2016, Vol. 35 
表1(Table 1)
我国地处温带和亚热带地区，雷电活动十分频繁，每年大约有3 000~4 000人因遭受雷电而伤亡，我国中部5省平均每年因雷击伤亡人数在220人以上[1-4]。随着经济社会快速发展和微电子设备广泛运用，雷电的危害程度和造成的经济损失及社会影响越来越大[5-6]。因此，研究雷暴气候时空分布特征及其变化规律，对科学防御雷暴灾害和开展雷电防护设计具有重要意义。
近几十年来，国内外学者对雷暴气候分布特征研究较多。如: Dai[7-8]利用天气报文分析了1975—1997年全球雷暴日数的地理、年际、季节和日变化分布特征；盛承禹等[9]概述了我国雷暴日数的地理分布、季节变化及日变化特点；张敏锋等[10]研究我国104个台站30 a逐年雷暴日资料指出，雷暴日总体在波动中呈减少趋势，并将我国雷暴大致划分四个区域；林建等[3]分析1970—2006年全国847站雷暴日资料表明，全国雷电日数呈下降趋势，高原区和南方区下降趋势更明显；巩崇水等[11]利用1981—2010年雷暴观测资料分析了中国年平均雷暴日时空分布特征及其异常变化特征；李桑等[12]分析1980—2010年中国南方雷暴频次的统计特征及其变化指出，1980年代至21世纪初，其年际和夏季(7—8月)雷暴频次均呈下降趋势，21世纪00年代后则有弱的增加趋势；Zheng等[13]分析1980—2010年中国雷暴空间分布的时间变化特征指出，雷暴主要发生在青藏高原地区、云南、广西和广东等地。国内有人分别对长三角地区[14]以及湖北[15]、海南[16]、辽宁[17]、陕西[18]等地雷暴气候特征及其时空变化规律进行了研究，结果同样显示，各地年平均雷暴日数均在波动中下降。然而，上述文献在分析我国或区域雷暴气候分布特征时大多采用30 a左右全国或区域雷暴日数资料，较少涉及年雷暴日数减少的原因，同时考虑到我国各级气象台站从2014年起取消了雷暴和闪电人工观测项目[5]，本文采用我国722个气象台站1961—2013年53 a长时间序列雷暴日资料，分析了我国雷暴气候时空分布特征，试图揭示我国雷暴日数减少的原因，以期为我国开展雷暴等强对流天气气候变化研究、做好雷电防护工程设计及编制防雷减灾规划等提供参考依据。
1 资料来源与研究方法 1.1 资料来源本文资料包括: (1) 1961—2013年我国722个气象台站(图 1)连续完整的人工观测的雷暴日(20:00—20:00，北京时，下同)资料(未考虑此期间台站搬迁)，该资料源自中国气象局国家气象信息中心提供的我国826个基本站和基准站逐日雷暴观测资料；(2)同期海平面气压资料，来源于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)相关网站提供的NCEP/NCAR再分析资料。
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图 1 中国722个气象台站(黑点所示)地理分布 Fig. 1 The geographical distribution of the 722 meteorological stations (shown by the spots) over China. |
根据《地面气象观测规范》 [19]中的相关规定，在1日内只要闻雷声(包含云闪)1次或多次，就统计为1个雷暴日。
初雷日期或终雷日期是指在一年中最早或最晚出现雷暴的日期。在计算平均初、终雷日期和分析其时间变化时，先根据上述722个气象台站历年初、终雷日资料，统计其从1月1日起的累计天数，即为各站历年初雷天数和终雷天数，然后，再将其转换为日期。各气象台站月、季、年平均雷暴日数由各气象台站历年各月雷暴日资料统计得到，某区域内的月、季、年平均雷暴日为该区域内所有台站的平均值。季节划分以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季。
雷暴日数的气候趋势系数(rxt)由式(1)求得[20]。由rxt可了解雷暴日在长期气候变化中升降的定量程度。
| $ {r_{xt}} = \frac{{\sum\limits_{t = 1}^n {\left( {{x_t} - \overline x } \right)\left( {t - \overline t } \right)} }}{{\sqrt {\sum\limits_{t = 1}^n {\left( {{x_t} - \overline x } \right)^2\sum\limits_{t = 1}^n {{{\left( {t - \overline t } \right)}^2}} } } }} $ | (1) |
