1971—2018年大連地區(qū)冰雹氣候特征

隋玉秀，楊景泰，李昱茜，王 蕾，周美娥，曹 波

(1.大連市氣象服務中心，遼寧 大連 116001；2.空軍航空大學，遼寧 錦州 121000)

引 言

冰雹是一種由強對流系統(tǒng)引發(fā)的劇烈天氣現(xiàn)象，通常發(fā)生范圍較小、生命史較短，具有很強的突發(fā)性和局地性，一般高海拔地區(qū)相對較多，高原和山地明顯多于平原、盆地、河谷和沙漠戈壁[1-2]。它來勢猛、強度大，時常伴有強降水、大風、劇烈降溫等天氣過程，是一種致災性很強的災害性天氣[3-4]。如2009年10月13日大連地區(qū)的一次冰雹過程，出現(xiàn)了21.2 m·s-1的雷暴大風，持續(xù)時間長達25 min，造成3條養(yǎng)殖船沉沒，1人死亡，6人失蹤。研究表明，美國高原地區(qū)、落基山脈中部及美國東南部的冰雹日數(shù)有顯著增加趨勢，其他地區(qū)則呈現(xiàn)下降趨勢[5]。中國國土面積位居世界第三位，地域廣闊，盡管多地區(qū)域性冰雹呈不同程度的下降趨勢[2,6-8]，但因冰雹局地性強，對于特殊地域是否也呈現(xiàn)同樣的氣候規(guī)律還有待進一步統(tǒng)計驗證。此外，冰雹的發(fā)生具有明顯的月際變化和日變化，但各地差異很大。其中，川西、甘肅、華北等地區(qū)冰雹月際變化為單峰型，多發(fā)生在5—6月[2,6,9-10]，遼寧省則表現(xiàn)為雙峰型，6月最多，次峰出現(xiàn)在9月[11]；在日變化上，多地呈傍晚前后多發(fā)的單峰型[10-13]，如川西地區(qū)在傍晚后，河南在傍晚，而山西和遼寧則是傍晚前。隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件頻發(fā)，深入開展冰雹研究對提高冰雹預報、預警以及防災減災意義重大。

上述研究大多偏重于冰雹的時空分布和變化趨勢分析，且以內陸地區(qū)居多，而對于不同規(guī)模冰雹過程持續(xù)時間及其伴隨發(fā)生的不同規(guī)模和量級降水的統(tǒng)計研究，尤其是沿海海島地區(qū)尚為欠缺。大連地區(qū)位于遼寧南部沿海，占據(jù)遼東半島大部，是我國海岸線最長的城市和海陸分布最復雜的地區(qū)之一，下轄的長海站是觀測資料比較長久且齊全的海島站。因此，大連地區(qū)冰雹的發(fā)生特點具有鮮明的沿海地區(qū)特色，其特殊性在一定程度上對我國北方地區(qū)冰雹研究起到有益補充。與此同時，大連地區(qū)地處40°N附近，是南支槽與北支槽交匯最多的區(qū)域，天氣系統(tǒng)復雜多變，同一過程，其南、北區(qū)域影響系統(tǒng)經常有所不同。因此，研究大連地區(qū)冰雹氣候特征及其與降水的關系具有重要的現(xiàn)實意義。

1 資料及處理

所用資料是1971—2018年大連地區(qū)旅順、金州、瓦房店、普蘭店、莊河、長海及大連本站7個區(qū)域氣象站冰雹和降水地面觀測資料。數(shù)據(jù)處理原則：一個觀測日內全區(qū)范圍內有1個站點觀測到冰雹，即定義為1個冰雹日；一個冰雹日中，某一站點無論出現(xiàn)幾次冰雹、間隔時間長短，均記錄為發(fā)生1站次；冰雹持續(xù)時間取每次實際觀測記錄開始至結束持續(xù)分鐘的整數(shù)部分，若冰雹持續(xù)時間小于1 min則記為0。暴雨日的標準：按照2012年發(fā)布的《降水量等級》氣象國家標準，24 h降雨量大于等于50 mm或12 h降雨量大于等于30 mm即為1個暴雨日。

