青海省東部農業區近60 a降雹特征及其致災危險性

林春英，王啟花，李紅梅，郭 強，侯永慧，周萬福，張莉燕

（1. 青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧 810001；2. 青海省氣候中心，青海 西寧 810001；3. 青海省西寧市氣象局，青海 西寧 810003）

引 言

冰雹是由暖背景下強對流系統引發的一種破壞性極大的天氣現象［1］，局地性強、持續時間短，瞬間會對農作物造成較大危害［2］，其致災危害程度與降雹直徑和持續時間等有關。不同區域每年都會發生不同程度的雹災，掌握降雹分布特征及其致災危險性，是冰雹預報、預警和人工防雹作業的關鍵。

降雹及其災害的發生具有明顯的地域性和季節特征。陸地夏季降雹發生頻率較髙［3-4］，其中美國、俄羅斯和中國是降雹災害較為嚴重的國家［5］。研究發現中國降雹日數1980年后顯著下降，青藏高原、新疆天山地區、東北大小興安嶺和長白山地區、云貴高原及黃土高原山地區域是雹災主要分布區［6-10］。隨著人工防雹工作需求增大，降雹災害風險評估與區劃成為研究熱點，致災因子的危險性、承災體的脆弱性和暴露度是災害風險評估要素［11-12］，其中致災危險性是災害風險產生的直接誘因，是災害風險評估的基礎，而降雹直徑和持續時間是衡量降雹災害程度的重要因素［10］，研究表明降雹直徑越大、持續時間越長，造成的災害越大［10，13-16］，致災危險越大。

1 資料與方法

1.1 觀測數據

青海省東部農業區包括門源、大通、湟中、湟源、平安、樂都、互助、民和、循化、化隆、尖扎和同仁12個縣（區），由于平安區1989年后才有降雹觀測資料，為了保證數據分析的連續性，選取青海省氣候中心提供的1961—2020 年除平安區外的其他11 個縣（區）的降雹日、降雹直徑和降雹持續時間等資料。

單站年累計降雹日數為年內發生降雹日數的總和；區域降雹直徑為一年中區域內所有站點降雹直徑之和除以降雹總次數，站點降雹直徑為所有單次降雹直徑之和除以降雹總次數；區域降雹持續時間是區域內站點所有降雹持續時間之和除以降雹總次數，站點降雹持續時間為各站點所有單次降雹時間之和除以降雹總次數。

1.2 方 法

1.2.1 滑動t檢驗

滑動t檢驗是考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變，序列是否出現過突變，依據t統計量曲線上的點是否超過tα值來判斷，如出現突變，確定出大致的突變時間。具體公式［19］如下：

1.2.2 降雹指數

根據降雹直徑和降雹持續時間計算降雹指數，降雹指數能較好地表征降雹災害的實際情況［17］，具體計算公式如下：

式中：H是降雹指數；D（mm）是降雹直徑；T（min）是降雹持續時間。

全社會共同參與是智慧城市建設是否能取得最大成效的關鍵點［3］。揚中市開展智慧城市建設以來，忽視宣傳和推廣工作，建設主體限定于政府和市場，市民參與度低，如此揚中市智慧城市建設將有脫離群眾需求的風險，也就無法真正做到讓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，做好宣傳推廣工作，獲取社會各界尤其是群眾的參與和支持成為當務之急。

1.2.3 降雹致災因子強度出現頻率

不同等級降雹致災因子（臨界氣象條件）強度出現頻率［17］計算公式如下：式中：fi是第i級的降雹致災因子強度出現頻率，xi是在統計時段Y（a）內第i等級的降雹致災因子強度出現次數，Y要求在30 a以上。

1.3 數據分析與整理

采用Microsoft Excel 2010 和Matlab 2016a 對降雹數據進行處理，利用Surfer11軟件繪制降雹時空分布和致災危險性區劃圖，用Origin2018繪制降雹日數年、月、日及降雹直徑和降雹持續時間特征分布圖。