式(1)中，xt表示第t年雷暴日数，n为年数，x表示年雷暴日数平均值，t ＝(n+1)/2。rxt的正(负)值表示该要素在此时间序列中升(降)趋势的大小。若rxt＞0，表明年雷暴日数呈上升趋势，rxt越大，上升趋势越强；若rxt＜0，表明年雷暴日数呈下降趋势，rxt值越小，下降趋势越强。
采用最小二乘法求取雷暴日线性回归趋势方程，其回归方程为
| $ y = a{x_t} + b $ | (2) |
式(2)中，t为年份序号，t= 1, 2, …, n年；a、b为回归系数，其中a×10为气候倾向率，即每10 a雷暴日数的变化值，当a×10＞0时，表示雷暴日数的气候变化呈上升趋势，当a×10＜0时，表示其气候变化呈下降趋势。同时，采用相关系数检验法(取α = 0.05)对雷暴日数变化倾向是否显著进行检验[21-22]。
雷暴日数的绝对变率(D)能反映雷暴日数气候序列的离散程度，D值大小表示其气候序列变化幅度的大小。其表达式为[23]
| $ D = \frac{1}{n}\sum {\left| {{x_t} - \overline x } \right|} ,\overline x = \frac{1}{n}\sum {{x_t}} $ | (3) |
在分析中国雷暴日气候时间变化和空间变化特征时，分别采用了morlet小波分析方法和经验正交函数分解(EOF)方法[24]。
2 中国雷暴气候时空分布特征 2.1 初雷日和终雷日的空间分布近53 a，我国初雷日期分布大致呈纬向分布(图 2a)，初雷日期随着纬度增加而推迟，南北地区差异明显，长江以南地区平均初雷日期一般在1月下旬至2月下旬，西北和东北地区一般在4月下旬至6月上旬，其他地区及新疆伊犁河谷地区一般在3月上旬至4月中旬；初雷日期最早不是出现在我国最南地区，而是出现在云南西部和湖南西部地区，如云南的江城县平均初雷日期为1月24日，湖南沅陵县平均初雷日期为2月1日；初雷日期最晚出现在我国西北地区的吐鲁番盆地和阿拉善高原地区，如新疆达坂城平均初雷日期为6月10日或11日，内蒙古拐子湖地区平均初雷日期为6月4日或5日。由此可知，我国平均初雷日期南北地区差异较大，东西部地区差异不明显，最早与最晚平均初雷日期相差138 d。
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图 2 1961—2013年全国初雷日期(a)和终雷日期(b)分布（图a、b中的数据分别为初、终雷天数，单位：d） Fig. 2 The distribution of (a) the first thunderstorm date and (b) the last thunderstorm date in China from 1961 to 2013 (unit: day/month). |
同时，我国平均终雷日期纬向分布不明显(图 2b)，但西北地区平均终雷日期明显早于我国其他地区；我国云南大部地区、四川西部部分地区以及贵州、湖南、四川交界地区平均终雷日期在11月上旬至11月下旬，西北地区平均终雷日期一般在7月下旬至9月上旬，其他地区在9月中旬至10月下旬；终雷日期最早出现在我国塔里木盆地，如新疆和田地区民丰县平均终雷日期在7月18日或19日；终雷日期最晚出现在我国云南西南地区，如云南澜沧县平均终雷日期为11月24日或25日。
2.2 基于年平均雷暴日数的雷暴区划分按照地区雷暴日等级划分标准[25]，将我国雷暴活动沿图 3中的虚线划分为四个区域，即北方中雷区(31°N以北，104°E以东)、南方多雷区(31°N以南，104°E以东)、高原多雷区(36°N以南，104°E以西)和西北少雷区(36°N以北，104°E以西)。对这四个区域年平均雷暴日数(Da)分布特征分述如下。
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图 3 1961—2013年全国年平均雷暴日数(单位: d)分布(黑色粗虚线为分区线) Fig. 3 The annual mean thunderstorm days (unit: d) in China from 1961 to 2013. Black dashed bold lines represent section line. |
(1) 北方中雷区(简称北方区)。该区域南北跨度较大，Da随纬度增加变化不明显。该区域内323个台站平均Da为29.1 d，约76%的台站Da在25~40 d，属中雷区。受地形影响，燕山、太行山和吕梁山地区少数台站Da数超过40 d，属多雷区。河套西部及陇海线大部分台站Da在15~25 d之间，属少雷区。
