1961—2020年貴州冰雹氣候特征

羅喜平，廖 波，張小娟，崔 蕾，羅 雄

（1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；2.貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002）

引 言

冰雹是從發展強盛的積雨云中降落到地面的堅硬球狀、錐形或不規則的固態降水，是一種季節性明顯、局地性強，且來勢兇猛、持續時間短，以機械性傷害為主的災害性天氣［1］。冰雹是我國的重要災害性天氣之一，全國各地均有發生［2］，同時，冰雹對農業、重大工程等社會生產及人民生命財產安全構成嚴重威脅。長期以來關于中國冰雹的氣候特征取得了一些研究成果，如孔鋒等［3］研究表明，1961—2016年中國年均單站冰雹日數呈明顯減少趨勢，空間分布上呈現高原和山區較多、平原較少的特征；但冰雹局地性強，各地冰雹氣候特征差異明顯，季節變化上，內陸地區如云南省大部分地區、湖南省、川西南山地、渝東南地區冰雹均主要集中在2—5月，6—8月為次多發期［4-7］，吉林省5—6月是冰雹的多發期，7—9月為次多發期［8］；而沿海地區如大連則是秋季發生冰雹的概率最高，春季次之［9］。日變化上，白天發生冰雹的概率大于夜間，尤其集中在午后到傍晚時段［6，8-11］，具體表現為北京地區、吉林省在午后到傍晚前后［8，10］，山西省在傍晚前［11］，川西南山地在傍晚后［6］，而大連則是在中午前后［9］，但也有個別地區冰雹主要發生在夜間，如中國天眼所在地的貴州省平塘縣，夜間降雹頻率為63.9%［12］。

受冷暖氣流頻繁交匯和局地氣候以及地形地貌影響，冰雹是貴州春季主要的災害性天氣之一［13］，國內學者圍繞貴州典型冰雹個例的天氣成因［13-15］及貴州冰雹云的雷達［16］、衛星［17］特征及冰雹過程的閃電活動特征［18］開展了系列研究，為冰雹的監測預警預報提供了理論支撐和科學依據。但對貴州省冰雹的氣候特征少有涉及，僅周永水等［19］利用貴州省1971—2007年觀測站有記錄的實測冰雹資料，研究了冰雹時空分布特征，表明貴州省冰雹主要分布在中部以西地區，季節及日變化與全國大部分地區相似，春季冰雹最多，冰雹主要發生在午后到傍晚；但此研究僅基于2007年之前的歷史資料，氣候變化對貴州各地年、月、日的冰雹特征有什么影響？各地冰雹的月頻率、日頻率、冰雹直徑、首末次降雹出現時間等，是合理安排每年出炮撤炮時間、彈藥分配、重點防雹時段等人工防雹作業的重要依據，對于貴州開展防雹減災工作意義重大。

本文利用貴州省84個國家級氣象觀測站（簡稱“觀測站”）1961—2020年逐日冰雹資料，重點對人工防雹工作所關注的冰雹氣候特征進行全面分析，并提出相應的人工防雹對策，旨在為今后優化作業點布局及提高人工防雹的有效性和科學性提供參考，同時可為貴州威寧建立國家級冰雹防控外場試驗基地提供冰雹氣候背景基礎。

1 資料和方法

所用降雹資料為1961—2020年貴州省84 個觀測站（圖1）的逐日冰雹資料，進行時空分布特征分析；另外選取白天、夜間均有冰雹詳細記錄的19 個觀測站（威寧、盤縣、桐梓、習水、遵義、湄潭、思南、銅仁、黔西、安順、貴陽、凱里、都勻、三穗、興仁、望謨、羅甸、獨山、榕江）進行日變化、冰雹直徑、一次降雹持續時間等分析。

圖1 貴州省地理分區及84個觀測站分布Fig.1 Geographical division of Guizhou Province and distribution of 84 meteorological observation stations

規定某觀測站一日（20：00—20：00，北京時，下同）中有一次或多次降雹現象則記錄該站為1 個冰雹站次，一日內全省冰雹站次Nh≥1站次定為一個冰雹日；一日內冰雹站次Nh≥10 站次的過程稱為區域性冰雹天氣過程，其中，Nh≥20 站次稱為大范圍區域性降雹天氣過程；Nh≥3 站次的過程稱為系統性冰雹天氣、Nh＜3站次的過程為局地性冰雹天氣。

根據冰雹等級國家標準［20］，用D表示冰雹直徑，當D＜5 mm 時為小冰雹、5 mm≤D＜20 mm 時為中冰雹、20 mm≤D＜50 mm 時為大冰雹、D≥50 mm時為特大冰雹。

