甘肅白銀冰雹氣候特征的南北差異分析

邵清軍, 馮婭茹, 李維國, 劉曉蒙, 景懷璽

(1.蘭州中心氣象臺,甘肅 蘭州 730200;2.白銀市氣象局,甘肅 白銀 730900)

0 引言

甘肅中部是典型的干旱與半干旱區[1]。白銀市處于甘肅中部,瀕臨騰格里沙漠邊緣,地處東經103°33′～105°34′和北緯35°33′～37°38′,拔海高度在1275～3321 m,南北狹長相距380 km,東西狹窄相距140 km,區域面積21158 km2,既是河西走廊與黃土高原的過渡區,也是干旱與半干旱過渡區。全市地形地貌復雜,北部平坦多丘陵地帶；南部溝壑縱橫多山區地帶。內有壽鹿山、長嶺山、哈思山、屈吳山、瞭高山和鐵木山等山脈,受其地形條件影響,有利于暴雨、冰雹等強對流天氣的易發頻發[2]。冰雹是夏半年白銀市主要的氣象災害之一,1996年6月25日會寧縣中南部遭受強冰雹天氣襲擊,最大冰雹直徑27 mm,持續時間40 min,受災人口3.4萬人,死亡3 人,一次局地冰雹天氣過程直接造成經濟損失1.2×104萬元。

冰雹是中小尺度天氣系統的產物[3-8]。在以往對冰雹天氣的研究中,張芳華等[9]認為,近30 a中國冰雹日數有顯著減少的趨勢,發現冰雹多發區位于青藏高原,江南和華南地區主要集中在2-4月,其他地區集中在5-9月,冰雹發生時刻主要集中在午后至傍晚；康風琴等[10-11]認為,西北地區冰雹日數總體呈現減少趨勢,地域分布上有顯著差異,高原觸發作用有利于冰雹天氣形成,高原地區明顯高于平原地區；王若升等[12]認為,受六盤山地形因素的影響,對平涼地區冰雹的發生有比較大的正貢獻。就白銀市及甘肅中部冰雹天氣的相關研究目前未見文獻報道。雖然白銀市區域面積不大,但由于其特殊的地理分布,分析白銀市南北地區冰雹天氣的氣候特征就完全可反映甘肅中部干旱和半干旱區冰雹天氣氣候特征。所以通過對白銀市冰雹天氣氣候特征分析研究,一方面為白銀市冰雹天氣的成因研究及預報預警提供技術支撐,也為人工影響天氣防雹作業和政府部門指揮當地農業生產防災減災提供參考依據；另一方面為甘肅中部干旱和半干旱區冰雹天氣氣候差異性特征提供基礎資料。

1 資料與方法

1.1 數據來源

冰雹天氣具有空間尺度小的特點,僅使用現行氣象觀測網獲取的資料,無法滿足業務精細化的需求,其局限性較大。因此,在利用白銀市氣象局資料室1978-2020年白銀市所轄的景泰、白銀、靖遠、會寧4 個地面氣象觀測站(平川區建站時間過短,地處共和鎮,資料劃歸該鎮)的基礎上,收集整理白銀市國土、民政及應急等部門災情調查所得的全市同期59 個鄉鎮點冰雹日資料,共計63 個站點,建立了站點年冰雹日數時間序列。為便于進一步分析研究,對冰雹出現日數作出重新規定:當某一縣區一日之內包括城區觀測站和鄉鎮點,出現1 站點或1 站點以上統計為該縣區1 個冰雹日,共計186 個冰雹出現日數,建立景泰縣、白銀區、靖遠縣(因平川區以前為該縣管轄,所以鄉鎮資料全部劃歸該縣)、會寧縣4 個縣區月、季、年冰雹日數時間序列。同時,根據白銀市地理位置、地形地貌和氣候差異等特點,陳少勇等[13]在白銀市降水資源評估研究成果中,將北部地區的景泰縣、白銀區、靖遠縣劃分為干旱區,南部地區的會寧縣劃分為半干旱區。

1.2 研究方法

利用線性趨勢估計方法[14],分析冰雹日數的年際變化趨勢；通過計算變差系數[15],分析不同地域上冰雹日數的穩定性變化；利用小波分析方法[16],分析冰雹日數多時間尺度及周期性變化特征；利用Mann-Kendll 法[17],分析冰雹日數隨時間演變的突變性特征。