(2) 南方多雷区(简称南方区)。该区域范围相对较小，Da随着纬度增加递减趋势明显。该区域内236个台站平均Da为57.7 d，83.5%的台站Da为40~90 d，属多雷区。海南岛五指山北部、广西东南十万大山和云开大山及广东西南雷州半岛地区，Da超过90 d，属强雷区。其中，海南的儋州、琼中和广西的东兴站Da超过100 d，儋州站达110 d。四川盆地东南部和沿长江流域部分台站Da为25~40 d，属中雷区。
(3) 高原多雷区(简称高原区)。该区域海拔高、地貌结构复杂、地形起伏较大，Da较同纬度地区明显增多。该区域内87个台站平均Da为60.8 d。约77.0%的台站Da为40~90 d，属多雷区。青藏高原中东部、川西高原和云南大部分地区Da较高，一般在60 d以上，其中，西双版纳地区在90 d以上，属强雷区，如勐腊、江城、景洪和澜沧地区在100 d以上，勐腊地区高达114.3 d，居全国最高。青藏高原东南、云南西北和四川盆地西部地区Da较少，一般为25~40 d，属中雷区。
(4) 西北少雷区(简称西北区)。该区域因地形地貌差异较大，Da地域差异明显，其西北部天山附近和东南部祁连山附近明显高于其他地区。该区域内76个台站Da为23.0 d。65.8%的台站Da在25 d及以下，属少雷区。新疆西部天山山脉附近和青海与甘肃交界的祁连山附近，Da一般为25~55 d，属中雷区或多雷区，尤其地处伊犁河谷地区的眧苏县高达84.5 d。该区域盆地或沙漠地区Da相对较少，地处塔里木盆地的民丰县Da为5.3 d，为全国最少。
从上述各区域年平均雷暴日数分布看，总体趋势是，山区多于平原，南方多于北方，这与巩崇水等[11]的相关研究结果一致。雷暴天气发生与地形地貌密切相关，同一纬度地形起伏较大的山区雷暴明显多于地形平缓的平原地区。山区雷暴发生频次较多，究其原因，主要是受地形抬升作用，易产生局地性热雷暴。
2.3 各季雷暴日数分布近53 a，春季(图 4a)，我国各地均有雷暴发生，但主要发生在我国长江以南和四川西部地区，平均雷暴日数一般为15~30 d；夏季(图 4b)，平均雷暴日数地域分布特征与图 3中年平均雷暴日分布大致相同，其中，青藏高原中部、云南南部、广西南部、海南岛西北部地区和新疆局地雷暴日数较多(45~60 d)，我国西北和陇海线沿线地区较少(一般在15 d以下)；秋季(图 4c)，平均雷暴日数与夏季相比明显减少，雷暴活动区域主要在青藏高原、四川西部、云南和华南地区，雷暴日数一般为9~27 d；冬季(图 4d)，我国很少发生雷暴，其活动区域主要在长江以南地区，云南西双版纳地区以及湖南西部和广西东北部是两个雷暴活动中心，平均雷暴日数3~4 d。
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图 4 1961—2013年全国不同季节(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)平均雷暴日数分布(单位: d) Fig. 4 The distribution of average thunderstorm days (unit: d) of (a) spring, (b) summer, (c) autumn and (d) winter in China during from 1961 to 2013. |
表 1给出近53 a全国及上述各雷电区域不同季节平均雷暴日数(Ds)。从中看到: (1)全国及各区平均雷暴日数夏季最多(17.5~35.1 d)，约占其全年雷暴日数(Da)的54.0%~76.3%，其中，高原区夏季Ds最多，西北区最少，说明夏季高原区是我国雷暴天气最易发生地区，而西北区全年大部分雷暴发生在夏季；(2)冬季Ds最少，南方区冬季最多，西北区无雷暴，说明冬季雷暴天气一般发生在南方区；(3)春季Ds为3.2~17.9 d，比秋季(2.2~11.3 d)要多，春季雷暴天气主要发生在南方区；(4)秋季雷暴天气主要发生在高原区。因此，近53 a，一年四季中，我国平均雷暴日数夏季最多、冬季最少、春季比秋季多；春冬季南方区雷暴日数比其他区多，夏、秋季高原区雷暴日数多于其他地区。
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表 1 1961—2013年全国与各区四季平均雷暴日数(Ds)及其占年平均雷暴日数(Da)的百分比(P) Table 1 Season of average thunderstorm days (Ds) in the nationwide and different regions and its percentage (P) to annual average thunderstorm days (Da) in China during 1961-2013. |
