东洞庭湖区城市雷暴活动规律

孟 蕾，廖玉芳，汤亦豪

(1.中国气象局气象干部培训学院湖南分院，长沙 410125；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；3.湖南省气象科学研究所，长沙 410118；4.湖南省气候中心，长沙 410118)

引 言

雷暴及伴随雷暴所产生的强对流天气对人类社会生产生活产生着重大影响。例如海面、湖面等大面积水域上，雷暴及相关强对流天气有可能严重损毁往来船只，并威胁船上人员生命安全[1]。研究雷暴的活动规律是进行防雷减灾的前提条件。有众多学者从雷暴气候特征及其变化的角度进行了深入研究。林健[2]、常煜[3]、刘维成[4]等研究指出，我国南北方雷暴主要活动时段存在显著的差异，北方雷暴多发于午后至前半夜，而南方雷暴有峰值出现在凌晨。孙丽等[5]则发现，雷暴空间分布与地形有着密切关系，山地迎风坡的强迫抬升使山地是雷暴的重要源地。程丽丹等[6]指出，除山地与平原过渡区是雷暴多发区之外，河网密集、水域分布较广的地区也是雷暴活跃地带。孔锋等[7]进一步指出，即便在相似的地理环境中，如长江流域，长江南北的雷暴分布差异也很明显，可能与长江南北水汽条件差异有关。戴建华等[8]利用更加精细化的TRMM/LS资料分析长江三角洲地区的雷电活动时指出，雷暴活跃中心不仅与主要的河流、山区有关，还与大城市所在位置有关。

姚蓉等[9]分析近40年湖南省雷暴分布特征认为，大范围雷暴时空分布及变化主要是受大型天气系统的影响。戴建华等[8]认为，小范围雷暴空间分布不均匀，是因为受到局地下垫面物理特性差异的影响，因此研究地形对于雷暴活动的影响时，以讨论下垫面物理属性差异较大的小范围地区的雷暴活动规律为宜。目前此类研究中主要以山地与平原雷暴特征对比[10]或城郊雷暴特征对比[11-12]为主，针对大型水域与城市中心雷暴活动对比的较少。岳阳城区与东洞庭湖毗邻，在较小的区域内存在大型水域和城市中心两种物理特性差异明显的下垫面。本研究利用位于东洞庭湖与岳阳市城区交界处的岳阳国家气象观测站资料，分析雷暴起止时间、持续时间、起止方位的基本规律和变化情况，探究小范围区域内下垫面属性差异对雷暴活动的影响，以期为大型水域与城市中心交界处进行防雷减灾相关工作提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源与站点介绍

选取坐落于东洞庭湖与岳阳城区之间的湖南省岳阳国家基本气象站1961-2013年每日天气现象记录为基本资料，选雷暴观测记录中每场雷暴的起止时间、起止方位进行分析。

岳阳国家基本气象站(以下简称岳阳站)位于29.3833°N、113.0833°E，是全国唯一一个建在大型水体附近且观测资料时间跨度近百年的气象观测站，至今为东洞庭湖区留下了重要的基础气候数据。岳阳站西侧是东洞庭湖，东侧是岳阳城区，湖岸线几乎呈南北向，其地理位置如图1所示。

图1 岳阳国家基本气象站地理位置

1.2 研究方法介绍

1.2.1 雷暴资料预处理方法

地面观测规范[13]中规定，雷暴观测记录中闻雷间隔时间不超过15 min记为同一场雷暴，间隔时间超过15 min记为另一场雷暴，闻雷一声仅记起始时间，这个时间既算“起始时间”，也算“终止时间”。本研究以此为标准分析每场雷暴的起止时间、起止方位和持续时间。

观测记录以20:00时为一天的分界，当一场雷暴始于20:00之前，止于20:00之后，则记录中分为两段记录，但在本研究中处理为同一场雷暴，并将该场雷暴记为前一日雷暴。一日中出现1场及以上场次雷暴则记为1个雷暴日。

