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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)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(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)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?fù)滦跏⑵?，該階段降水的多少對(duì)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(duì)做好天氣預(yù)報(bào)，服務(wù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。

前人對(duì)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(duì)前期海洋和大氣信號(hào)的遙響應(yīng)，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(yáng)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(guān)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(fēng)場(chǎng)的關(guān)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(xué)者對(duì)冀中南太行山前平原的降水特征進(jìn)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(shí)間跨度均較大，未能明確初秋的降水特征。截至目前，關(guān)于冀中南太行山前平原初秋降水特征的研究尚未見報(bào)道。

采用趨勢(shì)分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和小波分析等方法，對(duì)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(jìn)行研究，旨為合理利用降水資源，指導(dǎo)當(dāng)?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(tái)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(gè)縣（市、區(qū)）[11]。海拔30～100 m，整體呈西高東低走勢(shì)。該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)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(shí)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(jí)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(gè)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(tái)區(qū)域；邯鄲區(qū)域。在這4個(gè)子區(qū)域中各選一個(gè)地理位置有代表性且與其他站相關(guān)性好的站點(diǎn)為代表站，研究其9月降水量時(shí)間演變特征及各級(jí)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(guān)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(guān)系數(shù)均在0.75以上，邢臺(tái)區(qū)域的隆堯站與其他各站相關(guān)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(guān)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(duì)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(jìn)行線性擬合，分析其線性變化趨勢(shì)，采用滑動(dòng)平均法分析資料序列的波動(dòng)變化規(guī)律，采用Mann-Kendll檢驗(yàn)（M-K檢驗(yàn)）進(jìn)行突變分析，采用Morlet小波分析法對(duì)9月降水量序列的周期性變化進(jìn)行分析[12，13]。顯著性檢驗(yàn)水平設(shè)定為α＝0.05。

2 結(jié)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(gè)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(gè)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(duì)1981～2018年冀中南山前平原各站9月降水量序列進(jìn)行線性擬合，確定其可信度和氣候傾向率。結(jié)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(gè)站降水量呈增加趨勢(shì)（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(gè)站降水量呈略微減少趨勢(shì)（氣候傾向率為-1.30～-0.25 mm/10 a），但均未通過顯著性檢驗(yàn)。

2.2 9月降水量時(shí)間演變特征

2.2.1 趨勢(shì)分析 采用9 a滑動(dòng)平均對(duì)各代表站9月降水量距平百分率序列進(jìn)行平滑處理，分析其年代際變化趨勢(shì)。

鹿泉站1981～1985年正距平有3 a，負(fù)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(dòng)平均值全部為負(fù)，其中正距平有5 a、負(fù)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(dòng)平均值全部為正，其中正距平有10 a、負(fù)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(dòng)平均值全部為正，其中正距平有5 a、負(fù)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(dòng)平均值除個(gè)別年份（1989年受1988年降水偏多影響，9 a滑動(dòng)平均為正，但該年實(shí)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(fù)，其中正距平有3 a、負(fù)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(dòng)平均值除2003年為-2%外，其他年份全部為正，其中正、負(fù)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(fù)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(dòng)平均值全部為負(fù)，其中正距平有5 a、負(fù)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(dòng)平均值全部為正，其中正距平有11 a、負(fù)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(fù)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(dòng)平均值除1986和1987年外其他年份全部為負(fù)，其中正距平有2 a、負(fù)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(dòng)平均值全部為正，其中正距平有7 a、負(fù)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(gè)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(gè)階段：20世紀(jì)80年代初期為降水偏多期，20世紀(jì)80年代中后期至21世紀(jì)初為降水偏少期，21世紀(jì)初以后為降水偏多期。

2.2.2 突變分析 采用M-K檢驗(yàn)對(duì)4個(gè)代表站9月降水量序列進(jìn)行突變分析，設(shè)定顯著性水平α=0.05，臨界值 U0.05=±1.96。

