天津地区冰雹气候特征及影响路径研究

陈跃浩，黄 鹤，熊明明，郭 军

（天津市气候中心，天津 300074）

引言

目前，国内外已有不少学者针对冰雹天气开展了相关研究，研究热点大致集中在两个方面：一是分析冰雹长期的时空分布特征，如Kunz等［8］研究指出在德国西南部冰雹日数和致灾日数均呈增加趋势。Sioutas等［9］研究了希腊北部冰雹天气的空间特征，发现山区周边以及高海拔地区是冰雹多发区，而沿海地区则冰雹出现频次较少。另外，Punge等［10］总结了欧洲不同城市的冰雹特征。与此同时，国内也有众多学者利用气象站观测资料探讨了冰雹的变化趋势［11-14］。另外一方面关于冰雹的研究则侧重于对环流背景、物理量诊断以及卫星、雷达等资料的应用分析上。钱卓蕾等［15］分析了浙江绍兴一次罕见的冰雹过程环境场特征及成因，表明冷性低涡前10个纬距的暖区中对流不稳定能量释放是此次冰雹形成的原因。Li等［16］研究认为对流抑制能量的增加可能导致中国冰雹频次的减少。杨淑华等［17］利用多普勒雷达资料分析了大同市2006-2011年间20次冰雹天气的形成过程，认为雷达资料对冰雹天气有较好的指示预警作用。还有的学者基于雷达、静止卫星以及地面观测资料，对天津和华北区域冰雹天气的影响系统及云系特征进行了研究［18-19］。总体来说，已有的研究成果为冰雹天气过程的识别和预报提供了很好的科学依据，但随着国民经济生产及社会各行业对气象预报预警服务需求的提升，加之冰雹天气本身其区域性强、预报难度大［20-21］，这也就对此类灾害性天气的预报精细化程度提出了新的要求，需要对其长期气候特征乃至影响路径有更加深入的认识，以便在灾害出现时能提前对其影响范围做出预判，从而能够及时制定应急措施，减小灾害带来的损失。

天津位于华北平原属于我国冰雹频发地区之一［22-23］，同时冰雹也是影响天津市的主要气象灾害，破坏力巨大。据统计，1961-2000年天津各地区累计出现冰雹421站次［1］，其中冰雹致灾较为严重的1987年，农田受灾面积占农田总面积的百分之十以上，直接经济损失达数千万元；还有2020年6月25日发生的冰雹过程造成天津地区农业及相关设施损失累计超过了亿元。为此，一些学者针对天津连同华北区域冰雹天气的影响系统、触发机制以及过程识别方法等开展了相关研究，取得了一定成果［24-26］。但已有研究多数是从天气学角度出发，针对天津地区冰雹气候态特征的探讨尚不多见，仅有个别学者基于观测资料分析了冰雹的时空分布特点［27］，而关于冰雹影响路径方面的研究则更是鲜有报道。因此，本文利用天津地区13个气象观测站1961-2020年长期冰雹观测资料，系统分析了天津地区冰雹发生日数及持续时间的长期气候特征，并在此基础上，基于构建的冰雹影响率评价指数，研究划定影响天津的冰雹路径，以期为帮助提升冰雹天气的影响预报及人影防雹消雹作业提供科技支撑，同时为其他相关研究提供科学借鉴。

1 资料与方法

1.1 气象站观测资料

冰雹的降落虽然是局地的，但形成冰雹的天气过程往往具有区域性，统计资料显示一次冰雹天气过程常常先后出现在京津冀乃至华北地区的一些市县和乡镇［1］。因此，在分析影响天津的冰雹路径时，以京津冀地区为研究区域，选用京津冀范围内175个气象观测站1961-2020年冰雹观测资料（包括天津地区共13个台站），资料来源于中国气象局国家气象信息中心，所用资料已经过质量控制，具有较好的代表性，见图1。由于个别站点可能存在记录不完整缺测的情况，考虑到数据缺测对最终分析结果的影响，本文做了进一步的质量控制。具体方法为：若某测站一年内缺测数据超过10%，则该年被视为无效年份不纳入统计；若某测站有无效年，则该站被剔除不予考虑。经数据质量控制发现，所选取的175个台站近60年均无数据无效年，因此均可用于统计分析。

图1 京津冀地区气象站分布（a）和天津海拔高度（b）Fig.1 Distribution of meteorological stations in Beijing-Tianjin-Hebei region（a）and the altitude distribution of Tianjin（b）

