川西南山地冰雹灾害的时空特征

刘晓璐，张　元，刘建西

(四川省人工影响天气办公室，高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川　成都　610072)



川西南山地冰雹灾害的时空特征

刘晓璐，张元，刘建西

(四川省人工影响天气办公室，高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都610072)

摘要：利用川西南山地19个地面气象观测站1978～2014年的逐日观测资料，分析冰雹天气的时空分布特征。结果表明：川西南山地的冰雹日数空间分布差异较大，东北部与西北部冰雹日数最多，南部次之，中部最少；冰雹日数与海拔高度显著正相关；近37 a川西南山地冰雹日数总体呈减少趋势，冕宁减少趋势最为明显；冰雹日数春季最多，夏季次之，冬季最少；地理位置靠近和海拔高度相近的站点，降雹频率的月际变化特征相似。

关键词：冰雹；时空特征；川西南山地

引言

冰雹是一种固态降水物。一场强烈的降雹可以导致农作物毁种或绝收，尤其对烟草、棉花、水果等经济作物的损害更为严重。为适应社会经济发展需求，掌握降雹规律、提高人工防雹效益是摆在人工影响天气科技工作者面前的一项责任。研究冰雹发生的时空特征，是冰雹预报、预警和防雹、消雹作业的关键。

近年来，许多学者对我国各地冰雹的发生变化规律及分布特征进行过深入研究。如Zhang等[1-3]研究全国的冰雹时空分布，发现冰雹频发区主要集中在青藏高原，其次为北方地区；且近年来东北、华北、西北和青藏高原中东部地区降雹呈显著下降趋势。春季和秋季降雹频发，且降雹大多发生在午后至傍晚时段；李照荣等[4-6]研究我国西北地区降雹日数与雷暴、海拔高度的关系，发现冰雹随山脉走势呈带状分布，并探讨西北地区冰雹多发原因，给出冰雹的产生源地和移动路径；徐桂玉等[7]研究表明近40 a来我国南方冰雹总体上呈逐渐减小趋势；包云轩等[8-10]研究了中国东部及长江流域不同省份的降雹活动规律；王若升等[11-13]对甘肃省内不同地区的冰雹气候特征进行了分析；纪晓玲等[14-15]分析了宁夏的冰雹时空特征及影响降雹的天气环流形势；陶云等[16-17]对云南冰雹灾害的规律做了论述；叶彩华等[18]发现北京山区降雹多于城区，西北部尤其明显；廖向花等[19]总结重庆降雹路径，提出了防雹减灾对策；马鸿青等[20]发现河北保定降雹日数与海拔高度有显著正相关关系。

地理环境和气候环境差异造成各地降雹具有不同的特点。青藏高原是我国冰雹频发的区域，针对青藏高原西部、北部的冰雹时空特征研究较多，但针对青藏高原东部的冰雹研究相对较少。川西南山地位于青藏高原东部横断山系中段，地貌类型为中山峡谷。全区94%的面积为山地，且多为南北走向，两山夹一谷。中部的安宁河谷为平原，是四川省第二大平原，其特殊的气候特征和地理环境，成为四川省蔗糖基地、烤烟生产重点区和水果基地。川西南山地属于干湿季节分明的亚热带湿润季风气候，冰雹是该地区的主要气象灾害之一。

本文利用川西南山地19个地面气象观测站点1978～2014年共37 a逐日观测资料，对冰雹天气的时空分布特征进行分析，并探讨冰雹日数与海拔高度的关系。

1资料与方法

数据为1978～2014年四川省凉山彝族自治州和攀枝花市共19个地面气象观测站逐日观测资料。

某站点一天内有一次或多次降雹现象记为一个冰雹日，单站37 a累计冰雹日数为37 a内冰雹日数的总和，单站月累计冰雹日数为37 a内同一月份的冰雹日数总和。川西南山地37 a累计冰雹日数为37 a内川西南山地19个站点发生冰雹日数的总和，各年累计冰雹日数为川西南山地19个站点相同年份内发生冰雹日数的总和，各月累计冰雹日数为川西南山地19个站点相同月份内发生冰雹日数的总和。

