青海省东部农业区近60 a降雹特征及其致灾危险性

图1 1961—2020年青海省东部农业区降雹日数（a,单位：d）及其变化趋势[b,单位：d·（10 a）^-1]空间分布

Fig.1 The spatial distribution of hail days （a,Unit： mm）and its tendency rate （b, Unit： d·（10 a）^-1）in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.2 降雹日数随海拔变化

降雹的出现不仅与天气系统有关,而且受地形和地貌影响很大。研究表明,多雹区位于海拔较高、地形复杂的山区^{[20⇓⇓⇓⇓⇓-26]}。图2为1961—2020年青海省东部农业区不同海拔范围内年降雹日数的箱线图。可以看出,1800~2100 m海拔带内年降雹日数平均1.51 d,最大值为5 d;2100~2400 m海拔带内年降雹日数平均4.55 d,最大为10 d;2400~2700 m海拔带内年降雹日数平均5 d,最大值为14 d;2700~3000 m海拔带内年降雹日数平均7.86 d,最大值为18 d,且2700~3000 m海拔带内年降雹日数箱体较长,说明东部农业区站点海拔越高,降雹次数波动越大。东部农业区降雹日数和海拔高度呈显著正相关,相关系数高达0.97（通过α=0.05显著性检验）,降雹日数随海拔升高而增加。这是因为在地势高、地形复杂的山区,冷空气过后残余冷空气堆积在山谷,易形成山谷风,在水汽比较充足的条件下容易出现降雹天气^{[10⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓,18]}。

图2

图2 1961—2020年青海省东部农业区不同海拔范围内年降雹日数箱线图

Fig.2 The box plot of annual hail days in different altitude ranges in the eastern agricultural region of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.3 年降雹日数的长期变化

1961—2020年东部农业区年降雹总日数呈明显减少趋势,倾向率为-11.6 d·（10 a）^-1[图3（a）],通过 $α$ =0.05的显著性检验,其中1973年降雹日数最多,为104 d,2020年降雹日数最少（11 d）。东部农业区降雹日数有明显的年代际变化特征,20世纪90年代以前年降雹日数较多,之后降雹日数急剧下降,呈减少趋势。东部农业区降雹日数的年际和年代际变化总体呈下降趋势,与青藏高原川西南山地^[26]、西藏那曲市^[27]和青海省^[17-18]降雹年际变化趋势一致。

图3

图3 东部农业区1961—2020年降雹日数（a）及其距平（b）年际变化

Fig.3 Inter-annual variation of hail days （a） and its anomaly （b） in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

1995年后降雹日数距平由正转负[图3（b）]。从降雹日数5 a滑动t 检验[图4（a）]看出,自1961年以来,t 统计量有一处超过 $α$ =0.01显著性水平,说明东部农业区降雹日数在近60 a出现过一次突变（出现在2003年）。从降雹日数累积距平[图4（b）]看,1961—2020年青海省东部农业区降雹日数年变化具有明显的阶段性,降雹日数序列可分为两个时段,1961—1995年降雹累积距平呈增加趋势,1996—2020年降雹累积距平呈减少趋势。

图4

图4 青海省东部农业区降雹日数5 a滑动统计量曲线（a）及降雹日数累积距平（b）

Fig.4 The 5-year moving statistic curve of hail days （a） and its accumulative anomaly （b） in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.4 降雹日数月变化

从东部农业区各月降雹日数年际变化（图5）看,1961—2020年降雹主要出现在4—10月,11月至次年3月各测站均未出现降雹,且4—10月降雹日数呈减少趋势。降雹月际变化为单峰型,5—9月为降雹高发期,降雹日数为2617 d,占年降雹日数的94.13%, 4月和10月降雹日数分别为77 d和86 d,占年降雹日数的2.77%和3.09%（图6）。

图5

图5 青海省东部农业区1961—2020年各月降雹日数年际变化（单位：d）

Fig.5 The inter-annual variation of monthly hail days in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020 （Unit：d）

图6

图6 青海省东部农业区1961—2020年各月降雹日数及其倾向率

Fig.6 Monthly variation of hail days and their linear trends in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

降雹日数存在季节性差异的原因可能是5—9月太阳辐射增强,大气层结不稳定,对冰雹云的能量积累有利^[28],易发生降雹天气。特别是7月,大气升温快且层结极不稳定^[29],更易产生降雹天气。此外,春末夏初冷暖空气活动比较频繁,容易形成降雹天气,而入秋以后,随着西太平洋副热带高压东退和太阳辐射减弱^[18],大气层结慢慢趋于稳定,降雹日数急剧减少。

