楊曉彤舒海燕李 凝

(遼寧省阜新市氣象局,遼寧 阜新 123000)

雷暴是一種伴有雷電現(xiàn)象的局地對流過程[1～2],雷暴天氣常伴有大風(fēng)、暴雨、冰雹等,是突發(fā)性強(qiáng)、破壞大的氣象災(zāi)害之一,尤其是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會帶來嚴(yán)重的損失[3～5]。國家預(yù)警信息發(fā)布中心發(fā)布的《2020年預(yù)警大數(shù)據(jù)報告》顯示,該年共發(fā)布各類預(yù)警信息342 209條,相比往年均值增加了32%。其中,雷電、大風(fēng)、暴雨預(yù)警信息占一半以上。長期以來氣象學(xué)者一直高度關(guān)注雷暴的研究,取得了大量有意義的成果。許多學(xué)者針對雷暴天氣過程的成因和物理量場方面開展了廣泛的分析,提出了各種分析方法,但研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同[6～10]。阜新地處遼寧西北部,地形以低山和丘陵為主,屬于東北遼河平原與內(nèi)蒙古高原的中間過渡地帶,地形復(fù)雜,易產(chǎn)生熱力對流,遇有天氣系統(tǒng),如冷渦、切變、氣旋等均會發(fā)生不穩(wěn)定的強(qiáng)對流天氣,導(dǎo)致雷暴大風(fēng)的天氣較多,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害性比較大。本文結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩項l件與氣候,通過各類數(shù)據(jù)分析計算,尋求普遍規(guī)律,開展雷暴天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響的研究,不斷完善防災(zāi)減災(zāi)措施,積極應(yīng)對雷暴大風(fēng)天氣對農(nóng)作物的危害,對減輕當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)方面的經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

本文應(yīng)用阜新地區(qū)53年多測站的雷電數(shù)據(jù),利用Morlet小波分析、MK突變檢驗、重標(biāo)極差R/S等方法對雷暴形成與特征進(jìn)行探討,獲得當(dāng)?shù)氐睦妆┌l(fā)生規(guī)律,探求其運(yùn)行特征。旨在為該地雷暴等強(qiáng)對流天氣移動路徑的臨近預(yù)報、預(yù)警提供判斷依據(jù),為更好地認(rèn)識當(dāng)?shù)貙纂姲l(fā)生規(guī)律和防御農(nóng)業(yè)災(zāi)害提供重要參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取阜新市兩個國家基準(zhǔn)氣象觀測站1961～2013年的逐日(前一天20:00至當(dāng)日20:00)雷暴日數(shù)和逐日平均2 min風(fēng)速數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于CIMISS氣象內(nèi)部網(wǎng)站,經(jīng)過中國氣象局的嚴(yán)格質(zhì)量控制和檢查。規(guī)定2個測站中有1個或2個測站在該天(前一天20:00至當(dāng)天20:00)發(fā)生雷暴,即視為1個雷暴日;阜新市的平均風(fēng)速規(guī)定為兩個氣象觀測站平均2 min風(fēng)速的平均值。

1.2 研究方法

本文主要采用了滑動平均法、Mann-Kendall突變檢驗以及重標(biāo)極差(R/S)等統(tǒng)計分析方法都是比較常用的方法,不再詳細(xì)說明[11]。

Morlet 小波分析法常用于復(fù)數(shù)信號的分解和時頻分析,其系數(shù)的實部可以表示不同特征時間尺度信號在不同時間的強(qiáng)弱和位相兩方面的信息[12],該圖能反映時間序列中所包含的各種尺度(周期)的波動及其強(qiáng)弱隨尺度變化的特性。其公式如下:

式中:Wf是根據(jù)f(t)計算得出的小波變換系數(shù);ψ為母小波或基本小波;a是頻率參數(shù);b是時間參數(shù),表示波動在時間上的平移。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴日數(shù)的時間變化特征

