近六十年香港雷暴日氣候特征分析
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摘要：利用香港1947-2007年共61年的雷暴天氣資料，分析了香港地區雷暴日的氣候特征。近60年來，香港年雷暴日數存在一定的增加趨勢，其氣候傾向率為1.85d/10a。小波分析的結果顯示，香港年雷暴日數可能存在14-18年的震蕩周期，且隨著其年雷暴日數的增加，震蕩周期有所變小。8月份平均雷暴日數約為7.4天，達到全年峰值，這與香港后汛期降水較多的結論相對應。香港地區的雷暴初期和雷暴終期，存在較大的年際波動。
關鍵詞：雷暴日；變化趨勢；震蕩周期；氣候特征
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
雷暴是局地對流性天氣系統，伴有雷擊和閃電。近年來，隨著電子信息技術的廣泛運用，雷擊災害的形式變得更為多樣化，對雷擊成災的物理機制以及雷擊發生的雷暴背景進行研究的需求變得更為迫切。隨著區域性雷電探測、定位系統的組建及衛星探測技術的進步，不斷有學者對不同地區甚至全球閃電的時空分布進行了研究[1-3]，當然，由于相應資料尚處積累階段，所以并沒有得到較長時間尺度的閃電活動規律及變化的結論。常規的氣象觀測僅是對雷暴活動的有、無進行判斷，無法獲取閃電頻數、地閃極性及比例等信息，但其記錄的資料有較長的時間積累，對其進行分析可以得到一些有用的統計結論[4-6]。此外，由于閃電的發生必須以雷暴活動作為載體，所以研究雷暴活動的長期變化對雷擊災害的防御具有一定的意義；而雷暴活動作為全球電路（雷暴-電離層-晴天大氣-地球）中的一個重要環節，與天氣氣候系統存在特定的耦合作用[7]，雷暴活動的長期變化一定程度上指示了天氣氣候的變化規律。本文利用香港地區1947-2007共61年的雷暴日資料，分析了其雷暴活動的氣候特征。
2. 資料和方法
2.1資料來源
本文計算和分析所用的資料為香港天文臺1947年到2007年的雷暴天氣資料和部分其他常規氣象觀測資料。
2.2研究方法
2.2.1變化趨勢分析
描述要素的趨勢變化通常使用一元線性回歸方程：
（1）
表示時間，表示要素逐年值，常稱為傾向率，單位為要素值單位／a。為常數，取要素的單位。為求，可利用與自然數列1，2．．．，n求相關系數
（2）
稱為趨勢系數，可以用 分布統計檢驗的顯著性，而
（3）
，分別是及其自然數列的均方差，且
（4）
2.2.2小波分析
對于一個離散的時間序列f(t)，(t=1,2,...,N)，小波變換的形式可寫為：
（5）
式中Ck為小波變換系數：
（6）
a=2j(j=1,2,...)為放大因子,其倒數相當于頻率，當a較小時,頻域分辨性較差，而時域分辨性較好。當頻域分辨率增加時，時域分辨率則減小。一般取1≤a≤N/4較宜，N為樣本數，b為平移因子；）是子波Ψ(ω)經傅氏變換得到的譜。這里為基本小波，它具有波動性和衰減性?；拘〔ㄓ泻芏喾N形式，本文采用Morlet子波對序列進行變換。
Morlet子波:（7）
3.結果與分析
3.1年雷暴日數
根據61年雷暴日資料，香港地區年平均雷暴日數為35.6天，相比于臨近的廣東省主要城市達50至100多天不等的年平均雷暴日數，該值偏小。圖1給出了香港逐年雷暴日數及變化趨勢，可以看到，年雷暴日數最低為20天，最高于1997年達到53天。事實上，1997-1998年為強厄爾尼諾事件發生期，由于特殊的環流背景，1997年香港的年降水量明顯偏多，屬于氣候統計的極澇年，雷暴日數與之有較好的對應?？傮w而言，幾十年來香港年雷暴日數呈上升趨勢，計算得到其年雷暴日數的氣候傾向率為1.85d/10a，雖然從量值而言，此氣候傾向并不十分明顯，但相對于不到40天的年平均雷暴日數，該值已較為可觀。
圖1逐年雷暴日數及變化趨勢
