云南省精細化冰雹災害危險性區劃分析*

尹麗云,梅 寒，張騰飛，劉雪濤， 金文杰，許彥艷

(1.橫斷山區(低緯高原)災害性天氣研究中心，云南 昆明 650034；2. 云南省人工影響天氣中心，云南 昆明 650034；3.云南省迪慶州氣象局,云南 迪慶 674400；4.云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

云南位于中國西南部橫斷山南側，是典型低緯高原山地，地勢從西北向東南階梯遞降，海拔高差異常懸殊，最高海拔西北部的梅里雪山卡格博峰，海拔6 740 m，最低海拔南部哀牢山東側紅河河谷和元江河谷，海拔僅有76.4 m，最大海拔高差可達6 663 m，地形復雜，梯度變化大。云南是全國冰雹災害高發區之一，每年冰雹災害造成的直接經濟損失約10億元，占氣象災害損失的15%[1],是影響云南高原特色農業的第一大氣象災害。段瑋[2]、楊家康[3]、陶云[4]等從氣候特征角度分析了云南冰雹的時空分布特征，李英[5]、張秀年[6]分析了云南冰雹的大氣環境背景和物理量特征，尹麗云[7]、張騰飛[8]、段鶴[9]、李湘[10]、XIE[11]等側重于冰雹活動過程的雷達回波、閃電和衛星云圖特征等的演變過程。上述研究中使用的冰雹資料，均采用125個氣象觀測站的冰雹觀測資料，站點少加上冰雹多發生在遠離城市的鄉村山地，冰雹記錄嚴重缺失，造成所得結論不具有代表性。

冰雹是粒子在強對流上升氣流中0℃層附近不斷循環增長形成的固態降水粒子，冰雹的形成主要受大尺度天氣系統、不穩定環境條件和強烈的上升氣流影響，局地地形的動力抬升和熱力條件也是造成冰雹強對流的重要影響因子之一，在一定的溫濕條件下，不斷上升的海拔和較大的坡度能促進對流云內上升氣流的發展，不斷加強云內的動力抬升作用，使得云內冰雹粒子不斷循環增長形成大冰雹[12-16]。王瑾[17]研究發現地形高程是影響貴州省降雹分布的最主要地形影響因子，鄭颯颯[18]研究發現海拔、經度、地形起伏度及西北偏西坡向等地形因子是四川省冰雹分布的主要影響因子，祝青林[19]基于GIS的大連地形高程、坡度、切割深度等地形因子與冰雹分布的相關分析，得出海拔高度、偏西坡向和地形切割深度3個地形因子是影響大連地區冰雹活動的主要地形因子。云南由于地形地貌特殊，冰雹活動一方面跟天氣尺度系統關系密切，另一方面跟海拔、坡度等地形因子有密切關系。海拔高度相同的地區，地形起伏度、切割深度、坡度不同導致冰雹發生的頻率也有較大差別。

作為9大氣象災害風險評估的其中一個氣象災害，開展冰雹災害危險性評估，形成冰雹災害危險性區劃，能全面了解云南冰雹災害發生的主要影響因子，摸清冰雹災害的危險性區域分布，對提高冰雹強對流預警的準確率、云南高原特色農業種植產業結構調整、人工防雹作業點布局規劃具有重要指導作用。

本文基于ASTER GDEM 30 s分辨率數字高程數據(1∶250 000)，使用云南省2009—2021年966個作業點和125個氣象觀測站收集的冰雹資料，利用Pearson相關分析、非線性回歸統計等方法，研究了云南冰雹災害頻數與海拔高度、地形坡度、坡向、地形切割深度和經緯度的相關關系。通過高斯函數擬合建立云南冰雹頻數與地形因子的模型方程，形成云南冰雹危險區劃圖并開展云南冰雹災害危險性評估。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用2009—2021年云南省966個防雹作業點和125個觀測站收集到的3 001條冰雹記錄，包含具體降雹受災地點(冰雹落點鄉、鎮或街道、村的經緯度)、發生時間(精確到時、分)、持續時間、受災面積、經濟損失等詳細記錄。由于冰雹為局地短時氣象災害，每次冰雹過程的影響范圍小，突發性強，氣象觀測站由于站點和觀測手段限制(目前無人工觀測記錄)，造成較多冰雹災害漏報。云南省人工影響天氣作業信息上報系統從2009年開始收集整理全省966個人工防雹作業點和125個氣象觀測站收集的冰雹記錄，人工防雹作業點主要分布在遠離城鎮的農田山地(圖1a)，可作為氣象觀測站冰雹過程記錄的最有效補充，利用人工防雹作業點和氣象觀測站的冰雹資料分析得出的云南冰雹活動特征(圖1b)能更客觀詳細反映云南冰雹活動地形高程、地形褶皺度、起伏度、強對流系統來向均有密切關系。