(1)線性趨勢估計方法:設f(x)為某一變量,t為時間,建立f(x)與t的一元線性回歸方程

式中,c0、c1為回歸系數,c1的符號反映上升或下降趨勢,c1的大小反映f(x)上升或下降的速率,一般稱為傾向率。

(2)變差系數:表征隨機變量對其平均值的相對離散程度,反映時間序列的穩定性。

式中:Cv為變差系數；S為標準差；為平均值。

(3)小波分析方法:使用MHAT 小波。其中,小波基(母波)采用了MHAT 子波

(4)Mann-Kendll 法:是非參數檢驗方法,在給定置信區間上,統計量時間序列存在顯著的上升或下降趨勢,從而可以確定時間序列演變過程中的突變特征及時間點。

2 結果分析

2.1 空間分布特征

白銀市冰雹天氣的空間分布是不均勻的。利用ArcGIS 系統繪制了白銀市地形圖1(a)和1978-2020年63 個站點年平均冰雹日數空間分布圖1(b)。由圖1可以看出,白銀市年平均冰雹日數從南向北遞減,總的呈“南多北少”空間分布特點,北部景泰縣、白銀區、靖遠縣較少,南部會寧縣較多。通過計算比較南北區域平均值的大小發現,南部地區冰雹天氣日數是北部地區的3 倍左右,這與夏半年大尺度環流場及其變化有關。

圖1 白銀市地形圖與1978-2020年平均冰雹日數空間分布圖對照

冰雹的空間分布與山脈的走向及不同坡向有關[18]。受區域地形(包括南部地區緊靠的華家嶺山脈)迎風坡效應影響,冰雹發生于域內呈東西走向山脈的南坡端和呈南北走向西坡端,包括景泰縣長嶺山南坡端的寺灘鄉和壽鹿山南坡端的正路鄉,白銀區瞭高山南坡端的強灣、四龍、水川等鄉鎮,靖遠縣哈思山南坡端的石門、雙龍、興隆等鄉鎮,平川區屈吳山南坡端的平川區種田鄉和靖遠縣高灣鄉以及會寧縣劉寨、新源等鄉鎮,會寧縣鐵木山西坡端的頭寨、漢岔等鄉鎮為同一縣區或不同縣區中出現的多發區；會寧縣南部多山谷地帶,因暖濕氣流受下墊面增熱不均勻和華家嶺山脈西北坡端阻擋所產生的熱力和動力抬升作用,在最南端的桃花山、丁溝、中川、翟所、新添、黨峴、候川等鄉鎮形成全市最顯著的高發區；受青藏高原和區域地形(包括祁連山余脈的烏鞘嶺山脈)背風坡效應的共同影響,自景泰縣北部和靖遠縣北部分兩路延伸到境內形成“鉗形狀”冰雹低值區,范圍包括景泰縣的紅水、一條山、五佛、草窩灘、蘆陽、喜泉、大安、中泉等鄉鎮,靖遠縣的永新、北灘、五合、靖安、東升、糜灘、東灣、烏蘭等鄉鎮以及平川區水泉、王家山等鄉鎮,屬全市最顯著的極少發區。究其原因:白銀市北部地區地處青藏高原東北側地形彎曲曲率最大處,西風氣流受側邊界動力作用的影響所產生的反氣旋下沉氣流最強,不利于成云致雨致雹,加之區域地形的背風坡效應,由祁連山余脈的烏鞘嶺、景泰縣長嶺山和壽鹿山、白銀區瞭高山、平川區屈吳山等北坡所包圍區域中,位于靖遠縣東北邊界的哈思山所起作用既是背風坡又是迎風坡效應,所以形成了白銀市北部地區冰雹天氣空間分布又呈“鉗形狀”低值區特征。可見白銀市冰雹天氣空間分布的不均勻性與周邊大環境及區域的地形地貌特征等因素密切相關。

降水空間分布與冰雹日數空間分布具有一致性和關聯性。基于近15 a白銀市鄉鎮區域自動站汛期降水量資料(只能自動獲取4-9月)繪制空間分布圖(圖略)進行對比,結果顯示與冰雹日數的空間分布近乎完全一致；計算白銀市各站點汛期平均降水量與年平均冰雹日數的復相關系數為0.71,顯著性檢驗水平通過α=0.001,相關程度極高,即白銀市降水與冰雹存在正相關性。

