楊 佳， 郝桂珍， 張 婧， 王利民， 裴宏偉， 賈慧慧

(1.河北建筑工程學(xué)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(xué)院大學(xué), 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(xiàn)，其變化特征是世界各國關(guān)于全球氣候變化的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[1-2]。隨著全球變化進(jìn)程的不斷演變，熱點(diǎn)地區(qū)的降水變化情勢如何？在氣候系統(tǒng)變化下如何響應(yīng)？此類問題已成為繼全球及區(qū)域中尺度氣候變化研究后，水文氣象領(lǐng)域內(nèi)研究者們探究氣候演變內(nèi)在機(jī)理的又一焦點(diǎn)話題。對于大部分行政區(qū)位于海河流域的冀西北地區(qū)，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(biāo)準(zhǔn)的27.3%。而在冀西北北部壩上內(nèi)流區(qū)，水資源短缺問題則更為嚴(yán)重，并已成為地下水水位持續(xù)下降和防護(hù)林大面積死亡的主要誘因[3]。未來，隨著冀西北地區(qū)暖干化的深入演變(0.4℃/10a)[4-6]，水資源短缺將成為該地區(qū)開展生態(tài)保育工作和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵限制因子，并極大地制約著本地區(qū)作為京津冀核心都市圈生態(tài)環(huán)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(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制研究帶來了困難[7]，導(dǎo)致很多未來降水變化趨勢研究得到的結(jié)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(qū)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?qū)⒖赡苊媾R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(qū)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(jié)果也難以被地方政府直接利用。因此，熱點(diǎn)區(qū)域冀西北地區(qū)降水呈現(xiàn)怎樣的趨勢變化以及內(nèi)部空間分布有何特征則需要進(jìn)一步研究。多年來，雖已有學(xué)者對冀西北地區(qū)的降水特征進(jìn)行了相關(guān)研究[3-6]，但目前針對本地區(qū)的降水資源分布、演變特征的系統(tǒng)研究還不多見。冀西北地區(qū)作為京西北重要生態(tài)屏障，正在加快落實(shí)“建設(shè)首都地區(qū)水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)”和2022年冬季奧運(yùn)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(qū)水資源的變化特性和空間格局，更對地區(qū)內(nèi)水資源合理開發(fā)利用及助力地方水源涵養(yǎng)和生態(tài)保育工作等具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。此外，冀西北地區(qū)作為氣候敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，其降水的時空變化特征研究對于進(jìn)一步理解半干旱半濕潤氣候過渡區(qū)的氣候變化規(guī)律具有重要科學(xué)意義，對于地方科學(xué)制定植被保護(hù)與恢復(fù)政策、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)價值。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

冀西北地區(qū)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(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，冬季為西北風(fēng)。全區(qū)地勢西北高、東南低。其范圍沿內(nèi)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(dú)石口為界，將其劃分為壩上和壩下兩個自然地理區(qū)域(如圖1所示)。壩上地區(qū)屬內(nèi)流區(qū)，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(shù)為內(nèi)陸季節(jié)性河，近20年大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉活動導(dǎo)致地表水?dāng)嗔?、濕地湖泊萎縮，水資源短缺進(jìn)一步加劇。壩下地區(qū)屬海河流域，面積近2.45×104km2，海拔500～1 200 m，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，山巒起伏，丘陵與河谷盆地相間分布。壩下地區(qū)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(qū)位置及氣象站點(diǎn)分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文分析了冀西北地區(qū)14個氣象站點(diǎn)(各氣象站點(diǎn)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(shù)據(jù)共享網(wǎng)。為了能很好地反映出歷年各季節(jié)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(jié)點(diǎn)，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(diǎn)數(shù)據(jù)基本信息統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各站點(diǎn)數(shù)據(jù)基本信息統(tǒng)計(jì)

