Analysis of Lightning Climatic Characteristics in Hong Kong
庞焕华① PANG Huan-hua；韩仕强② HAN Shi-qiang；陆金凤① LU Jin-feng
（①柳州市气象局，柳州 545002；②行唐县气象局，石家庄 050600）
（①Liuzhou Meteorological Bureau，Liuzhou 545002，China；②Xingtang County Meteorological Bureau，Shijiazhuang 050600，China）
摘要：采用香港1947~2013年的闪电资料分析该地区近67a的闪电气候特征，得出香港的年平均闪电日数为45.5d，总体有逐年增多的趋势，且存在22~32a、10~17a、3~5a三类时间尺度周期。其中，大时间尺度周期变化最明显但有局部性，中时间尺度周期在1970~1990年变化较弱，小时间尺度几乎占据整个研究时域。月平均闪电日数主要集中在4~9月，占全年总数的92.35%。
Abstract: Using lightning data from 1947 to 2013 in Hong Kong to analyze the lightning climate characteristics of the region in the past 67 years, it is concluded that the annual average lightning day in Hong Kong is 45.5d, and the overall trend is increasing year by year, and there are 22~32a, 10~17a, 3~ 5a three types of time scale periods. Among them, the large time scale period change is the most obvious but local, the medium time scale period is weaker from 1970 to 1990, and the small time scale almost occupies the entire research time domain. The monthly average lightning days are mainly concentrated in April to September, accounting for 92.35% of the total.
关键词：闪电日数；气候特征；趋势变化；小波分析
Key words: lightning days；climatic characteristics；trend change；wavelet analysis
中图分类号：P427.32 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0269-03
0 引言
香港地处亚洲大陆南缘华南沿岸，地形丘陵起伏，地势北高南低，受热带气旋、季风槽等重要天气的影响，雷暴活动频繁[1]。香港作为我国的特别行政区，高楼林立，人口密集，经济发达，拥有众多经济金融服务设施，一旦出现雷击事故，将会造成巨大的经济损失和社会影响。研究和分析香港地区的雷电活动，对提高香港的雷电灾害防御能力，有效开展防雷减灾工作尤为重要。
从1947年开始，香港气象部门将雷电纳入常规观测，限于当时的技术条件，仅限于人工对雷暴日和闪电日的记录。2005年，覆盖珠江三角洲的闪电定位网络由香港天文台、广东省气象局和澳门地球物理暨气象局合作建立并于2006年启用[2]。禹继等对粤港澳闪电定位系统2007~2011年期间和2012年升级后的闪电探测效率评估得出该系统对真实闪电事件的探测效率分别为74％和97％[3]，李家启、陈星宇等分别通过重庆市和山东省闪电定位系统与人工观测雷暴日对比分析得出系统监测的数据远大于人工观测的雷暴日数[4][5]。与单纯的人工统计相比，闪电定位系统得到的数据更为精准，但由于我国闪电定位仪投入使用的年限较短，不能有效体现雷暴长期的气候特征。因此，我国学者大多使用气象台站几十年以上统计的雷暴日数分析雷暴活动特征，易燕明、覃卫坚、黄翠珍等人分别对广东省、广西区和来宾市的雷暴活动特征进行研究[6]-[8]，也有国外学者Changnon等利用86个台站100年的雷暴观测资料研究美国雷暴的活动，结果表明大部分地区雷暴活动在年际变化上都呈现逐年减少的趋势[9]。本文通过香港地区1947年至今人工观测的闪电日数、雷暴日数和2006年至今闪电定位系统所得的数据对比，发现三者的年际变化趋势基本一致，人工观测的数据均比系统所得的数据偏少，但闪电日数比雷暴日数更高且更贴近于系统所得的数据。因此，在后面的分析中，我们选用香港天文台[10]统计的近67a的闪电日数作为研究对象，对香港地区的闪电活动进行综合分析，探究闪电活动的气候变化，为该地区雷电防护、监测预警、气候分析提供一定的科学依据。
1 年平均闪电日数特征分析
1.1 闪电日数年际变化趋势
