1979—2018年湖南冰雹日數(shù)氣候特征及影響因子分析

桑友偉　孟蕾　何娜　黃武英

摘要：利用1979—2018年湖南95個(gè)氣象站冰雹日數(shù)觀測(cè)資料和NECP 0.5°×0.5°再分析資料，采用線性傾向估計(jì)、M-K檢驗(yàn)、小波分析、相似度分析等方法對(duì)湖南省冰雹氣候特征及影響因子進(jìn)行分析。結(jié)果表明，湖南省降冰雹季節(jié)性明顯，主要降雹月份為1—5月，3月冰雹日數(shù)最多，是典型春季降雹區(qū);湖南省冰雹總體西北多，東南少，由西北向東南遞減;近40年湖南省冰雹日數(shù)顯著減少，3月減少趨勢(shì)最顯著，同時(shí)冰雹日數(shù)呈周期性變化，以2～3年和4～6年周期最為顯著，進(jìn)入2000年以來主要以3年周期波動(dòng)變化為主;冰雹日數(shù)的減少主要來自冰雹高發(fā)區(qū)日數(shù)在顯著減少，湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多數(shù)站點(diǎn)冰雹趨勢(shì)下降顯著;湖南省冰雹空間分布及變化趨勢(shì)與大氣穩(wěn)定度K指數(shù)的分布及變化趨勢(shì)顯著相關(guān)，在月平均K指數(shù)低于23的區(qū)域內(nèi)，冰雹高值區(qū)與同緯度上K指數(shù)的相對(duì)高值區(qū)相對(duì)應(yīng)，冰雹日數(shù)顯著減少地區(qū)對(duì)應(yīng)K指數(shù)顯著增加的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：冰雹;時(shí)空分布;K指數(shù);大氣穩(wěn)定度

中圖分類號(hào)：P46? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）02-0044-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.010? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis on climatic characteristics and influencing factors of

hail days in Hunan province from 1979 to 2018

SANG You-wei1，MENG Lei1，HE Na2，HUANG Wu-ying3

（1.Hunan Branch of China Meteorological Administration Training Centre，Changsha 410125，China;

2.Jiahe County Meteorological Bureau，Jiahe 424500，Hunan，China;3.Zixing Meteorological Bureau，Zixing 423400，Hunan，China）

Abstract： Hail days observation data from 95 weather stations in Hunan province and NECP 0.5°×0.5° reanalysis data from 1979 to 2018 was used to analyze the climatic characteristics and influencing factors of hail days in Hunan by linear trend estimation， M-K test， wavelet analysis， and similarity analysis. The results showed that the season of hail in Hunan province was obvious， the months from January to May are the main hail months， and the number of hail days in March was the most， which was a typical spring hail area; In general， hail in Hunan province was more in the northwest and less in the southeast， decreasing from northwest to southeast; In recent 40 years， the number of hail days in Hunan province had decreased significantly， and the decrease trend was the most significant in March， at the same time， the number of hail days presents periodic changes， especially in cycles 2～3 years and 4～6 years， 3 years cycle fluctuation had been the main trend since 2000; The decrease of hail days in Hunan province mainly came from the significant decrease of hail days in the areas with high incidence of hail， most stations in northwestern Hunan， northern Hunan， southern Hunan and central Hunan had a significant decrease of hail days; The spatial distribution and variation trend of hail in Hunan province were significantly correlated with the distribution and variation trend of atmospheric stability K index， in the regions with monthly average K index lower than 23， the high value area of hail corresponds to the relatively high value area of K index at the same latitude， and the regions with significantly decreased number of hail days correspond to the regions with significantly increased K index.

