1958—2013年河北雷暴日数的时空分布特征分析

周爽 李贵玲 吴丹 孟杰

摘 要：应用河北地区142个站1958—2013年雷暴日数的数据，结合趋势分析、小波分析、EOF方法，分析了河北地区年雷暴日数的时空分布特征，得到以下结论：（1）河北地区年雷暴日数呈下降趋势，1997年以后下降趋势显著；雷暴日经历较多、中等、较少3个阶段，雷暴较多阶段的雷暴日数显著多于平均值，年雷暴日数存在28年、3年2个显著变化周期。（2）河北雷暴日数呈现北多南少的态势，河北地区雷暴日数的时空分布呈现整体的一致性，还存在南北反位相结构。

关键词：河北地区；年雷暴日数；时间空间变化；气候变化；雷电防护

中图分类号：P427.3 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）02–0-04

雷暴是一种常见的自然现象，主要发生在热带和温带地区，是强对流天气发生的主体，雷暴常伴随雷击、闪电、雷暴大风、冰雹、短时强降水等天气，具有较强的致灾性。我国空间广阔，不同的地区雷暴具有不同的特征，南方地区年平均雷暴日数多于北方地区，且呈现出明显的纬向带状分布，夏季是雷暴天气的高发期，而冬季则较少发生雷暴天气[1-2]。我国年平均雷暴日数超过40 d的区域主要分布于长江以南地区、四川西部和西藏中部，不同地区雷暴日数的季节变化规律存在差异[3]。我国雷暴日数呈现出明显的下降趋势，尤其是在工业化和城市化进程较快的地区。这一趋势可能与全球气候变化和城市化进程中热岛效应等因素有关[4-6]。

在全球气候变暖的背景下，河北地区的极端天气事件也呈现出增加的趋势，其中雷电活动的影响尤为显著。因此，对河北地区雷暴日数的时空变化的研究具有重要的现实意义和科学价值。

1 资料与方法

选取1958—2013年河北142个观测站年雷暴日数的数据，根据气象观测规范定义，只要一天中观测到或闻雷，无论其持续时间长短，均定义为一个雷暴日，年雷暴日数为一年内雷暴日数的总和。应用线性回归、小波分析、EOF分析方法对河北地区的年雷暴日进行分析。

2 河北雷暴日数的时间特征

2.1 雷暴日数的年变化特征

1958—2013年河北省年雷暴日数变化曲线如图1所示。1958—2013年河北地区年均雷暴日数为31.0 d，

根据中华人民共和国国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343—2012），年平均雷暴日数大于25 d，不超过40 d，属于中雷区。河北地区年雷暴日数年际差异显著，最大值为49.7 d，出现在1959年；最小值仅为20.4 d，出现在1981年。1958—2013年河北省逐年雷暴日数呈显著的减少趋势，变化速率为-1.8 d/10年，回归方程通过0.01显著性检验。

2.2 年雷暴日数的阶段性特征

1958—2013年，河北地区年雷暴日数呈现波动下降特征，大体可以分为3个阶段。1958—1967年雷暴日数相对较多，是河北雷暴多发时期，该时段年雷暴日数的均值为36.3 d，80%的年份年雷暴日数在均值（31.0 d）以上。1968—1996年是河北雷暴平稳时期，持续时间较长，该时段年雷暴日数均值为31.8 d，大部分年份雷暴日数接近均值。1997—2013年是河北雷暴少发时期，该时段年雷暴日数均值为26.6 d，93.4%年份雷暴日数低于均值。对比3个阶段雷暴日数标准差可知，1958—1967年标准差最大，为5.8 d；1997—2013年标准差最小，为2.8 d，表明第一个阶段雷暴日数波动较为剧烈，1997年后雷暴日数波动较为平缓，这一特征在极差上也有所反映（表1）。

2.3 年雷暴日数的周期特征

为分析河北年雷暴日数的周期特征，采用小波分析的方式进行处理，结果表明（图2），在短周期上，河北年雷暴日数存在显著的3年变化周期，这一周期在1958—1996年和2006—2013年2个时段内特征显著。在10年左右也存在周期变化，1958—1988年比较显著，经历了6个正—负周期；最显著的周期出现在28年左右，在整个时间段上特征均较为显著，经历了2个正—负完整周期，2013年为正周期开始阶段。小波方差图上有3个明显的峰值，分别对应3、10、28年3个周期，其中28年方差最大，最显著，其次是3年。