1.2.2 雷暴起止时间处理方法

统计雷暴活动的起止时间时，单位时间为分钟，以每日08时为起算时间，即第0分钟，以次日07:59为结束统计时间，即第1439分钟，利用核密度估计方法[14-15]分析雷暴起始时间和终止时间的概率分布。每场雷暴的活动时间是指每场雷暴起始与终止时间之间的时间段，而每场雷暴的持续时间是指每场雷暴起始与终止时间之间的时间差，利用核密度估计方法分析雷暴活动时间和持续时间的概率分布。应用核密度估计方法分析雷暴起始时间、终止时间、活动时间和持续时间的概率分布时，选择高斯函数为核函数，前三者选择核密度估计窗宽为120，在处理雷暴持续时间时，核密度估计的窗宽选择为10。

研究中雷暴起始时间、终止时间、活动时间的主要时段是指概率密度值在平均值之上时所处的时段，5%和95%概率所对应的时间是指这些要素的累积频率分别达到5%和95%的时间。

1.2.3 雷暴起止方位统计方法

在记录雷暴起止方位时是以观测站为中心分为9个方位记录，分别是N，NE，E，SE，S，SW，W，NW和Z，Z表示测站天顶位置，出现记录Z时，表明观测员在测站天顶闻雷[13]。利用改进的风玫瑰图[16]，以观测站为中心，分9个方位统计近53年来雷暴在各方位出现的频率。研究近53年雷暴方位变化情况时，使用相对频率，即用当年某个方位出现雷暴的次数比当年总雷暴次数，则可知当年出现在该方位的雷暴占比。

1.2.4 雷暴变化情况分析及时间段确定

以线性倾向估计方法[17]分析1961-2013年东洞庭湖区雷暴日数和历年雷暴持续时间95%分位取值的变化趋势，选用Mann-Kendall 趋势检验方法[18]对其进行显著性检验，并在去线性趋势后利用Morlet小波分析法[19]分析两者的波动情况。

本研究以3-5月为春季，6-8为夏季，9-11月为秋季，12月-次年2月为冬季，以08时至20时为日间，以20时至次日08时为夜间，雷暴发生在08时则记为日间，雷暴发生在20时则记为夜间。

2 结果分析

2.1 雷暴日数特征

1961-2013年，东洞庭湖区年雷暴日数呈显著减少趋势，气候倾向率为-4.0天/10a，通过0.05水平的显著性检验(图2a)。东洞庭湖区年平均雷暴日数为34.5天/a，最多的1年中有59个雷暴日，最少的只有12个雷暴日。位于东南部的平江县地形以山地和丘陵为主，其年平均雷暴日数超过50天/a[20]，是东洞庭湖区雷暴高值区，可见局地地形对中小尺度空间范围内雷暴分布影响显著。

图2 1961-2013年岳阳站雷暴日数年际变化(a)及波动周期(b)

东洞庭湖区雷暴日数春、夏季的多，而秋、冬季的少。春季年平均雷暴日数为11.6天/a，夏季的为12.3天/a，秋季的为2.2天/a，冬季的为2.1天/a。四季雷暴日数均在减少，春、夏、秋季的显著减少，通过0.05水平的显著性检验，尤其以夏季的减少最快，气候倾向率为-1.50天/10a，其次是春季的，气候倾向率为-1.19 d/10a。

东洞庭湖区年雷暴日数存在2～4a的周期波动，在1990年以前，2a周期和4a周期都比较显著，而1990年以后，主要以4a周期比较显著，通过0.05水平的显著性检验(图2b)。

2.2 雷暴起止时间特征

东洞庭湖区90%的雷暴起始于09:30至次日07时之间，主要起始时间段约在13:30至次日05:30(图3a)；90%的雷暴终止于上午09时至次日07时，主要终止时间段约在14时至次日06时(图3b)。

