（气象学专业论文）湖北省雷暴气候特征及背景场分析.pdf

夕 究工作及取得的研 包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息- i - 程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：垂蝉签字日期：- 二垒斟 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位论文解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：幽签字日期：刍趔! ：色笙 指导教师签名： 土盍一签字日期： 丝! ! ：! ! 飞 a b s t r a c t v 第一章引言1 1 1 研究的目的和意义。1 1 2 国内外研究进展。2 1 3 本文的研究内容3 第二章资料与方法5 2 1 所用资料及来源一5 2 2 方法一5 2 2 1 气候趋势系数5 2 2 2m o r l e t 小波分析方法6 2 2 3 经验正交函数( e o f ) 和旋转经验正交函数( r e o f ) 分解方法6 2 2 4 蒙特卡洛模拟检验8 2 2 5 灰色和b p 神经网络的原理和方法8 第三章湖北雷暴基本气候特征9 3 1 时间变化特征一9 3 1 1 年际和年代际变化特征9 3 1 2 年变化特征1 1 3 1 3 日变化规律1 3 3 1 4 初雷日变化1 4 3 1 5 终雷日变化15 3 2 空间分布1 6 3 3 雷暴日数和地形的关系分析2 0 3 4 雷暴日数与降水关系分析2 0 3 5 雷暴日数的e o f 和r e o f 分析2 0 3 5 1 雷暴日数的e o f 分析2 0 3 5 2 雷暴日数的r e o f 分析2 5 3 6 雷暴日数年际变率2 6 第四章湖北雷暴背景场分析2 8 4 1 夏季雷暴活动频繁年的确定2 8 4 2 夏季雷暴与5 0 0 h p a 位势高度场分析2 9 4 2 1 夏季5 0 0 h p a 位势高度平均场特征2 9 4 2 2 合成分析2 9 4 3 夏季雷暴与水汽输送分析3 5 4 3 1 水汽通量的计算。3 5 4 3 2 水汽通量平均场特征3 6 4 3 3 水汽通量场异常年合成分析。3 6 4 4 湖北省夏季雷暴活动异常年与海温场关系分析3 7 4 5 北半球极涡与副高对湖北雷暴的影响3 9 第五章雷暴多发年份的长期预测4 1 5 1 灾变序列的建立4 1 5 2 灰色g m ( 1 ，1 ) 模型的建立4 1 5 3 残差b p 神经网络模型4 1 5 3 1b p 神经网络机理4 2 5 3 2 残差b p 网络训练4 2 5 a 预测结果4 3 第六章总结与讨论4 4 6 1 全文总结4 4 6 2 讨论。4 5 参考文献4 6 附录：湖北省1 9 站1 9 7 1 - 2 0 1 0 年雷暴日数5 0 j l i 谢5 3 再 与 针 对雷暴多发年份序列短、波动大的特点，建立雷暴灾变的灰色神经网络组合预 测模型，对未来一定时期内雷暴多发年份进行预测，以期为当地雷暴研究和防 雷减灾工作提供参考。主要结论如下： ( 1 ) 湖北省年平均雷电日数为3 5 d 。总体变化趋势为逐年振荡下行，气候倾 向率r = - 0 2 1 2 ，大约每1 0 年雷电日数减少2 - 3 d 。气候趋势系数为一0 4 4 7 ，减 少趋势十分明显。平均初雷日有所推迟，终雷日有所提早。雷电日数主要出现 在夏季( 6 、7 、8 月) ，雷暴活动主要集中在中午1 2 时至2 2 时，其中2 0 2 2 时 为雷暴最集中时段。 ( 2 ) 采用m o r l e t 小波变换分析表明，雷暴存在约2 a 的短周期和比较规则 的1 l a 的长周期。在1 9 9 1 年左右周期有所调整，在此之后，存在约4a 的周期。 1 9 9 6 2 0 1 0 年恢复约2 a 的短周期和比较规则的l l a 的长周期。 ( 3 ) 湖北省年雷电日数地域分布不均，鄂西南、鄂东地区年雷电日数最多， 平均每年大于4 0 天，属高雷区；鄂西北、江汉平原及其北部地区雷暴日数相对 较少，每年约2 0 一4 0 天，属多雷区。地域分布总体特征为南部多于北部，山区 多于平原，有明显的纬向性分布。 ( 4 ) 雷暴日数的e o f 分析结果表明，4 0 年来，全省一致性的空间型是最主 要模态，解释了总方差的4 2 2 ，另外还具东南西北反位相关系。东南部雷暴 日数经历了多少多的变化趋势，而西北部雷暴目数经历了少多少的变化趋 势。 ( 5 ) 湖北水汽主要源地来自东部沿海地区。湖北雷暴异常多年水汽通量中心 偏强，位置偏西，有利于水汽向南输送。在雷暴活动异常多年和雷暴活动异常 少年，印度洋和中东太平洋海温场具有明显的反位相关系。