季節劃分：春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至次年2月。

文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網下載的審圖號為GS（2017） 3320號的標準地圖制作，底圖無修改。

2 冰雹日數時空變化

2.1 空間分布

圖2為1961—2020年貴州年平均冰雹日數空間分布?？梢钥闯?，年平均冰雹日數最多在黔西南州的晴隆縣，達2.9 d，其次是六盤水市水城縣為2.7 d，而最少在遵義市的赤水市，僅0.2 d；全省呈現西多東少、中部多南北少的特征，與貴州“西高東低、中部高南北低”特殊地形一致，海拔高處地形起伏大、植被分布不均，下墊面白天升溫劇烈，有利于對流的發生發展，易產生降雹天氣。

圖2 1961—2020年貴州省年平均冰雹日數空間分布（單位：d）Fig.2 The spatial distribution of annual average hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020 （Unit：d）

貴州84 個觀測站年平均冰雹日數與海拔高度呈顯著正相關，相關系數為0.78，且通過α=0.001的顯著性檢驗，說明海拔越高，降雹越多，從貴州84個觀測站海拔高度與年平均冰雹日數對應圖（圖3）也可明顯看出此規律。從動力學的角度分析，山的高度增加，氣流強迫抬升增強，水汽輻合也加強，有利于冰雹的形成。

圖3 貴州省觀測站海拔高度與年平均冰雹日數（站點序號隨海拔高度的降低而增大）Fig.3 The altitude of surface meteorological observation stations and the annual average hail days in Guizhou Province（The serial number of stations increase with decreasing altitude）

圖4為貴州省1961—2020年四個季節平均冰雹日數空間分布?？梢钥闯?，貴州冰雹空間分布存在明顯的季節差異，貴州省大部分地區冰雹集中在春季，其次是冬季，夏秋兩季全省冰雹日數相對較少，與川西南山地、渝東南、吉林等內陸地區［6-8］冰雹的多發期在春季和夏季有差異。春季、夏季、秋季多冰雹區均出現在貴州西部地區，但冬季多冰雹區分布與其他季節有較大差異，主要分布在中部及其以南地區。春季平均冰雹日數空間分布與年平均冰雹日數空間分布（圖2）類似，即西多東少、中部多南北少的特征，冰雹日數最多的依然是西部地區，為1.0～1.9 d，以晴隆縣1.9 d 為最多，而北部的赤水市最少，僅0.1 d；夏季貴州西部也是多雹區，日數為0.1～0.4 d，中東部大部分地區日數在0.1 d 以下，而南部、東部、北部部分地區為無雹區；秋季平均冰雹日數空間分布與夏季類似，只是比夏季更低，多雹區仍然在貴州西部，多雹中心向西北收縮，威寧縣的0.4 d 為最多，而無雹區范圍較夏季大；冬季與其余三個季節的差異最大，全省除西北部的赤水市無雹外，其余均可出現冰雹天氣，多雹區主要分布在中部及其以南地區，以銅仁市萬山特區的0.7 d最大。

圖4 貴州省1961—2020年四個季節平均冰雹日數空間分布（單位：d）（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.4 Spatial distribution of average hail days in four seasons in Guizhou Province from 1961 to 2020 （Unit：d）（a） spring，（b） summer，（c） autumn，（d） winter

區域性冰雹天氣過程以塊狀分布為主。近60 a全省區域性冰雹天氣過程有63次，繪制了這63次過程的降雹空間分布（圖略），降雹的空間分布有塊狀分布、帶狀分布、零星站點分布，其中以塊狀分布為多見。區域性冰雹天氣過程，雹帶時寬時窄，偶爾也會出現不連續分布的現象，查看近10 a 區域性冰雹天氣過程的雷達回波演變，降雹的分布與冰雹云的空間尺寸、強度、形態及雹云單體個數息息相關。

