伊犁地区冰雹气候特征及环境场分析

2022-05-28祝小梅范宏云

沙漠与绿洲气象 2022年2期

祝小梅，范宏云，白婷

（1.伊犁州气象局，新疆伊犁 835000；2.新疆人工影响天气办公室，新疆乌鲁木齐 830002）

近年来国内许多学者对中国不同区域冰雹的气候特征进行了许多研究。研究表明，20世纪70年代末、80年代初我国冰雹呈下降趋势，其中北方冰雹下降趋势比南方显著，全国大部分地区冰雹下降趋势都通过了0.05的显著性检验[1]。冰雹的发生具有明显的月、日变化，例如河南省冰雹主要出现在4—8月，绝大多数发生在午后到傍晚[2]。中国西北地区主要出现在6—8月[3]。甘肃区域的降雹期多在4—9月，大部分冰雹也是发生在午后至傍晚[4-8]。山西降雹集中出现在5—9月。青海省东部降雹也是集中在5—9月[9]。说明热力条件在冰雹天气发生时起重要作用。环境参数特征有助于了解强对流天气发生的物理过程，许多参数在实际预报中都具有指示意义[10-17]。对2008—2013年陇东地区冰雹研究得出，700与500 hPa温差≥18.7℃、K指数≥27.9℃、SI指数＜1.2℃时，对冰雹0～12 h潜势预报指示意义较好[18]。对2007—2009年北京地区暴雨和冰雹（或雷暴大风）的研究表明，0℃层高度在4 174 m、-20℃层高度在7 414 m、500和850 hPa温差为28℃、逆温层高度在4 625 m及低空风切变为5.62 s-1左右时易出现冰雹天气[19]。此外，850 hPa温度露点差、500和850 hPa假相当位温差、大气可降水量PW也是判断强对流类别的重要参数。对新疆尤其是南疆地区出现冰雹时的环境参数，一些学者也做了研究[20-24]，总结了判识指标。当850与500 hPa温差≥30℃，地面露点温度≥10.2℃，阿克苏地区发生冰雹天气的可能性较大[21]；对流有效位能在冰雹尺寸相对较大（≥10 mm）时指示效果较好，但对小范围局地冰雹的预报具有一定局限性；0～6 km较弱的垂直风切变也能形成冰雹天气；适宜的0℃层和-20℃层高度有利于冰雹的产生。喀什地区[22]冰雹发生前垂直风切变、湿对流能量及整层水汽积分必须同时满足一定条件，缺一不可；0℃层和-20℃层高度之间的厚度越小越有利于产生大雹。由此可见，冰雹的形成和发生与局地条件密切相关，地域不同，其冰雹形成的环境条件也存在一定的差异。

伊犁地区位于我国西部边陲，目前已成为新疆重要的粮食基地，而冰雹是影响伊犁地区的主要气象灾害。冰雹天气生命史短、突发性强，同时伊犁河谷地形复杂、下垫面类型丰富，夏季极易引发局地强对流天气，往往伴随冰雹。此类天气破坏性大，极易造成巨大的经济损失。如2018年9月24日21：31昭苏县的区域性冰雹天气，降雹持续8～18 min，冰雹直径约0.3～1.5 cm，地面积雹厚度约2～3 cm，过雹面积4 722.5 hm2，4 580人受灾，直接经济损失达5 226.9万元。伊犁地区是中国冰雹高值中心之一[1，3]，而关于伊犁地区冰雹的研究还很少。因此，本文在已有的研究基础上，利用伊犁地区10个国家基本站的冰雹观测数据，分析伊犁地区冰雹的时空分布特征及变化趋势；利用2000—2018年伊宁站08时的探空资料，分析冰雹日的环境场特征以及环境参数，为伊犁地区冰雹天气潜势预报提供参考。

1 研究资料及方法

1.1 资料选取

选取1961—2018年伊犁地区10个国家基本站（伊宁、霍尔果斯、霍城、察布查尔、伊宁县、巩留、尼勒克、新源、特克斯、昭苏）的冰雹资料，分析其空间分布特征；采用一元线性回归，分析58 a来伊犁地区冰雹的变化趋势；采用Mann-Kendall非参数检验统计方法，对伊犁地区冰雹日数进行突变检验。若某日某站观测到1个时次或以上冰雹现象时，不论时间长短，都定义该站该日为1个冰雹日[4]。按以上方法统计，58 a来伊犁地区10个站共出现冰雹日1 539 d。

利用2000—2018年测站冰雹资料及伊犁地区气象灾情普查中各县冰雹灾情资料，通过伊宁站探空数据，分析冰雹发生前的环境场特征及关键环境参数阈值。因3、10、11月个例太少，没有代表性，所以本文只讨论4—9月冰雹的环境场特征。同时考虑到天气预报的提前、实用性，约定统一使用离降雹时间最近的探空资料[21]，按照以上方法统计2000—2018年的探空数据，最后得到有效探空数据192个。

