周永水,謝 波,嚴(yán)小冬

(1.貴州省氣象臺(tái),貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)氣象局,貴州 貴陽(yáng) 550025;3.貴州省氣候中心,貴州 貴陽(yáng) 550002)

貴州省雷暴氣候特征分析

周永水1,謝 波2,嚴(yán)小冬3

(1.貴州省氣象臺(tái),貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)氣象局,貴州 貴陽(yáng) 550025;3.貴州省氣候中心,貴州 貴陽(yáng) 550002)

利用貴州 84個(gè)測(cè)站 1961—2007年雷暴觀測(cè)資料,通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、EOF分析、一元線性回歸擬合,研究了貴州雷暴的氣候變化特征。結(jié)果表明:貴州年雷暴日數(shù)較多,年際變化較大,季節(jié)變化也極為顯著,從冬季到夏季,雷暴發(fā)生日數(shù)逐漸增多,從夏季到冬季,雷暴逐漸減少。貴州雷暴空間分布在冬季主要為南北走向,在其余季節(jié)為東西走向,在中部一線和南部常年存在幾個(gè)低值中心,年雷暴日數(shù)均在 20d/a以下。春季和夏季,春季和秋季,秋季和冬季的雷暴日數(shù)具有較高的正相關(guān)關(guān)系。從小波分析的結(jié)果看,4個(gè)季節(jié)的年雷暴日數(shù)均存在周期振蕩,不同季節(jié)的振蕩周期存在一定的差異。對(duì)貴州省 47a中 4個(gè)季節(jié)雷暴日數(shù)進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn):貴州雷暴有逐漸減少趨勢(shì)。

雷暴;空間分布;氣候變化

1 引言

雷暴是積雨云內(nèi)云與云間或云與地間因產(chǎn)生一定的電位差,發(fā)生放電并伴有雷聲的天氣現(xiàn)象,是一種局部的但很猛烈的災(zāi)害天氣,常伴有暴雨、大風(fēng)、冰雹,甚至龍卷風(fēng)等惡劣天氣,常造成人畜雷擊死亡、毀壞建筑物、釀成森林火災(zāi),或者毀壞電力、電信設(shè)施,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅和損失。為此研究雷暴天氣有著十分重要的意義。

目前我國(guó)對(duì)雷暴氣候的研究較多,如盛承禹[1]對(duì)我國(guó)雷暴的地理分布、季節(jié)變化及年際變化等作了分析概括;張敏鋒[2]等的研究指出,近 30a來(lái)我國(guó)大部分地區(qū)平均雷暴頻數(shù)在波動(dòng)中減少,減少最多的地區(qū)為我國(guó)東南沿海地區(qū);徐桂玉[3]等對(duì)我國(guó)南方雷暴的氣候特征的研究結(jié)果表明:我國(guó)南方雷暴自 20世紀(jì) 70年代初至 90年代中期年變化的總趨勢(shì)是逐漸減少的,且我國(guó)南方雷暴的季節(jié)變化顯著。

其它省份對(duì)于本地的雷暴氣候特征也有很多研究[4,5,6],都得出了有益的結(jié)果。主毅[7]等研究了貴州西部的雷暴時(shí)空分布特征,但是對(duì)貴州全省的長(zhǎng)時(shí)間序列的雷暴特征研究還比較少,本文利用貴州省 1961—2007年長(zhǎng)時(shí)間序列的雷暴觀測(cè)資料,通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、EOF[8]分析和一元線性回歸等方法,著重分析了貴州省雷暴的空間分布特征以及在不同季節(jié)的變化和年際變化。

2 資料和方法

本文采用貴州 84個(gè)觀測(cè)站 1961—2007年的雷暴日數(shù),對(duì)于數(shù)據(jù)中的缺省值,在處理時(shí)首先采用多年平均進(jìn)行 EOF分解,利用特征值累計(jì)方差達(dá)到85%的主分量對(duì)原始場(chǎng)進(jìn)行還原后再對(duì)缺省值插值。

