于水燕， 畢力格， 蘇立娟， 劉繼東， 史金麗，衣娜娜， 樊茹霞， 許志麗

（1.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044；2.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點實驗室，北京 100081；3.內蒙古自治區(qū)氣象科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010051；4.內蒙古自治區(qū)人工影響天氣重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；5.巴彥淖爾市氣象局，內蒙古 巴彥淖爾 015006）

內蒙古是國內出現(xiàn)降雹次數(shù)最多且造成雹災最嚴重的地區(qū)之一,也是我國華北地區(qū)降雹的最大中心［1-4］。內蒙古河套地區(qū)每年因冰雹災害導致的經(jīng)濟損失達6.2×108元，農(nóng)作物受災面積達3.3×106hm2，嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民收入。

冰雹天氣是一種劇烈的、局地的、致災性強的氣象災害，國內外多位學者分析了冰雹天氣的雹云結構［5］、雹云雨滴譜特征［6］、探空物理量特征［7-8］、時空分布特征［7-14］、雷達參量特征［12-17］等，并提出了冰雹識別模型［17-19］及預警指標［20-23］。吳海英等［24］模擬了一次冰雹過程，發(fā)現(xiàn)其發(fā)展演變與中尺度重力波有關。在研究冰雹的時空分布特征、冰雹云結構及其機理過程中，國內學者對冰雹云的移動路徑做了統(tǒng)計分類。王昀等［21-22］分別對天山北側37 次冰雹云個例及天山南側喀什地區(qū)的33 次冰雹云個例進行追蹤，買合皮熱提·吾拉木等［10］對阿克蘇地區(qū)冰雹云活動規(guī)律進行了統(tǒng)計，熱蘇力·阿不拉等［11］對南疆渭干河-庫車河流域綠洲的冰雹云路徑進行分類，分別得到了天山、阿克蘇及南疆渭干河-庫車河流域地區(qū)冰雹云的主要移動路徑。

巴彥淖爾市是內蒙古主要的糧食產(chǎn)區(qū)之一。該地區(qū)冰雹頻發(fā)，一般發(fā)生在農(nóng)作物生長季節(jié)（4—9 月），每年農(nóng)作物均會遭受不同程度的冰雹危害，輕則減產(chǎn)，重則顆粒無收［25］。該地區(qū)以往冰雹的研究大多集中在時空分布、雷達特征參量及預警指標等方面，對冰雹云移動路徑的研究較少。因此，了解巴彥淖爾市近十幾年來冰雹云的移動路徑，探討不同移動路徑下冰雹云的時空發(fā)展演變特征，對于當?shù)厝斯し辣⒆鳂I(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境保護有十分重要的意義。

本文利用巴彥淖爾市67 個防雹作業(yè)點人工記錄及臨河站天氣雷達對2009—2019 年冰雹云的移動路徑進行統(tǒng)計分類，得到影響該地區(qū)的主要冰雹云移動路徑，并對冰雹云各生命階段的時空演變特征進行分析，為人工防雹作業(yè)及優(yōu)化防雹作業(yè)點設置提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要針對內蒙古西部的巴彥淖爾市，該地區(qū)位于內陸深處的內蒙古高原，全市東西長378 km，南北寬238 km，面積6.4×104km2。陰山山脈自西向東橫亙中間，形成3種不同的地貌：巴彥淖爾市中部為陰山山地、北部為烏拉特草原、南部為河套平原，研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候［25］。其中，烏拉特草原以畜牧業(yè)為主；河套平原是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，也是冰雹的多發(fā)區(qū)［25］。近年來，巴彥淖爾市生態(tài)環(huán)境綜合敏感性以中度及重度敏感區(qū)為主［26］。重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)冰雹頻發(fā)，且生態(tài)環(huán)境敏感性較高。鑒于此，了解該地區(qū)冰雹云的移動路徑及其特征有利于生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取2009—2019 年巴彥淖爾市268 次冰雹個例資料，包括臨河站天氣雷達資料及67個防雹作業(yè)點人工記錄。雷達資料的時間間隔為6 min，防雹作業(yè)點人工記錄包括站號、經(jīng)緯度、降雹開始時間及降雹持續(xù)時間等。按照防雹作業(yè)點人工觀測記錄的降雹點位置以及降雹開始時間，對照新一代天氣雷達資料，剔除無雷達資料、回波盲區(qū)及記錄不全等個例，共篩選出107次降雹個例作為研究對象［27］。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

