近30年中国雷暴天气气候特征分析_巩崇水

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采用五阶主值函数ｙ（ｔ）＝ ∑ｂｉｔ ｉ 来拟合年平 均 ｔ＝０
雷暴日随时间的变化趋势，通过时间系数和 各测站 平均的标准化雷暴频数距平研究中国雷暴的气候演 变规律。 本文基于２９５ 个 测 站 近 ３０ 年 来 逐 年 雷 暴 日 资 料，采 用 ＥＯＦ 方 法 进 行 展 开，利 用 展 开 后 的 载 荷 向量场进行雷暴年际变化的空间典型场分析。该方 法按照距平场进行变量场分解可以获得相关分布情 况，其结果有明确的气象学意义。 这里指定年平均 雷暴 日 阵 为 Ｘｉｊ，ｉ 为 年 代 序 号，ｊ 为 空 间 站 序 号。
本文所用资料是从全球地面天气报中整理的中 国 ６００ 多 个 基 本 站 １９８１－２０１０ 年 共 计 ３０ 年 的 雷 暴 观 测 数 据 。 为 确 保 数 据 的 有 效 性 ，首 先 对 该 资 料 进 行质量控制，剔除存 在 数 据 缺 测 记 录 的 站 点，最 终 保 留 了 ５２４ 个 测 站 的 数 据 用 于 分 析 ，这 些 测 站 的 分 布如图１ａ所 示。 在 空 间 区 域 的 经 验 正 交 函 数 分 解 方法（ＥＯＦ）分 解 时，考 虑 到 图 １ａ中 的 测 站 分 布 密 度空 间 差 异 太 大，东 南 多、西 北 少，而 对 某 一 区 域 变量场的进行 ＥＯＦ 展 开 时，必 须 要 注 意 测 站 的 均 匀性，否则结果可能会失真［１７］，所以在 ５２４ 个 测 站 中选取了空间分布比较均匀的 ２９５个测站（图 １ｂ）。 需 要 说 明 的 是 ，青 藏 高 原 中 西 部 地 区 本 身 测 站 数 量 就少，等值线在此处 可 能 会 有 虚 假 显 示，后 文 不 进 行特别说明。
１ 引言
雷暴 是 一 种 产 生 闪 电 及 雷 声 的 对 流 性 天 气 现 象，它通常伴随着滂 沱 大 雨 或 冰 雹，而 在 冬 季 甚 至 会随暴风 雪 而 来。 雷 暴 的 发 生 通 常 需 要 层 结 不 稳 定、必要的水汽条件和抬升条件。 雷暴与电力、通 信、交 通、建 筑、核 试 验 和 导 弹 等 现 代 高 科 技 的 发 展密切 相 关，还 与 森 林 保 护、国 家 基 础 建 设 相 关 。 ［１－２］ 雷暴活 动 的 气 候 特 征 反 映 了 其 时 空 分 布， 因 此 其 气 候 特 征 分 析 对 防 雷 工 作 ，尤 其 对 减 少 雷 暴 天气下各行业经济损失有明确的指导作用。 在 雷 暴 的 气 候 特 征 研 究 方 面 ，较 多 的 是 针 对 雷 暴事件的年代际变化进行分析。张敏锋等［３］曾 利 用 １９６１－１９８０年中 国 １０４ 个 测 站 历 年 雷 暴 日 资 料 进 行了分析，发现 ３０ 年 间 雷 暴 日 总 体 在 波 动 中 呈 减 少趋势，但 是 在 某 些 地 区 某 些 时 段 却 有 相 反 的 变 化。此外还有一些针对不同地区雷暴气候分布的研
收 稿 日 期 ：２０１２－０１－１９；定 稿 日 期 ：２０１２－０７－０９ 资 助 项 目 ：国 家 行 业 专 项 项 目 （ＧＹＨＹ２０１２０６００４，ＧＹＨＹ２０１１０６０３４）；国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （４１０７５１０３） 作 者 简 介 ：巩 崇 水 （１９８５－ ），男 ，山 东 枣 庄 人 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 现 代 天 气 预 报 技 术 和 极 端 天 气 气 候 研 究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｃｈｓｈ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
近３０年中国雷暴天气气候特征分析
巩崇水， 曾淑玲， 王嘉媛， 张博凯， 尚可政， 王式功
（兰州大学 大气科学学院／半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃 兰州 ７３００００）