1.2 冰雹資料處理

本文收集的冰雹數據為文本記錄，使用ArcGIS軟件將所有冰雹數據投影到Xian 1980 3 Degree GK Zone 35坐標下，形成冰雹數據矢量文件的屬性數據，然后將冰雹信息疊加到地形數據表形成冰雹字段，生成網格化冰雹矢量文件屬性數據層。做統計分析和回歸分析時，樣本需要服從正態分布或近似正態分布，利用SPSS制作以縣為最小行政單元的冰雹頻數概率PP圖，結果顯示，以125個站點統計的冰雹頻數符合正態分布(圖2a)，樣本點分布在對角線上下兩側，基本呈線性分布，表明冰雹頻數樣本期望累積概率與實際累積頻率基本吻合。殘差基本均勻分布在y=0線上下(圖2b)，大部分殘差絕對值小于0.1，表明樣本正態性較好。

圖1 云南省人工防雹作業點、氣象觀測站和海拔分布和冰雹頻數空間分布(審圖號：GS(2019)2883號,底圖無修改，下同)

圖2 云南省冰雹頻數期望累積概率與實際累積概率、殘差分布圖

1.3 地形因子信息提取

根據1∶250 000全國DEM資料提取云南省區域數字地形圖，投影到Xian 1980 3 Degree GK Zone 35坐標(本文中所有圖像均投影到此坐標)。在DEM基礎上利用GIS平臺直接提取經緯度、海拔信息[20-21]。坡度、坡向、地形起伏度和地形切割深度等微觀地形因子的計算方法如下:

1.3.1 坡度和坡向

地表面任一點的坡度是指過該點的切平面與水平地面的夾角，坡度表示了地表面在該點的傾斜程度。坡度計算采用簡化差分公式，計算公式為:

(1)

式中：S1是地形坡度(°),fx是水平方向海拔高度變化率，fy是垂直方向海拔高度變化率。

坡向是地表面上任意一點切平面的法線矢量在水平面的投影與過該點正北方向的夾角，計算公式為:

(2)

本文中規定正北方為0°，順時針將360°分為8個坡向，0°～45°為N-NE坡向，46°～90°為NE-E，91°～135°為E-SE，136°～180°為SE-S，181°～225°為S-SW，226°～270°為W-SW，271°～315°為W-NW，316°～360°為N-NW。

1.3.2 地形切割深度

地形切割深度是指某點鄰域范圍內平均海拔高度與該鄰域范圍內最低海拔高度的差值，公式為:

DHm=Hmax-Hmin。

(3)

地形切割深度是描述一個區域地形特征的宏觀性指標[22]。地形切割深度因子主要反映地形表面較大區域內地形的宏觀特征和地表切割情況。本文在分析地形因子時，分析窗口采用30 m×30 m大小的矩形窗口，領域范圍為圍繞該矩形窗口的8個矩形窗口，即90 m×90 m范圍內平均海拔高度與最低海拔高度的差值為該點地形切割深度。

2 云南省冰雹分布與地形因子關系

2.1 冰雹頻數與地形高程的關系

對冰雹頻數和對應的地形高程進行Pearson相關分析，結果顯示云南冰雹頻數與地形高程相關性達0.74，經統計檢驗P=0.02<0.05，具有顯著統計學意義，表明冰雹活動與海拔相關性顯著，可見海拔高度的變化是造成云南冰雹活動差異的主要影響因子之一。

