近33年来乌鲁木齐地区雷暴时空变化特征及趋势预测分析

赵德龙　曹兴　万瑜

摘要利用1981—2013年新疆乌鲁木齐地区逐月雷暴日数资料，采用线性趋势拟合、Mann-Kendall突变检验、R/S趋势分析以及克里金空间插值等方法，探讨乌鲁木齐地区复杂地形下的雷暴日数的时空分布规律及未来变化趋势。结果表明，近33年来乌鲁木齐地区雷暴空间分布总体表现为山区多于平原、南部多北部少的特征，南部山区为雷暴多发中心，城区、北部平原区及达坂城谷地为低值区域；乌鲁木齐地区雷暴日数呈波动下降趋势，气候倾向率为-1.67 d/10 a；山区下降最为显著，其次为平原区，城区表现为不显著的下降过程；雷暴主要集中在5—8月，7月雷暴频率最高，10月—次年3月基本無雷暴发生。突变检验分析表明，近33年来各区均未出现显著性下降的突变过程，却存在明显的Hurst现象，未来变化趋势存在较强的持续性，即仍将维持下降的态势，城区的持续性强度不大。

关键词雷暴；时空变化；突变；趋势预测

中图分类号P446文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）20-0165-04

AbstractUsing the monthly thunderstorms data in Urumqi during 1981-2013， the linear trend fitting， MannKendall mutation test， R/S trend analysis and Kriging space interpolation were used to explore the temporal and spatial distribution law and future trends of thunderstorms days in complex terrain of Urumqi.The results showed that the spatial distribution of thunderstorms in Urumqi was characterized by the mountainous area more than plain and south more than north.The southern mountainous area was a thunderstorm multicenter，the urban area， northern plain and Dabancheng valley were lowvalue areas.The thunderstorm days in Urumqi region showed a trend of falling volatility and climate tendency rate was -1.67 d/10 a.The mountain area was the most significant decline， followed by the plain area，and the decline process performance was not significant in urban area.Thunderstorms were mainly concentrated from May to August， the frequency of thunderstorms was highest in July， almost no thunderstorms occurred from October to next March.Mutation test analysis showed that the district had not been significant decline mutation process in the past 33 years， but there was an obvious phenomenon of Hurst， future trends exist strong sustainability， which will remain down trend， urban sustainability strength is not big.

Key wordsThunderstorm； Temporal and spatial variation； Mutation； Trend prediction

雷暴是我國夏季常见的重大灾害性天气之一，常与突发性暴雨、冰雹和雷雨大风等剧烈天气现象相联系，给国民经济建设和人民生命财产带来重大的损失。鉴于雷暴的危害性，许多学者对雷暴活动的气候统计特征展开了广泛而深入的研究，并取得了一定的成果[1-6]。张敏锋等[4]统计分析了我国104个台站30年雷暴资料，得出我国大部分地区雷暴频数在波动中呈减少的趋势；李照荣等[7]研究指出，西北地区雷暴总的特征是高原和山区雷暴多，河谷、盆地和沙漠雷暴少。

雷暴产生于中尺度对流天气系统，局地和时效特征明显，其时空分布与区域气候条件、地形和下垫面性质等因素相关[5]。乌鲁木齐市地处欧亚大陆腹地，地形复杂，区域小气候差异大，相比我国东部地区，总体雷暴发生频数少，但受地形等因素影响，夏季雷暴天气常常发生。在气候变暖的大背景下，极端天气事件频发。笔者利用1981—2013年新疆乌鲁木齐地区逐月雷暴日数资料，采用线性趋势拟合、Mann-Kendall突变检验、R/S趋势分析以及克里金空间插值等方法，深入分析乌鲁木齐小区域气候背景下的各区雷暴时空特征及未来变化趋势，为做好精细化防雷减灾工作提供依据。

1资料与方法

1.1资料来源选取1981—2013年乌鲁木齐地区6个气象观测站的逐月雷暴观测资料，研究区地理环境特征及观测站点位置见图1。

依据《地面气象观测规范》，20∶00—次日20∶00出现雷暴，记为一个雷暴日（一天内出现多次雷暴也记一个雷暴日）；选择小渠子、天山区、蔡家湖分别作为山区、城区、平原区代表站，3站平均值作为乌鲁木齐区域平均值。

1.2分析方法空间分布上采用克里金插值法；时间序列上，采用线性拟合、Mann-Kendall突变检验、R/S趋势分析等方法[8]，为检验气候要素转折是否达到突变的标准，对各转折年份突变点进行信噪比S/N检验，公式如下：

