馬榮君， 李瀟斐,， 毛彥霖， 薛宇桐， 吳戰(zhàn)昊

（1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127；2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室，陜西西安 710127；3.西北大學(xué)西安氣象科技研究院，陜西西安 710127；4.西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710127）

冰雹天氣是強對流天氣引起的極端天氣之一，具有影響范圍小、持續(xù)時間短的特點，但發(fā)展速度快、危害性大，對人民的生命財產(chǎn)安全帶來極大地威脅。

冰雹研究工作的重點不僅集中在短時天氣預(yù)報及其形成物理機制［1-5］，也集中在冰雹氣候特征的研究［6-17］。國內(nèi)外很多地區(qū)對冰雹氣候特征都進行過系統(tǒng)的研究，金哲等［6］利用朝鮮1981—2010 年共95個地面觀測站的冰雹觀測數(shù)據(jù)，分析了朝鮮冰雹的氣候特征，并對極個別臺站的年平均冰雹日數(shù)呈明顯上升趨勢的現(xiàn)象進行分析，討論了0 ℃層高度、對流有效位能（CAPE）和垂直風(fēng)切變（VWS）與年冰雹日的關(guān)系；Kunz 等［7］研究發(fā)現(xiàn)德國西南部地區(qū)的冰雹日數(shù)在1974—2003 年存在明顯的上升趨勢。對于中國范圍內(nèi)的冰雹氣候特征分析，Xie 等［8-9］研究表明，20 世紀80 年代以來，中國整體冰雹日數(shù)呈顯著下降趨勢。且對其關(guān)鍵影響因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)較高的CAPE 與VWS 值是冰雹產(chǎn)生的必要條件，0 ℃層高度影響著冰雹的形成與生長。除此之外，云體高度、溫度、水分累積區(qū)的含水量等參數(shù)均影響冰雹的產(chǎn)生［18-20］。Zou等［10］研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原冰雹日數(shù)在1980 年來顯著減少；Li 等［11］研究發(fā)現(xiàn)，20世紀90年代以來，中國北部與西北部冰雹頻率明顯降低。劉曉梅等［15］利用1951—2008 年遼寧省56個氣象站等資料，對冰雹氣候的時空分布特征進行分析；虎雅瓊等［16］利用1981—2017年北京地區(qū)1010個冰雹災(zāi)情信息進行統(tǒng)計，研究了北京地區(qū)的冰雹氣候特征。

陜西省屬于我國的多雹地區(qū)之一，全省共有87個縣(市、區(qū))常遭受不同程度的雹災(zāi)，平均3～4 a 中就有1 a 為重雹年，其中1995—2000 年5—6 月共出現(xiàn)冰雹48 次［21］。自2003 以來，陜西省白水縣冰雹災(zāi)害呈逐年增多態(tài)勢，每年均在5次以上，農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積在13333 hm2以上，直接經(jīng)濟損失平均每年在1.7×108元以上［22］。2005年，陜北南部、關(guān)中西部、陜南地區(qū)發(fā)生的冰雹天氣最為嚴重，據(jù)不完全統(tǒng)計，全省共有5.1×104hm2農(nóng)田受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失達1.78×108元［23］。姚靜等［17］選取2007—2014年陜西省98個氣象站降水和冰雹觀測資料，采用了統(tǒng)計方法分析陜西省冰雹等強對流天氣的氣候特征，發(fā)現(xiàn)近年來陜西省冰雹具有夏多冬少、北多南少的特征。但由于研究范圍為所有強對流天氣，對冰雹的氣候特征分析比較寬泛。