1.2 再分析资料

为验证影响天津地区的冰雹移动路径，采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代全球大气再分析资料ERA5（空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为逐小时），该资料起始时间为1979年，更新时效为近5d以内。

1.3 冰雹路径分析方法

在探讨影响天津地区的冰雹路径时，首先需要计算出天津周边（京冀地区）出现冰雹对天津的影响概率，根据影响率的大小进行路径划分。在此影响率定义为：天津地区外某气象站出现冰雹时天津（13个台站）出现冰雹的概率，计算公式为：式中：A为天津地区外某台站出现冰雹天气，T为天津出现冰雹天气；IR（A|T）为某台站出现冰雹天气对天津的影响率；FAT为某台站出现冰雹天气当日天津也出现冰雹天气的次数；FA为该台站出现冰雹天气总次数。

2 结果与分析

2.1 天津地区冰雹的气候特征

2.1.1 冰雹日数时空分布

参考张芳华等的研究［28］，规定在某测站一日内观测出现冰雹天气，无论冰雹过程为一次或多次均记为一个冰雹日。从天津地区冰雹日数的空间分布上来看（图2），北部的蓟州冰雹日数最多，1961-2020年均值达到1.1 d；中部地区冰雹日数略少，年均值接近1 d；南部地区冰雹日数最少，年均值不足1 d。闵晶晶等［29］研究发现，冰雹的出现与海拔高度密切相关，高海拔地区发生冰雹的可能性相对较大。从图1（b）天津地区海拔高度分布上可以看出，天津大部分为平原，仅在北部蓟州有部分山区，山区近地层温度垂直递减率较大，从而加剧了大气的不稳定度，加之大气干层的存在，为冰雹形成提供了有利的条件，容易发生冰雹［30］。

分娩是一个很自然的生理过程,但是分娩阵痛使产妇们的阴道分娩顺应性大大下降。有研究提示,大约98%的孕妇对自然分娩有恐惧感,约82%的孕妇对住院有心理负担,尤其是对分娩疼痛的恐惧使越来越多的产妇选择剖宫产[2]。另外,在产妇进行分娩时,会产生恐惧、紧张等不良情绪,使产妇出现心率加快、子宫收缩乏力、产后出血增多、产程延长等影响自然分娩[2.3]。因此营造轻松的环境,在最艰难、最痛苦的时刻,有专业导乐师及亲人陪伴,不断受到支持鼓励,疼痛的减轻,产程的缩短,是促进自然分娩的关键。

图2 1961-2020年天津地区冰雹日数空间分布Fig.2 The spatial distribution of hail in Tianjin during 1961-2020

从年变化上来看（图3），天津地区冰雹日数呈现波动中下降的趋势，每10年下降1.8 d。1961-2020年天津地区年平均冰雹日数为9.5 d，其中20世纪80年代出现冰雹天气最多，平均日数达到14.7 d，1985、1987和1990年冰雹日数均在20 d以上；进入21世纪后，冰雹天气明显减少，近10年（2011-2020年）平均冰雹日数仅为3.4 d，这可能与大气水汽输送和动力条件的减弱有关［31］。在全球变暖背景下，1961-2020年天津市年平均气温呈现显著增加趋势（图略），增暖幅度为0.4°C/10 a。从增暖趋势来看，20世纪80年代之前增温并不显著；进入90年代后呈现显著增温趋势，特别是在近10年是1961年以来的最暖时期，平均气温达到13.5°C，明显高于其他年代。气候变暖一定程度上抬升了0°C线的位置，从而使冰雹在下降过程中更容易化成雨水，导致冰雹发生频次减少［32］。

图3 冰雹日数年和月变化Fig.3 Annual and monthly variation of hail days

年内各月冰雹日数呈单峰型分布，冰雹集中出现在4～10月，占到全年冰雹日数的95%以上；春末至盛夏（5～7月）冰雹日数占全年冰雹日数的60%以上，其中6月冰雹最为频发，占全年冰雹日数的29.6%。这主要是由于6月东北冷涡活动增强，在其影响下高空温度较低，而初夏地面温度逐渐升高，从而增加了近地层大气不稳定度，容易触发强对流天气；而入秋后大气层结趋于稳定，冰雹天气逐渐减少，其中1月和12月在近60年无冰雹天气发生。

