近53年博罗县的雷暴气候特征分析

聂晓婷， 黎广林， 邓福兴

(1.博罗县气象局，广东博罗　516100；2.连州市气象局，广东连州　513400)



近53年博罗县的雷暴气候特征分析

聂晓婷1， 黎广林1， 邓福兴2

(1.博罗县气象局，广东博罗516100；2.连州市气象局，广东连州513400)

摘要：利用博罗县1961—2013年的雷暴资料，采用趋势系数、谐波分析、Yamamoto法和Mann-Kendall(M-K)等方法，分析了雷暴的年、月、季变化和初终日、持续期等特征。结果表明：1961—2013年博罗县平均雷暴日数为81 d，雷暴日数以0.47 d/年的速率显著减少；雷暴日数在1975年发生转折突变，在1985年发生均值突变。全年均有雷暴发生，月分布呈单峰型的特征，具有集中性、季节性的特点，主要集中在夏季，冬季出现雷暴的几率很小。初雷主要出现在2月份，终雷主要出现的10月份，雷暴持续期相对较长，年际差异较大。由谐波可分析出雷暴日数具有准10年短周期、准53年长周期的震荡变化。

关键词：气候学； 雷暴； 气候特征； 突变检验； 博罗县

雷暴为中γ尺度伴有雷鸣、闪电的强对流性天气，是一种局部而激烈放电现象。雷暴灾害是我国十大自然灾害之一[1-2]，对人畜、建筑物、电子设备等产生极大的危害，给人民的日常生活、国民经济、生产活动造成严重的威胁。因此对雷暴的活动规律、气候特征的研究成为众多学者的重要研究内容[3-5]。张敏锋等[6]用我国104个台站30年雷暴资料，分析了我国雷暴气候特征，指出近30年来我国大部分地区雷暴频数在波动中减少；徐桂玉等[7]研究了我国南方的雷暴气候特征，指出我国南方年雷暴日数呈现逐年减少的总趋势，多雷暴带主要与山地分布密切相关；毛慧琴等[8]分析广东86个站历年平均雷暴日、初终日资料，并通过分析雷暴与气温的相互关系，揭示出广东省的雷暴主要是由热力条件引起。近几年来，博罗县经济快速发展，高层建筑和现代化高技术电子产品的日益普及，雷电灾害隐患越来越大。如何减少雷暴带来的危害，开展防雷监测、预警预报、雷电灾害防御与管理等工作，备受社会的关注。因此，有必要对博罗县多年雷暴进行统计研究，分析了解其变化规律，以期为雷电预警、预报提供科学依据。

1资料和方法

本研究选取博罗县地面气象观测站1961—2013年完整的逐日雷暴资料，建立博罗雷暴出现日数的逐年时间序列和每年雷暴的初日、终日、持续期的逐年时间序列资料。采用数理统计、线性分析、突变分析等方法对博罗县历年雷暴日数及初雷日、终雷日等进行气候统计分析，运用谐波估计的方法计算博罗县雷暴的周期变化。

在统计资料时，根据我国气象观测规范定义，气象日界为每日20：00；雷暴日为一年中有雷暴现象的天数，一天中只要听到1次或以上的雷声就算1个雷暴日。此外根据华南地区的特点，将3—5、6—8、9—11、12—次年2月分别定为春、夏、秋、冬4季。采用趋势系数、谐波分析、Yamamoto法和Mann-Kendall(M-K)法等分析雷暴日数的变化趋势、周期和突变特征[9]。

2雷暴的气候统计特征

2.1雷暴的年变化

图1给出了53年博罗县平均雷暴日数逐年分布，以53年雷暴日数平均值81 d为0刻度线，很好地表示了历年雷暴的距平值和变化趋势。根据国内有关标准[10]，平均雷暴日为41～90 d的属于多雷区，因此博罗属于多雷区。从图1中雷暴日数分布和5年平滑线可以看出博罗历年雷暴分布不均匀，最大雷暴年为1975年127 d，最少雷暴年为2002年55 d，二者相差达72 d。年雷暴日数超出平均值的有25年，在1961—1978年18年间有17年超出平均值，其中1970—1975年雷暴日数连续6年超过90 d。雷暴少发期集中在1979—2013年，在这35年内共24年低于平均值，其中1998—2006年这段时间雷暴日数最少。雷暴日数的年际变化线性拟合趋势如图1中细实线所示，气候趋势系数为-4.743，可见1961—2013年博罗年雷暴日数以0.47 d/年的速率减少，通过了0.001显著性水平检验，减少趋势非常显著，近50年来约减少了24 d。这与徐桂玉等[8]研究我国南方年雷暴次数呈现逐渐减少的总趋势是一致的。