將107次降雹個例的影響云系稱為冰雹云。利用雷達資料及防雹作業(yè)點人工觀測記錄，統(tǒng)計了冰雹云初生、發(fā)展、降雹及減弱的時間和位置（由于雷達覆蓋范圍有限，沒有統(tǒng)計冰雹云完全消失的時間和位置），初步得到了冰雹云的移動路徑。冰雹云初生、發(fā)展、降雹及減弱各個生命節(jié)點的判定方法如下：（1）初生：根據(jù)降雹點及降雹時間確定降雹云團，追蹤降雹云團到云團初生的位置，將該位置確定為云團的初生位置（文中107 個個例的初生位置均在雷達探測區(qū)域內）；（2）發(fā)展：追蹤初生的冰雹云，若冰雹云回波強度在6 min 內增加5 dBz 以上，回波強度大于45 dBz，且冰雹云覆蓋范圍增大，則認為冰雹云在該時刻、該位置迅速發(fā)展；（3）降雹：對照人工觀測記錄的降雹時間、降雹位置、回波的強中心位置及回波的垂直剖面結構等因素綜合確定降雹點位置及時間，以地面人工觀測記錄為主；（4）減弱：若冰雹云的強中心回波值小于45 dBz，且大范圍回波強度在30～35 dBz 之間，則認為冰雹云在該處減弱。本文中提到的冰雹云移動路徑是指冰雹云在重要時間節(jié)點及重要轉折點處回波中心位置的連線。

將冰雹云的發(fā)展演變劃分為3 個階段：發(fā)展階段、成熟階段及消散階段。發(fā)展階段定義為從初生至發(fā)展節(jié)點之間；成熟階段定義為從發(fā)展至降雹節(jié)點之間；消散階段定義為從降雹至減弱節(jié)點之間。發(fā)展階段代表了冰雹云的初步發(fā)展階段；成熟階段代表了冰雹云發(fā)展最為旺盛的階段，包括降雹過程；消散階段代表了冰雹云的減弱階段。

2 結果與分析

2.1 冰雹云移動路徑特征

由圖1 可知，巴彥淖爾市冰雹云的移動路徑大致可以分為以下5 個方向：西北路徑（50 次，46.7%）、西南路徑（28 次，26.2%）、偏西路徑（23 次，21.5%）、偏北路徑（4 次，3.7%）、東北路徑（2 次，1.9%）（偏北路徑和東北路徑發(fā)生較少，圖略）。巴彥淖爾市冰雹云移動的西南路徑和偏西路徑有路徑轉折，不確定性更大一些。

圖1 2009—2019年巴彥淖爾市冰雹云移動路徑Fig.1 Moving paths of hail clouds in Bayannur from 2009 to 2019

2.1.1 冰雹云移動路徑月變化 由表1 可知，2009—2019 年影響巴彥淖爾市的冰雹主要發(fā)生在5—9 月。其中，5 月為春季、6—8 月為夏季，9 月為秋季。9月和5月出現(xiàn)冰雹的次數(shù)最少，分別為6次和8 次。5 月出現(xiàn)的冰雹多以西北（WN）和西南（WS）路徑為主，而9 月出現(xiàn)的冰雹多以西北（WN）和偏西（W）路徑為主。6 月和7 月是冰雹發(fā)生的高頻月，8月次之，冰雹的發(fā)生頻次分別為36次、34次和23次。6月出現(xiàn)冰雹多以西北（WN）和西南（WS）路徑為主，7月出現(xiàn)冰雹多以西北（WN）、西南（WS）及偏西（W）路徑為主，8月出現(xiàn)冰雹多以西北（WN）和偏西（W）路徑為主。因此，對于巴彥淖爾市地區(qū)，夏季（6—8月）要重點關注冰雹災害影響，尤其是西北、西南及偏西路徑方向的冰雹影響。

表1 不同月份不同路徑冰雹云出現(xiàn)的頻次Tab.1 Frequency of hail clouds with different paths in different months/times /次

