潍坊冰雹时空分布特征及其对农业的影响和应对策略

王晓立，郭法东，王恬茹，鲁 丹，徐太安

（1潍坊市气象局，山东潍坊261011；2临朐县气象局，山东临朐262600）

0 引言

潍坊市地处鲁中山区，地势南高北低，形成西部山地、南部丘陵，东部与北部为平原的复杂地形，因此冰雹成为潍坊的主要气象灾害之一。据统计，潍坊市年平均雹灾面积达4.1×104hm2，人口受灾17.4万人次，直接经济损失达17776万元，1987年雹灾面积达30.8×104hm2，达最大值[1]，雹灾给工农业生产和人民生命财产带来严重危害。冰雹是一种强对流天气现象，具有局地性强、突发性和阵发性等特点[2-4]，预报难度大，分析冰雹的分布特征是进行冰雹预报和人工防雹的重要基础[5]。

近年来，有学者对不同地区的冰雹时空分布规律进行了研究，结果表明冰雹的时空分布差异较大。符琳等[6]、张芳华等[7]、闵晶晶等[8]]研究表明，中国北方地区冰雹日数年代变化均呈下降趋势；李韬光[9]、杨贵名等[10]、祁红彦等[11]研究表明，冰雹的空间分布存在多样性，主要与地理分布和地形有关。

针对潍坊的冰雹研究主要以冰雹天气过程分析为主[12]，对冰雹分布特征的研究还很少。因此，本研究采用潍坊1971—2010年9个观测站40年的冰雹观测资料分析冰雹的时空分布特征，探讨冰雹对农业生产的影响及防护措施，以期为冰雹的预报服务、人工防雹工作以及农业发展布局提供参考依据。

1 资料与方法

选取潍坊市9个气象观测站1971—2010年冰雹日资料，所用资料已经过质量控制，具有较好的代表性。规定某个观测站某日出现大于等于1次冰雹天气现象记为冰雹出现1次，即1个冰雹站次。以冰雹出现次数作为定量表征指标，采用线性倾向法分析40年潍坊冰雹时间变化特征，利用M-K突变检验进行冰雹突变分析，应用EOF正交经验函数分析冰雹的空间分布特征。

2 冰雹时空变化特征

2.1 冰雹的时间变化特征

2.1.1 冰雹年际变化特征 图1为1971—2010年潍坊地区冰雹出现次数的时间序列变化趋势。从图1可以看出，潍坊地区冰雹出现次数最多为1996年，达24站次；出现最少的为1981年，全年未见雹。冰雹出现次数的年代分布不均匀，1970s与1990s较多，平均值分别为9.6站次、10.3站次，1980s与2000s冰雹出现次数较少，平均值分别为5.7站次、6.3站次。冰雹出现次数以-0.55站次/10 a的速度在减少，40年冰雹出现次数平均值为7.98站次/a；从5年滑动平均可知，1974—1978年、1989—1998年、2002—2005年5年滑动平均值均在线性趋势线以上，冰雹出现次数较多，1973年、1979—1988年、1999—2001年、2006—2008年5年滑动平均值均在线性趋势线以下，冰雹出现次数较少。

图1 1971—2010年潍坊年际冰雹出现次数变化

图2 1971—2010年潍坊旬、月冰雹出现次数变化

2.1.2 冰雹旬月变化特征 图2为1971—2010年潍坊地区旬、月平均冰雹出现次数。从图2可以看出，潍坊地区冰雹一般出现在3—10月，其中冰雹最早出现在1975年3月10日，最晚出现在1980年10月19日，均出现在安丘。月冰雹出现次数呈明显的单峰型，主要出现在5—7月，占冰雹出现总次数的77.74%；其中，6月最多（130天），占冰雹出现总次数的40.75%，其次是5月与7月（均为59天），占冰雹出现总次数的18.50%。11月—次年2月均未出现过冰雹。从旬变化柱状图可知，冰雹上旬存在着5—7月的主高峰和8—10月的次高峰，中旬和下旬存在着5—9月的主高峰，其中6月中旬达峰值。每年的5—7月，北方冷空气活动频繁，与来自西南的暖湿气流交汇时易导致大气层结不稳定而引起强对流天气。