鹿泉站M-K檢驗(yàn)（圖3a）中，UF與UB曲線在1986年和2003年出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)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(yàn)（圖3b） 中，UF與UB曲線在1986年和2000年出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)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(yàn)（圖3c） 中，UF與UB曲線在1986年和2003年出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)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(yàn)（圖3d） 中，UF與UB曲線在2條臨界線之間出現(xiàn)了2個(gè)交點(diǎn)，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(gè)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(gè)代表站9月降水量的變化趨勢(shì)Fig.2 The change trend of precipitation in September at four representative stations

圖3 4個(gè)代表站9月降水量的M-K檢驗(yàn)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(zhǔn)6 a的周期變化（圖4 a）；辛集站9月降水量主要存在準(zhǔn)9 a和準(zhǔn)4 a的周期變化（圖4b）；隆堯站主要存在準(zhǔn)6 a、準(zhǔn)3 a和13 a的周期變化（圖4c）；成安站主要存在準(zhǔn)2 a和9～10 a的周期變化（圖4d）。

圖4 4個(gè)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(shì)，但未達(dá)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(jì)80年代初期總降雨日數(shù)偏多，20世紀(jì)80年代中后期至21世紀(jì)初總降雨日數(shù)偏少，21世紀(jì)初以后總雨降日數(shù)偏多。

同理，用M-K檢驗(yàn)對(duì)總降雨日數(shù)進(jìn)行突變分析。結(jié)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(shí)間均在1992年，與韓軍彩等[14]的研究結(jié)果一致，與降水量的第1次突變時(shí)間不一致；隆堯站和成安站總降雨日數(shù)的第1次突變時(shí)間與降水量的第1次突變時(shí)間一致，均在1986年；4個(gè)站總降雨日數(shù)的第2次突變時(shí)間與降水量的第2次突變時(shí)間基本一致。

各代表站不同級(jí)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(shì)不顯著。辛集站中雨日數(shù)呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為0.1 d/10 a，增加趨勢(shì)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(shì)，氣候傾向率均為0.2 d/10 a，增加趨勢(shì)不顯著；大雨和暴雨日數(shù)無明顯變化趨勢(shì)。成安站小雨日數(shù)呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為0.8 d/10 a，增加趨勢(shì)顯著；大雨、中雨和暴雨日數(shù)無明顯變化。

3 結(jié)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(gè)站呈增加趨勢(shì)，僅深澤、晉州、成安、肥鄉(xiāng)、辛集5個(gè)站呈略微減少趨勢(shì)，但變化均不明顯。

3.2 初秋降水量時(shí)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(gè)階段：20世紀(jì)80年代初期為降水偏多期；20世紀(jì)80年代中后期至21世紀(jì)初為降水偏少期；21世紀(jì)初以后為降水偏多期。這可能是受20世紀(jì)80～90年代東亞夏季風(fēng)強(qiáng)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(shí)間均為1986年；第2次突變時(shí)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(tái)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(zhǔn)6 a的周期變化，石家莊東部區(qū)域主要存在準(zhǔn)9 a和準(zhǔn)4 a的周期變化，邢臺(tái)區(qū)域主要存在準(zhǔn)6 a、準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)13 a的周期變化，邯鄲區(qū)域主要存在準(zhǔn)2 a和9～10 a的周期變化。

了解各區(qū)域各級(jí)降水的變化趨勢(shì)，對(duì)有效預(yù)報(bào)旱澇災(zāi)害和防災(zāi)減災(zāi)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(shí)間與降水量第1次突變時(shí)間不一致外，其他站均與降水量的突變時(shí)間相近。近38 a冀中南太行山前平原4個(gè)子區(qū)域總降雨日數(shù)均呈增加趨勢(shì)，但均不顯著，其中石家莊中西部區(qū)域各級(jí)雨日數(shù)、石家莊東部區(qū)域中雨日數(shù)，以及邢臺(tái)區(qū)域小雨和中雨日數(shù)均呈不顯著增加趨勢(shì)；邯鄲區(qū)域小雨日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)。