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雷暴是一種局部的災害天氣,它常伴有暴雨、大風、冰雹,甚至龍卷風等惡劣天氣,造成人畜雷擊死亡、毀壞建筑物、釀成森林火災,或者毀壞電力設備、電信設施,給人民生命財產造成嚴重威脅和損失.全國每年發生雷暴日數超過50d的有21個省(區),最多的可達131d[1];全國每年約有近萬人因遭受雷擊而傷亡,約有一半以上的森林火災是由雷電引發的[2].重慶地處亞洲季風區,是雷電災害發生較為頻繁的地區之一;就雷電引發的雷災數、人員死傷總數、死亡數、受傷數4項而言,重慶地區位列全國中下水平,據統計1997-2006年,重慶地區為321例雷災,造成106人死傷,其中50人死亡、56人受傷[3];2007年5月23日16:34,重慶市開縣義和鎮政府興業村小學教室遭遇雷電襲擊,造成四、六年級學生7人死亡,44人受傷,事后調查表明,該小學無防雷裝置,雷電流通過墻壁泄放入地時,由于接觸電勢、旁側閃絡以及跨步電壓作用,導致室內大量人員傷亡[4],這一重大的雷暴災害事故震驚了全國上下.雷暴和其他災害天氣相比,它具有時間的瞬時性和季節性強、空間上的分散性等特點,這就增大了準確預報雷暴發生的時間和空間的難度.

近年來,許多學者對我國雷暴氣候開展了廣泛研究,取得了大量科研成果[5-10].張敏鋒等[5]認為,近30年來我國大部分地區平均雷暴頻數在波動中減少,而東北地區年平均雷暴日有增加的趨勢;徐桂玉等[6]研究了我國南方雷暴的氣候特征;許迎杰等[7]通過對低緯高原雷暴的氣候特征進行研究發現,低緯高原年雷暴日數有減少的趨勢.迄今為止,有關針對重慶雷暴的長序列氣候變化趨勢方面的研究所見甚少.因此,研究重慶雷暴的氣候變化,對于分析重慶區域氣候以及區域氣候資源要素的變化規律等具有重要的理論和現實意義,同時也為進一步研究雷暴與強對流天氣的聯系,以及雷暴的成因,特別是與大尺度大氣環流的聯系打下基礎.本文試圖通過數理統計、REOF(旋轉主成分)、最大熵譜分析等方法分析重慶地區雷暴的空間分布及年際變化、季節變化和周期變化的的氣候規律,旨在于為重慶市防雷減災提供氣候背景和氣候資源綜合評價等參考依據.

1資料來源及處理方法

采用重慶34個觀測站1973-2008年的雷暴日數,數據來源于重慶市氣候中心.在資料統計時,觀測資料上有閃電記錄或雷暴記錄的均作雷暴統計,一日中無論打一聲雷還是打一整天雷,均計為一個雷暴日.在以上確定了雷暴日的基礎上,本文統計出重慶1973-2008年33個臺站逐月的雷暴日數并建立了時間序列,然后運用EOF、REOF[11]、趨勢分析[12]、Mann-Kendall突變檢驗[13]、最大熵譜估計等方法對該時間序列進行了時空分布特征分析.

2結果分析

2·1重慶雷暴的氣候特征

據統計,1973-2008年重慶地區平均雷暴日數為36·87d/a,平均歷年雷暴日數變化也不相同,由圖1A可見,以1973年最多,達49·51d,距平12·64d;2001年最少,僅為24·49d,距平-12·38d;從變化趨勢來看,1973-2008呈波動減少趨勢,減少幅度為1·8d/10a.

圖1B給出了雷暴日數的年內變化分布,可見重慶地區雷暴全年都可以發生,但主要集中于4-9月,4-9月累計平均雷暴日數為30·91d,占全年雷暴總數的89·4%;其中7,8月的雷暴日數最多,分別為8·73,7·97d.1,12月出現日數最少,平均為0·07d,其次是2月和11月出現次數均為0·6d,這4個月累計約占全年雷暴日數的3·75%,也就是說晚秋和冬季重慶地區出現雷暴的概率是非常小的.

