1952-2012年蚌埠市雷暴气候统计特征研究

陆琴琴，汪 翔，叶金印， 周丽雅

(1.南京大学 大气科学学院 江苏 南京 210093；2.蚌埠市气象局 安徽 蚌埠 233040；3.安徽省气象台，安徽 合肥 230000)



1952-2012年蚌埠市雷暴气候统计特征研究

陆琴琴1,2，汪 翔2，叶金印3， 周丽雅2

(1.南京大学 大气科学学院 江苏 南京 210093；2.蚌埠市气象局 安徽 蚌埠 233040；3.安徽省气象台，安徽 合肥 230000)

利用蚌埠市1952-2012年雷暴资料，采用气候倾向率、保证率、Mann-Kendall突变检验和Morlet小波分析等气候诊断方法，分析蚌埠市近61a雷暴的气候变化趋势、初终日分布、突变和周期变化特征.结果表明：蚌埠市雷暴日数年际变化较大，平均雷暴日数总体呈略下降趋势，夏季雷暴日数下降趋势最明显；雷暴有很强的季节性，集中出现在4-9月份，以7月份出现最多；雷暴初日普遍在3月中旬，终日普遍在9月下旬，雷暴初终日年际间差异大；雷暴日数呈先升后降的气候变化趋势，显著突变年份是1980年；雷暴日数年际和年代际变化存在2-4a、10-12a以及准16a振荡周期.

雷暴；气候特征；Mann-Kendall突变检验；Morlet小波分析

雷暴是发生在大气中的激烈天气现象，出现时常伴有狂风、暴雨、冰雹等天气现象.与其他灾害天气相比，雷暴具有时间分布的瞬时性、季节性和空间分布的分散性、局地性以及破坏力非常大等特点，是一种危害性极大的自然灾害，常对输电和通信设施、建筑、航空器、车船、农作物以及人畜等带来毁灭性的损害.加强雷暴发生规律的研究，对防雷减灾、雷电预警预报都具有重要意义[1].有关研究表明，我国雷暴的地理分布存在明显的空间变异性，空间分布呈现自南向北递减，总体呈减少趋势[2].雷暴日存在明显的年代际变化[3]，在1980年代和2000年代呈现2个相对多发期，而1990年代为相对少发期.年均雷暴日具有不同时间尺度的周期变化[4].根据1961-2010年月雷暴日资料，采用小波分析方法，发现我国中部5省雷暴日呈11a、17a和6a、4a左右的周期，季节变化总体上表现为春夏季多发而秋冬季少发的特点[5].由于雷暴气候特征的时空变异性明显，对于不同地理区域，特别是雷暴时空特征、预报着眼点以及防范措施的研究也备受关注[6-9]，但利用长序列资料对南北气候过渡带城市雷暴气候特征的研究则相对较少.

蚌埠市位于南北气候过渡带，是冷暖气流频繁交汇的地带，雷暴天气频繁.随着社会经济的发展，多种电气系统和计算机、通信设备以及电子信息系统的广泛使用，这些电子设备抗雷击电磁脉冲的能力差，大大增加了雷电灾害的可能，因雷暴造成的人民生命财产安全的损失越来越大[9].据蚌埠市防雷减灾管理办公室不完全统计，2001-2009年共发生重大雷电灾害43起，涉及人员伤亡、建筑物破坏、停断电事故、雷击火灾、家用电器损坏、通信网络设备瘫痪等，共造成伤亡27人，直接经济损失超千万元，间接经济损失无法估量.

本文利用1952-2012年蚌埠市长时间序列的雷暴观测资料，采用气候倾向率、保证率、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法，对蚌埠市雷暴的年代际、年际、季节、月变化规律以及初终日分布、突变和周期变化特征进行分析，旨在掌握蚌埠市雷暴气候特征，为雷暴潜势预报和雷电防御提供参考依据.

1 资料及方法

资料来源于蚌埠国家基本气象观测站.利用蚌埠站1952-2012年61a逐日地面观测资料中有关雷暴的人工观测记录进行雷暴气候统计分析.在资料统计时，观测簿上只记录闪电而无雷暴记录的不作雷暴；一日之内发生一次或数次雷暴的作为一个雷暴日.用3-5月、6-8月、9-11月、12月-次年2月分别代表春、夏、秋、冬4个季节.