基于此，本文選擇2000—2019年陜西省冰雹觀測數(shù)據(jù)，對陜西省各地區(qū)冰雹時空分布特征進行分析，分析內(nèi)容主要包括地理分布、季節(jié)變化以及年際變化趨勢，并對ERA5 月平均數(shù)據(jù)中對流有效位能（CAPE）等8 項大氣物理參數(shù)對冰雹年際趨勢的影響情況進行分析。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省（105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N）位于中國內(nèi)陸腹地，黃河中游，地勢南北高，中間低，以北山和秦嶺兩座山脈為分界，將陜西分為3 大自然區(qū)——北部為黃土高原區(qū)（陜北）、中部為關(guān)中平原區(qū)（關(guān)中）、南部為秦巴山區(qū)（陜南）（圖1）。陜西省自南向北橫跨北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶3個氣候帶，屬于大陸季風(fēng)性氣候，由于南北跨度大，導(dǎo)致境內(nèi)南北氣候具有較大差異。陜北、關(guān)中屬于溫帶氣候區(qū)，四季分明；陜南則屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)。受地形和季風(fēng)影響，陜北地區(qū)各季節(jié)氣溫變化明顯，時常產(chǎn)生冷暖氣流交匯，是冰雹等強對流天氣頻繁發(fā)生的區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文使用陜西省氣象局氣候中心2000—2019年地面觀測站的冰雹觀測數(shù)據(jù)進行陜西省冰雹的時空特征分析。為保證數(shù)據(jù)的有效性，選擇研究區(qū)域和研究時段無缺少省略的觀測數(shù)據(jù)，最后選擇使用99 個臺站2000—2019 年共20 a 的冰雹天氣觀測記錄（圖1）。記錄包含臺站編號、臺站名、冰雹時間（精確到日）以及1 d 內(nèi)發(fā)生的冰雹次數(shù)。記1 個臺站每年記錄的冰雹次數(shù)的平均值為該臺站的年平均冰雹次數(shù)（ANH），每個對應(yīng)季節(jié)所記錄的冰雹次數(shù)的平均值為該臺站在該季節(jié)的平均冰雹次數(shù)，1個地區(qū)內(nèi)所有臺站在規(guī)定時間段內(nèi)觀測到的冰雹次數(shù)的總和成為該地區(qū)在這段時間內(nèi)的冰雹總次數(shù)。使用ECWMF 提供的ERA5 月平均數(shù)據(jù)中大氣物理參數(shù)與冰雹年際趨勢進行分析。

圖1 陜西省氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Shaanxi Province

1.3 研究方法

根據(jù)數(shù)據(jù)中各觀測站所在城市的行政區(qū)劃，對觀測站分為陜北（延安市、榆林市）、關(guān)中（西安市、寶雞市、咸陽市、銅川市、渭南市）、陜南（漢中市、安康市、商洛市）3個地區(qū)。逐一分析每個地區(qū)冰雹氣候特征，在分析海拔高度與年平均冰雹次數(shù)的關(guān)系時，為了清晰得出其相關(guān)關(guān)系以及相關(guān)程度，對各站點冰雹觀測數(shù)據(jù)進行線性回歸及顯著性檢驗；在大氣物理參數(shù)與冰雹次數(shù)相關(guān)性分析過程中，選取對流有效位能（CAPE）、K指數(shù)、2 m 溫度、2 m 露點、0 ℃層高度、對流降水量、總降水量、云底高度8項參數(shù)與冰雹次數(shù)進行線性回歸及顯著性檢驗。在年際變化分析、大氣物理參數(shù)與冰雹次數(shù)相關(guān)性分析過程中為降低數(shù)據(jù)波動帶來的影響，使用了5 a滑動平均法處理數(shù)據(jù)，使得冰雹次數(shù)變化趨勢及各項參數(shù)與冰雹次數(shù)相關(guān)性得以體現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間分析

從近20 a 陜西省冰雹次數(shù)空間分布來看（圖2），陜北地區(qū)年平均冰雹次數(shù)普遍高于關(guān)中地區(qū)及陜南地區(qū)，在陜北部分地區(qū)，年平均冰雹次數(shù)達到1次以上，而關(guān)中和陜南地區(qū)年均冰雹次數(shù)大多低于0.6 次，由此可見，陜西省的冰雹次數(shù)呈現(xiàn)出北高南低的分布特征。

圖2 2000—2019年陜西省各臺站年平均冰雹次數(shù)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of the average annual number of hail(ANH)in Shaanxi Province

為探究年平均冰雹次數(shù)與海拔高度的相關(guān)關(guān)系，本文構(gòu)建了各臺站海拔高度與年平均冰雹次數(shù)關(guān)系圖并進行線性擬合（圖3），由圖3 可知：（1）海拔高度1.5 km內(nèi)，臺站海拔高度與年平均冰雹次數(shù)的決定系數(shù)為0.4183，說明因變量年平均冰雹次數(shù)與自變量海拔高度具有較好的線性相關(guān)關(guān)系。在95%的置信水平下，線性回歸方程是顯著的。（2）通過回歸系數(shù)和回歸方程可知在不考慮其他對冰雹次數(shù)可能的影響因素下，海拔高度1.5 km 內(nèi)，海拔高度每增加1 m，年平均冰雹次數(shù)增加0.0007次。

