李 瓊，尚程鵬，唐 林，丁 莉，汪 玲, 蔡榮輝

(1.湖南省人工影響天氣領導小組辦公室，長沙 410118；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410006；3.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，蘭州 730000；4.湖南省氣象臺，長沙 410118)

引 言

冰雹是我國主要的災害性天氣之一。冰雹的形成至降落必須有強大的冷暖空氣對流和充分的水汽供應，因此出現(xiàn)時常伴隨狂風暴雨等強對流天氣，時間雖短但破壞力卻很大，常毀壞莊稼、破壞房屋，對農(nóng)業(yè)、航空、國民經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)的安全有很大的威脅。我國平均每年遭受雹災面積達200萬hm2[1]。湖南是農(nóng)業(yè)大省，春季多冰雹，冷而急的冰球和暴風驟雨會對水稻、煙葉秧苗和春收作物造成嚴重的威脅及損害[2]，因此開展冰雹的研究十分重要。

目前, 科學家們在冰雹預報[3-5]、冰雹天氣過程與機理研究[6-8]、人工防雹[9-10]等方面已開展了許多研究。國內(nèi)外學者對大范圍冰雹的分布特征及變化規(guī)律也開展了很多相關工作。符琳[11]、孔鋒[12]等分區(qū)域研究了中國長時間序列冰雹時空分布特征，并探討了冰雹變化趨勢的成因。王靜愛等[13]建立了1990-1996年間的冰雹災害數(shù)據(jù)庫，并劃分了雹災組合類型，在此基礎上分析了時空分布特征。Zhang等[14]從區(qū)域、季節(jié)、發(fā)生時間3個方面研究了我國冰雹發(fā)生區(qū)域特征和集中時間段。Etkin等[15]研究發(fā)現(xiàn)加拿大絕大部分地區(qū)雹日沒有明顯的變化趨勢。Changnon等[16]指出，在美國高原地區(qū)、落基山中部及美國東南部，雹日數(shù)顯著增加，其他地區(qū)雹日數(shù)呈下降趨勢。這些研究均表明冰雹具有很強的地域性特征。不少學者針對某一區(qū)域的冰雹開展了氣候特征方面的研究。如閔晶晶等[17]分析了京津冀地區(qū)及4個關鍵區(qū)冰雹發(fā)生的多時間尺度變化特征和變化趨勢。徐桂玉等[18]利用我國南方61個氣象觀測站1956-1995年冰雹日數(shù)資料，分析了我國南方冰雹主要空間分布類型及季節(jié)、年際、年代際變化規(guī)律。針對不同地區(qū)不同省份開展冰雹分布及變化趨勢的研究也較多[19-24]。

雹災天氣的發(fā)生具有明顯的地域性、季節(jié)性特點。湖南地形地貌較為復雜，山地、丘陵、平原、湖泊各種地形錯綜交匯，東、南、西3個方向被山地環(huán)繞，中部以丘陵為主，北部平原、湖泊展布，形成南高北低，東、西高而中部低的朝東北開口的不對稱馬蹄形盆地結(jié)構。復雜多樣的地形特征，造就了湖南省雹災發(fā)生的氣候特點與其他地區(qū)的差異。曾志云等[25]基于1967-2006年冰雹日數(shù)資料，分析了湖南冰雹日數(shù)年代、年、季、月、旬、日際變化及地域分布特征和湖南前后20年冰雹的變化趨勢。近年來隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，湖南農(nóng)經(jīng)作業(yè)發(fā)展較快，全省各級政府均加大了人工防冰雹的力度，并得到了農(nóng)民群眾的一致信賴與好評。在自然氣候變化和人工影響天氣的共同作用下，湖南雹災發(fā)生規(guī)律的宏觀特征是否發(fā)生了變化？本文將在前人研究的基礎上，使用較新較全的冰雹日數(shù)時間序列資料，分季節(jié)研究湖南1968-2017年冰雹變化趨勢、變化周期、空間分布及主要模態(tài)，給出湖南省近50年的冰雹時空分布特征。該研究一方面可以為開展防雹減災工作提供氣候背景，同時也為進一步研究冰雹的成因及作好冰雹的預報預警工作奠定基礎，對農(nóng)民增收、脫貧脫困、保障農(nóng)業(yè)平穩(wěn)發(fā)展、保護人民生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。

