1971—2018年大连地区冰雹气候特征

2020-05-13隋玉秀杨景泰李昱茜周美娥

干旱气象 2020年2期

隋玉秀，杨景泰，李昱茜，王蕾，周美娥，曹波

(1.大连市气象服务中心，辽宁大连 116001；2.空军航空大学，辽宁锦州 121000)

引言

冰雹是一种由强对流系统引发的剧烈天气现象，通常发生范围较小、生命史较短，具有很强的突发性和局地性，一般高海拔地区相对较多，高原和山地明显多于平原、盆地、河谷和沙漠戈壁[1-2]。它来势猛、强度大，时常伴有强降水、大风、剧烈降温等天气过程，是一种致灾性很强的灾害性天气[3-4]。如2009年10月13日大连地区的一次冰雹过程，出现了21.2 m·s-1的雷暴大风，持续时间长达25 min，造成3条养殖船沉没，1人死亡，6人失踪。研究表明，美国高原地区、落基山脉中部及美国东南部的冰雹日数有显著增加趋势，其他地区则呈现下降趋势[5]。中国国土面积位居世界第三位，地域广阔，尽管多地区域性冰雹呈不同程度的下降趋势[2,6-8]，但因冰雹局地性强，对于特殊地域是否也呈现同样的气候规律还有待进一步统计验证。此外，冰雹的发生具有明显的月际变化和日变化，但各地差异很大。其中，川西、甘肃、华北等地区冰雹月际变化为单峰型，多发生在5—6月[2,6,9-10]，辽宁省则表现为双峰型，6月最多，次峰出现在9月[11]；在日变化上，多地呈傍晚前后多发的单峰型[10-13]，如川西地区在傍晚后，河南在傍晚，而山西和辽宁则是傍晚前。随着全球气候变暖，极端天气气候事件频发，深入开展冰雹研究对提高冰雹预报、预警以及防灾减灾意义重大。

上述研究大多偏重于冰雹的时空分布和变化趋势分析，且以内陆地区居多，而对于不同规模冰雹过程持续时间及其伴随发生的不同规模和量级降水的统计研究，尤其是沿海海岛地区尚为欠缺。大连地区位于辽宁南部沿海，占据辽东半岛大部，是我国海岸线最长的城市和海陆分布最复杂的地区之一，下辖的长海站是观测资料比较长久且齐全的海岛站。因此，大连地区冰雹的发生特点具有鲜明的沿海地区特色，其特殊性在一定程度上对我国北方地区冰雹研究起到有益补充。与此同时，大连地区地处40°N附近，是南支槽与北支槽交汇最多的区域，天气系统复杂多变，同一过程，其南、北区域影响系统经常有所不同。因此，研究大连地区冰雹气候特征及其与降水的关系具有重要的现实意义。

1 资料及处理

所用资料是1971—2018年大连地区旅顺、金州、瓦房店、普兰店、庄河、长海及大连本站7个区域气象站冰雹和降水地面观测资料。数据处理原则：一个观测日内全区范围内有1个站点观测到冰雹，即定义为1个冰雹日；一个冰雹日中，某一站点无论出现几次冰雹、间隔时间长短，均记录为发生1站次；冰雹持续时间取每次实际观测记录开始至结束持续分钟的整数部分，若冰雹持续时间小于1 min则记为0。暴雨日的标准：按照2012年发布的《降水量等级》气象国家标准，24 h降雨量大于等于50 mm或12 h降雨量大于等于30 mm即为1个暴雨日。

2 大连地区冰雹时空分布特征

2.1 空间分布

1971—2018年大连地区7站总计发生冰雹199站次，东部海岛长海站和西北沿海瓦房店冰雹发生最多，均发生40次，其次大连本站36次，而西南沿海的旅顺站冰雹发生次数最少为12次(图1)。经分析发现，冷涡是导致东北地区强对流多发的天气影响系统，绝大多数冷涡中心形成于40°N以北、107°E—124°E[14]，位于大连西北部的瓦房店距离这个范围最近，故而受其影响相对其他地区偏多、偏强，加上大连地区西北部附近存在着明显强于其他地区的海陆辐合线，有利于低层气流辐合，导致瓦房店地区的冰雹天气相对高发；长海地区冰雹偏多则可能是南北系统在此地附近多出现交汇所致；旅顺地处该区最南端，受北支槽和冷涡影响相对较弱，加之渤海与黄海交界处特殊地理因素影响，冰雹发生次数最少。然而，从雷暴发生情况(图略)来看，长海和大连本站年平均雷暴日均为21 d，金州18 d，旅顺22 d，纬度相近的4站年雷暴次数接近，但冰雹次数差距成倍，说明冰雹的发生条件比雷暴天气更高，地域性更强。