近53 a全国各月平均雷暴日数分布表明: 1月份雷暴活动主要在长江以南，尤其是湖南西部、贵州东部和云南西南地区，雷暴日数在1 d左右（图 5a）；2月份雷暴活动主要集中在湖南大部、广西东北和云南东南地区，平均雷暴日数2~3 d（图略）；3月份雷暴活动区域明显扩展，雷暴活动中心扩大至湖南、江西以及广西东北、广东北部地区，平均雷暴日数5~6 d（图略）；4月份雷暴活动区域继续北推西进，但雷暴活动主要集中在长江以南和四川南部，平均雷暴日数一般为6~12 d（图 5b）；5月份全国各地基本上均有雷暴活动，其主要区域仍在长江以南和四川西部地区，平均雷暴日数8~ 19 d（图略）；6月份雷暴活动区域覆盖全国各地，平均雷暴日数多则12~20 d，少则8 d以下（图略）；7月全国平均雷暴日数最多，除西北地区在6 d以下外，其他地区一般为6~20 d（图 5c）；8月份全国各地仍有明显的雷暴活动，但平均雷暴日数已从东北地区和西北区开始明显减少（图略）；9月份全国平均雷暴日数继续减少，青藏高原、云南、四川西部以及东南沿海省市为6~16 d，其他地区降至6 d以下（图略）；10月份雷暴活动主要集中在云南、四川西部、青藏高原东部和华南地区，平均雷暴日数降至5~7 d（图 5d）；11月份雷暴活动范围基本上在长江以南，平均雷暴日数一般为1~2 d（图略）；12月份雷暴活动范围最小，仅在云南、湖南、贵州、广西等地局部发生，平均雷暴日数不足1 d（图略）。
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图 5 1961—2013年全国各月(a. 1月；b. 4月；c. 7月；d. 10月)平均雷暴日数分布 Fig. 5 The distribution of average thunderstorm days in China in (a) January, (b) April, (c) July, and (d) October during 1961- 2013. |
综上分析表明，我国各月均有雷暴天气发生，每年1月份始于湖南西部、贵州东部和云南西南地区，12月份终于云南、湖南西北、贵州东南和广西北部地区；7月份平均雷暴日数最多，12月份最少；1—7月份平均雷暴日数和雷暴活动范围逐月增(多)大，8—12月份平均雷暴日数和活动范围逐月减(少)小。
3 中国雷暴气候变化特征 3.1 时间变化 3.1.1 初雷日和终雷日变化统计全国及各区的平均初雷、终雷日的绝对变率(D)、气候倾向率(L)和趋势系数(C)，其结果见表 2。
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表 2 全国及各区初(终)雷日的绝对变率(D，单位: d)、气候倾向率(L，单位: d· (10 a)-1)及气候趋势系数(C) Table 2 The absolute variability(D, unit: d), climate tendency rate (L, unit: d·(10 a)-1) and climate tendency coefficient (C) for the (last) thunderstorm date in the nationwide and different regions in China. |
从表 2中可见，全国及各区平均终雷日的绝对变率D均高于平均初雷日的，南方区平均初雷日的D为9.6 d，全国及其他区为3.4~4.8 d，平均终雷日的D，南方区为15.2 d，全国及其他区为4.0~6.4 d，这说明南方区平均初雷日和平均终雷日的D明显大于全国及其他区。从气候倾向率L看，全国各地平均初雷日期均有推迟趋势，平均终雷日期除北方区外均有提前趋势；但除西北区平均初雷和终雷日的气候趋势系数C分别达到0.01和0.05显著水平检验外，全国及其他各区均未通过显著水平检验，由此可知，近53 a来我国除西北区初雷日期明显推迟、终雷日期明显提前之外，其他各区的平均初雷、终雷日期无明显提前和推迟趋势。
3.1.2 年平均雷暴日数变化统计结果表明，全国及各区年平均雷暴日数(Da)的年际变化较大，南方区年际变化最大，标准差为8.6 d，西北区年际变化最小，标准差为3.2 d。图 6给出1961—2013年全国及各区Da年际变化。从中看到，近53 a全国及各区Da呈明显下降趋势。
