雄安新區(qū)及上游極端降水特征分析

丁和悅 于 雷

（保定市氣象局，河北保定 071000）

1 引言

IPCC第五次評估報告指出，隨著全球變暖，北半球中高緯的陸地上降水量增多，同時與強降水事件減少的區(qū)域相比，強降水事件增多的區(qū)域面積可能在增大[1]。我國大暴雨主要集中在華南、長江流域以及華北地區(qū)，各地暴雨有顯著的區(qū)域性差異[2]。全國降水強度普遍呈增加趨勢，西北西部、長江及其以南地區(qū)的極端強降水事件愈發(fā)頻繁；華北地區(qū)的極端降水事件頻數(shù)明顯減少，但極端降水量在總降水量中的占比有所增加[3]。

極端強降水有很強的地域性，各地極端降水的時空分布及變化趨勢不盡相同。不同學者針對吉林[4]、福建[5]、安徽[6]等地分別展開了相關(guān)研究。對于華北地區(qū)，有學者[7-8]指出，極端降水量的分布表現(xiàn)為“東南部大、西北部小”，且華北東部極端降水較集中，西部則相對分散；華北南部極端降水呈減少趨勢，華北極端降水次數(shù)由東向西呈逐漸增加趨勢。

河北位于華北地區(qū)中部，平均年最大降水量呈下降趨勢，強降水日數(shù)和暴雨日數(shù)在平原地區(qū)呈減少趨勢，而山區(qū)有所增加，強降水量和暴雨降水量在總降水中的占比增加[9-10]。另有研究[11]指出，北京地區(qū)夏季極端降水閾值有較為顯著的局地性特征，大致沿地形高度分布，城市化導致城市下風向近郊地區(qū)極端降水強度及頻數(shù)呈增多趨勢。

盡管上述研究取得了大量成果，但目前關(guān)于雄安新區(qū)及其上游地區(qū)（保定）極端降水事件的相關(guān)研究仍然較少，本文選取1981—2019年雄安及保定共19個國家站的逐日降水資料，分析了極端降水的分布特征和變化趨勢，以期為極端降水預報、氣象服務保障、新區(qū)規(guī)劃建設(shè)等提供參考。

2 資料與方法

本文選取1981—2019年雄安新區(qū)及保定19個國家站逐日降水資料，以北京時20時作為日界。以上資料由河北省氣象信息中心提供，經(jīng)過嚴格的審核和訂正。根據(jù)雄安新區(qū)及保定地形分布特點，將研究區(qū)域各站點分為3類，分別為平原（12個站）、淺山區(qū)（5個站）以及山區(qū)（2個站）。雄安新區(qū)及保定站點分布情況見圖1。

圖1 1981—2010年雄安新區(qū)及保定國家氣象站站點和地形（陰影，單位：m）的空間分布

雄安新區(qū)及保定位于河北省中西部，地勢由西北向東南傾斜，西部為太行山脈，東部屬華北平原。由于其所處地形分布復雜，且城市化程度有一定差異，使得各地降水量分布不均，地域性差異較大[12-14]。本文利用百分位法逐一確定各站極端降水閾值，相關(guān)研究[7，11，15-16]多選取第95百分位。因此，本文將各站點1981—2010年逐年日降水量≥0.1mm的降水量按照升序排列，取第95百分位值的30a平均值作為極端降水閾值。當某站日降水量超過該站的閾值時，可認定該站該日出現(xiàn)了極端降水[15]。某站出現(xiàn)的極端降水量除以極端降水日數(shù)，即為該站的極端降水平均強度。

本文對極端降水量和極端降水日數(shù)等變化趨勢的計算采用線性傾向估計[17]方法。利用最小二乘法確定氣象要素趨勢變化的一元線性方程，氣象要素10a的變化用線性傾向率表示，即由氣象要素與時間確立的一元線性方程系數(shù)的10倍。并以Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法對統(tǒng)計結(jié)果進行檢驗。

