冀中南太行山前平原初秋降水特征

朱慧欽 ，魏瑞江 ，侯曉莉 ，孫景瑜 ，馬貴宏 ，趙燕

（1.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 石家莊 050021；2.高邑縣氣象局，河北 高邑 051330；3.河北省氣象科學研究所，河北 石家莊 050021；4.河北省氣象局，河北 石家莊 050021；5.石家莊市藁城區(qū)氣象局，河北 藁城 052160）

初秋（9月）是冀中南太行山前平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵時期，此時玉米、大豆、花生等秋收作物處于產(chǎn)量形成期，棉花處于裂鈴吐絮盛期，該階段降水的多少對秋收作物的成熟、收獲及冬小麥播種均有重要影響[1]。探討該區(qū)域初秋降水特征，對做好天氣預報，服務當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。

前人對籠統(tǒng)秋季降水特征的研究較多，如，房一禾等[2]研究了遼寧省秋季降水對前期海洋和大氣信號的遙響應，支蓉等[3]研究了2017年秋季我國北方地區(qū)降水異常偏多的成因，劉揚等[4]研究了我國西南地區(qū)秋季降水年際變化的空間差異及其成因。而有關初秋降水特征的研究較少，韓晉平等[5]研究了9月北方秋雨的年際變化特征及其成因，朱玉周等[6]研究了河南省初秋降水特征，陳少勇等[7]分析了中國西部9月降水與東亞700 hPa風場的關系。不同區(qū)域由于地形地貌不同，因此，降水特征也不一樣[8]。雖然部分學者對冀中南太行山前平原的降水特征進行了研究，如，孫宏勇等[9]研究了冬小麥和夏玉米全生育期的降水特征，李發(fā)東等[10]研究了冬小麥全生育期不同階段的降水量特征，但這些研究的時間跨度均較大，未能明確初秋的降水特征。截至目前，關于冀中南太行山前平原初秋降水特征的研究尚未見報道。

采用趨勢分析、Mann-Kendall突變檢驗和小波分析等方法，對冀中南太行山前平原9月的降水量及降水日數(shù)變化規(guī)律進行研究，旨為合理利用降水資源，指導當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

冀中南太行山前平原地處太行山東麓，地理位置東經(jīng) 114°03′～115°20′、北緯 36°07′～38°42′，包括石家莊市的正定、欒城、行唐、高邑、深澤、無極、元氏、趙縣、辛集、藁城、晉州、新樂、鹿泉，邢臺市的柏鄉(xiāng)、隆堯、任縣、南和、寧晉，邯鄲市的臨漳、成安、磁縣、肥鄉(xiāng)、永年，共23個縣（市、區(qū)）[11]。海拔30～100 m，整體呈西高東低走勢。該區(qū)域屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.6～13.9℃，年平均降水量449.1～529.7 mm，年日照時數(shù)2 204.6～2 610.1 h。種植制度為一年兩熟制，主要種植農(nóng)作物有小麥、玉米（棉花、大豆、花生）和蔬菜等。

1.2 資料來源

數(shù)據(jù)來源于河北省氣象局，包括冀中南太行山前平原各縣（市、區(qū)）氣象站1981～2018年歷年9月降水量、各級降水日數(shù)及1981～2010年的平均降水量等。

將冀中南太行山前平原劃分為4個子區(qū)域：石家莊中西部區(qū)域，包括正定、欒城、行唐、高邑、元氏、趙縣、藁城、新樂、鹿泉；石家莊東部區(qū)域，包括無極、深澤、晉州、辛集；邢臺區(qū)域；邯鄲區(qū)域。在這4個子區(qū)域中各選一個地理位置有代表性且與其他站相關性好的站點為代表站，研究其9月降水量時間演變特征及各級別降水日數(shù)的變化特征。石家莊中西部區(qū)域的鹿泉站與其他各站相關系數(shù)最大，均在0.7以上，選為石家莊中西部區(qū)域代表站；石家莊東部區(qū)域的辛集站與其他各站相關系數(shù)均在0.75以上，邢臺區(qū)域的隆堯站與其他各站相關系數(shù)均在0.65以上，邯鄲區(qū)域的成安站與其他各站相關系數(shù)均在0.8以上，分別選為其所在區(qū)域的代表站。

