马凤莲， 刘园园， 李春强
(1.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021; 2.河北雄安新区气象局，河北 雄安 071700；
3.河北省承德市气象局，河北 承德 067000；
4.河北省气象科学研究所，河北 石家庄 050021)
2018年4月,党中央、国务院批复的《河北雄安新区规划纲要》[1]中明确指出,雄安新区作为北京非首都功能疏解集中承载地,其规划建设坚持生态优先、绿色发展理念,构建蓝绿交织与和谐自然的生产、生活、生态空间格局,到2035年,将其建成人与自然和谐共生、高水平的社会主义现代化新城,到21世纪中叶,雄安新区将成为京津冀世界级城市群中的重要一极.气象与新区的规划建设、生态文明建设、城市安全运行息息相关.在全球气候变化背景下,气象灾害强度、频度、影响程度将不断增大,且雄安新区在未来的建设、运行、发展中对水资源的需求也会日益加大,科学掌握本地长期以来的降水变化趋势,将有利于促进雄安新区在自然环境承载范围内优化资源配置,及早应对干旱、洪涝等气象灾害风险,为雄安新区建设与规划决策提供辅助依据,实现与京津冀地区的可持续发展.
近年来,京津冀地区气候变化受到专家学者们的广泛关注[2-4].大量研究结果显示,近60 a京津冀地区降水量年际变化较大,且呈现不显著的下降趋势,降水天数亦呈显著下降趋势,但单次降水量呈增加趋势[5],而年平均降水量下降趋势的主要贡献来源于夏季降水量的显著减少[6],从而也进一步反映出京津冀地区干旱化趋势明显[7-8].针对极端降水研究显示,京津冀地区年平均极端降水日数为3.0～4.0 d,7，8，10月极端降水较活跃,年平均极端降水强度在大雨到暴雨之间,平均极端降水量为103.6～259.1 mm,极端降水量对总降水量贡献超过28 %[9]；
京津冀大部分地区暴雨量呈减少趋势,且在1980年发生显著突变,2000年以后暴雨量进一步减少,暴雨量及暴雨频次沿地形呈东南多、西北少的分布型[10]；
1961—2012年京津冀地区全区域多年平均暴雨日数为1.3 d,暴雨日数呈不显著下降趋势[11]；
自2000年初以来,京津冀地区9月降水明显增多,夜间至凌晨持续性降水事件强度和次数都在增加,其中降水强度引起的雨量增量对降水量增加贡献更大[12].而局地区域性气候由于受自然条件、地形和局地人为因素的影响,也呈现出特有的变化特征.例如：20世纪70年代初期之后，天津市市区雨岛效应更加明显[13]；
北京地区年降水量具有大尺度变化特征,城市化缓慢期，城市对降水影响不明显,而城市快速发展期，城市则表现出明显的雨岛效应[14-15],城市雨岛的年际变化与北京地区年降水量的年际变化趋势相反；
城市雨岛的变化还与天气过程强弱有关,当天气过程强(涝年)时,北京市市区雨岛增强,当天气过程弱(旱年)时,北京市市区雨岛消失[16]；
河北省1988—2017年降水年际变化呈上升趋势,其中夏季降水呈减少趋势,春季、秋季、冬季的降水均呈增加趋势,且秋季降水呈显著增加趋势[17].
目前对降水变化的研究大多集中在全国[18-20]、华北[21-23]、京津冀等大区域范围或省级[24-25]区域范围,其平均气候状态有可能掩盖小区域特有的气候变化特征.雄安新区建设尚处于起步阶段,在其未来的建设、运行、发展中会经历从农村到城市的巨大转变,势必导致其局地气候发生变化.因此,详细研究雄安新区局地气候变化的独特性具有重要的实际意义.
1.1 研究区域概况
河北雄安新区地处太行山东麓、冀中平原中部、南拒马河下游南岸,位于大清河水系冲积扇上,属太行山东麓平原向冲积平原的过渡带.全境西北较高、东南略低,自然纵坡千分之一左右,为缓倾平原.雄安新区规划范围包括河北省雄县、容城、安新3县行政辖区及周边部分区域,新区规划建设以特定区域为起步区先行开发,起步区面积约为100 km2,中期发展区面积约为200 km2,远期控制区面积约为2 000 km2[1].
