引言

气候变暖背景下，中国极端天气气候事件的频率和强度出现了明显的变化^[1]。极端天气气候事件导致暴雨、干旱、沙尘暴、冰雹等气象灾害频繁发生^[2]。气候极端事件增加的问题受到很多专家和研究人员的普遍关注^[3-5]，罗伯良等^[6]对近40年湖南省极端强降水气候变化趋势与突变特征进行了分析；余卫东等^[7]分析了1957—2005年河南省降水和温度极端事件变化。李德俊等^[8]研究了强冰雹和短时强降水天气雷达特征及临近预警。

冰雹作为一种极端灾害性天气，是影响唐山市的主要气象灾害之一。唐山素有“冀东粮仓”美称，因此研究在气候变暖的大背景下的冰雹的气候变化特征和冰雹雷达回波特征，做好冰雹的预警和防御具有重要意义。符琳等^[9]对近50年我国冰雹年代际变化及北方冰雹趋势的成因进行了分析，指出大尺度环流系统的一系列调整是我国北方冰雹减少的主要原因；李云川等^[10]对发生在河北省中南部地区的冰雹、强风、大型降水天气过程的多普勒雷达指标进行了统计分析。目前，还没有对唐山冰雹特征的具体分析、总结。本文利用唐山最近36年的11个气象站的基本观测资料、冰雹日的常规观测资料和多普勒雷达回波资料详细分析了唐山冰雹的时空分布特征，包括地理分布、季节变化、年际变化、日变化特征及降雹的持续时间，冰雹频率的突变分析和冰雹产生的环流背景、冰雹天气的某些参数特征，以及冰雹云的雷达回波特征。为唐山的冰雹预报和防雹减灾提供了一定的依据。由于冰雹云雷达个例资料少，有待今后进一步完善。

1 资料与方法

资料为唐山地区所属的11个气象观测站1974—2009年台站冰雹观测资料，受目前布网和观测手段的限制，可能存在冰雹漏测的情况。趋势分析和突变检验则运用线性变化倾向率和Mann-Kendall非参数检验法^[7-8]。

2 降雹的时空分布特征 2.1 降雹的空间分布特征

图 1给出了唐山地区11个气象台站1974—2009年36年的降雹总日数分布，由图可以看出，由北向南降雹总数趋于减少，北部山区降雹日次最高，迁西为71，遵化为64, 迁安为57；中部燕山附近的玉田、丰润出现一个次高频点，玉田降雹总日次为62，丰润为54；中部平原及沿海以滦南最多，降雹总数为44，丰南降雹最少为21，可见地形对冰雹的形成具有重要的作用。

通过计算各站冰雹日数与海拔高度的相关系数为0.71，并通过了α=0.01的显著性t检验，说明冰雹发生频率与海拔高度密切相关，海拔越高，发生冰雹的可能性越大，这也可能是滦南位于唐山南部，而冰雹频率却出现一个次高频点的原因。因此布设防雹炮点时，应该倾向于北部山区及海拔相对高的县区。

2.2 降雹的时间变化特征 2.2.1 冰雹的年代际变化特征

唐山市冰雹在1974—1979年的6年中共出现降雹57次，平均每年9.5次；20世纪80年代的10年中共出现107次，平均每年10.7次；90年代77次，平均每年7.7次；2000—2009年58次，平均每年5.8次，可见80年代是降雹高峰的年代，不过从总的趋势来看，冰雹天气的发生率是减少的。

从1974—2009年的逐年降雹序列图可以看出(见图 2)，冰雹发生的年际变化显著，降雹发生概率最多的是1985、1986年，降雹次数为15次，最少的是1994年，没有冰雹发生。从线性趋势线可以看出，唐山市降雹频率是趋于减少的，每10年减少1.8次，此倾向率通过了α=0.01的显著性F检验。

2.2.2 唐山冰雹发生的突变分析

气候突变^[11]是气候从一个平均值到另一个平均值的急剧变化，它表现为气候变化的不连续性。下面用Mann-Kendall法^[11-12]、累积距平曲线^[13-14]和滑动t检验法^[11-12]对冰雹的突变进行分析。

通过计算唐山市的平均降雹频率为8次/年，1974—1993年平均为10次/年，高于平均数2次；1994—2009年平均降雹为6次，低于平均数2次，因此1994年是降雹频次的转折年。

