1979—2018年湖南冰雹日數氣候特征及影響因子分析

桑友偉　孟蕾　何娜　黃武英

摘要：利用1979—2018年湖南95個氣象站冰雹日數觀測資料和NECP 0.5°×0.5°再分析資料，采用線性傾向估計、M-K檢驗、小波分析、相似度分析等方法對湖南省冰雹氣候特征及影響因子進行分析。結果表明，湖南省降冰雹季節性明顯，主要降雹月份為1—5月，3月冰雹日數最多，是典型春季降雹區;湖南省冰雹總體西北多，東南少，由西北向東南遞減;近40年湖南省冰雹日數顯著減少，3月減少趨勢最顯著，同時冰雹日數呈周期性變化，以2～3年和4～6年周期最為顯著，進入2000年以來主要以3年周期波動變化為主;冰雹日數的減少主要來自冰雹高發區日數在顯著減少，湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多數站點冰雹趨勢下降顯著;湖南省冰雹空間分布及變化趨勢與大氣穩定度K指數的分布及變化趨勢顯著相關，在月平均K指數低于23的區域內，冰雹高值區與同緯度上K指數的相對高值區相對應，冰雹日數顯著減少地區對應K指數顯著增加的區域。

關鍵詞：冰雹;時空分布;K指數;大氣穩定度

中圖分類號：P46? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）02-0044-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.010? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis on climatic characteristics and influencing factors of

hail days in Hunan province from 1979 to 2018

SANG You-wei1，MENG Lei1，HE Na2，HUANG Wu-ying3

（1.Hunan Branch of China Meteorological Administration Training Centre，Changsha 410125，China;

2.Jiahe County Meteorological Bureau，Jiahe 424500，Hunan，China;3.Zixing Meteorological Bureau，Zixing 423400，Hunan，China）

Abstract： Hail days observation data from 95 weather stations in Hunan province and NECP 0.5°×0.5° reanalysis data from 1979 to 2018 was used to analyze the climatic characteristics and influencing factors of hail days in Hunan by linear trend estimation， M-K test， wavelet analysis， and similarity analysis. The results showed that the season of hail in Hunan province was obvious， the months from January to May are the main hail months， and the number of hail days in March was the most， which was a typical spring hail area; In general， hail in Hunan province was more in the northwest and less in the southeast， decreasing from northwest to southeast; In recent 40 years， the number of hail days in Hunan province had decreased significantly， and the decrease trend was the most significant in March， at the same time， the number of hail days presents periodic changes， especially in cycles 2～3 years and 4～6 years， 3 years cycle fluctuation had been the main trend since 2000; The decrease of hail days in Hunan province mainly came from the significant decrease of hail days in the areas with high incidence of hail， most stations in northwestern Hunan， northern Hunan， southern Hunan and central Hunan had a significant decrease of hail days; The spatial distribution and variation trend of hail in Hunan province were significantly correlated with the distribution and variation trend of atmospheric stability K index， in the regions with monthly average K index lower than 23， the high value area of hail corresponds to the relatively high value area of K index at the same latitude， and the regions with significantly decreased number of hail days correspond to the regions with significantly increased K index.

Key words： hail; spatial and temporal variation; K index; atmospheric stability

湖南省地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，地勢呈三面環山，朝北開口的馬蹄形地貌，由平原、盆地、丘陵、山地、湖泊等構成[1]。冰雹是湖南省主要災害性天氣之一，通常伴隨雷暴大風、短時強降水等，自天空降落到地面，一般持續時間不長，卻對糧食作物、經濟作物、交通運輸、建筑設備，甚至對人民生命財產安全造成嚴重影響，因此分析冰雹日數氣候特征有十分重要的意義。