3 結(jié)果分析

3.1總體空間分布特征

圖 1為 1971—2007年 35a貴州年平均雷暴日分布圖。由圖 1可見(jiàn),貴州雷暴空間分布很不均勻,具體表現(xiàn)為中部少、東西部高、而西部又比東部平均雷暴日多的趨勢(shì)。在省的中部一線和南部有 5個(gè)雷暴低值中心,年平均雷暴日數(shù)均在 20d以下,其中普定測(cè)站 4.8d/a為全省最小。除去這 5個(gè)低值中心,貴州其他地區(qū)的年平均雷暴日均在 39d以上,雷暴高值區(qū)主要位于西部地區(qū),中東部地區(qū)年平均雷暴日數(shù)差別不大,西部地區(qū)年平均雷暴日是中東部地區(qū)的 1.5倍左右,其中黔西南的安龍縣達(dá)到96.7d/a,是全省年平均雷暴日最多的站點(diǎn)。

貴州雷暴分布這種空間上的變化,和貴州地理分布有一定的關(guān)系,貴州西部地勢(shì)較高,高山峽谷相間,且由于影響我省的天氣系統(tǒng)大多從西部進(jìn)入我省,受地形抬升影響,容易在迎風(fēng)坡一側(cè)形成強(qiáng)對(duì)流天氣,而在東移過(guò)程中,受高山阻擋,系統(tǒng)會(huì)逐漸減弱;而黔西南作為我省孟加拉灣水汽輸送到我省的入口,水汽條件較為充沛,再加上黔西南地區(qū)較高的氣溫,使該地成為貴州省年平均雷暴日最多的地區(qū)。

3.2 時(shí)空分布特征分析

3.2.1 前 n個(gè)主分量方差貢獻(xiàn)率的月、季變化 將特征根按從大到小的順序進(jìn)行排列,按累積方差貢獻(xiàn)率 >85%、90%、95%選取主分量個(gè)數(shù)分析發(fā)現(xiàn)(表 1):在不同月份和季節(jié),主分量的收斂速度存在一定的差異,在選取前 5個(gè)主分量的前提下,各月、季的累積方差貢獻(xiàn)率均超過(guò) 85%。說(shuō)明貴州雷暴場(chǎng)的空間變化主要集中在前 5個(gè)主分量以內(nèi),之后的變化主要表現(xiàn)為細(xì)微擾動(dòng)。

圖 1 貴州省 1971—2005年年平均雷暴日分布

用季節(jié)作為時(shí)間尺度進(jìn)行 EOF分解,其主分量收斂速度均快于對(duì)應(yīng) 3個(gè)月的主分量收斂速度,前5個(gè)特征根的方差貢獻(xiàn)也大于其對(duì)應(yīng)的 3個(gè)月,因此各個(gè)季節(jié)反映的場(chǎng)信息明顯優(yōu)于與之對(duì)應(yīng)的各月單獨(dú)反映的場(chǎng)信息。

冬季由于雷暴發(fā)生較少,造成其空間分布差別較大,局地性很強(qiáng),所以月份和季節(jié)的收斂速度明顯小于其他季節(jié)。需要更多的特征向量主成分才能描述出該場(chǎng)的大部分信息。

從數(shù)理統(tǒng)計(jì)上我們得知:8月雷暴發(fā)生日數(shù)最多而 12月最少,全年按月 EOF分解后的最大特征根也是 8月最大而 12月最小。比較全省每個(gè)月的雷暴發(fā)生日數(shù)和每月的最大特征根發(fā)現(xiàn):兩者的趨勢(shì)基本一致。所以每月的最大特征根的大小也是該月雷暴發(fā)生日數(shù)多少的一種反映。

表 1 主分量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2.2 第一特征向量場(chǎng)分布 每個(gè)季節(jié)的第一特征向量的最大特征根貢獻(xiàn)值除冬季在 75%左右外,其余 3個(gè)季節(jié)均在 95%以上,其收斂性較好,第一特征向量基本能反映貴州雷暴場(chǎng)的空間分布。

圖 2a～d為不同季節(jié)第一特征向量場(chǎng)空間分布圖,從這幾張圖可以看出:①貴州雷暴的分布類型在春季和秋季主要為東西分布型,夏季為中東部一致型,冬季則為南北分布型,季節(jié)上存在一定變化。②貴州雷暴日數(shù)從地區(qū)分布來(lái)看西部明顯高于東部,南部略多于北部,和圖 1表現(xiàn)的一樣,四季均在中部和南部一線存在 5個(gè)低值雷暴中心,雷暴高值中心在春季、夏季主要位于我省西部地區(qū),秋季的另一個(gè)高值中心位于我省東北部,冬季也有兩個(gè)高值中心,一個(gè)仍然在西部地區(qū),而另一個(gè)則分布在我省東南部一帶。③不同季節(jié)的變化特點(diǎn)是:秋季和冬季空間分布變化梯度大,春季和夏季空間分布變化梯度相對(duì)小。