多年雷暴日的資料可能具有一定的周期，為此，對香港地區年雷暴日數做了Morlet小波分析，圖2給出了相應的子波系數實部分布的分析圖。可以看到，逐年雷暴日數序列在14-18年的時間尺度上正負閉合中心最明顯，表明年雷暴日數序列在14-18年時間尺度下交替振蕩最為顯著。在60年代中期之前，年雷暴日數序列存在次級的5-7年的準周期震蕩，而后轉變為3-5年；此外，從90年代后期起，10年以上的周期震蕩變得不明顯。隨著香港地區年雷暴日數的逐漸增加，其震蕩周期一定程度上是變小了。
圖2 年雷暴日數序列的Morlet小波變換圖
3.2月雷暴日數
夏季為全年對流性天氣最為顯著的季節，所以夏季雷暴日數最多是顯然的，故而對雷暴日數按月份進行分析可能更有意義。圖3給出了各月平均雷暴日數的分布，可以看到，8月的雷暴日數最多，達7.4天。8月處于夏季后汛期，通過分析香港地區近三十年的降水數據得到，其后汛期降水占全年降水比重高達約50%，而8月平均降水量達到約450mm，與雷暴日數有比較好的對應。事實上，對61年雷暴日的資料進行分段分析的結果表明，8月份雷暴日數的增加最明顯，對全年雷暴日數的增加貢獻最大。所以該月份的閃電、雷擊災害可能處于一個峰值，建筑施工、災害防護等相關事宜在該月份應提起注意。此外，平均而言，12月香港地區無雷暴發生，而月平均雷暴日數的次大值出現在6月，約6.3天。當然，結合分析近5年閃電定位網的資料，香港地區地閃次數出現最多一般為6月和7月，雖然這可能和資料積累量有限存在一定關系，但這也說明在汛期期間，各月份的雷暴、閃電發生的頻數是存在一定波動的。
圖3月平均雷暴日數分布
3.3雷暴初期和雷暴終期
雷暴初期是指一年中最早發生雷暴天氣的日期，而雷暴終期則是一年中最后發生雷暴的日期。統計結果表明，香港地區雷暴初期平均為3月2日，而雷暴終期平均為10月8日。根據得到的雷暴初、終期平均值，對每年相應的偏差量計算，圖4給出了1952-2000年的逐年雷暴初、終期與平均值的偏差日數（正值表示日期滯后于平均值，負值為提前）?？梢钥吹剑髂昀妆┏?、終期都呈現較為明顯的波動，事實上，雷暴的發生依賴于一定的天氣動力及對流條件，所以要使初、終期的發生在平均值上下的小范圍內波動是并不合理的，故而雷暴日初、終期的平均值，可能并不包含明顯的氣候意義。當然，趨勢分析的結果表明，總體而言，雷暴終期的時間有延后的氣候變化趨勢，但該趨勢相對于較大的年際波動而言，預報和指示意義并不明顯。
圖4逐年雷暴初期和雷暴終期
4. 結論與討論
分析了香港1947-2007年共61年的雷暴日資料及其他常規氣象資料，得到以下主要結論：
?。?）香港地區年平均雷暴日數為35.6天，幾十年來，年雷暴日數有增加的趨勢，其氣候傾向率為1.85d/10a。
?。?）Morlet小波分析表明香港年雷暴日數，存在14-18年的準震蕩周期，隨著年雷暴日數的增加，震蕩周期在一定程度上有所減小。
（3）與后汛期降水占全年降水比重較高相對應，月雷暴日數于8月達到峰值，平均約為7.4天，應對建筑施工等事宜提起注意。
（4）雷暴初期和雷暴終期存在明顯的年際波動，相應的平均值及變化趨勢的氣候意義并不明顯。
雷暴的發生可能和其他氣象要素存在一定的相關關系，比如降水量、氣溫等，通過將雷暴的氣候分析結果與氣象要素值的氣候統計分析結果作對比可能會得到一些有意義的結論，比如，幾十年來明顯的增溫趨勢可能影響了對流活動，也可能對氣溶膠產生影響，這些進一步會對積云、雷暴的生成施加影響。相關分析和研究，值得深入。
由于資料的限制，以上分析多限于統計意義上的討論，由于常規的氣象觀測資料并不能給出雷暴發生的精確位置，更無法給出雷暴中所發生閃電的具體信息，所以對雷擊災害防護的指示意義是有限的。隨著雷電監測網、閃電定位網等專業資料的積累，還應對雷暴甚至閃電的時空分布及氣候變化進行分析，進一步加深對雷暴及閃電的氣候變化規律的認識。
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