由于本文將冰雹資料精細化到鄉鎮一級,因而準確地反映了白銀市冰雹天氣的空間分布特征。為此,將白銀市冰雹天氣的空間分布按稀有區、少發區、易發區和高發區等4 個級別進行氣候劃分,可作為冰雹天氣在預報預警業務中落區或落點方面的預警指標。同時,對現行的人工影響天氣防雹作業點布局可適當作出科學調整。

稀有區:主要包括景泰縣的紅水、一條山、五佛、草窩灘、蘆陽、喜泉、大安、中泉等鄉鎮,靖遠縣的永新、北灘、五合、靖安、東升、糜灘、東灣、烏蘭等鄉鎮以及平川區水泉、王家山等鄉鎮。

少發區:主要包括會寧縣北部的新莊、郭城、土高、草灘、河畔、白源、四方、甘溝、大溝、柴門、八里、平頭等鄉鎮,靖遠縣南部的三灘、烏蘭、箬笠、大蘆等鄉鎮。

易發區:主要包括景泰縣的寺灘、正路等鄉鎮,白銀區的強灣、水川、四龍等鄉鎮,靖遠縣的石門、興隆、雙龍、高灣等鄉鎮,平川區的種田鄉以及會寧縣的劉寨、新源等鄉鎮。

高發區:主要包括會寧縣的桃花山、丁溝、中川、翟所、老君、太平、新添、黨峴、候川等鄉鎮。

2.2 年際及年代際變化特征

白銀市冰雹天氣具有顯著的年際及年代際變化特征。選取白銀區代表北部地區,會寧縣代表南部地區,利用線性趨勢估計方法,分析了1978-2020年白銀市年冰雹日數年際變化特征,并與年氣溫距平的年際變化特征進行對比。由圖2可以看出,1985年是白銀市冰雹日數最多的年份,北部地區4 d、南部地區6 d,北部地區無冰雹發生的年份為18 次、南部地區3 次,北部地區、南部地區均呈現減少的趨勢,與其對應的年氣溫距平變化趨勢呈明顯的反位相變化特征,表明白銀氣候變暖使冰雹日數減少；從年際傾向率的具體數值上來看,年冰雹日數南部地區傾向率-0.31 d/10 a,北部地區傾向率-0.42 d/10 a,顯著水平分別通過α=0.05和α=0.01 檢驗；年氣溫距平南部地區傾向率0.66 ℃/10 a,北部地區傾向率0.36 ℃/10 a,顯著水平均通過α=0.001檢驗。由此表明:在氣候變暖且增溫幅度南部地區大于北部地區和冰雹日數南部地區減少程度小于北部地區的情況下,必然形成冰雹天氣對氣溫的敏感性響應北部地區快于南部地區。自2016年以后白銀市氣溫增幅有減少趨勢,冰雹日數有增多趨勢。

圖2 1978-2020年白銀市年冰雹日數與年氣溫距平年際變化曲線對比

為進一步分析白銀市各縣區冰雹日數的年代際變化特征,統計了各年代平均值見表1。由表1 可以看出,白銀市冰雹日數20 世紀80、90年代分別為0.4 ～2.5 d、1.0 ～2.2 d,21 世紀10、20年代分別為0.3 ～1.5 d、0.5 ～2.0 d,就全市平均狀況而言,20 世紀80、90年代冰雹日數較多,21 世紀10年代較20 世紀80、90年代減少明顯, 20年代較10年代有所增加,且達不到20世紀80、90年代的水平,年代際變化特征明顯。

表1 白銀市各縣區不同年代冰雹日數平均值統計 單位:d

2.3 月、季變化特征

白銀市冰雹天氣月、季變化總體呈單峰型特征,基本接近正態分布。利用1978-2020年白銀市各縣區及區域平均逐月冰雹日數,其變化趨勢見圖3,分析冰雹日數的月際變化特征。由圖3 可以看出,白銀市冰雹天氣主要集中在4-10月發生, 7月最多,6月、8月次之,5月、9月較少,4月、10月最少；從4月開始出現,5月逐漸增多,6月繼續增多,7月達到高峰,8月開始減少,9月繼續減少,10月迅速減少,直至消失,其變化趨勢各地具有較好的一致性,可以得出白銀市冰雹天氣始于4月,結束于10月,7月為全年最多的月份；在地域分布上,北部地區的景泰縣、白銀區、靖遠縣絕大多數月份低于區域平均值線以下,南部地區會寧縣高于區域平均值線以上,南部地區大于北部地區。