摘要：利用１９８１－２０１０年雷暴观测资料，采用 ＥＯＦ 分解和主值函数分析等方法，对中国年平均雷暴日 的时空分布特征、年际变化及异常变化特征进行 了 分 析。结 果 表 明，年 平 均 雷 暴 日 的 地 理 分 布 可 大 致 分为４个区域，分别为东南高发区、西南高发区、东 北 次 高 区 和 西 北 低 发 区。 年 平 均 雷 暴 日 的 时 间 分 布表现为夏季多、冬季少；一天之中雷暴出现的时 间 集 中 在 下 午 到 晚 上 。雷 暴 日 数 的 年 际 变 化 呈 现 出 １９８０年代和２０００年代２个相对多发期和１９９０ 年 代 相 对 少 发 期，其 中 ２０００ 年 代 雷 暴 事 件 的 相 对 多 发 表现为下午和夜间雷暴事件的增加。近 ３０ 年 中 国 北 方 地 区 的 雷 暴 整 体 呈 现 出 减 少 趋 势 ，而 南 方 则 是 先减后增，其距平场的年代际变化较为明显。ＥＯＦ 分解后距平场第一向量的方差贡献达到３２．４％，在 空 间 上 表 现 为 南 北 相 异 型 ，其 余 各 向 量 也 不 同 程 度 地 表 现 出 区 域 性 异 常 ，前 １２ 个 向 量 累 积 方 差 贡 献 达 到８０．９％。此外，ＥＮＳＯ 事件对中国雷暴尤其是南方地区影响 较 为 明 显，两 广 和 云 贵 地 区 呈 现 出 相 反 的距平变化。 关键词：雷暴；气候特征；ＥＯＦ 分解；时空分布；ＥＮＳＯ 文章编号：１０００－０５３４（２０１３）０５－１４４２－０８ 中图分类号：Ｐ４６８．０＋２８ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．７５２２／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５３４．２０１２．００１３４
ＥＯＦ 展开后可表示为
Ｘｉｊ ＝Ｖｉｊ ×Ｔｊｊ，
（１）
其中，Ｘｉｊ为源自文库９５×３０ 的 距 平 雷 暴 阵；Ｖ 为 ２９５×３０
空间特征向 量 阵；Ｔ 为 ３０×３０ 的 时 间 系 数 阵。 其
对应的主 分 量 用 来 表 示 各 典 型 场 随 时 间 的 变 化 趋
势。通过 对 各 测 站 ３０ 年 雷 暴 距 平 的 分 析，得 到 雷
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高 原 气 象 ３２卷
年平 均 雷 暴 日 多 不 足 １５ 天，发 生 频 数 非 常 低。 值 得 注 意 的 是 ，在 甘 肃 东 南 部 和 青 海 交 接 处 以 及 新 疆 天山一线的西线出现 了 年 平 均 雷 暴 日 为 １５～３０ 天 的 区 域 ，这 可 能 是 当 地 地 形 影 响 产 生 的 。 第二区为华北和东北地区，３５°Ｎ 以北且 １０５°Ｅ 以东 的 部 分。 年 平 均 雷 暴 日 为 １５～３０ 天，该 区 雷 暴随纬度的变化不明显。在内蒙古东部和河北交界 处由于内蒙古高原、燕 山 山 脉 等 地 形 的 作 用，该 区 年 平 均 雷 暴 日 高 于 同 纬 度 其 他 地 区 ，一 般 在３０～４５ 天。 第三区 为 西 南 地 区，３５°Ｎ 以 南 且 １０５°Ｅ 以 西 的部分。 该区基本为高原和山岳，青藏高原、云贵 高原皆在此区域内，地 形 起 伏 较 大，年 平 均 雷 暴 日 较同纬度其他地区要高。由于此区地形和地貌变化 较大，平均雷暴日在纬向上差距相当大。 青藏高原 东 部 、云 贵 地 区 和 四 川 西 部 地 区 雷 暴 日 高 于 周 边 地 区 ，一 般 为 ４５～６０ 天 。 第四区 为 东 南 地 区，３５°Ｎ 以 南 且 １０５°Ｅ 以 东 的部分。该区平均年雷暴日数随纬度减小呈阶梯状 递 增 的 趋 势 。 江 淮 流 域 为 每 年１５～３０ 天 ，广 州 、广 西地区最高达到 每 年 ６０～７５ 天，是 中 国 雷 暴 最 高 发 中 心 。 值 得 注 意 的 是 ，长 江 以 南 地 区 在 经 线 方 向 上 并 没 有 表 现 为 一 典 型 的 高 值 中 心 ，而 是 表 现 为 多 个 小 高 值 中 心 交 替 出 现 ，这 应 该 与 南 方 的 复 杂 地 形 地 貌 有 关 ，武 夷 山 及 南 岭 等 山 脉 的 地 形 作 用 对 雷 暴 的 发 生 、发 展 产 生 了 一 定 的 影 响 。 从 雷 暴 的 区 域 分 布 来 看 ，中 国 雷 暴 事 件 表 现 为 低 纬 地 区 多 于 高 纬 地 区 ；而 对 于 同 纬 度 地 区 则 受 地 形 影 响 较 为 明 显 ，地 形 复 杂 的 山 区 则 要 多 于 地 形 缓 和的平原地区。 ３．２ 雷 暴 日 的 年 、日 变 化 图３ 给 出 了 １９８１－２０１０ 年 ５２４ 个 测 站 平 均 雷 暴日数逐月平均分布。从图３ 中可看出，雷暴在夏 季 最 多 、冬 季 最 少 。 