以1981-2000年重慶地區雷暴日數13·45d為常年值,分析1973-2008年每10年間(其中1973-1980年為8年,2001-2008年為8年)重慶地區雷暴的年代際距平(圖2A).結果表明,重慶地區雷暴日數呈現出逐年代下降的變化趨勢.在20世紀70,80年代,雷暴日數為正距平(距平值分別為4·51d和0·45d);90年代為弱的負距平;在21世紀最初8年,雷暴日數負距平最高,距平值達4·89d.對重慶地區過去4個時期月雷暴距平分析(圖2B),結果表明,在70年代,雷暴日數在1,2,5,11月為弱負距平外,在其他月均為正距平;7,8月雷暴日數在70,80年代為正距平,在90年代和21世紀最初8年為負距平,特別是在2001-2008年期間的8月,雷暴日數負距平最高(-1·51d).

2·2重慶地區雷暴的空間分布

圖3為1973-2008年37a重慶年平均雷暴日分布圖.由圖可見,重慶雷暴空間分布很不均勻,長江沿線和東南部較多,西北部和東北部相對較少;東南與西北和東北年平均雷暴日數相差20d左右.年平均雷暴日最大值出現在東南部,達45~50d,其中有2個站年均雷暴日數超過45d,分別是秀山、酉陽(48·4,50·6d);中部地區年平均為38·8d,各站點差異相對較小;東北地區年平均雷暴日數為36·9d,屬于重慶年平均雷暴日數的次低值區;西北部年平均雷暴日數為34·1d,為最低值區;最小值出現在西北部的潼南,年平均雷暴日僅為28·1d.

這與重慶年降水日數的空間分布相近[14],表明重慶年平均雷暴日數空間分布與降水有很好的相關性.另外,這種雷暴分布形式還與重慶特殊的地形地貌和氣溫等的空間分布有關.重慶地處亞洲季風區,西連四川盆地和青藏高原,南接云貴高原,是長江上游與長江中下游的過渡地帶;北有大巴山,東有巫山,東南有武陵山,南有大婁山,地勢由西向東逐步升高,由南北向長江河谷傾斜,起伏較大.當夏季風由東南方向吹來,越過大婁山等東南部山地,在迎風坡的抬升作用和局地對流的影響下,雷暴容易在南部地區發展和成熟;長江流域的大多數站點位于海拔較低的河谷中,河谷的地形特點猶如鍋底,四周山地環抱,地面散熱困難,熱量不易散失,天氣系統向北移動的過程中,由于其復雜的地形特征加上充沛的水汽條件和較高的氣溫,成為重慶地區雷暴日次多的地區.

從各季分布圖中可清楚地看出雷暴的季節變化情況(圖4).冬季,雷暴主要分布在重慶東南部的秀山、酉陽、黔江、彭水等地,最大值為3·11d.春季雷暴日數增加且幅度較大,多雷暴帶還是位于重慶東南部,中心值為酉陽,為18·6d,重慶西部雷暴日數基本小于10d.夏季重慶雷暴日數的大值中心移至西部的南川、萬盛一帶,萬盛為26·4d,最小值位于重慶西北的潼南和東北部的巫山,分別為16·6,17·0d.秋季重慶雷暴明顯減少,中心位置維持東南部不變,中心在酉陽(4·58d),同時還出現東北部的次高值中心.

2·3夏半年異常分布特征

重慶地區夏半年(4-9月)主要受西南季風及東亞副熱帶高壓邊緣暖濕氣流的共同影響,雷暴日占全年的89·4%,所以,分析夏半年雷暴日的空間分布異常特征具有實際意義.對重慶34個臺站夏半年雷暴日利用主成分(EOF)和旋轉主成分(REOF)進行分析,由于站點較多,資料序列長度較短,為保證EOF分解的可靠性,用North等[15]提出的計算特征值誤差范圍的方法進行顯著性檢驗,經計算,前2個載荷向量場所占方差分別為48·386%,10·615%,前10個載荷向量場所占總方差的累積為90·671%(見表1),第1載荷向量場(圖5A)占總方差的比例最大,其載荷向量呈一致的正值,在0·05~0·25之間變化,反映了重慶地區受大尺度氣候異常的影響,表現為一致的有雷暴日或無雷暴日.表明盡管重慶地形復雜,地勢起伏較大,但雷暴日數的空間分布仍有很好的一致性.即在同一天氣系統控制之下,出現雷暴的步調一致.