圖3 1978-2020年白銀市各縣區及區域平均逐月冰雹日數變化趨勢曲線

為進一步分析白銀市冰雹日數的季節性變化特征,統計了各縣區平均各季節冰雹日數及所占百分比,需要說明:冬季(11-2月)無冰雹發生不再列入表2中。由表2 可以看出,就區域平均而言,多集中于夏季發生,春季和秋季相當且較少；就分縣區而言,表現為夏季最多,景泰縣、靖遠縣春季和秋季相當且較少,白銀區秋季較少、春季最少,會寧縣春季較少,秋季最少,春秋變化不一。

表2 1978-2020年白銀市各縣區平均各季節冰雹日數及所占百分比

春季(3-5月):各縣區平均冰雹日數在0.03 ～0.15 d,占全年冰雹日數的14% ～21%,占比相對較小,這與白銀市春季干旱少雨的氣候特征有很大的關系。

夏季(6-8月):各縣區的平均冰雹日數在0.15 ～0.47 d,占全年冰雹日數的63% ～75%,占比相對較大。白銀市夏季的氣候特點是氣溫相對較高,水汽條件相對較好,受境內多山脈、多丘陵、多溝壑等地形影響,大氣層結不穩定度增強,極易形成冰雹、暴雨等局地強對流天氣發展。

秋季(9-11月):各縣區的平均冰雹日數在0.02 ～0.09 d,占全年冰雹日數的10% ～23%,占比較小。入秋以來白銀市天氣逐漸轉涼,大氣層結趨于穩定,從而抑制對流天氣發展。

2.4 日變化特征

白銀市冰雹天氣日變化與月、季變化極為相似,同樣具有單峰型特征。1990年以前,由于當地民政部門對鄉鎮點冰雹發生的歷史記載中,只記錄了冰雹發生的年份、月份、日期、地點和災情,而未詳細記錄冰雹發生的具體時間段,所以本文采用1990-2020年近31 a有準確時間段記錄的冰雹資料分時間間隔(2 h)統計冰雹出現時段次數(與冰雹日數相同),并求其年平均。由表3 可以看出,以20 時為日界,從統計中未見08-12 時和20-08 時發生冰雹天氣,12-20 時可能發生冰雹天氣。12-14、18-20 時平均冰雹日數分別為0.03 ～0.13 d、0.06 ～0.19 d,顯然冰雹天氣發生的概率較小；14-16 時、16-18 時平均冰雹日數分別為0.26～0.74 d、0.23 ～0.65 d,顯然冰雹天氣發生的概率較大。由此可見,一日中白銀市各縣區冰雹天氣易發時段主要在12-20 時,高發時段主要集中于14-18 時,其余時段無冰雹天氣發生。研究結果同樣可以應用于冰雹天氣預報預警業務,為白銀市人工影響天氣防雹作業提供科學的參考依據。

表3 1990-2020年白銀市各縣區2 h 平均冰雹日數 單位:d

2.5 穩定性變化特征

均方差可以反映冰雹日數平均年際變化特征。由表4 可以看出,各縣區冰雹日數平均年際變化春季、夏季、秋季、年分別在0.29 ～0.63 d、0.58 ～0.92 d、0.26～0.68 d、0.69 ～1.36 d,白銀區、靖遠縣均方差大小的排序是年、夏季、秋季、春季,景泰縣、會寧縣均方差大小的排序是年、夏季、春季和秋季相當,總體上冰雹日數平均年際變化年的最大,夏季次之,春、秋季較小,南部地區大于北部地區。

表4 1978-2020年白銀市各縣區季、年冰雹日數均方差及變差系數

變差系數可以反映冰雹日數的平均相對變化特征。由表4 可以看出,各縣區冰雹日數的變差系數春季、夏季、秋季、年分別為1.58 ～3.21、0.73 ～2.01、2.51 ～3.46、0.72 ～1.71。除會寧夏季和年變差系數小于1 之外,其余全部大于1,并且半數呈倍數級增長,表現出冰雹天氣的突發性強、隨機性大、穩定性差的特點。相比之下秋季最大、春季次之、夏季較小、年的更小,南部地區小于北部地區,表明年變化較季節的穩定,夏季較春季穩定,春季較秋季穩定,南部地區較北部地區穩定。

