近33年來烏魯木齊地區雷暴時空變化特征及趨勢預測分析

趙德龍　曹興　萬瑜

摘要利用1981—2013年新疆烏魯木齊地區逐月雷暴日數資料，采用線性趨勢擬合、Mann-Kendall突變檢驗、R/S趨勢分析以及克里金空間插值等方法，探討烏魯木齊地區復雜地形下的雷暴日數的時空分布規律及未來變化趨勢。結果表明，近33年來烏魯木齊地區雷暴空間分布總體表現為山區多于平原、南部多北部少的特征，南部山區為雷暴多發中心，城區、北部平原區及達坂城谷地為低值區域；烏魯木齊地區雷暴日數呈波動下降趨勢，氣候傾向率為-1.67 d/10 a；山區下降最為顯著，其次為平原區，城區表現為不顯著的下降過程；雷暴主要集中在5—8月，7月雷暴頻率最高，10月—次年3月基本無雷暴發生。突變檢驗分析表明，近33年來各區均未出現顯著性下降的突變過程，卻存在明顯的Hurst現象，未來變化趨勢存在較強的持續性，即仍將維持下降的態勢，城區的持續性強度不大。

關鍵詞雷暴；時空變化；突變；趨勢預測

中圖分類號P446文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）20-0165-04

AbstractUsing the monthly thunderstorms data in Urumqi during 1981-2013， the linear trend fitting， MannKendall mutation test， R/S trend analysis and Kriging space interpolation were used to explore the temporal and spatial distribution law and future trends of thunderstorms days in complex terrain of Urumqi.The results showed that the spatial distribution of thunderstorms in Urumqi was characterized by the mountainous area more than plain and south more than north.The southern mountainous area was a thunderstorm multicenter，the urban area， northern plain and Dabancheng valley were lowvalue areas.The thunderstorm days in Urumqi region showed a trend of falling volatility and climate tendency rate was -1.67 d/10 a.The mountain area was the most significant decline， followed by the plain area，and the decline process performance was not significant in urban area.Thunderstorms were mainly concentrated from May to August， the frequency of thunderstorms was highest in July， almost no thunderstorms occurred from October to next March.Mutation test analysis showed that the district had not been significant decline mutation process in the past 33 years， but there was an obvious phenomenon of Hurst， future trends exist strong sustainability， which will remain down trend， urban sustainability strength is not big.

Key wordsThunderstorm； Temporal and spatial variation； Mutation； Trend prediction

雷暴是我國夏季常見的重大災害性天氣之一，常與突發性暴雨、冰雹和雷雨大風等劇烈天氣現象相聯系，給國民經濟建設和人民生命財產帶來重大的損失。鑒于雷暴的危害性，許多學者對雷暴活動的氣候統計特征展開了廣泛而深入的研究，并取得了一定的成果[1-6]。張敏鋒等[4]統計分析了我國104個臺站30年雷暴資料，得出我國大部分地區雷暴頻數在波動中呈減少的趨勢；李照榮等[7]研究指出，西北地區雷暴總的特征是高原和山區雷暴多，河谷、盆地和沙漠雷暴少。

雷暴產生于中尺度對流天氣系統，局地和時效特征明顯，其時空分布與區域氣候條件、地形和下墊面性質等因素相關[5]。烏魯木齊市地處歐亞大陸腹地，地形復雜，區域小氣候差異大，相比我國東部地區，總體雷暴發生頻數少，但受地形等因素影響，夏季雷暴天氣常常發生。在氣候變暖的大背景下，極端天氣事件頻發。筆者利用1981—2013年新疆烏魯木齊地區逐月雷暴日數資料，采用線性趨勢擬合、Mann-Kendall突變檢驗、R/S趨勢分析以及克里金空間插值等方法，深入分析烏魯木齊小區域氣候背景下的各區雷暴時空特征及未來變化趨勢，為做好精細化防雷減災工作提供依據。

1資料與方法

1.1資料來源選取1981—2013年烏魯木齊地區6個氣象觀測站的逐月雷暴觀測資料，研究區地理環境特征及觀測站點位置見圖1。

依據《地面氣象觀測規范》，20∶00—次日20∶00出現雷暴，記為一個雷暴日（一天內出現多次雷暴也記一個雷暴日）；選擇小渠子、天山區、蔡家湖分別作為山區、城區、平原區代表站，3站平均值作為烏魯木齊區域平均值。

1.2分析方法空間分布上采用克里金插值法；時間序列上，采用線性擬合、Mann-Kendall突變檢驗、R/S趨勢分析等方法[8]，為檢驗氣候要素轉折是否達到突變的標準，對各轉折年份突變點進行信噪比S/N檢驗，公式如下：