2.5 降雹日数日变化

图7为1961—2020年东部农业区逐时降雹日数占总降雹日数的百分比变化。可以看出,降雹日数从11：00开始呈上升趋势,峰值出现在午后16：00,约占总降雹日数的17.46%。11：00—20：00的降雹日数明显多与早晨和夜间,这是因为该时段气温高、太阳辐射强、感热输送强、温度垂直递减率大、对流发展旺盛,产生的不稳定能量大,易满足冰雹所需强上升条件要求,易生成强对流天气和雹云云体^[30],而早晨和夜间太阳辐射弱、大气层结稳定,不易发生对流天气,故降雹过程很少。

图7

图7 1961—2020年青海省东部农业区逐时降雹日数占总降雹日数百分比变化

Fig.7 The variation of percentage of hourly hail days to total hail days in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.6 降雹直径和持续时间分布

东部农业区11个测站降雹直径差别较大,平均降雹直径为6.62 mm。各测站最小降雹直径为 1 mm,最大降雹直径55 mm 出现在民和县。由于对流云尺度、移速和对流云相对于测站的位置有差异,东部农业区各测站降雹持续时间差别也较大,最短为1 min,最长为61 min,平均6.20 min。从表1可以看出,民和站降雹直径最大,平均直径为 11.75 mm,其次为乐都站,平均直径为8.24 mm;降雹持续时间最长为化隆站（9 min）,其次为湟中,平均降雹时间为7.36 min。降雹造成的灾害影响因素较多,除与作物品种和发育期有关外,与降雹持续时间和降雹直径关系密切^[10,31-33]。本研究民和和乐都降雹直径较大,化隆和门源降雹持续时间长,故这些地区造成的灾害也相对较严重。

表1 1961—2020年青海省东部农业区测站平均降雹直径和持续时间统计

Tab.1 Statistics of hail diameter and duration in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

测站	海拔/m	平均降雹直径/mm	平均持续时间/min
湟中	2295.2	7.00	7.36
湟源	2634.3	6.03	6.06
大通	2450.0	6.00	5.86
乐都	2021.0	8.24	5.76
互助	2480.0	5.80	6.15
化隆	2834.7	5.54	9.00
循化	1870.3	6.80	5.18
民和	1813.9	11.75	5.94
尖扎	2084.6	5.50	5.02
同仁	2491.4	4.98	4.89
门源	2850.0	5.16	6.94

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对青海省东部农业区1961—2020年历次降雹过程进行统计,降雹直径D $<$ 6 mm、6 mm≤D $<$ 8 mm、 8 mm≤D $<$ 10 mm、10 mm≤D $<$ 18 mm和D≥18 mm的降雹占比分别为58.33%、17.05%、11.63%、10.52%和2.47%;降雹持续时间T $<$ 9 min、9 min≤T $<$ 13 min、13 min≤T $<$ 20 min、20 min≤T $<$ 29 min和T≥29 min的降雹占比分别为73.55%、12.29%、9.05%、3.51%和1.58%。由此可见,青海省东部农业区小雹过程较多,这是因为该地区虽下垫面复杂,对流频繁,但由于海拔高、气温低,深处内陆腹地,单位气柱含水量较少,对流上升强度也较弱,地形云空间尺度小^{[10⇓⇓⇓⇓⇓⇓,17]},因而所降雹块也较小,小雹过程多,大雹过程少。

图8为东部农业区11县（区） 60 a降雹直径频数和降雹持续时间频数分布。东部农业区11测站降雹直径D $<$ 6 mm的无风险降雹多, 除民和外,其余10个测站其频数超过50%;东部农业区11测站降雹持续时间T $<$ 9 min的无风险降雹多,各测站频数均超过60%。统计各县（区）各区间内降雹直径,同仁D $<$ 6 mm降雹频数最大为 70.97%,民和最小为33.33%;6 mm≤D $<$ 8 mm最大频数出现在大通（18.50%）,最小出现在循化（6.67%）;8 mm≤D $<$ 10 mm最大频数出现在循化（17.78%）,最小出现在乐都（2.63%）;10 mm≤D $<$ 18 mm最大出现在民和（41.67%）,最小出现在同仁（4.30%）;D≥18 min最大频数出现在乐都（10.53%）,尖扎未出现D≥18 mm的降雹天气。统计东部农业区各县降雹持续时间,T $<$ 9 min最大频数出现在循化为85.71%,最小在化隆为65.49%;9 min≤T $<$ 13 min最大频数出现在门源（15.18%）,最小在尖扎（5.17%）;13 min≤ T $<$ 20 min最大频数出现在乐都（13.09%）,循化未出现此类降雹天气;20 min≤T $<$ 29 min最大频数出现在化隆（8.04%）,乐都、民和未出现;T≥29 min最大频数出现在化隆（4.31%）,而互助、乐都、民和、尖扎和循化5县未出现持续29 min以上的冰雹天气。由图8和表1可知,青海省东部农业区降雹持续时间较长的站主要集中在西北部海拔较高地区,降雹直径较大的站主要集中在东部海拔较低地区,这与冯晓莉等^[18]研究发现青海降雹直径随海拔升高呈减小趋势,降雹持续时间随海拔升高呈增加趋势的结论一致。由此可见,海拔高度差异对东部农业区的11站降雹直径的大小和降雹持续时间的影响很大。