2.2 時間變化

2.2.1 年際及年代際變化

圖5為1961—2020年貴州省冰雹日數的年際變化?？梢钥闯?，近60 a累計冰雹日數共計2146 d，平均每年35.8 d，貴州省冰雹日數的年際波動較大，多發年和少發年交替出現，1982年出現歷史極大值59 d，1999、2010、2012年出現歷史最小值僅14 d。近60 a 貴州冰雹日數呈減少趨勢，每10 a 減少3.645 d，且通過α=0.01 的顯著性檢驗，與湖南、川西南山地、大連、山西［5-6，9，11］等地區減少趨勢一致。貴州冰雹日數在1960—1980年代維持在較高水平（年平均冰雹日數大于等于40.0 d），1990年代以后呈明顯下降趨勢，但2020年卻異常增加達48.0 d。在年代際變化上，貴州各年代冰雹日數從大到小依次是1970年代、1960年代、1980年代、1990年代、2000年代、2010年代，分別為43.0、42.4、40.2、32.5、29.7、26.8 d。查看近60 a 2146個冰雹日的降雹站次，發生大范圍區域性降雹天氣過程有6次，有3次均出現在近15 a，分別是2007年3月17日（30站次）、2009年3月1日（22站次）、2013年3月23日（21站次），說明在貴州年冰雹日數呈明顯減少趨勢的背景下，冰雹天氣的影響范圍有增大趨勢。

圖5 1961—2020年貴州省冰雹日數的年際變化Fig.5 Inter-annual variation of hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020

圖6為近60 a 貴州省年冰雹日數氣候趨勢變化率空間分布，全省僅8 個觀測站為正值，其余76 個觀測站均為負值?？梢?，貴州冰雹日數變化總體呈減少趨勢，其中銅仁市萬山特區減少趨勢最為顯著，每10 a減少0.786 d，其次是黔西南州晴隆縣、畢節市大方縣每10 a分別減少0.543、0.533 d，而冰雹日數呈上升趨勢的8 個觀測站，均未通過α=0.1 的顯著性檢驗。

圖6 1961—2020年貴州省冰雹日數氣候傾向率［單位：d·（10 a）-1］Fig.6 The climate tendency rate of hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020 （Unit：d·（10 a）-1）

2.2.2 月際變化

按照貴州省地理區劃①貴州省科技與預報處貴州省氣象預報用語地理區劃.黔氣預函〔2020〕18號.，將貴州分為5 個子區域，分別為東北部、西北部、中部、西南部、東南部（圖1）。圖7為1961—2020年貴州省及各子區域冰雹日數百分比月際分布。就全省而言，冰雹日數主要集中在2—5月，2—5月冰雹日數占全年總冰雹日數的85.0%，尤以4月為最盛；9月及12月最少，兩個月共占1.5%。中部、東南部、西南部冰雹日數的月際變化均呈單峰型分布，冰雹日數集中月份與全省一致，即在2—5月，均占全年冰雹日數的80.0%以上，其中西南部和中部以4月居多、東南部則以3月居多。東北部冰雹日數的季節變化呈雙峰型分布，2—4月為冰雹多發期，3個月的總冰雹日數占全年冰雹日數的71.0%，3月為主波峰，5—8月減少，9—10月無冰雹出現，11—12月又有所增加，12月為次波峰；西北部冰雹日數分布情況與省內其余地區差異較大，冬季冰雹日數僅1 d，春季冰雹日數最多，夏季與秋季冰雹日數相當，3—6月冰雹日數最多，占69.0%，但相比其他地區而言，3月的冰雹日數明顯偏少，4—5月冰雹日數最多，7月明顯減少，8—11月冰雹日數為一年中又一個集中時段，占比29.0%，冰雹日數的季節變化也呈雙峰型分布，5月為主波峰、10月為次波峰。

圖7 1961—2020年貴州省及5個子區域冰雹日數百分比月際分布Fig.7 Monthly distribution of percentage of hail days in Guizhou Province and five sub regions from 1961 to 2020

2.2.3 日變化

圖8為1961—2020年貴州降雹頻率日變化。貴州19 個觀測站共出現1756 次降雹，平均到一天中每小時出現73.2 次降雹，全天降雹呈現單峰形態，13：00 開始陡然增加，18：00—19：00 達到峰值（11.5%），為降雹頻率最大時段，之后降雹頻率逐步下降至07：00—08：00 的0.5%，05：00—13：00 降雹頻率均少于1.0%。出現在白天（08：00—20：00）的降雹頻率略大于夜間（20：00至次日08：00），其中降雹主要集中在14：00至次日02：00，該時段冰雹記錄共1500 次，占總次數的85.4%，貴州的日降雹特征與劉曉璐等［6］分析的川西南山地冰雹的日變化特征一致，午后由于太陽輻射加強，氣溫升高、氣壓下降，近地層大氣容易產生熱力不穩定，出現中小尺度的強對流天氣，發生降雹天氣，而午夜至早晨大氣層結穩定，不易發生對流，說明熱力條件是冰雹發生的重要因素。