1.2 资料来源
气象资料来自河北省气象信息中心,包括雄安新区辖区内3个气象观测站(容城、安新、雄县)1969-2018年逐日降水量、各级降水日数等数据,为更准确反映雄安新区一日最大降水量的极端值特征,一日最大降水量及出现月份的统计年限分别为3个气象观测站自建站以来的观测数据,即安新1960—2018年、容城1968—2018年、雄县1974—2018年.
1.3 研究方法
雄安新区年、季、月平均降水量均为雄安新区辖区内3个气象观测站降水量的平均值,一日最大降水量及出现月份为3个县气象观测站的单站观测资料.用气候倾向率法[26]估算各气候要素的长期变化趋势,即
Xi=ati+b.
(1)
式中：Xi表示样本量为n的某气象变量;ti表示Xi所对应的时间;a为回归系数;b为常数项.a和b用最小二乘法进行估计,以a的10倍作为每10 a气候倾向率.a<0表示气候要素随时间的增加而减少,a>0则表示气候要素随时间的增加而增加.采用Pearson相关系数法进行变化趋势的显著性检验.
采用Mann-Kendall突变检验法进一步检验年、季降水量的变化趋势和突变性.Mann-Kendall突变检验法的优点是样本可不遵从特定的分布,且可以检验较宽的范围,不受个别异常值的干扰,人为干扰性也比较少,同时可以明确突变的区域、突变开始的时间,具有较高的定量化程度[26].Mann-Kendall突变检验中,UF为时间正序统计量曲线，UF值>0表示序列呈增大(增多)趋势,UF值<0则表示序列呈减小(减少)趋势,当超过临界线(信度为0.05的显著性水平临界线为±1.96)时,则表示变化趋势显著；
UB为时间逆序统计量曲线；
UF与UB曲线在信度线内的相交点即为检验样本序列可能的突变点[26].
采用Morlet小波分析法研究年、季降水量的周期变化特征，该方法在时域、频域上具有局部辨识力,可诊断出降水序列变化的多层次特征,进而得到周期变化在不同时间尺度上的详细信息[26].
2.1 降水量时间变化特征
2.1.1 年降水量
近50 a(1969—2018年)河北雄安新区降水量的年际变化较大(见图1),降水量最多达868.8 mm(1988年),最少为258.2 mm(1975年),多年平均降水量为499.9 mm.总体上分析,雄安新区近50 a降水量呈减少趋势,但减少趋势并不显著,平均每10 a减少5.1 mm.从5 a滑动平均曲线及年代平均降水量计算结果可以看出,年降水量存在较明显的年代际变化：20世纪70，90年代和近10 a降水量较常年偏多；
20世纪80年代、21世纪00年代降水量偏少；
相对其他时期,20世纪90年代降水量最多,平均为533.3 mm；
21世纪00年代降水量最少,平均为450.9 mm.相对50 a平均降水量,雄安新区年代际降水量表现为“多—少—多—少—多”的波动变化.但2000年以来,降水量呈波动增加的趋势,平均每10 a增加85.7 mm,气候倾向率通过信度水平为0.05的显著性检验.
图1 1969—2018年雄安新区逐年降水量变化
2.1.2 季降水量
近50 a春季降水量呈波动增加趋势(见图2a),但增加趋势不显著,平均每10 a增加3.8 mm.春季最多降水量为140.7 mm(1990年),最少降水量为11.3 mm(1974年),春季降水量变幅较大,最多值与最少值相差129.4 mm.从年代际变化来看:20世纪70年代初～20世纪80年代末,春季降水量呈增加趋势；
20世纪80年代平均降水量比20世纪70年代多21.2 mm；
20世纪90年代平均降水量最多,达66.2 mm；
21世纪以来,春季降水量呈减少趋势,但减少幅度不大.
