新疆冰雹历时的气候特征

绿洲农业科学与工程
Oasis Agriculture Science and Engineering
第9卷第2期
2023年12月
Vol.9No.2Dec.2023
新疆冰雹历时的气候特征
谢海涛1，王
昀2，陈静3，马士剑1*
（1新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆
乌鲁木齐830002；2
中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃
兰州
730020；
3
乌鲁木齐胜思信息技术有限责任公司，新疆
乌鲁木齐
830002）
摘要：利用1961－2011年新疆54个地面气象观测站全天记录的天气现象数据，通过软件识别和分离出冰雹出现的起止时间，计算每个冰雹事件的历时，并对历时气候特征进行分析。

结果标明，新疆冰雹年历时的高值区位于天山西段和天山南脉，年历时前5位的观测站依次是昭苏（179min ）、巴音布鲁克（103min ）、乌恰（59min ）、阿合奇（31min ）和温泉（22min ）；6月冰雹历时最长，5月次之，有63%的冰雹历时在6min 以内，98.5%的冰雹历时不超过30min ；1961－2011年新疆冰雹历时的年际变化呈显著的线性减少趋势，每10年减少2min 。

5－8月地面蒸发量和归一化对流有效位能的逐年减少是导致新疆冰雹年历时逐年减少的主要原因。

关键词：新疆；冰雹；持续时间；时空分布
Climatic Characteristics of Hail Duration in Xinjiang
XIE Hai-tao 1，WANG Yun 2，CHENG Jing 3，MA Shi-jan 1*
（1Weather Modification Office of Xinjiang Uygur Autonomous Region ，Urumqi 830002，Xinjiang ；2
Institute of Arid
Meteorology ，China Meteorological Administration ，Lanzhou 730020，Gansu ；3
Urumqi Shengsi Information Technol⁃
ogy Company of Limited Liability ，Urumqi 830002，Xinjiang ）
Abstract ：Based on the records of weather phenomenon recorded all day by 54ground meteorological observation stations in Xin⁃
jiang from 1961to 2011.The start and end time of hail identified and separated from the weather phenomenon records by using soft⁃ware ，and then the duration of each hail event calculated according to the start and end time.The analysis of the climatic characteris⁃tics of hail duration shows that the high value area of the annual duration of hail in Xinjiang is located in the west section of Tianshan Mountain and the south range of Tianshan Mountain.The top five stations of annual duration are Zhaosu （179min ），Bayinbuluk （103min ），Wuqia （59min ），Aheqi （31min ）and Wenquan （22min ）.The hail duration in June is the longest ，followed by May.63%of the hail duration is within 6min and 98.5%of the hail duration is no more than 30min.The inter-annual variation of hail duration in Xinjiang from 1961to 2011shows a significant linear decreasing trend ，decreasing by 2minutes every 10years.The annual decrease
of ground evaporation and normalized convective available potential energy from May to August leads to the change of the annual dura⁃
tion of hail in Xinjiang.
Key words ：Xinjiang ；Hail ；Duration ；Temporal and spatial distribution
冰雹是由中小尺度天气系统引发的局地性强烈的天气现象。

由于预报预警难度较大，往往给种植业带来巨大的灾害损失。

新疆的绿洲依山傍水，多与荒漠相邻或被荒漠戈壁包围，加之特殊的地形地貌，形成冰雹的有利条件容易得到满足[1]，所以新疆成为中国冰雹高发区之一。

在中国西北地区，冰
雹日数在青藏高原中部、祁连山和天山山脉西段最多，有青海曲麻莱、新疆昭苏和青海刚察三个多雹中心，冰雹的出现频率随着海拔高度的升高而增加；大范围降雹时段在5－9月，6－8月比较集中，12－20时降雹最多，持续5～53min [2-3]。

利用1961－1999年90个气象站观测资料对新疆冰雹气
收稿日期：2022-05-10
基金项目：中国气象局兰州干旱气象研究所科研项目（KYS2022BSKY01）
作者简介：谢海涛（1968-），男，新疆乌鲁木齐人，工程师，研究方向为人工影响天气。

E-mail ：*****************通讯作者：马士剑（1973-），男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，研究方向为人工影响天气。

E-mail ：****************
绿洲农业科学与工程9卷
候特征进行分析得出，新疆冰雹主要出现在西部、中部山区，集中出现在4－10月的下午，且持续时间在6min 以内[4-5]。

