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罗马尼亚冰雹气候与趋势：1961-2014

SORIN BURCEA；ROXANA CICA；ROXANA BOJARIU

摘要：罗马尼亚冰雹事件的气候和趋势是使用1960至2014年间的冰雹数据所呈现的。来自气象站的冰雹观测资料和模型再分析数据用于记录冰雹事件的空间和时间分布，变化性和冰雹事件的环境。结果表明，冰雹在山区发生最多，而在东南部每年的冰雹日平均数最小。在这里，对流季节被定义为4月 - 9月，这是鉴于所有月平均冰雹天数的94.2％在此期间被确定。在对流季节期间，冰雹事件占主导地位，其中大部分发生在1000到1800 UTC之间的下午和傍晚时段。总体而言，强冰雹事件发生在1400和1600 UTC之间，而西南部的强冰雹发生在1600到1900 UTC之间。对流参数的空间分布与冰雹日的空间分布一致，这表明冰雹不仅在罗马尼亚东南部不受欢迎，在全国其他地区也是一样。每年平均冰雹天数趋势分析显示，所有台站中有55.2％呈上升趋势，3.8％呈现统计显著性下降趋势，而40.9％无统计学意义。每年冰雹日的变化与由大西洋起源的低压系统的发生变化之间存在着相关性，后者产生在地中海的低压力系统，为东欧供应对流所需的潮湿空气。

1.介绍

产生大雨，阵风，冰雹和闪电的对流风暴对社会经济活动产生重大影响。此外，灾害风险管理和减缓过程不仅需要考虑利益相关者的活动，如果一个区域容易出现自然灾害现象，还要考虑各种自然灾害的问题。雹暴对农业，基础设施和车辆（Hohl等2002）带来了高风险，在某些情况下导致估计数百万欧元的重大损失（Kunz和Puskeiler 2010）。因此，开发了冰雹气候和趋势，允许识别受冰雹影响的地区，冰雹频率，季节性以及冰雹强度。

最近，据报道有破坏性的雹暴，并为世界不同地区，包括欧洲，亚洲，非洲，北美和南美洲以及澳大利亚开发了冰雹研究。这些研究使用从点测量获得的数据，如气象站和测雹板，还有来自保险损失数据和遥感（气象雷达数据）。在欧洲，大多数国家都存在冰雹气候学或与冰雹有关的研究。其中一些在下文提到，重点是南欧东南欧和罗马尼亚的邻国。然而，在Punge和Kunz（2016年）可以发现对欧洲冰雹观测和雹暴特征的综合评估。

欧洲严重风暴实验室（ESSL）根据2000 - 07年期间的欧洲大冰雹（gt; 2厘米）报告，制定了初步气候学[Fig. 13 in Hand and Cappelluti (2011)]。尽管这个气候学倾向于大量的观测。

德国在2005年之前，可能会看到比利牛斯山脉，阿尔卑斯山脉和罗马尼亚附近的频率峰值，以及60°N以北的频率迅速下降。Pocakal et al. (2009)根据1981 - 2006年期间在全国大陆收集的冰雹资料分析了克罗地亚地形特征对冰雹特征的影响。他们的结果表明，在西部（丘陵）部分地区发现了最多的冰雹日，而东部（大致平坦的）部分的特征在于最小雹日数。对于摩尔多瓦，在一项专注于人工防雹的研究中，Potapov等人 （2007）指出，最严重的雹暴发生在北部高原和中部高地地区。 根据Simeonov（1996）的说法，根据可追溯到1888年的保险记录，保加利亚频繁发生冰雹天气并且冰雹对农业的伤害每年定期在54-99天。对于塞尔维亚，Curic和Janc（2016）发现，在塞尔维亚西部丘陵地区，在Morava山谷附近发现了一个冰雹点频率最大值（2.4），由235个站点的冰雹报告网络确认。Cicaet al. (2015) 对罗马尼亚南部一个地区的严重雹暴和冰雹风险进行了评估，使用了52个冰雹事件和雷达测量的损伤数据，结果表明，受冰雹影响的地区可以很好地被雷达变量的足迹和幅度捕获。

在北美，Cintineo等 （2012）发表了一项关于多雷达多传感器（MRMS）算法的连续美国高分辨率冰雹气候学研究，利用NOAA国家严重暴风雪实验室（NSSL）的遥感暴风雨数据（MYRORSS）数据集 ）。数据集跨越42个月（2007-10年），结果显示，大平原的年度流量大幅度上涨，美国东南部的次要最大化次数减少。在南美洲，Mezher等人 （2012年）在1960 - 2008年间建立了阿根廷的冰雹气候学，使用气象站的冰雹数据记录; 在夏季月份观测到最高冰雹频率，而全国西北部和东北部每年冰雹日数呈上升趋势。在澳大利亚，根据1791年至2003年的冰雹报告，新南威尔士州（NSW）的冰雹气候学由Schuster等人开发。 （2005）。

