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        鄂爾多斯市1961年—2018年冰雹時(shí)空分布特征

        2022-08-19 01:18:18張亞敏張瑞華欒振斌
        關(guān)鍵詞:趨勢(shì)特征

        張亞敏,張瑞華,欒振斌

        (1.烏審旗氣象局,內(nèi)蒙古 烏審旗 017300;2.鄂托克前旗氣象局,內(nèi)蒙古 鄂托克前旗 016200;3.定西市氣象局,甘肅 定西 744300)

        冰雹是在發(fā)展強(qiáng)盛的對(duì)流云中產(chǎn)生的一種固態(tài)降水物,是一種局地性很強(qiáng)并且危害十分嚴(yán)重的氣象災(zāi)害,對(duì)農(nóng)業(yè)、牧業(yè)等自然經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p害[1],也是鄂爾多斯市常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣之一,冰雹事件具有局地性強(qiáng)、面積分散、影響范圍小、季節(jié)性明顯、突發(fā)性強(qiáng)、來(lái)勢(shì)急、持續(xù)時(shí)間短等特性[2-4],并且給農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施等帶來(lái)了極大的危害,冰雹直徑越大,降雹持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),往往造成的災(zāi)害就越大。目前對(duì)冰雹的預(yù)報(bào)還有許多有待解決的難題,它的發(fā)生也時(shí)常伴隨其他災(zāi)害性天氣,如大風(fēng)、暴雨等[5]。鄂爾多斯市氣象災(zāi)害比較頻繁,冰雹活動(dòng)不僅與天氣系統(tǒng)有關(guān),而且受地形、地貌的影響也很大。冰雹云的源地大多位于山區(qū)和地形復(fù)雜的地區(qū),如山脈的迎風(fēng)坡、向陽(yáng)坡,山脈與平原接壤的地帶,陸地與河流接壤的上風(fēng)區(qū)及地表復(fù)雜、地勢(shì)起伏高度差大的山地和丘陵地等[6]。

        1 資料分析預(yù)處理

        本研究數(shù)據(jù)選取鄂爾多斯市11個(gè)站點(diǎn)1961年—2018年的降雹資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。四季劃分為3月—5月為春季,6月—8月為夏季,9月—10月為秋季,11月—來(lái)年2月為冬季。

        本研究定義一日內(nèi)在鄂爾多斯市各站出現(xiàn)一次或多次降雹現(xiàn)象為一個(gè)冰雹日,日界按 20—20時(shí)處理[7]。筆者主要采用最小二乘法擬合一元線性方程、小波分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)對(duì)鄂爾多斯市的冰雹特征進(jìn)行分析。

        2 降雹持續(xù)時(shí)間分析

        降雹持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短是影響冰雹災(zāi)害輕重的因素之一,一般持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)災(zāi)害越嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)鄂爾多斯市各站點(diǎn)降雹次數(shù)可知,1961年—2018年降雹一共有921次,夜間降雹為16次。由表1可以看出,鄂爾多斯市降雹持續(xù)時(shí)間大部分在0~5 min以內(nèi),占降雹總次數(shù)的52.33%,并且隨著持續(xù)時(shí)間的增加,降雹次數(shù)相對(duì)應(yīng)的呈減少趨勢(shì)。58 a中持續(xù)時(shí)間>30 min的占3.47%。同一天只有1個(gè)站產(chǎn)生冰雹的共有866個(gè),占冰雹總次數(shù)的94.0%。有2個(gè)站同時(shí)產(chǎn)生冰雹的有47個(gè),占冰雹總次數(shù)的5.1%。有3個(gè)站同時(shí)產(chǎn)生冰雹的有8個(gè),占冰雹總次數(shù)的0.9%。

        表1 鄂爾多斯市不同降雹持續(xù)時(shí)間所占百分比

        3 冰雹氣候特征

        3.1 冰雹日數(shù)空間分布

        1961年—2018年鄂爾多斯市11個(gè)站點(diǎn)共有873個(gè)降雹記錄,年平均冰雹日數(shù)為15.1 d,鄂爾多斯市東北部降雹出現(xiàn)日數(shù)較多,西南部較少,最大降雹日數(shù)出現(xiàn)在準(zhǔn)格爾旗,為121 d,其次為東勝區(qū),冰雹總?cè)諗?shù)為111 d。鄂爾多斯南部偏南地區(qū)鄂托克前旗及河南站降雹偏少,分別為51 d和57 d。降雹最少出現(xiàn)在伊克烏素,為39 d。綜上所述,鄂爾多斯市降雹日數(shù)空間分布呈“東北向西南依次遞減”的特點(diǎn),說(shuō)明地形對(duì)鄂爾多斯市降雹起著重要作用。

