莆田市氣象局 姚永建 孫蔡亮 王益鑫 周志忠

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基于EOF方法的福建省近50年雷暴日變化分析

莆田市氣象局 姚永建 孫蔡亮 王益鑫 周志忠

該文利用福建省氣象局提供的1961年~2010年雷暴日觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)福建省雷暴時(shí)空分布特征和規(guī)律進(jìn)行探討。結(jié)果表明: 近50年來(lái)，福建省雷暴活動(dòng)的3個(gè)典型空間分布類(lèi)型為全省一致型、南北差異型和東西差異型，其中全省一致型是最主要的模態(tài)，解釋了總方差的62.32%，反映了福建省雷電活動(dòng)呈現(xiàn)出全省多發(fā)(少發(fā))的同步變化特征，體現(xiàn)全省雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化；南北差異型說(shuō)明北部雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化，而福建南部雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化；東西差異型說(shuō)明福建東部沿海地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化；東西差異型說(shuō)明福建東部沿海地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化，而福建西部、南部地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化趨勢(shì)。

雷暴日變化自然正交函數(shù)方法空間分布福建

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因雷電災(zāi)害造成的人員傷亡不低于1萬(wàn)人，而經(jīng)濟(jì)損失則超過(guò)10億美元[1]。雷電因其具有強(qiáng)大的電流，并且釋放炙熱的高溫和猛烈的沖擊波以及復(fù)雜的電磁輻射等效應(yīng)，可以造成巨大的破壞力，經(jīng)常導(dǎo)致生物傷亡，房屋建筑、電力系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和家用設(shè)備故障或損壞，甚至引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害，如森林火災(zāi)，危險(xiǎn)易燃易爆場(chǎng)所起火或爆炸，對(duì)人民的安全、財(cái)產(chǎn)威脅無(wú)處不在。張敏峰[2]等選取我國(guó)104個(gè)臺(tái)站30年的雷暴日資料，采用自然正交函數(shù)方法（EOF）研究了我國(guó)雷暴日時(shí)空分布，發(fā)現(xiàn)在上世紀(jì)60～80年代全國(guó)大部地區(qū)雷暴頻數(shù)在波動(dòng)減少，東南沿海減少幅度最為劇烈，只有東北地區(qū)年雷暴日數(shù)有增加趨勢(shì)。徐桂玉[3]等利用我國(guó)南方62個(gè)氣象觀測(cè)站1971年～1995年的雷暴日資料，得出我國(guó)南方雷暴日分布特點(diǎn)為：南方多于北方，山區(qū)多于平原，沿海多于內(nèi)陸（除東南沿海受內(nèi)陸山區(qū)影響）。

1 資料與方法

本文使用福建省氣象局提供的能覆蓋福建省全境的67個(gè)氣象站1961年～2010年共50年的雷暴日觀測(cè)記錄，以北京時(shí)間當(dāng)日08:00至次日08:00出現(xiàn)雷暴記為一個(gè)雷暴日(一日之內(nèi)出現(xiàn)多次雷暴也統(tǒng)計(jì)為1個(gè)雷暴日，不重復(fù)計(jì)算)，采用EOF分析方法對(duì)福建省67個(gè)測(cè)站逐年平均雷暴日分布特征作深入研究。由于雷暴日數(shù)存在明顯的季節(jié)變化，平穩(wěn)性較差，使用原始場(chǎng)直接進(jìn)行EOF分析容易造成經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)不穩(wěn)定[4]，因此，在EOF分析前，我們先對(duì)1961年～2010年全省67個(gè)測(cè)站的雷暴日數(shù)序列進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后使用標(biāo)準(zhǔn)化場(chǎng)進(jìn)行EOF分析?？紤]到本研究中測(cè)站的數(shù)量（67站）超過(guò)了樣本的長(zhǎng)度（50年），為了保證分解出的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)是有價(jià)值的信號(hào)，采用特征值誤差范圍法對(duì)特征向量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 雷暴日時(shí)空變化特征