采用回归分析方法[21-22]对川西南山地冰雹日数的气候特征进行研究，并且用相关分析探讨冰雹日数与海拔高度的关系。

2空间分布

2.1总体分布

从图1a看出，川西南山地冰雹的空间分布差异

显著，东北部凉山州的美姑、昭觉和布拖是37 a中累计冰雹日数最多的站点，达到56 d；其次是北部的冕宁与西北部的木里，分别达到55 d和52 d。中部的宁南、普格、德昌、盐源以及南部的盐边降雹日数均不超过20 d；南部的会理、会东分别为32 d和27 d。总体看来川西南山地近37 a累计冰雹日数呈现东北及西北部为高值中心、中部为低值带、南部为次高值中心的空间分布形态。

从图1b川西南山地19个站点的海拔高度可以看出，东北部的昭觉、布拖海拔超过2 000 m，西部的木里与盐源海拔超过2 400 m，中部的宁南、普格、德昌、米易海拔在995～1 429 m之间，南部的会东、会理海拔为1 696～1 789 m。除西部稍有差别外，川西南山地37 a累计冰雹日数的分布与19个站点的海拔高度分布非常相似。通过单站37 a累计冰雹日数与单站海拔高度的相关性计算，得出相关系数为0.69，且通过99%的信度检验。由此可见，单站37 a累计冰雹日数与单站海拔高度呈显著正相关。

图1　川西南山地1978～2014年累计冰雹日数(单位：d)(a)和海拔高度(单位：m)(b)空间分布

2.2不同强度冰雹分布

直接由冰雹致灾的因素主要有3个，即雹块大小、降雹持续时间长短及地面积雹厚度[23]。雹块大小可以直接表示冰雹破坏力的强弱，是冰雹致灾的主要原因，也是描述冰雹灾害程度的常用依据。根据冰雹等级的国家标准[24]，用D表示冰雹直径，当D<5 mm时为小冰雹，当5 mm≤D<20 mm时为中冰雹，20 mm≤D<50 mm时为大冰雹，当D≥50 mm时为特大冰雹。地面积雹厚度可估计降雹造成的冻害程度，它与降雹强度和持续时间长短关系密切，一般来讲，持续时间越长，地面积雹越厚。由于气象站仅记录冰雹直径与降雹持续时间，因此本文以冰雹直径与降雹持续时间作为致灾因素，对川西南山地的降雹情况进行分析。

从图2a可以看出川西南山地冰雹直径为5 mm的降雹频率最高，超过16%。冰雹直径≤5 mm的降雹频率占51%。直径超过20 mm的降雹非常少，仅占3%。

降雹持续时间长短是决定冰雹灾害程度是否加重的原因之一。在同一地点，一般降雹持续时间只有1～3 min，持续时间超过5 min较为少见，而超过20 min、甚至长达30 min以上的降雹则十分罕见。降雹持续时间长，致使雹灾加重，一是单位面积上雹块的数量明显增加；二是长时间的雹块反复砸击，会使承灾体受损逐渐加重。由图2b看出持续时长为2 min的降雹频率最高，超过16%，持续时间<5 min的降雹频率占61%，超过5 min的降雹频率均<10%，持续时间超过20 min的降雹非常少，仅占5%。文中用T表示降雹持续时间，定义当T<5 min时为短时降雹，当5 min≤T<20 min时为中时降雹，T≥20 min时为长时降雹。

由图3可见，小冰雹日数近37 a昭觉、布拖站呈现一个高值中心，最多的站是布拖(30 d)；中部的宁南、普格、德昌、盐源以及南部的盐边、米易降雹日数少；南部以会东为中心出现一个高值中心。中冰雹日数近37 a北部有2个高值中心，分别是西北部以木里为中心的高值区，东北部以昭觉为中心的次高值区；中部的宁南、普格、德昌连成一条低值带；南部的会理、会东分别为26 d和14 d，呈现一个高值中心。大冰雹日数普遍少于小冰雹和中冰雹日数，北部的甘洛、冕宁、美姑近37 a发生日数均为2 d；喜德、昭觉、金阳、德昌、宁南、米易、会理为1 d；其余站点无大冰雹出现。

