引言

雷电以其强大的电流、炙热的高温、巨变的电磁场以及强烈的电磁脉冲等物理效应使其在瞬间产生巨大的破坏作用。雷电致灾范围非常广，常常造成人员伤亡，击毁建筑物，使供配电系统、通信设备、计算机信息系统中断，引起森林火灾，造成仓储、炼油厂、油田等燃烧甚至爆炸，严重危害人民财产和人身安全，“联合国国际减灾十年”将雷电灾害视作最严重的自然灾害之一。常州位于经济发达的长三角地区，地处江淮下游，河网密集，是暖温带与亚热带过渡地带，冷暖气流频繁交汇，多雷暴灾害，据统计平均每年雷暴日数达32天左右，每年因雷电造成的经济损失非常严重，据统计2003—2006年发生雷击事故近300起，伤亡人数近40人，4年经济损失高达3000万元。因此，防雷减灾工作已成为经济社会安全生产中不可缺少的重要环节。气象工作者们对此也非常关注，在区域雷暴气候特征分析、雷暴的短期预测、雷电发生机理、雷电灾害防御方面做了大量的研究工作^[1-8]。目前长江三角洲地区对雷电的研究还比较少，且雷电的发生有很强的地域性，因此本文利用1952—2007年的雷暴观测资料，通过数理统计和小波分析，对常州雷电灾害发生的年代际、年际、季节、月际变化规律以及常州雷暴发生的周期性等特征进行了分析，另外对常州雷暴的多普勒雷达回波特征进行了分析，旨在提高对常州雷暴发生规律和特点的认识，为本地区雷电预报和防雷减灾工作提供一定的参考依据。

1 常州雷暴的气候特征 1.1 资料及统计说明

本文利用常州基本观测站本站1952—2007年56年逐日地面观测资料中有关雷暴的观测记录(包括纪要中的记录)进行分析，以统计结果代表常州的雷暴气候特征。在资料统计时，观测簿上只记录闪电而无雷暴记录的不作雷暴统计，一日之内发生一次或数次雷暴的作为一个雷暴日。年代际变化中不足10年的以该年代际平均值补足。

据文献[9]普通雷暴定义为只伴有阵雨的雷暴，强雷暴定义为伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等严重的灾害性天气现象之一的雷暴。

多普勒雷达资料分析中，雷暴的出现是根据历史观测资料中雷暴出现的时间、方位结合雷达回波得出。

气候趋势系数方法主要利用施能等^[9]提出的判别方法, 即对任一时间序列{x_i}, 其气候趋势系数定义为:

$ {r_{xt}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {({x_i} - \bar x)(i - \bar t)} }}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{({x_i} - \bar x)}^2}\sum\limits_{i = 1}^n {{{(i - \bar t)}^2}} } } }} $

式中: x为{x_i}的均值；t为自然数序列{i}的均值；n为样本长度。若r_xt>0, 表明序列{x_i}有上升趋势, r_xt越大上升趋势越强; 若r_xt＜0, 表明序列{x_i}有下降趋势，r_xt值越小下降趋势越强。

1.2 常州雷暴的年代际变化特征

根据1952—2007年的雷暴统计数据(如图 1)可以看出，56年里共出现1773个雷暴日，10年雷暴总日数平均为316.6d，56年中雷暴总日数出现最多的是20世纪60年代，10年雷暴总日数为404d，20世纪50年代和20世纪60年代10年雷暴总日数均超过了平均水平，20世纪70年代起10年雷暴总日数均低于平均水平；出现最少的是2000年之后，10年雷暴总日数为247d；10年雷暴总日数最大值约为最小值的1.64倍，可见常州雷暴日数年代际间差异显著。经过气候趋势分析得出，气候趋势系数为-0.46，且通过0.1显著性检验，这表明56年里雷暴日数呈显著减少的趋势。

1.3 常州雷暴的年际变化特征

从56年来的年际变化(如图 2)来看，年平均雷暴日数为31.66d，超出平均值的有25年，其中1952—1979年28年里有20年超出平均值，雷暴高发年份集中在20世纪60年代至20世纪70年代初；低于平均值的有31年，其中1980—2007年28年里共出现23年。雷暴出现最多的是1963年，为59d，其次为1987年，为53d，再次为1956年和1960年，均为52d；雷暴日数出现最少的是1978年，为10d，其次是2001年，为18d，再次是1982年和1989年，均为19d；年总雷暴日数最大值为最小值的5.9倍，可见雷暴日数年际间相差非常大。从图 2中还可以看出，1960—1965年为雷暴最高发期，雷暴日数连续6年超过40d，1969—1971年为次高发期，连续3年均超过39d。

1.4 常州雷暴的季节变化特征

从季节变化(如图 3)来看，四季出现的雷暴以夏季最多，且多为午后雷阵雨，为剧烈升温所导致的热雷雨。56年总雷暴日数为1773d，春、夏、秋、冬季各季雷暴总日数分别为384d、1185d、185d、19d，累年平均分别为6.86d、21.16d、3.3d、0.34d，分别占总雷暴数的21.7%、66.8%、10.4%、1.07%；夏季累年平均出现的日数为各季平均的2.67倍，分别是春、秋、冬季的3.09倍、6.4倍、62.4倍。

