青海省东部农业区近60 a降雹特征及其致灾危险性

林春英，王启花，李红梅，郭 强，侯永慧，周万福，张莉燕

（1. 青海省气象灾害防御技术中心，青海 西宁 810001；2. 青海省气候中心，青海 西宁 810001；3. 青海省西宁市气象局，青海 西宁 810003）

引 言

冰雹是由暖背景下强对流系统引发的一种破坏性极大的天气现象［1］，局地性强、持续时间短，瞬间会对农作物造成较大危害［2］，其致灾危害程度与降雹直径和持续时间等有关。不同区域每年都会发生不同程度的雹灾，掌握降雹分布特征及其致灾危险性，是冰雹预报、预警和人工防雹作业的关键。

降雹及其灾害的发生具有明显的地域性和季节特征。陆地夏季降雹发生频率较髙［3-4］，其中美国、俄罗斯和中国是降雹灾害较为严重的国家［5］。研究发现中国降雹日数1980年后显著下降，青藏高原、新疆天山地区、东北大小兴安岭和长白山地区、云贵高原及黄土高原山地区域是雹灾主要分布区［6-10］。随着人工防雹工作需求增大，降雹灾害风险评估与区划成为研究热点，致灾因子的危险性、承灾体的脆弱性和暴露度是灾害风险评估要素［11-12］，其中致灾危险性是灾害风险产生的直接诱因，是灾害风险评估的基础，而降雹直径和持续时间是衡量降雹灾害程度的重要因素［10］，研究表明降雹直径越大、持续时间越长，造成的灾害越大［10，13-16］，致灾危险越大。

1 资料与方法

1.1 观测数据

青海省东部农业区包括门源、大通、湟中、湟源、平安、乐都、互助、民和、循化、化隆、尖扎和同仁12个县（区），由于平安区1989年后才有降雹观测资料，为了保证数据分析的连续性，选取青海省气候中心提供的1961—2020 年除平安区外的其他11 个县（区）的降雹日、降雹直径和降雹持续时间等资料。

单站年累计降雹日数为年内发生降雹日数的总和；区域降雹直径为一年中区域内所有站点降雹直径之和除以降雹总次数，站点降雹直径为所有单次降雹直径之和除以降雹总次数；区域降雹持续时间是区域内站点所有降雹持续时间之和除以降雹总次数，站点降雹持续时间为各站点所有单次降雹时间之和除以降雹总次数。

1.2 方 法

1.2.1 滑动t检验

滑动t检验是考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变，序列是否出现过突变，依据t统计量曲线上的点是否超过tα值来判断，如出现突变，确定出大致的突变时间。具体公式［19］如下：

1.2.2 降雹指数

根据降雹直径和降雹持续时间计算降雹指数，降雹指数能较好地表征降雹灾害的实际情况［17］，具体计算公式如下：

式中：H是降雹指数；D（mm）是降雹直径；T（min）是降雹持续时间。

全社会共同参与是智慧城市建设是否能取得最大成效的关键点［3］。扬中市开展智慧城市建设以来，忽视宣传和推广工作，建设主体限定于政府和市场，市民参与度低，如此扬中市智慧城市建设将有脱离群众需求的风险，也就无法真正做到让市民享受智慧城市的便利。因此目前加大智慧城市推介力度，做好宣传推广工作，获取社会各界尤其是群众的参与和支持成为当务之急。

1.2.3 降雹致灾因子强度出现频率

不同等级降雹致灾因子（临界气象条件）强度出现频率［17］计算公式如下：式中：fi是第i级的降雹致灾因子强度出现频率，xi是在统计时段Y（a）内第i等级的降雹致灾因子强度出现次数，Y要求在30 a以上。

1.3 数据分析与整理

采用Microsoft Excel 2010 和Matlab 2016a 对降雹数据进行处理，利用Surfer11软件绘制降雹时空分布和致灾危险性区划图，用Origin2018绘制降雹日数年、月、日及降雹直径和降雹持续时间特征分布图。

