1960～2017年雄安新區(qū)冬季氣溫變化特征研究

張良玉，魏麗欣*，王 歡，張 會，王志超

（1.保定市氣象局，河北 保定 071000；2.保定市徐水區(qū)氣象局，河北 保定 071000）

2017年4月1日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)通知，決定設(shè)立河北雄安新區(qū)[1]。雄安新區(qū)的設(shè)立，對于集中疏解北京非首都功能，探索人口經(jīng)濟(jì)密集地區(qū)優(yōu)化開發(fā)新模式，調(diào)整優(yōu)化京津冀城市布局和空間結(jié)構(gòu)，以及培育創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展新引擎具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。雄安新區(qū)位于太行山以東的冀中平原中部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。IPCC第5次評估報(bào)告指出：自1850年有可靠氣象記錄以來，過去的30 a中每個(gè)10 a都創(chuàng)造了氣溫最高紀(jì)錄，可能是北半球自1400年以來最熱的30 a。研究表明，近100 a來我國年平均地面氣溫明顯升高，升溫幅度略高于同期全球平均值[2～4]。其中，20世紀(jì)60～80年代，我國處于變冷期；進(jìn)入90年代以后，全國氣候開始變暖，其中冬季氣候變暖更加明顯，且變暖區(qū)域主要集中在北方地區(qū)[5～7]。一些學(xué)者對華北地區(qū)冬季氣溫的變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，該區(qū)冬季氣溫具有明顯的年代際變化，表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代中后期之前偏冷，80年代中后期之后偏暖[8～10]。

冬季氣溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及病蟲害的發(fā)生情況影響顯著，因此，研究某一區(qū)域的冬季氣溫變化特征對指導(dǎo)該區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與病蟲害防治具有十分重要的意義。研究人員對雄安新區(qū)周邊城市的氣候變化進(jìn)行了大量研究[11～14]，但對雄安新區(qū)冬季氣溫特征變化的研究較少。以雄安新區(qū)的氣溫觀測資料為依據(jù)，對雄安新區(qū)冬季氣溫的空間分布以及年際和年代際變化特征進(jìn)行研究，旨為新區(qū)建設(shè)“一區(qū)一帶百園”科技農(nóng)業(yè)創(chuàng)新高地提供科學(xué)的氣象依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

雄安新區(qū)共有3個(gè)國家氣象站（雄縣、安新、容城）和28個(gè)區(qū)域氣象站。為了保證研究的準(zhǔn)確性和代表性，對數(shù)據(jù)缺測較多或數(shù)據(jù)異常的8個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了剔除，考慮到建站時(shí)間和資料完整性，最終確定選用23個(gè)氣象站的2012～2017年冬季（本文指12月至翌年2月）氣溫資料研究雄安新區(qū)冬季氣溫的空間分布，選用安新氣象站（現(xiàn)址位于三臺鄉(xiāng)王公堤村，距雄安新區(qū)起步區(qū)大王鎮(zhèn)僅6 km）1960～2017年的氣溫觀測資料研究雄安新區(qū)冬季氣溫的變化趨勢。

1.2 分析方法

利用GIS空間反距離權(quán)重插值（IDW）法，繪制雄安新區(qū)冬季氣溫的空間分布圖，分析雄安新區(qū)冬季氣溫的空間分布特征。

運(yùn)用線性傾向趨勢，分析冬季氣溫等數(shù)據(jù)趨勢變化特征。利用非參數(shù)Mann-Kendall（M-K） 趨勢檢驗(yàn)方法，分析趨勢變化是否顯著；運(yùn)用非參數(shù)M-K突變檢驗(yàn)方法，得出趨勢變化的突變年份及突變是否顯著[15]。

采用差異系數(shù)，分析冬季氣溫年代際變化是否穩(wěn)定[16]。差異系數(shù)定義是指一組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與其均值的百分比，是測算數(shù)據(jù)離散程度的相對指標(biāo)。求得結(jié)果絕對值越小，離散程度就小，說明數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定性越好；反之，亦然。公式如下：

公式中，S為標(biāo)準(zhǔn)差，M為平均值，n為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雄安新區(qū)冬季平均氣溫及日較差的空間分布特征

不同下墊面的輻射差異影響到附近區(qū)域氣溫的變化。雄安新區(qū)境內(nèi)河流湖泊眾多，其中白洋淀是新區(qū)內(nèi)面積最大的水域，其位于雄安新區(qū)東南部，總面積約366 km2，占雄安新區(qū)總面積的20%左右。雄安新區(qū)冬季氣溫的空間分布受白洋淀影響較大，表現(xiàn)為淀區(qū)及其附近區(qū)域平均氣溫偏高、日較差最小，隨著與淀區(qū)距離的增加，平均氣溫呈緩慢降低趨勢，日較差呈逐漸增大趨勢（圖1）。另外，從圖中還可以看出，安新和雄縣及其周邊部分站點(diǎn)的冬季平均氣溫和日較差與淀區(qū)接近，原因是這些站點(diǎn)在城市內(nèi)或附近，受城市熱島效應(yīng)的影響，因此也表現(xiàn)出了氣溫較高、日較差較小。