从唐山降雹日数的Mann-Kendall曲线的UF曲线(图 3)可以看出，20世纪70年代中期到80年代中期减少不明显，呈现一种震荡形式。自80年代中期以来，唐山市冰雹发生频率呈明显下降趋势，1992年以来这种下降趋势超过0.001显著性水平(u_0.001=2.56)，说明1992年以来冰雹发生率减少趋势十分显著。根据UF和UB曲线的交点位置，确定90年代以后冰雹频次的减少是一突变现象，具体开始时间是1990年。

从唐山降雹日数的累积距平曲线(图 4)上可以看出，从1974—1993年冰雹日数的累积距平一直呈上升的趋势，1994—2009年冰雹日数的累积距平呈波动下降趋势，1994年是冰雹从多发年到少发年的转折年。

为了检验这种突变是否显著，用滑动t检验来检测^[15]。通过计算冰雹从多发年到少发年的t值为1.84，大于t_0.05(1.69)，通过了α=0.05的显著性检验，说明1993年前后冰雹频率发生了显著性变化，达到了突变的标准。

通过不同方法的突变分析，趋势线分析与累积距平分析的突变年完全一致，并通过了α=0.05的显著性t检验，Mann-Kendall方法分析的结果也很相近，不同的突变分析方法，突变点会稍有不同，但是都发生在20世纪90年代初期，可见90年代初期冰雹频率发生了突变。

根据龚宇等^[16]的研究：1994/1995年度唐山发生了由冷到暖的突变；最近10年的变化特点及趋势与IPCC第4次评估报告中关于全球气温变化的趋势相同。可见，温度的突变与冰雹日减少突变比较一致，由此可以推断：唐山冰雹减少突变可能由于气候变暖引起。

2.2.3 降雹的月分布特征

唐山市冰雹发生的一个明显特征是季节性强。36年来唐山市降雹出现的最早月份为3月，出现在3月25日(丰润1981年)，最晚结束在11月，出现在11月1日(迁西1982年)，即3—11月间都有冰雹发生的可能。从36年来的各月降雹总数分布图可以看出(见图 5)，从3月开始降雹频率逐月开始增加，6月达到最高值，降雹总数为87次，平均每年6月份有2.4天降雹，随后又呈逐月下降的趋势，其他月份无冰雹天气发生。其中5—7月最多，占冰雹总数的61.5%。另外，迁西、玉田、丰润、滦南3月份都有冰雹出现，11月只有迁西有一次降雹发生，说明山区、半山区冰雹天气来得早，结束得晚。因此，3月底应该做好防雹高炮的年检、人员的保障工作。

2.2.4 降雹发生的日变化特征及持续时间

由图 6可以看出，唐山市降雹的日变化特征明显，降雹主要发生在白天，夜间只占冰雹总数的30.7%。另外，从基本站的记录来看，夜间的冰雹主要发生在前半夜。白天降雹主要发生在下午，占冰雹总数的64.4%，午后冰雹发生概率有一个逐渐增加的过程，17—18时达到顶峰，其中16—18时是冰雹的高发时段。8—12时的冰雹发生率最少，只占冰雹总数的4.9%。大部分冰雹发生在午后，说明热力条件是冰雹发生的重要因素。

从降雹的持续时间上分析，59.6%的降雹持续时间在5 min之内，23.8%的降雹的持续时间在5~10 min之内，12.7%的降雹持续时间在10~20 min内，3.2%的降雹持续时间在20~30 min间，只有0.7%的降雹大于30 min。

3 冰雹天气的气候特征 3.1 冰雹天气的环流背景特征

冰雹天气属中小尺度局地强对流系统，它的发生、发展仍受到大尺度环流和天气尺度系统的制约，与大气的热力、动力条件密切相关，而且受到地形条件的影响。本文对1999—2009年的61个冰雹天气个例进行了环流背景的分析，大约79%的冰雹天气发生在500 hPa为西到西北气流的天气背景下，有18%的冰雹天气发生在500 hPa为西南气流气流控制下，有3%的冰雹天气发生在500 hPa为弱脊控制之下。

