曹 水,李 瑋,鄒書平1，,曾 勇,楊 哲

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

1 引言

冰雹是由強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起的一種嚴(yán)重的天氣災(zāi)害，對(duì)農(nóng)業(yè)、交通和人民生命財(cái)產(chǎn)安全等都能造成嚴(yán)重影響[1]。孫杭生等根據(jù)我國(guó)降雹日把中國(guó)冰雹分布劃分為南北兩個(gè)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(tái)地和斜坡過渡帶區(qū)域內(nèi)，主要位于云南東部和貴州中西部。威寧縣地處云貴高原臺(tái)地和斜坡過渡帶核心區(qū)域內(nèi)，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，境內(nèi)中部開闊平緩，四周低矮，峰壑交錯(cuò)，平均海拔2.2 km，由于海拔高，境內(nèi)冰雹災(zāi)害頻發(fā)、多發(fā)，具有該區(qū)域冰雹發(fā)生、發(fā)展的典型性和代表性。

目前，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者[3-6]多從省、市等大區(qū)域范圍研究分析冰雹的時(shí)空分布特征，在雹區(qū)分布、冰雹形成機(jī)制等方面，提供了大量的技術(shù)方法和經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)縣域級(jí)的冰雹時(shí)空分布特征研究較少。

本文通過ArcGIS空間插值等方法對(duì)縣域級(jí)的冰雹時(shí)空分布進(jìn)行研究，期望通過研究縣域級(jí)的冰雹時(shí)空分布特征，對(duì)威寧縣防雹減災(zāi)、農(nóng)作物種植區(qū)域和氣象觀測(cè)設(shè)備布局規(guī)劃等方面提供一定的參考依據(jù)。

2 資料來(lái)源和數(shù)據(jù)處理方法

2.1 資料來(lái)源

本文采用威寧縣37個(gè)炮站2010—2017年降雹資料，以每個(gè)炮站觀測(cè)到的降雹作為一條降雹記錄，但是一塊冰雹云在移動(dòng)過程中，沿途有多個(gè)降雹點(diǎn)且降雹點(diǎn)地理位置不同，此時(shí)降雹記錄次數(shù)根據(jù)降雹點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)決定，算多次降雹記錄。資料內(nèi)容包括降雹開始時(shí)間、降雹結(jié)束時(shí)間、降雹地點(diǎn)、冰雹直徑、降雹密度和受災(zāi)程度。其中一條降雹記錄代表一次降雹次數(shù)。數(shù)字高程模型圖采用30 m分辨率的ASTGTM2數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 降雹資料處理 在處理降雹資料過程中發(fā)現(xiàn)，降雹記錄存在重復(fù)、記錄不全和有誤數(shù)據(jù)，其中在處理部分有誤數(shù)據(jù)時(shí)，由于時(shí)間長(zhǎng)、跨度大不能憑記憶來(lái)進(jìn)行篩選，本文采取的冰雹記錄數(shù)據(jù)處理方法為：①找到和有誤數(shù)據(jù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)基數(shù)據(jù)；②通過對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行雷達(dá)回波動(dòng)畫處理，找出雷達(dá)回波路徑；③通過對(duì)比降雹記錄點(diǎn)是否在雷達(dá)回波路徑上，從而篩選出真實(shí)有效的降雹數(shù)據(jù)。本次共篩選出272條有效降雹記錄(表1)，其中冰雹成災(zāi)次數(shù)是通過統(tǒng)計(jì)降雹資料中的農(nóng)作物受災(zāi)情況作為依據(jù)，如降雹次數(shù)中存在農(nóng)作物受災(zāi)的情況，則算為成災(zāi)次數(shù)。

表1 2010—2017年威寧縣各月降雹數(shù)據(jù)Tab.1 Monthly Hail in Weining County, 2010—2017

2.2.2 炮站降雹次數(shù)處理 利用ArcGIS中數(shù)據(jù)管理功能，經(jīng)過經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對(duì)炮站進(jìn)行地理坐標(biāo)投影，將帶有地理坐標(biāo)系的炮站與威寧縣行政區(qū)劃圖進(jìn)行疊加，并將降雹次數(shù)賦值給炮站，得到威寧炮站布局及降雹次數(shù)(圖1)。

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

3 冰雹落點(diǎn)時(shí)空分布特征

本文研究分析冰雹落點(diǎn)分布，通過ArcGIS軟件中的空間分析功能，根據(jù)炮站分布和降雹次數(shù)進(jìn)行空間插值，以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，通過對(duì)鄰近區(qū)域的每個(gè)采樣點(diǎn)值平均運(yùn)算獲得內(nèi)插單元。