近50 a夏季降水量整体上呈减少趋势(见图2b),但减少趋势不显著,平均每10 a减少17.6 mm.夏季降水量的年际变化幅度也较大,最大为673.2 mm(1988年),最小为155.3 mm(2003年),变幅达517.9 mm.年代际变化：20世纪70,90年代夏季降水量较常年偏多;20世纪80年代、21世纪初的2个年代降水量偏少；
21世纪00年代夏季降水量最少,较20世纪70年代少133.4 mm；
近10 a夏季降水量有所增加,平均降水量为336.9 mm,但仍较常年略偏少.夏季降水量在5个年代中表现为“多—少—多—少—多”的特征,与年降水量的年代际变化趋势一致.
近50 a秋季降水量呈增多趋势(见图2c),平均每10 a增加8.8 mm,增多趋势并不显著.秋季降水量的年际变化幅度较大,最大为180.9 mm(2003年),最小仅为8.4 mm(1979年),变幅达172.5 mm.秋季降水量的年代际变化：20世纪70，80年代较常年偏少；
20世纪90年代以来则较常年偏多,尤其是近10 a平均降水量达102.3 mm,较常年多24.3 %,较20世纪70年代多56.7 %.
近50 a冬季降水量呈减少趋势(见图2d),常年平均降水量为9.8 mm,其年际变化较大,冬季最多降水量为34.5 mm(1978年),是常年平均值的3.5倍,近50 a中有5个 年份降水量大于20.0 mm,较常年多100 %.冬季最少降水量为0 mm,且有16个年份冬季降水量在5 mm以下,较常年少近50 %.冬季降水量年代际变化:20世纪70年代及21世纪00年代较常年偏多;20世纪80,90年代及21世纪10年代较常年偏少,近10 a平均降水量为8.0 mm,较常年少18 %.
a.春季；
b.夏季；
c.秋季；
d.冬季.
一年四季中,夏季降水量最多,为350.2 mm,占全年降水量的70.1 %;其次是秋季和春季,分别为82.3,57.3 mm,占全年降水量的16.5 %和11.5 %；
冬季降水量最少,为9.8 mm,仅占全年降水量的2 %(见图3).
图3 雄安新区1969—2018年季平均降水量
2.1.3 月降水量变化
近50 a雄安新区月平均降水量如图4所示：1月降水量最少,仅为2.2 mm；
1～7月降水量逐月增多，7～12月降水量逐月减少;7月降水量最多,为164.3 mm,占全年降水量的32.9 %;8月次之,降水量为120.2 mm,占全年降水量的24 %.
图4 雄安新区1969—2018年月平均降水量
2.2 降水量突变检验
气候突变现象普遍存在于气候系统的各要素中,为进一步研究雄安新区近50 a降水量变化特征,采用Mann-Kendall统计分析方法对降水量进行趋势分析和突变性检验,分别绘制出年、季降水量的正向序列(UF)、反向序列(UB)统计量曲线,并给定了显著水平为0.05的临界值，即±1.96.UF曲线超过临界值,表示降水量上升或下降趋势显著,若UF,UB统计量曲线在临界线之间出现交点,则该交点对应的时刻即可能为突变开始的时间.同时需要明确,在用Mann-Kendall法判断突变点时,必须在UF线超出临界线的前提下,临界线内UF,UB曲线的交点才可认定为突变点[27-30].
2.2.1 年降水量突变检验
图5给出了1969—2018年雄安新区年平均降水量Mann-Kendall统计量曲线.UF曲线变化表明,雄安新区近50 a年降水量的变化趋势存在年代际特点,即20世纪70年代降水量波动减少后呈增加趋势、20世纪80年代呈减少趋势、20世纪90年代呈增加趋势、21世纪00年代一直呈减少趋势、21世纪10年代末呈现上升趋势(UF值>0).虽然在±1.96临界线之间UF和UB曲线多次相交,但是UF始终未超出临界线,说明降水量的阶段性增加或减少趋势均不显著,近50 a年降水量的变化没有发生突变现象.
