1980—2018年青海高原冰雹分布特征及其关键影响因素分析*

冯晓莉 马占良 管 琴 刘彩红

1 青海省气候中心,西宁 810001 2 青海省气象台,西宁 810001

提 要： 基于青海高原50个地面气象观测站点1980—2018年的观测数据，结合欧洲中心ERA-Interim再分析资料，利用线性倾向估计、皮尔逊相关分析以及概率密度分布等方法，揭示青海高原降雹频次、大小、持续时间的时空分布特征，以及海拔高度、特殊层高度和气温变化对冰雹分布特征的影响。结果表明：近39年来，青海高原年降雹次数总体表现为显著减少趋势，进入21世纪后减少尤为明显，6—7月冰雹高发且减少速率为年内最快，平均单次降雹持续时间亦呈显著减少趋势，20世纪90年代中后期开始，较大冰雹发生概率明显增大；空间分布上，南部高海拔地区为冰雹高发区，降雹持续时间也较长，大冰雹落区主要在冰雹次数较少的东部低海拔地区；直径介于3～5 mm以及持续时长在2～3 min左右的降雹频率最高；较低的0℃和-20℃ 层高度有利于冰雹生成并且延长降雹持续时间，较高的0℃和-20℃层高度对支撑空中冰雹的碰并增长具有重要作用；降雹频次和降雹持续时间显著减少不仅与0℃和-20℃层高度上升有关，还与平均气温显著升高、气温日较差减小密切相关。

引 言

在气候研究领域中，作为最重要的大气清洁机制的降水(雨、雪、冰雹等)一直以来备受关注。冰雹是对流云中产生的球状或不规则冰块形式的降水，由于其突发性强、生命史短，一旦发生往往造成较严重的雹灾，对农牧业生产、人类生活和生态系统带来严重影响(王静爱等，1999；王文宇和王静爱，2001；董安祥和张强，2004；赵金涛等，2015)。

青海高原地处青藏高原东北部，占青藏高原面积的三分之一，是生态环境脆弱带和气候变化敏感区，气候变化的微小波动都有可能对该地区脆弱的生态系统造成影响(常国刚等，2005；孙鸿烈等, 2012)。高原境内地形、地貌复杂，高山、谷地、盆地交错，沟壑相连，局地强对流天气频繁发生，冰雹作为高原的主要气象灾害，已成为影响当地经济发展的重要因素(刘彦忠等，2006；高懋芳和邱建军，2011)。据《中国气象灾害大典·青海卷》(温克刚和王莘，2007)记载，1971年7—8月，东部农业区、海北、海南多次遭受雹灾，受灾面积达3.7万ha，其中8月31日贵南雹灾，冰雹直径为4～8 cm，打死牲畜19头，打伤484人；2013年8月10日，青海高原境内多地出现冰雹灾害，其中乐都县两镇油菜籽、小麦全部绝收(李万志和戴升，2014)。因此，加强对该地区冰雹气候特征的研究，对于加深灾害性天气的理解和做好冰雹灾害防御工作具有重要的科学意义和现实意义。

过去几十年关于冰雹气候特征的研究主要从冰雹日数的角度出发，研究发现，青藏高原是我国冰雹灾害的频发区，夏季是集中高发期，20世纪80年代末以来青藏高原中东部冰雹呈显著下降趋势(李照荣等，2005；金晓中和贡觉顿珠，2007；张芳华和高辉，2008；Xie et al，2008；符琳等，2011；黄玉霞等，2017；Li et al，2018)。也有学者对青海高原的冰雹发生频次及时空分布进行了较为详细的研究，结果表明冰雹高发区主要在青海南部牧区(简称青南牧区)、环青海湖地区(简称环湖湖区)，以及东部农业区，低值区出现在柴达木盆地(赵仕雄和李正贵，1991；张国庆和刘蓓，2006；刘彩红等，2012；朱平等，2019；马晓玲等，2020)。由于资料限制，关于冰雹大小和降雹持续时间的研究甚少。随着长时间序列冰雹资料的积累，以及人们对于系统了解青海高原冰雹气候特征的迫切需要，现在有必要全面了解该地区冰雹频次、大小、持续时间的时空分布特征，这对开展防雹、消雹作业以及冰雹灾害防御规划均具有十分重要的意义。

