鄂尔多斯市1961年—2018年冰雹时空分布特征
2022-08-19张亚敏张瑞华栾振斌
张亚敏，张瑞华，栾振斌
(1.乌审旗气象局，内蒙古 乌审旗 017300；2.鄂托克前旗气象局，内蒙古 鄂托克前旗 016200；3.定西市气象局，甘肃 定西 744300)
冰雹是在发展强盛的对流云中产生的一种固态降水物，是一种局地性很强并且危害十分严重的气象灾害，对农业、牧业等自然经济造成严重损害[1]，也是鄂尔多斯市常见的灾害性天气之一，冰雹事件具有局地性强、面积分散、影响范围小、季节性明显、突发性强、来势急、持续时间短等特性[2-4]，并且给农业和基础设施等带来了极大的危害，冰雹直径越大，降雹持续时间越长，往往造成的灾害就越大。目前对冰雹的预报还有许多有待解决的难题，它的发生也时常伴随其他灾害性天气，如大风、暴雨等[5]。鄂尔多斯市气象灾害比较频繁，冰雹活动不仅与天气系统有关，而且受地形、地貌的影响也很大。冰雹云的源地大多位于山区和地形复杂的地区，如山脉的迎风坡、向阳坡，山脉与平原接壤的地带，陆地与河流接壤的上风区及地表复杂、地势起伏高度差大的山地和丘陵地等[6]。
1 资料分析预处理
本研究数据选取鄂尔多斯市11个站点1961年—2018年的降雹资料进行统计。四季划分为3月—5月为春季，6月—8月为夏季，9月—10月为秋季，11月—来年2月为冬季。
本研究定义一日内在鄂尔多斯市各站出现一次或多次降雹现象为一个冰雹日，日界按 20—20时处理[7]。笔者主要采用最小二乘法拟合一元线性方程、小波分析、Mann-Kendall突变检验对鄂尔多斯市的冰雹特征进行分析。
2 降雹持续时间分析
降雹持续时间长短是影响冰雹灾害轻重的因素之一，一般持续时间越长灾害越严重。统计鄂尔多斯市各站点降雹次数可知，1961年—2018年降雹一共有921次，夜间降雹为16次。由表1可以看出，鄂尔多斯市降雹持续时间大部分在0～5 min以内，占降雹总次数的52.33%，并且随着持续时间的增加，降雹次数相对应的呈减少趋势。58 a中持续时间>30 min的占3.47%。同一天只有1个站产生冰雹的共有866个，占冰雹总次数的94.0%。有2个站同时产生冰雹的有47个，占冰雹总次数的5.1%。有3个站同时产生冰雹的有8个，占冰雹总次数的0.9%。
表1 鄂尔多斯市不同降雹持续时间所占百分比
3 冰雹气候特征
3.1 冰雹日数空间分布
1961年—2018年鄂尔多斯市11个站点共有873个降雹记录，年平均冰雹日数为15.1 d，鄂尔多斯市东北部降雹出现日数较多，西南部较少，最大降雹日数出现在准格尔旗，为121 d，其次为东胜区，冰雹总日数为111 d。鄂尔多斯南部偏南地区鄂托克前旗及河南站降雹偏少，分别为51 d和57 d。降雹最少出现在伊克乌素，为39 d。综上所述，鄂尔多斯市降雹日数空间分布呈“东北向西南依次递减”的特点，说明地形对鄂尔多斯市降雹起着重要作用。
3.2 冰雹日数时间分布
3.2.1 冰雹日变化特征。由图1可知，降雹主要分布在14时—18时，降雹概率为57.7%，其中14-16时的降雹概率为30.92%；夜间降雹概率为6.62%，08时-10时概率为2.28%，10时-12时降雹概率为4.14%，12时-14时降雹概率为16.13%，16时—18时降雹概率为26.78%，18时—20时降雹概率为13.13%。由此可得，14时—16时是鄂尔多斯市降雹概率最大时段，因为这一时段气温较高，午后近地层大气不稳定，不稳定能量累积，容易产生扰动，只要有中小尺度系统发出，就会导致发生冰雹的频率较高[8]。
图1 1961年—2018年鄂尔多斯市冰雹日数的日分布
3.2.2 冰雹月变化特征。冰雹灾害具有明显的季节性差异，主要发生在夏秋季节，且夏秋连雹的现象多，主要以砸伤和撞击而致灾[9]。由图2可知，鄂尔多斯市1961年—2018年降雹出现在2月—11月份，1月、2月、12月未出现冰雹天气，8月份出现最多，为182 d，占冰雹总日数的20.8%，其次是6月份和7月份，其值依次为171 d和160 d，占冰雹总日数的19.6%和18.3%。由此可见，夏季是鄂尔多斯市降雹的主要季节，降雹日数与温度密切相关，全年冰雹日数呈先增加后减的趋势，从3月开始冰雹日数逐渐增加，8月冰雹达到峰值，9月冰雹日数开始逐渐减少。降雹最早出现在3月25日，最晚出现在11月8日。
图2 1961年—2018年鄂尔多斯市各月冰雹日数分布
按季节来统计，鄂尔多斯市春季降雹占全年总日数的19.4%，夏季占58.8%，秋季占21.8%，冬季没有降雹，所以除夏季降雹比较多以外，春季和秋季的冰雹数也较多。
4 冰雹日数气候变化特征
4.1 冰雹日数年季变化特征
