湖州市雷暴活动特征分析

2010-09-21马金福冯志伟虞进肖稳安朱奎荣

浙江气象 2010年3期

关键词：湖州市雷暴日数

马金福冯志伟虞进肖稳安朱奎荣

(1.湖州市气象局,浙江湖州313000;2.南京信息工程大学,江苏南京210044)

湖州市雷暴活动特征分析

马金福1冯志伟1虞进1肖稳安2朱奎荣1

(1.湖州市气象局,浙江湖州313000;2.南京信息工程大学,江苏南京210044)

应用湖州地区4个气象站多年雷暴观测资料及浙江省闪电定位系统观测资料,从区域分布、年际变化、月际变化及日变化等方面对湖州地区雷暴活动进行了详细的分析。湖州地区年均雷暴日为34.7 d,山区的雷暴日明显偏多。每年的3—9月是雷暴活跃期,7月最多,1月和12月最少。湖州地区雷暴活动日变化呈现双峰特点,最高峰出现在14—15时,次高峰出现在21时,7—9时是最低值区。应用趋势分析法,发现近50 a湖州地区雷暴日数呈现出在波动中减少的趋势。进一步应用小波分析得出湖州地区的雷暴日数具有8～9 a的震荡周期。近50 a湖州地区雷暴活动经历了3个活跃期和2个减弱期,目前正处于第3个活跃期中。湖州地区雷暴活动平均每8.5 a出现1个达到严重事件标准的年份,严重偏多和严重偏少的年份基本相当;每22.4 a出现1个异常年份,主要表现为异常偏多。

雷暴活动;趋势;周期;异常;特征

0 引言

湖州市处于浙江省西北部,下辖3县2区,有4个地面气象观测站。作为一个多雷地区,每年都有大量的雷击灾害发生,轻则财产损失,重则人员伤亡,已引起政府和社会的高度关注,防雷减灾已成为建设和谐社会和平安社会的重要课题,而掌握雷电活动规律是做好防雷减灾工作的前提条件。许多研究表明,各地的雷电活动都有其地方特征。陈渭民在分析我国雷暴地理分布时指出,地势较高、地形复杂的山区,雷暴日往往高于同纬度地区的数值[1]。朱乾根、林锦瑞等在分析雷暴天气成因时指出,由于山地迎风坡的抬升作用很大,一般来说,山区的雷暴比平原地区要多[2]。马明、吕伟涛等分析中国雷电活动特征时指出青藏高原及邻近地区是雷暴日的次高值区,却是闪电密度的次低值区,反差较大[3]。徐桂玉等根据我国南方62个气象观测站1971—1995年月雷暴日数资料,分析指出我国南方雷暴的年际变化存在着2 a,4 a较短周期和9 a,21 a长周期振荡[4]。胡艳等分析了上海地区45 a(1960—2004年)的雷暴气候特征,结果表明,上海地区雷暴发生期主要集中在每年的5—9月;雷暴的季节变化明显;上海地区的“城市热岛”效应可能会增加城区雷暴的发生频数;上海地区雷暴日年变化的主周期约为6 a[5]。

因此,为减少雷电活动造成的损失,有必要对湖州市雷电活动的特征进行深入的分析,掌握其活动规律。

1 资料来源

1.1 湖州市地面观测资料

湖州市本级1956—2008年雷暴地面观测数据,安吉县1959—2008年雷暴地面观测数据,德清县、长兴县1971—2008年雷暴地面观测数据。

1.2 闪电定位仪观测资料

2007—2009年浙江省闪电定位系统观测资料,包括闪电的位置(经纬度)、闪电时间、闪电强度、闪电极性等。

2 雷暴日数特征分析

2.1 雷暴日数的区域分布

湖州地区年平均雷暴日为34.7 d,各站年平均雷暴日数分别为:湖州市本级34.3 d,安吉县40.6 d,德清县31.9 d,长兴县30.5 d。根据国家有关规范规定,湖州、德清及长兴3个站属于多雷区,而安吉站属于高雷区[6]。若比较相同时期的雷暴日数,从1971—2008年这一时期湖州市本级及安吉县年平均雷暴日分别为31.1 d和38.9d。比较4个站年均雷暴日数,发现湖州市本级、德清县及长兴县三地比较接近,而安吉县的雷暴日数明显高于其他三地,主要原因是安吉地处湖州市西部山区,地形起伏较大,易形成局地热对流,而其他三地都处于丘陵与平原的过渡地带,地形相对较平坦,地形不同造成差异,这与陈渭民[1]、朱乾根等[2]提出的山地雷暴日往往高于同纬度其他地区的研究成果相一致。进一步分析德清(北纬30°32’)、湖州(北纬30°52’)、长兴(北纬30°59’)3站1971—2008年同期雷暴日数,发现与三地纬度从低到高相对应,雷暴日数从高到低。

2.2 雷暴日数的年际变化

2.2.1 雷暴日数年际变化概况

湖州地区各县(区)雷暴日数年际变化图(图1)清晰反映了4个站雷暴日数的年际变化(为看得清楚,把4条变化曲线分二部分显示),从图1可以看出,湖州市所辖4个县(区)雷暴日数的变化趋势基本一致,因此本文选择积累资料时间较长且雷暴活动最多的安吉站为代表进行分析。

图1 湖州地区各县(区)雷暴日数年际变化图

分析安吉站1959—2008年共50 a雷暴观测数据,年平均雷暴日数为40.6 d,雷暴日数年际差异非常大,最多年份雷暴日数为71 d,也是湖州地区的极大值,出现在1963年,最少年份雷暴日数为20 d,出现在2000年。从安吉站雷暴日数5 a滑动平均曲线图(图2)可见,雷暴日数变化呈现周期性,期间出现3个高值区和2个低值区。1959—1964年、1981—1987年、2003—2008年是3个相对高值区,期间年平均雷暴日数为53.3 d,43.7 d,43.8 d,1966—1980年、1988—2002年是2个相对低值区,期间年平均雷暴日数为37.5 d和35.8 d。从图2还可以看出,近年来湖州地区正处于雷暴活动活跃期。