2.6 周期性變化特征

小波分析能有效地從有限信號中提取信息,通過伸縮和平移等運算功能對函數或信號進行多尺度細化分析。從圖4(a)可以看到,白銀市北部地區冰雹日數在伸縮尺度10 ～15 a層次完成了4 個振蕩期,1979-1983年、1986-1993年、1995-2002年、2004-2015年為偏少期。10 a左右的年代際周期顯示,目前仍處于偏多期,5 a左右的短周期變化也比較明顯；從圖4(b)可以看到,白銀市南部地區冰雹日數在伸縮尺度10 a左右也完成了4 個振蕩期,1980-1984年、1986-1990年、1993-1999年、2006-2014年為偏少期。10 a的年代際周期顯示,目前仍處于偏多期,5 a的短周期變化不明顯。因此,不難發現白銀市冰雹日數10 ～15 a的年代際周期非常明顯,目前均處于相對偏多期,南北地區變化比較一致；5 a左右的短周期南北有一定的差異,北部地區相對明顯,南部地區不明顯,北部地區波動性大,南部地區相對穩定,這與白銀市南北氣候差異有關。

圖4 1978-2020年白銀市冰雹日數小波分析結果

2.7 突變性檢驗特征

利用Mann-Kendall 檢驗方法對白銀市北部地區和南部地區年冰雹日數進行突變性特征檢驗。其中,顯著水平U0.05=±1.96,用A,B 分別表示。由圖5 可以看出,總體上(UF 曲線)白銀市北部地區和南部地區冰雹日數存在比較顯著的年代際變化特征。對于北部地區而言,1981-1987年有比較明顯的上升趨勢,1989-1996年有緩慢上升趨勢,1997-2014年在波動中有緩慢下降趨勢,2015年以后又呈緩慢上升趨勢,UB 曲線雖然穿過0.05 水平線,但UF 曲線和UB 曲線未交叉,無明顯突變現象；對于南部地區而言,1981-1986年有明顯上升趨勢,1987-2005年在波動中呈緩慢下降趨勢,2006-2013年有比較明顯的下降趨勢,2014 以后又呈緩慢的上升趨勢。其中,UF 曲線與UB曲線出現交叉點且UB 曲線穿過0.05 水平線,出現突變現象,突變時間是2006年。黃玉霞等[19]對甘肅冰雹天氣氣候特征研究顯示,河西地區與河東其他地區冰雹天氣的年際及年代際變化受其不同區域氣候差異而不盡相同,河西地區突變不明顯,河東地區突變顯著,說明白銀市冰雹天氣北部地區具有甘肅河西地區的變化特征,南部地區具有甘肅河東地區的變化特征。

圖5 白銀市年冰雹日數Mann-Kendall 的突變檢驗曲線圖

3 結論

通過對1978-2020年白銀市冰雹天氣氣候及其影響因素分析,可得出以下結論:

(1)白銀市冰雹日數從南向北遞減,形成“南多北少” 空間分布特征。迎風坡和背風坡效應顯著,形成白銀市冰雹天氣空間分布極不均勻,極少區出現在北部地區呈“鉗形狀”冰雹低值區,高發區出現在南部地區最南端；在空間分布上,按稀有區、少發區、易發區和高發區等4 個級別進行氣候劃分,可作為冰雹天氣在落區或落點方面的指標在預報預警業務中得以應用。

(2)白銀市不同區域冰雹日數變化呈減少趨勢程度不一,南部地區傾向率-0.31 d/10 a,北部地區傾向率-0.42 d/10 a；20 世紀80、90年代冰雹日數較21 世紀10、20年代多。

(3)白銀市冰雹日數的季、月和日變化呈顯著的“單峰型”特征。季節變化中夏季較其他季節多；月變化中主要集中于4-10月發生,其中7月最多；日變化中12-20 時為降雹易發時段,14-18 時為降雹高發時段。

(4)白銀市冰雹日數穩定性變化呈年變化較夏季的穩定,夏季較春季和秋季穩定,南部地區較北部地區穩定,存在明顯的10 ～15 a的年代際周期,北部另有明顯的準5 a短周期,南部存在明顯的突變特征,突變時間是2006年,2016年以后冰雹日數有增多趨勢。