雷暴活动异常多年 印度洋海温场基本为负距平区，中东太平洋海温场基本为大范围的正距平区。 u i 雷暴活动异常少年印度洋海温场基本为正距平区，中东太平洋海温场基 范围的负距平区。湖北雷暴雷暴日数与北半球极涡积指数呈正相关，与 副高面积指数呈负相关。 ( 6 ) 灰色人工神经网络组合预测模型提高了拟合和预测精度，相对误 率平均值1 3 0 从降低到1 7 。用此方法可以预测出下一个雷暴多发年。可 其他方法作进一步预测，为当地防雷减灾提供科学依据。 关键词：湖北，雷暴，气候特征，背景场，灰色- b p ，组合预测模型 i v g r e y - b pc o m b i n e dm o d e l i sb u i l t t h em a i nr e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 耽et h u n d e r s t o r md a y si nh u b e ii sb e t w e e n2 1a n d4 9 t h ea v e r a g en u m b e ri s 3 5 t h em a xn u m b e ri s7 3 t h em i nn u m b e ri s8 t h u n d e r s t o r md a y sd e c r e a s e2 - 3d a y s e v e r yt e ny e a r s t h e a v e r a g et h u n d e r s t o r md a ya p p e a ra tm a r c h2 7 t h ef i r s t t h u n d e r s t o r md a ya p p e a ra tj a n u a r y1 t h ea v e r a g et h u n d e r s t o r md a yd i s a p p e aa t o c t o b e r6 t h el a s tt h u n d e r s t o r md a ya p p e a ra td e c e m b e r31 t h ea v e r a g ef i r s t t h u n d e r s t o r md a yp o s t p o n e s t h ea v e r a g el a s tt h u n d e r s t o r md a yi se a r l i e r s e a s o n a l c h a n g e c h a r a c t e r i s t i co ft h u n d e r s t o r m d a y i s e x t r e m e l y o b v i o u si nh u b e i p r o v i n c e t h et h u n d e r s t o r mm a i n l yo c c u r si nj u l yt os e p t e m b e r j u l yi st h em o n t hw i t h t h eh i g h e s tp r o b a b i l i t yo f t h u n d e r s t o r md a y t h et h u n d e r s t o r mm a i n l yo c c u r sb e t w e e n 2 0 _ 2 2 ( 2 ) t h er e s u l to fm o r l e t w a v ea n a l y s i ss h o w st h a t ：t h e r ea r e2 y e a r ss h o r t c y c l i c a l i t ya n d11y e a r s l o n gc y c l i c a l i t y t h ec y c l i c a l i t yc h a n g e di n19 91 t h e r ea r e4 y e a r ss h o r tc y c h c a l i t ya n d7y e a r sl o n gc y c l i c a l i t yb e t w e e n1 9 9 1a n d1 9 9 6 t h e r ea r e 2 y e a r ss h o r te y c l i c a l i t ya n d11y e a r s l o n gc y c l i c a l i t yb e t w e e n19 9 6a n d2 01 0 0 ) t h et h u n d e r s t o r md a y sa r en