1.5 常州雷暴的月际变化特征

图 4给出了常州市各月雷暴总日数分布情况，从各月雷暴出现频数来看，雷暴集中出现在4—9月，出现的总日数为1632d，占全年总雷暴日数的92.05%，其中7、8月为雷暴高发月，占全年总雷暴日数的54.8%；其次为6月、9月、4月和5月，占全年雷暴总日数的37.28%；3月较少(56年里共出现92d，平均每年1.64d)；2、10、11月很少，分别出现15、19、11d；1、12月几乎没有(56年里分别仅出现2d)。

1.6 雷暴的初、终期特征及日分布特征

雷暴的初终日是很重要的气候指标，常州雷暴初期为1月1日，出现在1997年，另有一年出现在1月26日，为1969年；雷暴终日为12月31日(出现了连续两天雷暴)，为1996年，另有一年为1979年的12月21日。雷暴初日出现在2月的有10年，终日出现在11月的有7年，大多数年份初日出现在3月，共有33年。大多数终日出现在9月，共有29年。

由于7—8月为雷暴最高发月份(占总数的54.8%)，因此重点对2004—2007年7—8月的雷暴数据按照时间段(早晨：04—08时，上午：08—12时，中午前后：10—14时，下午：12—6时，傍晚前后：16—20时，夜里：20—08时，其中上半夜：20—24时，下半夜：24—02时)进行了统计(注：一个时间段里多次出现只算一次，一天中若在多个时间段出现，则分别计算)，结果发现：4年里总雷暴日数为72d，总计次数为106次，其中早晨11次，上午2次，中午9次，下午27次，傍晚32次，上半夜16次，下半夜9次(见表 1)，由此可见，傍晚出现次数最多，其次为下午，再次为上半夜，最少出现的时间段是上午，仅有2次。因此应密切关注午后雷阵雨的出现。

2 雷暴的小波分析和周期特征

小波分析亦称多分辨分析，是一种新的时频分析工具，主要思想是将任一信号分解成时间和频率(尺度)的独立贡献，同时又不失原有信号的信息。它能将气象时间序列曲线分解成交织在一起的多尺度成分，并对不同尺度成分采用相应粗细的时域取样步长，从而能不断聚焦到曲线的任一细节。小波变换不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显现出变化的时间位置，对于气候预测是十分有用的^[11]。基本小波有多种形式，这里采用Morlet小波^[12]。Morlet小波在揭示气候资料的奇异性(突变点)方面表现出良好的性能。

对于时间序列函数f(x), 小波变换定义为

$ {W_f}(a, b) = {a^{1/2}}\int {f(x)} {\mathit{\Psi }^*}{\rm{(}}\frac{{x - b}}{a}{\rm{)d}}x $

其中W_f(a,b)是小波系数, a为伸缩因子，决定小波宽度；b∈R为平移因子，是反映小波位置移动的参数，Ψ是Ψ^*的共轭函数。Morlet小波母波函数为

$ \mathit{\Psi }{\rm{(}}x{\rm{) = }}C{{\rm{e}}^{ - \frac{{{x^2}}}{2}}}\cos (5x) $

其中C为重构时的归一化常数。为了更好地揭示常州雷暴发生的规律，对1952—2007年雷暴日数进行了Morlet小波分析。图 5为常州雷暴日数序列小波分析图，图中横坐标为年变量，纵坐标为周期(a)。

通过小波分析可见：(1)常州年雷暴日数分布主要表现为12a(年代际)时间尺度上存在正负闭合中心交替的特征，12a震荡周期贯穿在整个56年里，其对应的多雷暴时段分别为1 960—1965年、1973—1977年、1985—1987年、1994—1998年，其中中心值对应着1963年、1 974年、1987年、1998年，雷暴日数分别为59d、37d、53d、36d，分别为该时间段内的最高值；少雷暴年时段分别为1957—1959年、1966—1968年、1978—1984年、1988—1993年、19 99—2005年。(2)在1952—1984年存在着非常明显7~8a的次周期特征，1967—2004年表现为6~7a的周期。(3)1968—2007年还存在3~4a的小周期特征。

3 雷暴的多普勒雷达回波特征 3.1 基本反射率因子与回波顶高

通过分析常州2004—2007年多普勒雷达回波特征，发现出现雷暴时的雷达回波基本反射率因子均在30~65dBz之间，回波顶高在6~17km；普通雷暴一般在35~50dBz，回波顶高在6~10km；强雷暴雷达回波基本反射率均在55~65dBz之间，回波顶高在10~17km，出现冰雹时回波强度大于55dBz，高度大于12km。常州绝大多数雷暴发生时基本反射率因子为40~55dBz，强雷暴一般为55~65dBz，因此在雷达回波图上若上游地区出现回波强度大于30dBz的回波，则要密切关注。另外一般7—8月的回波都比较强，破坏性大，因此应特别予以重视。