許多氣象科研工作者已經對中國不同地區冰雹時空分布特征、變化趨勢規律、預測預警方法和典型天氣個例進行研究，取得了很多有益成果。張芳華等[2]分析1971—2000年中國冰雹日數時空分布特征，徐桂玉等[3]對中國南方冰雹氣候特征進行三維EOF分析，眾多學者[4-8]對中國北方不同地區冰雹氣候特征進行詳細分析。對于湖南省冰雹，曾志云等[9]對1967—2006年湖南省冰雹時空分布和變化特征及機理進行分析，指出進入90年代冰雹呈現減少趨勢，還有其他學者[10-13]研究了湖南省不同地市州冰雹發生特點或冰雹天氣過程預報預警。目前對湖南省冰雹氣候特征分布研究雖然較多，但多集中基本時空尺度分布或預警預報總結，針對氣候變化背景下湖南省冰雹日數變化及其對應影響因子的研究很少。本研究旨在分析湖南省冰雹日數時空分布及時空變化，同時分析表征大氣穩定度的K指數氣候特征與冰雹分布及變化的對應關系，有助于進一步全面了解湖南省冰雹分布與變化特征，為進一步做好氣象防災減災和氣象為農服務工作提供參考。

1? 資料與方法

資料來自于1979年1月1日至2018年12月31日湖南省95個國家級氣象觀測站的降冰雹記錄。

冰雹日數的定義為在氣象觀測站出現冰雹或區域內出現冰雹為一個冰雹日，觀測時間日界以地面氣象觀測標準20時為準[14]。

1979年1月1日至2018年12月31日大氣層結穩定度指標K指數資料來源NCEP 0.5°×0.5°再分析資料。K指數計算公式[15]如下。

K=[T850-T500]+[Td]850-[T-Td]700

式中，T表示溫度，Td表示露點溫度，下標數字表示所在等壓面（hPa），單位為℃。K指數數值越大代表大氣越不穩定。

采用線性傾向估計[16]分析冰雹日數的氣候傾向率，利用M-K檢驗方法[17-19]對冰雹日數變化情況進行顯著性檢驗，采用Morlet小波分析[20]對冰雹日數的周期變化進行分析，利用ArcGIS軟件空間分析模塊的反距離權重插值法進行冰雹日數和K指數的分布與變化在湖南省范圍內空間插值[21]，利用Matlab軟件計算冰雹日數空間分布與K指數空間分布兩個矩陣、冰雹日數氣候傾向率空間分布與K指數氣候傾向率空間分布的二維相關系數[22]。

為了便于詳細分析湖南省不同地區冰雹氣候特征和變化趨勢，按照《中國氣象地理區劃手冊》[23]將湖南省劃分為湘西北、湘北、湘西南、湘中、湘東南，湘西北、湘西南和湘東南地區以山區為主，湘北和湘中以平原和丘陵為主（圖1）。

2? 結果與分析

2.1? 冰雹氣候特征

2.1.1? 冰雹日數時間分布? 由1979—2018年湖南省冰雹日數各月累年平均分布（圖2）可知，湖南省冰雹一般全年均可出現，月冰雹日數呈現單峰形，峰值出現在3月;降雹主要集中在1—5月，占冰雹年平均日數的95.7%，尤其以3月出現冰雹日數最多，平均為22.8 d/年，占冰雹年平均日數的45.8%，為典型的春季降雹型;2月冰雹日數次之，平均為14.6 d/年，占冰雹年平均日數的29.2%，秋季9—11月冰雹最少，3個月共計占比0.6%。與眾多地區降雹集中在夏季[6-8]不同，湖南省冰雹主要集中在春季，造成這種明顯的季節性差異的原因，主要是因為降雹與副熱帶急流、極鋒急流及其鋒系位置的季節變化有密切關系[24]，春季這些系統位于長江流域附近，造成湖南省春季多冰雹。

2.1.2? 冰雹日數空間分布? 湖南省雖然各地都有冰雹出現，但受地形地貌影響很大，具有顯著的地域特點。由1979—2018年湖南省冰雹日數的空間分布（圖3）可知，湖南省冰雹總體西多東少，北多南少，山區多于平原。湖南省各地年平均冰雹日數在0.1～2.2 d/年，湘西北大部分地區年平均冰雹日數多在1.0 d/年以上，特別是位于湖南省西北部邊緣的吉首、武陵山北部的桑植和張家界等地區，是湖南省主要多雹地區，年平均冰雹日超過1.5 d，最多年份2005年可達9 d;自西往東，隨著地勢逐漸降低，冰雹日數也顯著減少，湘北地區中部、湘中地區北部和湘東南地區西部多為0.4～1.0 d/年;湘北地區偏東部、湘中地區偏南部、湘東南地區東北部和南部丘陵山地年平均冰雹日數在0.4 d/年以下，成為湖南省主要少冰雹區。