o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o n i nh u b e i t h e r ea r em o r e t h u n d e r s t o r md a y si ns o u t h w e s ta n de a s t t h e r ea r em o r et h u n d e r s t o r md a y si n m o u t a i nt h a np l a i n o ) t h e r e s u l to f e o fa n a l y s i ss h o w st h a t ：i nt h er e c e n tf o r t yy e a r s t h ea c c o r d a n t a n o m a l yi st h em o s ti m p o r t a n tm o d eo fs p a t i a la n o m a l y i nh u b e ia n dt h ea n t i p h a s e v ( 6 ) i no r d e rt op r e d i c tt h et r e n do ft h u n d e r s t o r m s ，t h eg r e y - b pc o m b i n e dm o d e li s b u i l t i tc a l lp r e d i c tt h en e x ty e a ro f t h u n d e r s t o r m so c c u r r i n g 仔e q u e n t l y a t i o nv a r i a t i o n s 天气，它出现时常伴有 也是联合国“国际减灾 十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。据不完全统计，全球每年因雷电造成人员伤亡超 过l 万人，损失在1 0 亿美元以上，中国每年约有3 0 0 0 - 4 0 0 0 人因遭受雷击而伤亡【1 】 1 1 湖北省地图 湖北在中国中部、长江中游、洞庭湖以北，介于北纬2 9 。0 5 至3 3 0 2 0 ，东经1 0 8 0 2 1 至 1 1 6 。0 7 ；北接河南省，东连安徽省，东南和南邻江西、湖南两省，西靠重庆市，西北与陕 西省为邻。东西长约7 4 0 公里，南北宽约4 7 0 公里，面积1 8 5 9 万平方公里( 图1 1 ) ，省 境内地形复杂多样，高差悬殊，由于各地地理位置及地形条件的差异，湖北气候既具有纬 度地带性，又有明显的垂直性变化特征。湖北省属于中纬度大陆性季风气候区域，位于东 亚夏季风的北部边缘地带，是我国气候脆弱区之一。夏半年，受西风带环流天气系统与副 热带环流系统的共同影响，容易形成强烈的雷暴天气，对湖北的影响也极为严重，每年均 发生数起严重的雷击事故，造成人员伤亡、击毁建筑物以及供电通讯设备等，对经济社会 发展、公共安全等构成极大威胁。湖北省正处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡地 带，地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备。山地约占全省总面积5 5 5 ，丘陵和 电多发地区，雷电灾害的危害程度仅次于暴雨洪涝以及泥石流、山体滑坡等气象地质灾害， 严重威胁着该省社会公共安全和人民生命财产安全。随着全球气候变暖、城市现代化程度 提高、大量电子设备广泛应用，雷电灾害对人身财产安全、公共服务设施、文化遗产等的 威胁越来越大。中国气象局雷电防护管理办公室的相关统计数据表明，仅在2 0 0 0 2 0 0 6 年 湖北省境内就发生雷击7 4 8 次，造成直接经济损失5 5 8 5 5 万元，雷击致死1 5 1 人、致伤 1 1 9 人。最严重的一次雷击事故伤亡达2 8 人( 死8 人、伤2 0 人) 。只有深入研究并掌握雷电 灾害的时空分布规律才能有效避免或减轻雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡。因此， 研究湖北雷暴气候异常规律以及与大气环流异常之间的联系等，对于进一步研究湖北雷暴 的形成机理以及雷暴的预测和防御都具有极其重要意义。 1 2 国内外研究进展 由于雷暴危害的严重性，张家诚2 1 、林之光团，盛承禹3 1 早在8 0 年代就对我国雷暴的 地理分布、季节变化、初终期、日变化等做了概括，从其统计分布图( 图1 2 ) 上看，在我国 华南和滇南地区，是我国雷暴活动最频繁的地区，年平均雷暴日数达8 0 天以上，随着纬度 的增高，雷暴日数逐渐减少，江南地区为4 0 7 0 天，江淮地区为3 0 - 4 0 天，华北平原及陇 海沿线( 包括湖北省南部) 在2 0 3 0 天以下，是我国东部地区雷暴天气最少的地区，而在华北 山地( 包括湖北省北部) 的雷暴日数则可达到4 0 5 0 天，另外青藏高原也是一个多雷区，普遍 都在5 0 天以上。