3.2 雷达回波移向

通过对2005—2007年雷达回波资料进行分析，发现2005—2007年常州市共出现雷暴日数88d，产生的雷暴大致有以下五种移动方向：其中自西南向东北方向移动(绝大多数属此类，占45/88，为51.1%)、自东南向西北方向移动(台风倒槽影响属此类，占5/88，为5.7%)、自西北向东南方向移动(冷空气东移南下属此类，占19/88，为21.6%)、旋转(江淮气旋和台风经过本地附近属此类，占2/88，少)、局地生成(副热带高压型的热雷雨属此类，一般自生自灭，基本发生在7—8月，占17/88，为19.3%)。

4 常州冰雹和雷雨大风的变化特征 4.1 雷雨大风变化特征

1952—2007年56年里出现雷雨大风共计150d，年平均为2.68d，其中超过平均值的有28年，全年未出现雷雨大风的有8年。20世纪60年代出现雷雨大风最多，其次为20世纪70年代和2000年之后，出现最少的是20世纪90年代。雷雨大风出现最多的年份为1956年，共出现了10d；其次为1965年，出现了9d。从月际变化(表 3)可以看出，7月为最高发月，为109d，占72.7%，因此7月应特别注意雷雨大风的出现；其次为8月和5月，分别为36、26次；而1、2、10、11、12月很少出现雷雨大风，其中2、11月各出现1d雷雨大风，1、11、12月未出现雷雨大风。

4.2 冰雹变化特征

1952—2007年56年里有18年出现了冰雹，共计27d，年平均为0.48d，其余38年未出现冰雹。冰雹出现较多的是1985—1988年，4年里共出现10d冰雹。从表 4可以看出，5月和7月为最高发月，均为6d，均占22.2%，因此5月和7月应特别注意冰雹的出现；其次为8月、4月和2月，分别为5、4、3次；3月和6月较少出现冰雹；1、9、10、11、12月5个月未出现冰雹。

5 结论和讨论

利用1952—2007年长序列的雷暴观测资料和多普勒雷达回波资料，通过数理统计和小波分析，对常州雷电灾害发生的年代际、年际、季节、月际变化规律以及常州雷暴发生的周期性特征、雷达回波特征进行了分析，得出了以下结论：

(1) 56年里共出现1773个雷暴日，10年总雷暴日数平均为316.6d，10年总雷暴日数出现最多的是20世纪60年代，20世纪50年代和20世纪60年代，10年总雷暴日数均超过了平均水平，20世纪70年代起10年总雷暴日数均低于平均水平；出现最少的是2000年之后。雷暴日数年代际间差异显著。从趋势线可以看出，20世纪60年代之后雷暴总的变化趋势是逐渐减少的，减少趋势明显。

(2)雷暴年际变化很大，最大值为最小值的5.9倍。1960—1965年为雷暴最高发期，雷暴日数连续6年超过40d，1969—1971年为次高发期，连续3年均超过39d。

(3)从季节变化来看，四季出现的雷暴以夏季最多，占总雷暴日数的66.8%。

(4)从各月雷暴出现频数来看，雷暴集中出现在4—9月，其中7、8月为雷暴高发月。

(5)常州雷暴初期为1月1日；雷暴终日为12月31日(出现了连续两天雷暴)。雷暴初日出现在2月的有10年，终日出现在11月的有7年，大多数年份初日出现在3月，共有33年。大多数终日出现在9月，共有29年。

(6)日分布来看，雷暴傍晚出现次数最多，其次为下午，再次为上半夜，最少出现的时间段是上午，仅有2次。

(7)常州年雷暴日数分布主要表现为12a(年代际)时间尺度上存在正负闭合中心交替的特征，12a震荡周期贯穿在整个56年里；在1952—1984年存在着非常明显7~8a的次周期特征，1984—2004年表现为6~7a的周期；1968—2007年还存在3~4a的小周期特征。

(8)常州雷暴出现时的雷达回波基本反射率均在30~65dBz之间，回波顶高在6~17km；普通雷暴一般在35~50dBz，回波顶高在6~10km；强雷暴雷达回波基本反射率均在55~65dBz之间，回波顶高在10~17km；出现冰雹时回波强度大于55dBz，高度大于12km。

(9)常州雷暴雷达回波移向主要有五种：西南东北向、东南西北向、西北东南向、旋转、局地生成(自生自灭)。

另外对1952—2007年常州雷雨大风和冰雹进行了统计分析，结果表明：

(a) 56年里共出现雷雨大风150d，年平均为2.68d；1960年代出现雷雨大风最多，其次为1970年代和2000年后，最少出现的是1990年代；7月为雷雨大风最高发月，占72.7%，因此7月应特别注意雷雨大风的出现。

(b) 56年里共出现冰雹27d，年平均为0.48d。5月和7月为冰雹最高发月，因此5月和7月应特别注意冰雹的出现。

本文对常州1952—2007年雷暴发生的气候特征和多普勒雷达回波特点进行了初步分析，对雷暴发生的天气系统及影响因子的分析，找出常州雷暴发生的界定指标，完善雷暴的预报预警将是进一步研究的重点。