        3.2 冰雹日數(shù)時(shí)間分布

        3.2.1 冰雹日變化特征。由圖1可知,降雹主要分布在14時(shí)—18時(shí),降雹概率為57.7%,其中14-16時(shí)的降雹概率為30.92%;夜間降雹概率為6.62%,08時(shí)-10時(shí)概率為2.28%,10時(shí)-12時(shí)降雹概率為4.14%,12時(shí)-14時(shí)降雹概率為16.13%,16時(shí)—18時(shí)降雹概率為26.78%,18時(shí)—20時(shí)降雹概率為13.13%。由此可得,14時(shí)—16時(shí)是鄂爾多斯市降雹概率最大時(shí)段,因?yàn)檫@一時(shí)段氣溫較高,午后近地層大氣不穩(wěn)定,不穩(wěn)定能量累積,容易產(chǎn)生擾動(dòng),只要有中小尺度系統(tǒng)發(fā)出,就會(huì)導(dǎo)致發(fā)生冰雹的頻率較高[8]。

        圖1 1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)的日分布

        3.2.2 冰雹月變化特征。冰雹災(zāi)害具有明顯的季節(jié)性差異,主要發(fā)生在夏秋季節(jié),且夏秋連雹的現(xiàn)象多,主要以砸傷和撞擊而致災(zāi)[9]。由圖2可知,鄂爾多斯市1961年—2018年降雹出現(xiàn)在2月—11月份,1月、2月、12月未出現(xiàn)冰雹天氣,8月份出現(xiàn)最多,為182 d,占冰雹總?cè)諗?shù)的20.8%,其次是6月份和7月份,其值依次為171 d和160 d,占冰雹總?cè)諗?shù)的19.6%和18.3%。由此可見(jiàn),夏季是鄂爾多斯市降雹的主要季節(jié),降雹日數(shù)與溫度密切相關(guān),全年冰雹日數(shù)呈先增加后減的趨勢(shì),從3月開(kāi)始冰雹日數(shù)逐漸增加,8月冰雹達(dá)到峰值,9月冰雹日數(shù)開(kāi)始逐漸減少。降雹最早出現(xiàn)在3月25日,最晚出現(xiàn)在11月8日。

        圖2 1961年—2018年鄂爾多斯市各月冰雹日數(shù)分布

        按季節(jié)來(lái)統(tǒng)計(jì),鄂爾多斯市春季降雹占全年總?cè)諗?shù)的19.4%,夏季占58.8%,秋季占21.8%,冬季沒(méi)有降雹,所以除夏季降雹比較多以外,春季和秋季的冰雹數(shù)也較多。

        4 冰雹日數(shù)氣候變化特征

        4.1 冰雹日數(shù)年季變化特征

        圖3為1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹的年際變化分布圖,年冰雹日數(shù)總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì),由圖可知,采用最小二乘法計(jì)算冰雹日數(shù)的線性變化趨勢(shì),鄂爾多斯市冰雹日數(shù)以3 d/10 a的趨勢(shì)遞減。直至2016年又出現(xiàn)了一個(gè)小高峰。其中1967年冰雹日數(shù)最多,為33 d,其次是1976年和1985年都為30 d,冰雹日最少的是1995年和2007年,冰雹日僅為3 d。

        圖3 1961年—2018年鄂爾多斯市年際變化分布

        4.2 冰雹年代變化特征

        1961年—2018年,鄂爾多斯市冰雹日數(shù)的年代變化比較明顯,全市58 a平均每年出現(xiàn)15.1個(gè)冰雹日。20世紀(jì)80年代是冰雹日出現(xiàn)最多時(shí)期,冰雹總數(shù)為216 d,占冰雹總數(shù)的23.5%;其次是1961年—1969年和70年代為多冰雹時(shí)期,年平均冰雹日數(shù)分別為22.0 d和21.6 d,分別占冰雹總數(shù)的21.5%和20.2%;21世紀(jì)00年代和2010年—2018年為冰雹少時(shí)期,年平均冰雹日數(shù)分別為7.8 d和6.8 d;進(jìn)入21世紀(jì),降雹日數(shù)明顯減少,總體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

