湖州市雷暴活動特征分析

馬金福馮志偉虞 進肖穩安朱奎榮

(1.湖州市氣象局,浙江湖州313000;2.南京信息工程大學,江蘇南京210044)

湖州市雷暴活動特征分析

馬金福1馮志偉1虞 進1肖穩安2朱奎榮1

(1.湖州市氣象局,浙江湖州313000;2.南京信息工程大學,江蘇南京210044)

應用湖州地區4個氣象站多年雷暴觀測資料及浙江省閃電定位系統觀測資料,從區域分布、年際變化、月際變化及日變化等方面對湖州地區雷暴活動進行了詳細的分析。湖州地區年均雷暴日為34.7 d,山區的雷暴日明顯偏多。每年的3—9月是雷暴活躍期,7月最多,1月和12月最少。湖州地區雷暴活動日變化呈現雙峰特點,最高峰出現在14—15時,次高峰出現在21時,7—9時是最低值區。應用趨勢分析法,發現近50 a湖州地區雷暴日數呈現出在波動中減少的趨勢。進一步應用小波分析得出湖州地區的雷暴日數具有8～9 a的震蕩周期。近50 a湖州地區雷暴活動經歷了3個活躍期和2個減弱期,目前正處于第3個活躍期中。湖州地區雷暴活動平均每8.5 a出現1個達到嚴重事件標準的年份,嚴重偏多和嚴重偏少的年份基本相當;每22.4 a出現1個異常年份,主要表現為異常偏多。

雷暴活動;趨勢;周期;異常;特征

0 引 言

湖州市處于浙江省西北部,下轄3縣2區,有4個地面氣象觀測站。作為一個多雷地區,每年都有大量的雷擊災害發生,輕則財產損失,重則人員傷亡,已引起政府和社會的高度關注,防雷減災已成為建設和諧社會和平安社會的重要課題,而掌握雷電活動規律是做好防雷減災工作的前提條件。許多研究表明,各地的雷電活動都有其地方特征。陳渭民在分析我國雷暴地理分布時指出,地勢較高、地形復雜的山區,雷暴日往往高于同緯度地區的數值[1]。朱乾根、林錦瑞等在分析雷暴天氣成因時指出,由于山地迎風坡的抬升作用很大,一般來說,山區的雷暴比平原地區要多[2]。馬明、呂偉濤等分析中國雷電活動特征時指出青藏高原及鄰近地區是雷暴日的次高值區,卻是閃電密度的次低值區,反差較大[3]。徐桂玉等根據我國南方62個氣象觀測站1971—1995年月雷暴日數資料,分析指出我國南方雷暴的年際變化存在著2 a,4 a較短周期和9 a,21 a長周期振蕩[4]。胡艷等分析了上海地區45 a(1960—2004年)的雷暴氣候特征,結果表明,上海地區雷暴發生期主要集中在每年的5—9月;雷暴的季節變化明顯;上海地區的“城市熱島”效應可能會增加城區雷暴的發生頻數;上海地區雷暴日年變化的主周期約為6 a[5]。

因此,為減少雷電活動造成的損失,有必要對湖州市雷電活動的特征進行深入的分析,掌握其活動規律。

1 資料來源

1.1 湖州市地面觀測資料

湖州市本級1956—2008年雷暴地面觀測數據,安吉縣1959—2008年雷暴地面觀測數據,德清縣、長興縣1971—2008年雷暴地面觀測數據。

1.2 閃電定位儀觀測資料

2007—2009年浙江省閃電定位系統觀測資料,包括閃電的位置(經緯度)、閃電時間、閃電強度、閃電極性等。

2 雷暴日數特征分析

2.1 雷暴日數的區域分布

湖州地區年平均雷暴日為34.7 d,各站年平均雷暴日數分別為:湖州市本級34.3 d,安吉縣40.6 d,德清縣31.9 d,長興縣30.5 d。根據國家有關規范規定,湖州、德清及長興3個站屬于多雷區,而安吉站屬于高雷區[6]。若比較相同時期的雷暴日數,從1971—2008年這一時期湖州市本級及安吉縣年平均雷暴日分別為31.1 d和38.9d。比較4個站年均雷暴日數,發現湖州市本級、德清縣及長興縣三地比較接近,而安吉縣的雷暴日數明顯高于其他三地,主要原因是安吉地處湖州市西部山區,地形起伏較大,易形成局地熱對流,而其他三地都處于丘陵與平原的過渡地帶,地形相對較平坦,地形不同造成差異,這與陳渭民[1]、朱乾根等[2]提出的山地雷暴日往往高于同緯度其他地區的研究成果相一致。進一步分析德清(北緯30°32’)、湖州(北緯30°52’)、長興(北緯30°59’)3站1971—2008年同期雷暴日數,發現與三地緯度從低到高相對應,雷暴日數從高到低。