2.2 雄安新區(qū)冬季氣溫的變化趨勢特征

圖1 雄安新區(qū)冬季平均氣溫（a）和日較差（b）的空間分布Fig.1 Space distribution of winter mean temperature and daily range of temperature in Xiongan New Area

2.2.1 歷年冬季平均氣溫的變化趨勢 1960～2017年雄安新區(qū)歷年冬季平均氣溫呈上升趨勢，氣候傾向率為0.17℃/10 a，其中，20世紀(jì)60年代冬季平均氣溫最低，60～80年代冬季平均氣溫低于平均水平，90年代明顯回升且達(dá)到最高水平，進(jìn)入21世紀(jì)后呈下降趨勢且明顯低于平均水平，2013年后開始顯著回升（圖2）。M-K趨勢檢驗(yàn)Z=2.24，通過了信度95%顯著性檢驗(yàn)，表明1960～2017年雄安新區(qū)升溫趨勢明顯。

2.2.2 冬季各月平均氣溫的變化趨勢 1960～2017年雄安新區(qū)冬季各月平均氣溫均呈上升趨勢。其中，12月和1月的氣候傾向率分別為0.07℃/10a和0.03℃/10 a，未通過信度95%顯著性檢驗(yàn)，表明這2個(gè)月升溫趨勢不明顯；2月氣候傾向率為0.46℃/10 a，M-K趨勢檢驗(yàn)Z＝2.86，通過了信度99%顯著性檢驗(yàn)，表明該月升溫顯著。分析得出，2月氣溫升高對冬季氣候變暖貢獻(xiàn)最大。升，該階段UF（K） 曲線超出α=0.05置信線上限，表明1993年是突變年份，氣溫上升顯著；2001年后UF（K）曲線下降到α=0.05置信線以下，氣溫變化趨勢波動變小。

2.3 雄安新區(qū)冬季氣溫的年代際變化特征

從1960～2017年雄安新區(qū)各年代冬季氣溫的差異系數(shù)（表1） 可以看出，在20世紀(jì)60～80年代氣溫變化比較穩(wěn)定，該時(shí)期平均氣溫為-3.1℃，處于偏冷期，其中70年代氣溫最穩(wěn)定；90年代以后氣溫變化波動大，該時(shí)期平均氣溫為-2.4℃，處于偏暖期，其中21世紀(jì)近10 a氣溫變化顯著。

表1 1960～2017年雄安新區(qū)各年代冬季氣溫的差異系數(shù)Table 1 Difference coefficients of winter temperature in different ages in Xiongan New Area from 1960 to 2017

圖2 1960～2017年雄安新區(qū)冬季平均氣溫的變化趨勢Fig.2 Trends of winter mean temperature in Xiongan New Area from 1960 to 2017

2.2.3 冬季平均氣溫變化趨勢的突變檢驗(yàn) 對1960～2017年雄安新區(qū)冬季平均氣溫進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，結(jié)果（圖3） 顯示，UF（K） 曲線總體呈上升趨勢，其與UB（K） 線在1977年、1979年和1993年出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)均在信度線之內(nèi)。1993～2000年氣溫上

圖3 1960～2017年雄安新區(qū)冬季平均氣溫變化趨勢的M-K突變檢驗(yàn)Fig.3 M-K mutation tests of winter mean temperature in Xiongan New Area from 1960 to 2017

2.4 雄安新區(qū)氣象學(xué)意義上的冬季日數(shù)變化特征

我國氣象學(xué)意義上的入冬標(biāo)準(zhǔn)為日平均氣溫連續(xù)5 d＜10℃表示進(jìn)入冬天，第1天就是入冬初日。根據(jù)這一規(guī)定，統(tǒng)計(jì)了該地區(qū)1960～2017年歷年的冬季日數(shù)。

1960～2017年雄安新區(qū)氣象學(xué)意義上的冬季日數(shù)呈減少趨勢，氣候傾向率為-2.2 d/10 a（圖4）。20世紀(jì)60～80年代末出現(xiàn)正距平的次數(shù)較多，其中1971年出現(xiàn)最大正距平值（18 d），冬季日數(shù)達(dá)到最多（169 d）；90年代以后正負(fù)距平交替出現(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)后出現(xiàn)負(fù)距平的次數(shù)增多，其中2008年出現(xiàn)最大負(fù)距平值（-25 d），冬季日數(shù)最少（126 d）；2013年后都為負(fù)距平值。經(jīng)檢驗(yàn)得出Z=-3.43，通過了信度99%顯著性檢驗(yàn)，表明冬季日數(shù)減少顯著。分析得出，氣象學(xué)意義上的冬季日數(shù)減少加劇了氣候變暖。