图2 安吉站雷暴日数5 a滑动平均曲线图

根据世界气象组织和一些国家的规定,把雷暴日数距平|ΔS|达到2倍标准差(2σ)的事件称为异常,距平达到1.3σ的称为严重事件[7]。

按照上述标准,湖州地区4个站共出现8站次异常年份,其中湖州市本级3次(1956, 1960,1963年),安吉站2次(1960,1963年),德清站1次(1987年),长兴站2次(1978,1987年),平均每22.4 a出现1个异常年份。在这8站次异常年份中有7站次是正距平,也即雷暴日异常多,只有1978年的长兴站出现异常少的情况,这说明湖州地区雷暴日异常的主要特点是雷暴日异常多,这为防雷减灾提供了依据。湖州地区共出现21站次严重事件年份,其中湖州站6次,安吉站4次,德清站7次,长兴站4次,平均每8.5 a出现1个达到严重事件标准的年份。在这21站次严重事件中,其中9次严重偏多,12次严重偏少,两者相差不大。

由于湖州地区面积不大,气候环境基本相同,4个站出现异常或严重的年份大都相同,但也有个别年份差异较大,例如1983年和1985年,德清站的距平与标准差之比达到了1.30和1.60,而湖州市本级站分别为-0.22和0.26,这说明雷暴活动具有局地性的气候特征,具体的气候成因有待于进一步分析。

2.2.2 雷暴日数年际变化趋势分析

为了更清楚地了解雷暴日数随时间变化的趋势,以安吉站为例,根据下面公式,计算雷暴日数的气候趋势系数rxt。

式中:n为年数;Xi为第i年的雷暴日数;¯X为所统计年内平均雷暴日数,¯t=(n+1)/2,rxt的正负值表示该要素在计算的年内增(降)的变化趋势。

经计算,安吉站的rxt值为-0.26,表明近50 a安吉雷暴日数呈下降趋势。

年雷暴日数的趋势定量变化可以用一次线性方程表示,即:

Xi=a0+a1t(t=1,2,3…n),式中:a1为气候倾向率,t为年份序列数。

经计算,安吉站年雷暴日数变化趋势直线方程为Xi=-0.158t+354.6,如图3所示。由拟合结果可知近50 a来,平均每10 a安吉站雷暴日数大约减1.58 d。这与张敏锋等于1998年在研究我国雷暴天气的气候特征中指出的,近30 a来我国大部分地区平均雷暴频数在波动中减少的变化趋势基本一致[8]。

图3 安吉站近50 a雷暴日数变化趋势拟合直线

2.2.3 雷暴日数年际变化周期分析

利用Morlet小波分析方法对安吉站雷暴日数序列进行周期分析,在MAT LAB中编程画图,如图4所示,Morlet小波变化实部表示了雷暴日数变化的时间尺度特征。由图4可以看到雷暴日变化存在多时间尺度结构,在8～9 a的时间尺度上正负闭合中心比较明显,表明雷暴日数序列在8～9 a时间尺度下交替振荡最为显著,即安吉站雷暴日数的年际变化存在以8～9 a为振荡周期的特征。

图4 安吉站1959—2008年雷暴序列的小波系数实部分布图

2.3 雷暴日数的月际变化分析

分析湖州地区4个测站各月的数据,4个测站变化趋势是一致的,发现每个月都有雷暴发生,从湖州地区各站月平均雷暴日数占比表(表1)上可以看出,其变化呈现单峰特征,最高值出现在7月份,次高值出现在8月份,两月之和占总雷暴日数的56.4%。1月和12月为最低,仅记录有8个站日,占总数的0.11%。10月到次年2月为雷暴的少发期,雷暴日数之和占总数的2.5%。雷暴活动从3月份开始活跃,近80%的年份在3月有雷暴发生,活跃期一直延续到9月份。最早的初雷日出现在1960年1月6日的湖州站,最迟终雷日出现在1965年12月22日的安吉站。

雷暴日数的月际变化特征与天气系统变化是密切相关的。10月份开始湖州地区受大陆气团控制,气温逐渐降低,对流较弱,层结趋于稳定,不易形成雷暴;3月份以后,南方的暖湿气流逐渐北抬影响湖州地区,冷暖空气在本地交汇开始增多,雷暴逐渐活跃,这时以系统过境发生的雷暴为主。7—8月份为盛夏季节,局地热对流旺盛,是造成雷暴频发的主要原因。

表1 湖州地区各站月平均雷暴日数占比表 %

3 雷暴活动的日变化

分析2007—2009年闪电频次日变化曲线(图5)可以看到,湖州地区的闪电活动出现双峰特点,且上升和下降的曲线非常陡峭,呈现出快速上升和快速下降的特点。从上午10时开始快速增加,14—15时达到最大,15时以后快速下降,到19时达到一个低点后又呈现上升状态,到21时达到次高峰,接着快速下降,23时至10时处于低值区,最低出现在7—9时。这个日变化特点与美国卫星观测(1995—2005年)得到的中国闪电日变化特点基本相一致[3],只是峰值出现时间提前了1 h。但卫星观测也显示,华东地区闪电日变化呈现单峰结构[3],而非双峰结构,这可能与闪电定位系统资料积累时间较短且与卫星观测时间段不同有关,有待于继续积累资料作进一步研究。