近几十年来，不少学者在区域性冰雹的天气形势和物理量参数分析等方面取得了一系列成果，但研究领域一直以来偏重于冰雹天气学特征和形成机制，大部分都是从个例角度出发(李厚楹和孙承旬，1996；赵丽萍，1997；保广裕等，2003；康凤琴等，2004；苏永玲等，2018；王莎等，2019；张小娟等，2019)。另外，由于地理条件复杂，这些对流参数与冰雹之间的相关性仍然存在很大的不确定性(孙继松等，2006；樊李苗和俞小鼎，2013；曹艳察等，2018)。因此，了解冰雹气候特征，开展冰雹时空分布特征影响因子的研究，为做好冰雹预报预警工作打下基础。

鉴于此，本文利用1980—2018年青海高原50个地面气象观测站点的逐日观测资料以及欧洲中心ERA-Interim再分析资料，揭示降雹频次、大小、持续时间的时空分布特征，从不同海拔范围、特殊层高度以及气温变化的角度探讨冰雹分布特征的可能影响因素，以期为青海高原冰雹灾害防御工作提供科学的参考依据。

1 资料和方法

本研究选取青海高原50个地面气象台站(31°～39°N、89°～104°E，海拔高度为1 700～6 681 m；图1)1980—2018年逐日观测资料，包括降雹频次、降雹持续时间、冰雹直径以及平均气温、最高气温和最低气温等资料，该数据均进行了严格检查和质量控制。根据青海省《地面气象记录月报表》A文件，整理出50个站点的降雹记录共11 413条，其中包括10 884条降雹持续时间和10 602条冰雹最大直径。

图1 青海高原地形及气象站点的空间分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations and topography in Qinghai Plateau

再分析资料来源于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)，本文的ERA-Interim数据分别选取了500和700 hPa两个规定气压层上的逐月平均气温和位势高度，时间选取范围为1980—2018年，空间分辨率为0.75°×0.75°，该资料在中国有关温度、降水、水汽以及云特性等的可靠性已通过卫星资料、站点观测等方式的验证(赵天保和符淙斌，2009；谢潇等，2011；李瑞青等，2012；白磊等，2013)。

本文主要采用线性倾向估计的方法研究气象要素在时间变化中升降的定量程度，并对其进行统计检验(施能等，1995)；利用皮尔逊相关分析方法探讨冰雹频次、直径、持续时间与气温、海拔、特殊层高度之间的关系(魏凤英，1999)；用ArcGIS绘制气象要素均值的空间分布图。0℃和-20℃层高度的计算公式如下(赵爱芳等，2013)：

式中：Hi为0℃或-20℃层高度(单位：m)，下标i代表0℃或-20℃层，Hij和Hik分别代表0℃或-20℃层所在位置的上下两个标准气压层高度(单位：m)，Tij和Tik分别为0℃或-20℃层所在位置的上下两个标准气压层的温度(单位：℃)，Ti为0℃或-20℃层的温度。本研究中0℃或-20℃高度特指距地面的高度，因此在统计研究时对其进行了一定处理，减去了站点本身的海拔。

2 结果分析

2.1 时空分布特征

1980—2018年，青海高原平均年雹次数总体表现为显著减少趋势，倾向率为-1.6次·(10 a)-1，通过0.001的显著性水平检验(P<0.001)，尤其是2000年以来减少最明显。与1980—1999年平均值相比，2000—2018年平均年雹次数偏少3.2次，其中1983年为近39年来最多，达10.7次，2018年达到最低值，仅为2.3次(图2a)。降雹频次的年际变化特征也体现在各月降雹频次的变化中(图3)，5—9月各月降雹频次呈显著减少趋势(P<0.001)，倾向率为-0.5～-0.2次·(10 a)-1，其中7月减少最明显，6月次之，5月减速相对较慢。由图2b可知，1980—2018年，青海高原平均单次冰雹直径呈微弱减小趋势，倾向率为-0.1 mm·(10 a)-1，1998年后变率明显加大，2008年和2014年达历史最小值(4.4 mm)，2000年达历史最大值(6.5 mm)。近39年来，青海高原平均单次降雹持续时间呈显著下降趋势(P<0.001)，倾向率为-0.5 min·(10 a)-1，2000—2018年平均单次降雹持续时间较1980—1999年缩减1.0 min，其中1986年为历史最长(8.9 min)，2018年达到历史最低值(5.4 min)。降雹频次的年变化如图3所示，可以看出，11月至次年3月为无雹时段，4月、10月偶有出现，5月较少，6—9月为冰雹高发期，其中6月最多，7月开始逐渐减少。降雹频次的这种季节分布原因可能是春末夏初地面太阳辐射增强，近地层大气不稳定，加之过渡季节冷暖空气活动频繁，易造成较多的冰雹天气，而在9月以后，随着太阳辐射减弱和西太平洋副热带高压东退，大气层结逐渐趋于稳定，冰雹频次迅速减少。