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图 6 1961—2013年全国及各区年平均雷暴日数(Da)年际变化(单位: d) Fig. 6 The interannual variation of annual average thunderstorm days (unit: d) in the nationwide and different regions in China from 1961 to 2013. |
表 3给出全国及各区各年代年平均雷暴日数(Da)、气候倾向率(L)及气候趋势系数(C)。从中可见，1960年代全国、北方、南方、高原和西北区的Da为26.0~67.7 d不等，到2000—2013年全国和各区分别减少了11.8、8.5、16.8、15.7、6.6 d，其中南方区减少最多，西北区减少最少；南方和高原区L较大，即每10年Da减少在4 d以上，而西北和北方区L较小，其Da减少在3 d以下；全国及各区C为-0.7416~-0.8798不等，经F检验，均达到0.001极显著水平。这说明近53 a来全国及各区年平均雷暴日数在波动中呈显著减少趋势，南方和高原区其减少趋势明显强于西北和北方区，该结论与林建等[3]的相关研究结果一致。
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表 3 全国及各区各年代年平均雷暴日数(Da)、气候倾向率(L)及气候趋势系数(C) Table 3 Interdecadal annual average thunderstorm days (Da), climate tendency rate (L) and climate tendency coefficient (C) in the nationwide and different regions in China. |
统计近53 a全国及各区四季平均雷暴日数的气候倾向率(L)和气候趋势系数(C)可知，全国及各区冬季平均雷暴日数没有明显的增加或减少趋势，而其他季节均有不同程度的减少趋势(表 4)。除北方区春季平均雷暴日数减少趋势未通过显著性检验外，其他各区春、夏、秋季平均雷暴日数减少均达到0.05显著性水平。夏季全国及各区平均雷暴日数减少最显著，其L为-1.2~-2.3 d·(10 a)-1，即每10 a减少1.2~2.3 d (下同)，其中，西北区减少最少(1.2 d)，高原区减少最多(2.3 d)，且均达到0.001显著性水平。春季除北方区外，全国及其他区平均雷暴日数的L为-0.3~-1.4 d· (10 a)-1，南方区L(绝对值，下同)最大为-1.4 d·(10 a)-1，而西北区最小为-0.3 d·(10 a)-1，且达到0.05显著性水平。秋季全国及各区平均雷暴日数的L为-0.1~-0.9 d·(10 a)-1，高原区最大为-0.9 d·(10 a)-1，而西北区最小为-0.1 d·(10 a)-1，其中西北区和北方区平均雷暴日数减少分别达到0.05和0.01显著性水平，其他区达到0.001显著性水平。
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表 4 全国及各区春、夏、秋季平均雷暴日数的气候倾向率(L)和气候趋势系数(C) Table 4 Climate tendency rate (L) and climate tendency coefficient (C) for the average thunderstorm days in spring, summer and autumn in the nationwide and different regions in China. |
通过以上分析可知，近53 a我国北方区夏季和秋季雷暴日数减少是其年雷暴日数减少的主要原因，我国春季、夏季和秋季雷暴日数减少是其年雷暴日数减少的主要原因，尤其是夏季雷暴日数减少是我国年雷暴日数减少最主要的原因。
3.1.4 月平均雷暴日数变化经统计发现，全国及各区雷暴日数主要出现在4—9月，夏季雷暴日数最多；全国4—9月平均雷暴日数占其全年平均雷暴日数的91.2%，除南方区所占比例相对较少为87.3%外，其他区占比为90.7% ~ 98.6%；夏季西北区和北方区平均雷暴日数分别占其年平均雷暴日数的76.1%和72.9%，其他区占比为54.0%~61.8%。我国及各区逐月平均雷暴日数变化显示(图 7)，6—8月雷暴日数明显比其他月份要多，7月或8月份最多，9月与8月相比快速减少。除南方区外，全国及其他区月平均雷暴日数1—7月逐月增加，7月份最多(高原区最多为12.5 d)，7—12月逐月减少，其中西北区最少为6.9 d。南方区1—8月平均雷暴日数逐月增加，8月最多为11.6 d，8—12月逐月减少。这进一步说明我国及各区雷暴天气主要发生在4—9月，6—8月是雷暴集中发生期。