圖8 1961—2020年貴州降雹頻率日變化Fig.8 Diurnal variation of hail frequency in Guizhou from 1961 to 2020

但是降雹的日變化存在地域差異，從單個觀測站的降雹頻率日變化（圖略）分析，貴州西部地區降雹主要發生在白天，而中東部地區降雹主要發生在夜間，自西北向東南降雹發生在白天的頻率逐步降低。本文以西北部的威寧及東南部的榕江為例進行對比分析，威寧降雹出現在白天的頻率為85.6%，主要集中在13：00—20：00，而夜間降雹頻率為14.4%，其中01：00—11：00 降雹頻率僅占2.4%；東南部的榕江全天除10：00—11：00 沒有出現過冰雹外，其余時段均有冰雹發生，但夜間降雹的頻率達72.0%，以20：00—22：00 出現的降雹頻率最高為24.4%，日變化相比西北部的威寧降雹集中程度相對分散，呈多峰型分布，峰值分別出現在20：00—22：00、02：00—04：00、17：00—18：00，頻率依次為24.4%、14.6%、6.1%。降雹日變化的地區差異與影響貴州的冰雹路徑有關系，貴州屬于西風帶系統，大部分冰雹云的移動路徑自西向東移動，因此一天中西部地區降雹往往早于東部，加強西部地區的冰雹云監測及移動路徑研判，同時掌握各地的日變化特征和降雹峰值時間，對人工防雹具有重要意義。

3 冰雹特征

3.1 對流性特征

分別統計近60 a 局地性和系統性冰雹天氣日數，近60 a 貴州共2146 個冰雹日中，系統性冰雹天氣有689 個，占全部冰雹日的32.1%，局地性冰雹天氣共有1457 個，占67.9%，這與黃艷等［21］得出的新疆喀什地區局地性冰雹天氣明顯多于系統性冰雹天氣的結論吻合。局地性和系統性冰雹天氣日數兩者呈顯著正相關，相關系數達0.48，即局地性冰雹天氣多的年份系統性冰雹天氣也較多（圖9）。系統性冰雹天氣的產生是在一定大尺度天氣形勢下發生發展的，往往造成較大面積的嚴重災害；而局地性冰雹天氣是在中小尺度擾動下，由于地形抬升，產生熱對流形成的，貴州局地性冰雹天氣多于系統性冰雹天氣，而局地性冰雹天氣預報難度大，人工防雹作業的準備時間往往不夠，導致人工防雹的難度比平原省份大。

圖9 1961—2020年貴州局地與系統性冰雹日數年際分布Fig.9 The inter-annual distribution of local hail and systematic hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020

3.2 首次、末次冰雹出現時間

繪制近60 a貴州首次及末次冰雹平均出現時間（圖10），從首次冰雹平均時間可知，貴州首次出現冰雹的時間自東向西推進，最早是黔東南州錦屏縣2月下旬開始，最晚是畢節市威寧縣5月中旬，首次冰雹的平均時間除遵義市大部、畢節市大部、銅仁市局地在4月上旬及之后外，貴州其余大部分地區在2月下旬至3月下旬；而末次冰雹平均出現時間自東向西依次結束，東部地區末次冰雹為3月下旬，西部地區在5月中旬至7月下旬才依次結束，其余地區在4月上旬至5月上旬之間，黔東南州黎平縣3月21日結束最早，畢節市威寧縣7月24日最晚結束，即東部地區冰雹開始早結束也早、西部地區開始晚結束也晚。分析平均持續時間，西部地區長達2 個多月，而東部地區不足1 個月，這也是貴州年冰雹日數西部多于東部的原因，貴州西部地區全年的防雹任務相對更重。

圖10 1961—2020年貴州省首次（a）及末次（b）冰雹平均出現時間空間分布Fig.10 The spatial distribution of the average appearance time of the first （a） and last （b） hail in Guizhou Province from 1961 to 2020

3.3 冰雹直徑

從收集到691 條冰雹直徑記錄，按照冰雹等級［20］繪制全省19 個觀測站冰雹直徑降雹頻率分布［圖11（a）］，可以看出中冰雹頻率最大，為68.9%，其次是小冰雹，頻率為17.8%，再次是大冰雹，出現特大冰雹的頻率僅1.9%，共13 條記錄，歷史最大冰雹直徑為86 mm，出現在1983年5月18日18：52—19：07六盤水盤州市。詳細分析13次特大冰雹出現時間均在17：00—22：00，日落以后，地面開始失去熱源，地表溫度下降比大氣快，此時大氣溫度一般高于地表溫度，地表吸收大氣里的熱量，大氣釋放潛熱，空氣抬升水汽相變，對流加劇，同時空氣中由于氣溫下降，飽和水汽壓下降，水汽析出液態水增加，大冰雹的形成更加容易。