图 ４ 给 出 了 １９８１－２０１０ 年 ５２４ 个测站平均雷暴频次逐时次平均分布。这里每个时 次的频数是指过去６ｈ雷暴的发生频数。 从图 ４ 中 可 看 出 ，１４：００（北 京 时 ，下 同 ）－２０：００ 是 雷 暴 最 频 发的时段，可以达到其余任一时次的两倍以上。 这 说 明 无 论 从 季 节 表 现 上 ，或 者 是 从 一 天 的 时 间 变 化 上，较高的温度更容 易 产 生 较 强 的 对 流 性 运 动，对 雷 暴 天 气 系 统 的 发 生 、发 展 起 到 推 动 作 用 。 从季节上看，雷 暴 多 出 现 在 夏 季，冬 季 只 在 南 方偶有出现。在一天中雷暴出现的时间多集中在下 午 至 晚 上 。 而 夜 间 由 于 云 顶 辐 射 冷 却 ，使 云 层 内 的
图 ２ １９８１－２０１０年年平均雷暴日数空间分布 Ｆｉｇ．２ Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｎｕａｌ ｔｈｕｎｄｅｒｓｔｏｒｍ ｄａｙｓ ｆｒｏｍ １９８１ｔｏ ２０１０
第一区 为 西 北 地 区，３５°Ｎ 以 北 且 １０５°Ｅ 以 西 的部分。该区下垫面多为沙漠和戈壁等干旱地表，
暴气候变化的年代际特征。
３ 雷暴的气候分布
３．１ 雷 暴 日 的 区 域 分 布 中国地域广阔，气 候 区 横 贯 亚 热 带 到 温 带，区 域性气候差异明显；同时地形的复杂分布也给雷 暴 天气发生、发展带来很多局地性的因素。 图 ２ 给 出 了 １９８１－２０１０ 年 共 ３０ 年 的 年 平 均 雷 暴 日 分 布 。 从 图２中可看出，中国雷暴分布大致以１０５°Ｅ 和３５°Ｎ 为界分为４个区域。
究 。 ［４－６］ 近 些 年 来，郄 秀 书 等 使 ［７－８］ 用 卫 星 资 料 分 析 了 不同范围 下 的 闪 电 活 动，总 结 了 多 条 时 空 分 布 特 征 ；发 现 闪 电 活 动 的 多 少 不 仅 取 决 于 雷 暴 日 数 的 多 少，更取决于每次雷暴过程闪电频数的多少。 马 明 等 通 ［９］ 过卫星资料发现，中国 陆 地 闪 电 密 度 在 大 尺 度上呈现特殊的随海陆距离和纬度的变化趋势。从 雷电的观测技术上讲，卫星观测能有效弥补地面 观 测在大面积观测以及连续观测方面的不足，近 些年 来也常常被用来进行雷暴气候特征方面的分析。另 外，在雷暴分布特征 的 研 究 过 程 中，也 得 到 了 雷 暴 与各种物理 量 特 征 （如 温 度、地 表 鲍 恩 比、感 热 通 量等）的相关关系 ，为 ［１０－１３］ 雷 暴 的 临 近 预 报 和 短 期 预报提供了理论依据。 当 厄 尔 尼 诺 或 拉 尼 娜 现 象 造 成 海 温 异 常 时 ，会 使 热 带 环 流 和 天 气 气 候 发 生 异 常 ，甚 至 会 引 起 全 球 范围内的大气环流异常，出现较大范围的干旱、洪
５ 期
巩 崇 水 等 ：近 ３０ 年 中 国 雷 暴 天 气 气 候 特 征 分 析 １４ ４３
图 １ 中国５２４个测站分布（ａ）和 ＥＯＦ 分析的２９５个测站分布（ｂ） Ｆｉｇ．１ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ５２４ｓｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ（ａ）ａｎｄ ２９５ｓｔａｔｉｏｎｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＥＯＦ （ｂ）
水等灾害性天气。ＥＮＳＯ 事件对中国天气气候影响 的研究多集中在夏季降水及温度 异 常 表 现 上 ， ［１４－１６］ 水汽与温度和雷暴的 发 生、发 展 紧 密 相 关，因 此 本 文试验性地 针 对 不 同 ＥＮＳＯ 事 件 强 度 下 雷 暴 发 生 日数的变化特征进行初步分析。
２ 资料选取和方法介绍
第 ３２ 卷 第 ５ 期 ２０１３ 年 １０ 月
高 原 气 象
ＰＬＡＴＥＡＵ ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．５ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１３
巩 崇 水 ，曾 淑 玲 ，王 嘉 媛 ，等 ．近 ３０ 年 中 国 雷 暴 天 气 气 候 特 征 分 析 ［Ｊ］．高 原 气 象 ，２０１３，３２（５）：１４４２－１４４９，ｄｏｉ：１０．７５２２／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５３４．２０１２．００１３４．