表1列出了福建省雷暴日數(shù)EOF分解的前6個(gè)特征向量場(chǎng)的特征值、方差、方差貢獻(xiàn)、累計(jì)方差貢獻(xiàn)、相鄰特征值誤差（λi－λi+1）和特征值誤差范圍ej，從此表可知，只有前3個(gè)特征向量通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（λi－λi+1≥ej），他們的方差貢獻(xiàn)分別為62.3%、6.7%和3.72%,其累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)到場(chǎng)的總方差的72.74%，收斂性較好，余下的荷載向量的方差貢獻(xiàn)均小于3%，由此說(shuō)明福建省雷暴日EOF分解的前3個(gè)特征向量最大限度地表征了該變量場(chǎng)的變率分布結(jié)構(gòu)，前3個(gè)特征向量所代表的空間分布型式也就對(duì)應(yīng)了福建省雷暴活動(dòng)3個(gè)典型的空間分布結(jié)構(gòu)。下面，我們將就前3個(gè)特征向量的模態(tài)特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

表1 福建省雷暴日數(shù)EOF分析結(jié)果

2.1 第一特征向量

圖1（a）為第一特征向量的空間分布特征，其方差貢獻(xiàn)達(dá)到了總方差的62.32%，從圖中可以看出，第一特征向量在全省范圍內(nèi)均為正值，表明福建省雷暴活動(dòng)在空間上一致性良好，具有同步變化的特征，稱(chēng)其為全省一致型。因其解釋了總方差的62.32%，很明顯是與大尺度天氣系統(tǒng)的影響密切相關(guān)。福建屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，溫帶、熱帶天氣系統(tǒng)頻繁活動(dòng)、交替影響，造成全省雷暴日數(shù)分布趨于一致。特征向量的高值區(qū)（≥0.13）集中在西部、西南山區(qū)和東北部的山海交匯區(qū)，雷暴發(fā)生變率較大；低值區(qū)主要沿著閩江河谷和平原地區(qū)分布。這種分布主要反映了地形對(duì)雷暴活動(dòng)的影響，在水汽、不穩(wěn)定層結(jié)以及天氣系統(tǒng)造成的抬升力均相當(dāng)?shù)臈l件下，山區(qū)地形的抬升將有利于對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，而當(dāng)對(duì)流系統(tǒng)移到河谷時(shí)，地形產(chǎn)生下沉氣流往往會(huì)削弱對(duì)流單體。圖1（b）為第一特征向量時(shí)間系數(shù)的逐年變化，由于第一特征向量空間分布均為正值，因此正的時(shí)間系數(shù)表示雷暴偏多，負(fù)的時(shí)間系數(shù)表示雷暴偏少。從該圖可以看出，上世紀(jì)80年代之前以偏多為主，90年代后進(jìn)入偏少期，1975年和2003年分別為偏大和偏小極值年，上述第一特征向量高（低）極值中心附近地區(qū)雷暴偏多（少）的情況最為明顯。其二階多項(xiàng)式擬合曲線呈下降趨勢(shì)，顯示近50年全省雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化。

圖1

2.2 第二特征向量

圖2（a）為第二特征向量的空間分布特征，解釋了總方差的6.7%（見(jiàn)表1），從圖中可以看出，其分布主要表現(xiàn)為福建南部和北部雷暴活動(dòng)呈截然相反的反位相型，沿東西走向的零等值線橫貫全省，大致位于25.5°N附近地區(qū)，北部為正值區(qū)，正值中心位于武夷山脈和閩中戴云山脈的西側(cè)，南部為負(fù)值區(qū)，將該空間分布稱(chēng)為南北差異型，這是福建省出現(xiàn)次高概率的雷暴活動(dòng)分布型。這一分布型反映了西太平洋副熱帶高壓活動(dòng)對(duì)福建雷暴的影響，當(dāng)夏季副熱帶高壓偏強(qiáng)、位置偏西時(shí)，南部地區(qū)處副熱帶高壓控制下，雷暴活動(dòng)偏弱，北部地區(qū)常處副高邊緣，迭加上山區(qū)的特殊地形效應(yīng)，對(duì)流活動(dòng)頻繁；反之，當(dāng)副熱帶高壓偏弱、位置偏東時(shí)，南部地區(qū)處于副高邊緣，雷暴活動(dòng)頻繁，北部地區(qū)由于水汽條件較弱，對(duì)流活動(dòng)較弱。