2.1.1 雷暴的年代際變化

通過53年的雷暴日數(shù)線性趨勢分析,阜新市總體出現(xiàn)的雷暴日數(shù)均呈減少趨勢,見圖1(a),傾向率為-1.72/10年。同時,年代變化也呈減少的趨勢(見表1),與畢伯鈞等研究的雷暴發(fā)生規(guī)律一致[14]。通過Mann-Kendall突變檢驗方法分析,這個趨勢變化主要分為兩個階段,見圖1(b),第一階段從20世紀(jì)60～90年代雷暴日數(shù)較多,從本世紀(jì)開始雷暴較少。趨勢變化的轉(zhuǎn)折時間出現(xiàn)在2006年,可以理解為產(chǎn)生了突變,突變后雷暴日數(shù)明顯減少。

表1 阜新市各年代平均雷暴日數(shù)以及累年平均、累年最多、累年最少日數(shù)Table 1 The average number of thunderstorm days and the annual average, annual maximum and annual minimum days in Fuxin city

圖1 阜新市1961～2013年雷暴日數(shù)變化趨勢(a)及MK突變檢驗曲線(b)Figure 1 Trend of thunderstorm days (a) and MK Mutation Test Curve (b) in Fuxin,1961～2013

阜新市累年平均雷暴日數(shù)為40.0 d,年際雷暴日數(shù)變化大,最多為60 d(1970年),2005年次之,為56 d;最少為25 d,出現(xiàn)在2007年、2010年,2009年 和2013年次之,為26 d。

2.1.2 雷暴的季、月變化

雷暴天氣季、月變化特征顯著(圖2),每年3～11月為雷暴活動期,其中夏季(6～8月)最多,夏季日數(shù)占總?cè)諗?shù)的70.3%(1 741/2 478),秋季(9～11月)次之,占總?cè)諗?shù)的15.1%(375/2 478),春季(3～5月)較少,占總?cè)諗?shù)的14.6%(362/2478),冬季為零。

圖2 阜新市1961～2013年雷暴日數(shù)的月變化Figure 2 Monthly variation of thunderstorm days in Fuxin,1961～2013

夏季雷暴頻繁的原因是太陽直射點(diǎn)北移,促使副熱帶高壓隨之北跳, 引導(dǎo)偏南暖濕氣流向北輸送到達(dá)遼寧。阜新地區(qū)產(chǎn)生雷暴天氣的類型可分為5種:當(dāng)8月份阜新處于副高西北部時就易產(chǎn)生雷暴天氣,大約占雷暴總數(shù)的10%;6月份高空冷渦和6～8月份高空冷槽出現(xiàn)雷暴的頻率也比較高,分別占比為11%和37%;6～8月西北氣流和局地?zé)釋α饕矔a(chǎn)生雷暴,占比為40%和2%。其它季節(jié)由于天氣干冷等原因,不符合雷暴發(fā)生的3要素(水汽、大氣層結(jié)不穩(wěn)定和抬升觸發(fā))等條件,所以雷暴天氣較少[15]。

雷暴天氣主要集中在5～9月份, 6月最多,占總?cè)諗?shù)的26.1%,7月次之,占比為25.1%。3月是有雷暴日的最少月份,占總?cè)諗?shù)的0.2%,11月次之,占比為0.4%。

2.2 雷暴的初、終日及保證率

由圖3和表2可見,雷暴初日基本在3～5月,其中4月最多,占比66%,5月次之;6月最少,占2%,3月次之。雷暴終日基本在8～11月,其中10月最多,占比62%,9月次之;8月最少,占比2%,11月次之。

表2 阜新市雷暴初終日的頻率及保證率Table 2 Frequency and guaranteed rate of thunderstorms in Fuxin city

圖3 阜新市1961～2013年雷暴初、終日變化曲線Figure 3 Initial and end-of-day curves of thunderstorm in Fuxin, 1961～2013

2.3 雷暴的周期性規(guī)律

通過Morlet小波與小波模分析方法,阜新市雷暴日數(shù)有3～5年、9～12年、21～24年和43～47年的周期性波動規(guī)律,其中以21～24年波動最顯著,為主周期。其中,9～12年、21～24年及43～47年的振蕩周期與太陽黑子的周期規(guī)律基本一致,說明其周期極可能是受太陽黑子活動的影響。

