1961—2020年贵州冰雹气候特征

罗喜平，廖 波，张小娟，崔 蕾，罗 雄

（1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；2.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002）

引 言

冰雹是从发展强盛的积雨云中降落到地面的坚硬球状、锥形或不规则的固态降水，是一种季节性明显、局地性强，且来势凶猛、持续时间短，以机械性伤害为主的灾害性天气［1］。冰雹是我国的重要灾害性天气之一，全国各地均有发生［2］，同时，冰雹对农业、重大工程等社会生产及人民生命财产安全构成严重威胁。长期以来关于中国冰雹的气候特征取得了一些研究成果，如孔锋等［3］研究表明，1961—2016年中国年均单站冰雹日数呈明显减少趋势，空间分布上呈现高原和山区较多、平原较少的特征；但冰雹局地性强，各地冰雹气候特征差异明显，季节变化上，内陆地区如云南省大部分地区、湖南省、川西南山地、渝东南地区冰雹均主要集中在2—5月，6—8月为次多发期［4-7］，吉林省5—6月是冰雹的多发期，7—9月为次多发期［8］；而沿海地区如大连则是秋季发生冰雹的概率最高，春季次之［9］。日变化上，白天发生冰雹的概率大于夜间，尤其集中在午后到傍晚时段［6，8-11］，具体表现为北京地区、吉林省在午后到傍晚前后［8，10］，山西省在傍晚前［11］，川西南山地在傍晚后［6］，而大连则是在中午前后［9］，但也有个别地区冰雹主要发生在夜间，如中国天眼所在地的贵州省平塘县，夜间降雹频率为63.9%［12］。

受冷暖气流频繁交汇和局地气候以及地形地貌影响，冰雹是贵州春季主要的灾害性天气之一［13］，国内学者围绕贵州典型冰雹个例的天气成因［13-15］及贵州冰雹云的雷达［16］、卫星［17］特征及冰雹过程的闪电活动特征［18］开展了系列研究，为冰雹的监测预警预报提供了理论支撑和科学依据。但对贵州省冰雹的气候特征少有涉及，仅周永水等［19］利用贵州省1971—2007年观测站有记录的实测冰雹资料，研究了冰雹时空分布特征，表明贵州省冰雹主要分布在中部以西地区，季节及日变化与全国大部分地区相似，春季冰雹最多，冰雹主要发生在午后到傍晚；但此研究仅基于2007年之前的历史资料，气候变化对贵州各地年、月、日的冰雹特征有什么影响？各地冰雹的月频率、日频率、冰雹直径、首末次降雹出现时间等，是合理安排每年出炮撤炮时间、弹药分配、重点防雹时段等人工防雹作业的重要依据，对于贵州开展防雹减灾工作意义重大。

本文利用贵州省84个国家级气象观测站（简称“观测站”）1961—2020年逐日冰雹资料，重点对人工防雹工作所关注的冰雹气候特征进行全面分析，并提出相应的人工防雹对策，旨在为今后优化作业点布局及提高人工防雹的有效性和科学性提供参考，同时可为贵州威宁建立国家级冰雹防控外场试验基地提供冰雹气候背景基础。

1 资料和方法

所用降雹资料为1961—2020年贵州省84 个观测站（图1）的逐日冰雹资料，进行时空分布特征分析；另外选取白天、夜间均有冰雹详细记录的19 个观测站（威宁、盘县、桐梓、习水、遵义、湄潭、思南、铜仁、黔西、安顺、贵阳、凯里、都匀、三穗、兴仁、望谟、罗甸、独山、榕江）进行日变化、冰雹直径、一次降雹持续时间等分析。

图1 贵州省地理分区及84个观测站分布Fig.1 Geographical division of Guizhou Province and distribution of 84 meteorological observation stations

规定某观测站一日（20：00—20：00，北京时，下同）中有一次或多次降雹现象则记录该站为1 个冰雹站次，一日内全省冰雹站次Nh≥1站次定为一个冰雹日；一日内冰雹站次Nh≥10 站次的过程称为区域性冰雹天气过程，其中，Nh≥20 站次称为大范围区域性降雹天气过程；Nh≥3 站次的过程称为系统性冰雹天气、Nh＜3站次的过程为局地性冰雹天气。

根据冰雹等级国家标准［20］，用D表示冰雹直径，当D＜5 mm 时为小冰雹、5 mm≤D＜20 mm 时为中冰雹、20 mm≤D＜50 mm 时为大冰雹、D≥50 mm时为特大冰雹。