第2載荷向量場(圖5B)表現為東南部與西部、東北相反的異常分布,東南部為負,西部、東北部基本為正,0值線在石柱到武隆一帶.之所以會出現這種變化特征,可能主要與重慶地區的地形分布有關,夏季東南季風盛行,當越過大婁山等東南部山地,在迎風坡的抬升作用和局地對流的影響下,重慶東南部雷暴日數偏多;而某些情況下,例如當盆地渦活躍時或當副熱帶高壓位置偏南時,重慶地區西部、東北地區雷暴日偏多,而東南部高海拔地區雷暴日數會有所減少.

為了進一步了解夏半年雷暴日數的地域特點,選用經過EOF分解的前10個載荷向量進行正交旋轉變換(REOF),取旋轉特征向量絕對值0·5為臨界值,對重慶地區近37a夏半年雷暴日數的空間變化進行分區,共分了4個區(圖6),每個區選取1個代表站.

Ⅰ區———重慶中西部(圖6A).這是重慶夏半年雷暴日數的空間分布第一關鍵區,占方差貢獻的24·263%,旋轉載荷向量全部為正值,中心值為0·83,代表站是萬盛.高值區域集中在重慶中西部,包括梁平、巴南、沙坪壩、涪陵、北碚、長壽、合川、南川、綦江、萬盛等10個市(縣).

Ⅱ區———東南部(圖6B).旋轉載荷向量均是負值,其中心值為0·87,代表站是黔江,高值區域集中在重慶東南部,包括黔江、彭水、武隆、酉陽、秀山等4個市(縣).

Ⅲ區———東北部(圖6C).旋轉載荷向量均是負值,高值區域集中在重慶東北部,包括巫溪、巫山、奉節、萬州、云陽、城口、開縣共7市、縣,其中心值為-0·81,代表站是巫溪.

Ⅳ區———西部(圖6D).高值區域集中在重慶西部,旋轉載荷向量均是負值,其中心值為-0·75,代表站是永川.包括永川、璧山、大足、榮昌、銅梁、江津、渝北、潼南共8個市(縣).

2·4重慶夏半年雷暴日數異常的時間變化特征

2·4·1年際變化及趨勢分析

圖7為各區代表站夏半年雷暴日的標準化距平曲線和一階時間趨勢.可以看出,萬盛37年來夏半年雷暴日發生頻次表現為下降趨勢,減少幅度為1·3d/10a;1984,1994和2000年夏半年雷暴日數異常偏多(標準化距平>1),而1989,2001,1993,2007,1980和2008年異常偏少(標準化距平<-1).其中2000和1994年為發生日數最多的年份,發生雷暴日數為53,45d;1989年為發生日數最少的年份,雷暴日數僅為19d.

黔江37年來夏半年雷暴日數呈顯著的減少趨勢,減少幅度為4·0d/10a;1982,1994,1978,1984,1973和1983年夏半年雷暴日數異常偏多(標準化距平>1),而2001,2003,2004,2006,1989和1996年異常偏少(標準化距平<-1).其中2001和2003年為發生日數最少的年份,發生雷暴日數分別為16,18d;1983和1973年為發生雷暴日數最多的年份,發生雷暴日數為44,42d.

重慶東北部的巫溪37年來夏半年雷暴發生日數呈減少趨勢,10a減少率分為2·0d.1991,2002,1995夏半年雷暴日數異常偏多(標準化距平>1);而1989,1980,2005,2007,2001,2004,1993年異常偏少(標準化距平<-1).其中1995年為發生日數最多的年份,發生雷暴日日數為37d;2002年次之,為34d;1989和1980年為發生日數最少的年份,雷暴日數為13和16d.

永川37年來夏半年雷暴日數呈下降趨勢,10a減少率分為2·7日.1977,1984,1994,1975和1983年夏半年雷暴日數異常偏多(標準化距平>1),而2001,2003,2006,1993和1980年異常偏少(標準化距平<-1).其中1983年和1975年為發生日數最多的年份,發生雷暴日日數均為39d;1994年次之,為38d;2001,2003和2006年為發生日數最少的年份,雷暴日數均為14d.