2.1.2 冰雹持续时间变化

与冰雹日数年变化相类似，冰雹过程持续时间亦呈现波动下降的趋势（图4（a）），每10年减小0.5 min，说明天津地区冰雹频次和强度随年代际变化表现出逐渐减少和减弱的趋势，这也与赵文慧等［3］的研究结果相一致。但值得注意的是，在2015年之后，冰雹过程持续时间有一定程度的上升，而冰雹日数则呈现下降的趋势，表明在这段时间虽然冰雹频次有所降低，但强度有增强趋势，这与京津冀地区强降水的变化相对应。一般来说，雷暴、闪电和冰雹等中小尺度强对流天气都伴随着强降水事件［33］。相关研究表明，京津冀地区暖季（5～9月）降水量和降水时数呈现减少趋势，但在暖季前期（5～6月）出现更强短时降水的可能性在增加，即降水极端性增强［34］。天津地区冰雹多发于5～6月（图3（b）），2015年后共发生冰雹天气13次，其中有12次出现在该时段，反映出冰雹强度有增强趋势。冰雹过程持续时间在近年来表现出增加趋势虽然与降水事件有一定的对应关系，但其形成的环流背景及物理机制仍需近一步开展研究。

图4 冰雹持续时间年变化和日变化Fig.4 Annual and daily variation of hail duration

有研究表明，中国地区冰雹频次的峰值出现在一日当中的午后［22］。午后气温升高，地表向大气输送热量，从而形成上冷下暖的不稳定大气层结，从而导致冰雹天气过程的发生。近60年来，天津地区冰雹天气集中出现在13～19时，在该时段内发生冰雹的概率达到72.7%，其中16时发生冰雹概率最高，为15.1%，17时为14.2%，18时为12.8%；而22时之后至次日上午各个时次也有冰雹出现，但概率不高，均在1%左右。除此之外，天津地区冰雹过程持续时间多为1～5 min，发生概率为52.3%；其次为持续时间6～10 min的冰雹，发生概率26.6%；持续时间11～20 min的冰雹发生率为14.4%，而大于20 min的冰雹出现最少，近60年发生率仅为6.7%。

2.2 影响天津的冰雹路径

2.2.1 路径划分

图5给出了京冀地区对天津冰雹的影响率，可以看出对天津影响较大的区域主要集中在北京、廊坊、唐山、沧州和保定等地，其中廊坊地区对天津冰雹的影响率最高，达到44.6%，唐山地区对天津冰雹的影响率为39.0%，沧州地区的影响率为32.9%，北京为27.3%，保定为25.1%；而邯郸和张家口等地对天津冰雹的影响率相对较少，分别为12.6%和11.4%。

图5 天津地区冰雹的影响率及路径划分Fig.5 Influence rate and transportation path of hail in Tianjin

由此，划分影响天津地区的冰雹路径具体有4条：（1）西南路径：沧州——天津南部，路径上重点地区包括沧州、东光县、南皮县、孟村回族自治县、青县和黄骅市等；（2）偏西路径：保定——廊坊——天津西部、中部和东部，路径上重点地区包括保定市、雄安新区、霸州市、永清县、固安县和廊坊市等；（3）西北路径：北京——香河——天津中北部，路径上重点地区包括北京的通州区和大兴区、廊坊的大厂回族自治县和香河县；（4）东北路径：唐山——天津东部，路径上重点地区主要为唐山市西南部，包括玉田县、丰南区、丰润区、曹妃甸区、滦南县和乐亭县等。研究表明，雷暴天气常与冰雹伴随发生［31］。宋薇等［27］通过对2000-2009年影响天津的雷暴天气进行统计分析，总结出了5条雷暴影响路径，分别为西北路径、西南路径、北路路径、西路路径和东北路径。除北路路径外，其他雷暴影响路径与本文研究得到的冰雹路径相一致。

2.2.2 个例分析

有研究表明，当云内冰水含量发生明显增长，在适宜的背景场条件下随着雹暴云内垂直运动的发展，利于雹胚碰并过冷雨水而形成冰雹［35］，而冰水含量在高度上可从500 hPa延伸至200 hPa附近［36］。因此，选取天津地区发生的4次冰雹过程个例（2014年6月22日、2015年6月1日、2016年6月28日和2020年6月25日），分析降雹前后4 h内300 hPa云内冰水含量（Specific cloud ice water content，CIWC）分布，同时结合天津滨海新区塘沽站多普勒天气雷达资料，进一步验证得到的天津地区冰雹入侵路径。