采用最小二乘法求取雷暴日数线性回归趋势方程，其回归方程表达式为

Y=at+b

(1)

式中，回归系数a表示雷暴日的气候倾向趋势，a>0说明随时间增加雷暴日呈上升趋势，a<0说明随时间增加雷暴日呈下降趋势，a的大小反映了上升或下降的速率，把10a称为气候倾向率[10].

使用经验频率公式计算雷暴初、终日保证率，其公式为

Pm=m/(n+1)×100%

(2)

它反映雷暴初日(终日) 出现某一天以后(以前) 的累计频率，用来表示地面物体不受雷暴危害的可靠程度[11].式中m为雷暴初日(终日) 由后(前)向前(后)排列的序号，n为雷暴资料样本年数，Pm为保证率.

采用Mann-Kendall和Morlet小波分析方法[12]研究蚌埠市雷暴天气的突变和周期变化.

2 雷暴的气候特征

图1 蚌埠市雷暴年际变化(虚线为平均值，实线为趋势线，点划线为5年滑动平均)

2.1 年(年代)际变化特征

近61a，蚌埠市共出现1706个雷暴日，年平均雷暴日数为28d.雷暴出现最多的年份是1964年，有49个雷暴日；出现最少的年份是1999年，只有11个雷暴日.蚌埠市逐年雷暴日数变化如图1.20世纪50、60年代基本呈振荡上升趋势，并在1964年达到最高峰后，呈振荡下降趋势，在2000年左右达到最低值，然后稍有回升，基本在年平均值28d上下波动.由图中趋势线可以看出，蚌埠市雷暴的发生有减小的趋势变化，气候倾向率为-1.2d/10a.

年雷暴日数明显的正距平区主要分布在20世纪60年代到70年代末、21世纪初期；负距平区主要出现于20世纪60年代之前、80年代初期到2000年左右.1960年代末-1970年代中期，蚌埠市一直处于雷暴多发期，距平值基本都在5d以上，1961-1964年连续4年距平值超过10d；1970年代后期以后出现较长时间的负距平时段；在21世纪初期出现短暂的雷暴多发期.5年滑动平均值也能反映出年际变化特征.

雷雨云的形成要具备充足的水汽条件、使湿空气上升的动力、剧烈的对流，从而形成雷雨云，进而产生雷暴.由于1980年以后全球变暖，与之对应的大气环流也相应改变，大气环流变得更趋向于纬向环流，经向环流变得较弱，这样使冷空气的强度减弱或者频率减少，缺少了抬升湿空气的动力[13]，大气不稳定性也因此变弱，不利于雷暴天气发生.

2.2 季节变化

一年四季中，雷暴以夏季出现最多，累年平均出现21.1个雷暴日，是各季累计平均出现日数(7.0d)的3倍多，约占全年雷暴出现日数的75.4%；春季次之，累年平均出现4.5个雷暴日；冬季出现最少，累年平均仅0.4个雷暴日.春夏季平均雷暴日为25.6d，占全年雷暴日的91.4%，这与王学良等[4]分析得出的我国中部5省雷暴主要发生在春夏季(占全年80%以上)的结论相一致.

由图2可知，秋季雷暴在1964年出现异常极大值，达到11天；冬季雷暴极大值为4天，出现在2010年.据观测资料，1964年秋季雷暴均出现在9月，当月的高温日、雨日、降水量均远远高于平均值，冷暖空气活动频繁；2010年冬季雨雪日较常年偏多，暖湿空气活跃.冷暖空气活动频繁，造成大气层结不稳定性增大是雷暴增多的可能原因之一.

从趋势线可以看出，各季节雷暴日数的变化趋势差异很大.夏季的减少趋势最明显，气候倾向率为-0.86d/10a，春季次之.因此，蚌埠市雷暴日数减少趋势主要表现在夏、春季.但冬季的趋势线略有上升倾向，表明蚌埠市冬季雷暴有增加的趋势.