图2 1980—2018年青海高原(a)降雹频次、(b)平均单次冰雹直径、(c)平均单次降雹持续时间的年际变化 (P为显著性检验水平，下同)Fig.2 The interannual variations of (a) hail frequency, (b) mean single-time hail diameter, (c) mean single-time hail duration in Qinghai Plateau during 1980-2018 (P is for significant level, the same below)

图3 1980—2018年青海高原(a)各月降雹频次的年际变化、(b)各月平均 降雹频次(柱型)及其倾向率(黑色曲线)Fig.3 The interannual variations of (a) hail frequency and (b) monthly mean hail frequency (column) and their linear trends (black curve) in Qinghai Plateau during 1980-2018

从青海高原各地历年平均年降雹次数的空间分布来看(图4a)，降雹次数较少的地区主要位于高原西北部的柴达木盆地、东部农业区大部以及环青海湖部分地区，年均降雹次数为0.3～5.0次，特别是这些地区的沙漠、盆地、河谷地区，年均不足3次；年均在5次以上的地区主要集中在青南牧区、环湖区的野牛沟、海晏、刚察以及东部农业区的大通、化隆等地，青南牧区最多，年雹次数达10次以上。青海高原各地平均单次冰雹直径介于2.8～12.8 mm，东部农业区大部、柴达木盆地的小灶火、乌兰以及环湖区的天峻在6.0 mm以上，民和直径最大(图4b)。青海高原平均单次降雹持续时间分布不均(图4c)，各地平均单次降雹持续时间为3.8～10.7 min，其中6.0 min以下的冰雹主要分布在东部农业区大部、柴达木盆地的格尔木和诺木洪、环湖区的门源、共和以及西南部的玉树等地，省内其余大部地区在6.0 min以上，刚察降雹持续时间最长。不难看出，降雹次数较多、持续时间较长的站点主要集中在南部高海拔地区，东部低海拔地区冰雹较少、持续时间也较短，但低海拔处冰雹直径较南部高海拔地区大。

图4 1980—2018年青海高原(a)平均年降雹次数(单位：次·a-1)、(b)平均单次冰雹直径(单位：mm)、 (c)平均单次降雹持续时间(单位：min)的空间分布Fig.4 Spatial distributions of (a) the mean annual hail frequency (unit: times·a-1), (b) the mean single-time hail diameter (unit: mm) and (c) the mean single-time hail duration (unit: min) in Qinghai Plateau during 1980-2018

2.2 影响因素分析

2.2.1 不同海拔范围内冰雹分布差异性

前文分析表明海拔对冰雹的形成、发展、持续等具有重要影响，这里进一步分析不同海拔范围内年降雹次数、冰雹直径、降雹持续时间的差异性，如图5 所示。年降雹次数的中位数随着海拔的升高呈增加趋势，尤其是3.2 km以上年降雹次数增加明显；3.2～3.9和3.9～4.6 km海拔带内年降雹次数的箱体较长，表明海拔越高，降雹频次的波动越大；3.9 km以上年降雹次数的波峰值在13次左右，3.2～3.9 km海拔带内峰值为5次左右，较低海拔处波峰值为3次左右(图5a)。不同海拔范围内冰雹直径的中位数差别不大，总体呈微弱减小趋势，1.8～2.5 km海拔带内冰雹直径的箱体较长，表明海拔越低，冰雹直径的波动越大；不同海拔带内冰雹直径峰值介于3～5 mm，1.8～2.5 km海拔范围内冰雹直径波峰值在5 mm左右，2.5 km以上出现3 mm 冰雹的概率最大(图5b)。不同海拔带内降雹持续时间的中位数呈微弱增加趋势，降雹持续时间的箱体也随海拔的升高而变长，表明海拔越高，降雹持续时间的波动越大，所有冰雹事件中，降雹持续时间在2～3 min左右的概率最大(图5c)。