张敏锋1 4 、冯霞【4 】使用我国1 0 4 个台站3 0 年雷暴资料，分析了我国雷暴天 气气候特征，指出近3 0 年来我国大部分地区( 除东北地区外) 雷暴频数在波动中减少。蔡新 玲等【5 】，张敏掣6 1 、冯霞 6 1 分析了陕西和北方雷暴的时空分布特征，用e o f 分解将雷暴异 常划分为几个区进行分析。徐桂玉【7 1 、杨修群 _ 7 】研究了我国南方雷暴的气候特征，指出自 1 9 7 1 - 1 9 9 5 年我国南方年雷暴次数呈现逐渐减少的总趋势，多雷暴带与主要山地分布密切 相关；张美平等i s 分析了广州白云国际机场近4 6 年雷暴气候的统计特征，指出该机场4 6 年来雷暴呈逐年减少趋势；段炼【9 】、程章f 9 】通过对成都地区近4 2 年雷暴资料的分析发现， 成都地区雷暴日数变化有减少的趋势，每1 0 a 减少近4 d 。这些研究表明，在全球变暖的背 景下，研究雷电的变化有一定的现实意义。d a i 【l 叫l 】利用天气报文分析了1 9 7 5 年1 9 9 7 年 全球雷暴的年、季节以及日变化特征，指出海洋上雷暴( 包括不伴有降水的雷暴) 频数小于 1 0 ，而在夏半球陆地上雷暴频数较高，亚洲东南部、美国中部、东南部等地雷暴频数在 2 3 0 5 0 ，春、秋季亚洲东南部的雷暴频数在2 0 3 0 ，大多数陆地和所有季节雷暴在一天中 以午后时分出现频数最高，超过日平均频数的5 0 。 吴恒强【1 2 】分析了广西雷暴的成因，认为r r c z ( 赤道辐合带) 的影响是广西成为多雷区的 主要原因。李照荣 13 1 ，康风琴13 1 ，马胜萍分析了西北地区雷暴的地理分布与海拔高度、 经纬度的相关关系以及年际变化特征，认为地形地势是影响该地区雷暴的主要因子：毛慧琴 等【1 4 】通过分析雷暴与气温的关系，认为广东省雷暴主要由热力条件引起；王永中等【l5 】指出大 城市的热岛效应对雷暴发生有促进作用。c h a n g n o n 1 6 研究了美国陆地雷暴降水量，指出美 国大部分地区夏季雷暴降水量占夏季总降水量5 0 8 0 ，占年总降水量的2 0 - 4 0 。r e a p 1 7 】指 出多雷暴带与主要山地分布密切相关。m a d d o x 【l8 】分析了美国亚利桑那州强雷暴发生时的天 气条件，认为加利福尼亚湾在提供水汽方面起到了重要作用。m i c h a e l s 1 9 】分析了美国夏季 雷暴日数( 1 9 4 8 1 9 7 8 年) 与对流层中层位势高度场的关系，认为各地中尺度的雷暴频数可以 分解为与5 0 0 h p a 高度场的大尺度环流变化相联系的空间型。e a s t e r l i n g 2 0 】运用正交旋转主 分量分析，对美国中部1 9 4 8 年1 9 7 7 年夏季雷暴活动进行分区，并指出气旋和锋面活动频 繁的地区是雷暴较多的地区，而反气旋活动地区雷暴较少，并认为分区对3 0 9 0 天的雷暴 预报是十分有意义的。 1 2 全国平均雷暴日分布图 1 3 本文的研究内容 对于湖北雷暴，也有人做了一些研究。例如2 0 世纪9 0 年代初，尤运珍2 1 1 对武汉地区 5 个台站近2 0 年的雷暴资料作了初步统计分析，归纳出该地区雷暴有减少的趋势。王学良 【2 2 1 通过对武汉市雷电日数的分析，揭示了其时间和地域变化的有关特征，但没有对全省雷 3 面， 场、 发生的背景场有一个全面的认识，并对湖北雷暴多发年进行简单的预测。通过本文的研究 发现了湖北雷暴发生的时空分布规律包括地域分布，日、季、年际变化规律；通过e o f 分 析发现湖北东南西北部还具有反位相关系：发现了湖北夏季雷暴日数异常和5 0 0 h p a 环流 形势没有明显的联系；将灰色人工神经网络用于雷暴的预测，是一种新的尝试，但其准确 性还有待于检验。 全文共分为6 章。第一章是前言，第二章是资料和方法，第三章是湖北雷暴基本气候 特征分析，第四章为湖北雷暴背景场分析，第五章是雷暴多发年份的长期预测，第六章是 结论和讨论。 用湖北省资料完整的 由湖北省气象与信息 1 9 个气象站( 图2 1 ) 的站名为：英山、麻城、黄石、黄冈、武汉、嘉鱼、广水、天门、 枣阳、钟祥、荆州、老河口、宜昌、五峰、郧西、房县、巴东、恩施、来凤。 