3 河北雷暴日数的空间特征

3.1 河北年雷暴日数的空间分布特征

对1958—2013年河北142个站点年雷暴日数进行平均，得到其空间分布特征。整体而言，河北地区年雷暴日数呈现北多南少的态势，河北北部的承德、秦皇岛、唐山、张家口4个城市年雷暴日数在40 d以上，为高雷区，最大雷暴日数分布于张家口市和承德市中部，年均雷暴日数超过42 d；河北南部的石家庄、邢台、衡水3个城市年雷暴日数为26～28 d，为多雷区的下限，而邯郸市年雷暴日数少于25 d，为低雷区（图3）。

3.2 年雷暴日数极值的年空间分布特征

选取年雷暴日数最多年份和最少年份，分析年雷暴日数的空间分布特征。雷暴日数最多的为1959年（圖4a），河北全省雷暴日数均在45 d以上，全区为高雷区，承德、保定、邯郸等市均有超过56 d的雷暴中心，这与多年平均差异显著。雷暴日数最少的1981年（图4b），河北地区雷暴日数呈现北多南少的态势，河北北部的张家口、承德2个城市年雷暴日数超过30 d，河北其他城市均在30 d以下，河北东南部的邯郸、邢台、沧州、衡水年雷暴日数少于18 d，属于弱雷区。

3.3 年雷暴日数的主要模态特征

采用EOF分析方法对河北1958—2013年雷暴日数进行分析，前3个模态方差贡献率分别是61.8%、13.2%、4.2%，前2个模态累积贡献率达到了75%，能够体现河北地区雷暴日的整体特征，选取前2个模态进行分析。EOF第一模态为全区一致型，河北全区表现为负值，其对应的时间序列上，1958—1994年期间绝大多数年份为负值，说明这一期间河北地区雷暴日数偏多；1995—2013年时间序列为正值，这一阶段河北雷暴日数偏少，这一特征与以往的分析相对应。EOF第二模态为南北反位相，河北北部为正位相，河北南部为负位相，表现为河北地区南、北雷暴日数的“跷跷板”效应，对应的时间序列上，1958—1980年，河北省大部分地区时间为负值，表明这一阶段河北北部雷暴日数偏少，河北南部雷暴日数偏多，1980—2013年时间序列为正值，这一期间河北北部雷暴日数偏多，南部偏少（图5～图6）。

4 结论

应用河北地区142个站1958—2013年雷暴日数据，结合趋势分析、小波分析、EOF方法，分析了河北地区年雷暴日数的时空分布特征，得出以下结论。

（1）河北地区年雷暴日数呈下降趋势，变化速率为-1.8 d/10年，不存在突变现象，1997年后下降趋势显著；其雷暴日数分为较多、中等、较少3个阶段，雷暴较多阶段雷暴日数显著多于平均值，年雷暴日存在28、3年2个显著变化周期。

（2）河北雷暴呈现北多南少的态势，张家口市和承德市中部，年均雷暴日数超过42 d，石家庄、邢台、衡水3个城市年均雷暴日数为26～28 d。在空间分布上，河北地区雷暴日呈现出整体的一致性，还存在南北反位相结构。

参考文献

[1] 石茹琳，徐燕霞，王曼霏，等.内蒙古雷暴活动特征分析[J].内蒙古科技与经济，2022（17）：78-82.

[2] 陈小尘，魏庆，张伟.雷电活动的时空分布特征分析[J].电子技术，2022，51（6）：246-247.

[3] 曹彦超，韩晶，张秉政.甘肃庆阳近30年雷暴气候特征分析[J].甘肃科学学报，2020，32（5）：50-55.

[4] 肖菲.九江市雷暴日数的时空变化特征分析[J].能源研究与管理，2020（3）：35-38.

[5] 何晨.鄂尔多斯市1970—2009年雷暴日数时空分布特征[J].甘肃科技，2018，34（22）：36-37，67.

[6] 符淙斌，王强.气候突变的定义和检测方法[J].大气科学， 1992（4）：482-493.