文中涉及的青海省東部農業區縣（區）行政邊界基于青海省自然資源廳官網下載的審圖號為青S（2018）004號的標準地圖制作，底圖無修改。

2 結果與分析

2.1 降雹空間分布特征

1961—2020 年青海東部農業區11 個氣象站共有降雹記錄2780 d，年平均降雹日數為46.33 d。從圖1（a）可以看出，1961—2020 年各縣（區）觀測點降雹分布很不均勻，其中化隆縣降雹次數最多，降雹日數高達549 d，其次為互助、門源和大通，降雹日數分別為398、393和362 d，尖扎降雹日數最少，僅為73 d。由此可知，青海省東部農業區西北部地區雹日較多，東南部地區降雹日較少，呈現出西北多東南少的區域分布特征。這是由于降雹云移動受對流層引導氣流和地形走向影響，東部農業區山脈多呈西北—東南向［10］，地形對降雹影響較大。從各縣（區）降雹日數變化趨勢空間分布［圖1（b）］看，東部農業區各縣（區）降雹日數出現次數均呈顯著減少趨勢，傾向率為-0.24~-2.48 d·（10 a）-1。其中門源、互助、大通和化隆減少最明顯，減少趨勢通過α=0.001 的顯著性檢驗；尖扎減少幅度最小，其傾向率為-0.28 d·（10 a）-1，通過α=0.05的顯著性檢驗。綜上所述，青海省東部農業區降雹日數總體呈明顯減少趨勢，降雹日數在空間分布上大體呈現為西北多東南少，高海拔地區降雹日數多于低海拔地區的分布特征。

圖1 1961—2020年青海省東部農業區降雹日數（a，單位：d）及其變化趨勢［b，單位：d·（10 a）-1］空間分布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 降雹日數隨海拔變化

降雹的出現不僅與天氣系統有關，而且受地形和地貌影響很大。研究表明，多雹區位于海拔較高、地形復雜的山區［20-26］。圖2 為1961—2020 年青海省東部農業區不同海拔范圍內年降雹日數的箱線圖?？梢钥闯?，1800~2100 m 海拔帶內年降雹日數平均1.51 d，最大值為5 d；2100~2400 m海拔帶內年降雹日數平均4.55 d，最大為10 d；2400~2700 m海拔帶內年降雹日數平均5 d，最大值為14 d；2700~3000 m 海拔帶內年降雹日數平均7.86 d，最大值為18 d，且2700~3000 m 海拔帶內年降雹日數箱體較長，說明東部農業區站點海拔越高，降雹次數波動越大。東部農業區降雹日數和海拔高度呈顯著正相關，相關系數高達0.97（通過α=0.05 顯著性檢驗），降雹日數隨海拔升高而增加。這是因為在地勢高、地形復雜的山區，冷空氣過后殘余冷空氣堆積在山谷，易形成山谷風，在水汽比較充足的條件下容易出現降雹天氣［10，18］。

圖2 1961—2020年青海省東部農業區不同海拔范圍內年降雹日數箱線圖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 年降雹日數的長期變化

1961—2020年東部農業區年降雹總日數呈明顯減少趨勢，傾向率為-11.6 d·（10 a）-1［圖3（a）］，通過α=0.05 的顯著性檢驗，其中1973 年降雹日數最多，為104 d，2020 年降雹日數最少（11 d）。東部農業區降雹日數有明顯的年代際變化特征，20世紀90年代以前年降雹日數較多，之后降雹日數急劇下降，呈減少趨勢。東部農業區降雹日數的年際和年代際變化總體呈下降趨勢，與青藏高原川西南山地［26］、西藏那曲市［27］和青海?。?7-18］降雹年際變化趨勢一致。

1995 年后降雹日數距平由正轉負［圖3（b）］。從降雹日數5 a滑動t檢驗［圖4（a）］看出，自1961年以來，t統計量有一處超過α=0.01顯著性水平，說明東部農業區降雹日數在近60 a 出現過一次突變（出現在2003 年）。從降雹日數累積距平［圖4（b）］看，1961—2020年青海省東部農業區降雹日數年變化具有明顯的階段性，降雹日數序列可分為兩個時段，1961—1995 年降雹累積距平呈增加趨勢，1996—2020年降雹累積距平呈減少趨勢。

圖3 東部農業區1961—2020年降雹日數（a）及其距平（b）年際變化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

圖4 青海省東部農業區降雹日數5 a滑動統計量曲線（a）及降雹日數累積距平（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 降雹日數月變化

從東部農業區各月降雹日數年際變化（圖5）看，1961—2020 年降雹主要出現在4—10 月，11 月至次年3 月各測站均未出現降雹，且4—10 月降雹日數呈減少趨勢。降雹月際變化為單峰型，5—9 月為降雹高發期，降雹日數為2617 d，占年降雹日數的94.13%，4 月和10 月降雹日數分別為77 d 和86 d，占年降雹日數的2.77%和3.09%（圖6）。

