基于EOF方法的福建省近50年雷暴日变化分析

莆田市气象局 姚永建 孙蔡亮 王益鑫 周志忠



基于EOF方法的福建省近50年雷暴日变化分析

莆田市气象局 姚永建 孙蔡亮 王益鑫 周志忠

该文利用福建省气象局提供的1961年~2010年雷暴日观测数据，对福建省雷暴时空分布特征和规律进行探讨。结果表明: 近50年来，福建省雷暴活动的3个典型空间分布类型为全省一致型、南北差异型和东西差异型，其中全省一致型是最主要的模态，解释了总方差的62.32%，反映了福建省雷电活动呈现出全省多发(少发)的同步变化特征，体现全省雷暴活动经历了由强到弱的变化；南北差异型说明北部雷暴活动经历了由强到弱的变化，而福建南部雷暴活动经历了由弱到强的变化；东西差异型说明福建东部沿海地区雷暴活动经历了由弱到强的变化；东西差异型说明福建东部沿海地区雷暴活动经历了由弱到强的变化，而福建西部、南部地区雷暴活动经历了由强到弱的变化趋势。

雷暴日变化自然正交函数方法空间分布福建

据相关统计，全世界每年因雷电灾害造成的人员伤亡不低于1万人，而经济损失则超过10亿美元[1]。雷电因其具有强大的电流，并且释放炙热的高温和猛烈的冲击波以及复杂的电磁辐射等效应，可以造成巨大的破坏力，经常导致生物伤亡，房屋建筑、电力系统、电子系统和家用设备故障或损坏，甚至引发严重的次生灾害，如森林火灾，危险易燃易爆场所起火或爆炸，对人民的安全、财产威胁无处不在。张敏峰[2]等选取我国104个台站30年的雷暴日资料，采用自然正交函数方法（EOF）研究了我国雷暴日时空分布，发现在上世纪60～80年代全国大部地区雷暴频数在波动减少，东南沿海减少幅度最为剧烈，只有东北地区年雷暴日数有增加趋势。徐桂玉[3]等利用我国南方62个气象观测站1971年～1995年的雷暴日资料，得出我国南方雷暴日分布特点为：南方多于北方，山区多于平原，沿海多于内陆（除东南沿海受内陆山区影响）。

1 资料与方法

本文使用福建省气象局提供的能覆盖福建省全境的67个气象站1961年～2010年共50年的雷暴日观测记录，以北京时间当日08:00至次日08:00出现雷暴记为一个雷暴日(一日之内出现多次雷暴也统计为1个雷暴日，不重复计算)，采用EOF分析方法对福建省67个测站逐年平均雷暴日分布特征作深入研究。由于雷暴日数存在明显的季节变化，平稳性较差，使用原始场直接进行EOF分析容易造成经验正交函数不稳定[4]，因此，在EOF分析前，我们先对1961年～2010年全省67个测站的雷暴日数序列进行了标准化处理,然后使用标准化场进行EOF分析。考虑到本研究中测站的数量（67站）超过了样本的长度（50年），为了保证分解出的经验正交函数是有价值的信号，采用特征值误差范围法对特征向量进行显著性检验。

2 雷暴日时空变化特征

表1列出了福建省雷暴日数EOF分解的前6个特征向量场的特征值、方差、方差贡献、累计方差贡献、相邻特征值误差（λi－λi+1）和特征值误差范围ej，从此表可知，只有前3个特征向量通过了显著性检验（λi－λi+1≥ej），他们的方差贡献分别为62.3%、6.7%和3.72%,其累计方差贡献达到场的总方差的72.74%，收敛性较好，余下的荷载向量的方差贡献均小于3%，由此说明福建省雷暴日EOF分解的前3个特征向量最大限度地表征了该变量场的变率分布结构，前3个特征向量所代表的空间分布型式也就对应了福建省雷暴活动3个典型的空间分布结构。下面，我们将就前3个特征向量的模态特征进行详细分析。