        4.3 冰雹日數(shù)突變分析

        利用Mann-Kendall方法對(duì)1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹氣候序列進(jìn)行突變性檢驗(yàn)。M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,序列隨機(jī)獨(dú)立,UF線為順序統(tǒng)計(jì)量曲線,UB線為逆序統(tǒng)計(jì)量曲線。當(dāng)UF線與UB線在a=0.05的檢驗(yàn)水平臨界值U±1.96之間有交點(diǎn)且交點(diǎn)之后,其中的一條線超過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)臨界值時(shí),說(shuō)明該點(diǎn)即為突變點(diǎn)。當(dāng)UF值大于零時(shí)說(shuō)明序列為上升趨勢(shì),小于0時(shí)則說(shuō)明為下降趨勢(shì)[10]。由圖4可見(jiàn),UF線1963年—1971年大于0,說(shuō)明冰雹日數(shù)在這段時(shí)間呈上升趨勢(shì);在1974年—1987年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)有下降的趨勢(shì);在1994年和1996年UF線和UB線出現(xiàn)交點(diǎn),且1997年之后,UF線超過(guò)了a=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)臨界值,說(shuō)明鄂爾多斯市冰雹日數(shù)在1996年發(fā)生突變,即1996年是冰雹日數(shù)的氣候突變年份,表明鄂爾多斯市冰雹日數(shù)在1996年后下降趨勢(shì)顯著。

        圖4 1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)曲線

        4.4 冰雹日數(shù)周期分析

        氣候系統(tǒng)是多時(shí)間尺度系統(tǒng),Morlet小波具有多時(shí)間尺度分析的特征,不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)可以反映出系統(tǒng)在該時(shí)間尺度下的變化特征,是一種時(shí)域-頻域的分析,能更清楚地看到各周期隨時(shí)間的變化情況[11]。采用Morlet小波分析對(duì)1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)周期變化進(jìn)行分析,淺色部分為降雹偏多期,深色部分為降雹偏少期,小波系數(shù)絕對(duì)值越大,表明該時(shí)間尺度變化越顯著。

        由圖5可以看出,近58 a鄂爾多斯市冰雹日數(shù)存在顯著的15 a~20 a的年代際尺度周期變化,15 a~20 a周期振蕩在整個(gè)時(shí)間序列基本存在;冰雹日數(shù)表現(xiàn)最明顯的時(shí)段為1961年—1970年為降雹偏多期,1971年—1982年為降雹偏少期,1983年—1992年為降雹增多期,1993年—2005年為降雹偏少期,2006年—2018年為降雹偏少期;2002年及以后存在準(zhǔn)11 a年際尺度周期變化,呈偏多—偏少—偏多變化。

        圖5 1961年—2018年鄂爾多斯市冰雹日數(shù)Morlet小波系數(shù)實(shí)部

        5 結(jié)論

        本研究通過(guò)對(duì)鄂爾多斯市1961年—2018年11個(gè)氣象站的降雹觀測(cè)資料對(duì)鄂爾多斯市冰雹的時(shí)空變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究得到以下結(jié)論:①鄂爾多斯市降雹持續(xù)時(shí)間大部分在0~5 min以內(nèi),占降雹總次數(shù)的52.33%,并且隨著持續(xù)時(shí)間的增加,降雹次數(shù)相對(duì)應(yīng)的呈減少趨勢(shì)。②鄂爾多斯市東北部降雹出現(xiàn)日數(shù)較多,西南部較少,降雹日數(shù)空間分布呈“東北向西南依次遞減”的特點(diǎn),說(shuō)明地形對(duì)鄂爾多斯市降雹起著重要作用。③降雹主要分布在14-18時(shí),降雹概率為57.7%,其中14時(shí)—16時(shí)的降雹概率為30.92%;14時(shí)—16時(shí)是鄂爾多斯市降雹概率最大時(shí)段。④夏季是鄂爾多斯市降雹的主要季節(jié),全年冰雹日數(shù)呈先增加后減的趨勢(shì),從3月開(kāi)始冰雹日數(shù)逐漸增加,8月冰雹達(dá)到峰值,9月冰雹日數(shù)開(kāi)始逐漸減少。夏季降雹最多,秋季、春季次之,冬季沒(méi)有降雹。⑤鄂爾多斯市冰雹日數(shù)以3 d/10 a的趨勢(shì)遞減。全市58 a平均每年出現(xiàn)15.1個(gè)冰雹日。20世紀(jì)80年代是冰雹日出現(xiàn)最多時(shí)期,冰雹總數(shù)為216 d,占冰雹總數(shù)的23.5%。⑥近58a鄂爾多斯市冰雹日數(shù)年際變化比較顯著,15 a~20 a周期振蕩在整個(gè)時(shí)間序列基本存在;冰雹日數(shù)表現(xiàn)最明顯的時(shí)段為1961年—1970年為降雹偏多期,1971年—1982年為降雹偏少期,1983年—1992年為降雹增多期,1993年—2005年為降雹偏少期,2006年—2018年為降雹偏少期;2002年及以后存在準(zhǔn)11 a年際尺度周期變化,呈偏多—偏少—偏多變化。1996年是冰雹日數(shù)的氣候突變年份,表明鄂爾多斯市冰雹日數(shù)在1996年后下降趨勢(shì)顯著。

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