2.4 雷暴的未來發(fā)展趨勢

應(yīng)用重標(biāo)極差R/S分析法計算出了阜新市雷暴變化的Hurst指數(shù)為0.44,小于0.5,說明未來雷暴的未來發(fā)展趨勢與歷史序列具有反持續(xù)性,在2013年前為減少趨勢,而未來會逐漸轉(zhuǎn)為增多趨勢。

Hurst指數(shù)能夠表示未來的發(fā)展趨勢,但無法得知持續(xù)多長時間進(jìn)行反轉(zhuǎn)。通過求統(tǒng)計量V可以揭示平均循環(huán)長度,趙嘉陽利用此方法得出平均氣溫和降水的過去趨勢影響未來趨勢的時間長度(平均循環(huán)長度)[16]。由圖4可見,曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折(箭頭所示處)的時間為n=8(8即為平均循環(huán)長度),即8年后阜蒙縣雷暴日數(shù)將完全失去對初始數(shù)據(jù)的依賴,趨勢進(jìn)行反轉(zhuǎn)。

圖4 阜新市53年雷暴日數(shù)持續(xù)指數(shù)的V-ln(n) 曲線Figure 4 V-ln(n) curve of duration index of thunderstorm days 53 Years in Fuxin City

2.5 雷暴的相關(guān)因子

從圖5可見,阜新市雷暴活動規(guī)律與風(fēng)速的相關(guān)性很明顯,總體呈負(fù)相關(guān),特別是80年代開始到2013年更加明顯,其相關(guān)系數(shù)為-0.5988。

圖5 阜新市53年雷暴與平均2 min風(fēng)速的5日滑動平均圖Figure 5 5-day moving average of thunderstorm and mean 2-minute wind speed in 53 Years of Fuxin City

3 雷暴天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的災(zāi)害

雷暴天氣常伴隨著大風(fēng)、暴雨、冰雹等氣象災(zāi)害。首先是雷暴天氣帶來的風(fēng)災(zāi),阜新春季雷暴出現(xiàn)次數(shù)較少,但是發(fā)生時帶來的災(zāi)害影響比較嚴(yán)重,地表土易被刮走,使土壤及墑情下降,對已播種的沙質(zhì)地塊,會造成風(fēng)剝沙壓、缺苗、斷條的災(zāi)害,對蔬菜大棚和地膜也有較大的破壞作用。

夏季雷雨、大風(fēng)、冰雹往往同時到來,雖然出現(xiàn)的次數(shù)少,但危害很大,往往造成局地風(fēng)災(zāi),使農(nóng)作物倒伏,毀壞房屋和林木。如1989年8月11日,阜蒙、彰武兩縣北部塔營子、豐田等六個鄉(xiāng)受雷暴、強(qiáng)風(fēng)襲擊,受災(zāi)面積3 806 hm2,其中,絕收596 hm2,刮斷樹木13 693棵,果樹1 500棵,損失果實2.58萬kg。秋季成熟的高粱、谷子、大豆、玉米,受雷暴大風(fēng)影響導(dǎo)致倒伏、折斷,或者搖動互相摩擦,落粒、裂莢造成減產(chǎn),同時也給收割帶來困難。

其次是雷暴天氣帶來的暴雨災(zāi)害,導(dǎo)致水分過多,使土壤水分飽和,田間積水不能及時排除,會造成澇災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計(1961～2013年)阜新地區(qū)雷暴共出現(xiàn)2 478次,平均每年46.7次,暴雨(1961～2013年)共計120次,平均每年2.8次,而30%左右的暴雨天氣是伴有雷暴大風(fēng)天氣。

