祝小梅，范宏云，白 婷

（1.伊犁州氣象局，新疆 伊犁 835000；2.新疆人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830002）

近年來國內(nèi)許多學者對中國不同區(qū)域冰雹的氣候特征進行了許多研究。研究表明，20世紀70年代末、80年代初我國冰雹呈下降趨勢，其中北方冰雹下降趨勢比南方顯著，全國大部分地區(qū)冰雹下降趨勢都通過了0.05的顯著性檢驗[1]。冰雹的發(fā)生具有明顯的月、日變化，例如河南省冰雹主要出現(xiàn)在4—8月，絕大多數(shù)發(fā)生在午后到傍晚[2]。中國西北地區(qū)主要出現(xiàn)在6—8月[3]。甘肅區(qū)域的降雹期多在4—9月，大部分冰雹也是發(fā)生在午后至傍晚[4-8]。山西降雹集中出現(xiàn)在5—9月。青海省東部降雹也是集中在5—9月[9]。說明熱力條件在冰雹天氣發(fā)生時起重要作用。環(huán)境參數(shù)特征有助于了解強對流天氣發(fā)生的物理過程，許多參數(shù)在實際預報中都具有指示意義[10-17]。對2008—2013年隴東地區(qū)冰雹研究得出，700與500 hPa溫差≥18.7℃、K指數(shù)≥27.9℃、SI指數(shù)＜1.2℃時，對冰雹0～12 h潛勢預報指示意義較好[18]。對2007—2009年北京地區(qū)暴雨和冰雹（或雷暴大風）的研究表明，0℃層高度在4 174 m、-20℃層高度在7 414 m、500和850 hPa溫差為28℃、逆溫層高度在4 625 m及低空風切變?yōu)?.62 s-1左右時易出現(xiàn)冰雹天氣[19]。此外，850 hPa溫度露點差、500和850 hPa假相當位溫差、大氣可降水量PW也是判斷強對流類別的重要參數(shù)。對新疆尤其是南疆地區(qū)出現(xiàn)冰雹時的環(huán)境參數(shù)，一些學者也做了研究[20-24]，總結(jié)了判識指標。當850與500 hPa溫差≥30℃，地面露點溫度≥10.2℃，阿克蘇地區(qū)發(fā)生冰雹天氣的可能性較大[21]；對流有效位能在冰雹尺寸相對較大（≥10 mm）時指示效果較好，但對小范圍局地冰雹的預報具有一定局限性；0～6 km較弱的垂直風切變也能形成冰雹天氣；適宜的0℃層和-20℃層高度有利于冰雹的產(chǎn)生?？κ驳貐^(qū)[22]冰雹發(fā)生前垂直風切變、濕對流能量及整層水汽積分必須同時滿足一定條件，缺一不可；0℃層和-20℃層高度之間的厚度越小越有利于產(chǎn)生大雹。由此可見，冰雹的形成和發(fā)生與局地條件密切相關(guān)，地域不同，其冰雹形成的環(huán)境條件也存在一定的差異。

伊犁地區(qū)位于我國西部邊陲，目前已成為新疆重要的糧食基地，而冰雹是影響伊犁地區(qū)的主要氣象災害。冰雹天氣生命史短、突發(fā)性強，同時伊犁河谷地形復雜、下墊面類型豐富，夏季極易引發(fā)局地強對流天氣，往往伴隨冰雹。此類天氣破壞性大，極易造成巨大的經(jīng)濟損失。如2018年9月24日21：31昭蘇縣的區(qū)域性冰雹天氣，降雹持續(xù)8～18 min，冰雹直徑約0.3～1.5 cm，地面積雹厚度約2～3 cm，過雹面積4 722.5 hm2，4 580人受災，直接經(jīng)濟損失達5 226.9萬元。伊犁地區(qū)是中國冰雹高值中心之一[1，3]，而關(guān)于伊犁地區(qū)冰雹的研究還很少。因此，本文在已有的研究基礎(chǔ)上，利用伊犁地區(qū)10個國家基本站的冰雹觀測數(shù)據(jù)，分析伊犁地區(qū)冰雹的時空分布特征及變化趨勢；利用2000—2018年伊寧站08時的探空資料，分析冰雹日的環(huán)境場特征以及環(huán)境參數(shù)，為伊犁地區(qū)冰雹天氣潛勢預報提供參考。

