云南省精细化冰雹灾害危险性区划分析*

尹丽云,梅 寒，张腾飞，刘雪涛， 金文杰，许彦艳

(1.横断山区(低纬高原)灾害性天气研究中心，云南 昆明 650034；2. 云南省人工影响天气中心，云南 昆明 650034；3.云南省迪庆州气象局,云南 迪庆 674400；4.云南省气象台，云南 昆明 650034)

云南位于中国西南部横断山南侧，是典型低纬高原山地，地势从西北向东南阶梯递降，海拔高差异常悬殊，最高海拔西北部的梅里雪山卡格博峰，海拔6 740 m，最低海拔南部哀牢山东侧红河河谷和元江河谷，海拔仅有76.4 m，最大海拔高差可达6 663 m，地形复杂，梯度变化大。云南是全国冰雹灾害高发区之一，每年冰雹灾害造成的直接经济损失约10亿元，占气象灾害损失的15%[1],是影响云南高原特色农业的第一大气象灾害。段玮[2]、杨家康[3]、陶云[4]等从气候特征角度分析了云南冰雹的时空分布特征，李英[5]、张秀年[6]分析了云南冰雹的大气环境背景和物理量特征，尹丽云[7]、张腾飞[8]、段鹤[9]、李湘[10]、XIE[11]等侧重于冰雹活动过程的雷达回波、闪电和卫星云图特征等的演变过程。上述研究中使用的冰雹资料，均采用125个气象观测站的冰雹观测资料，站点少加上冰雹多发生在远离城市的乡村山地，冰雹记录严重缺失，造成所得结论不具有代表性。

冰雹是粒子在强对流上升气流中0℃层附近不断循环增长形成的固态降水粒子，冰雹的形成主要受大尺度天气系统、不稳定环境条件和强烈的上升气流影响，局地地形的动力抬升和热力条件也是造成冰雹强对流的重要影响因子之一，在一定的温湿条件下，不断上升的海拔和较大的坡度能促进对流云内上升气流的发展，不断加强云内的动力抬升作用，使得云内冰雹粒子不断循环增长形成大冰雹[12-16]。王瑾[17]研究发现地形高程是影响贵州省降雹分布的最主要地形影响因子，郑飒飒[18]研究发现海拔、经度、地形起伏度及西北偏西坡向等地形因子是四川省冰雹分布的主要影响因子，祝青林[19]基于GIS的大连地形高程、坡度、切割深度等地形因子与冰雹分布的相关分析，得出海拔高度、偏西坡向和地形切割深度3个地形因子是影响大连地区冰雹活动的主要地形因子。云南由于地形地貌特殊，冰雹活动一方面跟天气尺度系统关系密切，另一方面跟海拔、坡度等地形因子有密切关系。海拔高度相同的地区，地形起伏度、切割深度、坡度不同导致冰雹发生的频率也有较大差别。

作为9大气象灾害风险评估的其中一个气象灾害，开展冰雹灾害危险性评估，形成冰雹灾害危险性区划，能全面了解云南冰雹灾害发生的主要影响因子，摸清冰雹灾害的危险性区域分布，对提高冰雹强对流预警的准确率、云南高原特色农业种植产业结构调整、人工防雹作业点布局规划具有重要指导作用。

本文基于ASTER GDEM 30 s分辨率数字高程数据(1∶250 000)，使用云南省2009—2021年966个作业点和125个气象观测站收集的冰雹资料，利用Pearson相关分析、非线性回归统计等方法，研究了云南冰雹灾害频数与海拔高度、地形坡度、坡向、地形切割深度和经纬度的相关关系。通过高斯函数拟合建立云南冰雹频数与地形因子的模型方程，形成云南冰雹危险区划图并开展云南冰雹灾害危险性评估。

1 资料与方法

1.1 资料

本文使用2009—2021年云南省966个防雹作业点和125个观测站收集到的3 001条冰雹记录，包含具体降雹受灾地点(冰雹落点乡、镇或街道、村的经纬度)、发生时间(精确到时、分)、持续时间、受灾面积、经济损失等详细记录。由于冰雹为局地短时气象灾害，每次冰雹过程的影响范围小，突发性强，气象观测站由于站点和观测手段限制(目前无人工观测记录)，造成较多冰雹灾害漏报。云南省人工影响天气作业信息上报系统从2009年开始收集整理全省966个人工防雹作业点和125个气象观测站收集的冰雹记录，人工防雹作业点主要分布在远离城镇的农田山地(图1a)，可作为气象观测站冰雹过程记录的最有效补充，利用人工防雹作业点和气象观测站的冰雹资料分析得出的云南冰雹活动特征(图1b)能更客观详细反映云南冰雹活动地形高程、地形褶皱度、起伏度、强对流系统来向均有密切关系。