图2 蚌埠市雷暴季节变化

2.3 月变化

一年12个月都有可能出现雷暴，但月均雷暴日及占比变化差别非常大(图3)，呈明显的单峰型.雷暴多集中出现在4-9月份，累计平均出现26.3d，约占全年雷暴出现日数的94.2%；其中，以7月份出现最多，累年平均有9.8个雷暴日，约占全年雷暴出现日数的35%，其次为8、6月份，累年平均分别为7.2、4.2个雷暴日.11、12月份出现最少，累年平均仅有0.1个雷暴日；次少为1、10月份，累年平均分别为0.1、0.2个雷暴日；这4个月出现雷暴的概率非常小，累计雷暴出现日数仅占全年的1.6%.

图3 蚌埠市月均雷暴日及占比变化图

蚌埠市雷暴日数这种明显的单峰型月分布与苏北地区城市雷暴日数的月分布型是一致的[6].温暖潮湿的上升气流和热力不稳定是产生雷暴云的必要条件.随着大气环流的调整， 3月蚌埠市气温开始上升，热力不稳定条件逐渐增强，对流性天气增多，雷暴发生的次数逐月增加.夏季因受副热带高压和台风等的影响，冷暖空气交汇频繁，前期的高温使得近地层有充足的能量来加剧对流运动，所以7-8月雷暴发生频率最高.9月以后，气温开始下降，热力不稳定条件减弱，雷暴次数迅速减少.由于蚌埠市冬季大气层结稳定，故冬季雷暴发生次数少.大气环流的调整对蚌埠市雷暴月变化的影响机理有待进一步研究.

2.4 初终日及雷暴期统计

雷暴出现的初、终日是重要的气候指标.1952-2012年蚌埠雷暴出现的平均初日是3月15日，最早的初日是1月4日(2000年)，最晚的初日是5月10日(2011年).雷暴出现的平均终日是9月23日，最早的终雷日是8月7日(1953年)，最晚的终雷日是12月31日(1996年).雷暴初、终日最早和最晚均相差4个月以上，年际波动较大.近61a的平均雷暴期达到190.2d，最长雷暴期为290d，出现在1996年；最短雷暴期为111d，出现在2011年.

雷暴的初、终日期只提供了雷暴的大致气候情况，在利用价值上，不同保证率下的雷暴初、终日对交通运输、旅游安全、电力等行业具有更重要的意义[8].从表1可以看出，80%保证率雷暴初日在2月24日，终日在10月17日，即80%的雷暴初日都发生在2月下旬及以后，而80%的雷暴终日在10月中旬及以前；5%保证率初日为5月1日，终日为8月20日，即雷暴初日一般出现在5月1日前，而8月20日后雷暴结束的可能性较小.雷暴初终日出现的日期跨度很大，雷暴发生的不确定性较大.

表1 蚌埠市不同保证率(%)下雷暴出现的初、终日统计(日/月)

3 突变检验

在时间序列趋势分析中，Mann-Kendall突变检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，适用于水文、气象等非正态分布的数据[12].

图4为蚌埠市雷暴日数Mann-Kendall检验结果，UF为年雷暴日顺序时间序列曲线，UB为年雷暴日逆序时间序列曲线，上下两条平行线为5%显著性检验水平值.近61a，蚌埠市雷暴日数变化过程大致为升-降：1952年至80年代初为正位相，表现为上升趋势，且上升达到5%显著性水平；80年代起呈下降趋势，并一直持续至2012年.2002年起雷暴日数虽有所增多，但与80年代前相比，并没有表现出上升趋势，仍处于负位相.同时，从UF和UB曲线交点的位置来看，雷暴序列在1980年左右发生了第一次突变，即由此前的雷暴日上升趋势逐渐转为下降趋势.21世纪初发生了第二次突变，之后雷暴日由下降转为上升.第一次突变在持续性显著上升趋势后发生的，而第二次突变比较而言不太显著，是在略微有所超过5%显著性水平且持续时间短促后发生的.

图4 蚌埠市雷暴日数Mann-Kendall检验结果

4 小波分析

小波分析的核心是多分辨率分析，它能把信号在时间和频率域上同时展开，得到各个频率随时间的变化和不同频率之间的关系.同时小波变换可以分析出其他方法不能分析的短波分量，并具有分析函数奇异性的能力[12].本文采用Morlet小波变换方法，Morlet小波系数的实部表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相两方面的信息，正的小波系数反映出分析对象在该时间段为偏多期，负值时反映为偏少期，零值对应着突变点.