1 研究資料及方法

1.1 資料選取

選取1961—2018年伊犁地區(qū)10個國家基本站（伊寧、霍爾果斯、霍城、察布查爾、伊寧縣、鞏留、尼勒克、新源、特克斯、昭蘇）的冰雹資料，分析其空間分布特征；采用一元線性回歸，分析58 a來伊犁地區(qū)冰雹的變化趨勢；采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗統(tǒng)計方法，對伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)進行突變檢驗。若某日某站觀測到1個時次或以上冰雹現(xiàn)象時，不論時間長短，都定義該站該日為1個冰雹日[4]。按以上方法統(tǒng)計，58 a來伊犁地區(qū)10個站共出現(xiàn)冰雹日1 539 d。

利用2000—2018年測站冰雹資料及伊犁地區(qū)氣象災情普查中各縣冰雹災情資料，通過伊寧站探空數(shù)據(jù)，分析冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征及關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值。因3、10、11月個例太少，沒有代表性，所以本文只討論4—9月冰雹的環(huán)境場特征。同時考慮到天氣預報的提前、實用性，約定統(tǒng)一使用離降雹時間最近的探空資料[21]，按照以上方法統(tǒng)計2000—2018年的探空數(shù)據(jù)，最后得到有效探空數(shù)據(jù)192個。

1.2 探空參數(shù)及閾值計算方法

冰雹天氣關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)選取方面，主要參照基于構(gòu)成要素的預報方法（配料法）。靜力不穩(wěn)定主要考慮850和500 hPa溫差（ΔT85）；層結(jié)穩(wěn)定度使用K指數(shù)、SI指數(shù)、抬升指數(shù)（LI）；水汽條件主要是指絕對濕度，這里用地面露點溫度（TD）表示；對流有效位能（CAPE）表示深厚濕對流（雷暴）發(fā)生的潛勢，對流有效位能越大，強對流發(fā)生的潛勢或可能性越大；而深層風垂直切變采用0～6 km風矢量差（VWS）代表，風垂直切變越大，風暴組織程度越高，生命史越長，強度也會越強。此外還有0℃和-20℃層高度。對于14時后出現(xiàn)的冰雹天氣，計算對流有效位能時，采用08時探空數(shù)據(jù)以及14時后最高氣溫和最大地面露點溫度對CAPE值做訂正。

2 冰雹天氣的氣候特征

2.1 冰雹日數(shù)的空間分布

由1961—2018年伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)的空間分布（圖1）可知，伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)有明顯的地域特征，自西向東、自中部向南北兩側(cè)隨著海拔高度增加，冰雹日數(shù)呈增加趨勢。降雹中心位于昭蘇（海拔高度為1 860.2 m），58 a來冰雹日數(shù)為917 d，平均15.8 d·a-1，占區(qū)域內(nèi)冰雹總?cè)諗?shù)的59.6%；其次是特克斯（海拔高度為1 210.5 m），冰雹日數(shù)為184 d，平均為3.2 d·a-1；尼勒克的海拔高度為1 107.1 m，其冰雹日數(shù)為142 d，平均為2.4 d·a-1；而海拔低于800 m的地區(qū)，年平均不到一次。

圖1 伊犁地區(qū)平均冰雹日數(shù)的空間分布（單位：d）

伊犁地區(qū)年均冰雹日數(shù)與海拔高度也呈較好的正相關(guān)（圖2），相關(guān)系數(shù)達0.926，通過了α=0.001的顯著性檢驗。如伊犁地區(qū)的昭蘇縣年平均冰雹日數(shù)達15.8 d·a-1，海拔高度達到1 800 m以上。由此可見，隨著拔海高度的增加，冰雹發(fā)生次數(shù)也依次增多，這與地形抬升容易產(chǎn)生強對流有關(guān)[7]。

