—負的分布，該型稱為緯向型。正值區位于呼倫貝爾市南部、興安盟、通遼市東部以及巴彥淖爾市、鄂爾多斯市西部、烏海市和阿拉善盟，負值區位于呼倫貝爾市北部及赤峰市、錫林郭勒盟、烏蘭察布市一帶。

圖5 1971年—2013年內蒙古自治區雷暴日數年際變化EOF的(a)第一、(b)第二、(c)第三和(d)第四特征向量場空間分布

綜上所述，內蒙古雷暴異常的空間分布類型主要有：全區一致型、東西差異型、緯向型和徑向型4種類型。

4 結論

本研究使用常規數理統計方法、氣候傾向率、經驗正交函數(EOF)等方法，對內蒙古1971年—2013年雷暴日數的時空分布特征和氣候變化趨勢等方面進行分析。主要結論如下：①內蒙古雷暴日年際變化較為明顯，年平均雷暴日數為28.0 d，總體上呈現波動減少的趨勢，下降幅度為2.0 d/10 a。平均雷暴日數最多的地方為烏蘭察布市，其次為呼和浩特市，平均雷暴日數最少的是阿拉善盟。②內蒙古雷暴季節性變化顯著，總體呈單峰分布，峰值出現在7月，夏季為雷暴多發期，占全年總雷暴日數的78.0%。③內蒙古地區雷暴平均初日為4月下旬-5月下旬，在內蒙古中部出現最早，內蒙古西部其次，內蒙古東部地區最晚，雷暴平均終日為9月中下旬到10月上旬之間，并且雷暴初、終日有明顯的年際差異。④內蒙古年平均雷暴日數總體上呈東南多西北少的特征, 其中中南部地區雷暴日數最多，西部地區最少。各地區間的雷暴日數分布差異較大，最多可相差30余天。⑤根據EOF分析, 內蒙古雷暴異常的空間分布類型主要有：全區一致型、東西差異型、緯向型和徑向型4種類型。其中全區一致型是內蒙古雷暴日空間分布的主要特點。