1 資料和方法

本研究選用1968-2017年湖南省97個地面氣象觀測站的地面氣象記錄月報表資料，由于部分站點的冰雹資料記錄不全面，為了使研究數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性、連續(xù)性、可比性，通過質(zhì)量篩選，剔除時間序列過短或者缺測較多的站點，最終篩選出92個站點資料展開研究。采用回歸分析、小波分析、主成分分析等方法，分季節(jié)研究湖南冰雹年際變化、月際變化、周期變化、空間分布及變化趨勢和主要模態(tài)分布，給出湖南近50年的冰雹時空分布特點。本研究中，定義某站點的一天內(nèi)有一次或多次降雹現(xiàn)象為一個單站冰雹日。依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》，氣象日界為20時，若某一次冰雹跨越20時，按2個冰雹日計算。

本文研究冰雹年際變化及空間變化趨勢時采用一元線性回歸分析[26]，建立冰雹時間序列的一元線性回歸模型，通過回歸系數(shù)的正負值來判斷上升下降趨勢，通過顯著性檢驗的即為趨勢變化顯著；利用Morlet小波方法[27]，對湖南省近50年冰雹日數(shù)的周期性特點進行分析，利用小波系數(shù)的實部和方差可展示出冰雹天氣年際變化的周期性振蕩特征；研究湖南冰雹分布主要模態(tài)時采用主成分分析方法[28]，把隨時間變化的空間變量場分解為只依賴時間變化的時間函數(shù)部分和不隨時間變化的空間函數(shù)部分，以便提取主要分布模態(tài)及變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 冰雹日數(shù)時間分布特征

2.1.1 冰雹日數(shù)年際變化

從全省各年冰雹日數(shù)的年際變化(圖1a)可以看出，冰雹天氣年際變化差異較大，近20年來有記錄的冰雹天氣發(fā)生頻率越來越低，年雹日不超過10天的年份有6年，近10年中占了4年。1988年出現(xiàn)的冰雹天氣最多，全省共計202天；其次是1970年和1992年，年總雹日分別達160和156天。通過一元線性回歸模型處理，得出回歸系數(shù)為-1.12，復相關系數(shù)為0.141，超過了0.01的顯著性檢驗，說明近50年全省冰雹天氣發(fā)生頻次的年際變化下降趨勢非常明顯。

由湖南各季節(jié)冰雹日數(shù)的年際變化(圖1b—e)可知，湖南四季冰雹日數(shù)近50年的總變化趨勢與各季年際變化趨勢基本一致，均為減少趨勢，春、夏、秋、冬的減少速率分別為5.54、0.17、0.04、6.18天/10a，其中冬季減少最顯著(通過了0.01的顯著性檢驗)，春季減少趨勢也通過了0.10的顯著性檢驗。冬季出現(xiàn)冰雹最多的年份為1988年，總雹日達107天，其次2005年為92天，1969年為82天；春季冰雹天氣出現(xiàn)最多的一年是1992年，為138天，其次是1970年的108天。近20年冬季、春季少雹年出現(xiàn)頻次明顯增加；夏季和秋季雹日也呈現(xiàn)減少趨勢，但并不顯著，無雹年和冰雹年交替出現(xiàn)，夏秋季冰雹日數(shù)均為個位數(shù)。

圖1 1968-2017年湖南省年(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)、冬(e)冰雹總?cè)諗?shù)年際變化

2.1.2 冰雹日數(shù)月際變化

湖南省冰雹的出現(xiàn)不僅存在明顯的年際變化，季節(jié)性差異也突出，各地初次降雹時間也不同。經(jīng)統(tǒng)計，全省各站點初次降雹的時間跨度不長，都集中在1-3月。初次降雹發(fā)生在1月的站點最多，有53個站，其次是2月的，有38個站。湘西、湘西北等高山地區(qū)和湘中部分地區(qū)初次降雹發(fā)生在1月，湘東、湘南絕大部分地區(qū)初次降雹時間為2月，全省僅永州江華近50年均在3月發(fā)生初次降雹。從全省各站點初次降雹在時空上的差異可以看出，湖南冰雹最早發(fā)生在湘西、湘西北地區(qū)，向東、向南初雹時間逐漸后延。