圖3 各臺站海拔高度及其年平均冰雹次數(shù)的擬合Fig.3 Fitting diagram of altitude of each station and its annual average number of hail

在地勢高、地形復(fù)雜的山區(qū)，1 次冷空氣過后，山谷殘留冷空氣形成高壓區(qū)，山脊在陽光下快速升溫形成低壓區(qū)，因此容易產(chǎn)生對流，進而產(chǎn)生冰雹天氣［24］。

2.2 季節(jié)變化

陜西省冰雹次數(shù)的分布具有明顯的季節(jié)特征，夏季冰雹次數(shù)占全年比例最大，達到58.59%，春季冰雹次數(shù)次之，秋季冰雹次數(shù)占全年比例較小，冬季只在陜南有冰雹發(fā)生（圖4）。陜北地區(qū)冰雹次數(shù)隨著季節(jié)的變化波動較大，其中夏季冰雹次數(shù)是全年之最，關(guān)中地區(qū)受季節(jié)因素影響較為明顯，夏季冰雹次數(shù)同樣為全年最高，但與春季相差不大，陜南地區(qū)全年冰雹次數(shù)較為均衡，受季節(jié)因素影響不大。

圖4 各季節(jié)各地區(qū)冰雹總次數(shù)Fig.4 Total number of hail by season by region

為分析陜西省各地區(qū)冰雹次數(shù)隨季節(jié)變化的趨勢特征，利用數(shù)據(jù)制作出春季、夏季、秋季、冬季的平均冰雹次數(shù)分布圖。由圖5 可知，春季的高值區(qū)位于陜北南部以及關(guān)中西北部地區(qū)；夏季陜北地區(qū)各地冰雹次數(shù)比春季均有明顯的上升，關(guān)中以及陜南地區(qū)冰雹次數(shù)無明顯變化；秋季陜北地區(qū)各地冰雹次數(shù)均比夏季有明顯的不同程度的下降，而關(guān)中和陜南地區(qū)冰雹次數(shù)無明顯變化；冬季僅陜南仍有少量冰雹。

圖5 各臺站各季節(jié)平均冰雹次數(shù)分布Fig.5 Distribution of average hail frequency of each station in each season

2.3 年際變化

為探究陜西省冰雹氣候特征規(guī)律，利用陜西省99個觀測站所記錄的近20 a數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出每年各地區(qū)冰雹次數(shù)，進而對陜西省冰雹的年際分布特征進行分析（圖6），雖然全省冰雹次數(shù)年際波動較大，但是通過滑動平均以及擬合曲線，并在95%的置信水平下進行顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，陜西省年冰雹總數(shù)整體呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢，變化趨勢顯著，下降的速率平均值為1.045次·a-1。分區(qū)來看，陜北地區(qū)冰雹次數(shù)隨時間變化下降幅度較大，變化趨勢顯著，下降的速率平均值為0.625次·a-1，關(guān)中地區(qū)下降幅度相對較小，變化趨勢顯著，下降的速率平均值為0.371 次·a-1。陜南地區(qū)冰雹次數(shù)保持穩(wěn)定，變化趨勢不顯著。

圖6 陜西省冰雹總次數(shù)年際變化及擬合曲線Fig.6 Inter-annual change chart and fitting curve of the number of hail in Shaanxi Province

2.4 大氣物理參數(shù)與冰雹次數(shù)時間序列分析

通過近20 aERA5月平均數(shù)據(jù)（0.5°×0.5°），選取對流有效位能（CAPE）、K指數(shù)、2 m 溫度（即距地面2 m處氣塊溫度）、2 m露點（即距地面2 m處氣塊露點溫度）、0 ℃層高度、對流降水量、總降水量、云底高度8項指標，5 a滑動平均后與冰雹次數(shù)進行擬合得到其相關(guān)系數(shù)。如表1所示，其中CAPE、K指數(shù)、對流降水量、總降水量與冰雹次數(shù)相關(guān)性表現(xiàn)為正相關(guān)，0 ℃層高度、云底高度與冰雹次數(shù)相關(guān)性表現(xiàn)為負相關(guān)，地表溫度、露點溫度與冰雹次數(shù)隨地域、季節(jié)不同體現(xiàn)不同的相關(guān)性。