Key words： hail; spatial and temporal variation; K index; atmospheric stability

湖南省地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，地勢(shì)呈三面環(huán)山，朝北開口的馬蹄形地貌，由平原、盆地、丘陵、山地、湖泊等構(gòu)成[1]。冰雹是湖南省主要災(zāi)害性天氣之一，通常伴隨雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等，自天空降落到地面，一般持續(xù)時(shí)間不長，卻對(duì)糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、交通運(yùn)輸、建筑設(shè)備，甚至對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響，因此分析冰雹日數(shù)氣候特征有十分重要的意義。

許多氣象科研工作者已經(jīng)對(duì)中國不同地區(qū)冰雹時(shí)空分布特征、變化趨勢(shì)規(guī)律、預(yù)測(cè)預(yù)警方法和典型天氣個(gè)例進(jìn)行研究，取得了很多有益成果。張芳華等[2]分析1971—2000年中國冰雹日數(shù)時(shí)空分布特征，徐桂玉等[3]對(duì)中國南方冰雹氣候特征進(jìn)行三維EOF分析，眾多學(xué)者[4-8]對(duì)中國北方不同地區(qū)冰雹氣候特征進(jìn)行詳細(xì)分析。對(duì)于湖南省冰雹，曾志云等[9]對(duì)1967—2006年湖南省冰雹時(shí)空分布和變化特征及機(jī)理進(jìn)行分析，指出進(jìn)入90年代冰雹呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，還有其他學(xué)者[10-13]研究了湖南省不同地市州冰雹發(fā)生特點(diǎn)或冰雹天氣過程預(yù)報(bào)預(yù)警。目前對(duì)湖南省冰雹氣候特征分布研究雖然較多，但多集中基本時(shí)空尺度分布或預(yù)警預(yù)報(bào)總結(jié)，針對(duì)氣候變化背景下湖南省冰雹日數(shù)變化及其對(duì)應(yīng)影響因子的研究很少。本研究旨在分析湖南省冰雹日數(shù)時(shí)空分布及時(shí)空變化，同時(shí)分析表征大氣穩(wěn)定度的K指數(shù)氣候特征與冰雹分布及變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有助于進(jìn)一步全面了解湖南省冰雹分布與變化特征，為進(jìn)一步做好氣象防災(zāi)減災(zāi)和氣象為農(nóng)服務(wù)工作提供參考。

1? 資料與方法

資料來自于1979年1月1日至2018年12月31日湖南省95個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站的降冰雹記錄。

冰雹日數(shù)的定義為在氣象觀測(cè)站出現(xiàn)冰雹或區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)冰雹為一個(gè)冰雹日，觀測(cè)時(shí)間日界以地面氣象觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)20時(shí)為準(zhǔn)[14]。

1979年1月1日至2018年12月31日大氣層結(jié)穩(wěn)定度指標(biāo)K指數(shù)資料來源NCEP 0.5°×0.5°再分析資料。K指數(shù)計(jì)算公式[15]如下。

K=[T850-T500]+[Td]850-[T-Td]700

式中，T表示溫度，Td表示露點(diǎn)溫度，下標(biāo)數(shù)字表示所在等壓面（hPa），單位為℃。K指數(shù)數(shù)值越大代表大氣越不穩(wěn)定。

采用線性傾向估計(jì)[16]分析冰雹日數(shù)的氣候傾向率，利用M-K檢驗(yàn)方法[17-19]對(duì)冰雹日數(shù)變化情況進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用Morlet小波分析[20]對(duì)冰雹日數(shù)的周期變化進(jìn)行分析，利用ArcGIS軟件空間分析模塊的反距離權(quán)重插值法進(jìn)行冰雹日數(shù)和K指數(shù)的分布與變化在湖南省范圍內(nèi)空間插值[21]，利用Matlab軟件計(jì)算冰雹日數(shù)空間分布與K指數(shù)空間分布兩個(gè)矩陣、冰雹日數(shù)氣候傾向率空間分布與K指數(shù)氣候傾向率空間分布的二維相關(guān)系數(shù)[22]。

為了便于詳細(xì)分析湖南省不同地區(qū)冰雹氣候特征和變化趨勢(shì)，按照《中國氣象地理區(qū)劃手冊(cè)》[23]將湖南省劃分為湘西北、湘北、湘西南、湘中、湘東南，湘西北、湘西南和湘東南地區(qū)以山區(qū)為主，湘北和湘中以平原和丘陵為主（圖1）。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 冰雹氣候特征