2.3 研究方法簡介

本文采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法(簡稱“M-K法”)和反距離權(quán)重插值法(IDW)分別對冀西北地區(qū)1960-2016年降水量的時間及空間演變特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。M-K非參數(shù)檢驗(yàn)，又稱任意分布檢驗(yàn)，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(shù)檢驗(yàn)不針對特定的參數(shù)，不對總體分布做嚴(yán)格假定，具有較強(qiáng)的適用性[16-17]，已經(jīng)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(jì)算過程見參考文獻(xiàn)[16]。反距離權(quán)重插值法是空間內(nèi)插值最為常用的方法之一，該方法以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，距離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)則被賦予的權(quán)重越大[19]。IDW法計(jì)算方程如下[20]：

(1)

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

3 冀西北地區(qū)降水時空分布規(guī)律

3.1 降水量時間分布規(guī)律

3.1.1 年際變化規(guī)律 由于研究區(qū)內(nèi)地勢格局分布不同，地形類型及山脈走向呈多樣性，區(qū)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(qū)各階段多年平均降水量統(tǒng)計(jì)與比較，從多年平均量上反映出了冀西北地區(qū)不同時段的降水量變化特征。由表2可看出，冀西北地區(qū)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(diǎn)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(diǎn)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(qū)及其各站點(diǎn)年降水量各有差異，各站點(diǎn)變化趨勢表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。

冀西北地區(qū)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(tǒng)計(jì)量分析結(jié)果見表3。由圖2和表3可看出，1960-2016年，冀西北地區(qū)的降水量呈波動型變化(CV=17%)，1965與1995年分別出現(xiàn)最小值244.6 mm和最大值543.0 mm，1980和1997年先后出現(xiàn)2個降水低谷。研究結(jié)果顯示，冀西北地區(qū)年降水量時間序列的變異系數(shù)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(qū)各階段多年平均降水量統(tǒng)計(jì) mm

注：因原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)缺失，全地區(qū)平均值的計(jì)算結(jié)果中沒有計(jì)入陽原站1960-1962年與萬全站1960-1964年的降水量。

根據(jù)M-K法分析結(jié)果，冀西北地區(qū)1960-2016年各站點(diǎn)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(guān)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(qū)北部的降水有增多趨勢，這與本文結(jié)論相一致。北部壩上站點(diǎn)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(diǎn)減少趨勢明顯；南部壩下地區(qū)各有5個站點(diǎn)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(diǎn)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(qū)的降水量變化趨勢基本吻合[22]。壩下地區(qū)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(tǒng)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(qū)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(qū)年降水量M-K趨勢法及其他統(tǒng)計(jì)量分析結(jié)果

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

3.1.2 年內(nèi)變化規(guī)律 因冀西北地區(qū)地處內(nèi)陸，受地勢和風(fēng)向影響，海洋暖濕氣流難以到達(dá)，不同尺度的天氣系統(tǒng)與不同下墊面條件配合產(chǎn)生不同的變化，使得該區(qū)四季降水量極不均勻。研究結(jié)果顯示冀西北地區(qū)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(qū)季節(jié)降水量趨勢與標(biāo)準(zhǔn)差見圖3，1960-2016年冀西北地區(qū)壩上區(qū)域多年各季降水量統(tǒng)計(jì)特征值見表4。根據(jù)M-K法計(jì)算結(jié)果(表4)，全區(qū)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(yàn)(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(biāo)準(zhǔn)差范圍在20世紀(jì)80年代表現(xiàn)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(diǎn)秋季降水量統(tǒng)一表現(xiàn)為增加趨勢，其中有9個站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，陽原、赤城和尚義站點(diǎn)通過了95%的顯著性檢驗(yàn)；夏季降水量皆呈減少趨勢，其中5個站點(diǎn)減少趨勢顯著，尚義和張家口站通過了90%的顯著性檢驗(yàn)，張北、懷來和萬全站點(diǎn)通過了99%的顯著性檢驗(yàn)。冀西北地區(qū)降水量年內(nèi)分布所表現(xiàn)出的季風(fēng)性減弱特征可能與華北地區(qū)夏季風(fēng)減弱、暴雨事件減少和副熱帶高氣壓南移等因素有關(guān)[23]。