圖5 青海省東部農業區1961—2020年各月降雹日數年際變化（單位：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）

圖6 青海省東部農業區1961—2020年各月降雹日數及其傾向率Fig.6 Monthly variation of hail days and their linear trends in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

降雹日數存在季節性差異的原因可能是5—9月太陽輻射增強，大氣層結不穩定，對冰雹云的能量積累有利［28］，易發生降雹天氣。特別是7月，大氣升溫快且層結極不穩定［29］，更易產生降雹天氣。此外，春末夏初冷暖空氣活動比較頻繁，容易形成降雹天氣，而入秋以后，隨著西太平洋副熱帶高壓東退和太陽輻射減弱［18］，大氣層結慢慢趨于穩定，降雹日數急劇減少。

2.5 降雹日數日變化

圖7為1961—2020 年東部農業區逐時降雹日數占總降雹日數的百分比變化?？梢钥闯?，降雹日數從11：00 開始呈上升趨勢，峰值出現在午后16：00，約占總降雹日數的17.46%。11：00—20：00的降雹日數明顯多與早晨和夜間，這是因為該時段氣溫高、太陽輻射強、感熱輸送強、溫度垂直遞減率大、對流發展旺盛，產生的不穩定能量大，易滿足冰雹所需強上升條件要求，易生成強對流天氣和雹云云體［30］，而早晨和夜間太陽輻射弱、大氣層結穩定，不易發生對流天氣，故降雹過程很少。

圖7 1961—2020年青海省東部農業區逐時降雹日數占總降雹日數百分比變化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 降雹直徑和持續時間分布

東部農業區11個測站降雹直徑差別較大，平均降雹直徑為6.62 mm。各測站最小降雹直徑為1 mm，最大降雹直徑55 mm 出現在民和縣。由于對流云尺度、移速和對流云相對于測站的位置有差異，東部農業區各測站降雹持續時間差別也較大，最短為1 min，最長為61 min，平均6.20 min。從表1可以看出，民和站降雹直徑最大，平均直徑為11.75 mm，其次為樂都站，平均直徑為8.24 mm；降雹持續時間最長為化隆站（9 min），其次為湟中，平均降雹時間為7.36 min。降雹造成的災害影響因素較多，除與作物品種和發育期有關外，與降雹持續時間和降雹直徑關系密切［10，31-33］。本研究民和和樂都降雹直徑較大，化隆和門源降雹持續時間長，故這些地區造成的災害也相對較嚴重。

表1 1961—2020年青海省東部農業區測站平均降雹直徑和持續時間統計Tab.1 Statistics of hail diameter and duration in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

對青海省東部農業區1961—2020 年歷次降雹過程進行統計，降雹直徑D<6 mm、6 mm≤D<8 mm、8 mm≤D<10 mm、10 mm≤D<18 mm 和D≥18 mm 的降雹占比分別為58.33%、17.05%、11.63%、10.52%和2.47%；降雹持續時間T<9 min、9 min≤T<13 min、13 min≤T<20 min、20 min≤T<29 min和T≥29 min的降雹占比分別為73.55%、12.29%、9.05%、3.51%和1.58%。由此可見，青海省東部農業區小雹過程較多，這是因為該地區雖下墊面復雜，對流頻繁，但由于海拔高、氣溫低，深處內陸腹地，單位氣柱含水量較少，對流上升強度也較弱，地形云空間尺度?。?0，17］，因而所降雹塊也較小，小雹過程多，大雹過程少。

