引言

雷电是伴有雷声和闪电现象的天气，气象上称为雷暴，是大气中的放电现象。在大气层中，云层间或云和地之间的电位差增大达到一定程度时，即发生猛烈放电现象(闪电)。每次放电时间很短但电流强度很大，释放出的大量热能可以使局部空气温度瞬间升高1万至2万℃。闪电击中地面或击中目标时就造成雷击，是一种危害程度很高的天气现象^[1-2]。雷暴常伴有大风、强降水或冰雹，对农林、交通、通讯、航空航天和国防等领域都会造成不利影响。青海地处青藏高原东部地区，海拔高、地形地貌复杂，是多山地和地表生态环境脆弱地区，也是对气候变化响应比较敏感的地区^[3-9]。近20多年来气候明显变暖，已引起人们的普遍关注。青海高原近45年来气候存在着变暖的总趋势, 年降水量无明显的变化, 夏半年(5—9月)降水量和雨日呈减少趋势, 但降水强度在增大，雷电、暴雨洪涝灾害事件在增多^[10-15]。我国将年均雷暴日40天以上的地区定义为多雷区，青海省除柴达木盆地年雷暴日数少于40天外，绝大部分地区年雷暴日数在40天以上，深入研究青海省雷暴形成机理和变化特征，对进一步做好雷电预警预报及防雷减灾工作具有重要的现实作用。国内^[2-9]很多专家从不同角度都对青藏高原以及西北地区的雷暴进行了深入研究，其中冯建英等^[4]利用二阶正交函数、小波分析等方法研究西北地区各省区历年雷暴分布规律及变化特征，发现高原和高山雷暴最多，平川和盆地最少，各地雷暴的年变化都为单峰型，峰值在7月，年际变化各地都存在准8年周期振荡；王建兵^[5]、景怀玺等^[7]对甘肃雷暴的分布、初终日、变化特征等的研究，李亚丽等^[6]对陕西雷暴的变化研究，都得到了与冯建英基本一致的结果，雷暴天气近几十年呈减少趋势。本文利用青海41站1961—2007年雷暴资料，对青海高原年雷暴日数、雷暴初终日及其雷暴期的时空分布和变化特征进行了初步分析。

1 资料与方法 1.1 资料

青海省共有56个气象观测站，由于各地建站时间不一致以及个别气象站迁站或撤站等原因，本文只选取资料完整的41个观测站1961—2007年雷暴观测记录。在资料统计处理和数据分析时遵循以下原则：①在观测簿上只记录闪电而无雷暴记录的不作雷暴统计；②1天之内发生数次雷暴只统计为1个雷暴日。③平均值用1971—2000年30年资料计算。

1.2 研究方法 1.2.1 气候趋势系数和倾向率

引入气候趋势系数和气候倾向率来研究雷暴的线性倾向趋势和变化幅度^[12-13]。气候趋势系数表示为：

$ R = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{x_i} - \mathop x\limits^ - {\mkern 1mu} } \right)\left( {i - \mathop t\limits^ - {\mkern 1mu} } \right)} }}{{\sqrt {{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{x_i} - \mathop x\limits^ - {\mkern 1mu} } \right)} }^2}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {i - \mathop t\limits^ - {\mkern 1mu} } \right)}^2}} } }} $

(1)

式中：R为n个时间(年)的气候要素序列与自然数列1，2，3，…，n的相关系数；n为年数；x_i为第i年的气候要素值，x为其平均值；R值的符号反映雷暴日增多或减少的变化趋势，R＜0表示雷暴日在计算时段内呈减少趋势，R＞0表示呈增加趋势。其变化趋势的显著程度用相关系数检验法，确定趋势是显著的，还是随机振动^[9-10]。将气候要素的趋势变化用一元线性方程表示为:

$ {w_i} = {a_0} + {a_1}{t_i} $

(2)

其中w_i为雷暴要素，t_i为时间(本文为1961—2007年)，a₁为线性趋势项，a₁×10表示雷暴要素的气候倾向率，反映气候要素每10年的变化率。

1.2.2 绝对变率

绝对变率反映气候要素序列的离散程度，绝对变率大表示气候序列变化幅度大；绝对变率越小表示气候序列变化幅度较小，或变化较为稳定。绝对变率表达式为：

$ D = \frac{1}{n}\sum {|{x_i} - \mathop x\limits^ - |, \mathop x\limits^ - = \frac{1}{n}} \sum {{x_i}} $

(3)