冰雹气候特征的分析应包括日数、直径、持续时间（历时）三个方面的内容，国内外仅对冰雹日数和直径的气候特征开展了广泛的研究。

北京大学张庆红研究团队对中国冰雹日数、冰雹直径的气候特征开展了深入研究[6-11]，取得了丰富的研究成果，得到国际同行的认可。

鉴于天气现象记录难以获得，即便是获得，但从天气现象随机混编数据流中提取冰雹起止时间也非常困难，所以冰雹历时气候特征的研究工作尚未系统开展。

本文针对新疆区域开展冰雹历时气候特征的研究工作，完善冰雹气候特征的研究内容。

1材料与方法
Mladjen 等[12]和Punge 等[13]的研究指出，气象站
的冰雹观测资料具有观测稳定、观测尺度统一和时间序列长等优点，因此，在研究新疆冰雹历时的气候特征时，选取从1961年开始24h 记录天气现象及起止时间的54个基本站和基准站的观测资料，获得每次降雹事件的历时。

由于观测规范的沿革问题，2012年4月之后不再记录夜间出现的天气现象起止时间。

依据《地面气象观测规范》，气象日界为北京时间20：00，在统计冰雹历时的气候特征时，将跨日界冰雹作为一次过程处理。

气候突变指气候要素序列10年以上的平均值，前后两段发生明显的差异，常用序列累计距平方法检测气候要素的突变点[14]。

对于具有长度为n 的样本时间序列x （t ），t=1，2，…，n ，在样本中某时刻j 点的累计距平：
I (j )=∑t =1
j [x (t )--x ]
（1）
上式中j=1，2，…，n ，-x =1n ∑t =1
n
x (t )。

将I （j ）绘成
随时间j 变化的曲线称为累计距平曲线。

I （j ）最大
值对应的时刻j 点为突变点，此时样本距平[x (j )--x ]接近于x 轴。

2
结果与分析
2.1
冰雹历时的地理分布
计算1961－2011年单站冰雹累计历时，取51
年平均值。

54个观测站年历时分布见图1。

年历时超过10min 的区域在塔城地区北部、阿勒泰地区东
部、哈密地区北部、博州、天山山脉西段和天山南脉，其中冰雹年历时较长的有：昭苏179min ，巴音布鲁克103min ，乌恰59min ，阿合奇31min ，温泉22min 。

90
80706050403020100.5
图11961－2011年新疆冰雹年历时的地理分布
Figure 1Geographical distribution of annual duration of hail in Xinjiang from 1961to 2011
在降雹频繁区冰雹历时相对较长，昭苏在4－9月，巴音布鲁克在5－9月，乌恰在5－6月冰雹月历时在10min 以上；昭苏在4－7月，巴音布鲁克在5－6月冰雹月历时在20min 以上。

2.2
冰雹历时的年代际变化
1961－2010年新疆冰雹历时每10年演变特征，
如图2。

可以看出，在20世纪60－80年代，新疆冰雹年历时最长的区域始终在天山山脉西段的昭苏和巴音布鲁克，年历时超过100min ，90年代明显减
弱，21世纪初年历时已不足100min ；天山南脉南端乌恰是次长区域，自20世纪60年代起持续减弱，年历时从94min 降到21世纪初的31min 。

阿勒泰地区、塔城地区、哈密地区冰雹年历时超过10min 的区域在20世纪后半叶维持不变，21世纪初却消失了；阿克苏地区冰雹年历时超过10min 的区域在20世纪末范围明显缩减，21世纪初又开始扩展。

值得关注的是，天山南脉的阿合奇在21世纪初冰雹年历时明显加长，达到50年来最长历时。

2.3
冰雹历时的年际变化及其成因
图3a 所示为54个观测站年历时的平均值。

1961－2011年新疆54个观测站51年平均历时为12.6min 。

年历时最长的是1964年和1969年，均为20min ；最短的是2011年，只有4min 。

18
2期谢海涛等：新疆冰雹历时的气候特征
90
8070605040302010
0.5
（a ）1961－1970年
90
8070605040302010
0.5
（b ）1971－1980年90
8070605040302010
0.5
（c ）1981－1990年
908070605040302010
0.5
（d ）1991－2000年
908070605040302010
0.5
（e ）2001－2010年
图2新疆冰雹年历时的年代际地理分布
Figure 2Interdecadal geographical distribution of annual duration of hail in Xinjiang
1961－2011年冰雹年历时有每年0.2min 的明
显减少趋势。