他们的研究结果表明，新南威尔士州10月至2月（澳大利亚春季和夏季）的雹灾最为频繁，11月和12月达到高峰，新西兰飓风大多数发生在当地时间下午15时至19时，雹灾 在悉尼发生大约1小时前。

本文提出的研究将上述研究的科学方法和研究结果扩大到罗马尼亚，确定了例如强冰雹日的空间分布和冰雹事件的发生时间，月度和小时分布， 或冰雹事件的趋势。因此，本文的目的是通过在罗马尼亚提供全面的冰雹气候和趋势，为欧洲冰雹的气候学做出贡献。这项研究还将有助于更好地了解欧洲当前气候变化的重要性和可能的影响。虽然罗马尼亚有悠久的气象观测历史，可追溯到1884年，但尚未对国际研究界进行详细的气候学研究和冰雹趋势。目前罗马尼亚的冰雹气候学（Marcusi 2008）是使用在1961 - 2000年期间气象台记录的数据进行的，非常笼统，仅显示了每年平均冰雹天数的空间分布图。这表明，就罗马尼亚总体而言，平均每年冰雹日数小于2天，罗马尼亚东南部最低（0.2天），罗马尼亚西部最大（gt;8天）。因此，有必要扩大努力，包括更多的空间分析，并利用所有现有观测资料更新罗马尼亚目前的冰雹气候学，同时考虑到冰雹附加特征的分析（例如直径，发生时间）。本文的另一个目的是调查冰雹的空间分布与对流参数（例如，对流可用势能，冻结水平高度）之间的关系，并评估罗马尼亚冰雹的统计学显著长期趋势是否存在。

本文的结构如下。 第2节描述了数据集和方法，结果在第3节的不同部分（冰雹气候学，冰雹趋势和与罗马尼亚冰雹变化率相关的物理机制）中有详细介绍。结论在第4节中给出。

1. 数据和方法
2. 数据

为了达到这项研究的目标，使用了来自气象站的观测资料和再分析资料。早在1884年，罗马尼亚国家气象局就有冰雹数据记录。因此，第一步是收集和构建一个大型时空数据集，其中包括来自149个气象台超过54年（1961-2014年）的数据。然而，由于测量位置的改变，某些时期的测量中断或导致数据不可靠的其他问题，有些记录不完整或缺乏同质性。

本研究中使用的观察性冰雹数据以罗马尼亚地表观测网的气象站的观察员手动和日常记录，每小时记录一次。冰雹记录包括发生时间，持续时间和冰雹最小和最大直径（使用尺子测量）的信息。 在这项研究中，直径是指冰雹的最大直径。世界气象组织的指导（WMO 2008）使用了最小5毫米的冰雹尺寸，导致了一个数据集，其中包括在1961-2014间105个气象站（选自149个站中）的数据。冰雹观测的局限性，特别是需要考虑相关的缺失数据和观察者所造成的误差。虽然冰雹事件的发生时间可以准确，但是由于各种原因（例如，在进行测量之前熔化），较大的冰雹可能已经下降到地面并且观测者没有考虑到直径测量可能存在偏差。

考虑到冰雹参数的风暴尺度变异性时，考虑到特定天气现象的大小（例如，最大冰雹大小），如果对风沙尺度变化的考虑不足，这种偏差就会出现（Edwards和Thompson 1998; Witt et al。1998; Morgan and Towery 1975）。在本文的分析中，如果在一个月内缺少超过1天的观察次数，则该月被标记为缺少数据。包含少于10％缺失数据记录的车站已被包括在内，在分析中，为了更好的空间覆盖。因此，从选定站（105个）的总数来看，18个站点的数据不足5％，13个站点的数据缺失在5％到10％之间。

图1. 罗马尼亚的地图，包括地形，多瑙河及其三角洲（位于东南部），

以及105个气象站（点），冰雹记录为1961年至2014年的54年。

105个气象站和罗马尼亚地形的位置如图所示。图1.东南部有最低海拔（lt;10 m MSL），即多瑙河三角洲（见图1附近黑海），而最高的山峰（2544米MSL）位于法国南部喀尔巴阡山脉（图1的山脉南部）。图1显示了罗马尼亚气象站的统一空间分布。