由1968-2017年湖南各月冰雹日數(shù)與冰雹發(fā)生頻率列表(表1)可知，湖南降雹季節(jié)性明顯，春季和冬季的冰雹日數(shù)均遠遠大于四季平均值。春季是出現(xiàn)雹災天氣最多的季節(jié)，發(fā)生頻率占總冰雹日數(shù)的56.06%；冬季的次之，發(fā)生頻率為40.71%；夏季和秋季冰雹天氣發(fā)生頻率分別僅為2.53%和0.69%。湖南3月雹災天氣發(fā)生最多，占年總冰雹日數(shù)的40.33%；2月的次之，占年總冰雹日數(shù)的32.04%；從5月份起，雹日驟然減少，5-12月累計冰雹日數(shù)僅占年總冰雹日數(shù)的5.98%，小于1-4月任一月份冰雹日數(shù)值。

表1 1968-2017年湖南省各月冰雹日數(shù)與冰雹發(fā)生頻率

2.1.3 冰雹周期變化

為進一步研究湖南冰雹天氣的周期性特點，對1968-2017年湖南省年冰雹日數(shù)進行Morlet小波周期分析(圖2)。由圖2可看出，1970年前后、1989年前后和2007年前后，等值線為正(實線)，表示冰雹高發(fā)年份；70年代末80年代初、90年代中后期和2010年以后，等值線為負(虛線)，表示冰雹少發(fā)年份。在不同的時間尺度上，正負相位交替性變化顯著，周期性振蕩比較強烈。在年際尺度上，主要存在4～5 a的變化周期，20世紀90年代前還存在明顯的9～10 a的周期；在年代際尺度上，存在著19 a左右的主振蕩周期。2017年湖南省處于19 a長周期的少冰雹期，且處于少冰雹期的中后期，因此預估2017年接下來的近期年份內(nèi)湖南省仍將維持冰雹少發(fā)態(tài)勢。

圖2 1968-2017年湖南省年冰雹日數(shù)的Morlet小波周期分析

對全省各個季節(jié)的冰雹日數(shù)也進行了Morlet小波周期分析(圖略)。分析結(jié)果表明，春季主要存在4～5 a和10 a左右的振蕩周期；夏季主要存在6～7 a的變化周期，20世紀90年代中期前還存在3 a左右的周期；秋季以11 a左右和16～17 a的周期振蕩為主；冬季存在明顯的16～18 a的主振蕩周期。

2.2 冰雹日數(shù)空間分布特征

2.2.1 年、季冰雹日數(shù)空間分布

湖南特殊的地形地貌特征及天氣氣候特征，造就了冰雹天氣的空間分布特點。從湖南多年冰雹日數(shù)空間分布(圖3a)可以看出，湖南冰雹空間分布差異顯著，湘西北山區(qū)雹日最多，落區(qū)主要分布在雪峰山脈西側(cè)和武陵山脈附近，呈現(xiàn)明顯的自湘西北向湘東南逐步遞減的分布特征。全年降雹較多的地區(qū)主要位于湘西自治州、張家界、懷化、常德西部及益陽局部地區(qū)，近50年的雹日累計在40天以上。最多冰雹的縣站是湘西的吉首市，達108天；其次是張家界的桑植縣，達88天。少雹區(qū)主要分布在岳陽、長沙東部、株洲、衡陽、邵陽東部、婁底南部、郴州及永州部分縣市，50年累計雹日在20天以下。出現(xiàn)最少雹日的縣站是永州的江華縣和婁底的雙峰縣，50年雹日僅為6天。