為進一步研究海拔高度變化與冰雹頻數的分布，本文以50 m為統計單元，統計了海拔高度與冰雹頻數的散點圖(圖3)，由圖3可見云南冰雹頻數隨地形海拔增加呈先增加后減小的變化特征，海拔<800 m以下區域，冰雹頻數較少且隨海拔變化不明顯，海拔高度>800 m以上的區域冰雹頻數緩慢增加，海拔高度增加到1 650 m以上冰雹頻數顯著增加，其中海拔高度在1 950～2 000 m區域的冰雹頻數達到峰值，隨后線性減少，海拔高度>2 400 m的區域，冰雹頻數隨海拔變化幅度減小，海拔高度>3 000 m以上區域較少出現冰雹活動。這一現象揭示了云南不同海拔高度區域冰雹頻數變化的差異性。王瑾[17]對貴州降雹日與地形高程的研究發現，地形高程在200～2 000 m之間，降雹日隨地形高程增加表現為增加特征，與云南低海拔(<2 100 m)區域冰雹頻數的變化趨勢基本一致。結合冰雹強對流形成的動力條件分析，地形抬升的強迫作用造成上升氣流明顯，強對流內輻合增強，水平和垂直渦旋顯著增加，由低層輸送到高層過冷水區的水汽增多，有利于凝結核在“穴道”內循環長成冰雹[23]，海拔高度小，地形抬升作用不明顯，上升氣流的抬升動力作用尚未將低層水汽輸送到高層“穴道”循環增長就因地形下降引起的氣流下沉增加，切斷或阻礙氣流的上升，不利于強對流的發生發展，而過高的地形海拔則使得垂直方向氣壓梯度力變小，上升氣流明顯減弱，不利于云內粒子的循環增長，出現冰雹的概率較小。

圖3 云南省海拔高度與冰雹頻數散點圖、擬合曲線

對網格化的云南冰雹頻數和地形海拔高度數據，利用高斯擬合和迭代算法(迭代22次)，建立冰雹頻數與地形高程的擬合曲線方程

(4)

式中：X1為冰雹頻數，X0=9.48，w1=484，x為地形海拔，xc=1 870，擬合曲線方差結果分析如表1，方程通過0.05置信度F檢驗。

表1 云南省冰雹頻數與海拔高度的高斯擬合統計和方差分析

圖4 云南省地形坡度、地形切割深度、分級坡度與冰雹頻數、分級切割深度與冰雹頻數變化特征

2.2 冰雹頻數與地形坡度和切割深度的關系

地形對氣流的抬升和強對流發展具有促進作用，本文以DEM數據30 s為單位對冰雹過程的坡度和地形切割深度做統計。圖4a、圖4b為云南省地形坡度和地形切割深度分布圖，可見以哀牢山脈和橫斷山脈為界，云南地形分為東西兩側，東側滇中、滇東和滇南為海拔、坡度變化均較小的盆地丘陵地帶，西側滇西、滇西南為海拔較高但地形坡度較小區域，與地形切割深度較小地區對應較好，哀牢山、橫斷山脈一線則為高海拔、大坡度和較大地形割切深度的高山峽谷地形。通過對3 001次冰雹出現點對應的地形坡度和地形切割深度做Pearson相關分析，發現地形坡度和地形切割深度具有較好相關性，相關系數0.97，通過置信度0.01的顯著性檢驗。

分別對冰雹頻數與分級地形坡度、地形切割深度進行統計分析(圖4c、4d)，發現云南冰雹活動隨坡度呈先增后減變化特征，冰雹主要出現在0°～30°坡度范圍，其中0°～5°坡度范圍內的冰雹活動最為活躍，13年里共出現冰雹1 193次，占總冰雹次數的39.8%，3°～4°坡度區域內冰雹出現次數占總次數的9.2%，>30°坡度區域出現冰雹次數僅為2%，冰雹活動隨分級地形切割深度的變化特征與分級坡度變化特征基本一致，可見，云南冰雹過程多出現在坡度和地形切割深度較小、地形較為緩和的丘陵、壩子和小盆地。結合云南冰雹強對流活動的天氣形勢[1]，春季云南冰雹強對流活動的天氣系統主要為南支槽，自東向西移動過程中受高海拔、小坡度和弱地形切割深度影響，上升氣流在不斷抬升過程中加強，出現冰雹的概率較大，西部海拔相對較高但地勢相對平緩的德宏州、保山市為春季冰雹活動高發區，強對流自西向東移至哀牢山西側后隨著海拔、地形坡度、地形切割深度急劇增加，垂直氣壓梯度力減小，不利于云內粒子增長，哀牢山沿線冰雹活動概率明顯減小。強對流翻越哀牢山后則繼續向東南方向移動，途經區域地形海拔高度和坡度、地形切割深度變化明顯減小，多以丘陵、盆地為主，如果此階段低層有冷空氣南下入侵，強對流將得到明顯加強，會在玉溪市南部、紅河州和文山州出現降雹過程，降雹后強對流沿偏東路徑或偏南路徑移動過程中海拔高度不斷降低，強對流減弱消失。夏季云南冰雹強對流活動的主要影響氣系統為冷鋒切變和輻合區，強對流常在冷暖空氣交匯的云南中東部坡度<10°、地形切割深度<10 m、地形海拔高度變化較小區域生成，沿切變線或輻合線前側向西或向南移動并不斷發展，在坡度和地形切割深度較小的曲靖市、昆明市和昭通市南部出現降雹過程。