3.2.3 第一特征向量場(chǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)年際變化分析 用不同季節(jié)第一特征向量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)序列作圖 (圖 3),結(jié)合 4個(gè)季節(jié)的均方差變化(春、夏、秋、冬各季第一時(shí)間系數(shù)的均方差分別為1257.2、1597、320.178、196.61)可知 :春季和夏季的雷暴發(fā)生日數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬季和秋季,這在各個(gè)季節(jié)第一時(shí)間特征向量場(chǎng)時(shí)間系數(shù)年紀(jì)變化圖上體現(xiàn)為春夏季節(jié)的曲線變化一直在秋冬季節(jié)之上;由于春夏季節(jié)雷暴較多,且在不同年份雷暴發(fā)生日數(shù)變化較大,造成春夏季節(jié)第一時(shí)間系數(shù)的均方差較大,年紀(jì)變化曲線振幅也大,造成春夏季節(jié)特別是夏季的雷暴日數(shù)可預(yù)報(bào)程度難度增加;秋冬季節(jié)由于雷暴發(fā)生較少,所以其方差變化較小。

圖 2 四季第一空間特征向量場(chǎng)分布 (a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)

圖 3 第一特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(4條曲線從上到下依次為夏 -春 -秋 -冬)

為了從長(zhǎng)時(shí)間上研究貴州雷暴的變化趨勢(shì),用全省 4個(gè)季節(jié)雷暴日數(shù)列分別用最小二乘法求取線性擬合趨勢(shì),假設(shè)回歸方程形式為:

式中回歸系數(shù) b表示雷暴的氣候趨勢(shì)傾向。b>0表示雷暴有增加的趨勢(shì),b<0則表示雷暴有減少趨勢(shì)。從貴州 47a雷暴氣候傾向率(表 2)可知:47a 4個(gè)季節(jié)雷暴均有減少趨勢(shì),所以貴州省雷暴發(fā)生日數(shù)從長(zhǎng)時(shí)間尺度上看在不斷減少。

對(duì)不同季節(jié)對(duì)應(yīng)第一特征向量時(shí)間系數(shù)時(shí)進(jìn)行相關(guān)性分析 (表 3)得出:春季和夏季,秋季冬季具有一定的正相關(guān)關(guān)系,春夏季通過(guò) r0.05(47)=0.23的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn),秋冬季通過(guò) r0.01(47)=0.3613的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn);春季和秋季具有較高的正相關(guān)關(guān)系,其值通過(guò) r0.001(47)=0.4539的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。

表 3 第一時(shí)間系數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果

4 小波分析

小波分析的主要思想是將任一信號(hào)分解成時(shí)間和頻率的獨(dú)立貢獻(xiàn),同時(shí)又不失原有信號(hào)的信息。小波分析能將氣象時(shí)間序列曲線分解成交織在一起的多尺度成分,并對(duì)不同尺度成分采用相應(yīng)粗細(xì)的時(shí)域取樣步長(zhǎng),從而能不斷聚焦到曲線的任意細(xì)節(jié)[9],基本小波有多種形式,本文采用Morlet小波,Morlet小波在揭示氣候資料的奇異性 (突變點(diǎn))方面表現(xiàn)出良好的性能。

對(duì)于時(shí)間序列函數(shù) f(x),小波變換定義為:其中,Wf(a,b)是小波系數(shù),a為伸縮因子,決定小波寬度;b∈R為平移因子,是反映小波位置移動(dòng)的參數(shù),ψ是ψ＊的共軛函數(shù)。Morlet小波母波函數(shù)為

其中 C為重構(gòu)時(shí)的歸一化常數(shù)。

為了更好地反映貴州省 4個(gè)季節(jié)年雷暴日數(shù)周期變化,對(duì)貴州省 4個(gè)季節(jié)年雷暴日數(shù)采用 Morlet小波進(jìn)行小波分析,結(jié)果如圖 4所示:

圖 4 1961—2007年貴州雷暴日各季 Morlet小波分析 (a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)

①貴州年雷暴日序列 (圖 4a)春季變化存在 2～3a,4～6a的短周期和 10a的長(zhǎng)周期振蕩變化,4～6a的短周期振蕩貫穿于 47a里 。短周期在 20世紀(jì) 60年代以 2a周期為主,從 70年代到 90年代以3a周期為主;在 1994年以前存在一個(gè) 10a的長(zhǎng)周期,1994年以后長(zhǎng)周期不明顯。最強(qiáng)負(fù)中心出現(xiàn)在10a周期的 1978年和 1988年,最強(qiáng)正中心出現(xiàn)在10a周期的 1982年。

②夏季周期變化存在一個(gè)貫穿 47a的 13～18a的長(zhǎng)周期振蕩,1961—1982年存在 6a周期振蕩,1972—1976年,2000—2005年短周期以 2a周期為主,1986—1998年短周期為 3a。最強(qiáng)正中心出現(xiàn)在13～18a長(zhǎng)周期的 1997年,最強(qiáng)負(fù)中心出現(xiàn)在長(zhǎng)周期的 1991年和 2004年。

③秋季從 20世紀(jì) 70年代開(kāi)始存在一個(gè) 16a的長(zhǎng)周期振蕩,短周期主要以 3a和 6a為主,6a振蕩周期變化貫穿于 47a中,最強(qiáng)負(fù)中心出現(xiàn)在 6a周期的 1975年,最強(qiáng)正中心出現(xiàn)在 6a周期的 1985年。

④冬季在 1964—1976年存在一個(gè) 8a的長(zhǎng)周期振蕩,20世紀(jì) 80年代以后存在一個(gè) 14a的長(zhǎng)周期,短周期分布為:1964—1968年,1987—2001年振蕩周期為 4a,1980—1986年振蕩周期為 3a。最強(qiáng)正中心出現(xiàn)在 14a長(zhǎng)周期的 1993年,最強(qiáng)負(fù)中心出現(xiàn)在14a長(zhǎng)周期的 1987年。

5 小結(jié)

①?gòu)臍夂蚪y(tǒng)計(jì)和 EOF分解 4個(gè)季節(jié)的第一特征向量場(chǎng)分布來(lái)看,貴州雷暴場(chǎng)從春季到秋季主要為東西分布型,冬季則為南北分布型,中部一線和南部存在 5個(gè)雷暴低值中心,黔西南的安龍一帶是全省雷暴發(fā)生最多的地區(qū)。

②用季作為時(shí)間尺度對(duì)貴州雷暴場(chǎng)進(jìn)行尺度分析比用月作為時(shí)間尺度對(duì)貴州雷暴場(chǎng)進(jìn)行尺度分析效果要好;按月 EOF分解后的最大特征根和全省每個(gè)月的雷暴平均發(fā)生日數(shù)的趨勢(shì)基本一致,月最大特征根的大小可作為該月份雷暴發(fā)生日數(shù)多少的一種參考。

③貴州省 4個(gè)季節(jié)的雷暴發(fā)生日數(shù) 47a來(lái)均有逐漸減少的趨勢(shì),各個(gè)季節(jié)減少的趨勢(shì)有所差別。

④一年中的大多數(shù)雷暴主要集中在春夏季節(jié),且雷暴發(fā)生日數(shù)年紀(jì)變化較大,所以春夏季節(jié)的第一時(shí)間系數(shù)均方差也較大,而秋冬季節(jié)由于雷暴發(fā)生較少,年紀(jì)變化較為穩(wěn)定,其均方差也較小;通過(guò)對(duì)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析可知,春季和夏季,春季和秋季,秋季和冬季具有較高的正相關(guān)關(guān)系,其值均通過(guò)一定限度的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。

⑤4個(gè)季節(jié)的年雷暴日數(shù)均存在一定的周期變化,都有一個(gè)較長(zhǎng)的振蕩周期和幾個(gè)較短的振蕩周期,不同季節(jié)的長(zhǎng)短振蕩周期存在一定的差異。

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B

1003-6598(2010)06-0014-04

2010-04-07

周永水 (1982-),男,助工,主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。