湖南春季冰雹空間分布形態(tài)(圖3b)與年累積雹日分布形態(tài)基本一致，自西北向東南逐步遞減。春季為全年雹災天氣發(fā)生頻次最高的季節(jié)。湘西自治州的吉首市春季雹日最多，達48天；春季冰雹發(fā)生相對較少的地區(qū)主要有岳陽東部、株洲中部、衡陽、邵陽東部、永州北部、郴州東北部及郴州市區(qū)，50年總雹日都在10天以下，其中最少冰雹的縣站是永州的東安縣，僅4天。夏季全省50年冰雹總?cè)諗?shù)(圖3c)都在5天以下，說明湖南夏季冰雹很少，主要發(fā)生在湘西北和湘東南部分地區(qū)。秋季(圖3d)是湖南雹日最少的季節(jié)，近50年全省僅17個縣市發(fā)生過冰雹。冬季(圖3e)湖南又進入一個多雹的時段，雹日僅次于春季的，分布形態(tài)也與年累積雹日一致，自西北向東南遞減。湘西自治州的吉首市冬季冰雹日數(shù)最多，達59天，記錄的雹日比春季的多；冬季雹日較少的地區(qū)為岳陽、益陽中部、長沙東部、株洲、湘潭、婁底南部、衡陽、邵陽東部、永州、郴州等地，50年累計平均雹日為5天，永州的江華縣冬季近50年未出現(xiàn)冰雹。

圖3 1968-2017年湖南省年(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)、冬(e)冰雹日數(shù)空間分布圖

2.2.2 冰雹氣候趨勢的空間變化

為掌握湖南冰雹氣候趨勢的空間分布特征，對全省92個站點冰雹日數(shù)作了線性趨勢分析。分析結(jié)果表明，近50年湖南冰雹日數(shù)呈上升趨勢的站點有8個，呈減少趨勢的站點有83個，維持趨勢不變的站點有1個。所有呈上升趨勢的站點其回歸系數(shù)均未通過顯著性檢驗；呈減少趨勢的站點中，通過0.05和0.10顯著性水平檢驗的站點分別有12個和9個?？梢?，湖南近50年來大部分站點冰雹天氣以減少趨勢為主。

由湖南省各年冰雹日數(shù)線性趨勢的空間分布(圖4)可見，呈減少趨勢的站點主要分布在湘北和湘中地區(qū)，低值中心主要位于28°—29°N一帶，平均下降趨勢為0.45 天/10a；湘南地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣的氣候變化趨勢不顯著。

圖4 湖南省各年冰雹日數(shù)線性趨勢的空間分布

2.2.3 冰雹日數(shù)主要模態(tài)

為進一步了解湖南省冰雹空間分布主要模態(tài)及其變化趨勢，對湖南92個地面觀測站的逐年冰雹日數(shù)資料進行主成分分析，得到第一特征量方差貢獻率約33%，前6個特征量的累積方差貢獻率超過60%，前14個特征量累積方差貢獻率為81.62%。本文僅選擇占比較大的前3個模態(tài)(48.12%)進行時空特征分析(圖5)。

第一模態(tài)(圖5a1)方差貢獻率為33%，全省空間向量場呈整體正值一致性，可見冰雹雖然是中尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)物，但大尺度天氣環(huán)流系統(tǒng)是引發(fā)湖南全省性冰雹天氣的主要原因之一。高空冷槽自西向東、自北向南影響湖南，配合西南暖濕氣流產(chǎn)生冰雹天氣，此型為“全省一致型”；且高值區(qū)主要分布在湘西北的山地地區(qū)，與前面分析的統(tǒng)計結(jié)果一致，說明大尺度環(huán)流系統(tǒng)引發(fā)的冰雹天氣受地形影響顯著。從對應的時間系數(shù)(圖5b1)來看，湖南冰雹天氣近50年來呈顯著減少特點，自20世紀90年代初期以來減少最為明顯，1988年和1992年湖南出現(xiàn)的冰雹日數(shù)較常年均值偏多。