同樣利用高斯擬合和迭代算法，建立冰雹頻數與地形坡度、地形切割深度擬合曲線方程:

(5)

(6)

式中:X2、X3均為冰雹頻數，x2=6，w2=4.5,s為地形坡度，sc=5.7,x3=5.4,w3=2,q為地形切割深度，qc=4.5,擬合曲線方程均通過0.05置信度F檢驗。

2.3 冰雹頻數與地形坡向的關系

在局地范圍內，坡向對強對流中氣流的抬升作用十分有限，且坡向對氣流的抬升作用與強對流的移動路徑有較大關系。本文利用云南省DEM數據提取坡向，按照8個范圍(0°～45°為N-NE、46°～90°為NE-E、91°～135°為E-SE、136°～180°為SE-S、181°～225°為S-SW、226°～270°為SW-W、271°～315°為W-NW、316°～360°為NW-N)分類形成云南省地形坡向分布圖(圖5)，可見云南省地形坡向分布與山脈走向基本一致，整體呈南北縱向分布。Pearson相關分析對冰雹頻數和分級地形坡向數據做方差分析，發現冰雹頻數與坡向沒有顯著統計學意義(F=1.366,P=0.178>0.05)。

圖5 云南省地形坡向空間分布圖

結合云南冰雹活動的天氣系統特征和季節變化特征[24]，春季(3—5月)云南冰雹活動主要是自西向東移動的南支槽天氣系統造成、夏季(6—8月)則多為冷鋒切變、輻合線等天氣系統自東向西或自東北向西南移動造成，不同移動路徑的天氣系統造成冰雹強對流的活動區域有較大差異，而坡向在強對流活動中的作用也隨季節出現變化。春季冰雹強對流天氣自西向東發展過程中，對流層中下部為西南風或偏南風控制，哀牢山、無量山和高黎貢山是迎風坡和背風坡的分界線，在哀牢山、無量山和高黎貢山西側的第三象限(91°～180°)為迎風坡，其余為背風坡，迎風坡有利于冰雹強對流迅速發展，背風坡則抑制或減弱冰雹強對流過程。減弱的強對流系統越過哀牢山后，低層受偏北冷空氣南下入侵轉為沿東南或南方向移動，迎風坡則轉為以北向為主，昆明市、玉溪市、紅河州北部、文山州北部海拔1 800～2 200 m的小坡度區域為迎風坡和背風坡分界線，其北側第一象限(0°～90°)為迎風坡，其余為背風坡。夏季冰雹強對流系統自東北向西南或自東向西移動，哀牢山-蒼山-玉龍雪山山脈是迎風坡和背風坡的分界線，其東側第一、二象限(0°～180°)為迎風坡，其余為背風坡。

2.4 冰雹頻數與經緯度的關系

不同海拔高度和緯度的熱力條件差異較大，不同經度在不同天氣形勢下的熱力、動力和不穩定條件的顯著差異也是造成冰雹災害分布差異的地理因素之一，對冰雹頻數與經緯度分別進行Pearson相關分析，發現冰雹頻數與經度的相關系數R=0.342,統計檢驗P=0.001，小于0.01，顯著性好，與緯度的相關系數R=0.19,統計檢驗P=0.1，大于0.01，沒有通過顯著性檢驗，表明緯度不是影響云南冰雹活動的地理因子，而經度差異是導致云南冰雹活動的主要影響因子之一，隨經度增加，冰雹活動呈線性增加。

3 云南冰雹危險性區劃

通過前面分析可知，云南冰雹頻數與海拔高度、坡度、地形切割深度和經度具有顯著相關性，與地形坡向的相關性則表現為明顯的季節性和地域性特征。在進行云南冰雹危險性區劃計算時，以冰雹頻數為因變量，利用層次分析法和權重判別模型得出上述4個因子的權重系數，利用多重線性回歸建立云南冰雹災害危險評估方程:

Y=0.4X1+0.3X2+0.15X3+0.05X4+0.1X5。

(7)

