1960-2016年冀西北地區降水時空變化特征研究

楊 佳， 郝桂珍， 張 婧， 王利民， 裴宏偉， 賈慧慧

(1.河北建筑工程學院, 河北 張家口 075000; 2.河北省氣象局, 河北 石家莊 050021; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

1 研究背景

降水變化作為全球氣候變化的主要表現，其變化特征是世界各國關于全球氣候變化的熱點研究領域之一[1-2]。隨著全球變化進程的不斷演變，熱點地區的降水變化情勢如何？在氣候系統變化下如何響應？此類問題已成為繼全球及區域中尺度氣候變化研究后，水文氣象領域內研究者們探究氣候演變內在機理的又一焦點話題。對于大部分行政區位于海河流域的冀西北地區，人均水資源量不足400 m3，僅約為全國人均水資源量的13%，國際人均水資源緊缺標準的27.3%。而在冀西北北部壩上內流區，水資源短缺問題則更為嚴重，并已成為地下水水位持續下降和防護林大面積死亡的主要誘因[3]。未來，隨著冀西北地區暖干化的深入演變(0.4℃/10a)[4-6]，水資源短缺將成為該地區開展生態保育工作和實現經濟社會持續發展的關鍵限制因子，并極大地制約著本地區作為京津冀核心都市圈生態環境屏障的功能定位。

降水時序本身具有的自然變異性，給降水變化規律及其內在機制研究帶來了困難[7]，導致很多未來降水變化趨勢研究得到的結論截然相反，如一部分研究表明中國北方等中緯度及半干旱地區的降水可能減少[8-10]，另一部分研究則表明中國北方如海河流域將可能面臨降水增加，且整體上流域東部比流域西部的增幅大[11-12]。以上研究以大中區域尺度的整體分析為主，難以回答小氣候變化和地方降水變化的問題，研究結果也難以被地方政府直接利用。因此，熱點區域冀西北地區降水呈現怎樣的趨勢變化以及內部空間分布有何特征則需要進一步研究。多年來，雖已有學者對冀西北地區的降水特征進行了相關研究[3-6]，但目前針對本地區的降水資源分布、演變特征的系統研究還不多見。冀西北地區作為京西北重要生態屏障，正在加快落實“建設首都地區水源涵養功能區和生態環境支撐區”和2022年冬季奧運會籌備工作，分析其歷史降水的演變過程，不僅有助于深入了解本地區水資源的變化特性和空間格局，更對地區內水資源合理開發利用及助力地方水源涵養和生態保育工作等具有重大的現實意義。此外，冀西北地區作為氣候敏感區和生態脆弱區，其降水的時空變化特征研究對于進一步理解半干旱半濕潤氣候過渡區的氣候變化規律具有重要科學意義，對于地方科學制定植被保護與恢復政策、實現經濟社會與生態的協調發展具有重大的現實價值。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

冀西北地區地處海河流域上游(113°50′～116°30′ E，39°34′～42°10′ N)，總面積3.68×104km2。受西伯利亞冷空氣南下影響，全年大部分時間干燥寒冷，年平均氣溫6～8 ℃，多年平均降水量348～475 mm。本地區夏季主導風向為東南風，冬季為西北風。全區地勢西北高、東南低。其范圍沿內蒙古高原南緣，西起尚義縣套里莊，沿張北縣狼窩溝，東至赤城縣獨石口為界，將其劃分為壩上和壩下兩個自然地理區域(如圖1所示)。壩上地區屬內流區，面積為1.25×104km2，海拔1 300～1 600 m，多湖淖，南高北低，地勢較平坦，為典型的波狀高原地形。壩上河流多數為內陸季節性河，近20年大規模農業灌溉活動導致地表水斷流、濕地湖泊萎縮，水資源短缺進一步加劇。壩下地區屬海河流域，面積近2.45×104km2，海拔500～1 200 m，區內地形復雜，山巒起伏，丘陵與河谷盆地相間分布。壩下地區河流分別屬永定河、潮白河和大清河水系[13-15]。