圖2 1961—2018年伊犁地區(qū)10個站年平均冰雹日數(shù)與海拔高度的關(guān)系

2.2 時間分布

2.2.1 年際變化

由1961—2018年伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)的年際變化曲線（圖3）可以看出，伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)整體呈減少趨勢，以0.41 d·a-1的趨勢減少。有2個高峰值，分別為1973年的44 d和1990年的42 d，從1994年開始明顯減少，2014年最少，僅有5 d。

圖3 1961—2018年降雹年際變化和線性趨勢

2.2.2 月分布

圖4為1961—2018年伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)的月平均分布。伊犁地區(qū)冰雹從3月開始，最晚到11月。5月降雹顯著增多，為281 d，6月冰雹日達326 d，7月為314 d，之后逐月明顯減少，11月僅為2 d。伊犁地區(qū)的冰雹主要發(fā)生在每年的3—11月，其中4—8月為冰雹多發(fā)期，占全年冰雹總?cè)諗?shù)的88.7%。而5—7月的冰雹日數(shù)遠大于其他月份，占冰雹總?cè)諗?shù)的66.7%，說明環(huán)境溫度對產(chǎn)生冰雹的影響較大。

圖4 1961—2018年冰雹日數(shù)月平均分布

2.2.3 日變化

圖5為1961—2018年不同時段發(fā)生冰雹的百分率。伊犁地區(qū)冰雹的日變化特征非常明顯，08—15時降雹概率只有6.4%，15時以后降雹概率逐漸增加，降雹主要集中在16—20時，降雹的概率達77.3%，17—18時冰雹發(fā)生率達最大，占降雹總數(shù)的19.4%。22時—次日08時出現(xiàn)冰雹的概率最小，只有3.8%，其中05—08時沒有冰雹出現(xiàn)。大部分冰雹發(fā)生在午后至傍晚，這主要是由形成冰雹的熱力條件決定的，午后太陽直接輻射和地面輻射共同作用，使得低層大氣增溫加快，而高層大氣還來不及升溫，導致大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增強。因此午后至傍晚，應多關(guān)注并判斷是否將發(fā)生冰雹天氣[8]。

圖5 1961—2018年各時段發(fā)生冰雹的百分率

2.3 突變分析

應用Mann-Kendall突變檢驗方法，檢測1961—2018年伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)序列的突變狀況。用原氣象序列構(gòu)造統(tǒng)計量UF，原氣象序列的反序列構(gòu)造統(tǒng)計量UB，取α=0.001的顯著性檢驗。圖6為1961—2018年伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗曲線。伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)從20世紀60年代—70年代末減少不明顯，呈現(xiàn)一種震蕩形式。從1981年開始減少，20世紀90年代末期開始顯著減少，這種減少趨勢均超過顯著性水平0.05的臨界線（u0.05=1.96），自2000年以后，甚至超過了0.001的顯著性水平（u0.001=2.56），說明伊犁地區(qū)冰雹日數(shù)減少趨勢十分顯著。根據(jù)UF與UB曲線交點的位置，確定2000年以后冰雹頻次的減少是一突變現(xiàn)象，具體開始時間是1999年。

