我国华南江南春季雷暴气候特征分析

杨波，王园香，蔡雪薇

(1.国家气象中心，北京100081；2.国家卫星气象中心，北京100081)

1 引 言

雷暴泛指深厚湿对流(DMC)现象[1]，狭义上指伴有雷电的深厚湿对流。雷暴对航空运输、电力、通信等多个行业影响巨大。较强的对流性天气往往会伴随着雷暴，因而研究雷暴的活动规律对于分析强对流发生发展规律有着重要的意义。

在雷暴的气候特征研究方面，余蓉等[2]分析了我国雷暴1971—2000年的变化趋势，并指出这种变化趋势和水汽及动力条件的减弱有关。巩崇水等[3]利用EOF方法对1981—2010年我国的雷暴时空分布特征进行了研究，并指出ENSO事件对中国雷暴尤其是南方地区影响较明显。李桑等[4]则探讨了大尺度环流异常与我国南方雷暴发生频次的关系。此外，张羽等[5]分析了城市热岛效应对珠三角雷暴活动年际变化的影响；郭秀峰等[6]、陈圣劼等[7]分别指出太平洋年代际振荡指数的冷位相有利于广东、江苏等地雷暴活动；陈绍东等[8]指出广州市雷暴日与前期4—6月印度尼西亚附近西太平洋海温呈负相关的变化趋势；姚蓉等[9]则分析了湖南雷暴主要受同一天气系统影响并有逐渐减少的趋势。以上分析让我们对华南江南部分地区的雷暴气候变化特征有了一定了解，但针对整个华南江南地区雷暴气候特征的研究，特别是结合天气机理分析的研究还相对较少。

雷暴作为一种典型的对流天气，许多学者[10-12]从大气静力稳定度、水汽、抬升触发机制等方面出发，较系统地介绍了雷暴的生成与发展条件。Doswell等[13]总结了雷暴生成三要素包括：(1)环境温度直减率处于条件不稳定状态，常存在温度直减率近乎干绝热的气层，从而有足够大的正浮力；(2)有足够多的水汽从而使抬升气块代表的状态曲线与环境温度曲线相交于自由对流高度；(3)具有使气块达到自由对流高度(LFC)的抬升机制。基于上述研究再结合决定雷暴组织程度的水平风垂直切变[14]，国内外许多气象工作者采用配料法[15-18]的思想开展雷暴潜势预报并在业务中取得了较好的应用效果。

每年春季(3—5月)，我国华南江南地区逐渐进入汛期，强对流天气频发，其发生频率远大于我国其他地区。由于华南江南地区经济发达、人口密度大，而强对流具有很强的突发性，突发性强对流往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡。如何更好地掌握我国华南江南地区雷暴的活动变化规律，并在此基础上对其进行合理分型，探讨其可能形成的机制，为该地区的雷暴落区预报提供必要的依据是本文所关注的重点。

2 资料选取和方法介绍

本文分析数据采用1981—2010年3—5月我国华南、江南地区274个基本地面气象观测站数据、2011—2017年3—5月全国闪电定位数据和1981—2017年 3—5月 ECMWF水平分辨率为1.0°×1.0°的全球大气再分析数据(ERA-Interim)。

其中1981—2010年雷暴逐小时数据集的建立是由基本地面气象观测站数据整理得到；由于地面观测规范取消雷暴人工观测，2011—2017年逐小时站点雷暴数据集的建立是以基本地面气象观测站为中心，在1 h内21 km的半径有非孤立的闪电发生，则记为该时次有雷暴现象发生。该算法建立的站点雷暴数据集经检验和地面气象站人工观测的雷暴数据集重合率达88%，具有较高的一致性[19]。其他学者也证明了基于闪电观测建立雷暴数据集的可靠性[20-21]，汪亚等[22]则通过数值模拟分析了闪电与雷暴的相关关系。