对冰雹年历时样本序列进行突变检验表明，在1992年出现突变（图3b ）。

突变前1961－1992年历时平均值为15.1min ，比51年历时平均值增多约20%；突变后1993－2011年历时平均值为8.5min ，比51年历时平均值减少约33%，突变前是突变后的1.8倍。

54个观测站中，冰雹年历时超过100min 只有昭
苏和巴音布鲁克，且它们表现出明显的线性减少趋势，且年历时在1992年出现突变，表明这两个观测站年历时的年际变化可以代表新疆年历时的年际变化状况。

从地形地势分布可以看出，这两个站
19
绿洲农业科学与工程9卷
代表的区域属于高山平台。

新疆冰雹事件集中在5－8月出现，下面采用5－8月地面小型蒸发量和归一化对流有效位能解释高山平台年历时长期变化
的原因。

3020100
196019701980
199020002010
年份Year
持续时间/m i n D u r a t i o n （a ）年际变化Interannual variation
19601970
19801990
2000
2010
年份Year
1007550250
1992
累计距平C u m u l a t i v e a n o m a l y
（b ）累计距平曲线Cumulative anomaly curve
图31961－2011年新疆冰雹历时的年际变化及累计距平
曲线
Figure 3Interannual variation and cumulative anomaly curve of hail duration in Xinjiang from 1961to 2011
（1）地面小型蒸发量
由于高山平台拔海高度1600～3000m ，地面蒸发的水汽可直接供给云，因而地面蒸发量的变化对冰雹云会产生重要影响。

由于巴音布鲁克站地面小型蒸发量缺测年份较多，因而选取昭苏站5－8月平均地面小型蒸发量进行分析，蒸发量总体呈减小的变化趋势（图4a ）。

1961－1992年蒸发量平均为179.3mm ，1993－2011年蒸发量平均为160.4mm ，后一阶段比前一阶段减少18.9mm ，约10.5%。

可见高山平台5－8月地面蒸发量的减少是高山平台降雹减少的原因之一。

196019701980
199020002010
年份Year
300250200150100
小型蒸发量/m m S m a l l e v a p o r a t i o n
（a ）（b ）
1.5
1.0
0.5
0.0
19801990
20002010
年份Year
N C A P E /J k g -1m -1
图4昭苏蒸发量（a ）和高山平台归一化对流有效位能（b ）
的年际变化
Figure 4Interannual variation of Zhaosu evaporation （a ）and normalized convective effective potential energy （b ）of Alpine platform
（2）归一化对流有效位能
当气块的重力与浮力不相等时，气块从自由对流高度上升至平衡高度，一部分位能可以释放，转换成垂直运动的动能，这部分位能叫做对流有效位能（CAPE ）。

它表示在浮力作用下，对单位质量气块从自由对流高度上升到平衡高度所做的功。

CAPE 正比于T-lnP 图上的正不稳定能量的面积。

设自由对流高度为Z LFC 、平衡高度为Z EL ，则自由对流厚度ΔH FCL =Z EL -Z LFC 。

CAPE 的大小取决于ΔH FCL 和该层厚度内平均浮力的大小。

在一定条件下，若自由对
流厚度ΔH FCL 增大（减小），则整个自由对流层内的平均浮力必然减小（增大）。

因此在分析CAPE 时，除了要考虑其数值外，还应考虑T-lnP 图上的正不稳定能量面积的纵横比（即高度与宽度之比）。

CAPE 值相同，但纵横比不同，其稳定度（例如抬升指数LI ）可以有较大的不同。

为了消除Z LFC 的影响，突出平均浮力的作用，Blanchard [15]将对流有效位能CAPE 与自由对流厚度ΔH FCL 的比值定义为归一化
20
2期谢海涛等：新疆冰雹历时的气候特征
对流有效位能（NCAPE ），它表示在自由对流厚度ΔH FCL 内，当气块为单位质量时，气块的平均加速度或平均浮力的大小。

由于伊宁市和阿克苏市探空站位于高山平台南北两侧的西头，且处于影响高山平台天气系统的上游，因此可用两站NCAPE 的平均值代表高山平台的值。

鉴于1961－1980年两个探空站的数据在新疆信息中心没有保存，故利用1981－2011年5－8月逐日08时、20时两个探空站资料，计算得到高山平台NCAPE 的年际变化（图4b ）。