图2 1 本文所选湖北省1 9 个气象站站点分布图 2 ) n c e p n c a r 再分析资料 北半球的1 9 7 1 年- 2 0 1 0 年逐日5 0 0 h p a 位势高度场、地面至3 0 0 h p a ( 地面、1 0 0 0 h p a , 9 2 5 h p a ，8 5 0 h p a ，7 0 0 h p a ，6 0 0 h p a ，5 0 0 h p a ，4 0 0 h p a ，3 0 0 h p a ) 共9 层比湿场，水平分辨率 为2 5 0 2 5 0 。海温场资料( 1 。1 0 ) 。 3 ) 环流指数 使用国家气候中心提供的北半球极涡面积指数、西太平洋副高面积指数。 2 2 方法 2 2 1 气候趋势系数 为了反映湖北雷暴的长期变化趋势，计算了气候趋势系数以及气候倾向率。气候趋势 系数k 定义为要素序列x ，与自然数列1 ，2 ，n 之间的相关系数，其中n 为年数，x i 为第 5 i 年的要素值。当k 为正( 负) 时，表示要素在计算的时段内线性增加( 减弱) 。 验或蒙特卡洛模拟检验r x t 是否显著，从而确定长期变化是存在明显趋势还是 线性回归方程表示为 x i2 口o + a l t 气候趋势系数r i t ，与回归系数a l 的关系是 o r = a l2 一 q 0x ，0t 分别是要素x 及自然数列的均方方差，a l 为气候倾向率：r x t 是 其绝对值的大小直接反映了趋势变化的强弱。 确定显著性水平f 3 ，计算相关系数r ，若r r f 3 ，表明x 随时间t 的变化趋势是显著的， 否则表明变化趋势是不显著的。本文样本数n = 4 0 ，通过查相关系数表得r 0 1 0 l = 0 3 9 3 ，r 0 0 5 = 0 3 0 4 。 2 2 2m o r l e t 小波分析方法 m o r l e t 小波是正弦和余弦波的振幅被高斯函数调节产生的，表示成复小波，本文采用 的m o r l e t 基小波为 一f 丝、 矽( f ) = p 胁e 、。2 ( 2 3 ) 其中k = 1 0 ，分析小波为 ( f ) ：忏1e 2 万( 争p 一挣( 守，口 o ，b r ( 2 4 ) 其中a 为尺度参数，b 为平移参数。 当分析对象f ( t ) 为平方可积时，即满足：广：7 2 ( t ) d t e i 就认为这两个特征值可分离，所对应 的经验正交函数是有意义的，经检验，夏季雷暴日数e o f 分析的前4 个特征向量是有意义 的。 2 l 3 4 n 3 j 5 n 3 3 n 3 2 5 n 3 2 n 3 1 5 n 3 1n 3 0 5 n 3 0 n 2 9 5 n 2 9 n 10 8 e10 9 e1 1o 1 1 1e112 e115 e1 14 1 15 e1 16 e1 17 e i o n o u 6 0 亢 ( b ) 4 0 “m 以 a 九 。 2 0 - 2 一0 广0 卫i f v 。缈状r 1 0 0 一 1 0 2 0 3 0 o n 7 e ( b ) 八及l 从弋7 八八厂 刈匕- v 纠一v 州旷 一 擎爹爹擎旁荸毒爹荸擎荸誊擎窜守啻守 图3 1 3 第二载荷向量空间分布图( a ) ；时间系数序列( b ) i o n 图3 1 4 雷暴日数e o f 分解的3 、4 个特征向量场( a 第三、b 第四特征向量场) 从分解后的第一特征向量场图( 图3 9 a ) 中可以看出，第一特征向量在全省范围内( 除鄂 西南小面积外) 均为同符号( 均为正值) ，这表明湖北雷暴日数在空间上具有很好的一致性， 称其为整体一致型。它解释了总方差的4 2 2 ，这显然与大尺度天气系统的影响有关，说 明了尽管湖北不同区域之间雷暴气候差异较大，但它们在相当程度上还是受某些因子的共 同影响和控制。 湖北省处于副热带季风气候区，受副热带系统和西风带系统的相互影响，形成全省雷 暴日数趋于一致。特征向量的大值区位于湖北省东部地区，与雷暴日数绝对变率的大值区 2 4 相一致，这里是雷暴日数异常的敏感区域。湖北是副热带系统和西风带系统的相互作用的 敏感地区，当夏季西太平洋副热带高压或大陆高压异常强盛时，东南部受副热带高压控制， 雷暴日数偏少，而西北部位于副热带高压边缘，雷暴日数易偏多；相反当副热带高压较弱时， 副热带高压西北边缘的暖湿气流与西风带冷空气相遇，在湖北省南部地区容易形成多雷暴 天气，而北部地区由于暖湿气流较弱，雷暴天气较少。 其对应的时间系数( 图3 9 b ) 曲线与全省平均雷暴日数标准化距平线十分一致，时间系 数大于0 的年份对应全省雷暴日数的偏多年，时间系数小于0 的年份对应全省雷暴日数的 偏少年。7 0 年代为总体偏多期，8 0 年代以后为总体偏少期，负位相多于正位相。 第二特征向量场解释了总方差的2 0 7 ，从图( 图3 1 0 a ) q b 可以看出，其分布具有东南 西北反位相变化的结构特点，西北部为负值，东南部为正值，零等值线大致位于广水钟祥 宜昌一线。这表明雷暴日数的总趋势中还存在明显的东南西北异常分布特点，即东南西 北反位相关系。 