图5 1969—2018年雄安新区年降水量Mann-Kendall统计量曲线
2.2.2 季降水量突变检验
春季降水量Mann-Kendall统计量曲线显示(见图6a)：1969—1982年,除1970，1979年UF值>0外,其余时段UF值<0,表明该时段春季降水量以减少趋势为主；
1983—2018年UF值>0,表明该时段春季降水量为增多趋势，其中1990—1993年UF超出临界线,呈现短暂的显著增多趋势.UF，UB在临界线内分别相交于1978，2016，2017年,综合春季降水量年际变化曲线判定，1978年为春季降水量由减少趋势转为增多趋势的突变点.
夏季降水量Mann-Kendall统计量曲线显示(见图6b)：除1974，1977—1980，1995—1996年夏季降水呈现短暂的增多趋势外,近50 a雄安新区夏季降水量大部时段呈不显著的波动减少趋势.UF，UB在临界线内虽然有多个相交点,但UF始终未超出临界线,所以夏季降水量的波动变化趋势不存在突变现象.
秋季降水量Mann-Kendall统计量曲线显示(见图6c)：1969—1990年UF值<0,表明该时段降水量呈减少趋势,且1984年呈短暂的显著减少趋势；
1991—2018年UF值>0,秋季降水量呈增多趋势,其中2013—2018年呈显著增多趋势.UF，UB在临界线内相交于1990年,由此判定雄安新区近50 a秋季降水量由减少趋势转为增多趋势的突变点为1990年.
冬季降水量Mann-Kendall统计量曲线显示(见图6d)：雄安新区近50 a冬季降水量的变化趋势大致分为3个阶段,即1971—1981年呈增多趋势、1982—2002年呈减少趋势、2003—2018年呈增多趋势，各阶段的增多或减少趋势均未达显著性水平.UF,UB在临界线内虽然有多个交点,但UF始终未超出临界线,所以冬季降水量的波动变化趋势不存在突变现象.
a.春季；
b.夏季；
c.秋季；
d.冬季.
2.3 降水量周期变化
2.3.1 年降水量
由近50 a年降水量的Morlet小波分析结果(见图7)可知，雄安新区年降水量存在3个明显的特征时间尺度的周期振荡,分别是3～5，9，16～18 a.其中：3～5 a周期在20世纪90年代中期以前表现较强,在20世纪90年代中期以后表现较弱；
9 a周期贯穿整个研究时段,且在20世纪70年代～21世纪00年代中期周期振荡稳定；
16～18 a时间尺度的周期振荡贯穿整个研究时段,且表现比较稳定.雄安新区近50 a大致经历了几次干湿交替：1969—1974年为降水偏少期，1975—1980年为降水丰沛期;1981—1990年为降水偏少期，1991—1995年为降水丰沛期;1996—2005年为降水偏少期,2006—2015年为降水丰沛期；
2016—2018年处于降水偏少期.分析发现,干湿交替过程中,降水偏少期较降水丰沛期持续时间长.
图7 1969—2018年雄安新区年降水量小波变换系数及方差
2.3.2 季降水量
由图8 a可知,雄安新区近50 a春季降水量存在4个明显的特征时间尺度的周期振荡,分别是4，6，10，23 a左右.其中：4 a周期在20世纪80年代中期以后表现较强；
10 a周期贯穿整个研究时段,且周期振荡稳定；
23 a左右特征尺度虽然呈现比较强烈的振荡,但由于研究的序列总长度仅50 a,所以23 a左右特征尺度还有待更长的时间序列进行验证.
由图8 b可知,雄安新区近50 a夏季降水量存在4个明显的特征时间尺度的周期振荡,分别是3～4，6，9～10，16 a左右.其中：3～4 a周期在20世纪90年代中期前表现较强；
6 a周期在20世纪90年代以后表现较明显；
9～10 a周期贯穿整个研究时段,且周期振荡相对稳定；
16 a左右特征尺度呈现比较强烈的振荡.