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图 7 全国及各区月平均雷暴日数(单位: d)变化 Fig. 7 Variation of monthly average thunderstorm days (unit: d) in the nationwide and different regions in China. |
统计检验结果表明，全国及各区1—3月和12月平均雷暴日数近53 a无明显增加或减少趋势。其中，北方区5月平均雷暴日数减少和10月平均雷暴日数增加不明显，11月平均雷暴日数呈明显增加趋势且达到0.01显著性水平，其他月份均呈减少趋势；南方区4—10月各月平均雷暴日数均呈明显减少趋势；同时，高原区4—11月以及西北区4—9月各月平均雷暴日数均呈明显减少趋势。因此，我国及各区4—9月雷暴日数明显减少尤其是夏季雷暴日数减少是年雷暴日数减少最主要的原因。
3.1.5 年平均雷暴日数周期变化采用morlet小波[24]对1961—2013年全国及各区年平均雷暴日数序列进行分析，其结果见图 8。
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图 8 1961—2013年全国及各区(a.全国；b.北方；c.南方；d.高原；e.西北)年平均雷暴日数的Morlet小波分析 实线(正值)、虚线(负值)分别代表年雷暴日数增加和减少 Fig. 8 Morlet wavelet analysis for annual average thunderstorm days in (a) nationwide, (b) northern China, (c) southern China, (d) Tibetan plateau and (e) northwest China during 1961-2013. Solid line (positive value) and dashed line (negative value) denote the increase and decrease of annual average thunderstorm days, respectively. |
从图 8中可见: (1)全国年平均雷暴日数波动主要有4个频率(图 8a)，即4 a、5 a左右的短周期和11 a、18 a左右的长周期，其中11 a和18 a左右的长周期信号在近53 a交替出现，1985年以前5 a左右周期信号相对较强，1985年以后4 a左右周期信号相对较强。(2)北方区年平均雷暴日数波动也主要有4个频率(图 8b)，即7 a左右的短周期和10 a、13 a、18 a左右的长周期，其中在2000年以前7 a左右的短周期信号较强。(3)南方区年平均雷暴日数波动也主要有4个频率(图 8c)，即4 a、6 a左右的短周期和11 a、18 a左右的长周期，与全国年平均雷暴日数波动的4个频率基本一致，两个长周期信号在近53 a交替出现的同时，2000年以前6 a左右的短周期信号较强，而2000年以后发展成为4 a左右的周期信号。(4)高原区年平均雷暴日数波动也主要有4个频率(图 8d)，即4 a、5 a左右的短周期和10~11 a、18 a左右的长周期，1980年以前以5 a左右的短周期振荡为主，1980年以后发展为4 a左右的短周期振荡。(5)西北区年平均雷暴日数波动也主要有4个频率(图 8e)，即5 a、8 a左右的短周期和13 a、18 a左右的长周期，两个长周期在近53 a均存在，5 a左右的短周期振荡主要存在于2000年以前。
由上述分析可知，全国及各区年平均雷暴日数变化主要存在10~13 a和18 a左右的长周期振荡，且近53 a基本上均存在，同时在不同年代还存在4~8 a左右的短周期振荡；在2013年以后，全国及各区年平均雷暴日数处于雷暴日数相对较多时期。
3.2 空间变化 3.2.1 年雷暴日数的气候倾向率和趋势系数分布图 9a给出全国各站年雷暴日数气候倾向率(L)分布，从中可见，全国各地年雷暴日数L几乎全为负值，表明全国各地年雷暴日数近53 a均呈减少趋势，但不同地区减少幅度差异较大，整体上南方区比北方区减少幅度大。长江以南、四川西部、青海东南部、西藏西南和西藏东北地区减少幅度较大，每10年减少4~12 d，其他地区减少幅度在4 d以下。
