鄂爾多斯市1961年—2018年冰雹時空分布特征

張亞敏，張瑞華，欒振斌

(1.烏審旗氣象局，內(nèi)蒙古 烏審旗 017300；2.鄂托克前旗氣象局，內(nèi)蒙古 鄂托克前旗 016200；3.定西市氣象局，甘肅 定西 744300)

冰雹是在發(fā)展強盛的對流云中產(chǎn)生的一種固態(tài)降水物，是一種局地性很強并且危害十分嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，對農(nóng)業(yè)、牧業(yè)等自然經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p害[1]，也是鄂爾多斯市常見的災(zāi)害性天氣之一，冰雹事件具有局地性強、面積分散、影響范圍小、季節(jié)性明顯、突發(fā)性強、來勢急、持續(xù)時間短等特性[2-4]，并且給農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施等帶來了極大的危害，冰雹直徑越大，降雹持續(xù)時間越長，往往造成的災(zāi)害就越大。目前對冰雹的預(yù)報還有許多有待解決的難題，它的發(fā)生也時常伴隨其他災(zāi)害性天氣，如大風(fēng)、暴雨等[5]。鄂爾多斯市氣象災(zāi)害比較頻繁，冰雹活動不僅與天氣系統(tǒng)有關(guān)，而且受地形、地貌的影響也很大。冰雹云的源地大多位于山區(qū)和地形復(fù)雜的地區(qū)，如山脈的迎風(fēng)坡、向陽坡，山脈與平原接壤的地帶，陸地與河流接壤的上風(fēng)區(qū)及地表復(fù)雜、地勢起伏高度差大的山地和丘陵地等[6]。

1 資料分析預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)選取鄂爾多斯市11個站點1961年—2018年的降雹資料進(jìn)行統(tǒng)計。四季劃分為3月—5月為春季，6月—8月為夏季，9月—10月為秋季，11月—來年2月為冬季。

本研究定義一日內(nèi)在鄂爾多斯市各站出現(xiàn)一次或多次降雹現(xiàn)象為一個冰雹日，日界按 20—20時處理[7]。筆者主要采用最小二乘法擬合一元線性方程、小波分析、Mann-Kendall突變檢驗對鄂爾多斯市的冰雹特征進(jìn)行分析。

2 降雹持續(xù)時間分析

降雹持續(xù)時間長短是影響冰雹災(zāi)害輕重的因素之一，一般持續(xù)時間越長災(zāi)害越嚴(yán)重。統(tǒng)計鄂爾多斯市各站點降雹次數(shù)可知，1961年—2018年降雹一共有921次，夜間降雹為16次。由表1可以看出，鄂爾多斯市降雹持續(xù)時間大部分在0～5 min以內(nèi)，占降雹總次數(shù)的52.33%，并且隨著持續(xù)時間的增加，降雹次數(shù)相對應(yīng)的呈減少趨勢。58 a中持續(xù)時間>30 min的占3.47%。同一天只有1個站產(chǎn)生冰雹的共有866個，占冰雹總次數(shù)的94.0%。有2個站同時產(chǎn)生冰雹的有47個，占冰雹總次數(shù)的5.1%。有3個站同時產(chǎn)生冰雹的有8個，占冰雹總次數(shù)的0.9%。

表1 鄂爾多斯市不同降雹持續(xù)時間所占百分比

3 冰雹氣候特征

3.1 冰雹日數(shù)空間分布

1961年—2018年鄂爾多斯市11個站點共有873個降雹記錄，年平均冰雹日數(shù)為15.1 d，鄂爾多斯市東北部降雹出現(xiàn)日數(shù)較多，西南部較少，最大降雹日數(shù)出現(xiàn)在準(zhǔn)格爾旗，為121 d，其次為東勝區(qū)，冰雹總?cè)諗?shù)為111 d。鄂爾多斯南部偏南地區(qū)鄂托克前旗及河南站降雹偏少，分別為51 d和57 d。降雹最少出現(xiàn)在伊克烏素，為39 d。綜上所述，鄂爾多斯市降雹日數(shù)空間分布呈“東北向西南依次遞減”的特點，說明地形對鄂爾多斯市降雹起著重要作用。