文中涉及的青海省东部农业区县（区）行政边界基于青海省自然资源厅官网下载的审图号为青S（2018）004号的标准地图制作，底图无修改。

2 结果与分析

2.1 降雹空间分布特征

1961—2020 年青海东部农业区11 个气象站共有降雹记录2780 d，年平均降雹日数为46.33 d。从图1（a）可以看出，1961—2020 年各县（区）观测点降雹分布很不均匀，其中化隆县降雹次数最多，降雹日数高达549 d，其次为互助、门源和大通，降雹日数分别为398、393和362 d，尖扎降雹日数最少，仅为73 d。由此可知，青海省东部农业区西北部地区雹日较多，东南部地区降雹日较少，呈现出西北多东南少的区域分布特征。这是由于降雹云移动受对流层引导气流和地形走向影响，东部农业区山脉多呈西北—东南向［10］，地形对降雹影响较大。从各县（区）降雹日数变化趋势空间分布［图1（b）］看，东部农业区各县（区）降雹日数出现次数均呈显著减少趋势，倾向率为-0.24~-2.48 d·（10 a）-1。其中门源、互助、大通和化隆减少最明显，减少趋势通过α=0.001 的显著性检验；尖扎减少幅度最小，其倾向率为-0.28 d·（10 a）-1，通过α=0.05的显著性检验。综上所述，青海省东部农业区降雹日数总体呈明显减少趋势，降雹日数在空间分布上大体呈现为西北多东南少，高海拔地区降雹日数多于低海拔地区的分布特征。

图1 1961—2020年青海省东部农业区降雹日数（a，单位：d）及其变化趋势［b，单位：d·（10 a）-1］空间分布Fig.1 The spatial distribution of hail days（a，Unit：mm）and its tendency rate（b，Unit：d·（10 a）-1）in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.2 降雹日数随海拔变化

降雹的出现不仅与天气系统有关，而且受地形和地貌影响很大。研究表明，多雹区位于海拔较高、地形复杂的山区［20-26］。图2 为1961—2020 年青海省东部农业区不同海拔范围内年降雹日数的箱线图。可以看出，1800~2100 m 海拔带内年降雹日数平均1.51 d，最大值为5 d；2100~2400 m海拔带内年降雹日数平均4.55 d，最大为10 d；2400~2700 m海拔带内年降雹日数平均5 d，最大值为14 d；2700~3000 m 海拔带内年降雹日数平均7.86 d，最大值为18 d，且2700~3000 m 海拔带内年降雹日数箱体较长，说明东部农业区站点海拔越高，降雹次数波动越大。东部农业区降雹日数和海拔高度呈显著正相关，相关系数高达0.97（通过α=0.05 显著性检验），降雹日数随海拔升高而增加。这是因为在地势高、地形复杂的山区，冷空气过后残余冷空气堆积在山谷，易形成山谷风，在水汽比较充足的条件下容易出现降雹天气［10，18］。

图2 1961—2020年青海省东部农业区不同海拔范围内年降雹日数箱线图Fig.2 The box plot of annual hail days in different altitude ranges in the eastern agricultural region of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.3 年降雹日数的长期变化

1961—2020年东部农业区年降雹总日数呈明显减少趋势，倾向率为-11.6 d·（10 a）-1［图3（a）］，通过α=0.05 的显著性检验，其中1973 年降雹日数最多，为104 d，2020 年降雹日数最少（11 d）。东部农业区降雹日数有明显的年代际变化特征，20世纪90年代以前年降雹日数较多，之后降雹日数急剧下降，呈减少趋势。东部农业区降雹日数的年际和年代际变化总体呈下降趋势，与青藏高原川西南山地［26］、西藏那曲市［27］和青海省［17-18］降雹年际变化趋势一致。

1995 年后降雹日数距平由正转负［图3（b）］。从降雹日数5 a滑动t检验［图4（a）］看出，自1961年以来，t统计量有一处超过α=0.01显著性水平，说明东部农业区降雹日数在近60 a 出现过一次突变（出现在2003 年）。从降雹日数累积距平［图4（b）］看，1961—2020年青海省东部农业区降雹日数年变化具有明显的阶段性，降雹日数序列可分为两个时段，1961—1995 年降雹累积距平呈增加趋势，1996—2020年降雹累积距平呈减少趋势。

图3 东部农业区1961—2020年降雹日数（a）及其距平（b）年际变化Fig.3 Inter-annual variation of hail days（a）and its anomaly（b）in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

图4 青海省东部农业区降雹日数5 a滑动统计量曲线（a）及降雹日数累积距平（b）Fig.4 The 5-year moving statistic curve of hail days（a）and its accumulative anomaly（b）in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.4 降雹日数月变化

从东部农业区各月降雹日数年际变化（图5）看，1961—2020 年降雹主要出现在4—10 月，11 月至次年3 月各测站均未出现降雹，且4—10 月降雹日数呈减少趋势。降雹月际变化为单峰型，5—9 月为降雹高发期，降雹日数为2617 d，占年降雹日数的94.13%，4 月和10 月降雹日数分别为77 d 和86 d，占年降雹日数的2.77%和3.09%（图6）。