由表1可知，CAPE與全省春、夏、秋季冰雹次數(shù)擬合均通過了0.01水平的顯著性檢驗，擬合效果較好。CAPE 代表了地表邊界層空氣具有的能量，其長期變化對應(yīng)大氣不穩(wěn)定性的變化，進而影響冰雹的長期趨勢。但對于陜北秋季、關(guān)中與陜南春、夏、秋季，CAPE與冰雹次數(shù)的相關(guān)系數(shù)均沒有通過0.01水平的顯著性檢驗，這說明對于冰雹年際變化的影響機制不僅局限于CAPE，分析機制時仍需要考慮其他因素，這與前人的研究所得結(jié)論一致［6,8］。陜北春、夏、秋季擬合效果較好的參數(shù)分別為CAPE、K指數(shù)、總降水，分別為0.691、0.862、0.574；2 m 露點、對流降水與春、夏、秋季冰雹次數(shù)擬合效果均未通過顯著性檢驗；說明陜北春、夏季冰雹年際變化主要受不穩(wěn)定能量的影響，而秋季主要受降水量的年際變化影響。關(guān)中春季K指數(shù)擬合效果較好為0.712，夏、秋季0 ℃層高度擬合效果較好，分別為-0.722，-0.652，2 m 溫度與春、夏、秋季擬合效果均未通過顯著性檢驗；說明關(guān)中春季冰雹的年際變化受不穩(wěn)定層結(jié)的年際變化主導(dǎo)，而夏秋季主要由凍結(jié)高度主導(dǎo)。陜南春、夏季0 ℃層高度擬合效果較好，分別為-0.440、-0.682，秋季對流降水擬合效果較好為0.654，2 m 露點與春、夏、秋季擬合效果均未通過顯著性檢驗；說明其春夏季冰雹年際變化主要由凍結(jié)高度主導(dǎo)，秋季主要受對流降水量的年際變化影響。綜上所述，除CAPE外，K指數(shù)對陜北夏季、關(guān)中春季；0 ℃層高度對關(guān)中夏、秋季與陜南春、夏季冰雹次數(shù)變化趨勢有主導(dǎo)作用。

表1 近20 a冰雹次數(shù)與各項大氣物理參數(shù)的相關(guān)關(guān)系Tab.1 Correlation between the number of hailstorms and various environmental parameters in the last 20 years

3 結(jié)論

本文利用陜西省氣象局氣候中心提供的99 個地面觀測站2000—2019年的觀測數(shù)據(jù)與ECMWF提供的ERA5 月平均數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了陜西省內(nèi)冰雹的氣候特征，得到了以下結(jié)論：

（1）陜西省的冰雹主要分布在陜北地區(qū)，關(guān)中次之，陜南最少；海拔高度與冰雹次數(shù)表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。

（2）陜西省各地區(qū)冰雹次數(shù)具有明顯的季節(jié)變化特征，在陜北和關(guān)中地區(qū)，冰雹次數(shù)在夏季最多，春秋次之，冬季幾乎為零；在陜南地區(qū)，冰雹主要集中在春季和夏季，冬季次之，秋季冰雹最少。

（3）陜西省冰雹次數(shù)隨年際變化具有顯著的下降趨勢，其中陜北地區(qū)下降幅度最大且變化趨勢顯著，關(guān)中地區(qū)其次且變化趨勢顯著，陜南地區(qū)冰雹次數(shù)相對穩(wěn)定，且變化趨勢不顯著。

（4）CAPE、K指數(shù)、2 m溫度、2 m露點、0 ℃層高度、對流降水量、總降水量、云底高度對陜西省部分地區(qū)季節(jié)冰雹次數(shù)有影響。不同區(qū)域季節(jié)的主導(dǎo)因素不同，其中CAPE 對冰雹次數(shù)起主導(dǎo)作用、K指數(shù)、0 ℃層高度對冰雹次數(shù)也有較好的擬合效果。