湖北是副热带系统和西风带系统的相互作用的敏感地区，当夏季西太平洋副热带高压 或大陆高压异常强盛时，东南部受副热带高压控制，雷暴日数偏少，而西北部位于副热带 高压边缘，雷暴日数易偏多；相反当副热带高压较弱时，副热带高压西北边缘的暖湿气流与 西风带冷空气相遇，在湖北省南部地区容易形成多雷暴天气，而北部地区由于暖湿气流较 弱，雷暴天气较少。 从其对应的时间系数曲线( 图3 1 0 b ) 上看，7 0 、8 0 年代年代为总体偏多期，9 0 年代为 总体偏少期，2 1 世纪年代末以后又进入总体偏多期。由于特征向量场为东南正西北负，说 明了东南部雷暴日数经历了多少多的变化趋势，而西北部雷暴日数经历了少多少的变化 趋势。 3 5 2 雷暴日数的r e o f 分析 以上讨论了湖北雷暴日数的总体空间异常结构，可以看出，它们既有一致的方面，也 有明显的东南一西北差异，为了进一步突出湖北雷暴日数各地域的气候特点，本节在前面 e o f 分析的基础上，进一步做r e o f 分析。e o f 分析的前4 个特征向量解释了总方差的3 2 ， 取前4 个特征向量进行方差极大正交旋转，得到湖北夏季雷暴日数的主要空间异常分布型， 图3 1 2 给出了前4 个旋转载荷向量( r l v ) 的分布图。 第一旋转载荷向量空间型解释了总方差的1 2 ，绝对值大值位于湖北北部，是湖北年 和夏季雷暴活动最少的地区，也是夏季雷暴日数相对变率最大的地区。 第二旋转载荷向量空间型解释了总方差的1 0 ，绝对大值区位于湖北东部，是湖北年 和夏季雷暴活动最多的地区。 第三、四旋转载荷向量所占较小，不做分析。 四个旋转载荷向量差异是各区所处地理位置差异以及气候影响系统异常的综合反映。 1 根据4 个旋转载荷向量( r l v ) 的分布图，湖北雷暴可以分为3 个异常区：东南山区、西 南山区、江汉平原区。 3 4 n 5 n 3 州 3 2 5 n 3 2 n 3 1 州 3 1 n ，o5 n 3 0 n 2 9 5 n 2 9 n 3 4 n 3 3 5 n 3 3 n 3 25 n 3 2 n 3 1 5 n 3 1 n 3 05 n 3 0 n 2 95 n 2 9 n ，4 n ，35 n 3 3 n 3 25 n j 2 n 3 15 n 3 1 n 3 0 5 n 3 0 n 2 9 5 n 7 r2 9 q 图3 1 5 湖北夏季雷暴日数的前四个旋转载荷向量场a b ，c ，d 分别为第一、第二、第三、第四旋转载 荷向量场 3 6 雷暴日数年际变率 对1 9 7 1 2 0 1 0 年各站年雷暴日数序列求均方差 仃f2 ( 3 1 ) 式中站序i = 1 1 9 凡代表第1 站年雷暴日数序列。由于均方差是绝对变率，反映了各地 雷暴活动的绝对异常分布。从前面的分析中可以看到，湖北省各地平均雷暴日数差异较大， 用标准差不能够充分反映各地雷暴日数年际间的变异程度，所以同时分别计算了各站年雷 暴日数的绝对变率st ，和相对变率st f t ，相对变率不受平均值大小的影响，其高值区代 表雷暴日数异常相对较强且较常发生区。 1 0 91 1 01 1 11 1 21 1 31 1 41 1 51 1 6 图3 1 6 雷暴日数绝对变率分布图 从图3 1 3 可以看出，雷暴日数绝对变率基本呈现由南往北减少的趋势，大值区位于湖 北西南部，东部为次大值区，西北部位小值区，而大值区并不与平均雷暴日数的大值区重 合。由图3 1 4 可见，相对变率分布呈现出由南往北减少的趋势，大值区位于湖北南部。雷 暴日数少的地区，其变异程度相对更强。各地相对变率在1 5 3 0 之间。 图3 1 7 雷暴日数相对变率分布图 第四章湖北雷暴背景场分析 为了进一步了解湖北雷暴的气候变化规律，本章应用合成分析方法对湖北夏季雷暴日 的5 0 0 h p a 高度场及水汽通量场进行诊断研究，这对于探讨其成因和预测是有积极意义的。 一般来说，导致天气气候异常的最直接原因是大气环流异常，包括中高纬度环流异常( 欧亚 大陆中高纬度出现持久阻塞形势，乌拉尔山、贝加尔湖、鄂霍茨克海阻高) 和副热带环流系 统异常( 西太平洋副高) ，近年来的一些研究也指出了大气环流的年际以及年代际变化特征 眨“。湖北雷暴与副热带环流系统、中高纬度环流及其相联系的冷空气活动有关，同时水 汽及水汽输送不仅是形成雷暴所需要的水汽条件，而且是形成对流性不稳定层结的重要原 因，近年来，对水汽输送通道及其异常的影响也有大量的研究 4 2 - 4 5 】。本章着重从5 0 0 h p a 位势高度场以及水汽通量场、海温、副高和极涡特征进行分析。 4 1 夏季雷暴活动频繁年的确定 i a 。i 根据世界气象组织( w m o ) 和一些国家的规定，把距平l l 达到两倍标准( 2 仃) 的事件称 为异常。