聶曉婷， 黎廣林， 鄧福興

(1.博羅縣氣象局，廣東博羅　516100；2.連州市氣象局，廣東連州　513400)

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近53年博羅縣的雷暴氣候特征分析

聶曉婷1， 黎廣林1， 鄧福興2

(1.博羅縣氣象局，廣東博羅516100；2.連州市氣象局，廣東連州513400)

摘要：利用博羅縣1961—2013年的雷暴資料，采用趨勢(shì)系數(shù)、諧波分析、Yamamoto法和Mann-Kendall(M-K)等方法，分析了雷暴的年、月、季變化和初終日、持續(xù)期等特征。結(jié)果表明：1961—2013年博羅縣平均雷暴日數(shù)為81 d，雷暴日數(shù)以0.47 d/年的速率顯著減少；雷暴日數(shù)在1975年發(fā)生轉(zhuǎn)折突變，在1985年發(fā)生均值突變。全年均有雷暴發(fā)生，月分布呈單峰型的特征，具有集中性、季節(jié)性的特點(diǎn)，主要集中在夏季，冬季出現(xiàn)雷暴的幾率很小。初雷主要出現(xiàn)在2月份，終雷主要出現(xiàn)的10月份，雷暴持續(xù)期相對(duì)較長(zhǎng)，年際差異較大。由諧波可分析出雷暴日數(shù)具有準(zhǔn)10年短周期、準(zhǔn)53年長(zhǎng)周期的震蕩變化。

關(guān)鍵詞：氣候?qū)W； 雷暴； 氣候特征； 突變檢驗(yàn)； 博羅縣

雷暴為中γ尺度伴有雷鳴、閃電的強(qiáng)對(duì)流性天氣，是一種局部而激烈放電現(xiàn)象。雷暴災(zāi)害是我國(guó)十大自然災(zāi)害之一[1-2]，對(duì)人畜、建筑物、電子設(shè)備等產(chǎn)生極大的危害，給人民的日常生活、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)活動(dòng)造成嚴(yán)重的威脅。因此對(duì)雷暴的活動(dòng)規(guī)律、氣候特征的研究成為眾多學(xué)者的重要研究?jī)?nèi)容[3-5]。張敏鋒等[6]用我國(guó)104個(gè)臺(tái)站30年雷暴資料，分析了我國(guó)雷暴氣候特征，指出近30年來(lái)我國(guó)大部分地區(qū)雷暴頻數(shù)在波動(dòng)中減少；徐桂玉等[7]研究了我國(guó)南方的雷暴氣候特征，指出我國(guó)南方年雷暴日數(shù)呈現(xiàn)逐年減少的總趨勢(shì)，多雷暴帶主要與山地分布密切相關(guān)；毛慧琴等[8]分析廣東86個(gè)站歷年平均雷暴日、初終日資料，并通過(guò)分析雷暴與氣溫的相互關(guān)系，揭示出廣東省的雷暴主要是由熱力條件引起。近幾年來(lái)，博羅縣經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高層建筑和現(xiàn)代化高技術(shù)電子產(chǎn)品的日益普及，雷電災(zāi)害隱患越來(lái)越大。如何減少雷暴帶來(lái)的危害，開(kāi)展防雷監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、雷電災(zāi)害防御與管理等工作，備受社會(huì)的關(guān)注。因此，有必要對(duì)博羅縣多年雷暴進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，分析了解其變化規(guī)律，以期為雷電預(yù)警、預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1資料和方法

本研究選取博羅縣地面氣象觀(guān)測(cè)站1961—2013年完整的逐日雷暴資料，建立博羅雷暴出現(xiàn)日數(shù)的逐年時(shí)間序列和每年雷暴的初日、終日、持續(xù)期的逐年時(shí)間序列資料。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線(xiàn)性分析、突變分析等方法對(duì)博羅縣歷年雷暴日數(shù)及初雷日、終雷日等進(jìn)行氣候統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用諧波估計(jì)的方法計(jì)算博羅縣雷暴的周期變化。