為進一步了解不同季節(jié)冰雹云的移動特征，統(tǒng)計了不同月份冰雹云各生命階段的持續(xù)時間及移動距離（圖2）。相對來說，7月、8月的冰雹云在較短時間（14.09 min、17.00 min）及較短距離（5.49 km、8.48 km）內迅速發(fā)展，但其成熟階段的距離較長，影響范圍較廣。而5 月、6 月、9 月的冰雹云發(fā)展階段的持續(xù)時間相對來說較長（26.43 min、27.86 min、24.83 min），6 月的冰雹云在成熟階段移動了26.66 km。7月、8月冰雹云的移動速度相對緩慢，平均為7.90 m·s-1和8.26 m·s-1；5 月和6 月的冰雹云移動速度較快，平均為11.97 m·s-1和11.56 m·s-1；9 月的冰雹云在發(fā)展階段移動速度最快，可達14.4 m·s-1?？傮w而言，7 月、8 月的冰雹云在較短時間及較短移動距離內發(fā)展增強，但在成熟階段移動緩慢、持續(xù)地影響云系覆蓋的大范圍區(qū)域，是冰雹云致災性最強的2個月。

圖2 冰雹云各生命階段持續(xù)時間（a）、移動距離（b）、移動速度（c）月變化Fig.2 Monthly changes in the duration(a),moving distance(b),and moving speed(c)of each life stage of hail cloud

2.1.2 冰雹云初生時間、降雹時間日變化 綜上所述，發(fā)生在6—8月的冰雹云尤其值得關注，將冰雹云初生時間進行了分類，分為上午（8:00—11:00）、中午（11:00—14:00）、下午（14:00—17:00）、傍晚（17:00—20:00）、夜間（20:00—24:00）5 個時段。上午時段出現(xiàn)了7 次，中午時段出現(xiàn)了31 次，下午時段出現(xiàn)了52 次，傍晚時段出現(xiàn)了20 次，夜間時段出現(xiàn)了4次。其中，冰雹云初生時間在13:00—14:00 出現(xiàn)了19 次，14:00—15:00 出現(xiàn)了27 次，15:00—16:00 出現(xiàn)了10次，是冰雹云初生頻次最高的3個時段。

將降雹時間也按照類似的方法進行分類，分為上午（8:00—11:00）、中午（11:00—14:00）、下午（14:00—17:00）、傍晚（17:00—20:00）、夜間（20:00—02:00）5個時段。上午時段出現(xiàn)了4次，中午時段出現(xiàn)了12次，下午時段出現(xiàn)了60次，傍晚時段出現(xiàn)了23 次，夜間時段出現(xiàn)了9 次。其中，14:00—15:00 出現(xiàn)了25 次，15:00—16:00 出現(xiàn)了21 次，16:00—17:00出現(xiàn)了14次，是發(fā)生降雹頻次最高的3個時段。

對上述提到的冰雹云初生時間及降雹時間自西向東進行了展示，圖3a中灰色三角形為冰雹云初生頻次最高的時段（13:00—15:00），可以看出，冰雹云初生點隨經(jīng)度、緯度并沒有很大的變化（隨緯度變化圖略）。圖3b 可以看到，冰雹云降雹主要集中在14:00—17:00，且隨經(jīng)度、緯度也沒有明顯的變化（隨緯度變化圖略）。

圖3 冰雹云初生時間（a）、降雹時間（b）自西向東變化Fig.3 Time changes of hail cloud initiation(a)and hail(b)from west to east

2.2 冰雹云各生命階段特征分析

2009—2019 年巴彥淖爾市冰雹云各生命階段的持續(xù)時間和移動距離求平均值（圖4）發(fā)現(xiàn)，冰雹云發(fā)展階段平均需移動13.71 km，歷時21.20 min；成熟階段平均需移動22.10 km，歷時41.74 min；消散階段平均需移動72.88 km，歷時63.65 min。冰雹云常以較快的速度發(fā)展，成熟后能維持較長時間，且降雹后仍會以較強的組合反射率向前移動較長時間、較長距離。

圖4 冰雹云各生命階段持續(xù)時間及移動距離變化Fig.4 Changes in duration and moving distance of hail clouds in various life stages

在對冰雹云移動路徑有了整體認識的基礎上，進一步對比了不同移動路徑的冰雹云在不同生命階段的演變時間和移動距離特征（圖5）。從時間上來看（圖5a），各個路徑的發(fā)展階段耗時最短，消散階段耗時最長。就發(fā)展階段而言：（1）西北路徑下，42.00%的冰雹云翻越山脈，其發(fā)展需要的時間最長，平均為27.48 min；（2）相對來說，西南路徑、偏西路徑所需的時間較為一致，分別為15.42 min 和15.00 min；（3）東北路徑所需時間為13.00 min，耗時最短的則為偏北路徑（12.00 min）。從成熟階段來看，持續(xù)時間從長到短為：偏北路徑（64.50 mim）-西南路徑（48.08 mim）-西北路徑（40.25 mim）-東北路徑（36.50 mim）-偏西路徑（33.76 mim）。