1.2 冰雹资料处理

本文收集的冰雹数据为文本记录，使用ArcGIS软件将所有冰雹数据投影到Xian 1980 3 Degree GK Zone 35坐标下，形成冰雹数据矢量文件的属性数据，然后将冰雹信息叠加到地形数据表形成冰雹字段，生成网格化冰雹矢量文件属性数据层。做统计分析和回归分析时，样本需要服从正态分布或近似正态分布，利用SPSS制作以县为最小行政单元的冰雹频数概率PP图，结果显示，以125个站点统计的冰雹频数符合正态分布(图2a)，样本点分布在对角线上下两侧，基本呈线性分布，表明冰雹频数样本期望累积概率与实际累积频率基本吻合。残差基本均匀分布在y=0线上下(图2b)，大部分残差绝对值小于0.1，表明样本正态性较好。

图1 云南省人工防雹作业点、气象观测站和海拔分布和冰雹频数空间分布(审图号：GS(2019)2883号,底图无修改，下同)

图2 云南省冰雹频数期望累积概率与实际累积概率、残差分布图

1.3 地形因子信息提取

根据1∶250 000全国DEM资料提取云南省区域数字地形图，投影到Xian 1980 3 Degree GK Zone 35坐标(本文中所有图像均投影到此坐标)。在DEM基础上利用GIS平台直接提取经纬度、海拔信息[20-21]。坡度、坡向、地形起伏度和地形切割深度等微观地形因子的计算方法如下:

1.3.1 坡度和坡向

地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角，坡度表示了地表面在该点的倾斜程度。坡度计算采用简化差分公式，计算公式为:

(1)

式中：S1是地形坡度(°),fx是水平方向海拔高度变化率，fy是垂直方向海拔高度变化率。

坡向是地表面上任意一点切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点正北方向的夹角，计算公式为:

(2)

本文中规定正北方为0°，顺时针将360°分为8个坡向，0°～45°为N-NE坡向，46°～90°为NE-E，91°～135°为E-SE，136°～180°为SE-S，181°～225°为S-SW，226°～270°为W-SW，271°～315°为W-NW，316°～360°为N-NW。

1.3.2 地形切割深度

地形切割深度是指某点邻域范围内平均海拔高度与该邻域范围内最低海拔高度的差值，公式为:

DHm=Hmax-Hmin。

(3)

地形切割深度是描述一个区域地形特征的宏观性指标[22]。地形切割深度因子主要反映地形表面较大区域内地形的宏观特征和地表切割情况。本文在分析地形因子时，分析窗口采用30 m×30 m大小的矩形窗口，领域范围为围绕该矩形窗口的8个矩形窗口，即90 m×90 m范围内平均海拔高度与最低海拔高度的差值为该点地形切割深度。

2 云南省冰雹分布与地形因子关系

2.1 冰雹频数与地形高程的关系

对冰雹频数和对应的地形高程进行Pearson相关分析，结果显示云南冰雹频数与地形高程相关性达0.74，经统计检验P=0.02<0.05，具有显著统计学意义，表明冰雹活动与海拔相关性显著，可见海拔高度的变化是造成云南冰雹活动差异的主要影响因子之一。