季节划分：春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月至次年2月。

文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS（2017） 3320号的标准地图制作，底图无修改。

2 冰雹日数时空变化

2.1 空间分布

图2为1961—2020年贵州年平均冰雹日数空间分布。可以看出，年平均冰雹日数最多在黔西南州的晴隆县，达2.9 d，其次是六盘水市水城县为2.7 d，而最少在遵义市的赤水市，仅0.2 d；全省呈现西多东少、中部多南北少的特征，与贵州“西高东低、中部高南北低”特殊地形一致，海拔高处地形起伏大、植被分布不均，下垫面白天升温剧烈，有利于对流的发生发展，易产生降雹天气。

图2 1961—2020年贵州省年平均冰雹日数空间分布（单位：d）Fig.2 The spatial distribution of annual average hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020 （Unit：d）

贵州84 个观测站年平均冰雹日数与海拔高度呈显著正相关，相关系数为0.78，且通过α=0.001的显著性检验，说明海拔越高，降雹越多，从贵州84个观测站海拔高度与年平均冰雹日数对应图（图3）也可明显看出此规律。从动力学的角度分析，山的高度增加，气流强迫抬升增强，水汽辐合也加强，有利于冰雹的形成。

图3 贵州省观测站海拔高度与年平均冰雹日数（站点序号随海拔高度的降低而增大）Fig.3 The altitude of surface meteorological observation stations and the annual average hail days in Guizhou Province（The serial number of stations increase with decreasing altitude）

图4为贵州省1961—2020年四个季节平均冰雹日数空间分布。可以看出，贵州冰雹空间分布存在明显的季节差异，贵州省大部分地区冰雹集中在春季，其次是冬季，夏秋两季全省冰雹日数相对较少，与川西南山地、渝东南、吉林等内陆地区［6-8］冰雹的多发期在春季和夏季有差异。春季、夏季、秋季多冰雹区均出现在贵州西部地区，但冬季多冰雹区分布与其他季节有较大差异，主要分布在中部及其以南地区。春季平均冰雹日数空间分布与年平均冰雹日数空间分布（图2）类似，即西多东少、中部多南北少的特征，冰雹日数最多的依然是西部地区，为1.0～1.9 d，以晴隆县1.9 d 为最多，而北部的赤水市最少，仅0.1 d；夏季贵州西部也是多雹区，日数为0.1～0.4 d，中东部大部分地区日数在0.1 d 以下，而南部、东部、北部部分地区为无雹区；秋季平均冰雹日数空间分布与夏季类似，只是比夏季更低，多雹区仍然在贵州西部，多雹中心向西北收缩，威宁县的0.4 d 为最多，而无雹区范围较夏季大；冬季与其余三个季节的差异最大，全省除西北部的赤水市无雹外，其余均可出现冰雹天气，多雹区主要分布在中部及其以南地区，以铜仁市万山特区的0.7 d最大。

图4 贵州省1961—2020年四个季节平均冰雹日数空间分布（单位：d）（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig.4 Spatial distribution of average hail days in four seasons in Guizhou Province from 1961 to 2020 （Unit：d）（a） spring，（b） summer，（c） autumn，（d） winter

区域性冰雹天气过程以块状分布为主。近60 a全省区域性冰雹天气过程有63次，绘制了这63次过程的降雹空间分布（图略），降雹的空间分布有块状分布、带状分布、零星站点分布，其中以块状分布为多见。区域性冰雹天气过程，雹带时宽时窄，偶尔也会出现不连续分布的现象，查看近10 a 区域性冰雹天气过程的雷达回波演变，降雹的分布与冰雹云的空间尺寸、强度、形态及雹云单体个数息息相关。