S/N=xa-xbSa+Sb

式中，xa、xb、Sa、Sb分别为转折年份前后2段要素的平均值和标准差，规定S/N>1时，则可以认为这个年份存在要素的突变，否则不存在突变。

2结果与分析

2.1雷暴日数的空间分布特征

由图2可知，近33年乌鲁木齐地区年平均雷暴日数为6.0～21.3 d，由于受地形、海拔等因素的影响，雷暴日数空间分布区域差异显著，总体表现为山区多于平原、南部多北部少的特征。雷暴日数的高值中心位于南部山区，随着海拔的下降，雷暴日数呈大幅度减少的趋势，城区、平原区及达坂城谷地为相对的低值区域，其中山区年平均雷暴日数为25.9 d，城区、平原区、达坂城谷地分别为4.9、7.2、5.2 d，均远远低于南部山区。结合中华人民共和国国家标准（GB50343—2012）雷暴日等级划分，乌鲁木齐地区无强雷区和多雷区，山区属于中雷区，城区、平原区、达坂城谷地属于少雷区。

为进一步分析雷暴日数和海拔的关系，建立平均雷暴日数（y）和海拔（x）的線性方程为：y=0.018x-5.4（R2=0.84），即海拔增高100 m，平均雷暴日数增加0.18 d，雷暴日数与海拔存在显著的相关性，相关系数达0.92。由此可见，乌鲁木齐地区雷暴日数的空间分布特征与地形关系密切。有研究认为[9]，山区水汽相对充沛，山地抬升作用可导致上升气流加速，热力效应可使底层大气中产生气旋性辐合，水汽和热量集中时易产生不稳定的层结，利于对流云的形成和发展。

2.2雷暴日数的时间分布特征

2.2.1年际变化特征。

由图3可知，乌鲁木齐地区平均雷暴日数为12.7 d，年际变化范围为6.0～21.3 d；雷暴日数的年际变化特征总体呈波动下降趋势，其气候倾向率为-1.67 d/10 a（P<0.05）。相关研究表明，在时间序列上，雷暴日数的变化与影响新疆的低值系统和伊朗副高的强弱具有密切的关系，夏半年北半球极涡强度的减弱，影响新疆低值系统的强度以及频率亦有所减弱（少），伊朗副高较为活跃，强度增强，在一定程度上抑制了影响新疆低值系统的活动，是造成雷暴日数呈下降趋势的主要原因[10]。

进一步分析表明，1981—2013年乌鲁木齐地区雷暴日数以20世纪80年代增多，为15.6 d，总体呈正距平状态；20世纪90年代，负距平年份逐步增多，年代平均雷暴日数下降至12.3 d；2001—2010年，雷暴日数下降幅度增大，负距平越明显，下降趋势进一步加快，年代均值达到最低值，较20世纪80年代下降了近一半。总体而言，1995—2010年雷暴日数呈负距平状态，为雷暴相对少发时期。

由表1可知，近33年来乌鲁木齐各区雷暴日数均呈波动下降过程，山区下降最为显著，倾向率为-3.23 d/10 a；平原区次之，倾向率为-1.54 d/10 a；城区最小，倾向率为-0.25 d/10 a，呈不显著的下降过程。标准差分析表明，山区的标准差远大于城区和平原区，说明在时间序列上，山区雷暴日数年际变化明显，过程不稳定，城区雷暴日数呈低水平的波动下降过程。进一步相关性分析得出，山区、城区、平原区的雷暴日数与乌鲁木齐地区呈极显著的相关性，相关系数分别为0.947、0.803、 0.808（P<0.01），表明山区对乌鲁木齐地区雷暴日数减少贡献率最高。

为深入分析乌鲁木齐地区异常雷暴事件，引入气候异常事件和严重事件的判断标准。将雷暴日数距平达到2倍标准差的事件划为异常事件。结果表明，近33年乌鲁木齐各区未出现雷暴异常偏少年份；山区、城区、平原区均出现异常偏多年，分别为1984、2012、1995年，其中山区1984年出现近33年来最大值（41.0 d），远超平均日数。从大的尺度可知，20世纪80年代乌鲁木齐地区雷暴活动比较频繁，90年代和2001—2010年雷暴活动相对减少，但2011—2013年又进入相对频繁期，这可能与近年来极端灾害性天气频发有关。