圖1 冀西北地區位置及氣象站點分布

2.2 數據來源

本文分析了冀西北地區14個氣象站點(各氣象站點分布見圖1)1960-2016的日降水量資料，該資料來源于河北氣象局和中國氣象數據共享網。為了能很好地反映出歷年各季節的降水變化情況，本研究以3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季、12-次年2月為冬季，分別研究各季降水變化特征；另以1987年為平分節點，將1960-1987共28 a作為前一階段，將1988-2016共29 a作為后一階段，用以比較降水在前后兩個階段之間的變化。各站點數據基本信息統計見表1。

表1 各站點數據基本信息統計

2.3 研究方法簡介

本文采用Mann-Kendall非參數檢驗法(簡稱“M-K法”)和反距離權重插值法(IDW)分別對冀西北地區1960-2016年降水量的時間及空間演變特征進行統計分析。M-K非參數檢驗，又稱任意分布檢驗，最初由Mann和Kendall提出，并被世界氣象組織(WMO)推薦使用。M-K非參數檢驗不針對特定的參數，不對總體分布做嚴格假定，具有較強的適用性[16-17]，已經成為分析水文、氣象等要素長期變化趨勢的成熟工具[18]，該方法具體計算過程見參考文獻[16]。反距離權重插值法是空間內插值最為常用的方法之一，該方法以插值點與樣本點間的距離作為權重進行加權平均，距離插值點越近的樣本點則被賦予的權重越大[19]。IDW法計算方程如下[20]：

(1)

式中：W為樣本估計值；Wi為第i(i=1,2,…,n)個樣本；Di為插值點與樣本點間的距離；p為距離的冪(選擇標準是最小平均絕對誤差)。

3 冀西北地區降水時空分布規律

3.1 降水量時間分布規律

3.1.1 年際變化規律 由于研究區內地勢格局分布不同，地形類型及山脈走向呈多樣性，區域降水分布情況也將會有所不同，表2為1960-2016年冀西北地區各階段多年平均降水量統計與比較，從多年平均量上反映出了冀西北地區不同時段的降水量變化特征。由表2可看出，冀西北地區1988-2016年的多年平均年降水量為394.4 mm，比1960-1987年系列增加了0.13%。各站點1960-2016年多年平均年降水量在347.9～475.6 mm間波動，崇禮為最高475.6 mm，康保最低，為347.9 mm；康保、崇禮、赤城、懷來和萬全1987年后多年平均降水量有所減少，其中萬全的降水量減少最多，比1988年前系列減少了7.33%；其他9個站點降水量均有所增加，其中陽原增加最多，比1988年前系列均值增加4.31%。冀西北地區及其各站點年降水量各有差異，各站點變化趨勢表現出較強的空間異質性。

冀西北地區1960-2016年年降水量和3 a滑動平均降水量時間序列見圖2，降水量M-K趨勢法及其他統計量分析結果見表3。由圖2和表3可看出，1960-2016年，冀西北地區的降水量呈波動型變化(CV=17%)，1965與1995年分別出現最小值244.6 mm和最大值543.0 mm，1980和1997年先后出現2個降水低谷。研究結果顯示，冀西北地區年降水量時間序列的變異系數在17%～24%間變化(表3)。其中，崇禮CV=17%，序列波動相對最小，宣化CV=24%，時間序列離散變異相對最大。

表2 1960-2016年冀西北地區各階段多年平均降水量統計 mm

注：因原始數據數據缺失，全地區平均值的計算結果中沒有計入陽原站1960-1962年與萬全站1960-1964年的降水量。

根據M-K法分析結果，冀西北地區1960-2016年各站點平均年降水量呈增加趨勢，Z值為0.131，β值為0.08 mm/a，增加趨勢不顯著。有關我國夏季降水的年代際變化及華北干旱化趨勢[21]的研究成果表明，整體上全國年降水量呈較少趨勢，但華北地區北部的降水有增多趨勢，這與本文結論相一致。北部壩上站點降水量Z值皆小于0，即年降水量時間序列皆呈減少趨勢，但減少趨勢不顯著，其中張北Z=-1.05，β=-0.5 mm/a，較其他壩上站點減少趨勢明顯；南部壩下地區各有5個站點分別呈減少和增加趨勢，其中僅懷來呈顯著減少趨勢，降水量Z值為-1.8，β=-1.24 mm/a，此外，萬全與蔚縣減少趨勢較懷來以外其他站點明顯，其Z值分別為-1.05、-0.74 。降水減少趨勢與整個華北地區的降水量變化趨勢基本吻合[22]。壩下地區山巒起伏，溝壑縱橫，山地、丘陵、盆地相間分布，其主要有懷安-張家口-宣化盆地、蔚縣-陽原盆地、涿鹿-懷來盆地，受特殊的地形地理特征及小氣候系統的影響，使得壩下的降水變化趨勢不一。