表1 福建省雷暴日数EOF分析结果

2.1 第一特征向量

图1（a）为第一特征向量的空间分布特征，其方差贡献达到了总方差的62.32%，从图中可以看出，第一特征向量在全省范围内均为正值，表明福建省雷暴活动在空间上一致性良好，具有同步变化的特征，称其为全省一致型。因其解释了总方差的62.32%，很明显是与大尺度天气系统的影响密切相关。福建属于亚热带海洋性季风气候区，温带、热带天气系统频繁活动、交替影响，造成全省雷暴日数分布趋于一致。特征向量的高值区（≥0.13）集中在西部、西南山区和东北部的山海交汇区，雷暴发生变率较大；低值区主要沿着闽江河谷和平原地区分布。这种分布主要反映了地形对雷暴活动的影响，在水汽、不稳定层结以及天气系统造成的抬升力均相当的条件下，山区地形的抬升将有利于对流系统的发展，而当对流系统移到河谷时，地形产生下沉气流往往会削弱对流单体。图1（b）为第一特征向量时间系数的逐年变化，由于第一特征向量空间分布均为正值，因此正的时间系数表示雷暴偏多，负的时间系数表示雷暴偏少。从该图可以看出，上世纪80年代之前以偏多为主，90年代后进入偏少期，1975年和2003年分别为偏大和偏小极值年，上述第一特征向量高（低）极值中心附近地区雷暴偏多（少）的情况最为明显。其二阶多项式拟合曲线呈下降趋势，显示近50年全省雷暴活动经历了由强到弱的变化。

图1

2.2 第二特征向量

图2（a）为第二特征向量的空间分布特征，解释了总方差的6.7%（见表1），从图中可以看出，其分布主要表现为福建南部和北部雷暴活动呈截然相反的反位相型，沿东西走向的零等值线横贯全省，大致位于25.5°N附近地区，北部为正值区，正值中心位于武夷山脉和闽中戴云山脉的西侧，南部为负值区，将该空间分布称为南北差异型，这是福建省出现次高概率的雷暴活动分布型。这一分布型反映了西太平洋副热带高压活动对福建雷暴的影响，当夏季副热带高压偏强、位置偏西时，南部地区处副热带高压控制下，雷暴活动偏弱，北部地区常处副高边缘，迭加上山区的特殊地形效应，对流活动频繁；反之，当副热带高压偏弱、位置偏东时，南部地区处于副高边缘，雷暴活动频繁，北部地区由于水汽条件较弱，对流活动较弱。

第二特征向量的时间系数演变与第一特征向量较为相似，上世纪60年代至90年代中期为总体偏多期,90年代中期后进入总体偏少期，其二阶多项式拟合曲线呈下降趋势（见图2（b）），由于该特征向量场分布结构为北正南负，说明了北部雷暴活动经历了由强到弱的变化，而福建南部雷暴活动经历了由弱到强的变化。

图2

2.3 第三特征向量

第三特征向量的方差贡献明显减小，仅为3.73%。第三特征向量场的分布见图3（a），主要表现为东部与西部、南部雷暴活动截然相反的反位相型，福建省东部沿海为正值区，大范围的负值区位于福建的西部和南部，将该空间型称为东西差异型。值得注意的是,特征向量的零值线在25°N以北地区呈现东北—西南的走向,位置与闽中大山带相互对应。这一特征向量可能与福建省大地形的影响以及东风带影响系统的异常有关。

图3

图3（b）表明，1987年以前为总体的偏少期，1987年后进入了总体偏多期, 其二阶多项式拟合曲线呈上升降趋势，由于该特征向量场分布结构为东正西负,说明了福建东部沿海地区雷暴活动经历了由弱到强的变化，而福建西部、南部地区雷暴活动经历了由强到弱的变换趋势。

综上所述,EOF分解的前3个特征向量所代表的空间分布型较好地反映了福建省雷暴活动3个典型的空间分布类型，分别是：全省一致型、南北差异型和东西差异型（见表2）。其中全省一致型是最主要的模态，解释了总方差的62.32%，反映了福建省雷电活动呈现出全省多发(少发)的同步变化特征；其次是南北反相变化,即表现出闽北多(少)雷、闽南少(多)雷的变化；同时还具有东西反相的变化特征。

表2 福建省雷暴活动前3个特征向量场分布特征的空间含义

3 结果与讨论

近50年来，福建省雷暴日3个典型空间分布类型可代表全省变化时空分布的主要格局，分别为全省一致型、南北差异型和东西差异型，反映了福建省雷电活动呈现出全省多发(少发)的同步变化特征。其中全省一致型是最主要的模态，解释了总方差的62.32%，体现全省雷暴活动经历了由强到弱的变化；南北差异型说明了北部雷暴活动经历了由强到弱的变化，而福建南部雷暴活动经历了由弱到强的变化；东西差异型说明了福建东部沿海地区雷暴活动经历了由弱到强的变化；而福建西部、南部地区雷暴活动经历了由强到弱的变化趋势。

[1] 许小峰．雷电灾害与监测预报[J].气象,2004,30(12)：17-21．

[2] 张敏峰，冯霞．我国雷暴天气的气候特征[J]．热带气学,1998,14(2)：156-162．

[3] 徐桂玉，杨修群．我国南方雷暴的气候特征研究[J]．气象科学，2001，21(3)：299-307．

[4] 魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007.