1.3 研究方法

采用一元線性回歸模型對冀中南太行山前平原各縣（市、區(qū)）9月降水量和降水日數(shù)序列進行線性擬合，分析其線性變化趨勢，采用滑動平均法分析資料序列的波動變化規(guī)律，采用Mann-Kendll檢驗（M-K檢驗）進行突變分析，采用Morlet小波分析法對9月降水量序列的周期性變化進行分析[12，13]。顯著性檢驗水平設定為α＝0.05。

2 結果與分析

2.1 9月降水量空間分布特征

冀中南太行山前平原9月平均降水量為49.3 mm，總體分布情況為西北部多，東部和南部少；在高邑和任縣各存在一個高值中心，降水量分別為56.3和53.9mm；在藁城和永年分別存在一個低值中心，降水量分別為43.4和47.8 mm（圖1a）。

采用一元線性回歸模型對1981～2018年冀中南山前平原各站9月降水量序列進行線性擬合，確定其可信度和氣候傾向率。結果（圖1b）顯示，1981年以來冀中南太行山前平原9月降水量的氣候傾向率為-1.30～8.01 mm/10 a，自西北向東南逐漸減小。其中，有18個站降水量呈增加趨勢（氣候傾向率為1.02～8.01 mm/10 a），僅深澤、晉州、成安、肥鄉(xiāng)、辛集5個站降水量呈略微減少趨勢（氣候傾向率為-1.30～-0.25 mm/10 a），但均未通過顯著性檢驗。

2.2 9月降水量時間演變特征

2.2.1 趨勢分析 采用9 a滑動平均對各代表站9月降水量距平百分率序列進行平滑處理，分析其年代際變化趨勢。

鹿泉站1981～1985年正距平有3 a，負距平有2 a，平均距平百分率為5%，為降水偏多期；1986～2003年降水量9 a滑動平均值全部為負，其中正距平有5 a、負距平有13 a，平均距平百分率為-20%，為降水偏少期；2004～2018年降水量9 a滑動平均值全部為正，其中正距平有10 a、負距平有5 a，平均距平百分率為36%，為降水偏多期（圖2a）。

辛集站1981～1988年降水量9 a滑動平均值全部為正，其中正距平有5 a、負距平有3 a，平均距平百分率為為22%，為降水偏多期；1989～2002年降水量9 a滑動平均值除個別年份（1989年受1988年降水偏多影響，9 a滑動平均為正，但該年實際降水量偏少，降水量距平百分率為-3%）外其他年份全部為負，其中正距平有3 a、負距平有11 a，平均距平百分率為-25%，為降水偏少期；2003～2018年降水量9 a滑動平均值除2003年為-2%外，其他年份全部為正，其中正、負距平各8 a，平均距平百分率為12%，為降水偏多期（圖2b）。

隆堯站1981～1986年正、負距平各3 a，平均距平百分率為24%，為降水偏多期；1987～2002年降水量9 a滑動平均值全部為負，其中正距平有5 a、負距平有11 a，平均距平百分率為-21%，為降水偏少期；2003～2018年降水量9 a滑動平均值全部為正，其中正距平有11 a、負距有平5 a，平均距平百分率為34%，為降水偏多期（圖2c）。

成安站1981～1985年正距平有2 a，負距平有3 a，平均距平百分率為74%，為降水偏多期；1986～1999年降水量9 a滑動平均值除1986和1987年外其他年份全部為負，其中正距平有2 a、負距平有12 a，平均距平百分率為-49%，為降水偏少期；2000～2018年降水量9 a滑動平均值全部為正，其中正距平有7 a、負距平有12 a，平均距平百分率為15%，為降水偏多期（圖 2d）。

