华山黄山地区雷暴变化特征及其规律分析

褚荣浩， 李 萌， 姚叶青， 侍永乐， 杨 彬， 王传辉， 张永红， 慕建利

(1.安徽省公共气象服务中心，合肥 230031； 2.安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；3.渭南市气象局，陕西 渭南 710014； 4.中国气象局公共气象服务中心，北京 100081)

引 言

雷暴(Thunderstorms)是一种发生于热带和温带地区的局地性强对流天气，是一种会带来天气剧烈变化的气象灾害。雷暴发生时可能伴有雷击、闪电、强风、显著降水等天气现象。雷暴通常发生于春季和夏季，如夏季午后。雷暴在特定条件下可聚合发展成中尺度对流系统，其中干雷暴可通过云地间放电造成火灾，对人类生命财产安全造成重大危害[1]。此外，雷暴的发生也对农林、交通、通讯、航空航天、地面建筑物等国民经济建设的诸多方面产生极大的影响[2]。

目前，关于雷暴的研究已有很多，包括中国[2]、华南地区[3]、安徽[4]、广东[5]、新疆[6]、青藏高原[7]、湖南[8]、内蒙古[9]、河南[10]和机场[11]等地区，其中涉及的研究方向主要包括雷暴时空分布特征、周期变化特征、气候特征和影响因素等。然而，针对华山、黄山等山岳型地区雷暴变化特征及其规律分析的研究仍相对偏少。在前人的研究中，王凯等[12]利用闪电定位系统资料，对皖南山区地闪发生频次、强度、时间及空间等分布特征进行了分析，研究发现皖南山区地闪密度要高于全省平均值。尹恒等[13]对武当山风景区雷暴气候特征进行分析，指出该地区雷暴地域分布南部的多于北部的，高山的多于低山的，潮湿地区的多于干燥地区的。王学良等[14]探究了湖北省山区与平原雷电分布特征，发现山区地闪密度略高于平原的。此外，现有研究只简单统计分析了雷暴发生的方位特征，而针对其转变特性的研究仍未展开。旅游景区尤其是山岳型地区的雷电防护近年来备受关注，旅游旺季正值雷暴多发期，其对景区内索道的安全运行也产生重要影响。因此，全面掌握华山、黄山等山岳型地区雷暴气候特点，对于开发完善当地旅游资源、科学运营管理、减少灾害损失具有重要意义[13，15]。

本研究以华山和黄山两个典型山岳型地区为例，精细化地探讨了华山和黄山周边站点雷暴逐年、逐月发生日数的变化特征，逐时雷暴发生次数、持续时间和发生方位次数及其转变特征，并对其发生机理进行了初步探讨，以期填补该方面的研究空白，同时为山岳型地区雷暴的监测、预警、预报、防雷减灾和风险评估等提供理论依据和科学指导。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究以山岳型地区华山和黄山及其周边为研究区域。其中，华山位于陕西省渭南市华阴市境内，为五岳之一，南接秦岭，北瞰黄渭，国家AAAAA级旅游景区，地处109°57′-110°05′E、34°25′-34°00′N，东西长15 km，南北宽10 km，总面积约148 km2，属暖温带大陆性季风气候。华山气象站，始建于1952年，位于华山西峰，海拔2064.9 m，陕西省唯一的高山气象站。黄山位于安徽南部黄山市境内，属于世界文化与自然双重遗产，世界地质公园，国家AAAAA级旅游景区，地处118°01′-118°17′E、30°01′-30°18′N,南北长约40 km，东西宽约30 km，总面积约161 km2，属亚热带季风气候。黄山气象站，始建于1955年，位于黄山光明顶，海拔1840.4 m，是华东地区海拔最高的气象站。

本研究所采用的雷暴数据分别来源于陕西省气象信息中心和安徽省气象信息共享平台，包括华山和黄山及其周边常规气象观测站点的逐日雷暴观测资料，观测资料包括逐日雷暴发生的开始和结束时间，以及雷暴发生及其转变的方位。具体气象站点的雷暴数据信息如图1和表1所示。2015年1月1日至2019年9月30日华山和黄山及周边闪电定位资料来源于陕西省和安徽省ADTD闪电定位系统。