2.1.3 冰雹日变化特征 冰雹是强对流天气所产生的，属中小尺度天气，一天的任何时段均可发生。图3表明潍坊地区的冰雹具有明显的日变化，潍坊地区白天（08—20时）冰雹占总冰雹次数的85.34%，夜间（20—08时）冰雹占总冰雹次数的14.66%，白天冰雹出现次数明显多于夜间。由图知，14—15时降雹百分率为12.78%，15—16时降雹百分率为14.29%，16—17时降雹百分率为13.91%，17—18时降雹百分率为11.28%，白天其余时段不足8%，由此可知，午后为冰雹多发时段，其中14—18时降雹百分率为52.26%，主要是因为午后太阳辐射强烈，气温较高，易累积不稳定能量，在中小尺度天气系统触发时易产生冰雹天气[13]。

图3 1971—2010年潍坊逐时降雹百分率

2.1.4 冰雹的气候突变分析 突变分析可以反映气候变化过程中气象要素存在某种不连续现象，可采用M-K突变检验方法[14]分析。由图4中可见，冰雹出现次数在1970s呈先增加后减小的趋势，1976年达到最多，1976年后冰雹发生次数呈减少趋势，1980s后期—1990s又呈增加趋势，21世纪主要以减少趋势为主。UF与UB曲线在±1.96的临界线内出现交点，冰雹出现次数在2008年发生突变，突变后呈减少趋势。

2.2 冰雹的空间变化特征

图4 1971—2010年冰雹出现次数的M-K突变检验

2.2.1 冰雹的空间分布 利用EOF正交经验函数分析1971—2010年9个观测站年冰雹出现次数的空间分布特征。从图5(a)中知，潍坊年冰雹出现次数分布具有明显的地域特征：由西南向东北呈递减分布，主要出现在安丘、诸城、临朐、青州等山区地带，其中安丘冰雹出现次数最多，达63站次，其次为诸城和临朐，分别为48站次和47站次，青州为32站次；潍坊东部与北部属于平原地区，降雹相对较少，其中，昌乐出现次数最少，为24站次，昌邑、寿光均出现25站次，高密、寒亭分别出现28站次、27站次，潍坊冰雹分布有着西部多于东部，南部多于北部，山区多于平原的特点。潍坊西部与南部属于山区，这种地形的热力和动力作用易触发不稳定能量释放而产生强对流天气[15-16]；北部与东部的平原地区，触发强对流条件较山区弱，冰雹出现次数相对较少。

图5(b)为1971—2010年9个观测站冰雹出现次数的气候趋势系数空间分布。由图可知，潍坊地区东部与北部的昌乐、寿光、寒亭、昌邑气候趋势系数均为正值，表明该地区冰雹出现次数呈增加趋势，且以昌乐为中心，增加趋势最大；西部与南部的临朐、青州、安丘、诸城、高密等地的趋势系数均为负值，表明冰雹出现次数均呈减小趋势，以临朐减少最明显。因此，西南部多个站点冰雹出现次数的减少对潍坊冰雹出现次数减少的贡献很大；潍坊市自开展人工影响天气以来，1990—2010年组织防雹作业共201次，对冰雹云的发生和发展也起到了一定的抑制作用。

2.2.2 冰雹空间分布类型 图6为潍坊冰雹出现次数的前8个特征向量对应的方差贡献。第1特征向量的方差贡献率达到31.87%，第2特征向量的方差贡献率达到18.52%，前2个特征量的累加方差贡献率超过50%。根据NORTH准则，前2个特征值通过了显著性检验，因此用第1、2特征向量可以较好的反应潍坊冰雹出现次数的异常空间分布特征[17]。

