近80年天津市雷暴日数变化特征研究

闫军辉，王 娟，卢 山，王义民*，兀艺凡， 王黎明，马 煜，崔 越

(1.信阳师范学院 地理科学学院,河南 信阳 464000; 2.信阳师范学院 河南省水土环境污染协同防治 重点实验室,河南 信阳 464000; 3.陕西省气候中心,陕西 西安 710014; 4.固始县气象局,河南 信阳 465200; 5.信阳师范学院 气候与环境演变重点实验室,河南 信阳 464000)

0 引言

雷暴日数作为一种中小尺度天气系统的局地强对流天气，常造成人畜伤亡，建筑物、电力设备或通信设施毁坏，引发森林火灾，给人民生命财产安全造成严重威胁.我国每一百万人中大约有0.53人死于雷击，高于美国和英国等发达国家[1].雷电灾害已被列为“最严重的十种自然灾害之一”和“电子时代的一大公害”，因而雷暴活动规律研究引起众多学者的关注.例如有学者基于EOF和主值函数分析等方法，分析了我国年平均雷暴日数的时空分布特征，指出雷暴日数总体在波动中呈减少趋势[2]156-162.区域雷暴日数也呈类似变化趋势[3]，并于20世纪后期发生了减少性的突变[4-6].也有学者采用数理统计方法，对河南省雷暴日数时空分布的非均一性进行了分析，结果显示河南省绝大多数地区的雷暴日数服从正态分布，站点之间偏度和峰度系数具有明显的年际变化特征[7].然而，随着雷暴日数的减少，部分地区雷暴初日和终日却呈现开始早、结束晚的趋势[8].尽管前人做了大量研究，但多集中于过去几十年雷暴日数的变化，时间尺度相对较短.不同于过去百年局地气候变化[9]1176-1183[10-11]，雷暴日数在更长时间尺度上的变化研究相对较少.本文利用天津市1934—2013年逐月雷暴日数资料，分析该地区雷暴日数的阶段性变化、变化速率和突变时间，旨在揭示天津市雷暴现象的变化规律，可为雷电预警、预报及防雷决策等提供理论依据.

1 资料来源和研究方法

1.1 资料来源

论文所用资料为1934—2013年天津市逐月雷暴日数资料.其中，1934—1960年逐月雷暴日数来自《天津气象资料1890—1960》,1961—1970年逐月雷暴日数来自《1961—1970中国天气日数资料》,1971—2013年逐月雷暴日数资料源自《中国地面气象资料年册》.根据气象观测规范定义，只要一日中观测到或闻雷，无论其持续时间长短，均定义为一个雷暴日，年雷暴日数为一年内各月雷暴日数的总和.太平洋年代际震荡指数(Pacific Decadal Oscillation Index,PDOI)数据来自美国大气与海洋联合研究所(http:∥research.jisao.washington.edu/pdo/).

1.2 研究方法

1.2.1 最优分割法

为更精确地分析天津市雷暴日数的阶段性变化特征，本文采用最优分割法对序列进行冷暖时段划分.该方法是对一批有序数据进行分段的统计方法，分段的结果使段内数据之间的差异最小，而各段之间的差异最大[12].我们可以用离差平方和来表示分段内(间)的差异.假设将n个有序样品分割成L段，分段后总的离差平方和T可分解为段内离差平方和W和段间离差平方和B：

T=W+B,

(1)

(2)

(3)

1.2.2 滑动线性倾向率

论文采用回归方法计算天津市年雷暴日数的逐年变化趋势.为更精确分析近80 a天津市雷暴日数的多年代变化特征，论文采用30 a滑动方法，滑动计算每30 a雷暴日数的线性趋势，采用最小二乘法拟合其线性倾向率，并估算其95%置信区间[9]1177[13].若xi为ti年天津市雷暴日数，则气候倾向率k公式为：

(4)

1.2.3 滑动t检验

(5)

其中，

(6)

t统计量遵从自由度n1+n2-2的t分布.给定显著性水平α，若|ti|>tα，则认为基准点前后的两子序列在基准点时刻出现了突变[14]63-65.