春季雷暴起始时间最高概率在03—04时，主要时段在20时至次日07时；夏季雷暴起始时间最高概率在16-17时，主要时段是在12时至22:30；秋季雷暴起始时间的概率分布呈双峰型，最高概率峰值在15时左右，另一峰值出现在03-04时，主要时段在12时至21时；冬季雷暴起始时间最高概率位于02-03时，主要时段在20时至次日07时。即春、冬季雷暴多起始于凌晨，而夏、秋季节雷暴多起始于午后。夏季雷暴起始于11时至20时的概率高于其他季节的；在冬季雷暴起始于20时至次日08时夜间的概率高于其他季节的，起始于其他时段的概率则远小于其他季节的(图3c)。

春季雷暴终止时间概率最高在04-05时，主要时段在22时至次日07时；夏季雷暴终止时间概率最高在17-18时，主要时段是在13时至23:30；秋季雷暴终止时间的概率分布呈双峰型，最高概率峰值在16-17时，另一峰值出现在04-05时，主要时段在13时至23时；冬季雷暴终止时间概率最高在03时左右，主要时段在21时至次日07：30。即春、冬季雷暴多终止于凌晨，而夏、秋季节雷暴多终止于午后。夏季雷暴终止于12时至22时的概率高于其他季节的，终止于01-11时的则低于其他季节的；在冬季雷暴终止于22时至次日08时夜间的概率高于其他季节的，终止于其他时段的概率则远小于其他季节的(图3d)。

图3 1961-2013年岳阳站雷暴起止时间概率分布图

东洞庭湖区雷暴活动的日变化特征明显，太阳辐射日变化是导致雷暴日变化的根本原因[8]。夏季太阳辐射很强，在中午达到最强，地面温度往往在午后14时达到最高，尤其是位于岳阳城市中心地带，城市热岛效应更有利于大气层结趋向于不稳定[21]，进而产生对流活动。因此，当地夏季及初秋雷暴多发于午后。春季太阳辐射南多北少，东洞庭湖区位处冷暖空气交绥地带，当冷暖空气相遇产生大范围抬升运动时，尤其是洞庭湖上空水汽充足，容易形成较深厚的云层。夜间云顶辐射使云顶温度降温剧烈，同时云层将地面辐射反射回地面，起到保温作用[22]，加之春、冬季节洞庭湖面往往暖于陆地，因此云底之下相对较暖，使大气进一步变得不稳定，因此春季、冬季节雷暴多发于凌晨。

东洞庭湖区夏季雷暴多发于午后与其他针对不同下垫面的雷暴研究结果较为一致，但春季雷暴明显多发于凌晨，与其他类型下垫面地区的有显著不同，但与洪泽湖区雷暴发生时间[23]相似。这可能是太阳辐射日变化使洞庭湖与周围陆地之间的湖陆风效应[24]显著，对夜间辐合上升运动起到了加强作用。

2.3 雷暴持续时间特征

东洞庭湖区雷暴持续时间呈单峰型，最长持续时间为742 min，95%的概率在1～197 min，核密度估计峰值出现在18 min(图4a)。

四季雷暴持续时间均为单峰型，春、夏、秋、冬四季雷暴最长持续时间分别为584、742、473、307 min，四季雷暴持续时间的95%分位值分别为206、202、246、179 min，核密度估计峰值则分别出现在17、19、31、13 min(图4b)。

图4 1961-2013年岳阳站雷暴持续时间概率分布图

东洞庭湖区雷暴持续时间为秋季的最长，冬季的最短，虽然最长持续时间出现在夏季，但是多数情况下夏季雷暴持续时间短于秋季的。

2.4 雷暴起止方位特征

东洞庭湖区雷暴主要起始于岳阳观测站西边。其中，频率最高的是西南方向的，约占24.4%；其次是西方的，频率为19.5%；频率最低的是北方的，仅为4.5%(图5a)。雷暴主要终止于测站的西南、西、东南、西北和天顶方向。其中，频率最高的是西南方向的，约占17.6%；其次是西方的，占总体的14.5%；再次是东南方向的12.7%和西北方向的10.9%；北方的最低，仅5.6%。终止于天顶的雷暴概率较高，约占总体10.2%(图5b)。