图1 华山(a)和黄山(b)周边站点地形和地理位置信息

表1 华山和黄山周边常规气象观测站点概况和雷暴资料信息

1.2 研究方法

本研究采用一元线性回归方程计算各站点逐年雷暴日数的变化趋势；采用Mann-Kendall突变点检验，对雷暴日数进行突变检验[14]；此外，采用统计学方法对雷暴变化特征及其规律进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 华山和黄山周边站点逐年雷暴日数变化特征

统计结果(表2)显示，华山周边站点年平均雷暴日数以华山的最多，达24.8天，其中年最多雷暴日数为49天，年最少雷暴日数为8天；华山周边年平均雷暴日数以渭南的最少，为12天，其中年最多雷暴日数为21天，最少雷暴日数为5天；华山周边5站点总体年均雷暴日数由大到小依次为华山的>潼关的>华阴的>华州的>渭南的。黄山周边站点年平均雷暴日数以屯溪的最多，达54.8天，其中年最多和年最少雷暴日数分别为84天和28天；黄山周边站点年平均雷暴日数以无为的最少，为29.4天，其年最多和年最少雷暴日数分别为52天和11天；黄山周边站点年均雷暴日数由大到小依次为屯溪的>黟县的>黄山的>铜陵的>芜湖县的>无为的。总体而言，黄山周边站点年均雷暴日数均明显多于华山周边站点年均雷暴日数。该现象可能与纬度因素有关，由于南方的热力及不稳定能量明显大于北方的，致使雷暴呈现南多北少的分布特征。结合图1，华山周边站点雷暴日数呈现出由华山向东西两侧递减的趋势，黄山周边站点雷暴日数呈现出山区的多、平原的少、南部较多的变化趋势。上述结论与程向阳[4]、王婷波[16]等的研究结果基本一致，即由于地形的抬升作用，垂直上升气流的速度增加，从而促进对流云发展，并易于形成不稳定层结，从而产生雷暴。

表2 华山和黄山周边气象站点雷暴日数 天

华山周边5站点逐年雷暴日数变化趋势及其M-K检验如图2所示。从图2中可以看出，华山周边5站点雷暴日数在对应年份内均呈现出明显的下降趋势，减少速率绝对值由大到小依次为潼关的(-0.31天/a)>华山的(-0.25天/a)>渭南的(-0.20天/a)>华阴的(-0.14天/a)>华州的(-0.14天/a)，且上述5站点雷暴日数在2000年之后减少速率均明显加快。各站点雷暴日数的UF统计量和UB统计量的交点(突变点)大致位于2003年、2009年、2000年、2003年和2008年左右。蔡新玲[17]和李亚丽[18]等研究表明，陕西省雷暴日数总体呈现出南北部多、关中平原少的分布特征，这也与本文的研究结果基本一致。

黄山周边6站点逐年雷暴日数变化趋势及其M-K检验如图3所示。从图3中可以看出，黄山周边6站点雷暴日数除芜湖县的(-0.05天/a)呈略微减少趋势外，其余5站点雷暴日数均呈明显减少趋势，对应减少速率绝对值由大到小依次为屯溪的(-0.40天/a)>黟县的(-0.37天/a)>铜陵的(-0.33天/a)>无为(-0.26天/a)>黄山的(-0.18天/a)>芜湖县的(-0.05天/a)。与华山周边5站点雷暴日数减少速率相比，黄山周边站点雷暴日数减少速率较快。此外，与华山相反，黄山周边6站点雷暴日数减少趋势在2000年以后明显放缓，总体呈现略微增加的趋势。总体而言，华山和黄山周边站点雷暴日数在对应年份内均呈现出明显的下降趋势，这与国内学者的研究结果基本一致[1，5，7，10，19-23]。程向阳等[4]研究表明，雷暴日数的减少可能是由于大气上升运动的减弱。在气候变暖的背景下，大气环流趋于纬向特征，经向环流变弱，减弱冷空气的强度、频率及抬升动力，从而不利于雷雨云的形成。各站点雷暴日数的UF统计量和UB统计量的交点(突变点)大致位于1986年、1992年、1990年、1982年、1998年和1975年左右。与华山周边站点雷暴突变年份(2000年以后)相比，黄山周边站点雷暴突变年份均有所提前。孔锋等[2]研究表明，中国、东北、北方、西北东部、西北西部、西藏、西南和东南地区的年均雷暴日数发生突变的年份大致在1992年、1994年、1996年、2000年、1994年、1963年及2005年、1989年和1994年，该结论与本文的研究结果基本一致。此外，上述研究还表明，中国年均雷暴日数除受地形和环境因素影响外，还可能与全球大气和海洋环流有密切联系。