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图 9 全国各站年雷暴日数的气候倾向率(a，单位: d·(10 a)-1)及气候趋势系数(b)分布 Fig. 9 Distributions of (a) climate tendency rate (unit: d·(10 a)-1) and (b) climate tendency coefficient for annual thunderstorm days in the different stations over China. |
图 9b给出53 a各站年雷暴日数的气候趋势系数的空间分布情况，全国722个观测台站中有707站气候趋势系数为负值(占97.9%以上)，只有15站为正值。这15站中仅辽宁长海县和新疆喀什地区麦盖提县站年雷暴日数气候趋势系数达到显著水平，其他13站均未通过显著性水平检验。707站中，分别有90.7%、86.3%、74.8%的台站年雷暴日数气候趋势系数通过0.10、0.05、0.01的显著性水平检验，还有59.6%的台站通过0.001极显著性水平检验。
3.2.2 EOF分析为进一步了解全国各站年平均雷暴日数主要空间分布类型，对我国722个台站1961—2013年年平均雷暴日数进行EOF分析，结果显示，EOF展开前5个模态的累计方差贡献为50.6%，其中第一和第二模态方差贡献分别为30.0%和7.0%，其他三个模态方差贡献为5.1%~3.5%，说明由于我国地形地貌复杂多样，加上雷暴天气地域性较强，其收敛性较差。图 10给出全国年平均雷暴日数经EOF分解的前两个模态空间分布。由第一模态(图 10a)可知，除新疆和青海个别台站外，全国各站均为正号，即为一致型，大的极值中心基本上位于南方区。该模态反映全国年雷暴日数若出现增加或减少时，全国各地年雷暴日数会出现一样的变化。图 10c给出第一模态的时间系数(系数绝对值越大，表明某年这类分布类型越典型)，从中可见，1991年以前大部分年份时间系数为正值，1991年以后大部分年份为负值。这说明1991年以前全国年雷暴日数相对多较多，其后全国年雷暴日数相对较少。
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图 10 1961—2013年全国年平均雷暴日数前两个EOF模态(a. EOF-1；b. EOF-2)空间分布及对应的时间系数(c.第一模态时间系数；d.第二模态时间系数) Fig. 10 The spatial distribution of the first two EOF modes namely (a) EOF-1 and (b) EOF-2 and the time coefficient of (c) EOF-1 and (d) EOF-2 during 1961-2013. |
第二模态(图 10b)为反向型，其大致特征是南方区年雷暴日数减少时，我国其他区年雷暴日数则相对增加，否则，相反。小的极值中心基本上在广东和福建地区，大的极值出现在陕西、山西中部和河北北部及京津地区。结合其时间系数变化可知(图 10d): 1995年以前，北方区、高原区和西北区多为正值，年雷暴日数相对较多，南方区多为负值，年雷暴日数相对较少；1995年以后，南方区年雷暴日数相对较多，其他区相对较少。
4 年雷暴日数减少与东亚夏季风的关系我国地处东亚季风区，东部地区雨带进退、雨季长短起止和夏季雨型结构、旱涝变化，均与东亚夏季风进退过程及其变化密切相关[26]。季风的产生与海陆分布有关，由于海陆热力性质不同，海陆之间的气压梯度有明显的季节变化。因此，利用海陆之间的气压梯度大小定义夏季风强弱；通常夏季风明显影响我国约在4月份开始，到9月撤退。为研究东亚夏季风对我国年雷暴日数的影响，本文采用分辨率为NCEP/ NCAR 2.5°×2.5°再分析资料中1961—2013年逐月海平面气压场资料，选取4—9月10°—50°N范围内每10°纬圈上110°E减去160°E之间的气压差小于等于-5 hPa的所有数值之和代表夏季风强度，将各年夏季风强度值与53 a夏季风强度平均值之比定义为各年夏季风强度指数[27]。夏季风强度指数越大，说明夏季风越强，反之，夏季风越弱。
经统计分析发现，夏季风强度指数与全国4—9月平均雷暴日数呈正相关，相关系数为0.658 9，达0.001的极显著水平。将各区4—9月平均雷暴日数与夏季风强度指数进行相关分析表明，各区平均雷暴日数与夏季风强度指数均呈显著正相关，除西北区相关系数达0.01显著水平外，其他各区均达到0.001极显著水平。随着夏季风强度指数增加，全国4-9月份平均雷暴日数有明显增加趋势(图 11)，即东亚夏季风较强年份，我国4—9月雷暴日数相对较多，反之，相对较少。