图5 潍坊冰雹出现次数的空间分布(a)（单位：站次）和趋势系数分布(b)（单位：站次/10 a）特征

图6 潍坊冰雹出现次数前8个特征向量的方差贡献

为了更好地分析潍坊地区冰雹发生的空间分布特征，采用EOF正交经验函数分析其多个特征向量的特征。图7(a)为冰雹出现次数EOF第1特征向量空间分布图，第1特征向量的方差贡献最大，代表1971—2010年潍坊年平均冰雹出现次数的分布状况，是潍坊冰雹空间分布的主要特征，其特征向量值在全市区域内均为正值，而且多雹区处于安丘、临朐、诸城等山区一带，少雹区位于潍坊北部和东部的平原一带，空间分布比较均匀，表现出一致性变化特征，因此全市的冰雹发生规律具有较好的空间一致性。图7(b)为冰雹出现次数EOF第2特征向量空间分布图，空间分布表现为：南部与西部为负值，最大值位于临朐县内，达-62，北部与东部为正值，最大值位于昌乐境内，达34，这种西南—东北反向特征表明冰雹出现次数在潍坊地区西南部与东北部分布相反，即西南山区冰雹多，东北平原冰雹少，这种反相特征主要是由于地形差异造成的，根据前面的分析，潍坊地区冰雹发生和分布与地形多样性有关。

3 冰雹灾害及其防御措施

图7 冰雹出现次数EOF第1(a)和第2(b)特征向量分析

冰雹是一种局地性较强的农业气象灾害，潍坊市冰雹常出现在每年的5—7月，正值农作物生长和成熟阶段，而且冰雹发生频次高，多雹区易遭受严重损失。根据冰雹发生规律和农业生产特点，潍坊市冰雹灾害对农业的主要影响有粮食、黄烟、果树和设施农业等。

3.1 冰雹对农业生产的影响

3.1.1 对农作物的影响 潍坊是一个农业大市，小麦和玉米是主要粮食作物。冰雹的多发期正值小麦抽穗、灌浆和成熟期，玉米的苗期和拔节期。冰雹常伴有狂风暴雨，常常造成小麦大面积倒伏，阻碍正常灌浆成熟，砸伤玉米的叶片及茎秆，造成减产或绝产，而且冰雹发生时，地表气温剧降，使生长作物遭受不同程度的冷害，不利于作物根系生长，影响小麦和玉米的生长发育[18-19]。据统计，1978年以来，潍坊市农作物因冰雹袭击造成的损失严重，受灾面积达45629 hm2，受灾人口174340人次，直接经济损失17.8亿元。

3.1.2 冰雹对黄烟的影响 黄烟主要种植在诸城、临朐、昌乐等地，从冰雹的空间分布看，三地属于冰雹易发地，因此冰雹对黄烟的危害最重，冰雹能打断烟株，打破烟叶，严重时造成绝收。从冰雹的旬月变化趋势知，4月下旬至8月是冰雹的多发期，正好是潍坊黄烟的整个大田生长期，黄烟还苗期（4月25日—5月8日）是冰雹开始出现的季节，苗期黄烟遭受冰雹袭击后，幼苗受伤不能正常生长，砸伤过重需要重新移栽而延误农事季节。伸根期（5月9日—31日）遭受雹灾，烟株根系的损伤会导致烟草根茎病的发生。旺长期（6月1日—7月10日）是冰雹多发期，冰雹可使烤烟叶片残破不堪，茎秆折断，造成地上与地下部生长失调，阻碍正常成熟。成熟期（7月10日—8月31日），冰雹易使叶片形成大小不等的穿孔、烂叶或掉叶，带有雹伤的叶片会降低品质和销售价格，严重雹灾很可能造成黄烟的大面积绝产，造成严重的经济损失[20]。2014年6月10日15:20，诸城市石桥子镇冰雹持续时间15 min，黄烟受灾面积达到350 hm2，成灾面积260 hm2，绝产70 hm2。

3.1.3 对果树的影响 安丘大桃、临朐大樱桃、昌乐西瓜和高密葡萄种植区属于潍坊的果品种植基地，冰雹发生在果树的营养生长期时，主要是摧残树叶影响光合作用和养分累积；发生在幼果期时，可留下伤疤，影响外观和品质；发生在成熟期时，不仅打落果实，枝叶折断，而且影响第2年的生长与结果，易遭受病虫害[18]。1998年6月16日15时临朐遭受冰雹袭击，降雹持续时间10 min，最大冰雹直径5 cm，最大积雹厚度5 cm，果树受灾面积5733 hm2，落果率达60%以上，2500多农户的果树绝产。

