天水市雷暴氣候特征分析

強玉柱，劉 揚

(甘肅省天水市氣象局，甘肅天水741000)

雷暴是在積雨云中發生的放電、雷鳴現象，主要產生在夏季局地強對流的中小尺度天氣系統中，常伴有暴雨、大風、冰雹、龍卷等天氣現象，是一種局部災害性天氣。由于雷暴出現放電現象，經常造成人員傷亡、毀壞建筑物、引起森林火災、干擾輸電和通訊，給人類和社會造成嚴重的危害和損失，因而被人們所關注［1］。近年來，有很多關于雷暴特征的研究［2-6］。如鞏崇水等使用EOF分解和主值函數分析方法對我國雷暴日的時空分布等特征進行分析，并得出年平均雷暴日的地理分布可大致分為4個區域［2］;張敏鋒等對我國近30年的雷暴氣候特征進行分析并指出大部分地區雷暴頻數在波動中減少［6］;高婧等通過小波分析、EOF分析、Mann-kendall突變檢驗等方法分別對新疆伊犁［7］、重慶市［8］、上海地區［9］雷暴的氣候變化特征進行了分析。但針對天水地區的雷暴氣候變化特征方面的研究很少。筆者利用天水市7個觀測站1971～2010年雷暴日資料，采用數理統計、突變檢驗、小波分析和EOF分析等方法，對近40年天水市雷暴的氣候特征進行分析。

1 資料與方法

1.1 研究區概況 天水市位于甘肅省東南部地處陜、甘、川三省交界，地跨 34°05＇～35°10＇N、104°35＇～106°44＇E，面積1.43萬km2。天水屬于暖溫帶半濕潤、半干旱氣候過渡帶，以溫和半濕潤區為主，四季分明。天水地勢總體上東南低、西北高，海拔高程748.5～3 120.0 m，受西風帶和青藏高原季風控制以及西太平洋副熱帶高壓交替影響，下界面復雜，局地性氣候特征明顯，常有中小尺度天氣活動。天水市的雷暴主要集中在4～10月，夏季最強，春季次之，冬季幾乎沒有雷暴發生［10］。在此，筆者利用天水市近40年的雷暴日資料，通過數理統計、突變檢驗、小波分析和經驗正交函數分解(EOF)等方法進行分析，揭示天水市雷暴天氣氣候的統計特征、時空變化趨勢和規律，為政府防災減災提供氣候背景，也為研究雷暴與大氣環流的關系提供科學依據。

1.2 資料選取和研究方法 選取1971～2010年天水市秦州、麥積、清水、張家川、秦安、甘谷、武山7個測站的雷暴資料，對雷暴日求取年代、月平均值，采用一元線性回歸，分析近40年天水市雷暴的時間尺度變化特征;采用Mann-Kendall突變檢驗方法［11］，對天水市年雷暴日數進行突變點檢驗;采用Morlet小波分析方法［12］，分析雷暴日的周期變化;為了解天水市雷暴的主要空間分布類型，采用EOF分析(經驗正交函數分解)來研究天水7個站點雷暴時空分布特征，經驗正交函數分解可以針對氣象要素來進行，其基本原理是對包含n個空間點(變量)的場隨時間變化進行分解［12-13］。在分析天水市雷暴日的年、季、月變化特征時，根據天水市氣候特征和地形將其分為渭北、關山、河谷3個區域［14］(表1)，渭北選取甘谷為代表站，關山選取張家川，河谷選取秦州。

表1 天水市區域劃分

2 結果與分析

2.1 雷暴時間變化特征

2.1.1 年際變化。由圖1可見，近40年天水市7個站的雷暴日數是770 d，年平均19.2 d，雷暴出現最多的年份為1973和1985年，為29 d;最少的年份為2009年，僅為5 d，雷暴日數年變化波動較大、差異顯著。近40年天水市雷暴日數總體呈下降趨勢，其氣候傾向率為-1.152 d/10a。

圖1 1971～2010年天水市雷暴日數年變化

從天水市7個站點的雷暴日數距平年際序列和變化趨勢(圖2)分析可知，天水市7個站雷暴日數平均值年際變化幅度大，且年際趨勢變化階段性明顯，呈現出一定的波動性，在整個波動中呈減少趨勢。從10年雷暴距平平均值的分析中得出，20世紀70、80、90年代和21世紀以來各年代平均雷暴日數分別為-0.3、2.5、1.3和-3.3 d，可見天水市雷暴年代變化呈下降趨勢;70年代是天水的少雷暴時期，為負距平;在80年代雷暴日數最多，其次是在90年代，均為正距平;進入21世紀后，雷暴日數減少趨勢明顯，為負距平。