2 大連地區(qū)冰雹時空分布特征

2.1 空間分布

1971—2018年大連地區(qū)7站總計發(fā)生冰雹199站次，東部海島長海站和西北沿海瓦房店冰雹發(fā)生最多，均發(fā)生40次，其次大連本站36次，而西南沿海的旅順站冰雹發(fā)生次數(shù)最少為12次(圖1)。經分析發(fā)現(xiàn)，冷渦是導致東北地區(qū)強對流多發(fā)的天氣影響系統(tǒng)，絕大多數(shù)冷渦中心形成于40°N以北、107°E—124°E[14]，位于大連西北部的瓦房店距離這個范圍最近，故而受其影響相對其他地區(qū)偏多、偏強，加上大連地區(qū)西北部附近存在著明顯強于其他地區(qū)的海陸輻合線，有利于低層氣流輻合，導致瓦房店地區(qū)的冰雹天氣相對高發(fā)；長海地區(qū)冰雹偏多則可能是南北系統(tǒng)在此地附近多出現(xiàn)交匯所致；旅順地處該區(qū)最南端，受北支槽和冷渦影響相對較弱，加之渤海與黃海交界處特殊地理因素影響，冰雹發(fā)生次數(shù)最少。然而，從雷暴發(fā)生情況(圖略)來看，長海和大連本站年平均雷暴日均為21 d，金州18 d，旅順22 d，緯度相近的4站年雷暴次數(shù)接近，但冰雹次數(shù)差距成倍，說明冰雹的發(fā)生條件比雷暴天氣更高，地域性更強。

圖1 1971—2018年大連地區(qū)冰雹次數(shù)空間分布(單位：次)Fig.1 Spatial distribution of hail frequency in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018 (Unit: times)

2.2 年際變化

圖2是1971—2018年大連地區(qū)冰雹日數(shù)和站次的逐年變化。從圖2(a)發(fā)現(xiàn)，大連地區(qū)冰雹日數(shù)的年際波動較大，多發(fā)年份和少發(fā)年份交替出現(xiàn)，最多8 d，最少0 d，1～4 d的年份最多，年平均3.0 d，總體呈顯著下降趨勢(通過0.01的顯著性檢驗)，線性氣候傾向率為-0.96 d·(10 a)-1。另外，2004年以前冰雹日數(shù)呈不斷下降趨勢，但并未出現(xiàn)0 d的年份，而2005年以后有4 a未出現(xiàn)冰雹，說明近年來大連地區(qū)冰雹日數(shù)減少。

圖2 1971—2018年大連地區(qū)冰雹日數(shù)(a)和站次(b)的年際變化Fig.2 The annual variation of hail days (a) and numbers of station occurring hail (b) in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

從圖2(b)看出，1971—2018年大連地區(qū)冰雹站次的年際波動大，多發(fā)年份和少發(fā)年份交替出現(xiàn)，最多年份14站次，最少年份0站次，出現(xiàn)2站次的年份最多，其次為1、4～6站次，年平均為4.2站次，整體也呈顯著減少趨勢(通過0.01的顯著性檢驗)，線性氣候傾向率為-1.56站次·(10 a)-1，且年代際差異明顯。冰雹站次的減少意味著大連降雹區(qū)域也在減小，較大范圍降雹或多站冰雹出現(xiàn)的可能性降低。

2.3 月際分布

大連地區(qū)三面環(huán)海，氣候受海洋影響很大，按氣象意義標準(以連續(xù)5 d均達到氣象學意義的季節(jié)轉換標準)，大連常年(1981—2010年)入春、入夏、入秋、入冬相比同緯度周邊地區(qū)均偏晚，區(qū)域性氣候特征明顯。為突出大連地區(qū)季節(jié)氣候特點，四季劃分為：11月7日至次年4月14日為冬季，4月15日至6月24日為春季，6月25日至9月11日為夏季，9月12日至11月6日為秋季。

從1971—2018年主要站點冰雹發(fā)生日數(shù)(表略)來看，大連地區(qū)一年四季均有冰雹發(fā)生，冰雹高發(fā)期為春、秋兩季，秋季最多(共55 d)，春季次之(共51 d)；夏季冰雹日數(shù)較少，僅24 d，但在夏末9月初的發(fā)生概率較高，達11 d；大連地處我國東北地區(qū)，冬季比較寒冷，但也有冰雹天氣發(fā)生，共15 d，這與我國一些內陸地區(qū)尤其是北方地區(qū)有一定差異[9,15-18]，但與山東半島沿海一些地區(qū)季節(jié)分布特征接近[19]，這與山東半島也處在南支槽與北支槽交匯區(qū)域有關。需要注意的是，大連地區(qū)冬季冰雹大多發(fā)生在初冬(7 d)和冬末(6 d)，12月仍有可能出現(xiàn)冰雹(2 d，最晚一次出現(xiàn)日期為2004年12月19日)，這與其三面環(huán)海導致的地面或海面氣溫高于鄰近內陸地區(qū)有很大關系，而1—2月無冰雹記錄。考察冬季冰雹過程發(fā)現(xiàn)，有14 d均為單站冰雹，僅1 d出現(xiàn)2站(長海、莊河站)冰雹，且位置相鄰，說明冬季引發(fā)冰雹的天氣系統(tǒng)空間尺度通常更小、局地性更強。