图5 1980—2018年青海高原不同海拔范围内(a)年降雹次数、(b)冰雹直径、(c)降雹持续时间的小提琴图 (箱图代表每个间隔内的最大值、最小值、75%和25%分位数以及中位数，灰色阴影区域代表概率密度分布)Fig.5 Violin plots for (a) the annual hail frequency, (b) hail diameter and (c) hail duration at different elevation intervals in Qinghai Plateau during 1980-2018 (Boxes represent the maximum, minimum, 75%, 25%, median of the data in each intervals; gray shaded areas represent the probabilities of samples)

2.2.2 特殊层高度特征

冰雹的发生离不开深厚对流的发展，当不稳定能量迅猛释放时，有时降雹，有时不产生冰雹，这与特殊层高度有关，冰雹需要适当的0℃和-20℃层高度，它影响着降水相态的转化以及冰雹下落融化的空间距离(周嵬等，2005)。从1980—2018年5—9月青海高原平均0℃和-20℃层高度的时间序列可以看出(图6)，近39年来，0℃和-20℃层高度均呈显著升高趋势(P<0.001)，上升速率分别为44.1和73.0 m·(10 a)-1，这与黄小燕等(2017)的研究结果相吻合。通过比较可以看出，近39年来，青海高原平均年降雹次数、平均单次降雹持续时间与0℃和-20℃层高度的时间序列呈反相变化，即降雹频次减少、降雹持续时间缩短对应特殊层高度上升，其负相关系数达-0.5，通过0.01的显著性水平检验。

图6 1980—2018年5—9月青海高原平均(a)0℃和(b)-20℃层高度的年际变化Fig.6 The interannual variations of the mean (a) 0℃ and (b) -20℃ isotherm heights in Qinghai Plateau from May to September during 1980-2018

整体而言，青海高原1980—2018年5—9月平均0℃和-20℃层高度分别为1 640和4 788 m，青南牧区大部0℃层高度在2 000 m以下，东部农业区、柴达木盆地中部0℃层高度在2 000 m以上(图7a)；各地-20℃层高度为3 792～6 030 m，青南牧区部分地区、柴达木盆地西北缘以及环湖区西北部-20℃层高度较低，东部农业区大部在5 200 m以上(图7b)。不难看出，0℃和-20℃层较低的地区冰雹频发且持续时间长，东部农业区0℃和-20℃ 层高度最高，该地区冰雹直径也较大。从青海高原50个气象观测站点1980—2018年平均年降雹频次、平均单次冰雹直径、平均单次降雹持续时间与5—9月平均0℃、-20℃层高度的散点相关图可以看出(图8)，冰雹高发区的0℃和-20℃平均高度分别为200～1 500和3 500～5 200 m，特殊层高度在这一区间内的降雹持续时间也较长；0℃、-20℃层平均高度分别在2 000、5 000 m以上的地区则更容易出现较大直径的冰雹。

图7 青海高原1980—2018年5—9月平均(a)0℃和(b)-20℃层高度的空间分布Fig.7 Spatial distributions of the mean (a) 0℃ and (b) -20℃ isotherm heights in Qinghai Plateau from May to September during 1980-2018

图8 1980—2018年青海高原50个气象站点(a)平均年降雹频次、(b)平均单次冰雹直径、 (c)平均单次降雹持续时间与5—9月平均0℃和-20℃层高度的散点相关图Fig.8 Scatter correlation diagrams between (a) the mean annual hail frequency, (b) mean single-time hail diameter, (c) mean single-time hail duration and the mean 0℃ and -20℃ isotherm heights for 50 meteorological stations in Qinghai Plateau from May to September during 1980-2018

从理论上讲，青海高原太阳辐射强，感热输送强，温度垂直递减率大，对流发展旺盛，较低的0℃层和-20℃层高度使对流系统更容易穿过，有利于冰雹生成，而且冰雹持续时间也较长。另一方面，0℃层高度越低，冰雹融化空间距离越小，地面观测到冰雹的可能性越大。在东部低海拔地区，较高的-20℃层高度使冰雹反复升降并与云雨滴反复碰并增长，它决定着对流风暴内雹胚能否增长为较大冰雹，所以-20℃层高度是影响冰雹增长的重要因素。

2.2.3 冰雹与气温变化的联系

王芝兰等(2011)研究指出，在地形不变的条件下，气候变暖可能造成大气环流和下垫面性质发生变化，从而改变区域水汽条件、层结稳定度和抬升力大小，因此温度的变化是冰雹发生的重要影响因子之一。气温日较差与冰雹的发生也密切相关(孔锋等，2018；加勇次成等，2019)。鉴于此，下面进一步分析平均气温、气温日较差与冰雹之间的相关性。