最后是雷暴天氣伴隨出現(xiàn)的冰雹災(zāi)害,阜新地區(qū)每年都有由雷暴天氣而伴隨出現(xiàn)的冰雹災(zāi)害,阜蒙縣較重,一般性在4～9月,而95.5%集中在5～9月,尤以6～7月最多,占55%,而且多發(fā)生在午后14:00～17:00。其中1980年冰雹災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)最多(6次),都是由強(qiáng)對流天氣引發(fā)的,同時還有雷暴大風(fēng)天氣現(xiàn)象。這6次雹災(zāi)當(dāng)中,有兩次是連續(xù)兩天出現(xiàn)的,災(zāi)害嚴(yán)重,是比較少見的。1980年7月9日下午1:00化石戈公社突降冰雹超過20 min,大如雞蛋,小如衛(wèi)生球,有48個生產(chǎn)隊受災(zāi),面積達(dá)1 667 hm2。1980年7月10日下午又降冰雹雨,有大巴、招束溝、老河土、大板、紫都臺、務(wù)歡池、十家子、蒼土等8個公社受災(zāi)。受災(zāi)作物面積有7 560余hm2,同時程度不同被打傷的社員有167人,打死雞鴨585只,刮斷樹木100多棵。

4 結(jié)論

4.1 阜新市年際雷暴日數(shù)變化大,總體出現(xiàn)的雷暴日數(shù)均呈減少趨勢,傾向率為-1.72/10年。同時,年代變化也呈減少的趨勢,從20世紀(jì)60～90年代雷暴日數(shù)較多,從本世紀(jì)開始則雷暴較少。趨勢變化的轉(zhuǎn)折時間出現(xiàn)在2006年,可以理解為產(chǎn)生了突變,突變后雷暴日數(shù)明顯減少。阜新市累年平均雷暴日數(shù)為40.0 d,年際雷暴日數(shù)變化大,最多為60 d(1970年),最少為25 d(2007年和2010年)。

4.2 雷暴天氣季、月變化特征顯著,每年3～11月為雷暴活動期,其中夏季最多,占比70.3%,春秋季次之。夏季雷暴頻繁的原因是太陽直射點(diǎn)北移,促使副熱帶高壓隨之北跳, 引導(dǎo)偏南暖濕氣流向北輸送到達(dá)遼寧。阜新地區(qū)產(chǎn)生雷暴天氣的類型可分為5種:副高西北部、高空冷渦、高空冷槽、西北氣流和局地?zé)釋α?其中西北氣流型占比最高約40%。雷暴天氣主要集中在5～9 月份, 6月最多,占比26.1%,7月次之,占比25.1%。

4.3 雷暴初日基本在3～5月,其中4月最多,6月最少。雷暴終日基本在9～11月,其中10月最多,8月最少。

4.4 阜新市雷暴有3～5年、9～12年、21～24年和43～47年的周期性波動規(guī)律,其中以21～24年波動最顯著,為主周期。其中,9～12年和21～24年周期與太陽黑子的周期規(guī)律基本一致,說明其周期極可能是受太陽黑子活動的影響。

4.5 阜新市未來雷暴日數(shù)的趨勢與歷史序列具有反持續(xù)性,在2013年前為減少趨勢,6年后雷暴趨勢將發(fā)生反轉(zhuǎn)。

4.6 阜新市雷暴活動規(guī)律與風(fēng)速的相關(guān)性很明顯,總體呈負(fù)相關(guān),特別是80年代開始到2013年更加明顯,其相關(guān)系數(shù)為-0.5988。

4.7 雷暴天氣常伴隨著大風(fēng)、暴雨、冰雹等氣象災(zāi)害。風(fēng)災(zāi)對土壤、蔬菜大棚以及農(nóng)作物有較大的破壞作用;暴雨災(zāi)害導(dǎo)致水分過多,使土壤水分飽和,田間積水不能及時排除,會造成澇災(zāi);阜新地區(qū)每年都有由雷暴天氣而伴隨出現(xiàn)的冰雹災(zāi)害,多發(fā)生在4～9月,而95.5%集中在5～9月,尤以6～7月最多,占55%,而且多發(fā)生在午后14:00～17:00,其中最為嚴(yán)重的是1980年,有6次雹災(zāi),給農(nóng)作物造成嚴(yán)重的災(zāi)害,給農(nóng)民帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。