3 極端降水空間分布

如圖2所示，第90百分位極端降水閾值在17～24mm，集中在中雨量級。第95百分位極端降水閾值在27～39mm，屬于大雨量級。第99百分位極端降水閾值在49～79mm，研究區(qū)域內(nèi)除西北部山區(qū)淶源以外，其他各站達到暴雨量級。對于雄安新區(qū)而言，各百分位閾值最大值均出現(xiàn)在雄縣。上游保定地區(qū)，各百分位大值中心均分布在淺山區(qū)一帶，隨著百分位的遞增閾值大值區(qū)逐漸向淺山區(qū)集中。另外，對于第90以及第95百分位而言，保定除淺山區(qū)以外，西部山區(qū)阜平為一大值區(qū)，另一大值區(qū)為城市化程度較高的保定及其下風向近郊。各百分位閾值最小的區(qū)域均為西北部山區(qū)淶源?？紤]各百分位閾值分布的相似性，同時便于與前人的研究成果進行對比，本文采用第95百分位閾值展開分析。

圖3a給出了1981—2019年雄安新區(qū)及保定年平均極端降水量的空間分布，對雄安新區(qū)而言，容城181.9mm為最多，安新縣和雄縣分別為171.0mm和172.1mm。其上游保定大部分站點分布在160～200mm。對于整個研究區(qū)域而言，阜平206.3mm為區(qū)域最大，淶源145.9mm為區(qū)域最??；180mm以上的站點基本都出現(xiàn)在山脈與平原的過渡區(qū)，這在一定程度上體現(xiàn)了地形對降水的增幅作用。

各站點的年均極端降水日數(shù)（圖3b）差異并不明顯，大部分站點在3～4d，總體呈現(xiàn)出“西部多東部少”的分布特點，位于西部的阜平3.9d和東南部的蠡縣2.8d分別為區(qū)域內(nèi)的最多和最少。雄安新區(qū)內(nèi)的安新3.3d為最多。結(jié)合圖2a可知，年均極端降水日數(shù)與極端降水量的分布情況并不相同，位于中北部淺山區(qū)的易縣和滿城年極端降水量較大，但年極端降水日數(shù)較小。而極端降水量最小的西北部山區(qū)淶源，其極端降水日數(shù)卻較大?？梢酝茢嘀斜辈繙\山區(qū)的易縣和滿城平均極端降水強度比較大，而淶源極端降水強度較小。

圖2 1981—2010年雄安新區(qū)及保定第90（a）、95（b）、99（c）百分位極端降水閾值（單位：mm）和地形（陰影，單位：m）的空間分布（綠色方框為雄安新區(qū)）

極端降水強度在一定程度上與致災性呈正相關(guān)。如圖3c所示，研究區(qū)域年平均極端降水強度在41.2～61.0mm/d；東北部地區(qū)為極端降水強度大值區(qū)，極端降水強度均超過57mm/d。其中極端降水強度大于60.0mm/d的區(qū)域為淺山區(qū)中北部的易縣和滿城。山區(qū)一帶極端降水強度最弱，其中淶源為41.2mm/d，未達到暴雨量級；阜平為52.2mm/d，與之前推斷的一致。南部地區(qū)極端降水強度變化不大，在53～57mm/d。雄安新區(qū)雄縣極端降水強度最大，為58mm/d。

圖3d為極端降水在總降水量中所占比例的分布圖，這在一定程度上體現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)降水的結(jié)構(gòu)分布[18]。除淶源為29%外，全區(qū)各地1/3以上的降水來自于極端降水，其中安新和順平最多，為38%，保定站和高碑店站次之分別為36%和37%。此外山脈與平原過渡帶南部的年降水量中，有36%~37%來自極端降水。

圖3 1981—2019年雄安新區(qū)及其上游地區(qū)年平均極端降水量（a）、極端降水日數(shù)（b）、極端降水強度（c）及極端降水在總降水量中所占比例（d）的空間分布