1981—2018年，青海高原5—9月平均气温增温率为0.52℃·(10 a)-1，同时段内平均最低气温的线性增温率达0.65℃·(10 a)-1，高于平均最高气温的增幅0.48℃·(10 a)-1，均通过0.001的显著性水平检验，气温变化的非对称性特征使得气温日较差呈现显著的减小趋势，倾向率为-0.2℃·(10 a)-1(P<0.05)。相关分析表明，青海高原气温变化与年降雹频次、降雹持续时间具有高相关性，但与冰雹直径的相关性不显著，图9分别给出了经标准化处理后的青海高原年降雹频次、平均单次降雹持续时间与5—9月平均气温、平均气温日较差序列，可以看出，降雹频次与平均气温呈反位相变化，负相关系数达-0.78，通过0.01的显著性水平检验，气温日较差与降雹频次的相关不显著(图9a)；降雹持续时间与平均气温呈显著负相关性，而与气温日较差呈显著正相关性，相关系数分别为-0.58、0.51，均通过0.01 的显著性水平检验(图9b)。也就是说，青海高原降雹频次和持续时间的显著减少与平均气温显著升高、气温日较差显著减小密切相关，随着近地层气温的升高，中低层大气温度也在升高，从而引起0℃层高度上升，冰雹频次随之减少，而气温日较差小、对流活动相对偏弱，冰雹发生概率随之降低。

图9 1980—2018年青海高原(a)降雹频次、(b)平均单次降雹持续时间与 5—9月平均气温、平均气温日较差的标准化序列Fig.9 Standardized series of (a) hail frequency, (b) mean single-time hail duration, and mean May-September temperature and diurnal temperature range in Qinghai Plateau during 1980-2018

3 结论与讨论

本文利用青海高原50个地面气象观测站点1980—2018年的逐日观测数据和ERA-Interim高空资料，分析讨论了该地区冰雹的时空分布特征及其与海拔、特殊层高度以及气温变化的联系，主要结论如下：

(1)1980—2018年，青海高原平均年降雹次数总体表现为显著下降趋势，倾向率为-1.6次·(10 a)-1，尤其是2000年以来减少最明显。高原冰雹具有季节性强、集中分布的特点，受地面太阳辐射增强及冷暖空气活动影响，6—7月冰雹频发，9月随着西太平洋副热带高压东退及太阳辐射减弱，冰雹迅速减少；另外，冰雹高发的6月和7月也是近39年来冰雹减少最明显的月份。

(2)1980—2019年，青海高原平均单次降雹持续时间亦呈显著减少趋势，倾向率为-0.5 min·(10 a)-1；极端冰雹事件发生概率自20世纪90年代中后期开始增大。直径介于3～5 mm以及持续时长在2～3 min左右的降雹频率最高。

(3)空间分布上，青南牧区为冰雹频发区，环湖区次多，柴达木盆地和东部农业区最少；冰雹直径的空间分布表现出与年降雹次数相反的分布形式，大冰雹落区主要在冰雹次数少的地区，年降雹次数多的青南牧区冰雹直径普遍较小；降雹持续时间分布不均，总体表现为青南牧区降雹持续时间长、东部地区持续时间较短的特点。

(4)海拔对冰雹的形成、发展、持续等具有重要影响，1980—2018年青海高原年降雹次数和降雹持续时间随着海拔的升高而增加，冰雹直径随着海拔的升高而减小。近39年来，青海高原降雹频次和持续时间的显著减少与该区域平均气温显著升高、气温日较差显著减小以及0℃和-20℃层高度显著上升密切相关。随着近地层气温的升高，中低层大气温度也在升高，从而引起0℃和-20℃层高度上升，较高的0℃和-20℃层高度不利于冰雹生成和持续，但对支撑空中冰雹的增长具有重要作用，是影响冰雹大小的重要因素。

需要指出的是，冰雹是一种局地性较强的天气过程，由于资料限制，对于冰雹的分析研究还无法精细到乡镇。另外，影响冰雹时空分布特征的因子不仅仅包括本文所涉及的特殊层高度、海拔以及气温的变化，还需要结合更多源的资料和多种因素对冰雹的影响因子进行深入研究。