2.1.1? 冰雹日數(shù)時(shí)間分布? 由1979—2018年湖南省冰雹日數(shù)各月累年平均分布（圖2）可知，湖南省冰雹一般全年均可出現(xiàn)，月冰雹日數(shù)呈現(xiàn)單峰形，峰值出現(xiàn)在3月;降雹主要集中在1—5月，占冰雹年平均日數(shù)的95.7%，尤其以3月出現(xiàn)冰雹日數(shù)最多，平均為22.8 d/年，占冰雹年平均日數(shù)的45.8%，為典型的春季降雹型;2月冰雹日數(shù)次之，平均為14.6 d/年，占冰雹年平均日數(shù)的29.2%，秋季9—11月冰雹最少，3個(gè)月共計(jì)占比0.6%。與眾多地區(qū)降雹集中在夏季[6-8]不同，湖南省冰雹主要集中在春季，造成這種明顯的季節(jié)性差異的原因，主要是因?yàn)榻当⑴c副熱帶急流、極鋒急流及其鋒系位置的季節(jié)變化有密切關(guān)系[24]，春季這些系統(tǒng)位于長江流域附近，造成湖南省春季多冰雹。

2.1.2? 冰雹日數(shù)空間分布? 湖南省雖然各地都有冰雹出現(xiàn)，但受地形地貌影響很大，具有顯著的地域特點(diǎn)。由1979—2018年湖南省冰雹日數(shù)的空間分布（圖3）可知，湖南省冰雹總體西多東少，北多南少，山區(qū)多于平原。湖南省各地年平均冰雹日數(shù)在0.1～2.2 d/年，湘西北大部分地區(qū)年平均冰雹日數(shù)多在1.0 d/年以上，特別是位于湖南省西北部邊緣的吉首、武陵山北部的桑植和張家界等地區(qū)，是湖南省主要多雹地區(qū)，年平均冰雹日超過1.5 d，最多年份2005年可達(dá)9 d;自西往東，隨著地勢(shì)逐漸降低，冰雹日數(shù)也顯著減少，湘北地區(qū)中部、湘中地區(qū)北部和湘東南地區(qū)西部多為0.4～1.0 d/年;湘北地區(qū)偏東部、湘中地區(qū)偏南部、湘東南地區(qū)東北部和南部丘陵山地年平均冰雹日數(shù)在0.4 d/年以下，成為湖南省主要少冰雹區(qū)。

2.2? 冰雹氣候變化特征

2.2.1? 冰雹日數(shù)年際變化? 由1979—2018年湖南省冰雹日數(shù)的年際變化情況（圖4）可知，湖南省冰雹日數(shù)整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，湖南省1988年冰雹日數(shù)最多，達(dá)到211 d，1992年次之，達(dá)到160 d，1999年冰雹日數(shù)最少，全年不超過2 d，2000年、2008年、2011年、2014年、2017年也是冰雹日數(shù)極少的年份，皆不超過6 d。近40年湖南省冰雹日數(shù)氣候傾向率為-1.8 d/年，通過了0.01水平上的顯著性檢驗(yàn)，說明湖南省冰雹日數(shù)以每年1.8 d左右的趨勢(shì)遞減。

1979—2018年湖南省冰雹日數(shù)整體呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，為了進(jìn)一步分析各月的冰雹日數(shù)變化情況，對(duì)湖南省各月冰雹日數(shù)的氣候傾向率（圖5）進(jìn)行分析可知，1—4月，湖南省冰雹日數(shù)氣候傾向率為負(fù)值，尤其是3月氣候傾向率絕對(duì)值最大，減少趨勢(shì)最明顯，約為-1.0 d/年。這表明作為處于典型春雹區(qū)的湖南省，其冰雹日數(shù)逐年減少主要是由于冰雹高發(fā)月份1—4月冰雹日數(shù)減少造成的。

2.2.2? 冰雹日數(shù)周期變化? 分析1979—2018年湖南省冰雹日數(shù)小波能量譜（圖6）可知，近40年來湖南省冰雹日數(shù)變化周期以2～3年、4～6年和準(zhǔn)8年周期為主，其中以2～3年和4～6年周期最為顯著，最強(qiáng)的周期為以4年為中心的周期變化，并通過顯著性檢驗(yàn)。具體分析可知，2.5年周期在1990年之前和1996年之后較強(qiáng)，3年周期在2000年前較強(qiáng)，2000—2016年較弱，2017年后再次變強(qiáng)，4～6年周期在1996年之前較強(qiáng)，1996年以后變?nèi)酰瑴?zhǔn)8年周期則一直較弱。說明湖南省冰雹日數(shù)進(jìn)入2000年以來主要以3年周期波動(dòng)變化為主，每3年會(huì)有一次波動(dòng)。