3.1.4 对设施农业的影响 潍坊是设施农业大市，发展规模比较大，主要是以寿光蔬菜、临朐、昌乐和高密的瓜果、青州花卉等为主的经济作物，设施农业已经成为农业增效、种植户增收的主要经济来源。冰雹出现伴随的大风对设施农业机械性破坏较大，易刮起草帘和损坏棚膜，对棚内作物的损坏程度如同对露天作物损坏，冰雹对设施农业造成的损害是严重的。1989年5月8日，寿光遭受冰雹袭击，降雹时间20 min左右，最长达40 min，积雹厚度达6 cm，雹粒一般如小枣，最大直径为4 cm，卧铺1个乡镇就有1620个塑料大棚被砸烂，1000 hm2被打烂叶子，毁坏草苫子3万多个。

3.2 冰雹防御对策

3.2.1 加强冰雹监测，提高预报预警能力 掌握冰雹天气的发生规律和天气形势特征，提高预报预测水平，探索中长期冰雹的预报方法；密切关注冰雹多发季节的天气形势，做好冰雹的短时临近预报，对可能发生的冰雹及时发布预警信号，为防灾减灾提供信息。

3.2.2 合理布局防雹作业站点，积极开展防雹作业 目前，潍坊市人工防雹高炮作业站点58处，火箭作业站点18处，在临朐、安丘、诸城、青州等冰雹多发地布置的作业站点较多，冰雹进入防护区后能及时开展防雹作业。防雹作业站点应根据潍坊各地开展的特色农业布局和冰雹分布特点，采用固定作业和移动作业相结合的方式，加大对防雹作业点的建设，同时加大人工防雹站点的人员和资金的投入力度，有效开展消雹作业。

3.2.3 改善生态环境，减少冰雹灾害 在临朐、安丘、诸城等海拔较高的山区和丘陵地带，大面积种植花草树木，增加植被覆盖率，缩小下垫面的热力差异，扰乱强对流发生，减少冰雹发生几率。在冰雹多发地带，调整产业种植结构，增种抗灾能力和恢复能力强的作物。

3.2.4 加强灾情调查，及时采取补救措施 调查了解受灾作物的品种和受灾轻重程度，根据作物生育期的要求，及时中耕松土提高地温，加强肥水管理，促进作物恢复生长[19-20]。对无恢复生长能力或绝产的作物区域，应改种生育期短的作物。设施大棚受损的应及时抢修抢建，尽快恢复作物的生长环境。

4 结论与讨论

（1）潍坊地区冰雹出现次数存在着明显的年变化，以-0.55站次/10 a的速度减少，年平均冰雹出现次数为7.98站次。年代分布不均匀，1970s与1990s较多，1980s与2000s冰雹出现次数较少。冰雹一般出现在3—10月，呈明显的单峰型，以5—7月为主，占冰雹出现总次数的77.74%。日变化明显，白天（08—20时）冰雹占总冰雹次数的85.34%，以午后型为主，14—18时出现次数多，占总冰雹次数的52.26%。潍坊冰雹的时间变化特征与符琳等[6-9]对北方冰雹时间序列变化的研究结论一致。潍坊冰雹自2008年开始发生突变，突变后呈下降趋势，突变时间较李韬光等[9-10]研究的结果较晚，具体原因有待进一步探讨。

（2）潍坊地区冰雹出现次数的分布具有明显的地域特征，由西南向东北方向递减分布，多雹区主要分布在临朐、安丘、诸城等地，平原地区冰雹较少，多雹区发生在山区，这与杨贵名等[9-11]研究一致，说明冰雹的发生受地形影响。通过EOF特征向量分析，第1特征向量表明冰雹空间分布表现出一致性变化特征，第2特征向量表明冰雹的分布呈现西南—东北反向特征。

（3）潍坊是农业大市，冰雹灾害的频发对粮食、黄烟、果树和设施农业等造成严重的经济损失。为有效降低冰雹带来的气象灾害，要加强冰雹的预测预警水平，利用防雹作业站点有效开展人工消雹作业，通过增加植被覆盖率，降低冰雹发生几率，对受灾后的农作物要采取多种措施予以补救。

（4）本研究选取的冰雹观测资料不包含各地灾情资料，考虑冰雹发生的局地性特点，如果结合冰雹灾情资料进行分析结果可能更好。地形对冰雹的影响、冰雹与天气环流的关系等，是今后主要研究的内容。