阜新市雷暴发生规律及对农业造成的灾害

杨晓彤舒海燕李 凝

(辽宁省阜新市气象局,辽宁 阜新 123000)

雷暴是一种伴有雷电现象的局地对流过程[1～2],雷暴天气常伴有大风、暴雨、冰雹等,是突发性强、破坏大的气象灾害之一,尤其是对农业生产会带来严重的损失[3～5]。国家预警信息发布中心发布的《2020年预警大数据报告》显示,该年共发布各类预警信息342 209条,相比往年均值增加了32%。其中,雷电、大风、暴雨预警信息占一半以上。长期以来气象学者一直高度关注雷暴的研究,取得了大量有意义的成果。许多学者针对雷暴天气过程的成因和物理量场方面开展了广泛的分析,提出了各种分析方法,但研究的侧重点有所不同[6～10]。阜新地处辽宁西北部,地形以低山和丘陵为主,属于东北辽河平原与内蒙古高原的中间过渡地带,地形复杂,易产生热力对流,遇有天气系统,如冷涡、切变、气旋等均会发生不稳定的强对流天气,导致雷暴大风的天气较多,对农业生产的危害性比较大。本文结合当地地理条件与气候,通过各类数据分析计算,寻求普遍规律,开展雷暴天气对农业生产造成影响的研究,不断完善防灾减灾措施,积极应对雷暴大风天气对农作物的危害,对减轻当地农业方面的经济损失具有重要意义。

本文应用阜新地区53年多测站的雷电数据,利用Morlet小波分析、MK突变检验、重标极差R/S等方法对雷暴形成与特征进行探讨,获得当地的雷暴发生规律,探求其运行特征。旨在为该地雷暴等强对流天气移动路径的临近预报、预警提供判断依据,为更好地认识当地对雷电发生规律和防御农业灾害提供重要参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

选取阜新市两个国家基准气象观测站1961～2013年的逐日(前一天20:00至当日20:00)雷暴日数和逐日平均2 min风速数据,数据来源于CIMISS气象内部网站,经过中国气象局的严格质量控制和检查。规定2个测站中有1个或2个测站在该天(前一天20:00至当天20:00)发生雷暴,即视为1个雷暴日;阜新市的平均风速规定为两个气象观测站平均2 min风速的平均值。

1.2 研究方法

本文主要采用了滑动平均法、Mann-Kendall突变检验以及重标极差(R/S)等统计分析方法都是比较常用的方法,不再详细说明[11]。

Morlet 小波分析法常用于复数信号的分解和时频分析,其系数的实部可以表示不同特征时间尺度信号在不同时间的强弱和位相两方面的信息[12],该图能反映时间序列中所包含的各种尺度(周期)的波动及其强弱随尺度变化的特性。其公式如下:

式中:Wf是根据f(t)计算得出的小波变换系数;ψ为母小波或基本小波;a是频率参数;b是时间参数,表示波动在时间上的平移。

2 结果与分析

2.1 雷暴日数的时间变化特征

2.1.1 雷暴的年代际变化

通过53年的雷暴日数线性趋势分析,阜新市总体出现的雷暴日数均呈减少趋势,见图1(a),倾向率为-1.72/10年。同时,年代变化也呈减少的趋势(见表1),与毕伯钧等研究的雷暴发生规律一致[14]。通过Mann-Kendall突变检验方法分析,这个趋势变化主要分为两个阶段,见图1(b),第一阶段从20世纪60～90年代雷暴日数较多,从本世纪开始雷暴较少。趋势变化的转折时间出现在2006年,可以理解为产生了突变,突变后雷暴日数明显减少。

表1 阜新市各年代平均雷暴日数以及累年平均、累年最多、累年最少日数Table 1 The average number of thunderstorm days and the annual average, annual maximum and annual minimum days in Fuxin city

图1 阜新市1961～2013年雷暴日数变化趋势(a)及MK突变检验曲线(b)Figure 1 Trend of thunderstorm days (a) and MK Mutation Test Curve (b) in Fuxin,1961～2013

阜新市累年平均雷暴日数为40.0 d,年际雷暴日数变化大,最多为60 d(1970年),2005年次之,为56 d;最少为25 d,出现在2007年、2010年,2009年 和2013年次之,为26 d。