图2　降雹频率与冰雹直径(a)及降雹持续时长(b)的对应关系

图3　川西南山地1978～2014年小冰雹(a)、中冰雹(b)、大冰雹(c)、短时降雹(d)、

小冰雹与中冰雹日数的空间分布与37 a累计冰雹日数的空间分布相似，呈现中部少，北部、南部多的空间分布形态。分别与单站海拔高度做相关性分析，得到小冰雹日数与海拔高度相关系数为0.69，中冰雹与海拔高度相关系数为0.66，并且均通过了99%信度检验。可见，单站37 a小冰雹和中冰雹日数与单站海拔高度呈现显著正相关。

短时降雹日数与小冰雹日数的空间分布大致相同，最多站位于昭觉，共36 d，形成一个高值中心；中部的宁南、普格、德昌、盐源以及南部的米易、盐边降雹日数少，形成一低值带；南部以会东为中心出现一个高值带。中时降雹日数与中冰雹日数的空间分布大致相同，中时降雹日数最多站位于木里，为38 d，盐边最少仅1 d，北部2个高值中心，分别为西北部以木里为中心的高值区，东北部以美姑、昭觉为中心的次高值区；中部的宁南、普格、德昌、盐源的中时降雹日数少；南部的会理、会东分别为10 d和7 d，呈现一个高值中心。长时降雹日数美姑最多为5 d，其次为木里、盐源和布拖，分别为4 d、3 d、3 d，分别形成东北、西北2个冰雹日数高值中心。

同样分别与单站海拔高度做相关性分析，得到短时降雹日数与海拔高度相关系数为0.53，通过95%信度检验。中时降雹日数和长时降雹日数与海拔高度的相关系数分别为0.72、0.65，并且均通过99%信度检验。可见，单站近37 a长时降雹和中时降雹日数与单站海拔高度呈显著正相关。

3时间分布

3.1年际变化

川西南山地19个站点近37 a累计冰雹日数为445 d，平均每年12 d，其中冰雹日数最多的年份为1992年，达29 d；1982年次之，有25 d。冰雹日数最少的年为2010年，仅1 d；2014年的冰雹日数仅2 d，为雹日次少年份。

图4显示各年累计冰雹日数年际变化呈现波动下降趋势。1978年开始冰雹日数波动增加，1982年至波峰为25 d，之后逐年减少，到1986年减少到仅11 d，1986～1991年冰雹日数在10～16 d之间波动，1992年冰雹陡增至29 d，至1996年冰雹日数减至9 d，到1997年又陡增至22 d，1999年减至9 d，2000年陡增至17 d，2003年又减至6 d，到2005年是最后一个小波峰，冰雹日数达12 d，2010年降至1 d。由此可见，1990～2014年冰雹日数呈现波动减少的趋势。

图4　1978～2014年川西南山地

进一步通过一元线性回归模型，建立降雹日数y随时间x变化的一元回归方程：y=-0.45x+20.64，计算出的相关系数为-0.72，超过99%信度检验。由此可见，川西南山地近37 a各年累计冰雹日数的减少趋势显著。Xie等[25]探讨对流有效位能、凝结层高度和垂直风切变对中国冰雹的年际变化影响，指出降雹频率减小是凝结层高度增加的结果；符琳等[2]研究北方冰雹趋势的成因，发现大尺度环流的调整、局地垂直温度场结构的变化是影响降雹次数的重要原因，0 ℃层和-20 ℃层之间的距离缩短，即过冷水滴累积区距离缩短，不利于雹粒充分地碰并增长，导致北方降雹显著减少。随着地方人工影响天气事业的发展，特别是从1990年代初起，凉山州与攀枝花的防雹投入逐年增加，作业点数量与防雹作业量也逐步增加，降雹次数也随之减少。自然因素与人为因素是否对川西南山地冰雹显著下降有双重影响，原因有待进一步深入研究。