圖6 云南不同季節迎風坡和背風坡分類圖

表2 冰雹災害危險性評估等級劃分標準

圖7 云南省冰雹危險區劃圖

從圖7可以看到，云南冰雹危險性空間分布總體以哀牢山為界，分為東西兩大區域，東部高危險區主要分布在云南省中東部海拔1 800～2 200 m、坡度<5°、地形切割深度較小的曲靖市中北部、昭通市南部、昆明市東南部、玉溪市東部和紅河州東北部，對應云南夏季烤煙主要種植區，同時也是夏季冷鋒切變和兩高輻合區天氣系統造成的冰雹多發區，2009—2021年冰雹資料顯示該區域多年平均冰雹頻數為6～8次/年(圖1b)，其中宣威市年平均冰雹頻次高達19.7次/年。較高危險區主要分布在海拔2 200～2 500 m、坡度3°～10°、地形切割深度較小的麗江市東部、楚雄市中部、昆明市西北部和文山州北部的迎風坡區域，多年平均冰雹頻數為3～6次/年。中危險區為昭通市東部、迪慶州、大理州東部、楚雄市南部、玉溪市西部和文山州南部地區，該區域地形海拔2 500～3 300 m或1 000～1 800 m，坡度>10°，地形切割深度較大，多年平均冰雹頻數為2～4次/年。西部的冰雹高危險區域主要分布在海拔范圍1 000～1 600 m、坡度<8°、地形切割深度較小的德宏州、保山市西北部，對應云南春季烤煙主要種植區，同時也是春季南支槽天氣系統影響的冰雹高發區，多年平均冰雹頻數為3～5次/年。較高危險區主要分布在海拔1 600～2 500 m、坡度<10°的普洱市西部、西雙版納州的迎風坡區域，多年平均冰雹頻數為2～4次/年。中危險區域為保山市東部、臨滄市西部海拔2 500～3 000 m、坡度10°～12°、地形切割深度較小區域，多年平均冰雹頻數為1～2次/年。迪慶州北部、麗江市西部、怒江州海拔高度>3 500 m的西北部地區和海拔高度<800 m、地形坡度>15°、地形切割深度較大的金沙江河谷、元江河谷和紅河河谷是冰雹災害低危險區域，多年平均冰雹頻數為0.2次/年。

4 結論與討論

(1)本文利用云南省2009—2021年云南省966個防雹作業點和125個氣象觀測站3001條冰雹災情資料，基于1∶250 000 ASTER GDEM 30 s分辨率數字高程模型(DEM)，利用Pearson相關分析、回歸分析、分類統計等研究了云南冰雹頻數與海拔高度、坡度和坡向、地形切割深度及經緯度的關系，通過高斯函數擬合建立云南冰雹頻數與多個地形因子的非線性回歸方程，選取層次分析法和權重判別模型，利用多重線性回歸建立云南冰雹災害危險性評估方程，形成云南冰雹危險區劃圖。跟以往研究相比，本研究在冰雹孕災因子選取上不但考慮了云南復雜地形因素的差異影響，還考慮了迎風坡在不同季節不同影響系統中的變化，能夠較客觀精細地描述云南冰雹災害的孕災因子并進行云南冰雹災害危險性評估和危險區劃，使本研究具有更強的針對性。

(2)本研究作為云南冰雹災害風險普查工作的重要環節，研究結論為下一步開展冰雹災害綜合風險區劃奠定了基礎，同時本研究的冰雹危險區劃結論可以為云南高原特色農業產業結構調整、人工防雹作業點布局優化提供一定的決策依據。例如云南主要烤煙主產區的曲靖市、玉溪市、昆明市等地冰雹危險性等級最高，冰雹對烤煙造成的損失較大，高危險區域需要建立人工防雹作業試驗示范區，開展冰雹預警和防雹作業技術研究，同時優化作業點布局，增設防雹作業點，同時考慮在冰雹高危險區域調整農經作物產業結構。德宏州、保山市作為云南春季烤煙主產區，同時也是冰雹災害高危險區域，應根據本文研究結論調整春季人工防雹作業點布局。

(3)本研究雖然客觀全面地開展了精細化冰雹災害危險性評估和區劃分析，為保證數據來源統一性，選取2009—2021年人影作業點和氣象站的冰雹觀測資料，但由于云南地形復雜多變，966個作業點和125個氣象觀測站的冰雹資料仍不能完全代表云南區域內冰雹災害的實際發生情況，尤其非作業季(11月-次年2月)防雹作業點無人值守，造成干季冰雹資料的不完整。