4 極端降水的時間分布

通過分析1981—2019年雄安新區(qū)及保定極端降水總站次的歷年變化可知，1981—2019年的年均極端降水總站次為61.4站次。其中1988年、1994年、1995年最多，分別為136站次、124站次和120站次，其余年份均＜100站次；2001年27站次為歷年最少。2001年后，極端降水總站次在波動中呈增加趨勢。

區(qū)域內(nèi)的極端降水過程分布在3—11月，90%的過程集中在4—10月，7—8月最為活躍，6月次之，9月和10月大于4月和5月。年平均極端降水量、年平均極端降水站次和年平均極端降水日數(shù)的逐月分布情況走勢相似，呈單峰結(jié)構(gòu)，7月最多。

4—10月年平均極端降水量分布在32.3～1 535.2mm。其中7月最大，為1 535.2mm；8月次之，為1 083.1mm；6月和9月，分別為396.3mm和202.9mm。年平均極端降水站次在0.8～25.8站次，7月為25.8站次，8月為19.4站次。

6—9月的年平均極端降水日數(shù)超過1d。其中7月和8月分別為6.2d和5.4d；其次是6月和9月，分別為2.3d和1.4d。

某月各站的平均強度，可以由年平均極端降水量與站次的比值來表征，各月的平均強度在每站次38.4～59.57mm。7月和8月最大，分別為每站次59.5mm和55.9mm；6月和9月次之，分別為每站次49.7mm和48.5mm。

以平均日站次來反應日降水區(qū)域的大小，研究區(qū)域內(nèi)極端降水日出現(xiàn)降水范圍最大的是10月，平均每天4.3站次；7月與之相差不大，平均每天為4.2站次；4月和8月分別為3.9站次和3.6站次。需要注意的是，10月極端降水的日數(shù)雖然不多，但極端降水范圍較大。

5 極端降水趨勢分析

圖4給出了雄安新區(qū)及保定極端降水量、極端降水強度、極端降水日數(shù)以及極端降水對總降水量貢獻等的趨勢分布。19個臺站中，共有10個臺站的年平均極端降水量呈增加趨勢，分布在區(qū)域的西南部及東北部（圖4a）。其中雄安新區(qū)北側(cè)的高碑店增加趨勢最大，為25.85mm/10a；其次是唐縣和曲陽，遞增趨勢分別為16.9mm/10a和16.5mm/10a。以上3站分別通過了90%、90%和95%趨勢檢驗。其他地區(qū)均呈遞減趨勢，易縣的減少趨勢最明顯，為-22.66mm/10a，且通過了90%的趨勢檢驗。除此以外，淶源遞減趨勢為-19.44mm/10a，通過了90%的趨勢檢驗；其他地區(qū)遞減趨勢均不顯著。對于雄安新區(qū)，容城、安新為遞增趨勢，雄縣為遞減趨勢，均不顯著；但緊鄰雄安的高碑店站極端降水呈現(xiàn)顯著的遞增趨勢，也應提起注意。

各站點極端降水日數(shù)的增減趨勢（圖4b）不足1d，范圍在-0.5～0.3d/10a，其分布與年平均極端降水量的變化趨勢基本相似，這反映了極端降水量與極端降水日數(shù)間的密切關(guān)系[11，18]。遞增和遞減的站點分別占總站點的47.3%和52.6%。其中高碑店增加趨勢最大，易縣減少趨勢最大，分別通過了90%和95%的統(tǒng)計學檢驗。

極端降水強度的變化趨勢則呈現(xiàn)出不同的分布狀態(tài) （圖4c），所有臺站的增減趨勢均＜5mm/（d·10a）。呈現(xiàn)遞增趨勢的臺站較遞減趨勢的站點多，二者分別占總站點的73.7%和26.3%。遞增區(qū)域大致與山脈走向平行，呈顯著性遞增的為曲陽，3.85mm/（d·10a），通過95%趨勢檢驗；以及唐縣2.32mm/（d·10a），通過90%趨勢檢驗。蠡縣呈現(xiàn)出顯著的遞減趨勢，為-4.2mm/（d·10a），通過90%趨勢檢驗。雄安新區(qū)內(nèi)的容城和雄縣呈增強趨勢，安新有減弱趨勢。