由表1可见，年际变化回归系数中，19个站点中有16个站点为负数，3个站点为正数。可见，冰雹总体呈减少趋势，其中冕宁的减少趋势最为显著，减少幅度最大，倾向率为-1.15 d/10 a。昭觉和木里的减少趋势分别为-0.8和-0.64 d/10 a，通过95%的信度检验。金阳、盐边和盐源的冰雹日数呈现上升趋势，由于上升趋势均<0.2 d/10 a，且均未通过90%的信度检验，因此可以忽略不计。

3.2月变化

川西南山地19个站点37 a累计冰雹日数为445 d，平均每月37 d，除春季的3月、4月、5月超过该平均值外，其余月份未超过。1月冰雹日数仅有4 d，4月则高达117 d，分别为冰雹日数的月最小值和最大值。4月、5月冰雹日数最多，分别占全年的26.3%、22.7%。1～4月冰雹日数逐月递增，4～12月呈现波动下降，12月冰雹日数低至11 d。

春季(3～5月)近37 a 冰雹日数276 d，占58.6%，夏季(6～8月)为81 d，占21.8%，秋季(9～11月)为63 d，占13.9%，冬季(12月至次年2月)仅发生25 d，占5.7%。可见，冰雹日数春季最多、夏季次之、冬季最少。

表1　川西南山地各站点冰雹日数年际变化

图5　川西南山地各月累计冰雹日数的月际变化

受不同天气系统影响，各月的降雹路径不尽相同，统计川西南山地的降雹路径发现，4月北部的降雹路径主要为由西向东，即以九龙—冕宁—越西—美姑为主，5月降雹路径主要为由北向南，即以甘洛—越西、越西—昭觉—布拖—普格、越西—喜德—昭觉为主。选取同一冰雹路径上地理位置靠近、海拔高度也相近的站点，分别计算各月累计降雹频数并且作对比分析，发现部分站点的月际变化形态具有一定的特点。

图6a中的冕宁、美姑海拔高度分别为1 775 m、1 945 m，且均位于川南山地的北部，37 a累计冰雹日数分别为55 d 、56 d 。两站的冰雹日数月际变化均为单峰型，波峰在4月，降雹频数均超过30%，美姑甚至达48%，5月降雹频数也超过30%，5～12月维持振荡波动；图6b中的喜德、昭觉海拔高度分别为1 819 m、2 134 m，37 a累计冰雹日数分别为32 d、56 d。两站冰雹日数均为单峰型，波峰在5月，降雹频数均超过35%，7～12月振荡波动，且均<10%；图6c中的会东、会理海拔高度分别为1 696 m、1 789 m，均位于川西南山地的南部，两站地理位置相距40 km，37 a累计冰雹日数分别为27 d、32 d。两站冰雹日数月际变化为双峰型，主波峰在5月，降雹频数超过21%，次波峰在3月，降雹频数约18%。

图6　典型站点降雹频数的月际变化

3.3日变化

川西南山地各站37 a来有时间记录的冰雹共计531次，平均每小时22次，14:00～22:00均超过该平均值，该时段总冰雹记录458次，占总次数的86.3%。全天各时段中除了04:00～06:00无冰雹记录外，其他时段均有降雹记录。降雹最多的时段为18:00～19:00，为101次，该时段内降雹次数占全天的19%。其次为19:00～20:00的79次及17:00～18:00的78次。06:00～13:00冰雹记录均少于5次，其中08:00～09:00最多为4次，12:00至次日02:00呈现单波峰形态，13：00开始陡然增加，至19：00达到波峰，19:00～21:00从79次陡降至35次，之后又逐步减少。

降雹主要发生在午后，午后由于太阳辐射、气温、气压等要素的变化，特别是18:00前后，太阳辐射减弱，近地层大气容易产生扰动不稳定，易产生中小尺度的强对流天气，雹云云体较易生成，降雹易发生，而午夜至早晨大气层结稳定，不易发生对流，很少降雹。