S/N=xa-xbSa+Sb

式中，xa、xb、Sa、Sb分別為轉折年份前后2段要素的平均值和標準差，規定S/N>1時，則可以認為這個年份存在要素的突變，否則不存在突變。

2結果與分析

2.1雷暴日數的空間分布特征

由圖2可知，近33年烏魯木齊地區年平均雷暴日數為6.0～21.3 d，由于受地形、海拔等因素的影響，雷暴日數空間分布區域差異顯著，總體表現為山區多于平原、南部多北部少的特征。雷暴日數的高值中心位于南部山區，隨著海拔的下降，雷暴日數呈大幅度減少的趨勢，城區、平原區及達坂城谷地為相對的低值區域，其中山區年平均雷暴日數為25.9 d，城區、平原區、達坂城谷地分別為4.9、7.2、5.2 d，均遠遠低于南部山區。結合中華人民共和國國家標準（GB50343—2012）雷暴日等級劃分，烏魯木齊地區無強雷區和多雷區，山區屬于中雷區，城區、平原區、達坂城谷地屬于少雷區。

為進一步分析雷暴日數和海拔的關系，建立平均雷暴日數（y）和海拔（x）的線性方程為：y=0.018x-5.4（R2=0.84），即海拔增高100 m，平均雷暴日數增加0.18 d，雷暴日數與海拔存在顯著的相關性，相關系數達0.92。由此可見，烏魯木齊地區雷暴日數的空間分布特征與地形關系密切。有研究認為[9]，山區水汽相對充沛，山地抬升作用可導致上升氣流加速，熱力效應可使底層大氣中產生氣旋性輻合，水汽和熱量集中時易產生不穩定的層結，利于對流云的形成和發展。

2.2雷暴日數的時間分布特征

2.2.1年際變化特征。

由圖3可知，烏魯木齊地區平均雷暴日數為12.7 d，年際變化范圍為6.0～21.3 d；雷暴日數的年際變化特征總體呈波動下降趨勢，其氣候傾向率為-1.67 d/10 a（P<0.05）。相關研究表明，在時間序列上，雷暴日數的變化與影響新疆的低值系統和伊朗副高的強弱具有密切的關系，夏半年北半球極渦強度的減弱，影響新疆低值系統的強度以及頻率亦有所減弱（少），伊朗副高較為活躍，強度增強，在一定程度上抑制了影響新疆低值系統的活動，是造成雷暴日數呈下降趨勢的主要原因[10]。

進一步分析表明，1981—2013年烏魯木齊地區雷暴日數以20世紀80年代增多，為15.6 d，總體呈正距平狀態；20世紀90年代，負距平年份逐步增多，年代平均雷暴日數下降至12.3 d；2001—2010年，雷暴日數下降幅度增大，負距平越明顯，下降趨勢進一步加快，年代均值達到最低值，較20世紀80年代下降了近一半。總體而言，1995—2010年雷暴日數呈負距平狀態，為雷暴相對少發時期。

由表1可知，近33年來烏魯木齊各區雷暴日數均呈波動下降過程，山區下降最為顯著，傾向率為-3.23 d/10 a；平原區次之，傾向率為-1.54 d/10 a；城區最小，傾向率為-0.25 d/10 a，呈不顯著的下降過程。標準差分析表明，山區的標準差遠大于城區和平原區，說明在時間序列上，山區雷暴日數年際變化明顯，過程不穩定，城區雷暴日數呈低水平的波動下降過程。進一步相關性分析得出，山區、城區、平原區的雷暴日數與烏魯木齊地區呈極顯著的相關性，相關系數分別為0.947、0.803、 0.808（P<0.01），表明山區對烏魯木齊地區雷暴日數減少貢獻率最高。

為深入分析烏魯木齊地區異常雷暴事件，引入氣候異常事件和嚴重事件的判斷標準。將雷暴日數距平達到2倍標準差的事件劃為異常事件。結果表明，近33年烏魯木齊各區未出現雷暴異常偏少年份；山區、城區、平原區均出現異常偏多年，分別為1984、2012、1995年，其中山區1984年出現近33年來最大值（41.0 d），遠超平均日數。從大的尺度可知，20世紀80年代烏魯木齊地區雷暴活動比較頻繁，90年代和2001—2010年雷暴活動相對減少，但2011—2013年又進入相對頻繁期，這可能與近年來極端災害性天氣頻發有關。