圖6 伊犁地區(qū)降雹日數(shù)的Mann-Kendall曲線

3 環(huán)境場分析

3.1 冰雹的探空曲線特點

T-ln P圖能清晰直觀地反映大氣的熱力狀況和垂直切變狀況，單站的T-ln P圖是分析本地大氣環(huán)境的熱力和動力穩(wěn)定度的重要手段。對伊犁地區(qū)192個冰雹日08時T-ln P圖根據(jù)探空曲線中大氣層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線的形態(tài)進行分類（圖7），各類探空曲線特征為：（1）冰雹I型（整層濕）有21個，占個例總數(shù)的10.9%。T-ln P圖中層結(jié)曲線與露點曲線較接近，整層大氣比較濕潤，水汽含量比較均勻，溫度露點差≤5℃，抬升凝結(jié)高度較高，平均在874 hPa（圖7a）。在此形態(tài)下的冰雹主要出現(xiàn)在伊犁地區(qū)的西部和東部。4月下旬、6月中旬較易出現(xiàn)，多發(fā)生在午后到夜間；（2）冰雹II型（上干下濕）有30個，占個例總數(shù)的15.6%。探空溫濕廓線呈典型的“漏斗狀”，中低層層結(jié)曲線與露點曲線較接近，大氣層結(jié)濕潤，高層大氣比較干燥，或中高層有明顯干冷空氣侵入，“上干冷、下暖濕”特征明顯，抬升凝結(jié)高度平均在870 hPa（圖7b）。冰雹發(fā)生地范圍較廣，全區(qū)都有可能出現(xiàn)，4月中旬，5、6月下旬，7—9月上旬頻發(fā)，一般出現(xiàn)在午后和傍晚；（3）冰雹III型（上濕下干）有16個，占個例總數(shù)的8.4%。探空溫濕廓線呈倒“V”型，500 hPa以上有濕潤層結(jié)，抬升凝結(jié)高度要更高點，平均在851 hPa（圖7c）。此型的冰雹大多出現(xiàn)在河谷西部和南部，主要出現(xiàn)在5和7月，在傍晚前后發(fā)生；（4）冰雹IV型（干絕熱型）有125個，占個例總數(shù)的65.1%，是伊犁地區(qū)出現(xiàn)冰雹的主要類型，大多表現(xiàn)為整層濕度較小，溫度露點差＞5℃，近地面層或干區(qū)中有淺薄濕層，或無明顯濕層。抬升凝結(jié)高度最高，平均在830 hPa（圖7d）。主要出現(xiàn)在河谷南部和東部，6、7月頻發(fā)，午后至夜間較易發(fā)生。

圖7 伊犁地區(qū)冰雹T-ln P曲線

伊犁地區(qū)T-ln P圖形態(tài)主要有4種，其中干絕熱型最多。總體上，伊犁地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣，其探空圖表現(xiàn)為低層有明顯的風向或風速切變，抬升凝結(jié)高度較高。

3.2 關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)

3.2.1 溫濕參數(shù)

深厚濕對流基本要素之一的大氣靜力穩(wěn)定度常用850和500 hPa之間的溫差ΔT85表示，其值越大，代表條件不穩(wěn)定性越強。深厚濕對流（雷暴）生成的另一個要素是水汽，水汽條件主要是指絕對濕度，可以使用地面露點溫度TD（或比濕）表示，其值越大表明水汽越充沛，較有利于強對流天氣的發(fā)生，這里用地面露點溫度來代替水汽的絕對量。經(jīng)統(tǒng)計伊犁地區(qū)ΔT85的平均值為29.6℃，而中國中東部地區(qū)平均值為29.3℃[12]、全國的平均值是29℃[10]，可見伊犁地區(qū)冰雹發(fā)生時的ΔT85值略高于中國東部地區(qū)。為了避免純粹用平均值討論的片面性，圖8給出了伊犁地區(qū)冰雹天氣的ΔT85值和地面露點溫度（TD）的箱線圖。由圖8可知，ΔT85最小值為23℃，最大值為36℃，主要分布在28～31℃，80%的個例ΔT85值≥28℃。表征大氣水汽條件的地面露點溫度，值主要分布在10～13.4℃，82.3%的個例TD≥10℃，有4個異常偏小的值，TD≤4℃，主要出現(xiàn)在4月。地面露點溫度的平均值為10℃，小于全國的平均值（18.6℃）[10]。

圖8 ΔT85和T D箱線圖

3.2.2 層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)