2.1.2 雷暴的季、月变化

雷暴天气季、月变化特征显著(图2),每年3～11月为雷暴活动期,其中夏季(6～8月)最多,夏季日数占总日数的70.3%(1 741/2 478),秋季(9～11月)次之,占总日数的15.1%(375/2 478),春季(3～5月)较少,占总日数的14.6%(362/2478),冬季为零。

图2 阜新市1961～2013年雷暴日数的月变化Figure 2 Monthly variation of thunderstorm days in Fuxin,1961～2013

夏季雷暴频繁的原因是太阳直射点北移,促使副热带高压随之北跳, 引导偏南暖湿气流向北输送到达辽宁。阜新地区产生雷暴天气的类型可分为5种:当8月份阜新处于副高西北部时就易产生雷暴天气,大约占雷暴总数的10%;6月份高空冷涡和6～8月份高空冷槽出现雷暴的频率也比较高,分别占比为11%和37%;6～8月西北气流和局地热对流也会产生雷暴,占比为40%和2%。其它季节由于天气干冷等原因,不符合雷暴发生的3要素(水汽、大气层结不稳定和抬升触发)等条件,所以雷暴天气较少[15]。

雷暴天气主要集中在5～9月份, 6月最多,占总日数的26.1%,7月次之,占比为25.1%。3月是有雷暴日的最少月份,占总日数的0.2%,11月次之,占比为0.4%。

2.2 雷暴的初、终日及保证率

由图3和表2可见,雷暴初日基本在3～5月,其中4月最多,占比66%,5月次之;6月最少,占2%,3月次之。雷暴终日基本在8～11月,其中10月最多,占比62%,9月次之;8月最少,占比2%,11月次之。

表2 阜新市雷暴初终日的频率及保证率Table 2 Frequency and guaranteed rate of thunderstorms in Fuxin city

图3 阜新市1961～2013年雷暴初、终日变化曲线Figure 3 Initial and end-of-day curves of thunderstorm in Fuxin, 1961～2013

2.3 雷暴的周期性规律

通过Morlet小波与小波模分析方法,阜新市雷暴日数有3～5年、9～12年、21～24年和43～47年的周期性波动规律,其中以21～24年波动最显著,为主周期。其中,9～12年、21～24年及43～47年的振荡周期与太阳黑子的周期规律基本一致,说明其周期极可能是受太阳黑子活动的影响。

2.4 雷暴的未来发展趋势

应用重标极差R/S分析法计算出了阜新市雷暴变化的Hurst指数为0.44,小于0.5,说明未来雷暴的未来发展趋势与历史序列具有反持续性,在2013年前为减少趋势,而未来会逐渐转为增多趋势。

Hurst指数能够表示未来的发展趋势,但无法得知持续多长时间进行反转。通过求统计量V可以揭示平均循环长度,赵嘉阳利用此方法得出平均气温和降水的过去趋势影响未来趋势的时间长度(平均循环长度)[16]。由图4可见,曲线出现明显转折(箭头所示处)的时间为n=8(8即为平均循环长度),即8年后阜蒙县雷暴日数将完全失去对初始数据的依赖,趋势进行反转。

图4 阜新市53年雷暴日数持续指数的V-ln(n) 曲线Figure 4 V-ln(n) curve of duration index of thunderstorm days 53 Years in Fuxin City

2.5 雷暴的相关因子

从图5可见,阜新市雷暴活动规律与风速的相关性很明显,总体呈负相关,特别是80年代开始到2013年更加明显,其相关系数为-0.5988。

图5 阜新市53年雷暴与平均2 min风速的5日滑动平均图Figure 5 5-day moving average of thunderstorm and mean 2-minute wind speed in 53 Years of Fuxin City

3 雷暴天气对农业生产造成的灾害

雷暴天气常伴随着大风、暴雨、冰雹等气象灾害。首先是雷暴天气带来的风灾,阜新春季雷暴出现次数较少,但是发生时带来的灾害影响比较严重,地表土易被刮走,使土壤及墒情下降,对已播种的沙质地块,会造成风剥沙压、缺苗、断条的灾害,对蔬菜大棚和地膜也有较大的破坏作用。