為了更直觀的顯示不同區(qū)域的降雹分布特征，將每一個(gè)炮站降雹次數(shù)按照相等間隔分類統(tǒng)計(jì)法分為5個(gè)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(diǎn)空間分布

柯莉萍等[7]通過威寧縣雷達(dá)觀測(cè)資料和冰雹日數(shù)受災(zāi)情況分析得出威寧冰雹主要路徑(圖3)，縣內(nèi)冰雹主要出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，威寧縣冰雹落點(diǎn)分布趨勢(shì)呈南北向分布的一條多雹帶，境內(nèi)有多個(gè)區(qū)域降雹次數(shù)較多，其中雪山降雹次數(shù)多達(dá)20次，每年平均降雹次數(shù)為2.2次，得磨、兔街、云貴和牛棚次之，每年平均降雹次數(shù)為1.7～1.8次；西部至西北部降雹次數(shù)較少，平均為0.4次左右。

威寧冰雹受大氣環(huán)流和地形等因素影響，縣內(nèi)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(tuán)內(nèi)局地單點(diǎn)性降雹。

大范圍帶狀分布性降雹：環(huán)流形勢(shì)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(shì)的影響，常隨切變線東南移呈跳躍式的前進(jìn)。

暖氣團(tuán)內(nèi)局地單點(diǎn)性降雹：地面氣溫高易形成低壓，熱力對(duì)流強(qiáng)烈，高空受孟加拉灣南支槽影響，無(wú)冷空氣南下等因素的影響，容易產(chǎn)生局地單點(diǎn)性降雹，此類降雹范圍較小。

威寧縣西部牛棚站降雹次數(shù)較周邊炮站降雹次數(shù)較多，根據(jù)王瑾等[8]在研究貴州冰雹分布與地形因子關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，大范圍的地勢(shì)抬升及暖濕空氣的迎風(fēng)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(dòng)路徑上的迎風(fēng)坡，有利于冰雹的形成，降雹次數(shù)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(fā)現(xiàn)西部至西北部的冰雹移動(dòng)路徑上布置的炮站較其他區(qū)域密度大，結(jié)合周永水等[5]利用1971—2007年貴州省觀測(cè)站有記錄的實(shí)測(cè)冰雹資料，通過以10 a為周期對(duì)最近30 a的冰雹頻數(shù)研究，貴州的冰雹發(fā)生頻數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。同時(shí)柯莉萍等[7]對(duì)威寧縣1997—2014年的降雹資料研究發(fā)現(xiàn)，冰雹日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

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

圖3 威寧數(shù)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(diǎn)時(shí)間分布

本文根據(jù)威寧縣降雹數(shù)據(jù)分析，威寧降雹時(shí)間主要集中在每年的4—8月份，7月降雹次數(shù)多達(dá)94次，占總降雹次數(shù)的34.6%，平均年降雹次數(shù)為11.8次。文中涉及到的冰雹成災(zāi)率是根據(jù)本月成災(zāi)次數(shù)除以本月總降雹次數(shù)得到。

通過計(jì)算各月冰雹數(shù)據(jù)得到4—8月冰雹成災(zāi)率(表2)，其中4月冰雹成災(zāi)次數(shù)和成災(zāi)率分別為12次和24%，為4—8月中降雹成災(zāi)次數(shù)最少和成災(zāi)率最低的月份。經(jīng)分析威寧當(dāng)?shù)貧夂蚝娃r(nóng)作物種植時(shí)間等因素，受氣候和高海拔的影響，4月氣溫相對(duì)于同緯度低海拔地區(qū)，溫度較低，平均溫度在11.5 ℃左右，馬鈴薯、煙草等經(jīng)濟(jì)作物種植時(shí)間較晚，一般在4月底開始種植，冰雹災(zāi)害對(duì)易受損的農(nóng)作物影響較小，導(dǎo)致成災(zāi)率低。

表2 2010—2017年威寧縣各月降雹數(shù)據(jù)Tab.2 Monthly Hail of Weining County during 2010—2017

4 結(jié)論與討論

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

②炮站布局于降雹次數(shù)存在一定的反比關(guān)系，即炮站布局區(qū)域越密集，降雹次數(shù)越少。

③在時(shí)間上，降雹次數(shù)最多的月份發(fā)生在7月，占總降雹次數(shù)的34.6%；4月份冰雹成災(zāi)次數(shù)是最少，占總成災(zāi)次數(shù)中的8.7%，是由于威寧本地氣候環(huán)境和農(nóng)作物種植時(shí)間等原因，導(dǎo)致4月份冰雹成災(zāi)次數(shù)較其他月份偏少。

④構(gòu)建威寧降雹概率分布圖，可以為今后的區(qū)域性農(nóng)業(yè)布局和氣象觀測(cè)設(shè)備規(guī)劃提供一定的理論依據(jù)。