分析方法首先是基于274个测站37年春季(3—5月)雷暴日的距平数据采用经验正交函数分解(EOF)方法进行展开，对比分析了前3个主要特征场的空间和时间特征；然后再利用标准化的前三个特征向量对应的时间系数与气象要素场做回归分析，基于回归的系数，初步对比分析了我国华南江南地区三种不同雷暴天气分布特征形成的可能原因。

3 雷暴的气候分布特征

图1是1981—2017年3—5月我国华南江南地区总雷暴日的分布，其中广西东部至广东西部是雷暴活动主要高发区，其范围和雷暴日的发生频次都远大于其他区域，中心区域在广西和广东的交界处，雷暴日超过900天；另一个高发区在江西和福建的交界处，其中心区域江西东南部至福建的西南部，雷暴日超过800天。

图1 1981—2017年3—5月我国南方总雷暴日分布

从日变化特征看(图2a)，雷暴发生有两个高峰期，一个在下午18:00左右，另一个在凌晨4:00左右；而上午11:00，夜里23:00左右则是雷暴发生的低谷期。此外，在09:00有一个次高峰，但其持续时间与发生时次均比前两个高峰要小得多。对比300 m海拔以下的平原站和1 000 m海拔以上的山区站的变化特征(图2b)可见在05:00—17:00平原站的平均时次比山区站多，而18:00—04:00山区站比平原站的平均时次多；山区站雷暴高发集中在傍晚至夜间，呈单峰特征。平原站雷暴高发集中在17:00前后及06:00前后，呈弱双峰特征。总体而言，夜间山区更容易发生雷暴；而白天平原更容易发生雷暴。这可能是由于山区坡前和谷底上空的空气受热不均，在夜间形成“山风”并在谷底辐合抬升形成对流；而平原地区受海陆风影响，白天陆地相对海洋是热源，海风带来海洋上的水汽，有利于引发雷暴[23]，此外午后局地热对流也是平原地区白天多发生雷暴的一个重要原因[24]；从雷暴活动的持续时间来看，32%的持续在1 h以内，29%的持续时间为1～2 h，16%的持续时间为2～3 h。3 h以内的雷暴活动占77%，雷暴活动反映的是对流系统的生消演变，其持续时间较短说明华南江南大多数对流系统的生命期较短。

图2 1981—2017年3—5月我国华南江南逐时雷暴发生频次 a.总频次;b.平原站(0～300 m)和山区站(＞1 000 m)平均频次。

4 雷暴的年代际变化特征

4.1 年代际变化

从华南江南地区274个站春季总雷暴日的年际变化特征 (图3)来看，华南江南地区平均每年3 929个雷暴日，其中2000年最少共2 126个雷暴日；2016年最多共6 381个雷暴日。从1981—2017年274站总雷暴日的小波变换(图3)可看出，华南江南地区春季雷暴日随时间变化呈现出多时间尺度叠加的特征，在通过α=0.05显著性检验的区域内，1980年代及2010年代初存在3～5 a的周期变化；15～17 a的时间尺度上，整个显著区域小波系数较大。说明华南江南地区的雷暴活动存在着3—5年的短周期变化，同时还存在16年左右长周期的震荡变化。

图3 1981—2017年3—5月我国华南江南地区274站的总雷暴日的小波变换 网格为通过α=0.05显著性检验的波动。

4.2 EOF和距平分析

为了进一步分析雷暴的空间与时间变化特征，利用EOF方法对华南江南的雷暴日进行分析。表1给出了1981—2017年江南华南274个测站3—5月平均雷暴日距平标准化场经分解后，各主成分的方差贡献和累积方差贡献。其中前6个主分量累积达到80.8%。基本涵盖了华南江南地区雷暴活动的主要特征分布。

表1 前6个主成分的方差贡献和累积方差贡献的百分比值

采用North等[25]提出的计算特征值误差范围的方法对EOF分解的主要模态进行显著性检验。其基本方法为：当两个相邻的特征值λ满足λiλi+1≥еi时(其中，n 为样本总量)，就认为这两个特征值所对应的模态是有价值的信号。经计算该EOF分解前三个模态都通过了显著性检验。