图7　1978～2014年川西南山地

1978～2014年冰雹直径最大的气象记录出现在1987年5月12日19:00的甘洛，直径为42 mm。由图8可见，大冰雹的降落时段为17:10至次日02:21，中冰雹的降落时段为10:06至次日03:20，小冰雹的降落时段为06:24至次日02:29。从发生时段谱宽上看，大冰雹为9 h，中冰雹为17 h，小冰雹为20 h，冰雹直径越大，降雹时段越窄，反之冰雹直径越小，降雹时段越宽。以19:00为时间中轴，越接近中轴出现大冰雹越多，反之越远离中轴大冰雹越少。随着冰雹直径减小，发生时段谱宽的范围扩大，呈现类似金字塔状的直径—时间谱分布。

由于地表的比热比大气的比热小，所以在白天地表升温快，地表向大气放热，而在日落以后，地面失去热源，温度下降比大气快，所以夜间一般大气温度高于地表温度，地表反而吸收大气里的热量。大气释放潜热，空气抬升水汽相变，大气对流加剧，同时空气中由于气温下降，饱和水汽压下降，水汽析出液态水增加，大冰雹的形成更加容易。

图8　1978～2014年川西南山地各时次的冰雹直径

4结论

(1)川西南山地的降雹空间分布与海拔高度呈显著正相关，冰雹主要分布在山脉、河谷地带，总体为东北部与西北部降雹最多，南部次之，中部最少。

(2)川西南山地冰雹直径≤5 mm的降暴日数占51%，直径超过20 mm的冰雹仅3%；降雹持续时间<5 min的约占61%，持续时间超过20 min的降雹仅5%。中冰雹与中时降雹的空间分布与总冰雹日数的空间分布最相似。

(3)川西南山地1978～2014年冰雹日数16个站点为减少趋势，冕宁的减少率最显著；3个站点为增加趋势，增加率均小于0.2 d/10 a，增加趋势不明显。

(4)川西南山地的降雹4月最多，5月次之，2个月冰雹日数总和占全年冰雹日数近一半，1月降雹最少。冰雹日数春季最多、夏季次之、冬季最少。在同一冰雹路径上，地理位置靠近和海拔高度相近的站点，有相似的冰雹频数月际变化特征。

(5)川西南山地的降雹多发生在13～23时，其中18～19时的降雹最多，而04～06时无降雹。19时左右强降雹频发，冰雹直径最大。

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Spatial-temporal Characteristics of Hail Disasters in the Southwest Mountain Region of Sichuan

LIU Xiaolu, ZHANG Yuan, LIU Jianxi

(SichuanWeatherModificationOffice,HeavyRainandDrought-FloodDisastersinPlateauandBasinKeyLaboratoryofSichuanProvince,Chengdu610072,China)

Abstract:Based on hail data from 19 meteorological stations in the southwest mountain region of Sichuan during 1978-2014, the spatial and temporal characteristics of hail days were studied.The results displayed that the spatial distribution of hail days was obviously different during 1978-2014 in the southwest mountain region of Sichuan, hail days occurred most in the northwest and northeast, less in the south and least in the middle area.The correlation between hail days and altitude was significantly positive. In the past 37 years, the annual hail days had decreasing trend, and decrease trend was the most significant in Mianning.The hail days were most in spring and least in winter. The accumulative hail days were most in April with 117 days during 1978-2014.There were similar inter-monthly variation for hail days in stations with neighbouring geographical position and similar altitudes.

Key words:hail; spatial-temporal characteristics; southwest mountain region of Sichuan

中图分类号：P456.3

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0075-07

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0075

作者简介：刘晓璐(1983-)，女，硕士，工程师，主要从事人工影响天气业务与科研工作.E-mail：suoyingchuang@163.com

基金项目：中国气象局新技术面上推广项目“人影作业指挥与信息收集平台技术开发与推广(CMATG2010M21 )”和“西南地区飞机作业调度模型的研究与应用(CMAGJ2015M51)”共同资助

收稿日期：2015-04-30；改回日期：2015-06-30

刘晓璐，张元，刘建西.川西南山地冰雹灾害的时空特征[J].干旱气象，2016，34(1)：75-81, [LIU Xiaolu, ZHANG Yuan, LIU Jianxi. Spatial-temporal Characteristics of Hail Disasters in the Southwest Mountain Region of Sichuan[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):75-81], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0075