图5为1952-2012年蚌埠月雷暴日(滤掉年变化，即通过求距平的方法将资料中一年的自然周期滤去，因此，实际上用来变换的资料序列为距平序列)的小波变换系数图.图中正值用等值线和阴影表示，负值用等值线表示，等值线间隔为0.5.Morlet小波变化清晰地显示出蚌埠雷暴日的各种周期振荡，主要存在2-4a、10-12a以及16a左右的变化周期.首先，在图的上部，从上世纪50年代至70年代末表现出明显的16a左右的周期；从70年代初期至2012年，10-12a的周期表现较为明显，依次表现为低、高、低、高、低、高6个中心，且在70年代末期振荡最为明显，即表现为强的正值中心；其次，在图的中间部分，2-4a的周期一直贯穿着整个时间段，并且从上世纪80年代起至21世纪初的周期振荡表现很强.从长时间尺度周期和变化趋势分析，蚌埠市雷暴日近几年处于偏少周期内.

图5 1952-2012年蚌埠市年雷暴Morlet小波变化

5 结论

利用国家基本气象观测站1952-2012年雷暴观测资料，通过气候倾向率、保证率、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法，对蚌埠市雷暴的年代际、年际、季节、月变化规律以及初终日分布、突变和周期变化特征进行分析，得出以下结论：

(1)蚌埠市每年都有雷暴发生，但年际变化大，波动起伏明显.20世纪50、60年代呈振荡上升趋势，60年代中期起下降，2000年以后稍有回升.近61a平均雷暴日总体呈略下降趋势，夏季的下降趋势最明显，冬季呈略增加趋势.

(2)蚌埠市平均雷暴日的月变化呈单峰型.雷暴多集中出现在4-9月份，累计平均出现26.3d，约占全年雷暴出现日数的94.2%；其中，以7月份出现最多，累年平均有9.8个雷暴日，约占全年雷暴出现日数的35%，其次为8、6月份，累年平均分别为7.2、4.2个雷暴日.秋冬季雷暴日数相比较少.

(3)蚌埠市雷暴出现的平均初日是3月15日，平均终日是9月23日，近61a平均雷暴期为190.2d；80%保证率下雷暴初(终)日在2月下旬(10月中旬).

(4)蚌埠市雷暴日变化过程大致呈现先升后降的趋势，在1980年左右发生了一次明显突变.蚌埠市雷暴日存在2-4a、10-12a以及准16a周期振荡.

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A Study on Climatic Characteristics of Thunderstorm in Bengbu from 1952 to 2012

LU Qin-qin1,2， WANG Xiang2， YE Jin-yin3， ZHOU Li-ya2

(1. School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2. Bengbu Meteorological Bureau, Bengbu 233040, China; 3. Meteorological Observatory of Anhui Province, Hefei 230000, China)

With the data of thunderstorms in Bengbu from 1952 to 2012,the climatological variation trends,initial and ending dates,abrupt changes and periodicity features of thunderstorms during the recent 61years are analyzed by means of climatic trends,assurance ratios, Mann-Kendall abrupt change test and Morlet wavelets analysis. The results show that the interannual thunderstorm variability is great and the mean annual thunderstorm days decline because of the reducing of thunderstorm days in summer. Most thunde rstorms appear from April to September, of which July reaches the toppest. The initial thunderstorm dates occur in mid-March while the ending dates occur in late September. Interannual thunderstorm variability presents a trend of first increasing then decreasing and the significant abrupt change occurs in 1980. The thunderstorm days show 2-4 years, 10-12 years and 16 years oscillating periods for inter-annual and inter-decadal variations.

thunderstorm; climatic characteristic; Mann-Kendall abrupt change test; Morlet wavelets analysis

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.03.014

2014-08-27

国家自然科学基金(41130639)；公益性行业(气象)科研专项(GYHY201006037).

陆琴琴(1985-)，女，江苏泰兴人，工程师，南京大学硕士研修班在读，主要从事天气、气候方面的研究.

陆琴琴，汪翔，叶金印，等.1952-2012年蚌埠市雷暴气候统计特征研究[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2015，38(3)：285-289.

P446

A

1001-2443(2015)03-0285-05