图4、图5分别给出了1981—2017年江南华南地区274测站雷暴日数经EOF分解后的个别方差贡献前3位的空间向量场以及对应的时间系数。第一向量场表现出江南华南雷暴日呈现较统一的变化规律(图4a)，其中正异常的极大值中心在湖南、江西南部与广东北部的交界处，以此为中心，向四周逐渐减小，整个湖南、江西南部、广东北部与广西东北部均是雷暴日正异常较大的区域，由其所占的方差贡献可知此模态是华南江南雷暴活动特征的主要模态。结合时间系数(图5a)可看出，华南江南雷暴活动特征大体经历了3个阶段，1981—1998年其时间系数有正有负，呈现规律的波动性；1999—2011年，时间系数基本为负值，说明此阶段江南、华南雷暴活动较不活跃，雷暴日相对较少，特别是前期的1999—2000年和后期2009—2011年，雷暴日明显较少；2012—2016年时间系数均为正值，江南、华南雷暴活动较活跃，特别是2013年和2016年，雷暴活动最活跃，雷暴日也较常年偏多。

第二向量场从华南南部经广西东北部、湖南南部至江西、浙江南部有一条西南-东北向、下宽上窄的雷暴日正距平异常区，而在正距平异常区的两侧则为负距平异常区(图4b)。从时间序列(图5b)来看，此模态的雷暴分布主要经历了三个阶段，时间系数1981—1990年主要为负值；1991—2006年主要为正值；而2007—2017年主要为负值。对应第二向量场，从华南沿海到江西北部山区这条西南-东北向的异常区在1991—2006年雷暴活动相对活跃，而华南江南的其他地区雷暴活动则相对不活跃，处在相对少发期；其他时段，雷暴的相对活跃区和不活跃区分布情况正好相反。

第三向量场表现为华南和江南地区南北向呈反位相异常(图4c)：即当华南地区为正异常时，江南地区为负异常。其中当华南地区的正异常极大值区在广东西南部沿海地区，而江南地区的负异常小值区在江西北部至安徽南部，其分界线约在26°N附近。

为了分析方便，本文分别把EOF分解的第一、二、三空间特征向量场定义为I、II、III型雷暴分布特征。

图4 1981—2017年274个测站3—5月平均雷暴日距平EOF分解的前3个空间向量场分布a.第一向量场;b.第二向量场;c.第三向量场。

图5 1981—2017年274个测站3—5月平均雷暴日EOF分解的前3个特征量的时间系数a.第一特征量；b.第二特征量；c.第三特征量。

5 不同型的大气环流特征

利用ERA-Interim的温度、风、位势高度、相对湿度等数据与特征向量对应的标准化时间系数做回归分析，可用于分析解释江南、华南地区春季雷暴分布特征及可能的形成机制。

Ⅰ型雷暴分布是我国华南、江南春季雷暴分布的主要形态对应其大气环流特征(图6，其中图6a、6b中灰色网格为风速通过0.10显著性检验的显著区域，图6c中灰色正斜纹区表示温度通过0.10显著性检验的显著区，棕色反斜纹区表示相对湿度通过0.10显著性检验的显著区，下同)。在我国西南地区有一个较深厚的异常涡旋系统，其500 hPa以上是异常的气旋性环流，中心在贵州上空，对应在低层850 hPa上有一明显的异常低槽，华南、江南地区正好在槽前的西南气流带上，两个异常的反气旋环流分别位于菲律宾以东洋面和印度洋上空，这加深了西南低槽，致使槽前的西南气流明显异常，说明西南急流较强，受其影响，华南、江南明显偏湿，其最大值在江西中部至福建东部；但在槽后的西北气流控制下有明显的偏干区域，这个区域的范围随着高度的增加而增加，到500 hPa，除江西至福建北部以外，江南、华南的其他区域均偏干，说明存在明显的下湿上干现象。沿115°E的南北向剖面(图6c)来看，受槽前南风气流影响，华南江南为大范围的上升气流；由华南至江南，700～600 hPa以下相对偏暖，其中江南偏暖更明显，而700～200 hPa相对偏冷，江南偏冷也更明著，下暖上冷的异常大气层结构增加了华南江南地区的位势不稳定，为对流发展提供了良好的热力条件；湿度条件来看，华南江南地区700 hPa以下为相对湿区，而700～300 hPa为相对干区。低层异常的暖湿气流被抬升与中高层干冷空气混合发生凝结释放潜热触发对流是对流发生发展的一个经典形态[13]。由以上分析可见，异常深厚低涡槽前较好的动力条件、上冷下暖的层结结构、上干下湿的水汽条件是华南江南发生大范围雷暴天气的主要的环流特征。