图 8

图 8 1961—2020年青海省东部农业区11站降雹直径观测值（a）和持续时间（b）不同区间频数分布

Fig.8 Frequency distribution of hail diameter （a） and duration （b） with different sections at 11 stations in the eastern agricultural area of Qinghai Province from 1961 to 2020

2.7 东部农业区致灾危险性区划

依据青海省降雹指数阈值^[17]划分致灾危险性：H $<$ 78为无危险,78≤H $<$ 87为轻危险,87≤H $<$ 108为中危险,108≤H $<$ 160为高危险, H≥160为特高危险。统计1961—2020年东部农业区11测站各级降雹灾害危险出现频率,利用Sufer进行空间插值,得到降雹危险性区划图（图9）。可以看出,东部农业区降雹轻危险出现频率为1.09%~7.62%,主要位于循化;中危险频率为2.12%~5.26%,化隆、湟中、湟源等站危险性较高;高危险频率为2.54%~16.12%,特高危险频率为3.30%~16.13%,主要位于乐都。

图9

图9 青海省东部农业区降雹致灾危险性区划

Fig.9 The hazard zoning of hail disaster in the eastern agricultural area of Qinghai Province

3 结论与讨论

（1）青海东部农业区降雹天气具有明显的空间差异,降雹次数呈现出西北多东南少的区域分布特征,其中化隆、门源和互助降雹较多,尖扎降雹最少。降雹日数与海拔高度呈正相关,相关系数高达0.97。

（2）近60 a降雹日数以11.6 d·（10 a）^-1的趋势显著下降,且1995年后降雹总日数距平由正转负;20世纪90年代以前年降雹日数较多,之后降雹日数急剧下降,呈减少趋势。

（3）青海东部农业区降雹集中出现在4—10 月,且日变化明显,午后12：00—18：00时段降雹次数较多,峰值出现在16：00。

（4）东部农业区冰雹直径小于6 mm和降雹持续时间小于9 min降雹过程较多,分别占总降雹日数的58.33%和73.55%,民和降雹直径最大,化隆降雹持续时间最长。

（5）乐都为高或特高危险区,化隆、湟中、湟源是降雹中危险区,循化为降雹低危险区。

1961—2020年青海省东部农业区降雹日数年际和年代际变化呈减少趋势,进一步证实了刘彩红等^[17]和冯晓莉等^[18]对该区域降雹日数呈显著减少的研究结果。在气候变暖背景下,降雹日数减少主要是因为南北纬气温梯度下降、大气环流减弱^{[8⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓,34]}及大气风速减弱^[34]造成。此外,气温升高使得0 ℃层高度升高,冰雹融化空间距离变大^[18],对冰雹的融化作用就越明显^[35],而东部农业区降雹天气以小雹天气为主,气温升高使得站点观测到的降雹日数减少。同时,针对雷暴天气的人工防雹作业通过爆炸波来影响云中气流,使雹粒提前降落或变软等,抑制或减少冰雹出现,可能也使降雹日数减少^[36]。青海省东部农业区地势西高东低,降雹日数和海拔高度呈显著正相关,从动力学角度看,海拔高度增加,气流强迫抬升增强,水汽辐合加强,更易形成对流,有利于冰雹形成^[37]。降雹灾害形成原因有很多,既包括地面积雹深度、直径大小和持续时间,又涵盖作物的品种和作物发育期,本文在研究致灾危险性时主要考虑了降雹直径和持续时间,其他方面还未涉及,后期将注重相关资料收集,以便进一步加深研究。

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