为进一步研究海拔高度变化与冰雹频数的分布，本文以50 m为统计单元，统计了海拔高度与冰雹频数的散点图(图3)，由图3可见云南冰雹频数随地形海拔增加呈先增加后减小的变化特征，海拔<800 m以下区域，冰雹频数较少且随海拔变化不明显，海拔高度>800 m以上的区域冰雹频数缓慢增加，海拔高度增加到1 650 m以上冰雹频数显著增加，其中海拔高度在1 950～2 000 m区域的冰雹频数达到峰值，随后线性减少，海拔高度>2 400 m的区域，冰雹频数随海拔变化幅度减小，海拔高度>3 000 m以上区域较少出现冰雹活动。这一现象揭示了云南不同海拔高度区域冰雹频数变化的差异性。王瑾[17]对贵州降雹日与地形高程的研究发现，地形高程在200～2 000 m之间，降雹日随地形高程增加表现为增加特征，与云南低海拔(<2 100 m)区域冰雹频数的变化趋势基本一致。结合冰雹强对流形成的动力条件分析，地形抬升的强迫作用造成上升气流明显，强对流内辐合增强，水平和垂直涡旋显著增加，由低层输送到高层过冷水区的水汽增多，有利于凝结核在“穴道”内循环长成冰雹[23]，海拔高度小，地形抬升作用不明显，上升气流的抬升动力作用尚未将低层水汽输送到高层“穴道”循环增长就因地形下降引起的气流下沉增加，切断或阻碍气流的上升，不利于强对流的发生发展，而过高的地形海拔则使得垂直方向气压梯度力变小，上升气流明显减弱，不利于云内粒子的循环增长，出现冰雹的概率较小。

图3 云南省海拔高度与冰雹频数散点图、拟合曲线

对网格化的云南冰雹频数和地形海拔高度数据，利用高斯拟合和迭代算法(迭代22次)，建立冰雹频数与地形高程的拟合曲线方程

(4)

式中：X1为冰雹频数，X0=9.48，w1=484，x为地形海拔，xc=1 870，拟合曲线方差结果分析如表1，方程通过0.05置信度F检验。

表1 云南省冰雹频数与海拔高度的高斯拟合统计和方差分析

图4 云南省地形坡度、地形切割深度、分级坡度与冰雹频数、分级切割深度与冰雹频数变化特征

2.2 冰雹频数与地形坡度和切割深度的关系

地形对气流的抬升和强对流发展具有促进作用，本文以DEM数据30 s为单位对冰雹过程的坡度和地形切割深度做统计。图4a、图4b为云南省地形坡度和地形切割深度分布图，可见以哀牢山脉和横断山脉为界，云南地形分为东西两侧，东侧滇中、滇东和滇南为海拔、坡度变化均较小的盆地丘陵地带，西侧滇西、滇西南为海拔较高但地形坡度较小区域，与地形切割深度较小地区对应较好，哀牢山、横断山脉一线则为高海拔、大坡度和较大地形割切深度的高山峡谷地形。通过对3 001次冰雹出现点对应的地形坡度和地形切割深度做Pearson相关分析，发现地形坡度和地形切割深度具有较好相关性，相关系数0.97，通过置信度0.01的显著性检验。

分别对冰雹频数与分级地形坡度、地形切割深度进行统计分析(图4c、4d)，发现云南冰雹活动随坡度呈先增后减变化特征，冰雹主要出现在0°～30°坡度范围，其中0°～5°坡度范围内的冰雹活动最为活跃，13年里共出现冰雹1 193次，占总冰雹次数的39.8%，3°～4°坡度区域内冰雹出现次数占总次数的9.2%，>30°坡度区域出现冰雹次数仅为2%，冰雹活动随分级地形切割深度的变化特征与分级坡度变化特征基本一致，可见，云南冰雹过程多出现在坡度和地形切割深度较小、地形较为缓和的丘陵、坝子和小盆地。结合云南冰雹强对流活动的天气形势[1]，春季云南冰雹强对流活动的天气系统主要为南支槽，自东向西移动过程中受高海拔、小坡度和弱地形切割深度影响，上升气流在不断抬升过程中加强，出现冰雹的概率较大，西部海拔相对较高但地势相对平缓的德宏州、保山市为春季冰雹活动高发区，强对流自西向东移至哀牢山西侧后随着海拔、地形坡度、地形切割深度急剧增加，垂直气压梯度力减小，不利于云内粒子增长，哀牢山沿线冰雹活动概率明显减小。强对流翻越哀牢山后则继续向东南方向移动，途经区域地形海拔高度和坡度、地形切割深度变化明显减小，多以丘陵、盆地为主，如果此阶段低层有冷空气南下入侵，强对流将得到明显加强，会在玉溪市南部、红河州和文山州出现降雹过程，降雹后强对流沿偏东路径或偏南路径移动过程中海拔高度不断降低，强对流减弱消失。夏季云南冰雹强对流活动的主要影响气系统为冷锋切变和辐合区，强对流常在冷暖空气交汇的云南中东部坡度<10°、地形切割深度<10 m、地形海拔高度变化较小区域生成，沿切变线或辐合线前侧向西或向南移动并不断发展，在坡度和地形切割深度较小的曲靖市、昆明市和昭通市南部出现降雹过程。

