近六十年香港雷暴日气候特征分析

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　　摘要：利用香港1947-2007年共61年的雷暴天气资料，分析了香港地区雷暴日的气候特征。近60年来，香港年雷暴日数存在一定的增加趋势，其气候倾向率为1.85d/10a。小波分析的结果显示，香港年雷暴日数可能存在14-18年的震荡周期，且随着其年雷暴日数的增加，震荡周期有所变小。8月份平均雷暴日数约为7.4天，达到全年峰值，这与香港后汛期降水较多的结论相对应。香港地区的雷暴初期和雷暴终期，存在较大的年际波动。
　　关键词：雷暴日；变化趋势；震荡周期；气候特征
　　 Climatological Characteristics of Thunderstorms in Hong Kong in Past 60 Years
　　 Liu Ding-Qi1, Zhong Bo-hong2,Jiang Tao3
　　Abstract: Climatological characteristics of thunderstorms in Hong Kong have been analyzed by using the data of thunderstorms from 1947 to 2007. There is an increasing trend of the annual number of thunderstorm day in past 60 years, and the climate trend rate is about 1.85d/10a. The result of wavelet analysis indicate that the annual number of thunderstorm day content an oscillation cycle of about 14-18 years, and it somehow decreases with the increasing of the annual number of thunderstorm day. In August, the number of thunderstorm day is about 7.4, which is the peak value of a year, and it is consistent with the conclusion that precipitation is much more in latter flood season. The beginning day and the ending day of thunderstorms are of obvious fluctuations in different years.
　　 Key words: thunderstorm day, trend, Oscillation cycle, discharge current, climatological characteristics
　　1. 引言
　　 雷暴是局地对流性天气系统，伴有雷击和闪电。近年来，随着电子信息技术的广泛运用，雷击灾害的形式变得更为多样化，对雷击成灾的物理机制以及雷击发生的雷暴背景进行研究的需求变得更为迫切。随着区域性雷电探测、定位系统的组建及卫星探测技术的进步，不断有学者对不同地区甚至全球闪电的时空分布进行了研究[1-3]，当然，由于相应资料尚处积累阶段，所以并没有得到较长时间尺度的闪电活动规律及变化的结论。常规的气象观测仅是对雷暴活动的有、无进行判断，无法获取闪电频数、地闪极性及比例等信息，但其记录的资料有较长的时间积累，对其进行分析可以得到一些有用的统计结论[4-6]。此外，由于闪电的发生必须以雷暴活动作为载体，所以研究雷暴活动的长期变化对雷击灾害的防御具有一定的意义；而雷暴活动作为全球电路（雷暴-电离层-晴天大气-地球）中的一个重要环节，与天气气候系统存在特定的耦合作用[7]，雷暴活动的长期变化一定程度上指示了天气气候的变化规律。本文利用香港地区1947-2007共61年的雷暴日资料，分析了其雷暴活动的气候特征。
　　
　　2. 资料和方法
　　2.1资料来源
　　 本文计算和分析所用的资料为香港天文台1947年到2007年的雷暴天气资料和部分其他常规气象观测资料。
　　2.2研究方法
　　2.2.1变化趋势分析
　　描述要素的趋势变化通常使用一元线性回归方程：
　　 （1）
　　表示时间，表示要素逐年值，常称为倾向率，单位为要素值单位／a。为常数，取要素的单位。为求，可利用与自然数列1，2．．．，n求相关系数
　　 （2）
　　称为趋势系数，可以用 分布统计检验的显著性，而
　　 （3）
　　，分别是及其自然数列的均方差，且
　　 （4）
　　2.2.2小波分析
　　 对于一个离散的时间序列f(t)，(t=1,2,...,N)，小波变换的形式可写为：
　　 （5）
　　式中Ck为小波变换系数：
　　 （6）
　　 a=2j(j=1,2,...)为放大因子,其倒数相当于频率，当a较小时,频域分辨性较差，而时域分辨性较好。当频域分辨率增加时，时域分辨率则减小。一般取1≤a≤N/4较宜，N为样本数，b为平移因子；）是子波Ψ(ω)经傅氏变换得到的谱。这里为基本小波，它具有波动性和衰减性。基本小波有很多种形式，本文采用Morlet子波对序列进行变换。
　　 Morlet子波:（7）
　　
　　3.结果与分析
　　3.1年雷暴日数
　　 根据61年雷暴日资料，香港地区年平均雷暴日数为35.6天，相比于临近的广东省主要城市达50至100多天不等的年平均雷暴日数，该值偏小。图1给出了香港逐年雷暴日数及变化趋势，可以看到，年雷暴日数最低为20天，最高于1997年达到53天。事实上，1997-1998年为强厄尔尼诺事件发生期，由于特殊的环流背景，1997年香港的年降水量明显偏多，属于气候统计的极涝年，雷暴日数与之有较好的对应。总体而言，几十年来香港年雷暴日数呈上升趋势，计算得到其年雷暴日数的气候倾向率为1.85d/10a，虽然从量值而言，此气候倾向并不十分明显，但相对于不到40天的年平均雷暴日数，该值已较为可观。
　　
　　 图1逐年雷暴日数及变化趋势
　　 多年雷暴日的资料可能具有一定的周期，为此，对香港地区年雷暴日数做了Morlet小波分析，图2给出了相应的子波系数实部分布的分析图。可以看到，逐年雷暴日数序列在14-18年的时间尺度上正负闭合中心最明显，表明年雷暴日数序列在14-18年时间尺度下交替振荡最为显著。在60年代中期之前，年雷暴日数序列存在次级的5-7年的准周期震荡，而后转变为3-5年；此外，从90年代后期起，10年以上的周期震荡变得不明显。随着香港地区年雷暴日数的逐渐增加，其震荡周期一定程度上是变小了。
　　
　　图2 年雷暴日数序列的Morlet小波变换图