2 结果与分析

2.1 雷暴日数阶段变化

1934—2013年天津市年雷暴日数变化曲线如图1.由图1可知，近80 a天津市年均雷暴日数为26.3 d，根据中华人民共和国国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB 50343—2012)[15]，年平均雷暴日数大于25 d，不超过40 d，属于中雷区.天津市年雷暴日数年际差异显著，最大值为43 d，出现在1967年；最小值仅为6 d，出现在1934年.线性拟合显示，1934—2013年天津市逐年雷暴日数呈不显著增加趋势，变化速率为0.6 d/10 a，回归方程未通过0.05显著性检验.

图1 1934—2013年天津市雷暴日数变化

最优分割线显示，过去80 a天津市年雷暴日数大致经历“少—多—少”的多年代际波动，可将其划分为3个时段：1934—1953年雷暴日数相对较少，该时段年均雷暴日数为21.2 d，多数年份(15 a，占该时段75%)雷暴日数在均值以下.其中，雷暴日数最多为38 d，出现在1941年；最少仅为6 d，出现在1934年，最多年雷暴日数比最少年多32 d.1954—1996年时段是雷暴现象多发期，属雷暴日数较多的时段，该时段年均雷暴日数达29.4 d，约2/3年份的雷暴日数在均值以上，1967年雷暴日数最多(43 d)，1981年最少(15 d)，极差为28 d.1997年开始，天津市雷暴日数开始急剧减少，1997—2013年平均雷暴日数为24.3 d，雷暴日数最多年份(1998年,31 d)比最少年份(2010年,12 d)多19 d.对比3个时段雷暴日数标准差可知，1997—2013年标准差最小，为5.6 d；1934—1953年最大,为8.5 d.表明第一个时段雷暴日数波动较为剧烈，21世纪初以来雷暴日数波动则较为平缓.这一特征在3个时段内的极差上也有所体现(表1).

表1 1934—2013年天津市雷暴日数阶段变化

2.2 雷暴日数月变化

近80 a天津市雷暴日数月变化呈典型的“单峰型”结构(图2)，偏度为1.130，正值表明天津市月均雷暴日数为正偏(右偏)；峰度为-0.156，负值表明月均雷暴日数曲线比较平缓.从月平均雷暴日数变化曲线可知，天津市冬季没有雷暴现象出现，3月与11月雷暴日数极少，二者平均雷暴日数不足全年的1%;4、5月雷暴日数相对3月份明显增多，两个月平均雷暴日数约占全年雷暴日数的13.4%;6～8月为雷暴日数高发期，并于7月达到峰值，夏季3个月平均雷暴日数为19.6 d，占全年雷暴日数的75%;天津市雷暴日数从9月份开始减少，9～10月平均雷暴日数为3 d，占全年雷暴日数的11.4%.由此可知，1934年以来天津市月均雷暴日数主要集中在夏季6～8月，雷暴活动具有明显的集中性和季节性特点.这一特点可能与天津市的气候特征有关：天津市东临渤海，夏季高温潮湿,随着太平洋高压增强并逐渐北移，潮湿的东南季风沿着高压的西侧向北移动，带来大量的暖湿空气,一旦有弱的中小尺度天气系统移来，很容易形成局地强对流天气;冬季冷空气占主导地位，空气对流运动较弱，没有雷暴现象发生.

图2 1934—2013年天津市雷暴日数逐月变化

2.3 雷暴日数年际变化

由图1可知，1934—2013年天津市雷暴日数呈不显著增加趋势(回归方程未通过0.05显著性检验).尽管天津市雷暴日数在百年尺度上线性趋势不明显，但在多年代际尺度上呈多次显著增加和减少趋势.由图3(a)可知，过去80 a天津市雷暴日数存在“增加—减少—增加—减少”的变化趋势.1934—1980年与1965—2002年时段内，天津市雷暴日数30 a滑动变化速率均为正值；1952—1993年与1974—2013年两时段的滑动变化速率为负.表明前两个时段雷暴日数呈增加趋势，后两个时段则呈减少趋势.其中，最大增加速率出现在1942—1971年，一元线性回归拟合显示，线性倾向率为4.46±3.3 d/10 a(95%置信区间，下同)，回归方程通过0.01显著性水平检验.天津市年雷暴日数30 a尺度上的最大减少速率发生于1955—1984年，其线性倾向率为-3.07±3.18 d/10 a，回归模型F检验统计量值为3.895，未通过0.05显著性检验(sig.=0.058).以上分析也表明，过去80 a天津市雷暴日数增减呈不对称性变化，雷暴日数增加速率高于减少速率.

