威寧冰雹落點時空分布特征

曹 水,李 瑋,鄒書平1，,曾 勇,楊 哲

(1.貴州省冰雹防控工程技術中心,貴州 貴陽 550081;2.貴州省大氣探測技術與保障中心,貴州 貴陽 550081; 3.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081;4.貴州省氣象災害防御技術中心,貴州 貴陽 550081)

1 引言

冰雹是由強對流天氣系統引起的一種嚴重的天氣災害，對農業、交通和人民生命財產安全等都能造成嚴重影響[1]。孫杭生等根據我國降雹日把中國冰雹分布劃分為南北兩個多雹帶[2]，南方多雹帶主要分布在海拔1～2 km的云貴高原，云貴高原冰雹帶又集中分布在云貴高原臺地和斜坡過渡帶區域內，主要位于云南東部和貴州中西部。威寧縣地處云貴高原臺地和斜坡過渡帶核心區域內，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，境內中部開闊平緩，四周低矮，峰壑交錯，平均海拔2.2 km，由于海拔高，境內冰雹災害頻發、多發，具有該區域冰雹發生、發展的典型性和代表性。

目前，國內專家學者[3-6]多從省、市等大區域范圍研究分析冰雹的時空分布特征，在雹區分布、冰雹形成機制等方面，提供了大量的技術方法和經驗，但對縣域級的冰雹時空分布特征研究較少。

本文通過ArcGIS空間插值等方法對縣域級的冰雹時空分布進行研究，期望通過研究縣域級的冰雹時空分布特征，對威寧縣防雹減災、農作物種植區域和氣象觀測設備布局規劃等方面提供一定的參考依據。

2 資料來源和數據處理方法

2.1 資料來源

本文采用威寧縣37個炮站2010—2017年降雹資料，以每個炮站觀測到的降雹作為一條降雹記錄，但是一塊冰雹云在移動過程中，沿途有多個降雹點且降雹點地理位置不同，此時降雹記錄次數根據降雹點個數來決定，算多次降雹記錄。資料內容包括降雹開始時間、降雹結束時間、降雹地點、冰雹直徑、降雹密度和受災程度。其中一條降雹記錄代表一次降雹次數。數字高程模型圖采用30 m分辨率的ASTGTM2數據。

2.2 數據處理方法

2.2.1 降雹資料處理 在處理降雹資料過程中發現，降雹記錄存在重復、記錄不全和有誤數據，其中在處理部分有誤數據時，由于時間長、跨度大不能憑記憶來進行篩選，本文采取的冰雹記錄數據處理方法為：①找到和有誤數據時間相對應的雷達基數據；②通過對雷達基數據進行雷達回波動畫處理，找出雷達回波路徑；③通過對比降雹記錄點是否在雷達回波路徑上，從而篩選出真實有效的降雹數據。本次共篩選出272條有效降雹記錄(表1)，其中冰雹成災次數是通過統計降雹資料中的農作物受災情況作為依據，如降雹次數中存在農作物受災的情況，則算為成災次數。

表1 2010—2017年威寧縣各月降雹數據Tab.1 Monthly Hail in Weining County, 2010—2017

2.2.2 炮站降雹次數處理 利用ArcGIS中數據管理功能，經過經緯度坐標轉換，對炮站進行地理坐標投影，將帶有地理坐標系的炮站與威寧縣行政區劃圖進行疊加，并將降雹次數賦值給炮站，得到威寧炮站布局及降雹次數(圖1)。

圖1 2010—2017年威寧縣炮站布局及降雹次數Fig.1 The Distribution of Weining County Artillery Station and Frequency of Hail during 2010—2017

3 冰雹落點時空分布特征

本文研究分析冰雹落點分布，通過ArcGIS軟件中的空間分析功能，根據炮站分布和降雹次數進行空間插值，以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，通過對鄰近區域的每個采樣點值平均運算獲得內插單元。

為了更直觀的顯示不同區域的降雹分布特征，將每一個炮站降雹次數按照相等間隔分類統計法分為5個類別，得到威寧縣降雹概率分布圖(圖2)。

圖2 2010—2017年威寧縣降雹概率分布Fig.2 Distribution of Hail Probability in Weining County during 2010—2017