圖8為東部農業區11 縣（區）60 a 降雹直徑頻數和降雹持續時間頻數分布。東部農業區11 測站降雹直徑D<6 mm的無風險降雹多，除民和外，其余10個測站其頻數超過50%；東部農業區11 測站降雹持續時間T<9 min 的無風險降雹多，各測站頻數均超過60%。統計各縣（區）各區間內降雹直徑，同仁D<6 mm 降雹頻數最大為70.97%，民和最小為33.33%；6 mm≤D<8 mm 最 大 頻 數 出 現 在 大 通（18.50%），最小出現在循化（6.67%）；8 mm≤D<10 mm 最大頻數出現在循化（17.78%），最小出現在樂都（2.63%）；10 mm≤D<18 mm 最大出現在民和（41.67%），最小出現在同仁（4.30%）；D≥18 min 最大頻數出現在樂都（10.53%），尖扎未出現D≥18 mm 的降雹天氣。統計東部農業區各縣降雹持續時間，T<9 min 最大頻數出現在循化為85.71%，最小在化隆為65.49%；9 min≤T<13 min 最大頻數出現在門源（15.18%），最小在尖扎（5.17%）；13 min≤T<20 min最大頻數出現在樂都（13.09%），循化未出現此類降雹天氣；20 min≤T<29 min 最大頻數出現在化?。?.04%），樂都、民和未出現；T≥29 min 最大頻數出現在化?。?.31%），而互助、樂都、民和、尖扎和循化5縣未出現持續29 min以上的冰雹天氣。由圖8和表1可知，青海省東部農業區降雹持續時間較長的站主要集中在西北部海拔較高地區，降雹直徑較大的站主要集中在東部海拔較低地區，這與馮曉莉等［18］研究發現青海降雹直徑隨海拔升高呈減小趨勢，降雹持續時間隨海拔升高呈增加趨勢的結論一致。由此可見，海拔高度差異對東部農業區的11站降雹直徑的大小和降雹持續時間的影響很大。

圖8 1961—2020年青海省東部農業區11站降雹直徑觀測值（a）和持續時間（b）不同區間頻數分布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 東部農業區致災危險性區劃

依據青海省降雹指數閾值［17］劃分致災危險性：H<78 為無危險，78≤H<87 為輕危險，87≤H<108 為中危險，108≤H<160為高危險，H≥160為特高危險。統計1961—2020 年東部農業區11 測站各級降雹災害危險出現頻率，利用Sufer 進行空間插值，得到降雹危險性區劃圖（圖9）?？梢钥闯?，東部農業區降雹輕危險出現頻率為1.09%~7.62%，主要位于循化；中危險頻率為2.12%~5.26%，化隆、湟中、湟源等站危險性較高；高危險頻率為2.54%~16.12%，特高危險頻率為3.30%~16.13%，主要位于樂都。

圖9 青海省東部農業區降雹致災危險性區劃Fig.9 The hazard zoning of hail disaster in the eastern agricultural area of Qinghai Province

3 結論與討論

（1）青海東部農業區降雹天氣具有明顯的空間差異，降雹次數呈現出西北多東南少的區域分布特征，其中化隆、門源和互助降雹較多，尖扎降雹最少。降雹日數與海拔高度呈正相關，相關系數高達0.97。

（2）近60 a 降雹日數以11.6 d·（10 a）-1的趨勢顯著下降，且1995 年后降雹總日數距平由正轉負；20世紀90年代以前年降雹日數較多，之后降雹日數急劇下降，呈減少趨勢。

（3）青海東部農業區降雹集中出現在4—10 月，且日變化明顯，午后12：00—18：00時段降雹次數較多，峰值出現在16：00。

（4）東部農業區冰雹直徑小于6 mm和降雹持續時間小于9 min 降雹過程較多，分別占總降雹日數的58.33%和73.55%，民和降雹直徑最大，化隆降雹持續時間最長。

（5）樂都為高或特高危險區，化隆、湟中、湟源是降雹中危險區，循化為降雹低危險區。

1961—2020年青海省東部農業區降雹日數年際和年代際變化呈減少趨勢，進一步證實了劉彩紅等［17］和馮曉莉等［18］對該區域降雹日數呈顯著減少的研究結果。在氣候變暖背景下，降雹日數減少主要是因為南北緯氣溫梯度下降、大氣環流減弱［8，34］及大氣風速減弱［34］造成。此外，氣溫升高使得0 ℃層高度升高，冰雹融化空間距離變大［18］，對冰雹的融化作用就越明顯［35］，而東部農業區降雹天氣以小雹天氣為主，氣溫升高使得站點觀測到的降雹日數減少。同時，針對雷暴天氣的人工防雹作業通過爆炸波來影響云中氣流，使雹粒提前降落或變軟等，抑制或減少冰雹出現，可能也使降雹日數減少［36］。青海省東部農業區地勢西高東低，降雹日數和海拔高度呈顯著正相關，從動力學角度看，海拔高度增加，氣流強迫抬升增強，水汽輻合加強，更易形成對流，有利于冰雹形成［37］。降雹災害形成原因有很多，既包括地面積雹深度、直徑大小和持續時間，又涵蓋作物的品種和作物發育期，本文在研究致災危險性時主要考慮了降雹直徑和持續時間，其他方面還未涉及，后期將注重相關資料收集，以便進一步加深研究。