表4 1 给出了1 9 7 1 2 0 1 0 年期间湖北地区雷暴活动日数最高的6 个年份的距平值 i a s l 、相应的i 血l 仃值 表4 11 9 7 l 2 0 l o 年湖北省雷暴活动日数距平最高的6 个年份的i 厶i 值 由表4 1 可见，按w m o 的标准，在这4 0 a 中，达到雷暴活动异常多的年只有1 9 7 3 年 夏季。考虑到异常年个例太少，为能够进行合成和对比分析，本文近似将l 厶i 仃1 2 也作为雷暴活动异常年的标准。据此，将1 9 7 3 、1 9 7 5 、1 9 7 9 、1 9 8 3 、1 9 9 8 定为雷暴活动异 常多的年。偏少年有1 9 8 0 、1 9 8 6 、1 9 9 9 、2 0 0 1 、2 0 0 9 。湖北省雷暴活动中有3 年发生在7 0 - , - 8 0 年代，同样可以认为，7 0 - - 8 0 年代为雷暴活动频繁期。 4 2 夏季雷暴与5 0 0 h p a 位势高度场分析 4 2 1 夏季5 0 0 h p a 位势高度平均场特征 从图4 1 上看，欧亚范围中高纬6 8 月5 0 0 h p a 平均高度场分布呈三脊二槽型纬向分布 ：其中黑海乌拉尔山、贝加尔湖西侧( 3 0 5 5 。n ，1 0 0 1 1 0 0 e ) 、鄂霍次克海东西伯 利亚受高压脊控制( 贝加尔湖西高压脊比较弱) ；两个低槽位于西西伯利亚新西伯利亚 高原( 5 0 6 0 0 n ，7 0 9 0 0 e ) 和贝加尔湖以东的大兴安岭河套平原四川盆地，相比较 前者属浅槽，后者为一深厚的低压槽( 3 0 5 5 0 n ，1 1 0 1 3 0 0 e ) ，槽线呈东北西南走向 。在这种高度场配置下，巴尔喀什湖以东和深厚大槽以西的中高纬度地区被偏西北气流控 制。 主要气候影响系统有以下几个：乌拉尔山地区和贝加尔湖以东地区各为一弱脊，两脊之 间为一浅槽；东北地区到华北平原为一浅槽；西太平洋副热带高压脊线位于2 5 。n ，其西伸脊 点在1 3 8 0 e 左右，5 8 4 位势什米线在长江流域到青藏高原。 图4 1 夏季多年平均5 0 0 h p a 位势高度场( 1 9 7 1 - 2 0 1 0 ) ，单位：位势什米 4 2 2 合成分析 陈思荣哪】，朱伟军晰】，周兵晰1 的研究表明：雷暴正异常年时5 0 0 h p a 高度场异常，中 国大部分地区都是负值区，副高减弱，中高纬度阻塞高压增强。雷暴负异常年时5 0 0 h p a 高度场上中国南方大部分地区都是正值区。 2 9 从多雷年的5 0 0 h p a 平均场上，1 9 7 3 年( 图4 2 a ) ，除我国东北地区外，欧亚地区全 部为负值区。1 9 7 5 年( 图4 2 b ) ，除我国大部为负值区。1 9 7 9 年( 图4 2 c ) ，我国大部分 地区为正值区。中高纬度阻塞高压减弱。1 9 8 3 年( 图4 2 a ) 南方为正值区，北方为负值区， 1 9 9 8 年( 图4 2 e ) 欧亚地区全部为正值区，副高偏强，中高纬度阻塞高压增强。 从少雷年的5 0 0 h p a 平均场上，1 9 8 0 年( 图4 3 a ) ，除我国乌拉尔山地区外，欧亚地 区全部为正值区。1 9 8 6 年( 图4 3 b ) ，我国中东部为负值区，西部为正值区，乌拉尔山地 区为负值中心，贝加尔以东为正值中心。1 9 9 9 年( 图4 3 c ) ，我国大部分地区为正值区。 中高纬度阻塞高压减弱。2 0 0 1 年( 图4 3 d ) 南方为负值区，北方为正值区，2 0 0 9 年( 图 4 3 e ) 我国南方大部部为弱正值区，北方为负值区。副高偏强，中高纬度阻塞高压增强。 罩 ： 4 t d j ，面 瓤 冬呻 3 1 、 攀：蓬 1 档e 觏避 一八芏啦弋邛甚 图4 2 多雷年( a - e ) 5 0 0 h p a 高度距平合成场单位：位势什米 3 2 j 6 州 埘 5 0 “ 群- 1 声1 r 一8 6 雠 3 3 1 2 鬻毒羁 1 1 0 e t 2 0 e io 胡 _ t 4 5 n 3 0 n 1 5 n ( d ) 2 0 j 刈 k 1 2 - 1 吼嚣。盏葛r 葡f 百 _ 、 、t 口 j ， 6 一， 、 、 、 1 1 0 e1 2 0 ei 3 0 e ， 、， 讹川to u l，睢五忱9 0 i r o o j i 1 魄1 2 0 ll 棚t1 o ei $ o e 图4 3 少雷年( a - e ) 5 0 0 h p a 高度距平合成场单位：位势什米 综上所述，湖北雷暴多雷年、少雷年5 0 0 h p a 位势高度场的分析表明，湖北雷暴异常和 5 0 0 h p a 位势高度场中高纬度环流和副热带环流无一致规律。