2.2? 冰雹氣候變化特征

2.2.1? 冰雹日數年際變化? 由1979—2018年湖南省冰雹日數的年際變化情況（圖4）可知，湖南省冰雹日數整體呈現下降的趨勢，湖南省1988年冰雹日數最多，達到211 d，1992年次之，達到160 d，1999年冰雹日數最少，全年不超過2 d，2000年、2008年、2011年、2014年、2017年也是冰雹日數極少的年份，皆不超過6 d。近40年湖南省冰雹日數氣候傾向率為-1.8 d/年，通過了0.01水平上的顯著性檢驗，說明湖南省冰雹日數以每年1.8 d左右的趨勢遞減。

1979—2018年湖南省冰雹日數整體呈現明顯減少趨勢，為了進一步分析各月的冰雹日數變化情況，對湖南省各月冰雹日數的氣候傾向率（圖5）進行分析可知，1—4月，湖南省冰雹日數氣候傾向率為負值，尤其是3月氣候傾向率絕對值最大，減少趨勢最明顯，約為-1.0 d/年。這表明作為處于典型春雹區的湖南省，其冰雹日數逐年減少主要是由于冰雹高發月份1—4月冰雹日數減少造成的。

2.2.2? 冰雹日數周期變化? 分析1979—2018年湖南省冰雹日數小波能量譜（圖6）可知，近40年來湖南省冰雹日數變化周期以2～3年、4～6年和準8年周期為主，其中以2～3年和4～6年周期最為顯著，最強的周期為以4年為中心的周期變化，并通過顯著性檢驗。具體分析可知，2.5年周期在1990年之前和1996年之后較強，3年周期在2000年前較強，2000—2016年較弱，2017年后再次變強，4～6年周期在1996年之前較強，1996年以后變弱，準8年周期則一直較弱。說明湖南省冰雹日數進入2000年以來主要以3年周期波動變化為主，每3年會有一次波動。

2.2.3? 冰雹日數變化空間分布? 由1979—2018年湖南省冰雹日數年際變化分析可知，湖南省冰雹整體在顯著減少。為了更進一步了解湖南省各個地區冰雹日數變化趨勢，分析湖南省各氣象觀測站冰雹日數的氣候傾向率空間分布（圖7）可知，湘西北、湘北、湘西南、湘中地區多數站點的氣候傾向率為負值，湘西北張家界、常德、龍山、古丈，湘北常德、桃源、南縣、安化，湘中長沙、湘鄉，湘西南新晃、芷江、洪江、通道等地減少趨勢顯著，通過了0.05水平的顯著性檢驗;而湘東南安仁、桂東、桂陽、炎陵、雙牌、東安等地呈略微增加趨勢，但未通過顯著性檢驗。說明近40年湖南省冰雹日數減少的原因主要是由于湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多個站點冰雹日數呈現明顯減少趨勢造成的。結合上述內容可說明近40年湖南省冰雹日數的減少主要來自冰雹高發區日數在顯著減少。

2.3? 冰雹日數與大氣穩定度K指數的關系

強對流天氣發生發展的3個基本條件分別是水汽條件、不穩定層結、抬升條件[15]。冰雹作為強對流天氣產物之一，大氣穩定度條件對其有十分重要的影響。對1979—2018年湖南省冰雹日數與表征大氣穩定度的K指數氣候特征（圖8）進行對比分析發現，湖南省K指數空間分布總體為南高北低，冰雹日數則是北高南低，兩者空間分布在同一經線上的相似度為-0.53，達到顯著負相關水平，可見在同一經線上冰雹日數高值區對應的是K指數的低值區，冰雹高值區主要集中在K=22等值線以北的山區;對比同為冰雹高值區的湘西北和湘西南地區，對兩者進行區域分析發現，冰雹日數空間分布與K指數緯向距平的空間分布相似度達0.77，有顯著的正相關關系，說明冰雹分布主要高值區并不與K指數的絕對高值區相對應，而是在月平均K指數低于23的區域內，與同緯度上K指數的相對高值區相對應。造成這種情況可能是因為湘西北和湘西南地區為南北走向的山區，而同時湖南省主要受偏西風影響，山區起到了抬升偏西氣流并使大氣層結變得更加潮濕不穩定的作用[25]，容易在其他因子共同作用下成為冰雹多發地帶。