從距離上看（圖5b），各個路徑的移動距離與持續(xù)時間有較為一致的地方，即發(fā)展階段的移動距離最短，消散階段的移動距離最長（除東北路徑）。西北路徑各發(fā)展階段的距離及總距離均為最長，而東北路徑的移動距離均最短。西北路徑的冰雹云大多要翻越山脈，所以移動距離較長；而東北路徑的冰雹云多為局地觸發(fā)的對流單體，移動距離最短。比較而言，西北路徑冰雹云的發(fā)生頻率最高，且其成熟階段的移動距離最長，成熟階段的持續(xù)時間也較長，災害性也最強。

圖5 冰雹云不同移動路徑各生命階段持續(xù)時間（a、c）、移動距離（b、d）Fig.5 Duration(a,c)and moving distance(b,d)of each life stage of different moving paths of hail cloud

除此之外，在不同路徑下、不同生命階段冰雹云的持續(xù)時間及移動距離做了箱線圖展示（圖5c，圖5d）。對于發(fā)展階段來說，無論是持續(xù)時間還是移動距離，其變化幅度最小，尤其是西南路徑、偏西路徑、偏北路徑及東北路徑。冰雹云的各生命階段而言，無論是持續(xù)時間還是移動距離，其平均值基本都大于50%分位值，短時間和短距離的樣本較多且較為集中，而長時間長距離的樣本比較分散，且有個別極大的樣本出現(xiàn)。這也側面反映了冰雹云的發(fā)展演變有很大的不確定性，影響冰雹云發(fā)展演變的因素很多，如熱力條件、水汽條件、動力條件等等。

在對不同路徑下各生命階段持續(xù)時間及移動距離變化有基本了解后，基本可以得到不同路徑下各生命階段冰雹云的平均移動速度（圖6）。西北路徑冰雹云的移動速度最快，且其發(fā)展階段的移動速度最快，西南路徑和偏西路徑的冰雹云移動速度基本相當，偏北路徑和東北路徑的冰雹云移動速度相對較慢。進一步驗證了本文的結論，西北路徑的冰雹云危害性最強，其持續(xù)時間長、移動距離遠、移動速度快，是需要特別關注的冰雹云移動路徑。

圖6 冰雹云不同移動路徑不同生命階段移動速度變化Fig.6 Changes in the moving speed of hail clouds in different moving paths and different life stages

2.3 冰雹云路徑與地形地貌的關系分析

為進一步了解冰雹云發(fā)展及降雹的地形特點，本文得到了不同路徑冰雹云的初生位置及降雹點位置（圖7）。冰雹云初生點總體上分布比較分散，其中，西北路徑冰雹云的初生點分布在山南側、山上、山北側，基本沒有規(guī)律；而其他幾個路徑的冰雹云初生點則基本分布在山南側（圖7a）。冰雹云降雹點的位置大多都集中在山南側（圖7b），山南側的河套平原地區(qū)主要是農(nóng)田耕地，冰雹在這些位置下落會帶來很大的經(jīng)濟損失。

圖7 冰雹云不同路徑初生點（a）與降雹點（b）位置的分布Fig.7 Location distribution of hail cloud initiation(a)and hail(b)of different paths

為進一步了解冰雹云降雹前移動路徑的地形特點，將冰雹云移動路徑、發(fā)展點、降雹點與內蒙古地貌圖疊加發(fā)現(xiàn)：在107次降雹個例中，對于發(fā)展點而言，有46 個在山上發(fā)展，26 個在沙漠發(fā)展，23 個為平原發(fā)展，12 個為過水系或黃河邊發(fā)展；對于降雹點而言，有50 個為過水系或黃河邊降雹，35 個為山上降雹，4個為沙漠降雹，18個為平原降雹。按照對流天氣過程產(chǎn)生的3 個基本條件分類如下：（1）將過水系和黃河邊的影響歸為水汽條件影響；（2）將山的影響歸為動力條件影響；（3）將沙漠的影響歸為熱力條件影響；平原影響未經(jīng)過上述3 種條件的影響，歸為無明顯特征。由此統(tǒng)計結果可以發(fā)現(xiàn)（表2），有46 個為動力條件發(fā)展，26 個為熱力條件發(fā)展，12個為水汽條件發(fā)展，23個為無明顯特征；有50個為水汽條件降雹，35個為動力條件降雹，4個為熱力條件降雹，18個為無明顯特征。動力條件和熱力條件是冰雹云發(fā)展的主要條件，水汽條件和動力條件是冰雹云降雹的主要條件。