图1为香港地区1947年至2013年每年闪电日数的变化趋势图。从折线图可以看出年闪电日数总是处于振荡状态，几乎没有连续三年一直递增或递减的情况，呈现出小的周期波动。通过使用底纹辅助线可以看出，除去1947年的33d、1950年的71d、1963年的30d等个别年份外，每年大部分的闪电日数都在40~60d的范围内，经过计算，平均每年的闪电日数为49.5d，即一年中大约会有50d发生闪电。图中的细直线为一次项线性拟合趋势线，从中可以看出，虽然每年的闪电日数在50d附近波动，但是总体来看年闪电日数有逐年增多的趋势，平均每5a增加一个闪电日。而吴安坤等对通过近60年香港地区雷暴日数变化特征分析也表明香港的雷暴活动以1.74d/10a的趋势随年际增长[11]。
为了使拟合结果更加趋近原始数据，经五次项拟合，结果为y=9E-07x5-0.0002x4+0.0104x3-0.2728x2+2.5245x+42.891，如图1黑色曲线所示，年闪电日数随着年份呈波浪式上升的周期变化。我们可以猜测年闪电日数会每隔几年上升，又会每隔几年下降，具有周期变化性。为了能够更加清楚说明这一问题，下面运用小波理论对年闪电日数作进一步的研究。
1.2 小波理论研究年闪电日数
小波系数实部等值线图能反映年闪电日数不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而判断在不同时间尺度上，闪电日数的未来变化趋势[12]。当小波系数实部值为正时，代表当年闪电日数较多，用实线绘出，正值中心用H表示；为负时，表示当年闪电日数较少，用虚线绘出，负值中心用L表示，如图2。从图2可以看出，年闪电日数变化存在多时间尺度特征，总体上有三类时间尺度的周期变化。其中，最大的尺度周期在22~32a间，存在准4次年闪电日数多与少的交替变化。1980年前，有10~17a的稳定尺度周期，存在准4次震荡；1980年后，这一尺度周期略微变长至12~20a，且稳定性较差，至近年来又有所恢复，存在3次周期变换。同时，在低尺度范围内，还存在3~5a的小尺度变换周期，实际表现为图1中每两三年的起伏波动，3~5a尺度周期变化在整个分析时段中表现得非常稳定，具有全域性。
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小波系数的模方相当于小波能量谱，它反映出不同时间尺度周期的震荡能量[12]。由图3可以看出，25~32a时间尺度的周期最显著、能量最强，但其周期变化具有局部性（1980年前）；10~17a时间尺度则存在真空期（1970~1990年变化较弱）；而小尺度范围内周期分布比较明显，几乎占据整个研究时域（1961~2004年）。
2 月平均闪电日数特征分析
2.1 闪电日数月频变化
图4为香港地区1947~2013年平均每月闪电日数的分布情况。图中，月平均闪电日数的折线形状类似于钟形结构，主要集中出现在4月到9月之间，占全年总闪电日数的92.35％，但是可以很明显的看到7月处于低谷状态，月平均闪电日数均低于6月和8月，可见7月的闪电活动出现畸变。根据统计结果，8月份处于闪电日数的最高值，从8月向两边月份的递减趋势则有不同，从8月至1月降幅较缓，而8月至12月降幅陡峭，说明从春季到盛夏8月闪电日数是缓慢增加的，而8月过后闪电日数急剧减少，逐渐趋近于0。这意味着香港的闪电到来的时候比较缓慢，而消失的很快。
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2.2 七、八月闪电日数年际变化趋势
图5为香港地区1947~2013年7、8月闪电日数的年变化情况。7月和8月闪电日数也呈现了随年份增多的趋势，相对而言，7月的增速要略大于8月，随着年份的变化，两者的差距在不断缩小。另外，与上一年度相比，7月和8月的闪电日数大部分呈现此消彼长的趋势——若7月同比上升则8月同比下降。
3 结论和讨论
①香港年闪电日数总是处于波动的状态，1947年至2013年平均每年的闪电日数为49.5d；一次线性回归方程拟合得出闪电日数随年份有逐渐增加的趋势，平均每5a增加一个闪电日。
②通过五次项拟合和小波分析，香港年闪电日数存在一定的周期性，主要有22~32a、10~17a、3~5a三类时间尺度周期。其中对年闪电日数影响最大的尺度为22~32a，平均周期约为20a，在1980~2010s期间周期影响稍弱；10~17a时间尺度在1970~1990s年周期变化较弱；而3~5a尺度周期几乎占据整个研究时域。根据规律推测，未来几年香港的年闪电日数整体仍是上升趋势，两三年内相对于2013年有所波动下降。
③香港平均每年的闪电日数主要集中在4~9月，占总闪电日数的92.35%，以8月份最高，除了7月份存在畸变情况（闪电日数低于6月和8月）之外，1~8月闪电日数增长较缓，8~12月闪电日数衰减较快。7月份和8月份的闪电日数也呈现随年份增多的趋势，相对而言，7月份的增速要略大于8月份，随着年份增加，两者之间的差距在不断逼近。
另外，限于闪电定位系统投入使用年限较短，不能很好地分析闪电活动的气候特征，用人工统计的闪电日数作为基本数据与实际值有一定的误差，但总体趋势相近，可以作为一种研究参考。虽然结果显示香港的闪电日数一直处于增长的状态，但实际上闪电日数并不可能永远增长下去，因此需要一种能够结合两者的优点方法来预测闪电日数的变化情况。
参考文献：
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[11]吴安坤，周龙．近60年香港地区雷暴日数变化特征分析[J]．科技经济市场，2012，10（1）：8-11．
[12]向杰，程昌明．小波分析在时间序列中的分析应用[J]．节水灌溉，2013，138（12）：55-57． |