分析不同尺度冰雹出現次數［圖11（b）］，每個月均是中冰雹出現的次數最多，大冰雹在1—6月、8月、11月均有出現，尤其集中在3—5月，而特大冰雹一年中只有4—5月及11月出現過，其中以4月最多（7 次），其次是5月（5 次），可見大冰雹以上的降雹主要出現在3—5月，此時正是貴州多雹季節，水汽條件充沛、冷暖空氣交匯上升運動強、適宜的0 ℃、-20 ℃層高度等均是貴州春季大冰雹的主要原因。

圖11 1961—2020年貴州19個觀測站不同尺度冰雹的發生頻率（a）及發生次數的月際分布（b）Fig.11 Occurrence frequency （a） and monthly distribution of occurrence times（b） of hail with different diameter at 19 national meteorological observation stations in Guizhou from 1961 to 2020

3.4 一次冰雹的持續時間

根據貴州19 個觀測站每一次降雹的開始和結束時間，計算冰雹持續時間，統計冰雹持續時間頻率分布（圖12），全省冰雹平均持續時間為7.9 min，最短的降雹持續時間不足1.0 min，最長的達3 h 以上，降雹的持續時間主要集中在10 min 以內（頻率為80.1%），超半數冰雹持續時間未超過5 min（頻率為59.0%），其中持續時間在2 min 的頻率最大為14.0%，持續時間超過7 min 的降雹頻率均小于5.0%。冰雹最長持續時間各觀測站差異比較大，從9 min（羅甸）到187 min（銅仁）不等，68.4%的觀測站最長持續時間在60 min 以內，銅仁1979年1月10日出現了187 min持續降雹，為歷史極值。

圖12 1961—2020年貴州省一次冰雹持續時間頻率分布Fig.12 Frequency distribution of duration of a hail in Guizhou Province from 1961 to 2020

4 結論與討論

本文通過對氣候變暖的背景下貴州1961—2020年冰雹資料開展貴州各地冰雹的新特征研究，得出如下結論：

（1）貴州近60 a年平均降雹日數空間分布不均，有明顯的地域差異，呈現西多東少、中部多南北少的特征，降雹日數與海拔高度呈顯著正相關。

（2）貴州平均每年冰雹日數為35.8 d，近60 a呈顯著減少趨勢，84 個觀測站冰雹日數變化以減少趨勢為主，但降雹影響范圍有增大趨勢。

（3）貴州冰雹有明顯的季節性，雹日集中于2—5月，占全年雹日的85.0%，貴州西北部地區與省內其余地區差異大，全年呈雙峰型分布，4—5月雹日最集中，8—11月雹日為次集中時段。

（4）雹日中降雹時刻多出現在14：00 至次日02：00，但存在地域差異，貴州西部地區降雹主要發生在白天，而中東部地區降雹主要發生在夜間，全省自西北向東南降雹發生在白天的頻率逐漸降低。

（5）貴州2146 個冰雹日中局地性冰雹天氣占全部冰雹日的67.9%，遠遠多于系統性冰雹天氣；貴州平均首次冰雹出現時間自東向西推進，而末次冰雹是自東向西依次結束，平均持續時間西部地區長達2個多月，而東部地區不足1個月。

（6）貴州冰雹直徑最小不足1 mm，最大可達86 mm，以中冰雹出現的頻率最大，達68.9%，大冰雹及特大冰雹主要出現在3—5月；降雹持續時間主要集中在10 min以內（頻率達80.1%）。

以上結論對科學合理安排人工防雹工作非常重要，西部及中部高海拔地區是貴州防雹工作的重點地區，可增加防雹作業點；每年2—5月是人工防雹的重點月份，但各地冰雹的月際及季節分布存在明顯地域差異，各地冰雹防御重點時間需根據本地的月際及季節分布做合理調整；一天中14：00 至次日02：00 是防雹任務最關鍵的時段，需提前做好防雹的準備工作，但各地降雹的日變化存在差異，除掌握本站的日變化特征外，需重點關注本站上游地區冰雹云的發展；建議貴州出炮時間從2月下旬到5月中旬自東向西先后出炮，而撤炮時間從3月下旬到7月下旬自東向西依次撤炮，當然每年出撤炮時間還需結合增雨抗旱需求及冰雹、干旱的短期氣候預測結論，做適當的調整。