天水市雷暴气候特征分析

强玉柱，刘 扬

(甘肃省天水市气象局，甘肃天水741000)

雷暴是在积雨云中发生的放电、雷鸣现象，主要产生在夏季局地强对流的中小尺度天气系统中，常伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等天气现象，是一种局部灾害性天气。由于雷暴出现放电现象，经常造成人员伤亡、毁坏建筑物、引起森林火灾、干扰输电和通讯，给人类和社会造成严重的危害和损失，因而被人们所关注［1］。近年来，有很多关于雷暴特征的研究［2-6］。如巩崇水等使用EOF分解和主值函数分析方法对我国雷暴日的时空分布等特征进行分析，并得出年平均雷暴日的地理分布可大致分为4个区域［2］;张敏锋等对我国近30年的雷暴气候特征进行分析并指出大部分地区雷暴频数在波动中减少［6］;高婧等通过小波分析、EOF分析、Mann-kendall突变检验等方法分别对新疆伊犁［7］、重庆市［8］、上海地区［9］雷暴的气候变化特征进行了分析。但针对天水地区的雷暴气候变化特征方面的研究很少。笔者利用天水市7个观测站1971～2010年雷暴日资料，采用数理统计、突变检验、小波分析和EOF分析等方法，对近40年天水市雷暴的气候特征进行分析。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 天水市位于甘肃省东南部地处陕、甘、川三省交界，地跨 34°05＇～35°10＇N、104°35＇～106°44＇E，面积1.43万km2。天水属于暖温带半湿润、半干旱气候过渡带，以温和半湿润区为主，四季分明。天水地势总体上东南低、西北高，海拔高程748.5～3 120.0 m，受西风带和青藏高原季风控制以及西太平洋副热带高压交替影响，下界面复杂，局地性气候特征明显，常有中小尺度天气活动。天水市的雷暴主要集中在4～10月，夏季最强，春季次之，冬季几乎没有雷暴发生［10］。在此，笔者利用天水市近40年的雷暴日资料，通过数理统计、突变检验、小波分析和经验正交函数分解(EOF)等方法进行分析，揭示天水市雷暴天气气候的统计特征、时空变化趋势和规律，为政府防灾减灾提供气候背景，也为研究雷暴与大气环流的关系提供科学依据。

1.2 资料选取和研究方法 选取1971～2010年天水市秦州、麦积、清水、张家川、秦安、甘谷、武山7个测站的雷暴资料，对雷暴日求取年代、月平均值，采用一元线性回归，分析近40年天水市雷暴的时间尺度变化特征;采用Mann-Kendall突变检验方法［11］，对天水市年雷暴日数进行突变点检验;采用Morlet小波分析方法［12］，分析雷暴日的周期变化;为了解天水市雷暴的主要空间分布类型，采用EOF分析(经验正交函数分解)来研究天水7个站点雷暴时空分布特征，经验正交函数分解可以针对气象要素来进行，其基本原理是对包含n个空间点(变量)的场随时间变化进行分解［12-13］。在分析天水市雷暴日的年、季、月变化特征时，根据天水市气候特征和地形将其分为渭北、关山、河谷3个区域［14］(表1)，渭北选取甘谷为代表站，关山选取张家川，河谷选取秦州。

表1 天水市区域划分

2 结果与分析

2.1 雷暴时间变化特征

2.1.1 年际变化。由图1可见，近40年天水市7个站的雷暴日数是770 d，年平均19.2 d，雷暴出现最多的年份为1973和1985年，为29 d;最少的年份为2009年，仅为5 d，雷暴日数年变化波动较大、差异显著。近40年天水市雷暴日数总体呈下降趋势，其气候倾向率为-1.152 d/10a。

图1 1971～2010年天水市雷暴日数年变化

从天水市7个站点的雷暴日数距平年际序列和变化趋势(图2)分析可知，天水市7个站雷暴日数平均值年际变化幅度大，且年际趋势变化阶段性明显，呈现出一定的波动性，在整个波动中呈减少趋势。从10年雷暴距平平均值的分析中得出，20世纪70、80、90年代和21世纪以来各年代平均雷暴日数分别为-0.3、2.5、1.3和-3.3 d，可见天水市雷暴年代变化呈下降趋势;70年代是天水的少雷暴时期，为负距平;在80年代雷暴日数最多，其次是在90年代，均为正距平;进入21世纪后，雷暴日数减少趋势明显，为负距平。