图5 青海省东部农业区1961—2020年各月降雹日数年际变化（单位：d）Fig.5 The inter-annual variation of monthly hail days in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020（Unit：d）

图6 青海省东部农业区1961—2020年各月降雹日数及其倾向率Fig.6 Monthly variation of hail days and their linear trends in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

降雹日数存在季节性差异的原因可能是5—9月太阳辐射增强，大气层结不稳定，对冰雹云的能量积累有利［28］，易发生降雹天气。特别是7月，大气升温快且层结极不稳定［29］，更易产生降雹天气。此外，春末夏初冷暖空气活动比较频繁，容易形成降雹天气，而入秋以后，随着西太平洋副热带高压东退和太阳辐射减弱［18］，大气层结慢慢趋于稳定，降雹日数急剧减少。

2.5 降雹日数日变化

图7为1961—2020 年东部农业区逐时降雹日数占总降雹日数的百分比变化。可以看出，降雹日数从11：00 开始呈上升趋势，峰值出现在午后16：00，约占总降雹日数的17.46%。11：00—20：00的降雹日数明显多与早晨和夜间，这是因为该时段气温高、太阳辐射强、感热输送强、温度垂直递减率大、对流发展旺盛，产生的不稳定能量大，易满足冰雹所需强上升条件要求，易生成强对流天气和雹云云体［30］，而早晨和夜间太阳辐射弱、大气层结稳定，不易发生对流天气，故降雹过程很少。

图7 1961—2020年青海省东部农业区逐时降雹日数占总降雹日数百分比变化Fig.7 The variation of percentage of hourly hail days to total hail days in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.6 降雹直径和持续时间分布

东部农业区11个测站降雹直径差别较大，平均降雹直径为6.62 mm。各测站最小降雹直径为1 mm，最大降雹直径55 mm 出现在民和县。由于对流云尺度、移速和对流云相对于测站的位置有差异，东部农业区各测站降雹持续时间差别也较大，最短为1 min，最长为61 min，平均6.20 min。从表1可以看出，民和站降雹直径最大，平均直径为11.75 mm，其次为乐都站，平均直径为8.24 mm；降雹持续时间最长为化隆站（9 min），其次为湟中，平均降雹时间为7.36 min。降雹造成的灾害影响因素较多，除与作物品种和发育期有关外，与降雹持续时间和降雹直径关系密切［10，31-33］。本研究民和和乐都降雹直径较大，化隆和门源降雹持续时间长，故这些地区造成的灾害也相对较严重。

表1 1961—2020年青海省东部农业区测站平均降雹直径和持续时间统计Tab.1 Statistics of hail diameter and duration in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

对青海省东部农业区1961—2020 年历次降雹过程进行统计，降雹直径D<6 mm、6 mm≤D<8 mm、8 mm≤D<10 mm、10 mm≤D<18 mm 和D≥18 mm 的降雹占比分别为58.33%、17.05%、11.63%、10.52%和2.47%；降雹持续时间T<9 min、9 min≤T<13 min、13 min≤T<20 min、20 min≤T<29 min和T≥29 min的降雹占比分别为73.55%、12.29%、9.05%、3.51%和1.58%。由此可见，青海省东部农业区小雹过程较多，这是因为该地区虽下垫面复杂，对流频繁，但由于海拔高、气温低，深处内陆腹地，单位气柱含水量较少，对流上升强度也较弱，地形云空间尺度小［10，17］，因而所降雹块也较小，小雹过程多，大雹过程少。