同样利用高斯拟合和迭代算法，建立冰雹频数与地形坡度、地形切割深度拟合曲线方程:

(5)

(6)

式中:X2、X3均为冰雹频数，x2=6，w2=4.5,s为地形坡度，sc=5.7,x3=5.4,w3=2,q为地形切割深度，qc=4.5,拟合曲线方程均通过0.05置信度F检验。

2.3 冰雹频数与地形坡向的关系

在局地范围内，坡向对强对流中气流的抬升作用十分有限，且坡向对气流的抬升作用与强对流的移动路径有较大关系。本文利用云南省DEM数据提取坡向，按照8个范围(0°～45°为N-NE、46°～90°为NE-E、91°～135°为E-SE、136°～180°为SE-S、181°～225°为S-SW、226°～270°为SW-W、271°～315°为W-NW、316°～360°为NW-N)分类形成云南省地形坡向分布图(图5)，可见云南省地形坡向分布与山脉走向基本一致，整体呈南北纵向分布。Pearson相关分析对冰雹频数和分级地形坡向数据做方差分析，发现冰雹频数与坡向没有显著统计学意义(F=1.366,P=0.178>0.05)。

图5 云南省地形坡向空间分布图

结合云南冰雹活动的天气系统特征和季节变化特征[24]，春季(3—5月)云南冰雹活动主要是自西向东移动的南支槽天气系统造成、夏季(6—8月)则多为冷锋切变、辐合线等天气系统自东向西或自东北向西南移动造成，不同移动路径的天气系统造成冰雹强对流的活动区域有较大差异，而坡向在强对流活动中的作用也随季节出现变化。春季冰雹强对流天气自西向东发展过程中，对流层中下部为西南风或偏南风控制，哀牢山、无量山和高黎贡山是迎风坡和背风坡的分界线，在哀牢山、无量山和高黎贡山西侧的第三象限(91°～180°)为迎风坡，其余为背风坡，迎风坡有利于冰雹强对流迅速发展，背风坡则抑制或减弱冰雹强对流过程。减弱的强对流系统越过哀牢山后，低层受偏北冷空气南下入侵转为沿东南或南方向移动，迎风坡则转为以北向为主，昆明市、玉溪市、红河州北部、文山州北部海拔1 800～2 200 m的小坡度区域为迎风坡和背风坡分界线，其北侧第一象限(0°～90°)为迎风坡，其余为背风坡。夏季冰雹强对流系统自东北向西南或自东向西移动，哀牢山-苍山-玉龙雪山山脉是迎风坡和背风坡的分界线，其东侧第一、二象限(0°～180°)为迎风坡，其余为背风坡。

2.4 冰雹频数与经纬度的关系

不同海拔高度和纬度的热力条件差异较大，不同经度在不同天气形势下的热力、动力和不稳定条件的显著差异也是造成冰雹灾害分布差异的地理因素之一，对冰雹频数与经纬度分别进行Pearson相关分析，发现冰雹频数与经度的相关系数R=0.342,统计检验P=0.001，小于0.01，显著性好，与纬度的相关系数R=0.19,统计检验P=0.1，大于0.01，没有通过显著性检验，表明纬度不是影响云南冰雹活动的地理因子，而经度差异是导致云南冰雹活动的主要影响因子之一，随经度增加，冰雹活动呈线性增加。

3 云南冰雹危险性区划

通过前面分析可知，云南冰雹频数与海拔高度、坡度、地形切割深度和经度具有显著相关性，与地形坡向的相关性则表现为明显的季节性和地域性特征。在进行云南冰雹危险性区划计算时，以冰雹频数为因变量，利用层次分析法和权重判别模型得出上述4个因子的权重系数，利用多重线性回归建立云南冰雹灾害危险评估方程:

Y=0.4X1+0.3X2+0.15X3+0.05X4+0.1X5。

(7)