2.2.3? 冰雹日數(shù)變化空間分布? 由1979—2018年湖南省冰雹日數(shù)年際變化分析可知，湖南省冰雹整體在顯著減少。為了更進(jìn)一步了解湖南省各個(gè)地區(qū)冰雹日數(shù)變化趨勢(shì)，分析湖南省各氣象觀測(cè)站冰雹日數(shù)的氣候傾向率空間分布（圖7）可知，湘西北、湘北、湘西南、湘中地區(qū)多數(shù)站點(diǎn)的氣候傾向率為負(fù)值，湘西北張家界、常德、龍山、古丈，湘北常德、桃源、南縣、安化，湘中長沙、湘鄉(xiāng)，湘西南新晃、芷江、洪江、通道等地減少趨勢(shì)顯著，通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn);而湘東南安仁、桂東、桂陽、炎陵、雙牌、東安等地呈略微增加趨勢(shì)，但未通過顯著性檢驗(yàn)。說明近40年湖南省冰雹日數(shù)減少的原因主要是由于湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多個(gè)站點(diǎn)冰雹日數(shù)呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)造成的。結(jié)合上述內(nèi)容可說明近40年湖南省冰雹日數(shù)的減少主要來自冰雹高發(fā)區(qū)日數(shù)在顯著減少。

2.3? 冰雹日數(shù)與大氣穩(wěn)定度K指數(shù)的關(guān)系

強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的3個(gè)基本條件分別是水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)、抬升條件[15]。冰雹作為強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)物之一，大氣穩(wěn)定度條件對(duì)其有十分重要的影響。對(duì)1979—2018年湖南省冰雹日數(shù)與表征大氣穩(wěn)定度的K指數(shù)氣候特征（圖8）進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，湖南省K指數(shù)空間分布總體為南高北低，冰雹日數(shù)則是北高南低，兩者空間分布在同一經(jīng)線上的相似度為-0.53，達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)水平，可見在同一經(jīng)線上冰雹日數(shù)高值區(qū)對(duì)應(yīng)的是K指數(shù)的低值區(qū)，冰雹高值區(qū)主要集中在K=22等值線以北的山區(qū);對(duì)比同為冰雹高值區(qū)的湘西北和湘西南地區(qū)，對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，冰雹日數(shù)空間分布與K指數(shù)緯向距平的空間分布相似度達(dá)0.77，有顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明冰雹分布主要高值區(qū)并不與K指數(shù)的絕對(duì)高值區(qū)相對(duì)應(yīng)，而是在月平均K指數(shù)低于23的區(qū)域內(nèi)，與同緯度上K指數(shù)的相對(duì)高值區(qū)相對(duì)應(yīng)。造成這種情況可能是因?yàn)橄嫖鞅焙拖嫖髂系貐^(qū)為南北走向的山區(qū)，而同時(shí)湖南省主要受偏西風(fēng)影響，山區(qū)起到了抬升偏西氣流并使大氣層結(jié)變得更加潮濕不穩(wěn)定的作用[25]，容易在其他因子共同作用下成為冰雹多發(fā)地帶。

進(jìn)一步考慮冰雹日數(shù)年際變化與K指數(shù)年際變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖9），取變化較顯著的3月進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3月湘西北地區(qū)冰雹顯著減少，其對(duì)應(yīng)的K指數(shù)則顯著增加，通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)，而在某些K指數(shù)增加不顯著甚至呈降低趨勢(shì)的地區(qū)有冰雹日數(shù)的略微增加，這與冰雹的發(fā)生條件有關(guān)系。冰雹發(fā)生時(shí)，垂直高度上的零度層位置既不能太高也不能太低[15]，表明冰雹發(fā)生時(shí)所需的暖濕層既不能太厚也不能太薄，而K指數(shù)增加的原因之一就是暖濕層的增強(qiáng)，因此在同樣的地理地貌條件下，冰雹高值區(qū)K指數(shù)的增加反而不利于冰雹的發(fā)生。