從各月冰雹出現(xiàn)日數(shù)(圖3)來看，10月為大連地區(qū)冰雹最高發(fā)月份，48 a總計37 d，9月次多，為25 d，而4、5、6月也較高，分別為15、21和19 d；7月和8月出現(xiàn)日數(shù)較低，分別只出現(xiàn)了7 d和4 d，其中8月發(fā)生日數(shù)甚至與冬季3月和12月接近，這與很多內陸地區(qū)冰雹春末夏初高發(fā)特征有明顯差異[2,6,9,16]，而與遼寧省冰雹“雙峰型”月際分布相似[11]，其秋季明顯高于春季的特征與威海冰雹日數(shù)月際分布特征接近[19]。

圖3 1971—2018年大連地區(qū)冰雹日數(shù)的月分布Fig.3 Monthly distribution of hail days in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

2.4 日變化

對冰雹的晝夜[08:00—20:00(北京時，下同)為白天，而20:00至次日08:00為夜間]分布統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，48 a大連地區(qū)白天共計發(fā)生冰雹140站次，夜間61站次(其中2 d同一測站白天、夜間均有冰雹記錄，各計1次)，白天冰雹發(fā)生概率是夜間的2.3倍，這與該地區(qū)雷暴和雷暴大風白天少、夜間多的發(fā)生規(guī)律正相反[20-21]。這是因為白天氣溫高產生的不穩(wěn)定能量比夜間大，同時白天海陸輻合線強于夜間，有利于滿足冰雹所需更強上升條件的要求。

從白天冰雹發(fā)生時刻變化(圖4)看出，09:00—16:59為大連地區(qū)冰雹發(fā)生的集中時段，其中11:00—13:59和15:00—15:59發(fā)生概率更高，冰雹逐時次數(shù)分別為18、17、17、17站次。多地研究發(fā)現(xiàn)，午后冰雹發(fā)生較多[12,17,22-23]，而大連地區(qū)則中午前后均為冰雹多發(fā)時段，相比一般地區(qū)冰雹發(fā)生集中程度相對分散。

2.5 持續(xù)時間

在上述7個氣象站中，普蘭店、長海、金州、旅順4站夜間冰雹只記錄觀測現(xiàn)象，不記錄起止時間，因此在分析冰雹持續(xù)時間時需將這4站27個夜間記錄剔除，得到1971—2018年大連地區(qū)冰雹記錄共190個。從各站冰雹持續(xù)時間(圖5)來看，大連地區(qū)多數(shù)冰雹持續(xù)時間較短，190個記錄中有160個(占84.2%)持續(xù)時間均在10 min以下，隨著持續(xù)時間延長，冰雹發(fā)生記錄大幅減少，持續(xù)時間為10～19 min的有21個，20～29 min的有6個，30～39 min的有3個。值得一提的是，金州站出現(xiàn)一次整個過程持續(xù)時間長達52 min的降雹過程(1994年9月29日)，此次過程為3站冰雹，大連本站冰雹的過程持續(xù)時間為35 min，而普蘭店持續(xù)時間偏短為5 min。雖然金州站降雹有20 min的間歇期，但前、后連續(xù)降雹時間分別達21 min和31 min。

圖4 1971—2018年大連地區(qū)白天冰雹站次逐時變化Fig.4 The hourly variations of numbers of station occurring hail in the daytime in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

圖5 1971—2018年大連地區(qū)冰雹持續(xù)時間Fig.5 The duration of hail in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

總體來看，1971—2018年間大連地區(qū)單站冰雹共計出現(xiàn)106 d，多站冰雹39 d，單站冰雹發(fā)生概率是多站冰雹的2.7倍，且29 d持續(xù)時間達到或超過10 min的冰雹日中，14 d為單站冰雹，15 d為多站(2站或2站以上)冰雹，其中5站冰雹1 d，4站冰雹3 d，3站冰雹1 d，可見當冰雹發(fā)生面積較大、出現(xiàn)站點較多時，通常冰雹過程較強、持續(xù)時間較長。冰雹持續(xù)時間達到或超過10 min的概率，多站冰雹為38.5%，單站冰雹為13.2%，多站冰雹持續(xù)時間長的概率比單站冰雹高。