高山平台5－8月平均NCAPE 的年际变化呈明显的下降趋势，1981－
1992年NCAPE 平均为0.76J ·（kg·m ）-1
，1993－2011年NCAPE 平均为0.54J ·（kg·m ）-1，后一阶段相对于
前一阶段减少28.9%。

可见，高山平台归一化对流有效位能的减少是高山平台降雹减少的原因之一。

2.4
冰雹历时的年变化和时间分布
图5a 的月历时为54个观测站51年的平均值。

新疆冰雹月历时最长在6月，5月次之。

新疆有63%的冰雹历时在6min 以内，98.5%的冰雹历时不超过30min （图5b ）。

各站最长历时见表1，库尔勒1975年6月出现104min 降雹成为新疆之最，其次是吉木乃在1961年5月出现96min 降雹。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1112
月份Month
4
3210
历时/m i n D u r a t i o n
（a ）
百分数P e r c e n t a g e
80
6040200
时间间隔/min Time interval
07-1
2
19-2
431-3
643-4
855-6
067-7
279-8
491-9
6（b ）
图5新疆历时的年变化（a ）和历时的时间分布（b ）
Figure 5Annual variation of hail duration in Xinjiang （a ）and time distribution of hail duration （b ）
2.5冰雹发生次数和历时的统计关系
通过新疆冰雹不同历时出现频率的分析可以
发现，历时短的冰雹出现频率高，历时长的冰雹出现频率低，且冰雹历时大于t 的出现次数N 满足：
LnN=a-bt
（2）
式中：N 为历时大于t 的冰雹发生次数，a 、b 为正的拟合数。

公式（2）具有普适性，如图6和图7所示。

其中图6a 是对54个观测站1961－2011年所有冰雹资料，冰雹出现频次随历时的累积分布（在不同t 下，数出所有历时大于t 的冰雹次数）；图6b 是使用同样的方法对5个观测站1961－2011年的资料分析结果；仍旧使用同样的方法，对昭苏在1967年和1990年的数据分析，结果如图7所示。