2.2 时间变化

2.2.1 年际及年代际变化

图5为1961—2020年贵州省冰雹日数的年际变化。可以看出，近60 a累计冰雹日数共计2146 d，平均每年35.8 d，贵州省冰雹日数的年际波动较大，多发年和少发年交替出现，1982年出现历史极大值59 d，1999、2010、2012年出现历史最小值仅14 d。近60 a 贵州冰雹日数呈减少趋势，每10 a 减少3.645 d，且通过α=0.01 的显著性检验，与湖南、川西南山地、大连、山西［5-6，9，11］等地区减少趋势一致。贵州冰雹日数在1960—1980年代维持在较高水平（年平均冰雹日数大于等于40.0 d），1990年代以后呈明显下降趋势，但2020年却异常增加达48.0 d。在年代际变化上，贵州各年代冰雹日数从大到小依次是1970年代、1960年代、1980年代、1990年代、2000年代、2010年代，分别为43.0、42.4、40.2、32.5、29.7、26.8 d。查看近60 a 2146个冰雹日的降雹站次，发生大范围区域性降雹天气过程有6次，有3次均出现在近15 a，分别是2007年3月17日（30站次）、2009年3月1日（22站次）、2013年3月23日（21站次），说明在贵州年冰雹日数呈明显减少趋势的背景下，冰雹天气的影响范围有增大趋势。

图5 1961—2020年贵州省冰雹日数的年际变化Fig.5 Inter-annual variation of hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020

图6为近60 a 贵州省年冰雹日数气候趋势变化率空间分布，全省仅8 个观测站为正值，其余76 个观测站均为负值。可见，贵州冰雹日数变化总体呈减少趋势，其中铜仁市万山特区减少趋势最为显著，每10 a减少0.786 d，其次是黔西南州晴隆县、毕节市大方县每10 a分别减少0.543、0.533 d，而冰雹日数呈上升趋势的8 个观测站，均未通过α=0.1 的显著性检验。

图6 1961—2020年贵州省冰雹日数气候倾向率［单位：d·（10 a）-1］Fig.6 The climate tendency rate of hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020 （Unit：d·（10 a）-1）

2.2.2 月际变化

按照贵州省地理区划①贵州省科技与预报处贵州省气象预报用语地理区划.黔气预函〔2020〕18号.，将贵州分为5 个子区域，分别为东北部、西北部、中部、西南部、东南部（图1）。图7为1961—2020年贵州省及各子区域冰雹日数百分比月际分布。就全省而言，冰雹日数主要集中在2—5月，2—5月冰雹日数占全年总冰雹日数的85.0%，尤以4月为最盛；9月及12月最少，两个月共占1.5%。中部、东南部、西南部冰雹日数的月际变化均呈单峰型分布，冰雹日数集中月份与全省一致，即在2—5月，均占全年冰雹日数的80.0%以上，其中西南部和中部以4月居多、东南部则以3月居多。东北部冰雹日数的季节变化呈双峰型分布，2—4月为冰雹多发期，3个月的总冰雹日数占全年冰雹日数的71.0%，3月为主波峰，5—8月减少，9—10月无冰雹出现，11—12月又有所增加，12月为次波峰；西北部冰雹日数分布情况与省内其余地区差异较大，冬季冰雹日数仅1 d，春季冰雹日数最多，夏季与秋季冰雹日数相当，3—6月冰雹日数最多，占69.0%，但相比其他地区而言，3月的冰雹日数明显偏少，4—5月冰雹日数最多，7月明显减少，8—11月冰雹日数为一年中又一个集中时段，占比29.0%，冰雹日数的季节变化也呈双峰型分布，5月为主波峰、10月为次波峰。

图7 1961—2020年贵州省及5个子区域冰雹日数百分比月际分布Fig.7 Monthly distribution of percentage of hail days in Guizhou Province and five sub regions from 1961 to 2020

2.2.3 日变化

图8为1961—2020年贵州降雹频率日变化。贵州19 个观测站共出现1756 次降雹，平均到一天中每小时出现73.2 次降雹，全天降雹呈现单峰形态，13：00 开始陡然增加，18：00—19：00 达到峰值（11.5%），为降雹频率最大时段，之后降雹频率逐步下降至07：00—08：00 的0.5%，05：00—13：00 降雹频率均少于1.0%。出现在白天（08：00—20：00）的降雹频率略大于夜间（20：00至次日08：00），其中降雹主要集中在14：00至次日02：00，该时段冰雹记录共1500 次，占总次数的85.4%，贵州的日降雹特征与刘晓璐等［6］分析的川西南山地冰雹的日变化特征一致，午后由于太阳辐射加强，气温升高、气压下降，近地层大气容易产生热力不稳定，出现中小尺度的强对流天气，发生降雹天气，而午夜至早晨大气层结稳定，不易发生对流，说明热力条件是冰雹发生的重要因素。

图8 1961—2020年贵州降雹频率日变化Fig.8 Diurnal variation of hail frequency in Guizhou from 1961 to 2020