3.2 冰雹日數(shù)時間分布

3.2.1 冰雹日變化特征。由圖1可知，降雹主要分布在14時—18時，降雹概率為57.7%，其中14-16時的降雹概率為30.92%；夜間降雹概率為6.62%，08時-10時概率為2.28%，10時-12時降雹概率為4.14%，12時-14時降雹概率為16.13%，16時—18時降雹概率為26.78%，18時—20時降雹概率為13.13%。由此可得，14時—16時是鄂爾多斯市降雹概率最大時段，因為這一時段氣溫較高，午后近地層大氣不穩(wěn)定，不穩(wěn)定能量累積，容易產(chǎn)生擾動，只要有中小尺度系統(tǒng)發(fā)出，就會導(dǎo)致發(fā)生冰雹的頻率較高[8]。

圖1 1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)的日分布

3.2.2 冰雹月變化特征。冰雹災(zāi)害具有明顯的季節(jié)性差異，主要發(fā)生在夏秋季節(jié)，且夏秋連雹的現(xiàn)象多，主要以砸傷和撞擊而致災(zāi)[9]。由圖2可知，鄂爾多斯市1961年—2018年降雹出現(xiàn)在2月—11月份，1月、2月、12月未出現(xiàn)冰雹天氣，8月份出現(xiàn)最多，為182 d，占冰雹總?cè)諗?shù)的20.8%，其次是6月份和7月份，其值依次為171 d和160 d，占冰雹總?cè)諗?shù)的19.6%和18.3%。由此可見，夏季是鄂爾多斯市降雹的主要季節(jié)，降雹日數(shù)與溫度密切相關(guān)，全年冰雹日數(shù)呈先增加后減的趨勢，從3月開始冰雹日數(shù)逐漸增加，8月冰雹達(dá)到峰值，9月冰雹日數(shù)開始逐漸減少。降雹最早出現(xiàn)在3月25日，最晚出現(xiàn)在11月8日。

圖2 1961年—2018年鄂爾多斯市各月冰雹日數(shù)分布

按季節(jié)來統(tǒng)計，鄂爾多斯市春季降雹占全年總?cè)諗?shù)的19.4%，夏季占58.8%，秋季占21.8%，冬季沒有降雹，所以除夏季降雹比較多以外，春季和秋季的冰雹數(shù)也較多。

4 冰雹日數(shù)氣候變化特征

4.1 冰雹日數(shù)年季變化特征

圖3為1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹的年際變化分布圖，年冰雹日數(shù)總體呈波動下降趨勢，由圖可知，采用最小二乘法計算冰雹日數(shù)的線性變化趨勢，鄂爾多斯市冰雹日數(shù)以3 d/10 a的趨勢遞減。直至2016年又出現(xiàn)了一個小高峰。其中1967年冰雹日數(shù)最多，為33 d，其次是1976年和1985年都為30 d，冰雹日最少的是1995年和2007年，冰雹日僅為3 d。

圖3 1961年—2018年鄂爾多斯市年際變化分布

4.2 冰雹年代變化特征

1961年—2018年，鄂爾多斯市冰雹日數(shù)的年代變化比較明顯，全市58 a平均每年出現(xiàn)15.1個冰雹日。20世紀(jì)80年代是冰雹日出現(xiàn)最多時期，冰雹總數(shù)為216 d，占冰雹總數(shù)的23.5%；其次是1961年—1969年和70年代為多冰雹時期，年平均冰雹日數(shù)分別為22.0 d和21.6 d，分別占冰雹總數(shù)的21.5%和20.2%；21世紀(jì)00年代和2010年—2018年為冰雹少時期，年平均冰雹日數(shù)分別為7.8 d和6.8 d；進(jìn)入21世紀(jì)，降雹日數(shù)明顯減少，總體呈現(xiàn)減少的趨勢。