图2 1971～2010年天水市雷暴日数距平年际序列及变化趋势

2.1.2 突变检验。由图3可见，1971～2010年天水市年雷暴日数在20世纪70年代～1983年正序特征曲线UF呈多波动性上升过程，从1983年开始到90年代中期上升幅度较大，1995年至今开始明显减少，且在2008年前后UF与UB出现交点，说明在2008年前后发生了减少性突变，突变后年平均与突变前相比减少了10.4 d。

2.1.3 月、季变化。由近40年天水市各区域月平均雷暴日数变化趋势(图4)可知，天水市雷暴出现在4～10月，4～8月随时间递增，7～8月达到峰值，9～10月逐月减少;天水市3个代表区域与全市的变化趋势一致，其中关山区雷暴日数最多，其次是渭北区，河谷区最少。从表2可以看出，天水雷暴日数的季节变化非常明显，主要集中在6～9月，占全年的77.3%，其中7、8月雷暴日数最多，分别为22.4%、22.6%;其次是9月，为17.6%;夏季雷暴日数明显最多，其次是春秋季，冬季无雷暴。

图3 1971～2010年天水年雷暴日数M-K检验

表2 1971～2010年天水各月雷暴日数所占比例

图4 1971～2010年天水市月平均雷暴日数变化

2.2 小波分析 由图5可见，1971～2010年天水市年雷暴日变化存在多时间尺度结构。在整个时间域上具有22年的大周期振荡和6年的小周期振荡;在年际变化尺度上还存在3年小尺度的短周期振荡，该尺度周期在20世纪70年代～80年代初期和90年代至今较为明显。此外，在1983年至今还具有12年的周期振荡。因此，天水市近40年雷暴日变化并没有一个固定周期，而是大、中、小多种周期尺度相互嵌套。年雷暴日距平序列Morlet小波变换实部等值线(图5)显示，近40年天水市年雷暴日在不同时间尺度下周期变化的情况，多雷暴年出现在20世纪80年代和2001～2007年，少雷暴年出现在70年代和90年代中后期。

2.3 雷暴空间分布特征 从天水市雷暴空间分布(图6)可知，关山区年均雷暴日数最多，渭北区次之，河谷区最少。天水市34.6°N 以北、106.2°E以东地方雷暴日为19～25 d，34.6°N 以北、105.8°E 以西为17 ～21 d，34.6°N 以南为 13 ～17 d。可见地形分布的差异是导致雷暴空间分布差异的主要原因。

图5 1971～2010年天水市年雷暴日数小波分析

图6 1971～2010年天水市年均雷暴日数空间分布

2.4 EOF分析 对天水市7个站点年均雷暴日进行EOF分解，得出前4个特征向量场的方差贡献和累计方差贡献(表3)。由表3可见，天水市雷暴日的收敛性很快，第1主成分的方差贡献占总体方差的72.37%，前2个主成分累计贡献达82.78%，第3个以后所占的贡献很小，表明研究前2个主成分及其特征向量就能够较好地表示天水市雷暴变化及其空间分布的基本特征。

表3 1971～2010年天水市雷暴日数EOF分析前4个特征向量场的方差贡献

从天水市年平均雷暴日经EOF分解的前2个特征向量场分布(图7)可以看出，第1特征向量场全部为正，称为全市一致型，反映了天水市雷暴日空间分布的主要特点，表示如果雷暴出现异常，天水的变化趋势是一致的。整体看来，全市第1特征向量场值大小差异很小，说明雷暴分布在全市变化较小。第2特征向量场的特征是天水东北、东南为正值，而中部和西部为负值，表示天水东北部、东南部和西部、中部的雷暴空间分布在呈反相关，称为经向型。

图7 1971～2010年天水市雷暴日经EOF分解后第1(a)和第2(a)空间向量场

3 结论

(1)天水市年平均雷暴日数为19.2 d，近40年天水市雷暴日数总体呈下降趋势，通过Mann-Kendall检验发现在2008年前后天水市年均雷暴日发生了突变，突变后年平均与突变前相比减少了10.4 d。雷暴主要发生在春夏季，冬季几乎无雷暴，7、8月雷暴日最多。

(2)小波分析结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年长周期的变化特征，雷暴日年际变化较大，1971～2010年雷暴日数呈波动减少趋势，且具有明显的阶段性。

(3)天水年平均雷暴日数空间分布不均匀，总体呈现关山区最多、渭北区次之、河谷区最少的特征。根据EOF分析表明，天水雷暴异常空间分布类型主要是全市一致型和经向型。地形分布的差异是雷暴空间分布差异的主要原因。

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