图6 云南不同季节迎风坡和背风坡分类图

表2 冰雹灾害危险性评估等级划分标准

图7 云南省冰雹危险区划图

从图7可以看到，云南冰雹危险性空间分布总体以哀牢山为界，分为东西两大区域，东部高危险区主要分布在云南省中东部海拔1 800～2 200 m、坡度<5°、地形切割深度较小的曲靖市中北部、昭通市南部、昆明市东南部、玉溪市东部和红河州东北部，对应云南夏季烤烟主要种植区，同时也是夏季冷锋切变和两高辐合区天气系统造成的冰雹多发区，2009—2021年冰雹资料显示该区域多年平均冰雹频数为6～8次/年(图1b)，其中宣威市年平均冰雹频次高达19.7次/年。较高危险区主要分布在海拔2 200～2 500 m、坡度3°～10°、地形切割深度较小的丽江市东部、楚雄市中部、昆明市西北部和文山州北部的迎风坡区域，多年平均冰雹频数为3～6次/年。中危险区为昭通市东部、迪庆州、大理州东部、楚雄市南部、玉溪市西部和文山州南部地区，该区域地形海拔2 500～3 300 m或1 000～1 800 m，坡度>10°，地形切割深度较大，多年平均冰雹频数为2～4次/年。西部的冰雹高危险区域主要分布在海拔范围1 000～1 600 m、坡度<8°、地形切割深度较小的德宏州、保山市西北部，对应云南春季烤烟主要种植区，同时也是春季南支槽天气系统影响的冰雹高发区，多年平均冰雹频数为3～5次/年。较高危险区主要分布在海拔1 600～2 500 m、坡度<10°的普洱市西部、西双版纳州的迎风坡区域，多年平均冰雹频数为2～4次/年。中危险区域为保山市东部、临沧市西部海拔2 500～3 000 m、坡度10°～12°、地形切割深度较小区域，多年平均冰雹频数为1～2次/年。迪庆州北部、丽江市西部、怒江州海拔高度>3 500 m的西北部地区和海拔高度<800 m、地形坡度>15°、地形切割深度较大的金沙江河谷、元江河谷和红河河谷是冰雹灾害低危险区域，多年平均冰雹频数为0.2次/年。

4 结论与讨论

(1)本文利用云南省2009—2021年云南省966个防雹作业点和125个气象观测站3001条冰雹灾情资料，基于1∶250 000 ASTER GDEM 30 s分辨率数字高程模型(DEM)，利用Pearson相关分析、回归分析、分类统计等研究了云南冰雹频数与海拔高度、坡度和坡向、地形切割深度及经纬度的关系，通过高斯函数拟合建立云南冰雹频数与多个地形因子的非线性回归方程，选取层次分析法和权重判别模型，利用多重线性回归建立云南冰雹灾害危险性评估方程，形成云南冰雹危险区划图。跟以往研究相比，本研究在冰雹孕灾因子选取上不但考虑了云南复杂地形因素的差异影响，还考虑了迎风坡在不同季节不同影响系统中的变化，能够较客观精细地描述云南冰雹灾害的孕灾因子并进行云南冰雹灾害危险性评估和危险区划，使本研究具有更强的针对性。

(2)本研究作为云南冰雹灾害风险普查工作的重要环节，研究结论为下一步开展冰雹灾害综合风险区划奠定了基础，同时本研究的冰雹危险区划结论可以为云南高原特色农业产业结构调整、人工防雹作业点布局优化提供一定的决策依据。例如云南主要烤烟主产区的曲靖市、玉溪市、昆明市等地冰雹危险性等级最高，冰雹对烤烟造成的损失较大，高危险区域需要建立人工防雹作业试验示范区，开展冰雹预警和防雹作业技术研究，同时优化作业点布局，增设防雹作业点，同时考虑在冰雹高危险区域调整农经作物产业结构。德宏州、保山市作为云南春季烤烟主产区，同时也是冰雹灾害高危险区域，应根据本文研究结论调整春季人工防雹作业点布局。

(3)本研究虽然客观全面地开展了精细化冰雹灾害危险性评估和区划分析，为保证数据来源统一性，选取2009—2021年人影作业点和气象站的冰雹观测资料，但由于云南地形复杂多变，966个作业点和125个气象观测站的冰雹资料仍不能完全代表云南区域内冰雹灾害的实际发生情况，尤其非作业季(11月-次年2月)防雹作业点无人值守，造成干季冰雹资料的不完整。