再分析数据（二十世纪再分析V2）已被用于研究分析期间造成冰雹事件时空变率的物理机制。这些数据来自地球系统研究实验室（ESRL）的物理科学部门（PSD），国家海洋和大气管理局物理科学部（NOAA），以及博尔德和科罗拉多州的网站上（http://www.esrl.noaa.gov/psd）（Compo等2011）。本文分析的参数是基于表面的对流可用势能（CAPE），最低100 hPa（q）的比湿度，冻结高度（FLH）和云可沉淀水（CLDWTR）。这些参数提供了有关对流和冰雹形成发生所需的大气不稳定性的信息（Doswell等人，1996; Brooks等人，2007）。

b.方法

对于单站，雹日被定义为观察和记录至少一次冰雹事件的一天，每年的平均（严重）冰雹天数被定义为54年（严重）冰雹日数之和除以54。一个强雹日被定义为至少在一个站点上冰雹测量超过15毫米的雹日。每月（小时）冰雹频率等于整个54年的特定月份（小时）的平均冰雹天数（事件），而强雹事件的平均发生时间是对冰雹事件发生次数进行平均而得到的。对于给定的车站，如果一天内有多个冰雹事件，那么只有一个事件被保留到每年的冰雹日的趋势计算中，以避免对该车站记录的冰雹日的误算。

每个平均冰雹天数的空间分布分两步进行：首先，对每个台站计算每年的平均冰雹日数，其次，使用反向距离加权（IDW）算法在50公里分辨率网格中内插间隔不规则站数据。IDW算法（Shepard 1968）是用于分散点集合的多元插值的确定性方法，通过计算已知值的加权平均值，将这些点分配给未知点。

在本研究中，分析了105个覆盖罗马尼亚的气象站的长期趋势。使用非参数Mann-Kendall的统计检验（Mann 1945; Kendall 1975），以95％的置信水平设置进行了趋势意义。然后趋势被归类为1）上升趋势，2）下降趋势，3）平坦（无）趋势。回归期是根据适用于每年为全国（105个站点）选择的年度最大冰雹直径的直方图的广义极值（GEV）分布计算的。极值理论能够分析水文和气候学中分布的尾部行为。GEV分布跨越与Freacute;chet，Weibull和Gumbel分布相关联的三个主要尾部行为类型。在这里，回归期是根据适用于最大年冰雹直径（每年在全国选择）的直方图的GEV分布计算的，参数k = -0.03255,sigma;=13.469, and micro;=26.986。由于冰雹直径缺失观测的范围，可用标准测量方法绘制气象站位置的返回时间是不可能的。

处理再分析数据，以获得在1961-2012年期间上述对流参数平均值的空间分布。

从完整的再分析数据集，只记录与记录冰雹日期相对应的网格，以进行分析。对于每个冰雹日，所有网格点都被保存，但不仅包含冰雹事件的网格点。由于大多数冰雹事件发生在4月至9月和约1200 UTC（参见图7-8）期间，在该月份间隔内，当冰雹直径大于15mm的至少一个冰雹事件发生时，再分析值仅为1200 UTC在每个网格单元格中保留并平均。在CAPE和CLDWTR领域可用，而q在最低100hPa和FLH中计算。从对应于1000，950和900hPa水平的网格中提取比湿度，然后对这些层进行平均，得到单个网格。通过在每个网格点的温度垂直分布的反向插值来计算FLH，以找出0°C的位势高度等温线（Harris et al。2000）。

图2. 1996 - 2014年期间每年平均冰雹天数的空间分布。

黑色轮廓线显示地形高于500米的地区。

1. 结果和讨论
2. 气候学和冰雹事件的趋势

在54年的时间（1961-2014）里，罗马尼亚每年平均冰雹日的空间分布如图2所示。给定用于构建冰雹天空间分布的方法（即空间插值），图2中的模式应被认为仅表示大规模分布，因为内插值在特定位置（除执行观察的位置之外）不一定有效。

每年平均冰雹日的空间分布显示罗马尼亚东南部和东部地区的最低值，而全国其他地区的冰雹天数的平均值增加，而且地形的高度也在增加。南，东，西部山区平原的平均值为0.5-1.5个冰雹日，而山坡和高峰期的平均多年冰雹天数在2〜11之间。在东南部，黑海附近，最低值为0.3，最大值为11.8，发现于罗马尼亚西北部的山区。这些点值在图2中不清楚，因为50公里的网格插值。分布在山区呈现高梯度，表明地形相关的地理分布。

空间分布显示从东南向西北方向平均冰雹大小增加（图3），罗马尼亚东南部的特征是平均冰雹尺寸在5至9.5毫米之间，而在全国其他地区的大部分面积上平均冰雹直径范围为9.5 到14毫米，在一些孤立区域最多为18.5-20毫米。最大冰雹直径和平均冰雹直径空间分布（图4）是相似的。观察到该国南部和北部之间的空间划分。 南部描绘了10至30毫米的最大冰雹尺寸，西南部有孤立的区域，最大尺寸可达40-45毫米。在北部的大面积地区，最大冰雹直径在25至45毫米之间，西北部山区最高55-60毫米。

图3.平均冰雹直径在1961-2014年间的空间分布。 图4.1961-2014年期间最高冰雹直径的空间分布。

黑色轮廓线显示地形高于500米的地区。 黑色轮廓线显示地形高于500米的地区。

每年平均强冰雹天数的空间分布（图5）显示东南部最小值（lt;0

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