在總降水量一定的情況下，極端降水在總降水所占比例越大，其降水可能存在向極端化發(fā)展的趨勢[19-20]。圖4d給出了極端降水在年降水量中所占比例的變化趨勢，各站的增減趨勢幅度均小于5%/10a，空間分布與年平均極端降水量和年極端降水日數(shù)的增減趨勢分布較為相似，占比增加的站點略多于占比減少的站點。其中遞增趨勢最為顯著的為高碑店，4.4%/10a，通過了90%趨勢檢驗；其次為曲陽，3.4%/10a，通過了95%趨勢檢驗。

圖4 1981—2019年雄安新區(qū)及保定年平均極端降水量（a）、極端降水日數(shù)（b）、極端降水強度（c）及極端降水在總降水量中所占比例（d）的變化趨勢（黃色、綠色陰影分別表示通過90%、95%的統(tǒng)計檢驗）

6 分下墊面的極端降水特征分析

地形的動力、熱力效應引起的降水和云物理變化，使地形在局地降水形成和發(fā)展中起到重要作用[21]。按海拔高度不同，將研究區(qū)域內(nèi)的站點分為平原區(qū)、淺山區(qū)和山區(qū)，分別討論不同區(qū)域年平均極端降水量、極端降水日數(shù)、極端降水強度、極端降水貢獻率的特征及差異。

如表1所示，山區(qū)的年均極端降水日數(shù)最多，但降水強度最小，且極端降水在總降水量中的占比最小；淺山區(qū)的年均極端降水量最多，強度最大，極端降水在總降水量中的占比也最多；而平原地區(qū)的極端降水量最小，日數(shù)最少，但其強度及在總降水量中的占比均略小于淺山區(qū)。

表1 不同區(qū)域的年平均極端降水量、日數(shù)、強度、貢獻率

圖5a給出了不同下墊面年平均極端降水量的逐月分布，可知各區(qū)域均呈單峰結(jié)構(gòu)，7月達到峰值。在主汛期（7—8月）淺山區(qū)的年均極端降水量最大。7月淺山區(qū)年平均極端降水量為82.7mm；平原為81.3mm；山區(qū)為72.9mm。8月，淺山區(qū)年平均極端降水量為65.7mm；與7月不同，山區(qū)年平均極端降水量多于平原地區(qū)；山區(qū)為57.5mm；平原為53.3mm。而緊鄰主汛期前后的時段（5—6月和9月）山區(qū)年均極端降水量為各區(qū)域中最多；平原最少。而進入秋季后（10月）平原最多；山區(qū)最少。

各區(qū)域的年平均極端降水日數(shù)呈單峰型分布（圖5b）。7月各區(qū)域年平均極端降水日數(shù)均＞1d；4月和10月均不足0.1d。淺山區(qū)和平原極端降水日數(shù)7月最多，均為1.3d。其中山區(qū)在5—9月年平均極端降水日數(shù)較其他區(qū)域均最多；7月達到峰值，為1.5d。

分析年平均極端降水強度（圖5c），山區(qū)在6月達到峰值48.6mm/d；淺山區(qū)和平原均在7月達到峰值，分別為61.8mm/d和60.7mm/d。5—8月淺山區(qū)的年均極端降水強度均為各區(qū)域中最大，平原次之，山區(qū)最小。9月平原極端降水強度最大，山區(qū)最小。

各區(qū)域的年平均極端降水貢獻率（圖5d）均在7月達到峰值。其中平原最大，淺山區(qū)次之，兩區(qū)域極端降水在總降水中所占比例均超過50%；山區(qū)最少，為46.5%。8月，淺山區(qū)年均極端降水貢獻率最大，為49.5%；平原和山區(qū)分別為46.3%和42.6%。6月，淺山區(qū)及平原極端降水對總降水的貢獻率在32.5%左右；山區(qū)少于其他區(qū)域，為29.5%。其他各月極端降水對總降水的貢獻率均不足30%。