图8为东部农业区11 县（区）60 a 降雹直径频数和降雹持续时间频数分布。东部农业区11 测站降雹直径D<6 mm的无风险降雹多，除民和外，其余10个测站其频数超过50%；东部农业区11 测站降雹持续时间T<9 min 的无风险降雹多，各测站频数均超过60%。统计各县（区）各区间内降雹直径，同仁D<6 mm 降雹频数最大为70.97%，民和最小为33.33%；6 mm≤D<8 mm 最 大 频 数 出 现 在 大 通（18.50%），最小出现在循化（6.67%）；8 mm≤D<10 mm 最大频数出现在循化（17.78%），最小出现在乐都（2.63%）；10 mm≤D<18 mm 最大出现在民和（41.67%），最小出现在同仁（4.30%）；D≥18 min 最大频数出现在乐都（10.53%），尖扎未出现D≥18 mm 的降雹天气。统计东部农业区各县降雹持续时间，T<9 min 最大频数出现在循化为85.71%，最小在化隆为65.49%；9 min≤T<13 min 最大频数出现在门源（15.18%），最小在尖扎（5.17%）；13 min≤T<20 min最大频数出现在乐都（13.09%），循化未出现此类降雹天气；20 min≤T<29 min 最大频数出现在化隆（8.04%），乐都、民和未出现；T≥29 min 最大频数出现在化隆（4.31%），而互助、乐都、民和、尖扎和循化5县未出现持续29 min以上的冰雹天气。由图8和表1可知，青海省东部农业区降雹持续时间较长的站主要集中在西北部海拔较高地区，降雹直径较大的站主要集中在东部海拔较低地区，这与冯晓莉等［18］研究发现青海降雹直径随海拔升高呈减小趋势，降雹持续时间随海拔升高呈增加趋势的结论一致。由此可见，海拔高度差异对东部农业区的11站降雹直径的大小和降雹持续时间的影响很大。

图8 1961—2020年青海省东部农业区11站降雹直径观测值（a）和持续时间（b）不同区间频数分布Fig.8 Frequency distribution of hail diameter（a）and duration（b）with different sections at 11 stations in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.7 东部农业区致灾危险性区划

依据青海省降雹指数阈值［17］划分致灾危险性：H<78 为无危险，78≤H<87 为轻危险，87≤H<108 为中危险，108≤H<160为高危险，H≥160为特高危险。统计1961—2020 年东部农业区11 测站各级降雹灾害危险出现频率，利用Sufer 进行空间插值，得到降雹危险性区划图（图9）。可以看出，东部农业区降雹轻危险出现频率为1.09%~7.62%，主要位于循化；中危险频率为2.12%~5.26%，化隆、湟中、湟源等站危险性较高；高危险频率为2.54%~16.12%，特高危险频率为3.30%~16.13%，主要位于乐都。

图9 青海省东部农业区降雹致灾危险性区划Fig.9 The hazard zoning of hail disaster in the eastern agricultural area of Qinghai Province

3 结论与讨论

（1）青海东部农业区降雹天气具有明显的空间差异，降雹次数呈现出西北多东南少的区域分布特征，其中化隆、门源和互助降雹较多，尖扎降雹最少。降雹日数与海拔高度呈正相关，相关系数高达0.97。

（2）近60 a 降雹日数以11.6 d·（10 a）-1的趋势显著下降，且1995 年后降雹总日数距平由正转负；20世纪90年代以前年降雹日数较多，之后降雹日数急剧下降，呈减少趋势。

（3）青海东部农业区降雹集中出现在4—10 月，且日变化明显，午后12：00—18：00时段降雹次数较多，峰值出现在16：00。

（4）东部农业区冰雹直径小于6 mm和降雹持续时间小于9 min 降雹过程较多，分别占总降雹日数的58.33%和73.55%，民和降雹直径最大，化隆降雹持续时间最长。

（5）乐都为高或特高危险区，化隆、湟中、湟源是降雹中危险区，循化为降雹低危险区。

1961—2020年青海省东部农业区降雹日数年际和年代际变化呈减少趋势，进一步证实了刘彩红等［17］和冯晓莉等［18］对该区域降雹日数呈显著减少的研究结果。在气候变暖背景下，降雹日数减少主要是因为南北纬气温梯度下降、大气环流减弱［8，34］及大气风速减弱［34］造成。此外，气温升高使得0 ℃层高度升高，冰雹融化空间距离变大［18］，对冰雹的融化作用就越明显［35］，而东部农业区降雹天气以小雹天气为主，气温升高使得站点观测到的降雹日数减少。同时，针对雷暴天气的人工防雹作业通过爆炸波来影响云中气流，使雹粒提前降落或变软等，抑制或减少冰雹出现，可能也使降雹日数减少［36］。青海省东部农业区地势西高东低，降雹日数和海拔高度呈显著正相关，从动力学角度看，海拔高度增加，气流强迫抬升增强，水汽辐合加强，更易形成对流，有利于冰雹形成［37］。降雹灾害形成原因有很多，既包括地面积雹深度、直径大小和持续时间，又涵盖作物的品种和作物发育期，本文在研究致灾危险性时主要考虑了降雹直径和持续时间，其他方面还未涉及，后期将注重相关资料收集，以便进一步加深研究。