I n N
10864200
20
40
60
80
100
t/min
（a ）54个观测站冰雹次数随历时的累计分布
（a ）Cumulative distribution of hail frequency with duration at 54stations
10
20
30
40
50
60
70
t/min
86420I n N
昭苏巴音布鲁克乌恰阿合奇温泉
（b ）5个观测站冰雹次数随历时的累计分布
（b ）Cumulative distribution of hail frequency with duration at 5stations
图61961－2011年冰雹次数随历时的累计分布
Figure 6Cumulative distribution of hail frequency with du⁃
ration from 1961to 2011
21
绿洲农业科学与工程9卷
表11961－2011年新疆冰雹最长历时
Table1The longest duration of hail in Xinjiang from1961to2011
库尔勒Kuerler
吉木乃Jimunai
乌恰Wuqia
且末Qiemo
巴音布鲁克Bayanbulak
蔡家湖Chaijahu
昭苏Zhaosu
奇台Qitai
库米什Kumishi
轮台Luntai
柯坪Kalpin
巴里坤Balikun
红柳河Hongliuhe
阿拉尔Alaer
七角井Qijiaojing
阿克苏Aksu
托云Tuoyun
托里Tuoli
和布克赛尔hebukesaier
阿合奇Aheqi
塔什库尔干Tashikuer⁃gan 1975-06-08
1961-05-07
1996-05-12
1991-05-05
1990-05-22
1975-04-03
1992-05-23
1994-06-04
1983-06-30
1966-04-03
1982-04-05
1997-04-27
1990-03-27
1964-03-20
1991-06-15
2003-10-11
1972-08-15
2011-08-10
1969-07-02
1988-08-10
1973-05-08
18：10-19：53
12：25-14：00
16：12-17：46
12：42-14：15
15：37-16：53
15：00-16：12
18：50-19：51
13：03-13：59
16：25-17：15
07：25-08：15
19：46-20：36
14：39-15：20
14：32-15：13
20：30-21：10
17：45-18：23
15：04-15：41
15：34-16：11
16：28-17：04
14：48-15：22
19：42-20：15
15：10-15：40
104
96
95
94
77
73
62
57
51
51
51
42
42
41
39
38
38
37
35
34
31
精河
Jinghe
温泉
Wenquan
福海
Fuhai
北塔山
Beitashan
哈密
Hami
喀什
Kashi
拜城
Baicheng
库车
Kuqa
乌鲁木齐
Urumqi
呼图壁
Hutubi
巴轮台
Baluntai
焉耆
Yanqi
哈巴河
Habahe
巴楚
Bachu
阿拉山口
Alashankou
莎车
Shache
克拉玛依
Kelamayi
皮山
Pishan
富蕴
Fuyun
和田
Hetan
达坂城
Dabancheng
1977-07-03
2004-04-11
1970-10-12
1992-07-12
1961-03-25
2006-04-11
1987-06-12
1985-05-14
1980-05-02
1966-05-04
1971-05-29
1973-04-13
1988-05-09
2005-06-12
2008-04-28
1980-05-16
1992-05-24
1966-05-01
1988-05-08
1970-03-29
2003-07-12
20：35-21：00
21：30-21：54
15：54-16：17
15：07-15：30
17：40-18：03
00：42-01：05
18：15-18：36
10：47-11：08
00：55-01：15
18：45-19：05
10：42-11：02
16：50-17：10
16：30-16：49
18：52-19：11
17：56-18：13
00：30-00：47
20：59-21：15
20：40-20：55
12：25-12：38
16：36-16：49
19：26-19：38
26
25
24
24
24
24
22
22
21
21
21
21
20
20
18
18
17
16
14
14
13
站名Station name
年-月-日
Year-Month-
Day
开始时间-终止
时间
Start time-End
time
历时/min
Duration站名
Station name
年月日
Year-Month-
Day
开始时间-终止
时间
Start time-End
time
历时/min
Duration
22
2期谢海涛等：新疆冰雹历时的气候特征
塔城Tacheng 石河子Shihezi 民丰Minfeng 伊吾Yiwu 阿勒泰Aletai 青河Qinghe
1980-04-301988-05-101991-04-162010-09-041966-06-081961-05-18
15：56-16：2514：09-14：3817：57-18：2612：07-12：3519：20-19：4514：20-14：45
303030292626
伊宁市Yinimg 若羌Ruoqiang 乌苏Wusu 铁干里克Tieganliker 于田Yutan
1966-03-141990-04-281978-05-021987-06-111996-03-31
13：05-13：1518：53-19：0200：50-00：5718：54-19：0116：16-16：23
1110888
续表站名
Station name 年-月-日Year-Month-Day 开始时间-终止
时间
Start time -End
time 历时/min Duration 站名
Station name 年月日Year-Month-Day 开始时间-终止
时间
Start time -End
time 历时/min Duration 0
5
10
15
20
25
543210I n N
t/min
InN=-0.1269t+3.5652
InN=-0.1232t+4.0963
R 2=0.9589R 2=0.9678
1967年1990年线性（1967年）-线性（1990年）
图71967年和1990年昭苏冰雹次数随历时的累计分布
Figure 7Cumulative distribution of hail frequency with du⁃ration in Zhaosu in 1967and 1990
从前面图6b 可以看出不同观测站的b 值不一样，即b 值随观测站而变化。

利用1961－2011年的资料，计算54个观测站的b 值，进一步采用GIS 自带的反距离插值方法经过插值得到新疆区域1°×1°经纬网格上的b 值分布，结果如图8所示。

利用公式（2）根据b 值的空间分布，在新疆区域1°×1°经纬网格上可得到历时大于t 的冰雹发生次数。

3结论
新疆冰雹年历时超过20min 的高值区位于高山
平台的昭苏（179min ）和巴音布鲁克（103min ）、天山南脉的乌恰（59min ）和阿合奇（31min ）、天山西段的温泉（22min ），在月分布上6月历时最长，5月次之。

冰雹事件的持续时间较短，有63%的历时在6min 以内，98.5%的历时不超过30min 。

冰雹历时大于t 分钟的出现次数N 满足公式LgN=a-bt 。

0.40.30.20.10.05
图854个观测站b 值的空间分布
Figure 8Spatial distribution of b value at 54stations
在1961－2011年期间，新疆冰雹年历时超过10min 的中心强度和范围，20世纪60至80年代中心强度逐渐减弱、范围保持不变，自90年代至21世纪00年代中心强度明显减弱、范围明显缩小。

冰雹历时的年际变化呈显著的线性减少趋势，每10a 减少2min ；冰雹年历时在1992年出现突变，突变前后的平均值分别为15.1min 和8.5min 。

5－8月地面蒸发量和归一化对流有效位能的逐年减少是导致冰雹年历时线性减少的主要原因。

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