图5 岳阳站雷暴起始方位频率分布

雷暴春季多起于测站西南、西、西北方向，总体呈现西多东少的形势；夏季多起于西南、东南、西和西北方向；秋季多起于东南、西南、西北方向；冬季则多起于西、西南方向；起于天顶的雷暴频率较高，约占总体的5%。雷暴春季终止方位集中在西南、西和南方，夏季的集中在西南、东南、西和西北方向，秋季的集中在西南和东方向，冬季的集中在西、西南方向。

由于雷暴起止时间多集中在午后和凌晨两个时间段，为了更加确定不同起止时间段雷暴的方位，将雷暴起止方位分为日间与夜间进行统计分析(图6)。由图6可看出，日间雷暴起始方位相较夜间的更呈均匀性，起始于北方和东北方向的最少，起始于西南方向的最多，频率达到19.3%，起始于其他方向包括天顶的则相对均匀。夜间雷暴起始方位相对集中在岳阳观测站西边，起始于西南方向的频率最高，达到29.3%，其次是起始于西方的25.5%和西北方的14.1%，其他方向的都较少。日间雷暴终止方位相较夜间的也比较均匀。雷暴终止于东南和西南方向的频率最高，分别是15.4%和14.3%，其次是天顶方向的11.8%。夜间雷暴主要终止于西南、西、东南、西北和天顶方向，频率分别为20.5%、17.8%、12.1%、10.4%和8.7%。虽然夜间雷暴起止方位都集中在西边，即东洞庭湖，但是终止于西边的频率要低于起始于西边的频率，说明夜间雷暴主要起始于东洞庭湖，且较大部分会在原方位终止，少部分移向测站天顶或东边后终止。日间雷暴起止方位则是测站东西两边分布相对均匀，终止于天顶的雷暴频率较高。

图6 1961-2013年岳阳站雷暴起止方位频率在日间和夜间的不同分布

东洞庭湖区雷暴起止方位的特征可能与3个因素有关：一是岳阳观测站位处西风带，对流系统往往自西向东传播；当对流系统自洞庭湖西边陆地进入洞庭湖湖面时，因湖面摩擦减小且水汽供应增加，对流系统容易突然加强，观测员即在湖面闻雷；当对流系统继续东移，自洞庭湖面进入城区时，摩擦增大且水汽供应减少，雷暴逐渐减弱至消亡，因此雷暴多终止于观测站天顶位置，即湖面与城区交界处。二是春、冬季雷暴多发于凌晨，而春、冬季凌晨洞庭湖湖面相对陆地往往暖湿，为雷暴的发生发展提供了有利条件，并且湖陆风效应加强了对流活动，故夜间雷暴多起始于湖面。三是洞庭湖湖面与陆地城市下垫面属性差异引起的湖风锋可能是夏季午后对流发生的触发机制[8]，因此日间雷暴起止于湖面与陆地交界处的频率高于夜间雷暴在此处的起止频率。

对比1961—2013年雷暴起止于岳阳观测站各个方向占比的变化情况(图7)发现，雷暴起始于北方、南方、天顶的频率显著增加，气候倾向率分别为0.83%/a、0.84%/a和1.06%/a；而起始于东方和西南方向的雷暴显著减少，气候倾向率分别为-0.96%/a和3.67%/a；其他方向略有增加，但不显著，未通过0.05水平的显著性检验。雷暴终止于天顶的频率显著增加，气候倾向率为2.51%/a；终止于东北、东方和西南方向的频率显著减少，气候倾向率分别为-0.91%/a、-1.89%/a和-1.76%/a；终止于其他方向的略有增加，但不显著，未通过0.05水平的显著性检验。