图2 华山周边5站点逐年雷暴日数变化趋势及其M-K检验

图3 黄山周边6站点逐年雷暴日数变化趋势及其M-K检验

2.2 华山和黄山周边站点逐月雷暴日数变化特征

华山和黄山周边站点逐月雷暴日数变化特征如图4所示。从图4(a)可以看出，华山周边站点逐月雷暴日数总体分布趋势与表2中年平均雷暴日数分布趋势类似，且各站点月雷暴日数均呈现出“单峰型”变化特征，峰值均出现在7月。月均雷暴日数从大到小依次为华山的(8天)>潼关的(5.5天)>华阴的(4.9天)>华州的(4天)>渭南的(3.7天)。然而，在1-3月和11-12月，各站点几乎均无雷暴发生。与图4(a)相比，黄山周边站点逐月雷暴日数(图4b)总体呈现出“双峰型”变化特征，峰值分别出现在4月和7月(其中黄山和黟县为8月)。从1月至4月，各站点月雷暴日数呈现明显的增加趋势，之后在5月呈现出略微的减少趋势，随即又呈现明显的增加趋势，至7月或8月达峰值，且7月和8月雷暴日数差异较小，之后呈现出明显的下降趋势，且在10-12月降至最低值，波动较小。在4月次峰值时，各站点雷暴日数大小依次为屯溪的(5.8天)>黟县的(5.2天)>黄山的(4.3天)>铜陵的(3.4天)>无为的(3.0天)>芜湖县的(2.7天)；而在7月峰值时，各站点雷暴日数大小转变为屯溪的(12.2天)>黟县的(12.0天)>黄山的(11.3天)>铜陵的(9.7天)>芜湖县的(9.5天)>无为的(7.8天)。总体而言，华山和黄山逐月雷暴日数总体呈现“夏季的高，冬季的少”的变化特点。由于夏季高温高湿的气候特点，水汽输送加强，不稳定能量增加，易于雷暴的产生；而冬季寒冷干燥，大气层结相对稳定，不利于雷暴的产生[24]。王学良等[25]分析了我国中部五省(河南、安徽、湖北、湖南、江西)雷暴日数月变化特征，发现除河南呈“单峰型”外，其他四省均呈“双峰型”变化特征，这与本文研究结果基本一致。该现象可能与站点纬度有关，纬度越低，“双峰型”变化趋势越明显。此外，杨云芸等[26]研究发现，雷暴日数的“双峰型”变化特征与平均气温日较差变化趋势一致，即气温日较差大的月份也是雷暴日数相对较多的月份。

图4 华山(a)和黄山(b)周边站点逐月雷暴日数变化特征

为进一步验证站点雷暴资料统计分析结果，本研究利用2015年1月1日至2019年9月30日闪电定位资料，进一步统计分析了华山和黄山及其周边年平均闪电频次空间分布及逐月分布特征(图5)。由图5(a)和5(b)可看出，华山年闪电频次为1～3次/km2，尽管8月华山雷暴日数与7月的接近(图4)，但其闪电频次为7月的2倍以上，表明华山8月对流更为剧烈。由图5(c)和5(d)可看出，黄山年闪电频次为4～12次/km2，闪电主要出现在4月和6-8月，其中6-7月对流更为剧烈，闪电多发。黄山和华山对流剧烈的月份差异可能与黄山纬度偏南有关。此外，结合图4可以看出，基于站点的雷暴资料与闪电定位资料统计分析结果基本保持一致，其中黄山逐月闪电频次也呈“双峰型”变化特征，进一步验证了本研究所用雷暴资料及其统计分析结果的可靠性。

2.3 华山和黄山周边站点逐时雷暴发生次数

图6为华山、黄山周边站点逐时雷暴次数。由图6(a)可以看出，华山逐时雷暴次数总体呈“单峰型”变化趋势，峰值出现在13-17时，09时之后呈显著增加趋势，至13时达峰值，13-17时变化较小，17时之后显著下降。与华山站相比，华山周边其余4站点在夜间没有雷暴观测(即只统计08-19时雷暴发生的次数)，逐时雷暴次数较少，总体呈“单峰型”变化特征。上述4站点雷暴观测起始时间为08时，雷暴频次在08时有一小峰值，08-10时雷暴次数有所减少，之后呈逐渐上升趋势，各站点雷暴次数由大到小依次为华州的>华阴的>潼关的>渭南的，其对应峰值出现时刻分别在18时、16时、16时和17时左右。