在統(tǒng)計(jì)資料時(shí)，根據(jù)我國(guó)氣象觀(guān)測(cè)規(guī)范定義，氣象日界為每日20：00；雷暴日為一年中有雷暴現(xiàn)象的天數(shù)，一天中只要聽(tīng)到1次或以上的雷聲就算1個(gè)雷暴日。此外根據(jù)華南地區(qū)的特點(diǎn)，將3—5、6—8、9—11、12—次年2月分別定為春、夏、秋、冬4季。采用趨勢(shì)系數(shù)、諧波分析、Yamamoto法和Mann-Kendall(M-K)法等分析雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)、周期和突變特征[9]。

2雷暴的氣候統(tǒng)計(jì)特征

2.1雷暴的年變化

圖1給出了53年博羅縣平均雷暴日數(shù)逐年分布，以53年雷暴日數(shù)平均值81 d為0刻度線(xiàn)，很好地表示了歷年雷暴的距平值和變化趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]，平均雷暴日為41～90 d的屬于多雷區(qū)，因此博羅屬于多雷區(qū)。從圖1中雷暴日數(shù)分布和5年平滑線(xiàn)可以看出博羅歷年雷暴分布不均勻，最大雷暴年為1975年127 d，最少雷暴年為2002年55 d，二者相差達(dá)72 d。年雷暴日數(shù)超出平均值的有25年，在1961—1978年18年間有17年超出平均值，其中1970—1975年雷暴日數(shù)連續(xù)6年超過(guò)90 d。雷暴少發(fā)期集中在1979—2013年，在這35年內(nèi)共24年低于平均值，其中1998—2006年這段時(shí)間雷暴日數(shù)最少。雷暴日數(shù)的年際變化線(xiàn)性擬合趨勢(shì)如圖1中細(xì)實(shí)線(xiàn)所示，氣候趨勢(shì)系數(shù)為-4.743，可見(jiàn)1961—2013年博羅年雷暴日數(shù)以0.47 d/年的速率減少，通過(guò)了0.001顯著性水平檢驗(yàn)，減少趨勢(shì)非常顯著，近50年來(lái)約減少了24 d。這與徐桂玉等[8]研究我國(guó)南方年雷暴次數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的總趨勢(shì)是一致的。

圖1　博羅縣1961—2013年雷暴日數(shù)逐年變化

從年代際變化(表略)可以看出博羅雷暴日數(shù)年代際間差異顯著：從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初，雷暴發(fā)生日數(shù)變化幅度較大，70年代最多，然后逐年遞減，而進(jìn)入21世紀(jì)以后，雷暴日數(shù)明顯減少，年均為72 d。經(jīng)過(guò)氣候趨勢(shì)分析，20世紀(jì)60—80年代雷暴日數(shù)氣候傾向率均為負(fù)值，分別約以-0.73、-2.66、-1.09 d/年的速率在下降；70年代下降的趨勢(shì)最為厲害，而60和80年代雷暴日數(shù)沒(méi)有顯著的減少趨勢(shì)；90年代至21世紀(jì)初表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，尤其是21世紀(jì)初，雷暴約以1.79 d/年的速率在上升。從53年總體趨勢(shì)看，氣候傾向率<0，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，雷暴日數(shù)呈減少趨勢(shì)。

2.2雷暴的突變特征

對(duì)博羅1961—2013年雷暴序列用Yamamoto、M-K法進(jìn)行突變分析，分別繪出了信噪比SNR曲線(xiàn)和UF、UB曲線(xiàn)(圖2)。從圖2a中UF曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)可以看到，雷暴日數(shù)在20世紀(jì)60年代呈下降趨勢(shì)，70年代初變?yōu)樯仙厔?shì)，從70年代中期后持續(xù)下降，且下降趨勢(shì)顯著，并在1986年左右超過(guò)了顯著性水平為0.05的臨界線(xiàn)。為了減少人為的影響，Yamamoto子序列長(zhǎng)度分別取10、5，結(jié)果如圖2b所示。子序列長(zhǎng)度為10時(shí)，SNR均沒(méi)有超過(guò)顯著水平，而當(dāng)子序列長(zhǎng)度為5時(shí)，在1975年發(fā)生了突變，SNR超過(guò)了顯著水平。對(duì)比Yamamoto法和M-K法，結(jié)合雷暴日數(shù)的5年滑動(dòng)平均曲線(xiàn)(圖2c)發(fā)現(xiàn)，Yamamoto法能夠檢測(cè)出雷暴日數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)折的年份，為轉(zhuǎn)折突變[11-12]，即在1968—1980年期間雷暴日數(shù)發(fā)生了先增后減的劇烈變化，這與5年滑動(dòng)平均曲線(xiàn)中的轉(zhuǎn)折是非常符合的。M-K法則檢測(cè)出雷暴日數(shù)的變化趨勢(shì)為均值突變[12]，從UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)位置可以確定雷暴日數(shù)在1985年發(fā)生了突變。