2.2.2月际变化特征。

由图4可知，近33年来乌鲁木齐地区月平均雷暴日数呈单峰型，从4月开始，雷暴发生频数开始增多，在6—7月达到年内雷暴发生高峰时期，8月开始回

落，10月—次年3月进入雷暴少发期。雷暴日数主要活动期出现在4—10月，其中5—8月最为集中，占年雷暴总日数的95.0%，7月雷暴出现频率最高，占总数的33.9%，6月次之，占总数的30.4%。夏季雷暴日数占全年的82.6%，春季雷暴日数占全年的14.2%，秋季雷暴出现最少，仅占全年的3.2%。进一步对山区、城区、平原区的雷暴日数月际特征分析得出，各区月际分布表现为较强的趋同性，均呈明显的单峰型，其中雷暴日数较多月份依次为7、6、8月，其他月份几乎无雷暴发生。分析认为，造成乌鲁木齐地区雷暴日数月际分布差异的主要原因是：4月随着大气环流的调整，气温回升，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，至7月空气中水汽含量最充足，雷暴现象最多，8月以后，随着气温回落，热力不稳定条件减弱，雷暴发生次数开始减少。由于冬季干冷，大气层结稳定，不具备雷暴发生的条件。

2.2.3突变特征。Mann-Kendall非参数统计检验法结果表明，近33年乌鲁木齐地区雷暴日数UF曲线总体呈先升后降的趋势，20世纪80年代前期雷暴日数表现为波动上升的过程；在1986年，UF曲线由正转负，减少态势开始突显，雷暴日数也由增加趋势转为减少趋势，并在1990年前后与UB曲线出现交点，突变点位于显著性区域内，经信噪比检验S/N=0.56，突变点未通过显著性检验，且1990年前后两段时间序列的雷暴日数均值变幅仅为4.3 d，说明乌鲁木齐地区雷暴日数未出现明显减少的突变趋势。在2001年后 UF曲线超过临界值，雷暴日数减少趋势显著增强，但在2011—2013年雷暴日数减少趋势变缓。

进一步对山区、城区、平原区雷暴日数的突变分析表明，城区在时间序列上UF曲线与UB未出现交点，仅在1984年雷暴日数表现为由上升转为下降的过程；山区和平原区在临界范围内UF曲线与UB均出现交点，分别为1991年（S/N=0.54）、1986年（S/N=0.33），均未通过信噪比检验，说明近33年来乌鲁木齐各区雷暴日数总体表现为波动下降趋势，但均未出现显著下降的突变特征。

2.2.4变化趋势。

根据R/S分析计算得出的Hurst指数值可知，近33年乌鲁木齐地区雷暴日数的Hurst指数值达0.89，持续性达到很强的标准，表明雷暴日数未来还将维持过去的变化趋势，亦即维持过去雷暴日数下降的变化趋势，且持续性强度大。进一步分析表明，乌鲁木齐各区雷暴日数未来变化趋势存在明显的Hurst现象，Hurst指数值表现为平原区>山区>城区。其中平原区Hurst指数值达到0.90，趋势持续性最强，其次为山区，而城区Hurst指数值仅为0.67，表明未来趋势仍将维持下降趋势，但下降趋势的持续性远弱于其他区域，结合近33年来城区雷暴日数表现为不显著的下降趋势，可推断未来城区雷暴日数的变化趋势维持下降的持续性强度不高，一定程度上保持相对稳定状态。

3结论

（1）近33年乌鲁木齐地区雷暴空间分布总体表现为山区多于平原、南部多北部少的特征，南部山区为雷暴日数高值区，城区、北部平原区及达坂城谷地为相对低值区域。海拔与雷暴日数存在显著的相关性，地形是影响空间分布差异的重要因素。

（2）近33年乌鲁木齐地区雷暴日数总体呈波动的下降趋势，气候倾向率为-1.67 d/10 a。其中山区下降趋势最为显著，其次为平原区，城区表现为不显著的下降过程。总体而言，20世纪80年代乌鲁木齐地区雷暴活动频繁，1995—2010年为雷暴相对少发时期。

（3）近33年乌鲁木齐地区月平均雷暴日数呈单峰型，

5—8月最为集中，其中7月雷暴出现频率最高。夏季占全年

雷暴日数的82.6%，春季次之，秋季雷暴出现最少。山区、城区、平原区雷暴日数月际分布表现为较强的趋同性，均呈明显的单峰型。

（4）突变检验分析表明，近33年乌鲁木齐地区雷暴日数总体表现为波动下降趋势，但均未出现显著下降的突变特征。R/S趋势分析结果得出，乌鲁木齐各区雷暴日数未来变化趋势存在较强的持续性，即雷暴日数未来仍将维持下降趋势，但城区维持下降趋势的持续性强度不大。

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