圖2 1960-2016年冀西北地區年降水量和3年滑動平均降水量時間序列

表3 1960-2016年冀西北地區年降水量M-K趨勢法及其他統計量分析結果

注： *表示通過了置信度為90%的顯著性檢驗；↑、↓分別代表增加與減少趨勢。

3.1.2 年內變化規律 因冀西北地區地處內陸，受地勢和風向影響，海洋暖濕氣流難以到達，不同尺度的天氣系統與不同下墊面條件配合產生不同的變化，使得該區四季降水量極不均勻。研究結果顯示冀西北地區的降水量主要集中在夏季(6 -8 月)，約占全年的64%；冬季(12 -次年2月)降水量最少，僅約占全年的2%；春季(3-5月)降水偏低，約占全年的13%；秋季降水次于夏季，占約全年的18%。1960-2016年冀西北地區季節降水量趨勢與標準差見圖3，1960-2016年冀西北地區壩上區域多年各季降水量統計特征值見表4。根據M-K法計算結果(表4)，全區域夏季降水量為非顯著性減少趨勢，Z值為-1.33。秋、冬、春三季降水量皆呈增加趨勢，其中秋季降水量增加趨勢顯著，通過了置信度為90%的顯著性檢驗(Z=1.91)，冬、春兩季降水量增加趨勢不顯著，但春季降水量增加趨勢(Z=1.37)較明顯。同時，秋、冬、春三季降水量增幅分別約為平均每年增加0.54、0.04、0.23 mm，夏季降水量約每年減少0.76 mm，其降水量的標準差范圍在20世紀80年代表現明顯，不確定度偏大；此外，四季相比，冬季降水量的不確定度最大(圖3(d))。各站點秋季降水量統一表現為增加趨勢，其中有9個站點通過了顯著性檢驗，陽原、赤城和尚義站點通過了95%的顯著性檢驗；夏季降水量皆呈減少趨勢，其中5個站點減少趨勢顯著，尚義和張家口站通過了90%的顯著性檢驗，張北、懷來和萬全站點通過了99%的顯著性檢驗。冀西北地區降水量年內分布所表現出的季風性減弱特征可能與華北地區夏季風減弱、暴雨事件減少和副熱帶高氣壓南移等因素有關[23]。

3.2 降水量空間分布規律

3.2.1 年降水量空間分布 冀西北地區多年平均降水量及年降水量變率分布見圖4。由圖4可看出，受東南季風影響，研究區年降水量空間分布呈現東多西少、南多北少、由東南向西北部遞減的趨勢；全區大部分區域年降水變化趨勢為減少，其中，懷來周邊區域降水減少幅度最大。與此同時，陽原、涿鹿、懷安、宣化與赤城地區年降水量則呈現增加趨勢，其中以陽原增幅最大；沽源、赤城、尚義、張家口市區、崇禮大馬群山一帶和蔚縣為多雨區，張家口市區南部及其相鄰的宣化中部、西北的康保和西南的陽原為少雨區。降水空間分異一方面因地勢自西北向東南傾斜、陰山山脈橫貫中部以及地形復雜、山盆相間等地理因素造成；另一方面，越向西北，距離東南水汽源地越遠，氣候越干旱，所以東部降水量比西北部地區降水量要多。西北部地區的年降水量不足380 mm，而東部降水量可達460 mm 以上，其中崇禮范圍的降水為最大。