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图 11 4—9月夏季风强度指数与全国雷暴日数的关系 Fig. 11 The relationship between summer monsoon intensity index and thunderstorm days in China from April to September. |
分别取夏季风强度指数距平百分比大于20%、小于-20%为强夏季风年和弱夏季风年，统计强夏季风年和弱夏季风年出现的年份及其相应年份全国4—9月平均雷暴日数，其结果见表 5。
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表 5 强、弱夏季风年份及其相应年份4—9月份全国平均雷暴日数 Table 5 Strong and weak summer monsoon years and the average thunderstorm days in China from April to September in the corresponding years. |
表 5显示，强夏季风年的4—9月平均雷暴日数普遍高于弱夏季风年的平均雷暴日数，强夏季风年的平均雷暴日数均比近53 a 4—9月平均雷暴日数(38.0 d)多，弱夏季风年平均雷暴日数均不大于近53 a的平均雷暴日数。强(弱)夏季风年4—9月平均雷暴日数为44.4 d (35.5 d)，即强夏季风年4—9月平均雷暴日数比弱夏季风年的平均雷暴日数多25%以上。
我国及各区4—9月平均雷暴日数与夏季风强度指数呈正相关。经检验，除西北区达0.01显著性水平外，全国及其他区均达到0.001极显著水平。我国4—9月雷暴日数占其全年雷暴日数的91.2%，表明东亚夏季风强弱明显影响我国年雷暴日数的多少，即强季风年我国年雷暴日数相对较多，弱季风年我国年雷暴日数相对较少。郭其蕴等[26]研究1951—2000年50 a季风指数年代变化指出，1976年之前强夏季风年占优势，1976年开始均为弱的夏季风年；姜大膀等[28]的研究表明，夏季风强度指数在1948—2002年间除存在一定幅度的年际变化外，在所选时段内呈现出0.5 d· (10 a)-1的衰减趋势，并通过了0.05显著性水平检验。我国从1960年代以来，年雷暴日数整体上呈明显减少趋势，与夏季风减弱时间段基本一致，可见我国近53 a全国各地年平均雷暴日数减少与东亚夏季风强度减弱可能存在一定关系。
5 结论本文采用我国722个气象台站1961—2013年53 a长时间序列雷暴日资料，分析了我国雷暴气候时空分布特征以及我国雷暴日数减少的可能原因。主要得到如下几点结论：
(1) 根据气象台站年平均雷暴日数空间分布，结合我国相关现行国家标准，可将划分为北方区、南方区、高原区和西北区4个区域。
(2) 我国雷暴天气地域分布总体趋势是，山区多于平原，南方多于北方，1月份雷暴天气从湖南西部、贵州东部和云南西南地区开始，12月份终止于云南、湖南西北、贵州东部和广西的北部地区；夏季雷暴日数最多，冬季最少，春季比秋季多，冬春季节雷暴天气主要发生在南方区，夏秋季节主要发生在高原区。
(3) 除西北区平均初雷和终雷日期分别有明显的推迟和提前外，全国及其他区平均初雷和终雷日期均没有明显的推迟或提前。全国及各区年平均雷暴日数均在波动中呈显著减少趋势，春、夏、秋季和4—9月平均雷暴日数均呈减少趋势，夏季雷暴日数减少最明显，达到0.001极显著水平。4—9月尤其是夏季雷暴日数减少是我国年雷暴日数减少最主要的原因。
(4) 全国722个台站中，有98%以上的台站年平均雷暴日数呈减少趋势，整体上南方区比北方区减少幅度要大。EOF分析显示，前5个模态的累计方差贡献为50.6%，第一模态为一致型，其方差贡献为30.0%，该模态反映全国年雷暴日数若出现增加或减少时，全国各地年雷暴日数会出现一样的变化。morlet小波分析表明，全国及各区年平均雷暴日数变化，主要存在10~13 a和18 a左右的长周期振荡，同时在不同年代还存在4~8年短周期振荡。从2013年以来，我国及各区年平均雷暴日数处于雷暴日数相对较多时期。
(5) 夏季风强度指数与全国4—9月的平均雷暴日数呈正相关，相关系数为0.658 9，达0.001的极显著水平。强季风年我国年雷暴日数相对较多，弱季风年我国年雷暴日数相对较少，其中强夏季风年4—9月雷暴日数比弱夏季风年平均多25%以上。由于夏季风强度指数在1948—2002年间呈现明显的衰减趋势，因此，夏季风减弱与我国年雷暴日数减少呈极显著正相关，其中是否有其他因素引起我国雷暴日数减少，还有待进一步研究。
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