4.3 冰雹日數(shù)突變分析

利用Mann-Kendall方法對1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹氣候序列進(jìn)行突變性檢驗。M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，序列隨機獨立，UF線為順序統(tǒng)計量曲線，UB線為逆序統(tǒng)計量曲線。當(dāng)UF線與UB線在a=0.05的檢驗水平臨界值U±1.96之間有交點且交點之后，其中的一條線超過顯著性水平檢驗臨界值時，說明該點即為突變點。當(dāng)UF值大于零時說明序列為上升趨勢，小于0時則說明為下降趨勢[10]。由圖4可見，UF線1963年—1971年大于0，說明冰雹日數(shù)在這段時間呈上升趨勢；在1974年—1987年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)有下降的趨勢；在1994年和1996年UF線和UB線出現(xiàn)交點，且1997年之后，UF線超過了a=0.05的顯著性水平檢驗臨界值，說明鄂爾多斯市冰雹日數(shù)在1996年發(fā)生突變，即1996年是冰雹日數(shù)的氣候突變年份，表明鄂爾多斯市冰雹日數(shù)在1996年后下降趨勢顯著。

圖4 1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計曲線

4.4 冰雹日數(shù)周期分析

氣候系統(tǒng)是多時間尺度系統(tǒng)，Morlet小波具有多時間尺度分析的特征，不同時間尺度下的小波系數(shù)可以反映出系統(tǒng)在該時間尺度下的變化特征，是一種時域-頻域的分析，能更清楚地看到各周期隨時間的變化情況[11]。采用Morlet小波分析對1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)周期變化進(jìn)行分析，淺色部分為降雹偏多期，深色部分為降雹偏少期，小波系數(shù)絕對值越大，表明該時間尺度變化越顯著。

由圖5可以看出，近58 a鄂爾多斯市冰雹日數(shù)存在顯著的15 a～20 a的年代際尺度周期變化，15 a～20 a周期振蕩在整個時間序列基本存在；冰雹日數(shù)表現(xiàn)最明顯的時段為1961年—1970年為降雹偏多期，1971年—1982年為降雹偏少期，1983年—1992年為降雹增多期，1993年—2005年為降雹偏少期，2006年—2018年為降雹偏少期；2002年及以后存在準(zhǔn)11 a年際尺度周期變化，呈偏多—偏少—偏多變化。

圖5 1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)Morlet小波系數(shù)實部

5 結(jié)論

本研究通過對鄂爾多斯市1961年—2018年11個氣象站的降雹觀測資料對鄂爾多斯市冰雹的時空變化特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究得到以下結(jié)論：①鄂爾多斯市降雹持續(xù)時間大部分在0～5 min以內(nèi)，占降雹總次數(shù)的52.33%，并且隨著持續(xù)時間的增加，降雹次數(shù)相對應(yīng)的呈減少趨勢。②鄂爾多斯市東北部降雹出現(xiàn)日數(shù)較多，西南部較少，降雹日數(shù)空間分布呈“東北向西南依次遞減”的特點，說明地形對鄂爾多斯市降雹起著重要作用。③降雹主要分布在14-18時，降雹概率為57.7%，其中14時—16時的降雹概率為30.92%；14時—16時是鄂爾多斯市降雹概率最大時段。④夏季是鄂爾多斯市降雹的主要季節(jié)，全年冰雹日數(shù)呈先增加后減的趨勢，從3月開始冰雹日數(shù)逐漸增加，8月冰雹達(dá)到峰值，9月冰雹日數(shù)開始逐漸減少。夏季降雹最多，秋季、春季次之，冬季沒有降雹。⑤鄂爾多斯市冰雹日數(shù)以3 d/10 a的趨勢遞減。全市58 a平均每年出現(xiàn)15.1個冰雹日。20世紀(jì)80年代是冰雹日出現(xiàn)最多時期，冰雹總數(shù)為216 d，占冰雹總數(shù)的23.5%。⑥近58a鄂爾多斯市冰雹日數(shù)年際變化比較顯著，15 a～20 a周期振蕩在整個時間序列基本存在；冰雹日數(shù)表現(xiàn)最明顯的時段為1961年—1970年為降雹偏多期，1971年—1982年為降雹偏少期，1983年—1992年為降雹增多期，1993年—2005年為降雹偏少期，2006年—2018年為降雹偏少期；2002年及以后存在準(zhǔn)11 a年際尺度周期變化，呈偏多—偏少—偏多變化。1996年是冰雹日數(shù)的氣候突變年份，表明鄂爾多斯市冰雹日數(shù)在1996年后下降趨勢顯著。