圖5 雄安新區(qū)及保定分區(qū)域年均極端降水月變化

對比雄安新區(qū)及保定不同下墊面極端降水各物理量變化趨勢的分布可知（圖4），有66.7%的平原站年平均極端降水量呈增長趨勢；山區(qū)呈現(xiàn)遞增與遞減的站點各占一半；淺山區(qū)呈現(xiàn)遞增的站點不足50%。年平均極端降水日數(shù)及極端降水對總降水的貢獻變化趨勢較為相近，其中均有60%的淺山區(qū)站點呈遞增趨勢；山區(qū)及平原呈現(xiàn)遞增的站點均約為半數(shù)。各區(qū)域年平均極端降水強度呈遞增的站點數(shù)均占其區(qū)域總站點數(shù)的一半以上。淺山區(qū)呈遞增的站點數(shù)最多，占淺山區(qū)總站數(shù)的80%；平原次之，為75%；山區(qū)最少，為50%。

7 結(jié)語

（1）雄安新區(qū)及保定第90、95及99百分位閾值分布具有相似性，雄安新區(qū)各百分位閾值最大值均在雄縣。其上游保定地區(qū)大值中心均分布在淺山區(qū)一帶。隨著百分位遞增，閾值大值區(qū)逐漸向淺山區(qū)集中，淶源始終為全區(qū)最小值。各站點年平均極端降水量及其在總降水量中所占比例分布大體一致。大值區(qū)集中在山區(qū)到平原的過渡地區(qū)。東北部地區(qū)為年平均極端降水強度大值區(qū)。年平均極端降水日數(shù)西部地區(qū)大于東部地區(qū)。

（2）研究區(qū)域內(nèi)年平均極端降水日數(shù)在3~4d。年平均極端降水量大部分站點在160~200mm，雄安新區(qū)年均極端降水量最多的為安新，181.9mm。區(qū)域內(nèi)年平均極端降水強度除淶源外均在暴雨量級以上，雄安新區(qū)最大為雄縣，58.4mm/d。區(qū)域內(nèi)極端降水量在總降水量中所占比例均在29%以上，其中安新及順平最大，為38%。

（3）2001年后，研究區(qū)域內(nèi)極端降水總站次在波動中呈上升趨勢。3—11月均有極端降水出現(xiàn)，但主要出現(xiàn)在7—8月。10月極端降水影響的區(qū)域最廣，7月、4月和8月依次遞減。

（4）研究區(qū)域內(nèi)年平均極端降水量、極端降水日數(shù)及其在總降水量中所占比例的變化趨勢較為一致，其遞增臺站主要集中在西部山區(qū)的阜平、西南部淺山區(qū)以及雄安新區(qū)北面的高碑店。年平均極端降水強度呈現(xiàn)遞增趨勢的區(qū)域相對廣泛，呈東北—西南分布，與山脈大致平行。容城、高碑店、西南部地區(qū)臺站的極端降水強度，及其在總降水中所占比例同步增加。

（5）不同下墊面極端降水存在差異，其中淺山區(qū)年平均極端降水強度最大，年平均極端降水量最多；山區(qū)極端降水日數(shù)最多，但強度最??；平原年平均極端降水日數(shù)最少，且其極端降水量也為3個區(qū)域中最小。

（6）山區(qū)、淺山區(qū)及平原極端降水逐月變化均呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)。7—8月淺山區(qū)的年平均極端降水量最大。7月淺山區(qū)及平原年平均極端降水對總降水的貢獻率可達半數(shù)以上。各區(qū)域年平均極端降水日數(shù)7月均超過1d；山區(qū)在5—9月年平均極端降水日數(shù)在3個區(qū)域中均最多。