1.2 探空参数及阈值计算方法

冰雹天气关键环境参数选取方面，主要参照基于构成要素的预报方法（配料法）。静力不稳定主要考虑850和500 hPa温差（ΔT85）；层结稳定度使用K指数、SI指数、抬升指数（LI）；水汽条件主要是指绝对湿度，这里用地面露点温度（TD）表示；对流有效位能（CAPE）表示深厚湿对流（雷暴）发生的潜势，对流有效位能越大，强对流发生的潜势或可能性越大；而深层风垂直切变采用0～6 km风矢量差（VWS）代表，风垂直切变越大，风暴组织程度越高，生命史越长，强度也会越强。此外还有0℃和-20℃层高度。对于14时后出现的冰雹天气，计算对流有效位能时，采用08时探空数据以及14时后最高气温和最大地面露点温度对CAPE值做订正。

2 冰雹天气的气候特征

2.1 冰雹日数的空间分布

由1961—2018年伊犁地区冰雹日数的空间分布（图1）可知，伊犁地区冰雹日数有明显的地域特征，自西向东、自中部向南北两侧随着海拔高度增加，冰雹日数呈增加趋势。降雹中心位于昭苏（海拔高度为1 860.2 m），58 a来冰雹日数为917 d，平均15.8 d·a-1，占区域内冰雹总日数的59.6%；其次是特克斯（海拔高度为1 210.5 m），冰雹日数为184 d，平均为3.2 d·a-1；尼勒克的海拔高度为1 107.1 m，其冰雹日数为142 d，平均为2.4 d·a-1；而海拔低于800 m的地区，年平均不到一次。

图1 伊犁地区平均冰雹日数的空间分布（单位：d）

伊犁地区年均冰雹日数与海拔高度也呈较好的正相关（图2），相关系数达0.926，通过了α=0.001的显著性检验。如伊犁地区的昭苏县年平均冰雹日数达15.8 d·a-1，海拔高度达到1 800 m以上。由此可见，随着拔海高度的增加，冰雹发生次数也依次增多，这与地形抬升容易产生强对流有关[7]。

图2 1961—2018年伊犁地区10个站年平均冰雹日数与海拔高度的关系

2.2 时间分布

2.2.1 年际变化

由1961—2018年伊犁地区冰雹日数的年际变化曲线（图3）可以看出，伊犁地区冰雹日数整体呈减少趋势，以0.41 d·a-1的趋势减少。有2个高峰值，分别为1973年的44 d和1990年的42 d，从1994年开始明显减少，2014年最少，仅有5 d。

图3 1961—2018年降雹年际变化和线性趋势

2.2.2 月分布

图4为1961—2018年伊犁地区冰雹日数的月平均分布。伊犁地区冰雹从3月开始，最晚到11月。5月降雹显著增多，为281 d，6月冰雹日达326 d，7月为314 d，之后逐月明显减少，11月仅为2 d。伊犁地区的冰雹主要发生在每年的3—11月，其中4—8月为冰雹多发期，占全年冰雹总日数的88.7%。而5—7月的冰雹日数远大于其他月份，占冰雹总日数的66.7%，说明环境温度对产生冰雹的影响较大。

图4 1961—2018年冰雹日数月平均分布

2.2.3 日变化

图5为1961—2018年不同时段发生冰雹的百分率。伊犁地区冰雹的日变化特征非常明显，08—15时降雹概率只有6.4%，15时以后降雹概率逐渐增加，降雹主要集中在16—20时，降雹的概率达77.3%，17—18时冰雹发生率达最大，占降雹总数的19.4%。22时—次日08时出现冰雹的概率最小，只有3.8%，其中05—08时没有冰雹出现。大部分冰雹发生在午后至傍晚，这主要是由形成冰雹的热力条件决定的，午后太阳直接辐射和地面辐射共同作用，使得低层大气增温加快，而高层大气还来不及升温，导致大气层结不稳定性增强。因此午后至傍晚，应多关注并判断是否将发生冰雹天气[8]。

图5 1961—2018年各时段发生冰雹的百分率

2.3 突变分析

应用Mann-Kendall突变检验方法，检测1961—2018年伊犁地区冰雹日数序列的突变状况。用原气象序列构造统计量UF，原气象序列的反序列构造统计量UB，取α=0.001的显著性检验。图6为1961—2018年伊犁地区冰雹日数的Mann-Kendall突变检验曲线。伊犁地区冰雹日数从20世纪60年代—70年代末减少不明显，呈现一种震荡形式。从1981年开始减少，20世纪90年代末期开始显著减少，这种减少趋势均超过显著性水平0.05的临界线（u0.05=1.96），自2000年以后，甚至超过了0.001的显著性水平（u0.001=2.56），说明伊犁地区冰雹日数减少趋势十分显著。根据UF与UB曲线交点的位置，确定2000年以后冰雹频次的减少是一突变现象，具体开始时间是1999年。