　　3.2月雷暴日数
　　 夏季为全年对流性天气最为显著的季节，所以夏季雷暴日数最多是显然的，故而对雷暴日数按月份进行分析可能更有意义。图3给出了各月平均雷暴日数的分布，可以看到，8月的雷暴日数最多，达7.4天。8月处于夏季后汛期，通过分析香港地区近三十年的降水数据得到，其后汛期降水占全年降水比重高达约50%，而8月平均降水量达到约450mm，与雷暴日数有比较好的对应。事实上，对61年雷暴日的资料进行分段分析的结果表明，8月份雷暴日数的增加最明显，对全年雷暴日数的增加贡献最大。所以该月份的闪电、雷击灾害可能处于一个峰值，建筑施工、灾害防护等相关事宜在该月份应提起注意。此外，平均而言，12月香港地区无雷暴发生，而月平均雷暴日数的次大值出现在6月，约6.3天。当然，结合分析近5年闪电定位网的资料，香港地区地闪次数出现最多一般为6月和7月，虽然这可能和资料积累量有限存在一定关系，但这也说明在汛期期间，各月份的雷暴、闪电发生的频数是存在一定波动的。
　　
　　图3月平均雷暴日数分布
　　3.3雷暴初期和雷暴终期
　　 雷暴初期是指一年中最早发生雷暴天气的日期，而雷暴终期则是一年中最后发生雷暴的日期。统计结果表明，香港地区雷暴初期平均为3月2日，而雷暴终期平均为10月8日。根据得到的雷暴初、终期平均值，对每年相应的偏差量计算，图4给出了1952-2000年的逐年雷暴初、终期与平均值的偏差日数（正值表示日期滞后于平均值，负值为提前）。可以看到，各年雷暴初、终期都呈现较为明显的波动，事实上，雷暴的发生依赖于一定的天气动力及对流条件，所以要使初、终期的发生在平均值上下的小范围内波动是并不合理的，故而雷暴日初、终期的平均值，可能并不包含明显的气候意义。当然，趋势分析的结果表明，总体而言，雷暴终期的时间有延后的气候变化趋势，但该趋势相对于较大的年际波动而言，预报和指示意义并不明显。
　　
　　图4逐年雷暴初期和雷暴终期
　　
　　4. 结论与讨论
　　分析了香港1947-2007年共61年的雷暴日资料及其他常规气象资料，得到以下主要结论：
　　（1）香港地区年平均雷暴日数为35.6天，几十年来，年雷暴日数有增加的趋势，其气候倾向率为1.85d/10a。
　　（2）Morlet小波分析表明香港年雷暴日数，存在14-18年的准震荡周期，随着年雷暴日数的增加，震荡周期在一定程度上有所减小。
　　（3）与后汛期降水占全年降水比重较高相对应，月雷暴日数于8月达到峰值，平均约为7.4天，应对建筑施工等事宜提起注意。
　　（4）雷暴初期和雷暴终期存在明显的年际波动，相应的平均值及变化趋势的气候意义并不明显。
　　雷暴的发生可能和其他气象要素存在一定的相关关系，比如降水量、气温等，通过将雷暴的气候分析结果与气象要素值的气候统计分析结果作对比可能会得到一些有意义的结论，比如，几十年来明显的增温趋势可能影响了对流活动，也可能对气溶胶产生影响，这些进一步会对积云、雷暴的生成施加影响。相关分析和研究，值得深入。
　　由于资料的限制，以上分析多限于统计意义上的讨论，由于常规的气象观测资料并不能给出雷暴发生的精确位置，更无法给出雷暴中所发生闪电的具体信息，所以对雷击灾害防护的指示意义是有限的。随着雷电监测网、闪电定位网等专业资料的积累，还应对雷暴甚至闪电的时空分布及气候变化进行分析，进一步加深对雷暴及闪电的气候变化规律的认识。

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