3.2 降水量空間分布規(guī)律

3.2.1 年降水量空間分布 冀西北地區(qū)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(fēng)影響，研究區(qū)年降水量空間分布呈現(xiàn)東多西少、南多北少、由東南向西北部遞減的趨勢；全區(qū)大部分區(qū)域年降水變化趨勢為減少，其中，懷來周邊區(qū)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(qū)年降水量則呈現(xiàn)增加趨勢，其中以陽原增幅最大；沽源、赤城、尚義、張家口市區(qū)、崇禮大馬群山一帶和蔚縣為多雨區(qū)，張家口市區(qū)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(qū)。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(fù)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(yuǎn)，氣候越干旱，所以東部降水量比西北部地區(qū)降水量要多。西北部地區(qū)的年降水量不足380 mm，而東部降水量可達(dá)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(qū)季節(jié)降水量趨勢與標(biāo)準(zhǔn)差

站點(diǎn)季節(jié) 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(qū)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(yàn)。

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

圖4 冀西北地區(qū)多年平均降水量及年降水量變率分布

圖5 冀西北地區(qū)各季多年平均降水量空間分布

由圖5可看出，研究區(qū)各季的平均降水量呈現(xiàn)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(xiàn)低值區(qū)，崇禮地區(qū)呈現(xiàn)為高值區(qū)；夏季降水低值區(qū)分布于西北部康保，以及西南部陽原-涿鹿，高值區(qū)則分布在“赤城-崇禮-尚義”一線；秋季降水低值區(qū)出現(xiàn)在康保，以及“陽原-涿鹿”一線，而高值區(qū)則依然出現(xiàn)在崇禮；冬季降水僅崇禮至沽源區(qū)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(xiàn)降水量低值區(qū)。

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(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制的研究還存在很大的不確定性[7]。例如，田晶等[4]應(yīng)用線性回歸趨勢分析得出冀西北地區(qū)1965-2014年14個氣象站點(diǎn)降水量呈緩慢下降趨勢，與本文的增濕趨勢結(jié)論相悖，這表明采用不同方法及不同研究時段都將導(dǎo)致結(jié)論的不同甚至完全相背。與M-K檢驗(yàn)法相比，線性趨勢分析法會受到線性關(guān)系(降水量與時間的線性關(guān)系)無法解釋的變異性的影響，此方法對樣本觀察數(shù)據(jù)有要求，同時涉及到參數(shù)的估計(jì)，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(qū)的降水量變化進(jìn)行分析更為可信，對認(rèn)識本地區(qū)甚至北方半干旱區(qū)降水量變化提供了更加可靠的依據(jù)。

5 結(jié) 論

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

(1)從降水量隨時間變化趨勢來看，1960-2016年該區(qū)各站點(diǎn)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(qū)的生態(tài)保育，對加強(qiáng)該地區(qū)作為京津冀地區(qū)生態(tài)屏障功能具有一定積極作用。但是，在各季節(jié)變化中，夏季降水量明顯減少，秋、冬、春三季增加，表明研究區(qū)內(nèi)季風(fēng)有減弱的特征。研究區(qū)內(nèi)壩上區(qū)域4個站點(diǎn)的降水全部呈非顯著性減少趨勢，未來可能會面臨更嚴(yán)重的水資源短缺，并加重目前的地下水超采和防護(hù)林退化問題。

(2)從降水量隨空間變異來看，冀西北地區(qū)降水量空間分布不均勻，其分布規(guī)律為東多西少、南多北少且東南向西北部遞減，其中崇禮區(qū)域是降水量的高值區(qū)，而康保為低值區(qū)。區(qū)內(nèi)干濕趨勢整體趨于變干而局部地區(qū)變濕，其中壩上4個站點(diǎn)年降水量皆呈減少趨勢，壩下區(qū)域則各有5個站點(diǎn)分別呈增加和減少趨勢。崇禮、萬全作為張家口市區(qū)水源地，其降水量呈現(xiàn)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(qū)的水資源供需矛盾問題，應(yīng)當(dāng)盡早綢繆。