但是降雹的日变化存在地域差异，从单个观测站的降雹频率日变化（图略）分析，贵州西部地区降雹主要发生在白天，而中东部地区降雹主要发生在夜间，自西北向东南降雹发生在白天的频率逐步降低。本文以西北部的威宁及东南部的榕江为例进行对比分析，威宁降雹出现在白天的频率为85.6%，主要集中在13：00—20：00，而夜间降雹频率为14.4%，其中01：00—11：00 降雹频率仅占2.4%；东南部的榕江全天除10：00—11：00 没有出现过冰雹外，其余时段均有冰雹发生，但夜间降雹的频率达72.0%，以20：00—22：00 出现的降雹频率最高为24.4%，日变化相比西北部的威宁降雹集中程度相对分散，呈多峰型分布，峰值分别出现在20：00—22：00、02：00—04：00、17：00—18：00，频率依次为24.4%、14.6%、6.1%。降雹日变化的地区差异与影响贵州的冰雹路径有关系，贵州属于西风带系统，大部分冰雹云的移动路径自西向东移动，因此一天中西部地区降雹往往早于东部，加强西部地区的冰雹云监测及移动路径研判，同时掌握各地的日变化特征和降雹峰值时间，对人工防雹具有重要意义。

3 冰雹特征

3.1 对流性特征

分别统计近60 a 局地性和系统性冰雹天气日数，近60 a 贵州共2146 个冰雹日中，系统性冰雹天气有689 个，占全部冰雹日的32.1%，局地性冰雹天气共有1457 个，占67.9%，这与黄艳等［21］得出的新疆喀什地区局地性冰雹天气明显多于系统性冰雹天气的结论吻合。局地性和系统性冰雹天气日数两者呈显著正相关，相关系数达0.48，即局地性冰雹天气多的年份系统性冰雹天气也较多（图9）。系统性冰雹天气的产生是在一定大尺度天气形势下发生发展的，往往造成较大面积的严重灾害；而局地性冰雹天气是在中小尺度扰动下，由于地形抬升，产生热对流形成的，贵州局地性冰雹天气多于系统性冰雹天气，而局地性冰雹天气预报难度大，人工防雹作业的准备时间往往不够，导致人工防雹的难度比平原省份大。

图9 1961—2020年贵州局地与系统性冰雹日数年际分布Fig.9 The inter-annual distribution of local hail and systematic hail days in Guizhou Province from 1961 to 2020

3.2 首次、末次冰雹出现时间

绘制近60 a贵州首次及末次冰雹平均出现时间（图10），从首次冰雹平均时间可知，贵州首次出现冰雹的时间自东向西推进，最早是黔东南州锦屏县2月下旬开始，最晚是毕节市威宁县5月中旬，首次冰雹的平均时间除遵义市大部、毕节市大部、铜仁市局地在4月上旬及之后外，贵州其余大部分地区在2月下旬至3月下旬；而末次冰雹平均出现时间自东向西依次结束，东部地区末次冰雹为3月下旬，西部地区在5月中旬至7月下旬才依次结束，其余地区在4月上旬至5月上旬之间，黔东南州黎平县3月21日结束最早，毕节市威宁县7月24日最晚结束，即东部地区冰雹开始早结束也早、西部地区开始晚结束也晚。分析平均持续时间，西部地区长达2 个多月，而东部地区不足1 个月，这也是贵州年冰雹日数西部多于东部的原因，贵州西部地区全年的防雹任务相对更重。

图10 1961—2020年贵州省首次（a）及末次（b）冰雹平均出现时间空间分布Fig.10 The spatial distribution of the average appearance time of the first （a） and last （b） hail in Guizhou Province from 1961 to 2020

3.3 冰雹直径

从收集到691 条冰雹直径记录，按照冰雹等级［20］绘制全省19 个观测站冰雹直径降雹频率分布［图11（a）］，可以看出中冰雹频率最大，为68.9%，其次是小冰雹，频率为17.8%，再次是大冰雹，出现特大冰雹的频率仅1.9%，共13 条记录，历史最大冰雹直径为86 mm，出现在1983年5月18日18：52—19：07六盘水盘州市。详细分析13次特大冰雹出现时间均在17：00—22：00，日落以后，地面开始失去热源，地表温度下降比大气快，此时大气温度一般高于地表温度，地表吸收大气里的热量，大气释放潜热，空气抬升水汽相变，对流加剧，同时空气中由于气温下降，饱和水汽压下降，水汽析出液态水增加，大冰雹的形成更加容易。