图3为1961年—2018年鄂尔多斯市冰雹的年际变化分布图，年冰雹日数总体呈波动下降趋势，由图可知，采用最小二乘法计算冰雹日数的线性变化趋势，鄂尔多斯市冰雹日数以3 d/10 a的趋势递减。直至2016年又出现了一个小高峰。其中1967年冰雹日数最多，为33 d，其次是1976年和1985年都为30 d，冰雹日最少的是1995年和2007年，冰雹日仅为3 d。
图3 1961年—2018年鄂尔多斯市年际变化分布
4.2 冰雹年代变化特征
1961年—2018年，鄂尔多斯市冰雹日数的年代变化比较明显，全市58 a平均每年出现15.1个冰雹日。20世纪80年代是冰雹日出现最多时期，冰雹总数为216 d，占冰雹总数的23.5%；其次是1961年—1969年和70年代为多冰雹时期，年平均冰雹日数分别为22.0 d和21.6 d，分别占冰雹总数的21.5%和20.2%；21世纪00年代和2010年—2018年为冰雹少时期，年平均冰雹日数分别为7.8 d和6.8 d；进入21世纪，降雹日数明显减少，总体呈现减少的趋势。
4.3 冰雹日数突变分析
利用Mann-Kendall方法对1961年—2018年鄂尔多斯市冰雹气候序列进行突变性检验。M-K法是一种非参数统计检验方法，序列随机独立，UF线为顺序统计量曲线，UB线为逆序统计量曲线。当UF线与UB线在a=0.05的检验水平临界值U±1.96之间有交点且交点之后，其中的一条线超过显著性水平检验临界值时，说明该点即为突变点。当UF值大于零时说明序列为上升趋势，小于0时则说明为下降趋势[10]。由图4可见，UF线1963年—1971年大于0，说明冰雹日数在这段时间呈上升趋势；在1974年—1987年鄂尔多斯市冰雹日数有下降的趋势；在1994年和1996年UF线和UB线出现交点，且1997年之后，UF线超过了a=0.05的显著性水平检验临界值，说明鄂尔多斯市冰雹日数在1996年发生突变，即1996年是冰雹日数的气候突变年份，表明鄂尔多斯市冰雹日数在1996年后下降趋势显著。
图4 1961年—2018年鄂尔多斯市冰雹日数Mann-Kendall统计曲线
4.4 冰雹日数周期分析
气候系统是多时间尺度系统，Morlet小波具有多时间尺度分析的特征，不同时间尺度下的小波系数可以反映出系统在该时间尺度下的变化特征，是一种时域-频域的分析，能更清楚地看到各周期随时间的变化情况[11]。采用Morlet小波分析对1961年—2018年鄂尔多斯市冰雹日数周期变化进行分析，浅色部分为降雹偏多期，深色部分为降雹偏少期，小波系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著。
由图5可以看出，近58 a鄂尔多斯市冰雹日数存在显著的15 a～20 a的年代际尺度周期变化，15 a～20 a周期振荡在整个时间序列基本存在；冰雹日数表现最明显的时段为1961年—1970年为降雹偏多期，1971年—1982年为降雹偏少期，1983年—1992年为降雹增多期，1993年—2005年为降雹偏少期，2006年—2018年为降雹偏少期；2002年及以后存在准11 a年际尺度周期变化，呈偏多—偏少—偏多变化。
图5 1961年—2018年鄂尔多斯市冰雹日数Morlet小波系数实部
5 结论
本研究通过对鄂尔多斯市1961年—2018年11个气象站的降雹观测资料对鄂尔多斯市冰雹的时空变化特征进行统计分析，研究得到以下结论：①鄂尔多斯市降雹持续时间大部分在0～5 min以内，占降雹总次数的52.33%，并且随着持续时间的增加，降雹次数相对应的呈减少趋势。②鄂尔多斯市东北部降雹出现日数较多，西南部较少，降雹日数空间分布呈“东北向西南依次递减”的特点，说明地形对鄂尔多斯市降雹起着重要作用。③降雹主要分布在14-18时，降雹概率为57.7%，其中14时—16时的降雹概率为30.92%；14时—16时是鄂尔多斯市降雹概率最大时段。④夏季是鄂尔多斯市降雹的主要季节，全年冰雹日数呈先增加后减的趋势，从3月开始冰雹日数逐渐增加，8月冰雹达到峰值，9月冰雹日数开始逐渐减少。夏季降雹最多，秋季、春季次之，冬季没有降雹。⑤鄂尔多斯市冰雹日数以3 d/10 a的趋势递减。全市58 a平均每年出现15.1个冰雹日。20世纪80年代是冰雹日出现最多时期，冰雹总数为216 d，占冰雹总数的23.5%。⑥近58a鄂尔多斯市冰雹日数年际变化比较显著，15 a～20 a周期振荡在整个时间序列基本存在；冰雹日数表现最明显的时段为1961年—1970年为降雹偏多期，1971年—1982年为降雹偏少期，1983年—1992年为降雹增多期，1993年—2005年为降雹偏少期，2006年—2018年为降雹偏少期；2002年及以后存在准11 a年际尺度周期变化，呈偏多—偏少—偏多变化。1996年是冰雹日数的气候突变年份，表明鄂尔多斯市冰雹日数在1996年后下降趋势显著。