2.2 雷暴日數的年際變化

2.2.1 雷暴日數年際變化概況

湖州地區各縣(區)雷暴日數年際變化圖(圖1)清晰反映了4個站雷暴日數的年際變化(為看得清楚,把4條變化曲線分二部分顯示),從圖1可以看出,湖州市所轄4個縣(區)雷暴日數的變化趨勢基本一致,因此本文選擇積累資料時間較長且雷暴活動最多的安吉站為代表進行分析。

圖1 湖州地區各縣(區)雷暴日數年際變化圖

分析安吉站1959—2008年共50 a雷暴觀測數據,年平均雷暴日數為40.6 d,雷暴日數年際差異非常大,最多年份雷暴日數為71 d,也是湖州地區的極大值,出現在1963年,最少年份雷暴日數為20 d,出現在2000年。從安吉站雷暴日數5 a滑動平均曲線圖(圖2)可見,雷暴日數變化呈現周期性,期間出現3個高值區和2個低值區。1959—1964年、1981—1987年、2003—2008年是3個相對高值區,期間年平均雷暴日數為53.3 d,43.7 d,43.8 d,1966—1980年、1988—2002年是2個相對低值區,期間年平均雷暴日數為37.5 d和35.8 d。從圖2還可以看出,近年來湖州地區正處于雷暴活動活躍期。

圖2 安吉站雷暴日數5 a滑動平均曲線圖

根據世界氣象組織和一些國家的規定,把雷暴日數距平|ΔS|達到2倍標準差(2σ)的事件稱為異常,距平達到1.3σ的稱為嚴重事件[7]。

按照上述標準,湖州地區4個站共出現8站次異常年份,其中湖州市本級3次(1956, 1960,1963年),安吉站2次(1960,1963年),德清站1次(1987年),長興站2次(1978,1987年),平均每22.4 a出現1個異常年份。在這8站次異常年份中有7站次是正距平,也即雷暴日異常多,只有1978年的長興站出現異常少的情況,這說明湖州地區雷暴日異常的主要特點是雷暴日異常多,這為防雷減災提供了依據。湖州地區共出現21站次嚴重事件年份,其中湖州站6次,安吉站4次,德清站7次,長興站4次,平均每8.5 a出現1個達到嚴重事件標準的年份。在這21站次嚴重事件中,其中9次嚴重偏多,12次嚴重偏少,兩者相差不大。

由于湖州地區面積不大,氣候環境基本相同,4個站出現異常或嚴重的年份大都相同,但也有個別年份差異較大,例如1983年和1985年,德清站的距平與標準差之比達到了1.30和1.60,而湖州市本級站分別為-0.22和0.26,這說明雷暴活動具有局地性的氣候特征,具體的氣候成因有待于進一步分析。

2.2.2 雷暴日數年際變化趨勢分析

為了更清楚地了解雷暴日數隨時間變化的趨勢,以安吉站為例,根據下面公式,計算雷暴日數的氣候趨勢系數rxt。

式中:n為年數;Xi為第i年的雷暴日數;ˉX為所統計年內平均雷暴日數,ˉt=(n+1)/2,rxt的正負值表示該要素在計算的年內增(降)的變化趨勢。

經計算,安吉站的rxt值為-0.26,表明近50 a安吉雷暴日數呈下降趨勢。

年雷暴日數的趨勢定量變化可以用一次線性方程表示,即:

Xi=a0+a1t(t=1,2,3…n),式中:a1為氣候傾向率,t為年份序列數。

經計算,安吉站年雷暴日數變化趨勢直線方程為Xi=-0.158t+354.6,如圖3所示。由擬合結果可知近50 a來,平均每10 a安吉站雷暴日數大約減1.58 d。這與張敏鋒等于1998年在研究我國雷暴天氣的氣候特征中指出的,近30 a來我國大部分地區平均雷暴頻數在波動中減少的變化趨勢基本一致[8]。

圖3 安吉站近50 a雷暴日數變化趨勢擬合直線

2.2.3 雷暴日數年際變化周期分析

利用Morlet小波分析方法對安吉站雷暴日數序列進行周期分析,在MAT LAB中編程畫圖,如圖4所示,Morlet小波變化實部表示了雷暴日數變化的時間尺度特征。由圖4可以看到雷暴日變化存在多時間尺度結構,在8～9 a的時間尺度上正負閉合中心比較明顯,表明雷暴日數序列在8～9 a時間尺度下交替振蕩最為顯著,即安吉站雷暴日數的年際變化存在以8～9 a為振蕩周期的特征。