图1　博罗县1961—2013年雷暴日数逐年变化

从年代际变化(表略)可以看出博罗雷暴日数年代际间差异显著：从20世纪60年代到21世纪初，雷暴发生日数变化幅度较大，70年代最多，然后逐年递减，而进入21世纪以后，雷暴日数明显减少，年均为72 d。经过气候趋势分析，20世纪60—80年代雷暴日数气候倾向率均为负值，分别约以-0.73、-2.66、-1.09 d/年的速率在下降；70年代下降的趋势最为厉害，而60和80年代雷暴日数没有显著的减少趋势；90年代至21世纪初表现为上升趋势，尤其是21世纪初，雷暴约以1.79 d/年的速率在上升。从53年总体趋势看，气候倾向率<0，且通过了显著性检验，雷暴日数呈减少趋势。

2.2雷暴的突变特征

对博罗1961—2013年雷暴序列用Yamamoto、M-K法进行突变分析，分别绘出了信噪比SNR曲线和UF、UB曲线(图2)。从图2a中UF曲线的变化趋势可以看到，雷暴日数在20世纪60年代呈下降趋势，70年代初变为上升趋势，从70年代中期后持续下降，且下降趋势显著，并在1986年左右超过了显著性水平为0.05的临界线。为了减少人为的影响，Yamamoto子序列长度分别取10、5，结果如图2b所示。子序列长度为10时，SNR均没有超过显著水平，而当子序列长度为5时，在1975年发生了突变，SNR超过了显著水平。对比Yamamoto法和M-K法，结合雷暴日数的5年滑动平均曲线(图2c)发现，Yamamoto法能够检测出雷暴日数发生转折的年份，为转折突变[11-12]，即在1968—1980年期间雷暴日数发生了先增后减的剧烈变化，这与5年滑动平均曲线中的转折是非常符合的。M-K法则检测出雷暴日数的变化趋势为均值突变[12]，从UF和UB曲线的交点位置可以确定雷暴日数在1985年发生了突变。

图2　雷暴日数M-K法(a)、Yamamoto法(b)和5年滑动平均(c)曲线

2.3雷暴月、季变化特征

1961—2013年博罗各月均有雷暴发生，平均月雷暴日数在0.1～16.6 d之间，月际之间雷暴日数相差较大。从图3月平均雷暴变化曲线可以看出，月变化曲线呈单峰型，峰值出现在8月，10月至次年3月是雷暴较少的半年，仅占全年雷暴日数的7.98%，4—9月是雷暴多发的半年，占全年雷暴日数的92.02%。其中夏季为雷暴高发期，历年平均出现46个雷暴日，占全年雷暴日数的57.41%，是春、秋、冬累计平均出现日数(35 d)的1倍多；春季次之，累计年平均出现22个雷暴日；冬季出现雷暴的几率最小，仅占0.12%，普查博罗冬季53年的雷暴资料发现，其中有26年冬季是没有出现雷暴。可见博罗一年4季中，雷暴活动具有明显的集中性和季节性分布的特点。

对比历年月平均降水量、气温变化曲线(图略)发现，气温与雷暴分布状况一致，均为单峰型，而降水为双峰型，最大值均出现在夏季。计算历年月平均雷暴与降水量、温度之间的相关系数分别为0.96、0.88，均达到0.001(r0.001=0.823)的显著水平，月平均雷暴日数与降水、气温之间呈现明显的正相关，表明水汽条件、热力条件对雷暴的形成是非常有利的。

2.4雷暴初、终日特征

初雷、终雷是很重要的气候指标，博罗初雷主要出现在每年的2月份，其次是3月份，分别占了47.2%、39.6%，最早一年是在2000年的1月4日，最晚一年是2011年的4月17日。终雷主要出现在每年的10月份，其次是9月份，分别占到了49.1%、32.1%，其中最早终雷是1966年9月4日，最晚是1992年12月27日。雷暴初、终日之间的日数称为持续期，初、终日的变化必然会造成持续期发生变化。博罗1961—2013年雷暴持续期长，年际差异变化大，平均为227 d，最长持续时间在1992年有325 d，持续时间最短的为172 d，发生在1966年，二者相差了153 d。分析发现雷暴持续期的气候倾向率为-2.578 d/年，说明雷暴持续期有变短的趋势。

雷暴初、终日的保证率分析[13-14]是雷暴风险评估的重要指标，不同保证率的初、终日对雷暴的预警预报提供了一定的依据，对交通运输、旅游等行业具有重要意义。根据经验频率公式计算雷暴初、终日保证率：

P=m/(n+1)×100%

式中m为雷暴初(终)日由后(前)向前(后)排列的序号；n为样本数53；P为保证率(%)，其定义为地面受(不受)雷暴危害的可能程度。计算得到博罗不同保证率的可能初、终日如表1。