上式中D为气象要素的绝对变率，x_i为第i年的气候要素值，x为其平均值，n为样本数。

雷暴的描述性统计、气候趋势系数、气候倾向率、统计检验分析利用EXCEL电子表格的数据分析工具完成。

2 结果与分析 2.1 初、终雷暴日的时空分布和变化趋势 2.1.1 初、终雷暴日的空间分布特征

图 1、图 2分布是青海高原1971—2000年30年平均雷暴初、终日的空间分布图。青海高原初、终雷暴日的地区差异较大，初雷暴日出现最早的是青海东南部，如班玛、囊谦，班玛平均初日为3月29日，囊谦为3月30日；初雷暴出现最晚的是柴达木盆地中部，如格尔木雷暴初日平均为6月26日，比高原东南部晚近3个月。雷暴终日出现最早的是柴达木盆地西北部的冷湖，冷湖终雷暴日平均为7月12日，终雷暴日出现最晚的是青海东南部的班玛、囊谦、久治，班玛平均为10月21日，囊谦、久治平均为10月19日。

根据青海高原自然地理单元和雷暴初、终日空间分布，可划分为柴达木盆地区(格尔木、德令哈、都兰、大柴旦、冷湖、茫崖)、祁连山区(刚察、门源、祁连、托勒)、东部农业区(民和、西宁、贵德、共和、)、黄河源区(兴海、达日、泽库、玛多、同仁和大武)、长江源区(昂欠、清水河、玉树、杂多、伍道梁、沱沱河)五个区。表 1为青海高原不同地域初、终雷暴日及变化趋势系数。由表 1看出，青海南部高原的黄河源区、长江源区雷暴出现最早，初日平均在4月中旬，最早可在1月上旬出现，柴达木盆地初日出现最晚，平均在5月下旬。柴达木盆地雷暴日结束的也最早，雷暴终日平均出现在8月9日，长江源区雷暴日结束的最晚，雷暴终日平均出现在11月7日，最晚出现日为11月28日。

不同地域初、终雷暴日的绝对变率，雷暴初日的变率大于终日的变率，说明雷暴初日变化幅度大于雷暴终日变化幅度。青海南部高原初、终雷暴日的变化幅度最小，柴达木盆地最大。

2.1.2 初、终雷暴日的变化趋势

分析青海柴达木盆地、东部农业区、祁连山地区、黄河源区、长江源区不同自然区域1961—2007年初、终雷暴日年代际变化(表略)。由不同地域初、终雷暴日的年代际变化和表 1趋势系数可见：雷暴初日除柴达木盆地提前外，其他区域雷暴初日出现推后的趋势，以长江源区和祁连山区最显著。长江源区20世纪60年代平均初日为4月11日，到21世纪前7年平均初雷日为4月23日，推后12天。全省平均而言雷暴初日推迟5天。雷暴终日除长江源区推迟外，其他区域雷暴终日出现提前的趋势，以祁连山区较显著，20世纪60年代平均终日为10月2日，到21世纪前7年平均终雷日变为9月24日，提前8天，全省平均而言雷暴终日提前4天。

图 3是青海高原平均雷暴初终日的年际变化图。近47年青海高原雷暴初日表现为显著的推迟趋势，平均每10年推后约2天。同样，分析了青海高原雷暴终日的变化趋势，发现近47年雷暴终日呈显提前趋势，平均每10年提早1天。

2.2 雷暴期和雷暴日数变化特征 2.2.1 雷暴期、雷暴日数的年代际变化

将每年雷暴初日、终日之间的时间称为有雷期，即雷暴期。青海高原平均(41个代表站平均)雷暴期为148天(表 2)，黄河源区、长江源区雷暴期最长在175天以上，柴达木盆地雷暴期最短，只有72天。从年雷暴期的趋势系数来看，除柴达木盆地外雷暴期均在缩短。如祁连山区由20世纪60年代的160天减少至近10年不足150天，气候倾向率为-3.7天/10年。

在雷暴期内，雷暴频次也有较大的变化。由表 2可见，20世纪60、70年代年雷暴次数明显多于20世纪80、90年代。青海高原年雷暴日数平均为42天，长江源区年雷暴日数最多为64天，其次黄河源区为51天，柴达木盆地最少为10天。整个青海高原除柴达木盆地外，年雷暴日数呈明显的减少趋势，平均倾向率为3天/10年。长江源区和黄河源区减少最为明显，气候倾向率分别为4天/10年、5天/10年。

图 4为青海高原年雷暴日数气候趋势系数的空间分布图。可以看出大部分地区年雷暴日数随时间的变化呈明显减少趋势，参照图 6可以看出，年雷暴日数多的地区雷暴日数的减少趋势越明显，而雷暴日数最少的柴达木盆地雷暴日数变化不明显，柴达木盆地中部还有略微增加的趋势。青南地区东南部及南部地区的沱沱河、杂多、囊谦、达日、河南；环湖地区的刚察、门源、共和；东部地区的大通、互助、民和等地雷暴日数减少趋势较大。个别台站小灶火、大柴旦、格尔木、诺木洪、西宁等地区雷暴日数则略有增加。

图 5为青海高原年平均雷暴日数的年际变化曲线，可以看出青海高原年平均雷暴日数随时间变化呈明显减少趋势，每10年减少3.1天，通过0.001的显著性检验。这与冯建英等^[4]、王建兵^[5]得到的青海以及西北地区雷暴的年际变化呈明显减少趋势的结论是一致的。