表2 冰雹云發(fā)展、降雹的地貌特點Tab.2 Geomorphological characteristics of hail cloud development and hail

對于冰雹云發(fā)展而言（圖8a），由于動力條件發(fā)展的46 個個例中，35 個西北路徑，6 個偏西路徑，3個偏北路徑，東北路徑和西南路徑各1 個。由于熱力條件發(fā)展的26 個個例中，12 個西南路徑，7 個西北路徑，6 個偏西路徑，1 個東北路徑。由于水汽條件發(fā)展的12 個個例中，7 個西南路徑，3 個偏西路徑，2 個西北路徑。由動力條件發(fā)展的冰雹云以西北路徑為主（76.09%），由熱力條件發(fā)展的冰雹云則主要以西南、西北和偏西路徑為主（96.15%），由水汽條件發(fā)展的冰雹云相對較少一些。

對于冰雹云降雹而言（圖8b），水汽條件降雹的50個個例中，21個西北路徑，18個西南路徑，9個偏西路徑，偏北和東北路徑各1個；動力條件降雹的35個個例中，24個西北路徑，6個偏西路徑，3個偏北路徑，東北路徑和西南路徑各1 個；熱力條件降雹的4個個例中，3 個偏西路徑，1 個西南路徑。水汽條件降雹的冰雹云以西北路徑、西南路徑及偏西路徑為主（96.00%），而動力條件降雹的冰雹云則主要以西北路徑為主（68.57%），水汽條件降雹的冰雹云不確定性更大一些。

圖8 冰雹云發(fā)展（a）、降雹（b）影響條件及移動路徑分布Fig.8 Impact conditions and paths distribution of hail cloud development(a)and hail(b)

冰雹云在發(fā)展、降雹過程中，影響條件以動力+動力（32次）、熱力+水汽（17次）、動力+水汽（13次）為主（57.94%）。在冰雹云的發(fā)展過程中，以動力和熱力條件為主（67.29%）；在冰雹云降雹過程中，以水汽和動力條件為主（79.44%）。

3 結論

巴彥淖爾市地處內蒙古西部山脈與平原接壤地帶，通過對巴彥淖爾市冰雹云移動路徑特征分析，得出以下結論：

（1）巴彥淖爾市冰雹云的移動路徑主要為西北路徑、西南路徑和偏西路徑。西北路徑下，42.00%的冰雹云要翻越山脈，其發(fā)展所需時間最長（27.48 mim）；偏北路徑的冰雹云多為局地發(fā)展，其所需時間最短（12.00 mim）。冰雹云成熟后能維持33.76～64.50 mim，且偏北、西南、西北路徑維持的時間較長。西北路徑的冰雹云發(fā)生頻率最高，在成熟階段移動距離最長、持續(xù)時間也較長，再加上其移動速度快，是特別需要關注的冰雹云移動路徑。在人工影響天氣作業(yè)過程中，可以根據(jù)冰雹云發(fā)展的移動方向，預判其移動路徑及持續(xù)時間，為抓住有效作業(yè)時機提供參考。

（2）夏季（6—8 月），要重點關注該地區(qū)的冰雹災害影響。其中，7 月、8 月冰雹云在較短時間（14 min、17 min）及較短移動距離（5 km、8 km）內迅速發(fā)展，并在成熟階段緩慢移動、持續(xù)地影響云系覆蓋區(qū)域，是冰雹云致災性最強的2 個月。該地區(qū)冰雹云初生頻次最高的時段集中在13:00—15:00，而降雹主要發(fā)生在14:00—17:00，該結論可以為當?shù)厝斯し辣㈩A警、作業(yè)提供參考。

（3）巴彥淖爾市冰雹云在發(fā)展過程中，以動力和熱力條件為主（67.29%）；在降雹過程中，以水汽和動力條件為主（79.44%）。由動力條件發(fā)展的冰雹云以西北路徑為主（76.09%），由熱力條件發(fā)展的冰雹云則主要以西南、西北和偏西路徑為主（96.15%）；水汽條件降雹的冰雹云以西北路徑、西南路徑及偏西路徑為主（96.00%），而動力條件降雹的冰雹云則主要以西北路徑為主（68.57%）。