第二模態(tài)(圖5a2)方差貢獻率為8.33%，在湘西北山地和湘南部分高海拔地區(qū)呈一致負值，負值中心位于湘西北高海拔地區(qū)，正值中心位于洞庭湖流域一帶，這種分布特點與湖南東、南、西3個方向被山地環(huán)繞，中部以丘陵為主，北部平原、湖泊展布，形成朝東北開口的不對稱馬蹄形盆地結(jié)構地形特點有關。冷空氣易從東北部侵入湖南省，與西南暖濕氣流配合，引發(fā)冰雹天氣，此型被稱為“地勢主導型”。結(jié)合時間系數(shù)PC2來看，20世紀90年代前，時間系數(shù)(圖5b2)以正值為主，表明湖南省東部、中部冰雹日數(shù)較常年均值偏多，而西部的較常年均值偏少；90年代至今，時間系數(shù)以負值為主，表明湖南省東部、中部冰雹日數(shù)較常年均值偏少，西部的較常年均值偏多。

圖5 逐年冰雹日數(shù)EOF分析的前3個模態(tài)(a1—a3)和相應的時間系數(shù)(b1—b3)

第三模態(tài)(圖5a3)方差貢獻率為6.79%，以湖南西北—東南沿線作分界，以東主要呈現(xiàn)正值一致性(株洲中北部除外)，以西呈負值一致性(西部、中部局部除外)，這種分布與季風、局地環(huán)流變化造成的動力不穩(wěn)定引發(fā)冰雹天氣有關。此型為“南北呼應型”。時間系數(shù)(圖5b3)呈正—負—正變化。20世紀80年代初以前基本為正值，80年代中期到21世紀初以負值為主，21世紀初到2010年又轉(zhuǎn)為正值，2010年至今基本為負，初步呈現(xiàn)兩個周期的變化，且近20年波動幅度明顯小于前30年的，說明在此模態(tài)控制下，冰雹出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)較明顯的年代際振蕩規(guī)律，但近20年來湖南省出現(xiàn)冰雹次數(shù)較前30年的明顯減少。

3 結(jié)論與討論

本文通過對近50年的湖南省冰雹天氣發(fā)生分布情況進行統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

(1)近50年湖南冰雹存在明顯的年際和月際變化特征。湖南近50年冰雹天氣年際變化下降趨勢顯著，近20年來有記錄的冰雹天氣發(fā)生頻率明顯降低；春季和冬季冰雹日數(shù)總變化趨勢與年變化趨勢類似；夏季和秋季雹日減少趨勢不顯著。初次降雹的時間都集中在1—3月，1月是初次降雹站點最多的月份。湖南冰雹最早發(fā)生在湘西、湘西北地區(qū)，向東、向南初雹日逐漸后延。湖南降雹月季變化顯著，一年中以3月份冰雹最多，2月的次之，從5月份起雹日驟然減少；春季是出現(xiàn)雹災天氣最多的季節(jié)，占雹災總數(shù)的56.06%，冬季的次之，夏季和秋季冰雹發(fā)生頻率分別占全年雹日總數(shù)的2.53%和0.69%。

(2)湖南年冰雹日數(shù)在年際尺度上，主要存在4～5 a的變化周期，20世紀90年代前還存在明顯的9～10 a的周期；在年代際尺度上，存在著19 a左右的主振蕩周期。各季節(jié)冰雹日數(shù)振蕩周期不一：春季主要存在4～5 a和10 a左右的振蕩周期；夏季主要存在6～7 a的變化周期，20世紀90年代中期前還存在3 a左右的周期；秋季以11 a左右和16～17 a的周期振蕩為主；冬季存在明顯的16～18 a的主振蕩周期。

(3)湖南冰雹天氣在空間分布上具有明顯的差異，呈自湘西北向湘東南遞減的規(guī)律，年冰雹日數(shù)的空間分布特征與春季、冬季冰雹分布特征相似。近50年來湘北和湘中地區(qū)冰雹天氣年際變化以下降趨勢為主，低值中心主要位于28°—29°N一帶，平均下降趨勢為0.45天/10a；湘南地區(qū)其氣候趨勢變化不明顯。

(4)湖南冰雹空間分布前3個主要模態(tài)在空間向量場上分別呈現(xiàn)為全省一致型、地勢主導型和南北呼應型；前兩個模態(tài)對應的時間系數(shù)均表現(xiàn)為顯著下降趨勢，第三模態(tài)對應時間系數(shù)呈正—負—正變化。