图1 1971—2018年大连地区冰雹次数空间分布(单位：次)Fig.1 Spatial distribution of hail frequency in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018 (Unit: times)

2.2 年际变化

图2是1971—2018年大连地区冰雹日数和站次的逐年变化。从图2(a)发现，大连地区冰雹日数的年际波动较大，多发年份和少发年份交替出现，最多8 d，最少0 d，1～4 d的年份最多，年平均3.0 d，总体呈显著下降趋势(通过0.01的显著性检验)，线性气候倾向率为-0.96 d·(10 a)-1。另外，2004年以前冰雹日数呈不断下降趋势，但并未出现0 d的年份，而2005年以后有4 a未出现冰雹，说明近年来大连地区冰雹日数减少。

图2 1971—2018年大连地区冰雹日数(a)和站次(b)的年际变化Fig.2 The annual variation of hail days (a) and numbers of station occurring hail (b) in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

从图2(b)看出，1971—2018年大连地区冰雹站次的年际波动大，多发年份和少发年份交替出现，最多年份14站次，最少年份0站次，出现2站次的年份最多，其次为1、4～6站次，年平均为4.2站次，整体也呈显著减少趋势(通过0.01的显著性检验)，线性气候倾向率为-1.56站次·(10 a)-1，且年代际差异明显。冰雹站次的减少意味着大连降雹区域也在减小，较大范围降雹或多站冰雹出现的可能性降低。

2.3 月际分布

大连地区三面环海，气候受海洋影响很大，按气象意义标准(以连续5 d均达到气象学意义的季节转换标准)，大连常年(1981—2010年)入春、入夏、入秋、入冬相比同纬度周边地区均偏晚，区域性气候特征明显。为突出大连地区季节气候特点，四季划分为：11月7日至次年4月14日为冬季，4月15日至6月24日为春季，6月25日至9月11日为夏季，9月12日至11月6日为秋季。

从1971—2018年主要站点冰雹发生日数(表略)来看，大连地区一年四季均有冰雹发生，冰雹高发期为春、秋两季，秋季最多(共55 d)，春季次之(共51 d)；夏季冰雹日数较少，仅24 d，但在夏末9月初的发生概率较高，达11 d；大连地处我国东北地区，冬季比较寒冷，但也有冰雹天气发生，共15 d，这与我国一些内陆地区尤其是北方地区有一定差异[9,15-18]，但与山东半岛沿海一些地区季节分布特征接近[19]，这与山东半岛也处在南支槽与北支槽交汇区域有关。需要注意的是，大连地区冬季冰雹大多发生在初冬(7 d)和冬末(6 d)，12月仍有可能出现冰雹(2 d，最晚一次出现日期为2004年12月19日)，这与其三面环海导致的地面或海面气温高于邻近内陆地区有很大关系，而1—2月无冰雹记录。考察冬季冰雹过程发现，有14 d均为单站冰雹，仅1 d出现2站(长海、庄河站)冰雹，且位置相邻，说明冬季引发冰雹的天气系统空间尺度通常更小、局地性更强。

从各月冰雹出现日数(图3)来看，10月为大连地区冰雹最高发月份，48 a总计37 d，9月次多，为25 d，而4、5、6月也较高，分别为15、21和19 d；7月和8月出现日数较低，分别只出现了7 d和4 d，其中8月发生日数甚至与冬季3月和12月接近，这与很多内陆地区冰雹春末夏初高发特征有明显差异[2,6,9,16]，而与辽宁省冰雹“双峰型”月际分布相似[11]，其秋季明显高于春季的特征与威海冰雹日数月际分布特征接近[19]。

图3 1971—2018年大连地区冰雹日数的月分布Fig.3 Monthly distribution of hail days in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

2.4 日变化

对冰雹的昼夜[08:00—20:00(北京时，下同)为白天，而20:00至次日08:00为夜间]分布统计分析发现，48 a大连地区白天共计发生冰雹140站次，夜间61站次(其中2 d同一测站白天、夜间均有冰雹记录，各计1次)，白天冰雹发生概率是夜间的2.3倍，这与该地区雷暴和雷暴大风白天少、夜间多的发生规律正相反[20-21]。这是因为白天气温高产生的不稳定能量比夜间大，同时白天海陆辐合线强于夜间，有利于满足冰雹所需更强上升条件的要求。