K指數(shù)（簡稱K）綜合反映中低層垂直降溫、低層露點及溫度露點差的物理量，經(jīng)常用于預報強對流天氣，其值越大，層結(jié)越不穩(wěn)定。從K指數(shù)的箱線圖（圖9a）可知，K指數(shù)值分布較分散，最大為42℃，最小為22℃，主要分布在30～36℃，80%的個例K≥30℃，平均值為33℃，中國中東部地區(qū)為30.1℃[12]。

SI指數(shù)（簡稱SI）也是日常強對流天氣中經(jīng)常關(guān)注的物理量判據(jù)，其值越小，層結(jié)越不穩(wěn)定。由圖9b可知，SI最小值為-6.7℃，最大值為2.6℃，SI的分布也較分散，主要分布在-3.0～-0.4℃，81%的SI≤-0.3℃。伊犁地區(qū)SI的平均值為-1.7℃，而中國中東部地區(qū)為-0.36℃[12]。

抬升指數(shù)（簡稱LI）反映地面氣塊移動到500 hPa時的不穩(wěn)定狀況，負值越大越不穩(wěn)定。從LI指數(shù)的箱線圖（圖9c）可知，LI最小值為-9.5℃，最大值為1℃，主要分布在-5.6～-3.1℃，有89.5%的個例LI≤-3.1℃。伊犁地區(qū)LI值的平均值為-1.4℃，而中國中東部地區(qū)為-5.6℃[12]，要大于中東部地區(qū)。

圖9 K指數(shù)（a）、SI指數(shù)（b）、LI指數(shù)（c）的箱線圖

3.2.3 對流有效位能（CAPE）和垂直風切變（VWS）

雷暴生成的2個要素靜力不穩(wěn)定和水汽可以結(jié)合在一起形成各種對流指數(shù)。在物理意義上最清晰的用來判斷雷暴潛勢的物理量參數(shù)是CAPE。CAPE表示在浮力作用下，對單位質(zhì)量氣塊從自由對流高度到平衡高度所作的功。VWS（即風向風速隨高度的變化）對雷暴的組織化和強度也是非常關(guān)鍵的，因此，CAPE和VWS是估計未來雷暴發(fā)生潛勢、形態(tài)、強弱和組織程度的關(guān)鍵參數(shù)。0～6 km垂直風切變矢量＜15 m·s-1的為弱垂直風切變，對應的平均每千米切變值區(qū)間＜2.5 s-1；≥15 m·s-1且＜20 m·s-1的為中等以上垂直風切變，對應的平均每千米切變值區(qū)間≥2.5 s-1且＜3.3 s-1；≥20 m·s-1為強垂直風切變，對應的平均每千米切變值區(qū)間≥3.3 s-1[10]。98.4%的個例出現(xiàn)在14時以后，對于14時以后出現(xiàn)冰雹天氣，其CAPE用14時以后的最高氣溫和最大地面露點溫度做訂正。

由圖10可知，CAPE值的最小值為274 J·kg-1，最大值為2922 J·kg-1，主要分布在842～1 615 J·kg-1，85.7%的個例CAPE≥842 J·kg-1。伊犁地區(qū)CAPE值的平均值為1 278 J·kg-1，低于中東部地區(qū)為1 564 J·kg-1[12]。由圖10b可知，0～6 km的垂直風切變最小值為0.16 s-1，最大值為4.36 s-1，垂直風切變值主要分布在1.06～1.58 s-1，共有187個個例VWS＜2.5 s-1，中等以上垂直風切變只有1個，強垂直風切變有4個，VWS的平均值為1.36 s-1，而全國的平均值為3.0 s-1[9]、中東部為3.32 s-1[12]。說明伊犁地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣時0～6 km的垂直風切變大多以弱的垂直風切變?yōu)橹?，小于中國中東部。

圖10 CAPE（a）和VWS（b）的箱線圖

3.2.4 0℃層和-20℃層高度

冰雹形成還需要適宜的0℃層和-20℃層高度。樊李苗等[10]研究中國強對流天氣的環(huán)境參數(shù)特征時，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)冰雹的0℃層、-20℃層高度的平均值分別為4.3、7.0 km；仇娟娟等[12]研究中東部冰雹環(huán)境條件發(fā)現(xiàn)0℃層高度在2 800～4 100 m，-20℃層高度在5 600～7 600 m；陳曉燕等[25]研究黔西南州0℃層高度時，發(fā)現(xiàn)0℃層高度約4 290 m時出現(xiàn)冰雹，廖曉農(nóng)等[26]等分析北京-20℃層高度在5 500～7 500 m時出現(xiàn)冰雹。