根據(jù)4個代表站歷年9月降水量情況，可將初秋降水特征劃分為3個階段：20世紀80年代初期為降水偏多期，20世紀80年代中后期至21世紀初為降水偏少期，21世紀初以后為降水偏多期。

2.2.2 突變分析 采用M-K檢驗對4個代表站9月降水量序列進行突變分析，設定顯著性水平α=0.05，臨界值 U0.05=±1.96。

鹿泉站M-K檢驗（圖3a）中，UF與UB曲線在1986年和2003年出現(xiàn)交點，且交點處于2條臨界線之間，說明鹿泉站9月降水量在1986年和2003年發(fā)生了突變。

辛集站M-K檢驗（圖3b） 中，UF與UB曲線在1986年和2000年出現(xiàn)交點，且交點處于2條臨界線之間，說明辛集站9月降水量在1986年和2000年發(fā)生了突變。

隆堯站M-K檢驗（圖3c） 中，UF與UB曲線在1986年和2003年出現(xiàn)交點，且交點處于2條臨界線之間，說明隆堯站9月降水量在1986年和2003年發(fā)生了突變。

成安站M-K檢驗（圖3d） 中，UF與UB曲線在2條臨界線之間出現(xiàn)了2個交點，分別為1985～1986年之間和2000年，說明成安站9月降水量從1986年開始發(fā)生了突變，2000年又發(fā)生了1次突變。

綜上所述，4個代表站均于1986年發(fā)生第1次突變，降水量由多變少；鹿泉站和隆堯站于2003年，辛集站和成安站于2000年發(fā)生第2次突變，降水量由少變多。

圖1 冀中南太行山前平原9月降水量平均值（a）和氣候傾向率（b）分布圖Fig.1 The distribution of average precipitation （a） and climatic tendency rate（b） in September in Taihang piedmont plain of middle-southern Hebei

圖2 4個代表站9月降水量的變化趨勢Fig.2 The change trend of precipitation in September at four representative stations

圖3 4個代表站9月降水量的M-K檢驗Fig.3 M-K test curves of precipitation in September at four representative stations

2.2.3 周期性分析 鹿泉站9月降水量主要存在14～15 a和準6 a的周期變化（圖4 a）；辛集站9月降水量主要存在準9 a和準4 a的周期變化（圖4b）；隆堯站主要存在準6 a、準3 a和13 a的周期變化（圖4c）；成安站主要存在準2 a和9～10 a的周期變化（圖4d）。

圖4 4個代表站9月降水量的小波系數(shù)圖Fig.4 The wavelet coefficient of precipitation in September at four representative stations

2.3 9月降水的日數(shù)變化特征

定義日降水量≥0.1 mm的天數(shù)為總降雨日數(shù)。其中，日降水量0.1（含）~10 mm（含）的天數(shù)為小雨日數(shù)，10~25 mm（含） 的天數(shù)為中雨日數(shù)，25~50 mm（含）的天數(shù)為大雨日數(shù)，＞50 mm的天數(shù)為暴雨日數(shù)。

1981～2018年鹿泉、辛集、隆堯、成安各站9月平均總降雨日數(shù)均為7 d，氣候傾向率分別為0.3 d/10 a、0.1 d/10 a、0.3 d/10 a、0.7 d/10 a，均呈增加趨勢，但未達到顯著水平。

各代表站9月總降雨日數(shù)的年代際變化與降水量的年代際變化基本一致，即：20世紀80年代初期總降雨日數(shù)偏多，20世紀80年代中后期至21世紀初總降雨日數(shù)偏少，21世紀初以后總雨降日數(shù)偏多。