从白天冰雹发生时刻变化(图4)看出，09:00—16:59为大连地区冰雹发生的集中时段，其中11:00—13:59和15:00—15:59发生概率更高，冰雹逐时次数分别为18、17、17、17站次。多地研究发现，午后冰雹发生较多[12,17,22-23]，而大连地区则中午前后均为冰雹多发时段，相比一般地区冰雹发生集中程度相对分散。

2.5 持续时间

在上述7个气象站中，普兰店、长海、金州、旅顺4站夜间冰雹只记录观测现象，不记录起止时间，因此在分析冰雹持续时间时需将这4站27个夜间记录剔除，得到1971—2018年大连地区冰雹记录共190个。从各站冰雹持续时间(图5)来看，大连地区多数冰雹持续时间较短，190个记录中有160个(占84.2%)持续时间均在10 min以下，随着持续时间延长，冰雹发生记录大幅减少，持续时间为10～19 min的有21个，20～29 min的有6个，30～39 min的有3个。值得一提的是，金州站出现一次整个过程持续时间长达52 min的降雹过程(1994年9月29日)，此次过程为3站冰雹，大连本站冰雹的过程持续时间为35 min，而普兰店持续时间偏短为5 min。虽然金州站降雹有20 min的间歇期，但前、后连续降雹时间分别达21 min和31 min。

图4 1971—2018年大连地区白天冰雹站次逐时变化Fig.4 The hourly variations of numbers of station occurring hail in the daytime in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

图5 1971—2018年大连地区冰雹持续时间Fig.5 The duration of hail in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

总体来看，1971—2018年间大连地区单站冰雹共计出现106 d，多站冰雹39 d，单站冰雹发生概率是多站冰雹的2.7倍，且29 d持续时间达到或超过10 min的冰雹日中，14 d为单站冰雹，15 d为多站(2站或2站以上)冰雹，其中5站冰雹1 d，4站冰雹3 d，3站冰雹1 d，可见当冰雹发生面积较大、出现站点较多时，通常冰雹过程较强、持续时间较长。冰雹持续时间达到或超过10 min的概率，多站冰雹为38.5%，单站冰雹为13.2%，多站冰雹持续时间长的概率比单站冰雹高。

3 冰雹与降水的关系

1971—2018年大连地区145个冰雹日均有降水出现，其中全区性(6～7站)降水102 d，区域性(3～5站)降水33 d，局地性(1～2站)降水10 d，表明大连地区的冰雹易发生在较大尺度对流降水系统中，而局地性降水系统产生冰雹的概率较小，这对冰雹的预报预警具有较好的指示意义。从24 h降雨量来看，大连地区伴有冰雹的降雨过程多以小雨和中雨为主，24 h降雨量超过50 mm或12 h超过30 mm的暴雨共计出现31 d，仅占冰雹总日数的21.4%，且多为局地性暴雨，区域性和全区性暴雨各出现2 d。表1是1971—2018年大连地区冰雹日暴雨概况，可以看出冰雹日出现暴雨的31 d中有25 d在降雹站点出现暴雨，仅6 d降雹站点和暴雨站点未发生重合，且这6 d发生过程均为局地性暴雨；区域性和全区性暴雨出现的冰雹均为单站冰雹。以上事实说明，当大连地区冰雹伴随暴雨出现时，两种天气现象出现在同一站点的概率较大，但暴雨范围较大时多站冰雹反而出现较少。

表2是1971—2018年大连地区3站及以上冰雹日发生的降水概况。可以看出，近48 a来大连地区共发生9次较大范围的冰雹过程，绝大多数过程发生在秋季，且伴有暴雨的概率为44.4%，是局地冰雹日伴有暴雨的2.2倍。其中，5次大范围冰雹最长持续时间超过10 min，但仅有1994年9月29日1次过程伴有暴雨，概率为20%。综合表1与表2看出：冰雹过程出现暴雨的概率并不高，且多为局地性暴雨，这与水汽分布条件有一定关系，“上干下湿”的水汽分布有利于降雹[24-25]，即低层水汽较充沛、中层相对较干燥；暴雨的产生则往往由低到高整层水汽都比较充沛[24,26-28]，且当暴雨发生时降水产生较强的拖曳作用而形成的强下沉气流，不利于强上升气流发展，从而不利于冰雹的形成。相比局地冰雹，较大范围的冰雹过程出现暴雨概率更高，且冰雹站点与暴雨站点可能不重合。

表1 1971—2018年大连地区冰雹及对应暴雨概况Tab.1 Overview of hails accompanied with rainstorms in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018

注：下划线站点的日雨量最大，下同

表2 1971—2018年大连地区3站及以上冰雹及对应降雨概况Tab.2 Overview of hails occurring at 3 stations and above and accompanied with rainfall in Dalian region of Liaoning Province from 1971 to 2018