3? 小結(jié)與討論

通過對(duì)1979—2018年湖南省冰雹氣候特征及影響因子的分析研究，得出結(jié)論如下。

1）湖南省降冰雹季節(jié)性明顯，1—5月冰雹出現(xiàn)最多，以3月為主，出現(xiàn)頻率占年總數(shù)的45.8%，是典型春季降雹區(qū)。本研究結(jié)論符合中國南方冰雹氣候特征，如徐桂玉等[3]在中國南方冰雹氣候特征的三維EOF分析中指出，中國南方冰雹季節(jié)變化顯著，春季2—5月為多冰雹季節(jié)，其中3月出現(xiàn)最大值。

2）湖南省冰雹西部多于東部，北部多于南部，高山多于平原;總分布呈現(xiàn)西北多、東南少的趨勢(shì)，由西北向東南遞減，這與曾志云等[9]的研究較為一致;位于湖南省西部邊緣的吉首、武陵山北部的桑植、張家界是湖南省主要多冰雹區(qū)。

3）近40年湖南省冰雹日數(shù)呈波動(dòng)顯著下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-1.8 d/年;各月累年平均冰雹日數(shù)在3月減少趨勢(shì)最顯著;湖南省冰雹日數(shù)變化周期以2～3年、4～6年和準(zhǔn)8年周期為主，其中以2～3年和4～6年周期最為顯著，進(jìn)入2000年以來主要以3年周期波動(dòng)變化為主。

4）近40年湖南省冰雹日數(shù)的減少主要來自冰雹高發(fā)區(qū)日數(shù)在顯著減少，湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多數(shù)站點(diǎn)冰雹趨勢(shì)下降顯著，而湘東南部分地區(qū)氣候傾向率為正值，但未通過顯著性檢驗(yàn)。

5）湖南省冰雹分布及變化與大氣穩(wěn)定度K指數(shù)的分布及變化密切相關(guān)，但冰雹高值區(qū)并不與K指數(shù)的絕對(duì)高值區(qū)相對(duì)應(yīng)，這與孟妙志[26]、李勇等[27]對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣物理量取值范圍的研究結(jié)果較為相近，湖南省冰雹高值區(qū)在月平均K指數(shù)低于23的區(qū)域內(nèi)主要與同緯度上K指數(shù)的相對(duì)高值區(qū)相對(duì)應(yīng)。

6）分析3月冰雹高值月份可知，冰雹日數(shù)顯著減少地區(qū)對(duì)應(yīng)K指數(shù)顯著增加的區(qū)域，從氣候角度上詮釋了冰雹的發(fā)生對(duì)暖濕層的要求在特定范圍內(nèi)，暖濕層不能太高也不能太低。

本研究從氣候角度深入討論了湖南省冰雹的時(shí)間和空間分布及變化，并量化分析了冰雹與大氣穩(wěn)定度的相互關(guān)系，表明在氣候變化背景下冰雹日數(shù)無論在時(shí)間還是空間上都呈現(xiàn)出顯著的分布特征和變化特征，并在一定程度上說明了全球變暖背景下雖然強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，但冰雹日數(shù)卻在顯著下降的原因，為科學(xué)防雹提供了科學(xué)參考。但考慮到冰雹天氣具有空間尺度小、生命史短、局地性和突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)[15]，如果結(jié)合更多各地冰雹災(zāi)情資料進(jìn)行研究結(jié)果可能更好;可將湖南省不同季節(jié)盛行風(fēng)向與地形之間關(guān)系作為影響湖南冰雹分布的重要因子，需要今后進(jìn)行深入研究。

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收稿日期：2019-04-04

基金項(xiàng)目：湖南省氣象局重點(diǎn)課題（XQKJ18A004）;湖南省氣象局2018年短平快課題（XQJK18B089）

作者簡介：桑友偉（1988-），男，江蘇淮安人，工程師，碩士，主要從事氣象教育培訓(xùn)與應(yīng)用氣象研究，（電話）15974203773（電子信箱）

809877607@qq.com;通信作者，孟? 蕾，高級(jí)工程師，主要從事氣象教育培訓(xùn)與氣象服務(wù)工作，（電子信箱）menglei_07@nuist.edu.cn。