根据年平均雷暴日数的累积距平曲线，雷暴年变化大致可以分为两个主要的阶段，1961—1989年的相对多雷暴期和1990—2007年的相对少雷暴期。根据各段中的变化幅度，又可细分为4个小的阶段，1961—1968年为雷暴最多期，1969—1989年，1990—1999年为相对稳定期，2000—2007年为雷暴最少期。

分析1961—2007年4—10月各月雷暴日数的年际变化，发现4—10月雷暴日数均呈不同程度的下降趋势。夏季减少趋势最为明显，其中8月和6月减少最为明显。春季(4—5月)减少趋势较秋季(9—10月)明显。

2.2.2 雷暴日数的季节变化

青海高原雷暴的年内分布为单峰型分布，雷暴主要发生在4—10月，占全年发生总数的99.6%，夏季发生的占全年总数的67.4%，7月发生次数最多，占全年总数的25.0%，11月至次年2月，除个别年个别站发生过雷暴外，基本上无雷暴发生。

2.2.3 年平均雷暴日数的突变和周期分析

由于突变分析和时间尺度关系密切，根据5、10、15、20年等不同时间尺度，采用滑动t检验^[9]进行青海省年平均雷暴日数的突变检验，取连续通过0.01显著性水平检验中最大值出现的年份作为突变年。根据5年时间尺度检验的突变结果将资料截断为1961—1999年，再次根据不同时间尺度检验突变，发现各时间尺度均未出现明显的突变，从而证明2000—2007年年平均雷暴日数异常偏少导致突变现象的发生。2000—2007年年平均雷暴日数只有30.9次，较1961—2007年平均值少了8.7次，较1961—1999年平均值少了10.5次。从而确定2000年才是真实的突变年。

利用功率谱和最大墒谱分析，均发现了准5年的显著周期。与其他人的研究成果不符，未发现准8年的显著周期，究其原因，可能是由于前人多是使用单站序列分析周期，而本文使用的是全省平均序列，由于各站的周期变化和位相不一致，导致全省平均序列无法反映出8年周期，前人^[4]对青海单站雷暴变化的分析，也曾发现准8年的周期振荡。

2.3 青海高原雷暴日数的空间分布特征

利用代表站1971—2000年30年年雷暴日数平均值分析青海高原雷暴日数的空间分布(图 6)，年雷暴日数的空间分布基本呈南多北少的纬向分布，但祁连山附近地区存在一个50~60天的高值区。雷暴多发中心在青南地区南部的囊谦、杂多一带，年雷暴日数在70天左右，其中囊谦年雷暴日数达75.5天；另一中心在祁连山附近地区、其中包括门源、刚察、大通、互助等地，年雷暴日数在50~60天之间；柴达木盆地是青海高原雷暴最少的地区，年雷暴日数在10天以下，其中格尔木、诺木洪、冷湖等地少于5天，而该地区也是我国雷暴发生最少的地区之一。东部农业区的黄河、湟水谷地也是一个低值中心，年雷暴日数在30~40天之间。对青海高原短时强降水的分析，发现雷暴分布特征和青海省夏季短时强降水分布特征非常相似，说明短时强降水是造成雷暴的主要天气原因。

3 结论

(1) 青海南部高原黄河源区、长江源区雷暴出现最早，初日平均在4月中旬，柴达木盆地初日出现最晚，平均为5月下旬。柴达木盆地雷暴日结束的也最早，雷暴终日平均出现在8月9日，长江源区雷暴日结束的最晚，雷暴终日平均出现在10月7日。雷暴初日的变率大于终日的变率。近47年青海高原雷暴初日表现为显著的推迟出现趋势，平均每10年推后约2天，雷暴终日呈提前趋势，平均每10年提早1天，雷暴期在缩短。

(2) 青海高原大部分地区年雷暴日数呈明显减少趋势，柴达木盆地变化趋势不明显，部分地区还有略微增加的趋势。青海高原年平均雷暴日数每10年减少3.1天。年平均雷暴日数在2000年发生明显突变，2000—2007年雷暴日数的异常偏少，造成突变现象的发生。年平均雷暴日数存在准5年周期。

(3) 青海高原雷暴日数的年内分布为单峰型分布，雷暴主要发生在4—10月，占全年发生总数的99.6%，4—10月雷暴日数各月均呈不同程度的下降趋势，6月、8月减少趋势最为明显。

(4) 年雷暴日数的空间分布基本呈南多北少的纬向分布，雷暴多发中心在青南地区南部的囊谦、杂多一带，柴达木盆地是青海雷暴最少的地区，也是我国雷暴发生最少的地区之一。

(5) 近年来青海高原雷暴日数的减少与夏半年(5—9月)降水日数的减少有关，虽然雷暴日数在逐年减少，但雷暴天气引起的雷击、暴雨灾害在逐年增多，尤其是进入20世纪80年代中期以后，增多趋势更加明显。