Ⅱ型雷暴分布相对于Ⅰ型更集中，在我国华南、江南地区呈现西南-东北走向、下宽上窄的带状分布，对应其大气环流特征，由图7可见，与Ⅰ型环流特征类似，中低层异常西南槽位于我国四川到云南上空，华南、江南位于槽前的西南气流带上；但是与Ⅰ型不同，异常西南槽前后两个异常反气旋环流较弱，异常西南槽相对宽，槽后的西北风不明显，到500 hPa已转为西风，下游的异常反气旋环流中心在日本海南部，受其影响，异常西南槽前的西南气流在我国江南向北转向成东南风，并与西南风形成切变，这有利于水汽在华南、江南地区堆积；从湿度的回归来看，从低层到高层，华南、江南地区均是异常偏湿，其中中上层比低层偏湿明显，江南比华南偏湿明显。从115°E的南北向剖面图(图7c)来看，与Ⅰ型类似，华南江南为大范围的上升气流；但与Ⅰ型不同，200 hPa以下温度层结整层偏冷，水汽条件整层偏湿。在有较好的动力条件和水汽条件基础上，较冷的环境有利于水汽凝结，触发对流，形成雷暴。相对于Ⅰ型对应的环流特征，较弱的动力条件、较好的水汽条件以及偏冷的温度层结是Ⅱ型雷暴发生的显著环流特征。

图7 同图6，但为第二特征量时间系数的回归场及剖面

Ⅲ型雷暴分布与Ⅰ、Ⅱ型雷暴分布明显不同，华南和江南呈现相反的分布特征，即华南明显偏多时，江南明显偏少。其对应的大气环流特征(图8)，在中高层北支蒙古高原上空是一个异常的反气旋环流，而在日本及其以东洋面是一个强大的异常气旋环流；南支系统偏弱，在我国西南至中南半岛呈现弱的异常气旋性环流，在菲律宾以东洋面上呈现弱的异常反气旋环流。受四个主要系统影响，我国江南华南地区在500 hPa为弱的异常东北气流，而到250 hPa为弱的异常西南风气流，整个江南、华南地区略偏湿；在低层850 hPa左右，日本及其以东洋面气旋环流外围的异常西北风气流在30°N左右转向，形成明显的异常东北风气流，我国江南华南地区正位于该异常东北气流带上，该异常东北风气流把北方干冷空气向南输送，形成北干南湿的分布，其分界线大约在广东、广西北部山区，这与华南江南雷暴呈反向分布的分界线大体一致。沿115°E的南北向剖面(图8c)，受蒙古高压与日本海低压共同作用，北方冷空气势力强盛，低层异常偏北风一直贯穿江南华南，并把南方异常暖湿空气抬升；而中高层为异常偏南风，异常南北气流在27°N左右辐合下沉汇入到北风气流。异常上升与下沉气流在华南江南地区形成一个异常垂直环流圈，其垂直高度为900～300 hPa左右，垂直环流中心在400 hPa左右。异常垂直环流的上升支从26°N左右开始往南一直延伸到21°N左右，正好和Ⅲ型雷暴分布区相对应；从湿度条件来看，由于北方异常干冷空气南下，华南地区低层900 hPa以下偏干，而暖湿空气被抬升，形成中高层(900～300 hPa左右)偏湿的湿度层结；温度层结则整层略偏冷。由上述分析可知，Ⅲ型雷暴分布对应的环流特征主要是由于较强的异常干冷空气随东北气流南下，在广东、广西北部山区与南方暖湿空气形成对峙，并形成异常垂直环流圈，在异常垂直环流圈的上升支，低层干冷空气被卷入中高层造成中高层暖湿空气凝结释放潜热并形成对流，造成华南地区多雷暴发生，这也是高架雷暴形成的一个重要原因[26-28]；而江南地区处于异常垂直环流的下沉支，整层湿度偏干，造成江南地区雷暴相对偏少。