圖2　雷暴日數(shù)M-K法(a)、Yamamoto法(b)和5年滑動(dòng)平均(c)曲線(xiàn)

2.3雷暴月、季變化特征

1961—2013年博羅各月均有雷暴發(fā)生，平均月雷暴日數(shù)在0.1～16.6 d之間，月際之間雷暴日數(shù)相差較大。從圖3月平均雷暴變化曲線(xiàn)可以看出，月變化曲線(xiàn)呈單峰型，峰值出現(xiàn)在8月，10月至次年3月是雷暴較少的半年，僅占全年雷暴日數(shù)的7.98%，4—9月是雷暴多發(fā)的半年，占全年雷暴日數(shù)的92.02%。其中夏季為雷暴高發(fā)期，歷年平均出現(xiàn)46個(gè)雷暴日，占全年雷暴日數(shù)的57.41%，是春、秋、冬累計(jì)平均出現(xiàn)日數(shù)(35 d)的1倍多；春季次之，累計(jì)年平均出現(xiàn)22個(gè)雷暴日；冬季出現(xiàn)雷暴的幾率最小，僅占0.12%，普查博羅冬季53年的雷暴資料發(fā)現(xiàn)，其中有26年冬季是沒(méi)有出現(xiàn)雷暴。可見(jiàn)博羅一年4季中，雷暴活動(dòng)具有明顯的集中性和季節(jié)性分布的特點(diǎn)。

對(duì)比歷年月平均降水量、氣溫變化曲線(xiàn)(圖略)發(fā)現(xiàn)，氣溫與雷暴分布狀況一致，均為單峰型，而降水為雙峰型，最大值均出現(xiàn)在夏季。計(jì)算歷年月平均雷暴與降水量、溫度之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.88，均達(dá)到0.001(r0.001=0.823)的顯著水平，月平均雷暴日數(shù)與降水、氣溫之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，表明水汽條件、熱力條件對(duì)雷暴的形成是非常有利的。

2.4雷暴初、終日特征

初雷、終雷是很重要的氣候指標(biāo)，博羅初雷主要出現(xiàn)在每年的2月份，其次是3月份，分別占了47.2%、39.6%，最早一年是在2000年的1月4日，最晚一年是2011年的4月17日。終雷主要出現(xiàn)在每年的10月份，其次是9月份，分別占到了49.1%、32.1%，其中最早終雷是1966年9月4日，最晚是1992年12月27日。雷暴初、終日之間的日數(shù)稱(chēng)為持續(xù)期，初、終日的變化必然會(huì)造成持續(xù)期發(fā)生變化。博羅1961—2013年雷暴持續(xù)期長(zhǎng)，年際差異變化大，平均為227 d，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間在1992年有325 d，持續(xù)時(shí)間最短的為172 d，發(fā)生在1966年，二者相差了153 d。分析發(fā)現(xiàn)雷暴持續(xù)期的氣候傾向率為-2.578 d/年，說(shuō)明雷暴持續(xù)期有變短的趨勢(shì)。

雷暴初、終日的保證率分析[13-14]是雷暴風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要指標(biāo)，不同保證率的初、終日對(duì)雷暴的預(yù)警預(yù)報(bào)提供了一定的依據(jù)，對(duì)交通運(yùn)輸、旅游等行業(yè)具有重要意義。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算雷暴初、終日保證率：

P=m/(n+1)×100%

式中m為雷暴初(終)日由后(前)向前(后)排列的序號(hào)；n為樣本數(shù)53；P為保證率(%)，其定義為地面受(不受)雷暴危害的可能程度。計(jì)算得到博羅不同保證率的可能初、終日如表1。