夏季雷雨、大风、冰雹往往同时到来,虽然出现的次数少,但危害很大,往往造成局地风灾,使农作物倒伏,毁坏房屋和林木。如1989年8月11日,阜蒙、彰武两县北部塔营子、丰田等六个乡受雷暴、强风袭击,受灾面积3 806 hm2,其中,绝收596 hm2,刮断树木13 693棵,果树1 500棵,损失果实2.58万kg。秋季成熟的高粱、谷子、大豆、玉米,受雷暴大风影响导致倒伏、折断,或者摇动互相摩擦,落粒、裂荚造成减产,同时也给收割带来困难。

其次是雷暴天气带来的暴雨灾害,导致水分过多,使土壤水分饱和,田间积水不能及时排除,会造成涝灾。据统计(1961～2013年)阜新地区雷暴共出现2 478次,平均每年46.7次,暴雨(1961～2013年)共计120次,平均每年2.8次,而30%左右的暴雨天气是伴有雷暴大风天气。

最后是雷暴天气伴随出现的冰雹灾害,阜新地区每年都有由雷暴天气而伴随出现的冰雹灾害,阜蒙县较重,一般性在4～9月,而95.5%集中在5～9月,尤以6～7月最多,占55%,而且多发生在午后14:00～17:00。其中1980年冰雹灾害发生的次数最多(6次),都是由强对流天气引发的,同时还有雷暴大风天气现象。这6次雹灾当中,有两次是连续两天出现的,灾害严重,是比较少见的。1980年7月9日下午1:00化石戈公社突降冰雹超过20 min,大如鸡蛋,小如卫生球,有48个生产队受灾,面积达1 667 hm2。1980年7月10日下午又降冰雹雨,有大巴、招束沟、老河土、大板、紫都台、务欢池、十家子、苍土等8个公社受灾。受灾作物面积有7 560余hm2,同时程度不同被打伤的社员有167人,打死鸡鸭585只,刮断树木100多棵。

4 结论

4.1 阜新市年际雷暴日数变化大,总体出现的雷暴日数均呈减少趋势,倾向率为-1.72/10年。同时,年代变化也呈减少的趋势,从20世纪60～90年代雷暴日数较多,从本世纪开始则雷暴较少。趋势变化的转折时间出现在2006年,可以理解为产生了突变,突变后雷暴日数明显减少。阜新市累年平均雷暴日数为40.0 d,年际雷暴日数变化大,最多为60 d(1970年),最少为25 d(2007年和2010年)。

4.2 雷暴天气季、月变化特征显著,每年3～11月为雷暴活动期,其中夏季最多,占比70.3%,春秋季次之。夏季雷暴频繁的原因是太阳直射点北移,促使副热带高压随之北跳, 引导偏南暖湿气流向北输送到达辽宁。阜新地区产生雷暴天气的类型可分为5种:副高西北部、高空冷涡、高空冷槽、西北气流和局地热对流,其中西北气流型占比最高约40%。雷暴天气主要集中在5～9 月份, 6月最多,占比26.1%,7月次之,占比25.1%。

4.3 雷暴初日基本在3～5月,其中4月最多,6月最少。雷暴终日基本在9～11月,其中10月最多,8月最少。

4.4 阜新市雷暴有3～5年、9～12年、21～24年和43～47年的周期性波动规律,其中以21～24年波动最显著,为主周期。其中,9～12年和21～24年周期与太阳黑子的周期规律基本一致,说明其周期极可能是受太阳黑子活动的影响。

4.5 阜新市未来雷暴日数的趋势与历史序列具有反持续性,在2013年前为减少趋势,6年后雷暴趋势将发生反转。

4.6 阜新市雷暴活动规律与风速的相关性很明显,总体呈负相关,特别是80年代开始到2013年更加明显,其相关系数为-0.5988。

4.7 雷暴天气常伴随着大风、暴雨、冰雹等气象灾害。风灾对土壤、蔬菜大棚以及农作物有较大的破坏作用;暴雨灾害导致水分过多,使土壤水分饱和,田间积水不能及时排除,会造成涝灾;阜新地区每年都有由雷暴天气而伴随出现的冰雹灾害,多发生在4～9月,而95.5%集中在5～9月,尤以6～7月最多,占55%,而且多发生在午后14:00～17:00,其中最为严重的是1980年,有6次雹灾,给农作物造成严重的灾害,给农民带来了严重的经济损失。