進一步考慮冰雹日數年際變化與K指數年際變化的對應關系（圖9），取變化較顯著的3月進行分析發現，3月湘西北地區冰雹顯著減少，其對應的K指數則顯著增加，通過0.05水平顯著性檢驗，而在某些K指數增加不顯著甚至呈降低趨勢的地區有冰雹日數的略微增加，這與冰雹的發生條件有關系。冰雹發生時，垂直高度上的零度層位置既不能太高也不能太低[15]，表明冰雹發生時所需的暖濕層既不能太厚也不能太薄，而K指數增加的原因之一就是暖濕層的增強，因此在同樣的地理地貌條件下，冰雹高值區K指數的增加反而不利于冰雹的發生。

3? 小結與討論

通過對1979—2018年湖南省冰雹氣候特征及影響因子的分析研究，得出結論如下。

1）湖南省降冰雹季節性明顯，1—5月冰雹出現最多，以3月為主，出現頻率占年總數的45.8%，是典型春季降雹區。本研究結論符合中國南方冰雹氣候特征，如徐桂玉等[3]在中國南方冰雹氣候特征的三維EOF分析中指出，中國南方冰雹季節變化顯著，春季2—5月為多冰雹季節，其中3月出現最大值。

2）湖南省冰雹西部多于東部，北部多于南部，高山多于平原;總分布呈現西北多、東南少的趨勢，由西北向東南遞減，這與曾志云等[9]的研究較為一致;位于湖南省西部邊緣的吉首、武陵山北部的桑植、張家界是湖南省主要多冰雹區。

3）近40年湖南省冰雹日數呈波動顯著下降趨勢，氣候傾向率為-1.8 d/年;各月累年平均冰雹日數在3月減少趨勢最顯著;湖南省冰雹日數變化周期以2～3年、4～6年和準8年周期為主，其中以2～3年和4～6年周期最為顯著，進入2000年以來主要以3年周期波動變化為主。

4）近40年湖南省冰雹日數的減少主要來自冰雹高發區日數在顯著減少，湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多數站點冰雹趨勢下降顯著，而湘東南部分地區氣候傾向率為正值，但未通過顯著性檢驗。

5）湖南省冰雹分布及變化與大氣穩定度K指數的分布及變化密切相關，但冰雹高值區并不與K指數的絕對高值區相對應，這與孟妙志[26]、李勇等[27]對于強對流天氣物理量取值范圍的研究結果較為相近，湖南省冰雹高值區在月平均K指數低于23的區域內主要與同緯度上K指數的相對高值區相對應。

6）分析3月冰雹高值月份可知，冰雹日數顯著減少地區對應K指數顯著增加的區域，從氣候角度上詮釋了冰雹的發生對暖濕層的要求在特定范圍內，暖濕層不能太高也不能太低。

本研究從氣候角度深入討論了湖南省冰雹的時間和空間分布及變化，并量化分析了冰雹與大氣穩定度的相互關系，表明在氣候變化背景下冰雹日數無論在時間還是空間上都呈現出顯著的分布特征和變化特征，并在一定程度上說明了全球變暖背景下雖然強對流天氣頻發，但冰雹日數卻在顯著下降的原因，為科學防雹提供了科學參考。但考慮到冰雹天氣具有空間尺度小、生命史短、局地性和突發性強等特點[15]，如果結合更多各地冰雹災情資料進行研究結果可能更好;可將湖南省不同季節盛行風向與地形之間關系作為影響湖南冰雹分布的重要因子，需要今后進行深入研究。

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收稿日期：2019-04-04

基金項目：湖南省氣象局重點課題（XQKJ18A004）;湖南省氣象局2018年短平快課題（XQJK18B089）

作者簡介：桑友偉（1988-），男，江蘇淮安人，工程師，碩士，主要從事氣象教育培訓與應用氣象研究，（電話）15974203773（電子信箱）

809877607@qq.com;通信作者，孟? 蕾，高級工程師，主要從事氣象教育培訓與氣象服務工作，（電子信箱）menglei_07@nuist.edu.cn。