表1　博羅雷暴初、終日保證率

由表1可知，53年來(lái)博羅雷暴初日出現(xiàn)較早，80%保證率出現(xiàn)在2月13日，從2月中旬到3月中旬保證率迅速變小，而到4月7日保證率僅為5%，這說(shuō)明博羅雷暴初日大多出現(xiàn)在3月中旬之前。博羅雷暴終日出現(xiàn)較晚，出現(xiàn)在9月上旬的保證率只有5%，95%保證率日期在12月20日，說(shuō)明9月中旬前雷暴結(jié)束的可能性很小，越接近年末，出現(xiàn)終雷的可能性越大。表1中雷暴保證率表明博羅雷暴現(xiàn)象一年中任意時(shí)期都有可能發(fā)生，防雷減災(zāi)工作隨時(shí)都要進(jìn)行。

2.5雷暴周期變化

將博羅雷暴日數(shù)時(shí)間序列分解成若干個(gè)諧波函數(shù)[15]，分析雷暴日數(shù)的周期變化特征。由博羅雷暴日距平前20個(gè)諧波的方差貢獻(xiàn)可知，較為突出的峰值在k=1、5、7的諧波。計(jì)算各諧波的F檢驗(yàn)值可知，95%置信度的閾值是F0.05=3.18。因此這20個(gè)諧波中只有k=1、5兩個(gè)是顯著的，其他的諧波都可能是隨機(jī)噪音。

分析博羅雷暴日數(shù)距平階數(shù)為k=1、5的諧波結(jié)果可知，當(dāng)k=5時(shí)相應(yīng)的周期(n/k)是10年；同理容易算出k=1時(shí)對(duì)應(yīng)的n/k為53，但是由于所選取的時(shí)間序列只有53年，因此不能確定是否有53年的周期變化。圖3給出了k=1、5 兩個(gè)諧波疊加結(jié)果以及觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)距平的時(shí)間序列，2者變化趨勢(shì)有很好的一致性?？梢钥闯霾┝_雷暴日數(shù)在1961—1985年以10年周期為主，并且雷暴日數(shù)均大于歷年平均值；同時(shí)1985—2013年也以10年周期為主，但雷暴日數(shù)均小于歷年平均值。表3用前20個(gè)諧波來(lái)擬合歷年雷暴日數(shù)距平變化，總的累積擬合率超過(guò)了77.86%，其中k=1、5兩個(gè)諧波就占了44.15%，進(jìn)一步突出了k=1、5諧波的作用，擬合效果明顯，能夠代表整個(gè)時(shí)間序列的主要表現(xiàn)特征。

(諧波階數(shù)取1、5，實(shí)線(xiàn)為諧波擬合結(jié)果，虛線(xiàn)為觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)距平)

圖3博羅年雷暴日數(shù)距平的諧波分析

3結(jié)論

1)1951—2013年博羅平均雷暴日數(shù)為81 d，屬于多雷區(qū)，具有顯著的年際和年代際變化。其階段性變化明顯，自20世紀(jì)60年代以來(lái)整體有下降趨勢(shì)，高發(fā)年份主要集中在20世紀(jì)60年代至70年代，其中1970—1975年雷暴日數(shù)連續(xù)6年超過(guò)90 d；雷暴少發(fā)期集中在1979—2013年，在這35年內(nèi)共24年低于平均值。

2)用Yamamoto法和M-K法檢測(cè)出雷暴日數(shù)在1975年發(fā)生轉(zhuǎn)折突變，在1985年發(fā)生均值突變。

3)博羅全年均有雷暴發(fā)生，月分布具有單峰型的特征，具有集中性、季節(jié)性的特點(diǎn)。雷暴日數(shù)主要集中在夏季，春季次之，冬季最少，僅占0.12%，53年中有26年冬季無(wú)雷暴出現(xiàn)，即博羅冬季出現(xiàn)雷暴的幾率非常小。此外多年平均雷暴日數(shù)序列與相應(yīng)的降水、氣溫序列之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。