图6给出了不同路径下降雹个例300 hPa高度上CIWC分布变化及500 hPa高空风场。2014年6月22日15时唐山地区出现CIWC高值区，中心达到0.40 g/kg，受高空东北气流影响，范围逐渐向西南扩展；17点天津东北部上空CIWC开始增加，至18点CIWC由0.06 g/kg增加到0.16 g/kg。从雷达图上来看（图7（a）），16：24在天津东北部出现强回波带，中心强度达60dBz；随后，回波中心逐渐南移，17：24中心位置移动到天津东部，此时天津滨海新区出现降雹；此后，回波中心继续向南移动，至18：12时已移出天津。此次过程属于东北路径入侵。

图6 不同路径冰雹过程300 hPa云冰水含量分布和500 hPa风场Fig.6 Distribution of the specific cloud ice water content at 300 hPa and wind field at 500 hPa of hail with different transportation paths

2015年6月1日14时河北保定地区出现CIWC高值区，受高空偏西气流影响，中心开始东移经廊坊影响到天津，同时含量值也在增加；16点时天津上空CIWC已达到0.50 g/kg以上。此时，在雷达回波图上（图7（b）），16：24在天津中南部出现强回波带，中心强度达55 dBz以上；而后，回波带缓慢东移，至17：06仍在影响天津，在此过程中天津东丽和滨海新区等地陆续出现降雹；至17：54回波带移出天津，相对应18点时，CIWC高值中心也已移出天津。此次过程属于偏西路径入侵。

2016年6月28日8时天津上空出现南北向CIWC高值区，受西南气流影响，高值区逐渐向东偏北方向移动；9时天津南部出现一个高值中心，CIWC达到0.34 g/kg。在此过程中，雷达图上可以看到（图7（c）），8：06在天津西南部出现南北向强回波带，中心强度达55 dBz；随后，回波中心逐渐向东北方向移动，至8：54仍在影响天津，此时南部静海区出现降雹；至9：24回波带移出天津，CIWC逐渐下降。此次过程属于西南路径入侵。

2020年6月25日21时北京地区出现CIWC高值中心，达到0.60 g/kg；此后，高值中心沿东南方向逐渐移动，22时开始影响到天津，从22时至23时，天津上空CIWC由0.40 g/kg增加到0.56 g/kg。此时，在雷达图上（图7（d）），22时在天津西部出现强回波区，中心强度达65 dBz；随后，沿东南方向移动，至23时影响到天津；在此过程中，天津出现风雹天气，导致武清、北辰、西青、市区和津南等多地出现冰雹，冰雹最大直径达2.5 cm，农业受损严重；至26日0时，在高空西北气流影响下，高值中心移出天津，CIWC逐渐减弱，强回波区移出天津。此次过程属于西北路径入侵。

图7 天津雷达组合反射率产品Fig.7 Composite reflectivity（CR37）from Tianjin radar

3 结论

文中基于天津地区13个气象观测站1961-2020年长期冰雹观测资料，探讨了天津地区冰雹日数及持续时间的长期气候特征并简析了原因，在此基础上，以京津冀为研究区域，利用构建的冰雹影响率评价指数结合冰雹个例分析，划定了影响天津的冰雹入侵路径，主要结论如下：

（1）天津地区冰雹空间上呈现北多南少的分布特征，北部的蓟州冰雹日数最多，年均值达到1.1 d；在年际变化上，1961-2020年天津冰雹日数呈现波动中下降的趋势，下降速率为1.8 d/10 a，其中20世纪80年代为冰雹多发期，而进入21世纪后冰雹明显减少；年内各月冰雹日数呈单峰型分布，集中出现在4～10月，占到全年冰雹日数的95%以上。

（2）1961-2020年天津地区冰雹过程持续时间呈现波动下降的趋势，每10年减小0.5 min，但在2015年之后持续时间有一定程度的上升，表明在这段时间虽然冰雹频次有所降低，但强度有增强趋势。

（3）近60年来，天津地区冰雹天气集中出现在13～19时，发生冰雹的概率达到72.7%，其中16时发生冰雹概率最高，为15.1%，而22时之后至次日上午各个时次也有冰雹出现，但概率不高；天津地区冰雹过程持续时间多为1～5 min，发生概率为52.3%。

（4）通过分析京冀地区对天津冰雹的影响率，得到对天津影响较大的区域主要集中在北京、廊坊、唐山、沧州和保定等地，其中廊坊地区对天津冰雹的影响率最高，达到44.6%。

（5）划分影响天津地区的冰雹路径有4条，分别为西南路径：沧州——天津南部；偏西路径：保定——廊坊——天津西部、中部和东部；西北路径：北京——香河——天津中北部；东北路径：唐山——天津东部。