3.1 冰雹落點空間分布

柯莉萍等[7]通過威寧縣雷達觀測資料和冰雹日數受災情況分析得出威寧冰雹主要路徑(圖3)，縣內冰雹主要出現在縣的北部、西部至西北部、南部至西南部一線。

從圖2威寧縣降雹概率分布中發現，威寧縣冰雹落點分布趨勢呈南北向分布的一條多雹帶，境內有多個區域降雹次數較多，其中雪山降雹次數多達20次，每年平均降雹次數為2.2次，得磨、兔街、云貴和牛棚次之，每年平均降雹次數為1.7～1.8次；西部至西北部降雹次數較少，平均為0.4次左右。

威寧冰雹受大氣環流和地形等因素影響，縣內冰雹分為兩種降雹類型：一類是大范圍帶狀分布性降雹：另一類是暖氣團內局地單點性降雹。

大范圍帶狀分布性降雹：環流形勢是在地面冷鋒和高空槽，切變線的前部，呈帶狀分布，由于受地形地勢的影響，常隨切變線東南移呈跳躍式的前進。

暖氣團內局地單點性降雹：地面氣溫高易形成低壓，熱力對流強烈，高空受孟加拉灣南支槽影響，無冷空氣南下等因素的影響，容易產生局地單點性降雹，此類降雹范圍較小。

威寧縣西部牛棚站降雹次數較周邊炮站降雹次數較多，根據王瑾等[8]在研究貴州冰雹分布與地形因子關系中發現，大范圍的地勢抬升及暖濕空氣的迎風坡有利于降雹，從圖3分析得知，牛棚站處于谷地和高山之間，周邊地形平緩，并且在冰雹移動路徑上的迎風坡，有利于冰雹的形成，降雹次數較周邊偏多。

在3條主要冰雹路徑中，威寧縣西部和西北部冰雹路徑上的降雹概率明顯偏低，分析威寧冰雹主要路徑(圖3)和炮站布局，發現西部至西北部的冰雹移動路徑上布置的炮站較其他區域密度大，結合周永水等[5]利用1971—2007年貴州省觀測站有記錄的實測冰雹資料，通過以10 a為周期對最近30 a的冰雹頻數研究，貴州的冰雹發生頻數呈現逐漸減少的趨勢。同時柯莉萍等[7]對威寧縣1997—2014年的降雹資料研究發現，冰雹日數呈現下降趨勢。

根據歷史降雹資料研究結論可以得知，冰雹減少與炮站布局程度存在一定的關系，炮站布局越多，冰雹降雹次數越少，所以在炮站布局密集的區域降雹次數明顯偏低，客觀上講人影作業在人工防雹中具有一定的成效。

圖3 威寧數字高程模型和冰雹主要路徑[7]Fig.3 Digital Elevation Model and Hail Main Path in Weining County

3.2 冰雹落點時間分布

本文根據威寧縣降雹數據分析，威寧降雹時間主要集中在每年的4—8月份，7月降雹次數多達94次，占總降雹次數的34.6%，平均年降雹次數為11.8次。文中涉及到的冰雹成災率是根據本月成災次數除以本月總降雹次數得到。

通過計算各月冰雹數據得到4—8月冰雹成災率(表2)，其中4月冰雹成災次數和成災率分別為12次和24%，為4—8月中降雹成災次數最少和成災率最低的月份。經分析威寧當地氣候和農作物種植時間等因素，受氣候和高海拔的影響，4月氣溫相對于同緯度低海拔地區，溫度較低，平均溫度在11.5 ℃左右，馬鈴薯、煙草等經濟作物種植時間較晚，一般在4月底開始種植，冰雹災害對易受損的農作物影響較小，導致成災率低。

表2 2010—2017年威寧縣各月降雹數據Tab.2 Monthly Hail of Weining County during 2010—2017

4 結論與討論

①研究表明：在空間分布上，由于炮站分布和地勢抬升及暖濕空氣的迎風坡等地形因素的影響，冰雹落點在空間分布上具有帶狀和局地單點性降雹的空間分布特征。

②炮站布局于降雹次數存在一定的反比關系，即炮站布局區域越密集，降雹次數越少。

③在時間上，降雹次數最多的月份發生在7月，占總降雹次數的34.6%；4月份冰雹成災次數是最少，占總成災次數中的8.7%，是由于威寧本地氣候環境和農作物種植時間等原因，導致4月份冰雹成災次數較其他月份偏少。

④構建威寧降雹概率分布圖，可以為今后的區域性農業布局和氣象觀測設備規劃提供一定的理論依據。