對1960～2017年雄安新區(qū)歷年冬季日數(shù)進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，UF（K）與UB（K）線在1990年出現(xiàn)交點(diǎn)，交點(diǎn)在信度線之內(nèi)，UF（K）曲線超出了α=0.01置信線下限。表明冬季日數(shù)在1990年出現(xiàn)突變，減少明顯。

2.5 雄安新區(qū)日最低氣溫≤-8℃的冷積溫變化特征

圖4 1960～2017年雄安新區(qū)氣象學(xué)意義上的冬季日數(shù)距平分布和變化趨勢Fig.4 Anomaly distribution and change tendency of winter days in meteorology significance in Xiongan New Area from 1960 to 2017

冷積溫即負(fù)積溫，其絕對值越大，說明天氣越寒冷，冬作物越冬條件愈差。本文定義的冷積溫是指-8℃以下低溫日的日最低氣溫（為作物嚴(yán)重凍害的指標(biāo)溫度）與-8℃的差值的和，即：

式中，Tc為冷積溫，Td為日最低氣溫，n為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

1960～2017年雄安新區(qū)≤-8℃的冷積溫絕對值呈減少趨勢，氣候傾向率為5.8℃/10 a，其中，20世紀(jì)60～80年代冷積溫絕對值多于平均絕對值，90年代冷積溫絕對值少于平均絕對值，21世紀(jì)的前10 a冷積溫絕對值達(dá)到最大，2010年后冷積溫絕對值少于平均絕對值且波動明顯（圖5）。M-K趨勢檢驗(yàn)Z=1.28，未通過信度95%顯著性檢驗(yàn)，表明冷積溫絕對值減少不明顯。

圖5 1960～2017年雄安新區(qū)氣溫≤-8℃的冷積溫變化趨勢Fig.5 Trends of cold accumulated temperature with temperature≤-8℃ in Xiongan New Area from 1960 to 2017

3 結(jié)論與討論

雄安新區(qū)的冬季氣溫受白洋淀的影響，表現(xiàn)為淀區(qū)內(nèi)的氣溫高于淀區(qū)外，日較差低于淀區(qū)外；20世紀(jì)60年代以來，冬季平均氣溫顯著上升，1993年后氣溫上升明顯突變；冬季各月平均氣溫均呈上升趨勢，其中，2月氣溫上升顯著，對冬季氣候變暖貢獻(xiàn)最大；20世紀(jì)60～80年代處于偏冷期，90年代之后氣溫上升，處于偏暖期；氣象學(xué)意義上的冬季日數(shù)顯著減少，1990年出現(xiàn)減少明顯突變；20世紀(jì)60～80代末冬季日數(shù)多于平均值，90年代以后冬季日數(shù)減少，近幾年更為顯著；氣溫≤-8℃的冷積溫絕值呈減少趨勢，21世紀(jì)的前10 a冷積溫絕對值最大，說明天氣較寒冷。

冬季氣溫變暖對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利也有弊[17~19]。冬季氣溫偏高和冷積溫減少，對越冬季作物、果樹和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利，可以大大降低越冬作物和果樹遭受凍害的幾率；但卻給農(nóng)田中病蟲的越冬和繁殖提供了有利條件，給翌年農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)帶來較大威脅。冬季氣溫偏高還會影響土壤墑情，造成春旱的可能性增加[20]。反之，冬季氣溫偏低，能夠殺死部分病蟲殘?bào)w，降低繁殖量，減輕翌年病蟲害的發(fā)生[21，22]；有利于增加林果休眠期的需冷量，保證翌年果樹正常發(fā)芽且花芽發(fā)育良好，提高果樹坐果率；產(chǎn)生的不利影響是不利于作物和林果越冬，易發(fā)生嚴(yán)重凍害。因此，要根據(jù)冬季氣溫的變化情況指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，防止越冬作物和果樹遭受凍害，預(yù)防春季干旱，密切關(guān)注農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生，及時(shí)做好預(yù)防，減少損失。

雄安新區(qū)成立后，隨著城市化的進(jìn)展，小氣候也在不斷變化。今后，運(yùn)用分布合理、較長序列、精細(xì)化的氣象數(shù)據(jù)，繼續(xù)研究該地區(qū)氣候變化的特征，以更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)生態(tài)宜居城市建設(shè)和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。