圖3 1960-2016年冀西北地區季節降水量趨勢與標準差

站點季節 平均值/mmCV值/%最大值/mm最小值/mmZ值趨勢β值/(mm·a-1)春 53.152.8186.910.01.27↑0.24康保夏 224.928.3377.769.7-1.48↓-0.73秋 63.445.4148.320.90.96↑0.23冬 6.453.917.40.12.35↑(??)0.07春 60.638.5119.618.71.47↑0.29尚義夏 272.128.4492.2133.8-1.89↓(?)-1.26秋 74.945.0195.025.31.97↑(??)0.47冬 7.557.620.70.31.38↑0.04春 54.241.1106.221.61.75↑(?)0.30張北夏 257.024.8417.4114.6-2.62↓(???)-1.22秋 71.847.7173.814.31.87↑(?)0.46冬 6.865.128.10.50.22↑0.01春 58.336.0117.1 26.8 1.37↑0.23全區域夏 252.522.7383.2 154.6 -1.33↓-0.76秋 75.740.0163.4 35.2 1.91↑(?)0.54冬 7.753.726.6 1.4 1.26↑0.04

注： *、**和***分別表示通過了置信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗。

3.2.2 四季降水量空間分布 冀西北地區各季多年平均降水量空間分布見圖5。

圖4 冀西北地區多年平均降水量及年降水量變率分布

圖5 冀西北地區各季多年平均降水量空間分布

由圖5可看出，研究區各季的平均降水量呈現出較大的空間差異，春季降水在西北部的康保和東南部的宣化-懷來一線出現低值區，崇禮地區呈現為高值區；夏季降水低值區分布于西北部康保，以及西南部陽原-涿鹿，高值區則分布在“赤城-崇禮-尚義”一線；秋季降水低值區出現在康保，以及“陽原-涿鹿”一線，而高值區則依然出現在崇禮；冬季降水僅崇禮至沽源區域降水量較多，西北部康保范圍、東部赤城范圍和東南部則出現降水量低值區。

4 討 論

由于降水序列自身的自然變異性，因此對于降水變化規律及其內在機制的研究還存在很大的不確定性[7]。例如，田晶等[4]應用線性回歸趨勢分析得出冀西北地區1965-2014年14個氣象站點降水量呈緩慢下降趨勢，與本文的增濕趨勢結論相悖，這表明采用不同方法及不同研究時段都將導致結論的不同甚至完全相背。與M-K檢驗法相比，線性趨勢分析法會受到線性關系(降水量與時間的線性關系)無法解釋的變異性的影響，此方法對樣本觀察數據有要求，同時涉及到參數的估計，人為引入的誤差相對較高[24]。相比之下，本文采用M-K法對冀西北地區的降水量變化進行分析更為可信，對認識本地區甚至北方半干旱區降水量變化提供了更加可靠的依據。

5 結 論

本文采用非參數M-K檢驗方法和反距離權重插值法分析了冀西北地區1960-2016年14個氣象站的降水量多年變化和空間分布特征，結論如下：

(1)從降水量隨時間變化趨勢來看，1960-2016年該區各站點平均年降水量呈波動且略有上升的趨勢(Z=0.13，β=0.08 mm/a，CV=17%)，這主要得益于春、秋季降水量(Z春=1.37，Z秋=1.91)增加。一方面，這種濕潤化的趨勢有利于本地區的生態保育，對加強該地區作為京津冀地區生態屏障功能具有一定積極作用。但是，在各季節變化中，夏季降水量明顯減少，秋、冬、春三季增加，表明研究區內季風有減弱的特征。研究區內壩上區域4個站點的降水全部呈非顯著性減少趨勢，未來可能會面臨更嚴重的水資源短缺，并加重目前的地下水超采和防護林退化問題。

(2)從降水量隨空間變異來看，冀西北地區降水量空間分布不均勻，其分布規律為東多西少、南多北少且東南向西北部遞減，其中崇禮區域是降水量的高值區，而康保為低值區。區內干濕趨勢整體趨于變干而局部地區變濕，其中壩上4個站點年降水量皆呈減少趨勢，壩下區域則各有5個站點分別呈增加和減少趨勢。崇禮、萬全作為張家口市區水源地，其降水量呈現出非顯著減少趨勢(萬全較為明顯，Z=-1.05)，此將在一定程度上激化未來市區的水資源供需矛盾問題，應當盡早綢繆。