4)博羅初雷主要出現(xiàn)在2月中下旬，終雷主要在10月中旬。初、終雷日之間持續(xù)期相對(duì)較長(zhǎng)，年際差異變化大，平均為227 d。博羅雷暴80%保證率初雷日都在2月13日左右，終雷日出現(xiàn)較晚，95%保證率終雷日在12月20日。

5)把博羅雷暴日序列分解成若干個(gè)諧波函數(shù)，表明博羅雷暴日數(shù)存在準(zhǔn)10年短周期變化。其中k=1、5諧波的突出作用，擬合效果明顯，能夠代表整個(gè)時(shí)間序列的主要表現(xiàn)特征。

參考文獻(xiàn):

[1]林弈峰，陳紹東，區(qū)水平.廣州市雷暴的基本氣候特征及其對(duì)防雷減災(zāi)工作的指導(dǎo)意義[J].廣東氣象，2002，24(增刊)：22-23.

[2]許小峰.雷電災(zāi)害與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)[J].氣象，2004，30(12)：17-21.

[3]區(qū)志中，等.近20年白云機(jī)場(chǎng)雷暴氣候的統(tǒng)計(jì)特征[J].廣東氣象，2003，25(2)：13-15.

[4]陳妙君，王輝，鄭細(xì)華，等.龍川縣雷暴天氣基本特征和防御對(duì)策[J].廣東氣象，2010，32(2)：46-51.

[5]林雪儀，陳潔雯，龍紅菊，等.恩平市1962—2010年雷暴的氣候特征[J].廣東氣象，2012，34(6)：32-34.

[6]張敏鋒，馮霞.我國(guó)雷暴天氣的氣候特征[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，1998，14(2)：156-182.

[7]毛慧琴，宋麗莉，劉愛(ài)君，等.廣東省雷暴天氣氣候特征分析[J].廣東氣象，2005，27(2)：7-9.

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

[9]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007.

[10]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50057-94)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2000.

[11]朱舒曼，饒生輝，林鐸佳.中山市1956-2010年的雷暴氣候特征[J].廣東氣象，2012,34(6)：38-41.

[12]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.

[13]許迎杰，尹麗云，鄧勇,等.低緯高原雷暴的氣候特征分析[J].高原氣象，2008，27(4)：888-895.

[14]李明華，徐奇功，陳卓禮,等.惠州城區(qū)近50年來(lái)雷暴的氣候統(tǒng)計(jì)特征[J].廣東氣象，2007,29(3)：19-20.

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

收稿日期：2015-09-20

作者簡(jiǎn)介：聶曉婷(1986年生)，女，助理工程師，本科，從事地面氣象觀(guān)測(cè)工作。E-mail：niexiao1874@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：P46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.007

Analysis of the Climatological Characteristics of Thunderstormsin Boluo County in the Past 53 Years

NIEXiao-ting1,LIGuang-lin1,DENGFu-xing2

(1. Meteorological Bureau of Boluo County, Boluo 516100; 2. Meteorological Bureau ofLianzhou City, Lianzhou 513400)

Abstract：With data of thunderstorms in Boluo County from 1961 to 2013 and methods of tendency coefficients, harmonics, Yamamoto method and Mann-Kendall test, we studied the annual, monthly and seasonal variations of the thunderstorms and the dates of annually first and last thunderstorm and duration of thunderstorm seasons. The result is shown as follows. The average number of thunderstorm days for 1961-2013 is 81 d and decreases significantly at a rate of 0.47 d/year. With the Yamamoto method and Mann-Kendall test, the number of thunderstorm days and the mean value were found to have an abrupt change in 1975 and 1985, respectively. In Boluo, thunderstorms can occur all year round with the monthly occurrence in unimodal distribution. They appear mainly in summer but rarely in winter. Annually, the first thunderstorm occurs in February and the last in October. Its duration is relatively long and varies much from year to year. It is known from the harmonics analysis that the number of thunderstorm days shows a short period of quasi-10 years and a long period of quasi-53 years.

Key words：climatology; thunderstorm; climatological characteristics; abrupt change test; Boluo County

聶曉婷， 黎廣林， 鄧福興.近53年博羅縣的雷暴氣候特征分析[J].廣東氣象，2016,38(2)：29-33.