圖2 1971～2010年天水市雷暴日數距平年際序列及變化趨勢

2.1.2 突變檢驗。由圖3可見，1971～2010年天水市年雷暴日數在20世紀70年代～1983年正序特征曲線UF呈多波動性上升過程，從1983年開始到90年代中期上升幅度較大，1995年至今開始明顯減少，且在2008年前后UF與UB出現交點，說明在2008年前后發生了減少性突變，突變后年平均與突變前相比減少了10.4 d。

2.1.3 月、季變化。由近40年天水市各區域月平均雷暴日數變化趨勢(圖4)可知，天水市雷暴出現在4～10月，4～8月隨時間遞增，7～8月達到峰值，9～10月逐月減少;天水市3個代表區域與全市的變化趨勢一致，其中關山區雷暴日數最多，其次是渭北區，河谷區最少。從表2可以看出，天水雷暴日數的季節變化非常明顯，主要集中在6～9月，占全年的77.3%，其中7、8月雷暴日數最多，分別為22.4%、22.6%;其次是9月，為17.6%;夏季雷暴日數明顯最多，其次是春秋季，冬季無雷暴。

圖3 1971～2010年天水年雷暴日數M-K檢驗

表2 1971～2010年天水各月雷暴日數所占比例

圖4 1971～2010年天水市月平均雷暴日數變化

2.2 小波分析 由圖5可見，1971～2010年天水市年雷暴日變化存在多時間尺度結構。在整個時間域上具有22年的大周期振蕩和6年的小周期振蕩;在年際變化尺度上還存在3年小尺度的短周期振蕩，該尺度周期在20世紀70年代～80年代初期和90年代至今較為明顯。此外，在1983年至今還具有12年的周期振蕩。因此，天水市近40年雷暴日變化并沒有一個固定周期，而是大、中、小多種周期尺度相互嵌套。年雷暴日距平序列Morlet小波變換實部等值線(圖5)顯示，近40年天水市年雷暴日在不同時間尺度下周期變化的情況，多雷暴年出現在20世紀80年代和2001～2007年，少雷暴年出現在70年代和90年代中后期。

2.3 雷暴空間分布特征 從天水市雷暴空間分布(圖6)可知，關山區年均雷暴日數最多，渭北區次之，河谷區最少。天水市34.6°N 以北、106.2°E以東地方雷暴日為19～25 d，34.6°N 以北、105.8°E 以西為17 ～21 d，34.6°N 以南為 13 ～17 d?？梢姷匦畏植嫉牟町愂菍е吕妆┛臻g分布差異的主要原因。

圖5 1971～2010年天水市年雷暴日數小波分析

圖6 1971～2010年天水市年均雷暴日數空間分布

2.4 EOF分析 對天水市7個站點年均雷暴日進行EOF分解，得出前4個特征向量場的方差貢獻和累計方差貢獻(表3)。由表3可見，天水市雷暴日的收斂性很快，第1主成分的方差貢獻占總體方差的72.37%，前2個主成分累計貢獻達82.78%，第3個以后所占的貢獻很小，表明研究前2個主成分及其特征向量就能夠較好地表示天水市雷暴變化及其空間分布的基本特征。

表3 1971～2010年天水市雷暴日數EOF分析前4個特征向量場的方差貢獻

從天水市年平均雷暴日經EOF分解的前2個特征向量場分布(圖7)可以看出，第1特征向量場全部為正，稱為全市一致型，反映了天水市雷暴日空間分布的主要特點，表示如果雷暴出現異常，天水的變化趨勢是一致的。整體看來，全市第1特征向量場值大小差異很小，說明雷暴分布在全市變化較小。第2特征向量場的特征是天水東北、東南為正值，而中部和西部為負值，表示天水東北部、東南部和西部、中部的雷暴空間分布在呈反相關，稱為經向型。

圖7 1971～2010年天水市雷暴日經EOF分解后第1(a)和第2(a)空間向量場

3 結論

(1)天水市年平均雷暴日數為19.2 d，近40年天水市雷暴日數總體呈下降趨勢，通過Mann-Kendall檢驗發現在2008年前后天水市年均雷暴日發生了突變，突變后年平均與突變前相比減少了10.4 d。雷暴主要發生在春夏季，冬季幾乎無雷暴，7、8月雷暴日最多。

(2)小波分析結果表明天水市雷暴日具有3和6年短周期、12年中周期和22年長周期的變化特征，雷暴日年際變化較大，1971～2010年雷暴日數呈波動減少趨勢，且具有明顯的階段性。

(3)天水年平均雷暴日數空間分布不均勻，總體呈現關山區最多、渭北區次之、河谷區最少的特征。根據EOF分析表明，天水雷暴異?？臻g分布類型主要是全市一致型和經向型。地形分布的差異是雷暴空間分布差異的主要原因。

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