图8 同图6，但为第三特征量时间系数的回归场及剖面

6 结论与讨论

本文采用1981—2010年3—5月我国华南、江南地区274个基本地面气象观测站数据和2011—2017年3—5月全国闪电定位数据建立了华南江南地区37年的春季雷暴数据集；并采用经验正交函数分解(EOF)方法对华南江南春季雷暴日进行分析；然后利用标准化的前三个特征向量对应的时间系数和 1981—2017年 3—5月的ERA-Interim全球再分析数据气象要素场做回归分析。得出以下主要结论。

(1)我国华南江南地区春季雷暴活动的主要高发区在广西东部至广东西部，其范围和雷暴日的发生频次都远大于其他区域，中心区域在广西和广东的交界处。

(2)从雷暴发生的日变化特征看，有两个高峰期，一个在下午18:00左右，另一个在凌晨4:00左右，而上午11:00、夜里23:00左右则是雷暴发生的低谷期，大多数雷暴活动持续时间不超过3 h；另外，山区站雷暴高发集中在傍晚至夜间，呈单峰特征，平原站雷暴高发集中在17:00前后及06:00前后，呈弱双峰特征。总体而言，白天平原更容易发生雷暴，而夜间山区更容易发生雷暴。

(3)华南江南地区的雷暴活动存在着3—5年的短周期变化，同时还存在16年左右的长周期震荡变化。

(4)对华南江南地区的年雷暴日距平做EOF分析，其前3个主成分累计方差贡献达到72.3%。按其向量场的方差贡献分型，Ⅰ型表现为华南江南雷暴活跃特征呈现较统一的变化规律；Ⅱ型表现为从华南南部到江西与浙江南部有一条西南-东北向、下宽上窄的雷暴活跃正距平异常区；Ⅲ型表现为华南和江南地区雷暴活跃特征呈南北反位相异常，其分界线在26°N附近。

(5)利用EOF前三个特征向量对应的标准化时间系数与ERA-Interim数据做回归分析可知：深厚西南低涡槽前、上干下湿的水汽层结、上冷下暖的温度层结为华南江南地区发生大范围雷暴天气提供良好的动力、水汽和位势不稳定条件，是华南江南地区发生Ⅰ型大范围雷暴天气的主要的环流特征；Ⅱ型环流特征表现为温度整层偏冷，水汽整层偏湿，而西南槽前动力抬升有利于水汽抬升凝结触发对流形成雷暴；Ⅲ型环流特征则表现为较强的干冷空气南下与南方暖湿空气在南岭山区对峙形成异常的垂直环流圈。在其上升支，低层干冷空气被卷入中高层使得中高层暖湿空气凝结释放潜热形成对流，造成华南地区多雷暴发生。而江南地区处于垂直环流的下沉支，整层湿度偏干，造成江南地区雷暴相对偏少。

需要说明的是，本文针对华南江南地区春季雷暴天气所总结的3型大气环流特征是基于统计分析意义上的，更深入的特征分析需要开展进一步的天气气候动力学研究。下一步将结合气候分析特征，挑选典型个例，采用多源资料进行数值模拟，深入开展华南江南春季雷暴生成的天气机理研究。