图6 伊犁地区降雹日数的Mann-Kendall曲线

3 环境场分析

3.1 冰雹的探空曲线特点

T-ln P图能清晰直观地反映大气的热力状况和垂直切变状况，单站的T-ln P图是分析本地大气环境的热力和动力稳定度的重要手段。对伊犁地区192个冰雹日08时T-ln P图根据探空曲线中大气层结曲线与状态曲线的形态进行分类（图7），各类探空曲线特征为：（1）冰雹I型（整层湿）有21个，占个例总数的10.9%。T-ln P图中层结曲线与露点曲线较接近，整层大气比较湿润，水汽含量比较均匀，温度露点差≤5℃，抬升凝结高度较高，平均在874 hPa（图7a）。在此形态下的冰雹主要出现在伊犁地区的西部和东部。4月下旬、6月中旬较易出现，多发生在午后到夜间；（2）冰雹II型（上干下湿）有30个，占个例总数的15.6%。探空温湿廓线呈典型的“漏斗状”，中低层层结曲线与露点曲线较接近，大气层结湿润，高层大气比较干燥，或中高层有明显干冷空气侵入，“上干冷、下暖湿”特征明显，抬升凝结高度平均在870 hPa（图7b）。冰雹发生地范围较广，全区都有可能出现，4月中旬，5、6月下旬，7—9月上旬频发，一般出现在午后和傍晚；（3）冰雹III型（上湿下干）有16个，占个例总数的8.4%。探空温湿廓线呈倒“V”型，500 hPa以上有湿润层结，抬升凝结高度要更高点，平均在851 hPa（图7c）。此型的冰雹大多出现在河谷西部和南部，主要出现在5和7月，在傍晚前后发生；（4）冰雹IV型（干绝热型）有125个，占个例总数的65.1%，是伊犁地区出现冰雹的主要类型，大多表现为整层湿度较小，温度露点差＞5℃，近地面层或干区中有浅薄湿层，或无明显湿层。抬升凝结高度最高，平均在830 hPa（图7d）。主要出现在河谷南部和东部，6、7月频发，午后至夜间较易发生。

图7 伊犁地区冰雹T-ln P曲线

伊犁地区T-ln P图形态主要有4种，其中干绝热型最多。总体上，伊犁地区出现冰雹天气，其探空图表现为低层有明显的风向或风速切变，抬升凝结高度较高。

3.2 关键环境参数

3.2.1 温湿参数

深厚湿对流基本要素之一的大气静力稳定度常用850和500 hPa之间的温差ΔT85表示，其值越大，代表条件不稳定性越强。深厚湿对流（雷暴）生成的另一个要素是水汽，水汽条件主要是指绝对湿度，可以使用地面露点温度TD（或比湿）表示，其值越大表明水汽越充沛，较有利于强对流天气的发生，这里用地面露点温度来代替水汽的绝对量。经统计伊犁地区ΔT85的平均值为29.6℃，而中国中东部地区平均值为29.3℃[12]、全国的平均值是29℃[10]，可见伊犁地区冰雹发生时的ΔT85值略高于中国东部地区。为了避免纯粹用平均值讨论的片面性，图8给出了伊犁地区冰雹天气的ΔT85值和地面露点温度（TD）的箱线图。由图8可知，ΔT85最小值为23℃，最大值为36℃，主要分布在28～31℃，80%的个例ΔT85值≥28℃。表征大气水汽条件的地面露点温度，值主要分布在10～13.4℃，82.3%的个例TD≥10℃，有4个异常偏小的值，TD≤4℃，主要出现在4月。地面露点温度的平均值为10℃，小于全国的平均值（18.6℃）[10]。

图8 ΔT85和T D箱线图

3.2.2 层结稳定度参数

K指数（简称K）综合反映中低层垂直降温、低层露点及温度露点差的物理量，经常用于预报强对流天气，其值越大，层结越不稳定。从K指数的箱线图（图9a）可知，K指数值分布较分散，最大为42℃，最小为22℃，主要分布在30～36℃，80%的个例K≥30℃，平均值为33℃，中国中东部地区为30.1℃[12]。

SI指数（简称SI）也是日常强对流天气中经常关注的物理量判据，其值越小，层结越不稳定。由图9b可知，SI最小值为-6.7℃，最大值为2.6℃，SI的分布也较分散，主要分布在-3.0～-0.4℃，81%的SI≤-0.3℃。伊犁地区SI的平均值为-1.7℃，而中国中东部地区为-0.36℃[12]。