3.2 冰雹天气某些参数分析

冰雹天气不仅需要一定的不稳定层结条件，0℃层和20℃层也是冰雹形成条件的一个特征参数。本文利用距离唐山最近的北京站的探空资料，通过1999—2009年的57个冰雹个例的分析，对产生冰雹条件的某些参数进行了统计。

3.2.1 稳定度分析

利用北京08时的探空资料，对雹暴发生当天的沙瓦特指数(SI)和K指数进行了分析，同时利用高空资料对当天的500 hPa与850 hPa的温差进行了分析。通过分析发现：平均K指数为26℃，最大的为37℃，66.7%的K指数大于25℃；平均SI为0.5℃，45%的SI小于0℃，77%的SI小于2℃；850 hPa与500 hPa的温差(T₈₅₀-T₅₀₀)平均为29℃，最小为20℃，88%的温差在25℃以上。可见，大多数冰雹都发生在大气不稳定层结条件下。

3.2.2 0℃层和-20℃层高度分析

只有合适的0℃层和-20℃层高度才有利于形成冰雹。由于大部分冰雹发生在午后到傍晚，因此采用20时的探空资料。统计发现：冰雹日当天20时平均0℃层高度为3.4 km，而且随着月份先增高后减少，7—8月达到最高，为4.3 km。最低为10月，为1.3 km，74%的0℃层高度在3.0 km以上，98%的0℃层高度在5.0 km以下。冰雹日当天20时平均-20℃层高度为6.3 km，也是随着月份先增高后减少，8月达到最高，为7.2 km。最低为3月，为4.8 km。

3.3 冰雹云的雷达参数特征

由于多普勒雷达应用较晚，只有5个冰雹个例，本文详细分析了5个个例的雷达回波形状、回波强度、径向速度、回波顶高、垂直液态含水量。

5个个例有3个为块状回波，2个为带状回波，但是回波强中心结构都很密实，强回波中心强度大多大于60 dBz，最小的一次为45 dBz，回波梯度很大。5个个例垂直结构都为倾斜回波，即高仰角的强中心对应低仰角处为弱回波区，大值区由低到高向低层入流方向倾斜。回波顶(ET)都在8 km以上，最大的为12 km，说明冰雹云发展都很旺盛。垂直累积液态水含量也是一个重要的指标，5次过程中4次都在25 kg·m^-2以上，最大为50 kg·m^-2，一次为10 kg·m^-2。从3个个例的基本径向速度图上(其余2个在观测范围之外)看，2次在1.5°仰角上存在逆风区，1次虽然没有逆风区，但是也存在辐合、急流，说明冰雹云低层都存在有强烈的辐合上升运动。

4 结论

(1) 唐山市降雹分布与地形有关，西北部山区、半山区是降雹高发区，中部平原出现一个次高频点，南部沿海降雹最少；降雹频率与测站的海拔高度有高度的正相关性。

(2) 唐山市降雹年代际变化明显，20世纪80年代是降雹高峰，70年代次之，90年代以后逐年代减少；降雹发生概率最多的是1985、1986年，最少的是1994年，唐山市降雹频率是趋于减少的，每10年减少1.8次。唐山市降雹季节性显著，最早发生在3月下旬，最晚结束在11月初，5—6月是冰雹的高发月，山区、半山区冰雹天气来得早，结束得晚。

(3) 从降雹的日变化看，午后到傍晚是冰雹高发时段，特别是16—18时。降雹的持续时间大部分在5 min以内，持续时间在20 min以上的很少。

(4) 20世纪90年代初期冰雹频率发生了突变, 这种突变与温度的突变比较一致。因此冰雹频率的突变可能由气候突变引起。

(5) 大部分冰雹天气发生在500 hPa为西到西北气流的天气背景下，大部分850 hPa与500 hPa的温差在25℃以上，K指数大于25℃，SI小于2℃，可见，上冷下暖的不稳定区域中，强烈不稳定能量的释放将有利于冰雹天气的产生。

(6) 唐山市降雹的0℃层平均高度为3.4 km，-20℃层平均高度为6.3 km。

(7) 唐山冰雹云雷达回波强回波中心强度大多大于60 dBz，垂直结构都为倾斜回波，回波顶(ET)都在8 km以上，垂直累积液态水大部分在25 kg·m^-2以上，基本径向速度图上表现辐合特征。但是个例较少，有待今后进一步完善。