表1　博罗雷暴初、终日保证率

由表1可知，53年来博罗雷暴初日出现较早，80%保证率出现在2月13日，从2月中旬到3月中旬保证率迅速变小，而到4月7日保证率仅为5%，这说明博罗雷暴初日大多出现在3月中旬之前。博罗雷暴终日出现较晚，出现在9月上旬的保证率只有5%，95%保证率日期在12月20日，说明9月中旬前雷暴结束的可能性很小，越接近年末，出现终雷的可能性越大。表1中雷暴保证率表明博罗雷暴现象一年中任意时期都有可能发生，防雷减灾工作随时都要进行。

2.5雷暴周期变化

将博罗雷暴日数时间序列分解成若干个谐波函数[15]，分析雷暴日数的周期变化特征。由博罗雷暴日距平前20个谐波的方差贡献可知，较为突出的峰值在k=1、5、7的谐波。计算各谐波的F检验值可知，95%置信度的阈值是F0.05=3.18。因此这20个谐波中只有k=1、5两个是显著的，其他的谐波都可能是随机噪音。

分析博罗雷暴日数距平阶数为k=1、5的谐波结果可知，当k=5时相应的周期(n/k)是10年；同理容易算出k=1时对应的n/k为53，但是由于所选取的时间序列只有53年，因此不能确定是否有53年的周期变化。图3给出了k=1、5 两个谐波叠加结果以及观测雷暴日数距平的时间序列，2者变化趋势有很好的一致性。可以看出博罗雷暴日数在1961—1985年以10年周期为主，并且雷暴日数均大于历年平均值；同时1985—2013年也以10年周期为主，但雷暴日数均小于历年平均值。表3用前20个谐波来拟合历年雷暴日数距平变化，总的累积拟合率超过了77.86%，其中k=1、5两个谐波就占了44.15%，进一步突出了k=1、5谐波的作用，拟合效果明显，能够代表整个时间序列的主要表现特征。

(谐波阶数取1、5，实线为谐波拟合结果，虚线为观测雷暴日数距平)

图3博罗年雷暴日数距平的谐波分析

3结论

1)1951—2013年博罗平均雷暴日数为81 d，属于多雷区，具有显著的年际和年代际变化。其阶段性变化明显，自20世纪60年代以来整体有下降趋势，高发年份主要集中在20世纪60年代至70年代，其中1970—1975年雷暴日数连续6年超过90 d；雷暴少发期集中在1979—2013年，在这35年内共24年低于平均值。

2)用Yamamoto法和M-K法检测出雷暴日数在1975年发生转折突变，在1985年发生均值突变。

3)博罗全年均有雷暴发生，月分布具有单峰型的特征，具有集中性、季节性的特点。雷暴日数主要集中在夏季，春季次之，冬季最少，仅占0.12%，53年中有26年冬季无雷暴出现，即博罗冬季出现雷暴的几率非常小。此外多年平均雷暴日数序列与相应的降水、气温序列之间呈现明显的正相关。

4)博罗初雷主要出现在2月中下旬，终雷主要在10月中旬。初、终雷日之间持续期相对较长，年际差异变化大，平均为227 d。博罗雷暴80%保证率初雷日都在2月13日左右，终雷日出现较晚，95%保证率终雷日在12月20日。

5)把博罗雷暴日序列分解成若干个谐波函数，表明博罗雷暴日数存在准10年短周期变化。其中k=1、5谐波的突出作用，拟合效果明显，能够代表整个时间序列的主要表现特征。

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收稿日期：2015-09-20

作者简介：聂晓婷(1986年生)，女，助理工程师，本科，从事地面气象观测工作。E-mail：niexiao1874@qq.com

中图分类号：P46

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.007

Analysis of the Climatological Characteristics of Thunderstormsin Boluo County in the Past 53 Years

NIEXiao-ting1,LIGuang-lin1,DENGFu-xing2

(1. Meteorological Bureau of Boluo County, Boluo 516100; 2. Meteorological Bureau ofLianzhou City, Lianzhou 513400)

Abstract：With data of thunderstorms in Boluo County from 1961 to 2013 and methods of tendency coefficients, harmonics, Yamamoto method and Mann-Kendall test, we studied the annual, monthly and seasonal variations of the thunderstorms and the dates of annually first and last thunderstorm and duration of thunderstorm seasons. The result is shown as follows. The average number of thunderstorm days for 1961-2013 is 81 d and decreases significantly at a rate of 0.47 d/year. With the Yamamoto method and Mann-Kendall test, the number of thunderstorm days and the mean value were found to have an abrupt change in 1975 and 1985, respectively. In Boluo, thunderstorms can occur all year round with the monthly occurrence in unimodal distribution. They appear mainly in summer but rarely in winter. Annually, the first thunderstorm occurs in February and the last in October. Its duration is relatively long and varies much from year to year. It is known from the harmonics analysis that the number of thunderstorm days shows a short period of quasi-10 years and a long period of quasi-53 years.

Key words：climatology; thunderstorm; climatological characteristics; abrupt change test; Boluo County

聂晓婷， 黎广林， 邓福兴.近53年博罗县的雷暴气候特征分析[J].广东气象，2016,38(2)：29-33.