图7 1961-2013年岳阳站雷暴起止方位频率变化情况

将雷暴起止方位的变化情况分为日间与夜间进行统计分析(图8)可知，岳阳站雷暴起止方位在1961-2013年变化较大；日间起始于东方和西南方向的雷暴显著减少，气候倾向率分别为-2.41%/a，-1.46%/a；起始于天顶方向的显著增加，气候倾向率为1.46%/a；起始于其他方向的变化不显著。夜间起始于东方的雷暴显著减少，气候倾向率为-0.27%/a；起始于天顶方向的显著增加，气候倾向率为0.82%/a；起始于其他方向的变化不显著。日间终止于东方、西南、西北方向的雷暴显著减少，气候倾向率分别为-2.34%/a，-1.40%/a和-1.02%/a；终止于天顶方向和南方的增加显著，气候倾向率分别为3.02%/a和1.09%/a；终止于其他方向的变化不显著。夜间终止于西南、东和东北方向的雷暴显著减少，气候倾向率分别为-2.09%/a，-1.27%/a和-0.93%/a；终止于天顶的雷暴则显著增加，气候倾向率为2.93%/a；终止于其他方向的变化不显著。

图8 1961-2013年岳阳站雷暴起止方位频率在日间和夜间的不同变化情况

3 结论与讨论

(1)东洞庭湖区四季雷暴日数以夏季的最多，春季的次之，秋、冬季节的较少。雷暴日数呈显著减少的趋势，尤其是春、夏季的雷暴日减少速度最快。雷暴日数呈现周期变化，在1990年前 2a和4a的周期显著，但在1990年后主要以4a周期为主。

(2)东洞庭湖区雷暴起止时间主要集中于午后和凌晨，春、冬两季多起止于凌晨，夏、秋两季多起止于午后。秋季雷暴持续时间最长，冬季的最短。

(3)总体而言，雷暴多起始于岳阳观测站西边，多终止于西边和天顶位置。日间雷暴起止方位相对夜间的较为均匀；夜间雷暴起止方位相对集中在岳阳站西边，较大部分会在原方位终止，少部分移向岳阳站天顶或东边后终止。日间雷暴起止方位在岳阳站东西两边分布相对均匀，终止于天顶的雷暴频率较高，说明日间雷暴起止于东洞庭湖和城区的频率相当，终止于东洞庭湖与城区交界处的频率较高，太阳辐射日变化是东洞庭湖区雷暴日夜起止方位差异的根本原因。

(4)东洞庭湖区雷暴起始于岳阳站北方、南方、天顶的频率显著增加，起始于东方和西南方向的雷暴显著减少；雷暴终止于岳阳站天顶的频率显著增加，终止于东北、东方和西南方向的频率显著减少。据此，可以认为随着近些年岳阳城市化建设，雷暴起止于水域与城区交界处的概率显著增加，大型水域与城区交界处有可能成为触发雷暴新生或加强的有利条件。

(5)东洞庭湖区日间雷暴起止于岳阳站东西两侧的情况显著减少，起止于天顶及南北方向的则呈增加的趋势。夜间起始于东北方向的雷暴显著减少，起始于天顶和其他方向的雷暴增加；夜间终止于偏东偏南方向的雷暴减少，终止于天顶和西北方向的雷暴增加。雷暴起止方位昼夜差异明显的原因，很有可能是观测站地处岳阳中心城区与东洞庭湖水域交界处，受城市热岛效应与湖陆风[25]的昼夜变化影响明显。这与陈翔等[23]对洪泽湖区、杨薇等[26]对太湖地区雷暴活动的讨论相符，也与徐蓉等[27]对南京不同下垫面对雷暴过程的模拟研究结果相近。

本研究利用岳阳气象观测站资料，分析了东洞庭湖与岳阳城区交界处雷暴的活动特征，发现随着大型水域周围城市化的发展，大型水域与城区交界处很有可能成为触发雷暴新生或加强的有利条件，但本研究是基于人工雷暴观测记录，观测数据时空分辨率较低，以后尚需利用高分辨的雷达资料，进一步分析和确定大型水域和城区交界处的雷暴活动特征。