3 冰雹與降水的關系

1971—2018年大連地區(qū)145個冰雹日均有降水出現(xiàn)，其中全區(qū)性(6～7站)降水102 d，區(qū)域性(3～5站)降水33 d，局地性(1～2站)降水10 d，表明大連地區(qū)的冰雹易發(fā)生在較大尺度對流降水系統(tǒng)中，而局地性降水系統(tǒng)產生冰雹的概率較小，這對冰雹的預報預警具有較好的指示意義。從24 h降雨量來看，大連地區(qū)伴有冰雹的降雨過程多以小雨和中雨為主，24 h降雨量超過50 mm或12 h超過30 mm的暴雨共計出現(xiàn)31 d，僅占冰雹總日數(shù)的21.4%，且多為局地性暴雨，區(qū)域性和全區(qū)性暴雨各出現(xiàn)2 d。表1是1971—2018年大連地區(qū)冰雹日暴雨概況，可以看出冰雹日出現(xiàn)暴雨的31 d中有25 d在降雹站點出現(xiàn)暴雨，僅6 d降雹站點和暴雨站點未發(fā)生重合，且這6 d發(fā)生過程均為局地性暴雨；區(qū)域性和全區(qū)性暴雨出現(xiàn)的冰雹均為單站冰雹。以上事實說明，當大連地區(qū)冰雹伴隨暴雨出現(xiàn)時，兩種天氣現(xiàn)象出現(xiàn)在同一站點的概率較大，但暴雨范圍較大時多站冰雹反而出現(xiàn)較少。

表2是1971—2018年大連地區(qū)3站及以上冰雹日發(fā)生的降水概況?？梢钥闯?，近48 a來大連地區(qū)共發(fā)生9次較大范圍的冰雹過程，絕大多數(shù)過程發(fā)生在秋季，且伴有暴雨的概率為44.4%，是局地冰雹日伴有暴雨的2.2倍。其中，5次大范圍冰雹最長持續(xù)時間超過10 min，但僅有1994年9月29日1次過程伴有暴雨，概率為20%。綜合表1與表2看出：冰雹過程出現(xiàn)暴雨的概率并不高，且多為局地性暴雨，這與水汽分布條件有一定關系，“上干下濕”的水汽分布有利于降雹[24-25]，即低層水汽較充沛、中層相對較干燥；暴雨的產生則往往由低到高整層水汽都比較充沛[24,26-28]，且當暴雨發(fā)生時降水產生較強的拖曳作用而形成的強下沉氣流，不利于強上升氣流發(fā)展，從而不利于冰雹的形成。相比局地冰雹，較大范圍的冰雹過程出現(xiàn)暴雨概率更高，且冰雹站點與暴雨站點可能不重合。

表1 1971—2018年大連地區(qū)冰雹及對應暴雨概況Tab.1 Overview of hails accompanied with rainstorms in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

注：下劃線站點的日雨量最大，下同

表2 1971—2018年大連地區(qū)3站及以上冰雹及對應降雨概況Tab.2 Overview of hails occurring at 3 stations and above and accompanied with rainfall in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

4 結 論

(1)大連地區(qū)冰雹多發(fā)生在西北部和東部海島，西南端的旅順發(fā)生概率最低，且白天冰雹的發(fā)生概率是夜間的2.3倍。

(2)近48 a來大連地區(qū)的冰雹整體呈顯著遞減趨勢，較大范圍降雹或多站冰雹出現(xiàn)的可能性降低。除1月和2月外，其他月份冰雹均有發(fā)生，春、秋兩季為高發(fā)季；中午前后均屬于冰雹多發(fā)時段，集中程度相對分散。

(3)近48 a來，大連地區(qū)84.2%的冰雹持續(xù)時間不足10 min，多站冰雹持續(xù)時間一般高于單站冰雹，多站冰雹持續(xù)時間達到或超過10 min的概率顯著大于單站冰雹，二者分別為38.5%、13.2%。

(4)大連地區(qū)冰雹過程以全區(qū)性降水居多，且以小雨和中雨為主，冰雹日出現(xiàn)暴雨的概率僅占冰雹總日數(shù)的21.4%，且多為局地性暴雨。相比局地冰雹，較大范圍的冰雹伴有暴雨的概率更高，后者出現(xiàn)暴雨的概率是前者的2.2倍。當大連地區(qū)冰雹伴隨暴雨出現(xiàn)時，兩種天氣現(xiàn)象出現(xiàn)在同一站點的概率較大。