同理，用M-K檢驗對總降雨日數(shù)進行突變分析。結果顯示，鹿泉站在1992年和2002年發(fā)生了突變，辛集站在1992年和2000年發(fā)生了突變，隆堯站在1986年和2002年發(fā)生了突變，成安站在1986年和2001年發(fā)生了突變。鹿泉站和辛集站總降雨日數(shù)的第1次突變時間均在1992年，與韓軍彩等[14]的研究結果一致，與降水量的第1次突變時間不一致；隆堯站和成安站總降雨日數(shù)的第1次突變時間與降水量的第1次突變時間一致，均在1986年；4個站總降雨日數(shù)的第2次突變時間與降水量的第2次突變時間基本一致。

各代表站不同級別的降雨日數(shù)也有所不同。鹿泉站小雨、中雨、大雨和暴雨日數(shù)均略有增加，氣候傾向率均為0.1 d/10 a，增加趨勢不顯著。辛集站中雨日數(shù)呈增加趨勢，氣候傾向率為0.1 d/10 a，增加趨勢不顯著；小雨、大雨和暴雨日數(shù)無明顯變化，氣候傾向率均為0.0 d/10 a。隆堯站小雨和中雨日數(shù)均呈增加趨勢，氣候傾向率均為0.2 d/10 a，增加趨勢不顯著；大雨和暴雨日數(shù)無明顯變化趨勢。成安站小雨日數(shù)呈增加趨勢，氣候傾向率為0.8 d/10 a，增加趨勢顯著；大雨、中雨和暴雨日數(shù)無明顯變化。

3 結論與討論

3.1 初秋降水量空間分布

1981～2018年冀中南太行山前平原9月降水量平均值為49.3 mm，其中西北部降水量大，東部和南部降水量少，這可能是受太行山地形的影響[15]；氣候傾向率自西北向東南逐漸減小，其中有18個站呈增加趨勢，僅深澤、晉州、成安、肥鄉(xiāng)、辛集5個站呈略微減少趨勢，但變化均不明顯。

3.2 初秋降水量時間演變

1981～2018年冀中南太行山前平原9月降水量的年代際變化可劃分為3個階段：20世紀80年代初期為降水偏多期；20世紀80年代中后期至21世紀初為降水偏少期；21世紀初以后為降水偏多期。這可能是受20世紀80～90年代東亞夏季風強度減弱，我國主要多雨帶南移的影響[16，17]。

該區(qū)域9月降水量主要發(fā)生了2次突變，其中第1次突變時間均為1986年；第2次突變時間在不同區(qū)域之間有所差異，其中，石家莊中西部區(qū)域和邢臺區(qū)域發(fā)生在2003年，石家莊東部區(qū)域和邯鄲區(qū)域發(fā)生在2000年。第2次突變后9月降水量明顯增多，有利于秋收作物產(chǎn)量形成，為冬小麥播種提供了充足的水分；但連陰雨天氣增加，給一些秋收作物的授粉和成熟帶來了不利影響。

不同區(qū)域9月降水量的周期變化不同，其中，石家莊中西部區(qū)域主要存在14～15 a和準6 a的周期變化，石家莊東部區(qū)域主要存在準9 a和準4 a的周期變化，邢臺區(qū)域主要存在準6 a、準3 a和準13 a的周期變化，邯鄲區(qū)域主要存在準2 a和9～10 a的周期變化。

了解各區(qū)域各級降水的變化趨勢，對有效預報旱澇災害和防災減災有著重要意義。該區(qū)域9月總降雨日數(shù)的年代際變化與降水量的年代際變化一致，總降雨日數(shù)的2次突變除石家莊中西部和石家莊東部區(qū)域第1次突變時間與降水量第1次突變時間不一致外，其他站均與降水量的突變時間相近。近38 a冀中南太行山前平原4個子區(qū)域總降雨日數(shù)均呈增加趨勢，但均不顯著，其中石家莊中西部區(qū)域各級雨日數(shù)、石家莊東部區(qū)域中雨日數(shù)，以及邢臺區(qū)域小雨和中雨日數(shù)均呈不顯著增加趨勢；邯鄲區(qū)域小雨日數(shù)呈顯著增加趨勢。