2.4 雷暴日数突变

滑动t检验检测1934—2013年天津市雷暴日数的突变结果见图3(b).序列样本量为80，选取的子序列长度为15 a，给定显著性水平α=0.01下t统计量的信度值为±2.47，滑动t统计量超过99%置信线的峰值即为突变年份.从图中可以看出，在30 a时间尺度上，t统计量超过0.01显著性水平的峰值点有2个，其中1954年为正值，1997年为负值，表明在30 a尺度上，天津市雷暴日数出现过2次明显的突变.其中，在1954年发生了由少转多的转折，1997年则经历一次由多转少的明显突变.

(a)为天津市雷暴日数30 a尺度滑动线性速率,

2.5 雷暴日数与太平洋年代际震荡指数(PDOI)对比

在年代际尺度上，雷暴日数的变化与太平洋年代际震荡有关.研究表明，春季PDOI与江苏省夏季雷暴日数的变化趋势几乎相反[16]，天津市雷暴日数与PDOI关系也呈类似规律.过去80 a，天津市年雷暴日数与PDOI大致呈反相位关系：1934年至20世纪40年代初，PDOI为正，雷暴日数相对较少；20世纪40年代末至70年代后期，PDOI转为负值，天津市雷暴日数主要以正距平为主；进入21世纪后，PDOI为负距平，天津市雷暴日数逐渐增加;然而20世纪80年代至90年代末，PDOI为正值，但天津市雷暴日数仍以正距平为主，二者相位相同，变化趋势一致，出现了同步变化的现象(图4)，产生此种现象的原因，有待于进一步研究.

3 讨论与结论

3.1 讨论

已有研究表明：我国南方及东北地区雷暴日数存在显著年代变化，20世纪80年代的频次明显偏高,20世纪最后30年，我国大部分地区雷暴频数在波动中减少[2]156-162，但由于21世纪初雷暴频次逐渐增加，导致南方地区1980—2010年没有显著的线性趋势[17].天津市1954—1996年雷暴日数相对偏多，1974—2013年雷暴日数30 a滑动变化速率为负，表明近40 a天津市雷暴日数呈减少趋势，且变化速率未通过0.05显著性水平检验.这与前人研究结论基本一致.本文研究还表明，尽管1965年开始，天津市雷暴日数先后出现“增加”和“减少”变化趋势，但从更长时间尺度上看，增加与减少速率均未超过20世纪50年代以前的水平.进入21世纪后，PDOI为负距平，天津市雷暴日数逐渐增加.20世纪80年代至90年代末，PDOI为正值，但天津市雷暴日数仍以正距平为主，二者相位相同，变化趋势一致，出现了同步变化的现象，导致这一现象出现的原因有待进一步分析.

(a)为1934—2013年天津市雷暴日数,

3.2 结论

利用天津市1934年以来逐月雷暴日数资料，分析了过去80 a天津市雷暴日数的变化特征，主要结论如下：

1)1934—2013年天津市雷暴日数多年平均值为26.3 d，其中最大值(1967年,43 d)比最小值(1934年,6 d)多37 d；近80 a天津市雷暴日数经历“少—多—少”的多年代际波动,1934—1953年与1997—2013年相对较少，多年雷暴日数均值分别为21.2 d和24.3 d；1954—1996年则相对较多，多年雷暴日数均值达29.4 d.

2)近80 a天津市雷暴日数月变化呈典型的“单峰型”结构.集中发生在6～8月，平均雷暴日数为19.6 d，占全年雷暴日数的75%；其次为4、5月和9、10月；3月和11月雷暴日数较少，冬季未发生雷暴现象.

3)30 a滑动变化速率显示,过去80 a天津市雷暴日数出现多次增加和减少过程.其中，最大增加速率出现在1942—1971年，线性倾向率为4.46±3.3 d/10 a；最大减少速率发生在1955—1984年，其线性倾向率为-3.07±3.18 d/10 a，未通过0.05 显著性检验.尽管天津市雷暴日数自20世纪70年代末开始出现多次增减过程，但其增加与减小速率均未超出以前水平.

4)滑动t检验显示在30 a尺度上，天津市雷暴日数分别于1954年和1997年发生两次突变.前者雷暴日数由少转多，而后者则由多转少.