圖4 安吉站1959—2008年雷暴序列的小波系數實部分布圖

2.3 雷暴日數的月際變化分析

分析湖州地區4個測站各月的數據,4個測站變化趨勢是一致的,發現每個月都有雷暴發生,從湖州地區各站月平均雷暴日數占比表(表1)上可以看出,其變化呈現單峰特征,最高值出現在7月份,次高值出現在8月份,兩月之和占總雷暴日數的56.4%。1月和12月為最低,僅記錄有8個站日,占總數的0.11%。10月到次年2月為雷暴的少發期,雷暴日數之和占總數的2.5%。雷暴活動從3月份開始活躍,近80%的年份在3月有雷暴發生,活躍期一直延續到9月份。最早的初雷日出現在1960年1月6日的湖州站,最遲終雷日出現在1965年12月22日的安吉站。

雷暴日數的月際變化特征與天氣系統變化是密切相關的。10月份開始湖州地區受大陸氣團控制,氣溫逐漸降低,對流較弱,層結趨于穩定,不易形成雷暴;3月份以后,南方的暖濕氣流逐漸北抬影響湖州地區,冷暖空氣在本地交匯開始增多,雷暴逐漸活躍,這時以系統過境發生的雷暴為主。7—8月份為盛夏季節,局地熱對流旺盛,是造成雷暴頻發的主要原因。

表1 湖州地區各站月平均雷暴日數占比表 %

3 雷暴活動的日變化

分析2007—2009年閃電頻次日變化曲線(圖5)可以看到,湖州地區的閃電活動出現雙峰特點,且上升和下降的曲線非常陡峭,呈現出快速上升和快速下降的特點。從上午10時開始快速增加,14—15時達到最大,15時以后快速下降,到19時達到一個低點后又呈現上升狀態,到21時達到次高峰,接著快速下降,23時至10時處于低值區,最低出現在7—9時。這個日變化特點與美國衛星觀測(1995—2005年)得到的中國閃電日變化特點基本相一致[3],只是峰值出現時間提前了1 h。但衛星觀測也顯示,華東地區閃電日變化呈現單峰結構[3],而非雙峰結構,這可能與閃電定位系統資料積累時間較短且與衛星觀測時間段不同有關,有待于繼續積累資料作進一步研究。

圖5 2007—2009年湖州地區閃電頻次日變化圖

4 結 語

4.1 湖州地區4個縣(區)屬于多雷區或高雷區,山區雷暴日數多于平原地區。

4.2 湖州地區4個縣(區)雷暴日數的變化趨勢基本一致,呈現出在波動中減少的趨勢。從20世紀50年代末至今,雷暴活動經歷了3個活躍期和2個減弱期,目前正處于第3個活躍期中。

4.3 湖州地區雷暴活動平均每8.5 a出現1個達到嚴重事件標準的年份,嚴重偏多和嚴重偏少的年份相差不多;每22.4 a出現1個的異常年份,主要表現為異常偏多。

4.4 湖州地區雷暴日數的年際變化存在著以8～9 a作為周期振蕩的特征。

4.5 湖州地區雷暴活動月際變化呈現單峰特征,從3月開始活躍,活躍期一直延續到9月,最高值出現在7月份,次高值出現在8月份,1月份和12月份為最低。

4.6 湖州地區雷暴活動的日變化呈現出雙峰特征,最高峰出現在14時,次高峰出現在21時,最低谷出現在7—9時。

[1] 陳渭民.雷電學原理.北京:氣象出版社,2006:220,375.

[2] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理和方法.北京:氣象出版社,2000:425-431.

[3] 馬 明,呂偉濤,張義軍,等.中國雷電活動特征分析.氣象科技,2007,35(增刊):1-7.

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

[5] 胡 艷,端義宏.上海地區雷暴天氣的氣候變化及可能影響因素.中國海洋大學學報,2006,36(4):588-594.

[6] 四川省建設廳.建筑物電子信息系統防雷技術規范.北京:中國建筑工業出版社,2004.

[7] 吳志偉,王鎮江,朱筱英,等.鎮江地區雷暴日的時空分布及雷暴日異常多年的特征分析.氣象科學,2003,23(2): 245-252.

[8] 張敏鋒,馮 霞.我國雷暴天氣的氣候特征.熱帶氣象學報,1998,14(2):156-182.

2010-01-18