这和陈思荣等“雷暴正异常年 时5 0 0 h p a 高度场异常，中国大部分地区都是负值区，副高减弱，中高纬度阻塞高压增强。 雷暴负异常年时5 0 0 h p a 高度场上中国南方大部分地区都是正值区。”的研究结果不同，原 因可能是采用的资料空间范围不同，年代不同、月份不同。 4 3 夏季雷暴与水汽输送分析 4 3 1 水汽通量的计算 以u q ( 纬向风速与比湿的积) 表示纬向水汽通量输送，以v q ( 经向风速与比湿的积) 表示 经向水汽通量输送。考虑到大气水汽主要分布在3 0 0 h p a 以下的大气层中，故计算中取地面 至3 0 0 h p a 的大气层( 共9 层) 进行积分，整层水汽通量( q ) 的计算公式为 互= 上f 儿p r q d p ( 4 1 ) g p l 式中v 为各层大气的风速，q 为各层大气的比湿，p s 、p 1 分别为大气柱下界气压( 地面) 和上界气压( 3 0 0 h p a ) ，g 为重力加速度。按照( 4 1 ) 式计算了1 0 0 - 5 5 。n ，7 0 0 - 1 4 0 0 e 范围内 1 9 7 1 - 2 0 1 0 年夏季( 6 ，7 ，8 月) 逐日地面至3 0 0 h p a 整层大气经、纬向水汽通量，本文使用的q 是夏季平均值。 3 5 4 3 2 水汽通量平均场特征 图4 4 夏季多年平均水汽通量场( 单位：1 0g 锄h p a l s - 1 ) 图4 4 是夏季( 6 ，7 ，8 ) 多年平均( 1 9 7 1 2 0 1 0 年) 水汽通量场。湖北水汽通量平均值约为 1 8 9 c r 1 - 1 h p a - 1 s 一，水汽主要源地来自东部沿海地区。 4 3 3 水汽通量场偏多年合成分析 从偏多年的水汽通量距平场上( 图4 5 ) 可以看出，湖北水汽通量平均值约为 1 8 9 c m o lo l l p a - 1 s 1 ，但水汽通量中心加强为9 0 9 锄h p a - i s 一，中心位置处于华南地区。有利 于水汽向北输送辐合，雷暴也异常偏多。 图4 5 雷暴偏多年水汽通量图( 单位：1 0g - c m - j - h p a s 1 ) 4 4 湖北省夏季雷暴活动异常年与海温场关系分析 赤道中、东太平洋海温异常变化引起的e n s o 事件可影响全球大气环流和气候异常。 1 9 8 2 1 9 8 3 年赤道中东太平洋强的增温事件( e l n i n o ) 造成了中南美洲地区的洪涝，南亚、印 度尼西亚及东南非洲大范围的严重干旱。e n s o 事件亦可造成我国气候异常。已有不少学者 进行了研究。 4 8 彤】 为了分析湖北省雷暴异常年海温场的特征，将雷暴活动异常多的1 9 7 3 、1 9 7 5 、1 9 7 9 、 1 9 8 3 、1 9 9 8 年和雷暴活动异常偏少1 9 8 0 、1 9 8 6 、1 9 9 9 、2 0 0 1 、2 0 0 9 的年6 - 8 月海温场进行合 成，分析其距平特征。 从雷暴活动异常多年距平合成图( 图4 6 ) 可以看出，湖北省雷暴异常多年海温距平场 的主要特征是：印度洋基本为负距平区，中东太平洋上基本为大范围的正距平区。 3 7 _ 6 d n 5 d n 4 0 n 3 d n 2 0 n 10 n e 0 1d s 2 d s 3 0 s 4 0 s 场 平 区。由此可见，在雷暴活动异常多年和雷暴活动异常少年，印度洋和中东太平洋海温场具 二- 一 季北半球极涡面积指数 图4 81 9 1 - 2 0 1 0 年夏- 季北半琢恢狮叫“” 3 9 2 0 0 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 拿s 笋擎擎梦 图4 91 9 7 1 - 2 0 1 0 年夏季西太平洋副热带高压面积指数 为研究极涡、副高对湖北雷暴雷暴日数的影响，将湖北雷暴雷暴日数与北半球极涡及 副高面积指数作相关性分析，详见表4 2 。可知，湖北雷暴雷暴日数与北半球极涡积指数 呈正相关，与北半球副高面积指数呈负相关。 北半球极涡面积指数副高面积指数 与雷暴日数相关系数0 1 6 9 2 4 40 2 9 6 6 结合相关性分析结果可以看出，当北半球极涡面积扩张，大量冷空气南下时，湖北雷 暴雷暴日数增多；反之，北半球副高面积扩大，暖空气范围扩张时，湖北雷暴雷暴日数日 数减少。 4 0 年份序 g m ( i ， 合效果 不理想，即使原始数据具有良好的光滑性，也是会引起一定的误差。根据灰色系统理论思 想，模型还原值与原始序列值之间的残差中是含有有用信息的基于灰色g m ( 1 ，1 ) 预测模型 的自身缺陷和残差信息的有用性，本文运用b p 人工神经网络b p ( b a c k - - p r o p a g a t i o n ，反向 传播) 结构的人工神经网络对灰残