图5 华山、黄山及周围1km水平分辨率年平均闪电频次空间分布(a、c)及逐月闪电频次(b、d)(a)和(b)为华山，(c)和(d)为黄山;△为华山和黄山位置，等值线为闪电频次，阴影为地形高度，单位：m

如图6(b)所示，与华山站点逐时雷暴次数变化趋势类似，屯溪站和黄山站逐时雷暴次数总体呈现出“单峰型”的变化特征，峰值出现在15时。黟县、铜陵和无为的逐时雷暴也呈现出“单峰型”变化趋势。由于上述3站观测的起始时间为08时，08时前无雷暴观测记录，08时雷暴次数为一小峰值，09时雷暴次数出现谷值，09时之后雷暴次数呈显著上升趋势，之后又呈显著下降趋势，20时之后黟县和无为雷暴次数为0。总体而言，黄山周边逐时雷暴次数由大到小依次为屯溪的>黄山的>黟县的>铜陵的>无为的>芜湖县的，其对应的峰值出现时刻分别为15时、15时、13时、15时、16时和16时。王凯等[12]研究表明，安徽皖南山区地闪活动主要集中在午后至傍晚，且与全省闪电日变化特征基本相同。此外，从初始雷暴出现时间看，华山站的要早于周边其他站点的出现时间，由于黄山站处于群山之中，特征并不明显。

图6 华山(a)和黄山(b)周边站点逐时雷暴发生次数某时次雷暴次数指的是该时次至下一时次时间段内发生的雷暴次数，如12时的雷暴次数为12-13时的雷暴次数

2.4 华山和黄山周边站点雷暴发生持续时间

本研究进一步分析了华山和黄山周边站点雷暴发生持续时间(图7)。从图7(a)和7(b)中可以看出，华山和黄山周边站点持续时间不超过1 h的雷暴所占比率约占总量的80%左右，持续时间大于1 h的雷暴所占比率较小，且雷暴持续时间越长，其对应所占比率越小。该现象与丁江钰等[11]的研究结果基本一致。王婷波等[16]研究也发现我国中东部地区超过80%的雷暴持续时间低于2 h。因此，本研究进一步探讨了1 h以内的雷暴持续时间情况，如图7(c)和7(d)所示，华山和黄山周边站点持续时间不超过10 min的雷暴所占比例较高，持续时间介于10 min和20 min的雷暴所占比率较持续时间10 min以内的雷暴所占比率大幅减少，20 min以外雷暴持续时间越长，其对应所占比率越少。

图7 华山和黄山周边站点雷暴发生持续时间(a)和(c)分别表示华山周边站点雷暴持续时间在各时间段内所占比率和1 h以内所占比率，(b)和(d)分别表示黄山周边站点雷暴持续时间在各时间段内所占比率和1 h以内所占比率

2.5 华山和黄山周边站点雷暴发生方位次数统计及其转变特征

图8为华山和黄山周边站点雷暴发生方位的次数统计及其转变特征。为便于理解，本研究总体将雷暴分为9个方位，即北(N)、东北(NE)、东(E)、东南(SE)、南(S)、西南(SW)、西(W)、西北(NW)、中心圆点部位为天顶(Z)。此外，本研究认为，初始雷暴出现的方位代表雷暴发生的位置，后来转变的方位一定程度上反映雷暴的移动方向。如图8(a)所示，华山周边站点雷暴发生在SW方向的次数最多，总体有向两边方位呈逐渐减少趋势，其中发生在天顶(Z)的雷暴次数最少。丁江钰等[11]研究表明，福建长乐机场的雷暴大多来自偏西方，其中来自W方向的雷暴次数最多(38%)，其次是NW和SW方向的。华山站发生在NE方向的雷暴次数要明显高于发生在E方向和N方向的雷暴次数，华州发生在SE方向的雷暴次数最多，略高于SW方向上的雷暴次数。黄山周边站点雷暴方位也呈现出类似的分布特征(图8b)，黄山站Z和N方位的雷暴次数较多，E方位发生的雷暴次数最少。此外，华山和黄山天顶出现雷暴的频率明显高于其他地区的，说明山区易于在本地生成雷暴，其他地区的雷暴主要为移入型。上述现象也可从图1中的站点地理位置和地形信息得到合理解释。于进江等[27]分析华山风景区雷暴气候特征时也指出，影响华山雷暴的路径中，产生于秦岭山区的对流云，距离华山近，发展快，从对流云产生到华山出现雷暴的时间短。