第二特征向量的時(shí)間系數(shù)演變與第一特征向量較為相似，上世紀(jì)60年代至90年代中期為總體偏多期,90年代中期后進(jìn)入總體偏少期，其二階多項(xiàng)式擬合曲線呈下降趨勢(shì)（見(jiàn)圖2（b）），由于該特征向量場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)為北正南負(fù)，說(shuō)明了北部雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化，而福建南部雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化。

圖2

2.3 第三特征向量

第三特征向量的方差貢獻(xiàn)明顯減小，僅為3.73%。第三特征向量場(chǎng)的分布見(jiàn)圖3（a），主要表現(xiàn)為東部與西部、南部雷暴活動(dòng)截然相反的反位相型，福建省東部沿海為正值區(qū)，大范圍的負(fù)值區(qū)位于福建的西部和南部，將該空間型稱(chēng)為東西差異型。值得注意的是,特征向量的零值線在25°N以北地區(qū)呈現(xiàn)東北—西南的走向,位置與閩中大山帶相互對(duì)應(yīng)。這一特征向量可能與福建省大地形的影響以及東風(fēng)帶影響系統(tǒng)的異常有關(guān)。

圖3

圖3（b）表明，1987年以前為總體的偏少期，1987年后進(jìn)入了總體偏多期, 其二階多項(xiàng)式擬合曲線呈上升降趨勢(shì)，由于該特征向量場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)為東正西負(fù),說(shuō)明了福建東部沿海地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化，而福建西部、南部地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變換趨勢(shì)。

綜上所述,EOF分解的前3個(gè)特征向量所代表的空間分布型較好地反映了福建省雷暴活動(dòng)3個(gè)典型的空間分布類(lèi)型，分別是：全省一致型、南北差異型和東西差異型（見(jiàn)表2）。其中全省一致型是最主要的模態(tài)，解釋了總方差的62.32%，反映了福建省雷電活動(dòng)呈現(xiàn)出全省多發(fā)(少發(fā))的同步變化特征；其次是南北反相變化,即表現(xiàn)出閩北多(少)雷、閩南少(多)雷的變化；同時(shí)還具有東西反相的變化特征。

表2 福建省雷暴活動(dòng)前3個(gè)特征向量場(chǎng)分布特征的空間含義

3 結(jié)果與討論

近50年來(lái)，福建省雷暴日3個(gè)典型空間分布類(lèi)型可代表全省變化時(shí)空分布的主要格局，分別為全省一致型、南北差異型和東西差異型，反映了福建省雷電活動(dòng)呈現(xiàn)出全省多發(fā)(少發(fā))的同步變化特征。其中全省一致型是最主要的模態(tài)，解釋了總方差的62.32%，體現(xiàn)全省雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化；南北差異型說(shuō)明了北部雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化，而福建南部雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化；東西差異型說(shuō)明了福建東部沿海地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化；而福建西部、南部地區(qū)雷暴活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的變化趨勢(shì)。

[1] 許小峰．雷電災(zāi)害與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)[J].氣象,2004,30(12)：17-21．

[2] 張敏峰，馮霞．我國(guó)雷暴天氣的氣候特征[J]．熱帶氣學(xué),1998,14(2)：156-162．

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

[4] 魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007.