2·4·2Mann-Kendall突變檢驗

運用M-K非參數檢驗方法,對各異常型代表站夏半年雷暴日數進行了時間序列的趨勢分析和突變檢驗,圖8為重慶各異常型典型代表站夏半年雷暴日M-K統計曲線,圖中UF代表降水的順序統計曲線(粗線),UB為降水的逆序統計曲線(細線),并給定顯著性水平:p=0·05,臨界線為±1·96(兩條虛線).若UF值大于0,則表明序列呈上升的趨勢,小于0則表明呈下降趨勢.當統計曲線超過臨界線時,表明上升或下降趨勢顯著.如果統計曲線在臨界線之間出現交點,則交點對應的時刻就是突變開始的時間.

萬盛夏半年雷暴日數的M-K檢驗曲線表明,夏半年雷暴日數80年代末到今有明顯的減少趨勢,在2006年發生一次減少突變,由于突變后的資料年限太短,突變雖具有統計學意義,但不排除是臨時性的短期突變.黔江夏半年雷暴日數UF曲線可見,80年代末期以來雷暴日數有減少的趨勢,而且雷暴日數減少是一突變現象,開始時間為1995年.巫溪夏半年雷暴日數M-K曲線表明,從1985年開始呈減少趨勢,減少突變發生在1999年.永川夏半年雷暴日數M-K曲線表明,1984年以來雷暴日數有下降的趨勢,根據兩曲線交點的位置,確定該區80年代末以來減少是一突變現象,1989年為突變年.

2·4·3周期分析

為研究重慶各分區夏半年雷暴日數的周期,針對資料序列不太長的特點,對各代表站夏半年雷暴日數進行最大熵譜估計.計算結果為圖9,萬盛第一峰值和第二峰值分別對應2a和3a的周期,第三峰值和第四峰值分別對應4·5a和12a的周期,表明萬盛夏半年雷暴日數存在顯著12a左右的年代際變化周期和顯著的2~3a左右年際變化周期.黔江夏半年雷暴日數存在顯著12a左右的年代際變化周期和顯著的2a左右年際變化周期.巫溪夏半年雷暴日數年際變化信號比較強,9a和2~4a左右的年際變化周期最為顯著.

永川存在顯著的2a的年際變化周期.

因此,重慶夏半年雷暴日數的各空間分區中,近37年來夏半年雷暴日數各區之間的周期振蕩不太一致,均存在2a左右的年際變化周期,不同的分區主要還存在著4a的年際變化周期和12a左右的年代際變化周期振蕩.

3結論

1)重慶雷暴年際變化較大,自1973-2008年雷暴日數有明顯減少的趨勢,每10a雷暴日數減少近1·8d.

2)重慶雷暴空間分布的總趨勢是自東南向西北和東北減少,東南與西北和東北年平均雷暴日數相差20d左右,雷暴日數分布與降水、氣溫和地形密切相關.

3)重慶雷暴季節變化顯著,由冬至夏,雷暴逐漸增多,7月達最大值,其中4-9月為多雷暴月.由夏至冬,雷暴逐月減少,尤其9月以后雷暴量驟減,其中以12月為最少;雖重慶地區雷暴全年都可以發生,但夏半年占全年雷暴總數的89·4%.

4)一致性異常特征是重慶夏半年雷暴日數的最主要空間模態,而東南與西北和東北向變化模態也是比較重要的.

5)重慶夏半年雷暴日數具有很大的空間差異,可分為具有不同空間特征的4個主要區域.長期變化趨勢來看,4個區域勻表現為顯著的減少趨勢.Mann-Kendall突變檢驗表明,4個代表站中有3個代表站發生了明顯的減少突變,分別為:黔江發生在1995年,巫溪發生在1999年,永川發生在1989年.最大熵譜估計分析表明,近37年來夏半年雷暴日數各區之間的周期振蕩不太一致,均存在2年左右的年際變化周期,不同的分區主要還存在著5年的年際變化周期和12年左右的年代際變化周期振蕩.