由图8 c可知,雄安新区近50 a秋季降水量存在4个明显的特征时间尺度的周期振荡,分别是4，5，13，21 a左右.其中:20世纪80年代中期以前4 a周期明显；
进入21世纪，5 a特征尺度表现明显；
13 a周期贯穿整个研究时段,但振荡信号较弱;21 a左右特征尺度振荡强烈,但还有待更长的时间序列进行验证.
由图8 d可知,雄安新区近50 a冬季降水量10 a以下时间尺度周期表现较为复杂,以4 a特征尺度为主,11 a周期贯穿整个研究时段,且振荡信号较强.
a.春季；
b.夏季；
c.秋季；
d.冬季.
2.4 一日最大降水量变化特征
将该区域内3个气象观测站自建站以来的一日最大降水量分别进行统计,以更准确反映雄安新区一日最大降水量的极端值特征,3个气象站一日最大降水量及出现月份的统计年限：安新1960—2018年,容城1968—2018年,雄县1974—2018年.
由图9可见,建站以来3个观测站一日最大降水量多为40～100 mm.一日最大降水量≥50 mm的有129站次,占总站次的83.2 %；
≥80 mm的站次占总站次的35.5 %；
16.1 %的站次一日最大降水量≥100 mm；
5.8 %的站次≥150 mm；
≥200 mm的站次占总站次的1.9 %.
图9 1960—2018年雄安新区一日最大降水量逐年变化情况
同一年3个观测站的一日最大降水量也有较大差异.1991年7月28日，雄县降水量为263.4 mm,为雄安新区区域内有气象资料以来出现的一日最大降水量的最大值,同日容城、安新降水量分别为93.6，129.8 mm,亦为1991年2县的一日最大降水量的最大值.2016年7月20日，全区范围普降特大暴雨,安新、容城、雄县降水量分别为214.0，205.3，178.6 mm.1999年7月31日容城日降水量为29.8 mm,为雄安新区区域内一日最大降水量的最小值,同年安新、雄县一日最大降水量分别为41.6 mm(7月20日)和39.4 mm(7月31日).可见,雄安新区降水量时空分布不均特征明显.
由雄安新区3个气象观测站逐年一日最大降水量出现的月份统计结果(见图10)可知,一日最大降水量出现在5～10月,其中7，8月出现次数最多.1960—2018年雄安新区区域内3个气象站累计155个一日最大降水量数据表明(见表1),71站次出现在7月,53站次出现在8月,7～8月出现年一日最大降水量的概率达80 %;5月仅出现1站次,即雄县1984年5月11日降水量达88.7 mm,为有气象资料以来雄安新区在5月出现的年一日最大降水量;容城1968年10月6日降水量为71.6 mm,为雄安新区10月出现的年一日最大降水量.
表1 1960—2018年各月出现年一日最大降水量的数据统计结果
图10 1960—2018年雄安新区一日最大降水量出现月份统计结果
综上分析,雄安新区日最大降水量主要出现在6～8月,该期间出现暴雨的概率较大,但5，9，10月出现暴雨的年份也较常见,所以主汛期前后仍需关注暴雨灾害风险.
2.5 降水日数变化特征
以容城县为代表,分析雄安新区1969—2018年逐年降雨日数和各级降水日数变化特征,结果见表2.近50 a降雨日数呈显著减少趋势,平均每10 a减少5.3 d,降雨日数减少趋势通过信度水平为0.01的显著性检验.近50 a,除日降水量≥0.1 mm和≥5.0 mm日数呈增加趋势外,其余各级降水日数均呈减少趋势,但各级降水日数的气候变化趋势均未通过显著性检验.
表2 1969—2018年雄安新区容城县各级降水日数统计结果
雄安新区近50 a平均降雨日数为81.4 d,雨日最多时为121 d(1990年),最少时为61 d(2014年).日降水量≥0.1 mm日数为63.5 d,≥10.0 mm(中雨)日数平均为14.5 d,≥25.0 mm(大雨)日数为5.3 d,≥50.0 mm日数仅为1.4 d，出现中雨以上量级的降水日数明显偏少.结合一日最大降水量分析结果可知,雄安新区近50 a出现大雨,特别是暴雨(日降水量≥50.0 mm)的日数较少,但日最大降水量最多时达263.4 mm,近50 a日降水量≥100.0 mm的日数共8 d,日降水量≥150.0 mm的日数共2 d,所以雨日显著减少、暴雨日数少不代表由暴雨带来灾害的风险小.