本研究进一步分析了华山和黄山周边站点雷暴方位的转变角度特征(由于各站点间转变角度特征无明显差异，本研究仅列出了华山和黄山站点的统计信息(图8c和8d))。由于雷暴发生方位有9种可能，每种方位均有可能发生8种可能方位的转变。因此，本研究按角度来统计雷暴转变特征，将初始雷暴发生方位记为0°，顺(逆)时针发生的角度转变分别为+(-)45°、+(-)90°、+(-)135°和+(-)180°四种可能。为方便统计，本研究将+(-)180°设为一种转变可能(即假设初始方向为N，转变至NE(NW)，记转变角度为+(-)45°)。总体而言，华山和黄山周边各站点雷暴未发生方位转变的频率最高，均超过总比重的50%，且顺(逆)时间转变中，随着角度绝对值的增大，其转变的频率越小，其中发生180°转变的可能性几乎为0。

图8 华山(a、c)和黄山(b、d)周边站点雷暴发生方位次数统计(a、b)和转变角度特征(c、d)

为进一步明晰华山、黄山周边站点雷暴方位转变规律，本研究统计了华山、黄山周边站点雷暴方位转变次数，进而分析了山岳型地区雷暴发生方位的转变趋势(图9和图10)。从华山周边站点雷暴方位转变趋势可以看出，华山周边站点雷暴移动方向以东南方向居多，大致呈现向偏南方向移动的趋势。从黄山周边站点雷暴方位转变趋势可以看出，黄山周边站点雷暴移动方向以东南和南方居多，整体而言也呈现出向偏南方向移动的趋势，且山区站点和平原站点雷暴方位转移趋势基本一致。有研究表明，雷暴的产生与对流活动有很大关联，而对流活动的触发与地形因素也存在密切关系，其中包括地表覆盖类型等[28,29]。因此，雷暴的发生与消亡与地形存在显著相关关系，该现象在图1和2.1节中也有所体现。此外，本研究中华山和黄山的雷暴发生方位转变趋势也表明雷暴分布与地形因素密切相关，且雷暴生成之后多向偏南方向移动，这可能是由于南下冷空气在地形的抬升作用下，形成强烈的上升运动并触发强对流天气产生，最终形成雷暴，这与王婷波等[16]的研究结论基本一致。具体地形因素对雷暴发生发展的影响及机制仍有待后续进一步研究。

图9 华山周边站点雷暴发生方位转变趋势

3 结 论

(1)华山周边站点雷暴日数呈现出由华山向东西两侧递减的趋势，黄山周边站点雷暴日数呈现出山区的多、平原的少的变化趋势。

(2)华山和黄山周边站点雷暴日数均呈现出明显的下降趋势，且黄山周边站点减少速率较快。其中，华山周边站点雷暴日数减少速率在2000年之后均明显加快，而黄山周边站点雷暴日数减少速率在2000年以后明显放缓，总体呈现略微的增加趋势。与华山周边站点雷暴突变年份(2000年以后)相比，黄山周边站点雷暴突变年份均有所提前。

(3)华山周边站点逐月雷暴日数呈“单峰型”变化特征，峰值均出现在7月份。黄山周边站点逐月雷暴日数总体呈“双峰型”变化特征，峰值分别在4月和7月。

(4)华山逐时雷暴次数总体呈“单峰型”变化趋势，峰值出现在13-17时。屯溪站和黄山站逐时雷暴次数总体也呈“单峰型”变化特征，峰值出现在15时。从初始雷暴出现的时间来看，华山站的要早于周边其他地区的，由于黄山站处于群山之中，特征不是很明显。

(5)华山和黄山周边站点持续时间不超过1 h的雷暴所占比率约占总量的80%左右，其中持续时间不超过10 min的雷暴所占比例较高，如果持续时间超过20 min之后，雷暴持续时间越长，其对应所占比率也越少。

(6)华山和黄山周边站点雷暴发生在SW方向的次数最多，向两边方位总体呈逐渐减少趋势，其中发生在天顶(Z)的雷暴次数最少。华山和黄山周边各站点未发生转变的频率最高，均超过总比重的50%，且随着角度绝对值的增大，其转变频率越小。

图10 黄山周边站点雷暴发生方位转变趋势