2.2.2月際變化特征。

由圖4可知，近33年來烏魯木齊地區月平均雷暴日數呈單峰型，從4月開始，雷暴發生頻數開始增多，在6—7月達到年內雷暴發生高峰時期，8月開始回

落，10月—次年3月進入雷暴少發期。雷暴日數主要活動期出現在4—10月，其中5—8月最為集中，占年雷暴總日數的95.0%，7月雷暴出現頻率最高，占總數的33.9%，6月次之，占總數的30.4%。夏季雷暴日數占全年的82.6%，春季雷暴日數占全年的14.2%，秋季雷暴出現最少，僅占全年的3.2%。進一步對山區、城區、平原區的雷暴日數月際特征分析得出，各區月際分布表現為較強的趨同性，均呈明顯的單峰型，其中雷暴日數較多月份依次為7、6、8月，其他月份幾乎無雷暴發生。分析認為，造成烏魯木齊地區雷暴日數月際分布差異的主要原因是：4月隨著大氣環流的調整，氣溫回升，熱力不穩定條件逐漸增強，對流性天氣增多，雷暴發生的次數逐月增加，至7月空氣中水汽含量最充足，雷暴現象最多，8月以后，隨著氣溫回落，熱力不穩定條件減弱，雷暴發生次數開始減少。由于冬季干冷，大氣層結穩定，不具備雷暴發生的條件。

2.2.3突變特征。Mann-Kendall非參數統計檢驗法結果表明，近33年烏魯木齊地區雷暴日數UF曲線總體呈先升后降的趨勢，20世紀80年代前期雷暴日數表現為波動上升的過程；在1986年，UF曲線由正轉負，減少態勢開始突顯，雷暴日數也由增加趨勢轉為減少趨勢，并在1990年前后與UB曲線出現交點，突變點位于顯著性區域內，經信噪比檢驗S/N=0.56，突變點未通過顯著性檢驗，且1990年前后兩段時間序列的雷暴日數均值變幅僅為4.3 d，說明烏魯木齊地區雷暴日數未出現明顯減少的突變趨勢。在2001年后 UF曲線超過臨界值，雷暴日數減少趨勢顯著增強，但在2011—2013年雷暴日數減少趨勢變緩。

進一步對山區、城區、平原區雷暴日數的突變分析表明，城區在時間序列上UF曲線與UB未出現交點，僅在1984年雷暴日數表現為由上升轉為下降的過程；山區和平原區在臨界范圍內UF曲線與UB均出現交點，分別為1991年（S/N=0.54）、1986年（S/N=0.33），均未通過信噪比檢驗，說明近33年來烏魯木齊各區雷暴日數總體表現為波動下降趨勢，但均未出現顯著下降的突變特征。

2.2.4變化趨勢。

根據R/S分析計算得出的Hurst指數值可知，近33年烏魯木齊地區雷暴日數的Hurst指數值達0.89，持續性達到很強的標準，表明雷暴日數未來還將維持過去的變化趨勢，亦即維持過去雷暴日數下降的變化趨勢，且持續性強度大。進一步分析表明，烏魯木齊各區雷暴日數未來變化趨勢存在明顯的Hurst現象，Hurst指數值表現為平原區>山區>城區。其中平原區Hurst指數值達到0.90，趨勢持續性最強，其次為山區，而城區Hurst指數值僅為0.67，表明未來趨勢仍將維持下降趨勢，但下降趨勢的持續性遠弱于其他區域，結合近33年來城區雷暴日數表現為不顯著的下降趨勢，可推斷未來城區雷暴日數的變化趨勢維持下降的持續性強度不高，一定程度上保持相對穩定狀態。

3結論

（1）近33年烏魯木齊地區雷暴空間分布總體表現為山區多于平原、南部多北部少的特征，南部山區為雷暴日數高值區，城區、北部平原區及達坂城谷地為相對低值區域。海拔與雷暴日數存在顯著的相關性，地形是影響空間分布差異的重要因素。

（2）近33年烏魯木齊地區雷暴日數總體呈波動的下降趨勢，氣候傾向率為-1.67 d/10 a。其中山區下降趨勢最為顯著，其次為平原區，城區表現為不顯著的下降過程。總體而言，20世紀80年代烏魯木齊地區雷暴活動頻繁，1995—2010年為雷暴相對少發時期。

（3）近33年烏魯木齊地區月平均雷暴日數呈單峰型，

5—8月最為集中，其中7月雷暴出現頻率最高。夏季占全年

雷暴日數的82.6%，春季次之，秋季雷暴出現最少。山區、城區、平原區雷暴日數月際分布表現為較強的趨同性，均呈明顯的單峰型。

（4）突變檢驗分析表明，近33年烏魯木齊地區雷暴日數總體表現為波動下降趨勢，但均未出現顯著下降的突變特征。R/S趨勢分析結果得出，烏魯木齊各區雷暴日數未來變化趨勢存在較強的持續性，即雷暴日數未來仍將維持下降趨勢，但城區維持下降趨勢的持續性強度不大。

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