由圖11可知，伊犁地區(qū)出現(xiàn)冰雹時，0℃層高度在1 895～4 796 m，0℃層高度隨著月份增加逐漸增高，4、5、9月一般在3 000 m以下，6—8月主要分布在3 391～4 124 m，平均值為3 694 m，有74.5%的個例≥3 391 m。-20℃層高度在4 670～8 432 m，主要分布在6 401～7 020 m，平均值為6 670 m，有75%的個例≥6 401 m?？梢?，伊犁地區(qū)冰雹天氣的0℃層、-20℃層高度是低于全國的平均值。

圖11 0℃、-20℃層高度的箱線圖

表1為伊犁地區(qū)冰雹發(fā)生前關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的分布特征及平均值和全國[10]的平均值對比。由表1可知，4個主要參數(shù)都比全國平均值小，說明伊犁地區(qū)較有利于觸發(fā)冰雹天氣。

表1 伊犁地區(qū)主要環(huán)境參數(shù)平均值與全國的平均值對比

4 關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值分析

用參數(shù)的最低值作為預報閾值，則出現(xiàn)虛報的概率可能性較大，因此決定采用某關(guān)鍵參數(shù)分布的25%百分位作為預報最低閾值的初猜值[13]，確定之后可以在今后的實際工作中根據(jù)檢驗效果進行調(diào)整。

由表2可知，0℃層、-20℃層高度4月最小，隨著月份的增加而增高，到8月達到最大，9月又降低；地面露點溫度的變化一樣，隨著月份增大而增大，到7月達到最大，之后開始降低；K指數(shù)變化不是很大，基本上在30℃左右，9月最大；抬升指數(shù)5、6、7、8月都＜-3℃；SI指數(shù)7月最小，8月最大；對流有效位能是5月最大，9月最?。淮怪憋L切變是5月最大，4月最小。

表2 伊犁地區(qū)冰雹發(fā)生前各月關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值

5 結(jié)論

本文通過分析伊犁地區(qū)1961—2018年冰雹天氣的氣候特征及2000—2018年冰雹日的環(huán)境場特點，得出以下主要結(jié)論：

（1）伊犁地區(qū)降雹概率與測站的海拔高度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.926，通過了α=0.001的顯著性檢驗。南部山區(qū)是高發(fā)區(qū)，海拔低于800 m的平原地區(qū)較少。

（2）研究時段內(nèi)降雹日數(shù)呈減少趨勢，每年減少0.41 d。降雹發(fā)生次數(shù)最多的是1973、1990年，最少的是2014年，僅有5 d。伊犁地區(qū)降雹季節(jié)性顯著，最早發(fā)生在3月，最晚11月初，5—7月是冰雹的高發(fā)期，且午后到傍晚是冰雹高發(fā)時段，17—18時冰雹發(fā)生概率最高。

（3）冰雹日數(shù)從1981年開始減少，1999年發(fā)生突變，之后冰雹日數(shù)顯著減少。

（4）發(fā)生冰雹的T-ln P圖形態(tài)有4種，其中干絕熱型最多，其次是上干下濕型。總體上，伊犁地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣，其探空圖上表現(xiàn)為低層有明顯的風向或風速切變，抬升凝結(jié)高度較高。

（5）總結(jié)各月伊犁地區(qū)冰雹發(fā)生前關(guān)鍵參數(shù)閾值，為該地區(qū)冰雹的潛勢預報提供了技術(shù)支撐。通過和全國的對比分析，4個主要參數(shù)都比全國平均值小，說明伊犁地區(qū)較有利于觸發(fā)冰雹天氣。