分析不同尺度冰雹出现次数［图11（b）］，每个月均是中冰雹出现的次数最多，大冰雹在1—6月、8月、11月均有出现，尤其集中在3—5月，而特大冰雹一年中只有4—5月及11月出现过，其中以4月最多（7 次），其次是5月（5 次），可见大冰雹以上的降雹主要出现在3—5月，此时正是贵州多雹季节，水汽条件充沛、冷暖空气交汇上升运动强、适宜的0 ℃、-20 ℃层高度等均是贵州春季大冰雹的主要原因。

图11 1961—2020年贵州19个观测站不同尺度冰雹的发生频率（a）及发生次数的月际分布（b）Fig.11 Occurrence frequency （a） and monthly distribution of occurrence times（b） of hail with different diameter at 19 national meteorological observation stations in Guizhou from 1961 to 2020

3.4 一次冰雹的持续时间

根据贵州19 个观测站每一次降雹的开始和结束时间，计算冰雹持续时间，统计冰雹持续时间频率分布（图12），全省冰雹平均持续时间为7.9 min，最短的降雹持续时间不足1.0 min，最长的达3 h 以上，降雹的持续时间主要集中在10 min 以内（频率为80.1%），超半数冰雹持续时间未超过5 min（频率为59.0%），其中持续时间在2 min 的频率最大为14.0%，持续时间超过7 min 的降雹频率均小于5.0%。冰雹最长持续时间各观测站差异比较大，从9 min（罗甸）到187 min（铜仁）不等，68.4%的观测站最长持续时间在60 min 以内，铜仁1979年1月10日出现了187 min持续降雹，为历史极值。

图12 1961—2020年贵州省一次冰雹持续时间频率分布Fig.12 Frequency distribution of duration of a hail in Guizhou Province from 1961 to 2020

4 结论与讨论

本文通过对气候变暖的背景下贵州1961—2020年冰雹资料开展贵州各地冰雹的新特征研究，得出如下结论：

（1）贵州近60 a年平均降雹日数空间分布不均，有明显的地域差异，呈现西多东少、中部多南北少的特征，降雹日数与海拔高度呈显著正相关。

（2）贵州平均每年冰雹日数为35.8 d，近60 a呈显著减少趋势，84 个观测站冰雹日数变化以减少趋势为主，但降雹影响范围有增大趋势。

（3）贵州冰雹有明显的季节性，雹日集中于2—5月，占全年雹日的85.0%，贵州西北部地区与省内其余地区差异大，全年呈双峰型分布，4—5月雹日最集中，8—11月雹日为次集中时段。

（4）雹日中降雹时刻多出现在14：00 至次日02：00，但存在地域差异，贵州西部地区降雹主要发生在白天，而中东部地区降雹主要发生在夜间，全省自西北向东南降雹发生在白天的频率逐渐降低。

（5）贵州2146 个冰雹日中局地性冰雹天气占全部冰雹日的67.9%，远远多于系统性冰雹天气；贵州平均首次冰雹出现时间自东向西推进，而末次冰雹是自东向西依次结束，平均持续时间西部地区长达2个多月，而东部地区不足1个月。

（6）贵州冰雹直径最小不足1 mm，最大可达86 mm，以中冰雹出现的频率最大，达68.9%，大冰雹及特大冰雹主要出现在3—5月；降雹持续时间主要集中在10 min以内（频率达80.1%）。

以上结论对科学合理安排人工防雹工作非常重要，西部及中部高海拔地区是贵州防雹工作的重点地区，可增加防雹作业点；每年2—5月是人工防雹的重点月份，但各地冰雹的月际及季节分布存在明显地域差异，各地冰雹防御重点时间需根据本地的月际及季节分布做合理调整；一天中14：00 至次日02：00 是防雹任务最关键的时段，需提前做好防雹的准备工作，但各地降雹的日变化存在差异，除掌握本站的日变化特征外，需重点关注本站上游地区冰雹云的发展；建议贵州出炮时间从2月下旬到5月中旬自东向西先后出炮，而撤炮时间从3月下旬到7月下旬自东向西依次撤炮，当然每年出撤炮时间还需结合增雨抗旱需求及冰雹、干旱的短期气候预测结论，做适当的调整。