抬升指数（简称LI）反映地面气块移动到500 hPa时的不稳定状况，负值越大越不稳定。从LI指数的箱线图（图9c）可知，LI最小值为-9.5℃，最大值为1℃，主要分布在-5.6～-3.1℃，有89.5%的个例LI≤-3.1℃。伊犁地区LI值的平均值为-1.4℃，而中国中东部地区为-5.6℃[12]，要大于中东部地区。

图9 K指数（a）、SI指数（b）、LI指数（c）的箱线图

3.2.3 对流有效位能（CAPE）和垂直风切变（VWS）

雷暴生成的2个要素静力不稳定和水汽可以结合在一起形成各种对流指数。在物理意义上最清晰的用来判断雷暴潜势的物理量参数是CAPE。CAPE表示在浮力作用下，对单位质量气块从自由对流高度到平衡高度所作的功。VWS（即风向风速随高度的变化）对雷暴的组织化和强度也是非常关键的，因此，CAPE和VWS是估计未来雷暴发生潜势、形态、强弱和组织程度的关键参数。0～6 km垂直风切变矢量＜15 m·s-1的为弱垂直风切变，对应的平均每千米切变值区间＜2.5 s-1；≥15 m·s-1且＜20 m·s-1的为中等以上垂直风切变，对应的平均每千米切变值区间≥2.5 s-1且＜3.3 s-1；≥20 m·s-1为强垂直风切变，对应的平均每千米切变值区间≥3.3 s-1[10]。98.4%的个例出现在14时以后，对于14时以后出现冰雹天气，其CAPE用14时以后的最高气温和最大地面露点温度做订正。

由图10可知，CAPE值的最小值为274 J·kg-1，最大值为2922 J·kg-1，主要分布在842～1 615 J·kg-1，85.7%的个例CAPE≥842 J·kg-1。伊犁地区CAPE值的平均值为1 278 J·kg-1，低于中东部地区为1 564 J·kg-1[12]。由图10b可知，0～6 km的垂直风切变最小值为0.16 s-1，最大值为4.36 s-1，垂直风切变值主要分布在1.06～1.58 s-1，共有187个个例VWS＜2.5 s-1，中等以上垂直风切变只有1个，强垂直风切变有4个，VWS的平均值为1.36 s-1，而全国的平均值为3.0 s-1[9]、中东部为3.32 s-1[12]。说明伊犁地区出现冰雹天气时0～6 km的垂直风切变大多以弱的垂直风切变为主，小于中国中东部。

图10 CAPE（a）和VWS（b）的箱线图

3.2.4 0℃层和-20℃层高度

冰雹形成还需要适宜的0℃层和-20℃层高度。樊李苗等[10]研究中国强对流天气的环境参数特征时，发现出现冰雹的0℃层、-20℃层高度的平均值分别为4.3、7.0 km；仇娟娟等[12]研究中东部冰雹环境条件发现0℃层高度在2 800～4 100 m，-20℃层高度在5 600～7 600 m；陈晓燕等[25]研究黔西南州0℃层高度时，发现0℃层高度约4 290 m时出现冰雹，廖晓农等[26]等分析北京-20℃层高度在5 500～7 500 m时出现冰雹。

由图11可知，伊犁地区出现冰雹时，0℃层高度在1 895～4 796 m，0℃层高度随着月份增加逐渐增高，4、5、9月一般在3 000 m以下，6—8月主要分布在3 391～4 124 m，平均值为3 694 m，有74.5%的个例≥3 391 m。-20℃层高度在4 670～8 432 m，主要分布在6 401～7 020 m，平均值为6 670 m，有75%的个例≥6 401 m。可见，伊犁地区冰雹天气的0℃层、-20℃层高度是低于全国的平均值。

图11 0℃、-20℃层高度的箱线图

表1为伊犁地区冰雹发生前关键环境参数的分布特征及平均值和全国[10]的平均值对比。由表1可知，4个主要参数都比全国平均值小，说明伊犁地区较有利于触发冰雹天气。

表1 伊犁地区主要环境参数平均值与全国的平均值对比

4 关键环境参数阈值分析

用参数的最低值作为预报阈值，则出现虚报的概率可能性较大，因此决定采用某关键参数分布的25%百分位作为预报最低阈值的初猜值[13]，确定之后可以在今后的实际工作中根据检验效果进行调整。

由表2可知，0℃层、-20℃层高度4月最小，随着月份的增加而增高，到8月达到最大，9月又降低；地面露点温度的变化一样，随着月份增大而增大，到7月达到最大，之后开始降低；K指数变化不是很大，基本上在30℃左右，9月最大；抬升指数5、6、7、8月都＜-3℃；SI指数7月最小，8月最大；对流有效位能是5月最大，9月最小；垂直风切变是5月最大，4月最小。