3.1 结 论
1)近50 a,雄安新区年降水量呈减少趋势,且存在较明显的年代际变化；
春季、秋季降水量呈波动增加趋势,夏季、冬季降水量则呈减少趋势,年、季降水量的变化趋势均未达显著性水平.1969—2018年平均年降水量为499.9 mm,夏季降水量占全年降水量的70.1 %.降水量最少和最多月分别为1月和7月,平均降水量分别为2.2，164.3 mm.
2)雄安新区年、夏季、冬季降水量的年际变化趋势均不存在突变现象,春季、秋季降水量年际变化则呈现出由减少趋势转为增多趋势的突变,突变点分别为1978,1990年.
3)雄安新区年降水量存在3～5,9,16～18 a特征时间尺度周期振荡,9,16～18 a周期振荡贯穿整个研究时段.近50 a,雄安新区大致经历了3次干湿交替,降水偏少期较降水丰沛期持续时间长.春季、夏季降水量均存在3～4,6,9～10,16 a左右周期振荡；
秋季降水量4～5,13 a特征尺度表现明显；
冬季降水量10 a以下时间尺度周期表现较为复杂,以4 a特征尺度为主,11 a周期贯穿整个研究时段.
4)雄安新区降雨日数呈显著减少趋势,平均每10 a减少5.3 d,50 a平均降雨日数为81.4 d.日降水量≥0.1 mm和≥5.0 mm日数呈增加趋势,其余各级降水日数均呈减少趋势,但各级降水日数的气候变化趋势均未通过显著性检验.一日最大降水量最大值和最小值分别为263.4，29.8 mm,一日最大降水量出现在5～10月,其中6～8月出现次数最多.
3.2 讨 论
1)雄安新区降雨日数呈显著减少趋势,出现大雨,特别是暴雨(日降水量≥50.0 mm)的日数也呈减少趋势,但单日降水量最多时达263.4 mm,仅容城县近50 a日降水量≥100.0 mm的日数就有8 d,日降水量≥150.0 mm的日数共有2 d,虽然雨日显著减少、暴雨日数较少,但由暴雨带来的灾害性风险仍存在,5，9，10月出现暴雨的年份也较常见,所以在主汛期前后仍需关注暴雨灾害风险.
2)雄安新区位于京津冀地区中部,研究结果显示,近50 a雄安新区降水量、降水日数变化趋势与京津冀区域[5-6，11]及河北省[24，31-32]变化趋势一致,均呈不显著减少趋势,且夏季降水量减少幅度大.从近50 a年、季平均降水量对比分析结果看(见表3),雄安新区年平均降水量略高于河北省平均值,但较京津冀区域少38.1 mm,4个季节平均降水量均低于河北省及京津冀平均值.向亮等[31]对1961—2011年河北省降水变化研究指出,河北省年、季降水量主要存在2～3，3～4，4～6 a等小尺度振荡周期,本研究显示雄安新区除存在3～5 a小尺度周期外,还存在明显的9，9～10，11 a的中尺度周期振荡.河北省年降水量在1996年存在突变现象,春、夏、冬季分别在2001，1996，1971和1980年发生了突变,京津冀地区夏季降水量在1996年发生突变[5].研究结果显示,雄安新区年、夏季、冬季降水量的年际变化趋势均不存在突变现象,春季、秋季降水量分别于1978，1990年呈现出由减少转为增多的突变，基本反映出雄安新区降水变化的局地性特征,但也存在因研究时段不同致使可比性欠妥问题.同时,笔者尚未对雄安新区降水变化原因进行具体分析,有待今后进一步研究和验证.
表3 雄安新区与京津冀及河北省区域年、季降水量对比
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