雄安新区及上游极端降水特征分析

丁和悦 于 雷

（保定市气象局，河北保定 071000）

1 引言

IPCC第五次评估报告指出，随着全球变暖，北半球中高纬的陆地上降水量增多，同时与强降水事件减少的区域相比，强降水事件增多的区域面积可能在增大[1]。我国大暴雨主要集中在华南、长江流域以及华北地区，各地暴雨有显著的区域性差异[2]。全国降水强度普遍呈增加趋势，西北西部、长江及其以南地区的极端强降水事件愈发频繁；华北地区的极端降水事件频数明显减少，但极端降水量在总降水量中的占比有所增加[3]。

极端强降水有很强的地域性，各地极端降水的时空分布及变化趋势不尽相同。不同学者针对吉林[4]、福建[5]、安徽[6]等地分别展开了相关研究。对于华北地区，有学者[7-8]指出，极端降水量的分布表现为“东南部大、西北部小”，且华北东部极端降水较集中，西部则相对分散；华北南部极端降水呈减少趋势，华北极端降水次数由东向西呈逐渐增加趋势。

河北位于华北地区中部，平均年最大降水量呈下降趋势，强降水日数和暴雨日数在平原地区呈减少趋势，而山区有所增加，强降水量和暴雨降水量在总降水中的占比增加[9-10]。另有研究[11]指出，北京地区夏季极端降水阈值有较为显著的局地性特征，大致沿地形高度分布，城市化导致城市下风向近郊地区极端降水强度及频数呈增多趋势。

尽管上述研究取得了大量成果，但目前关于雄安新区及其上游地区（保定）极端降水事件的相关研究仍然较少，本文选取1981—2019年雄安及保定共19个国家站的逐日降水资料，分析了极端降水的分布特征和变化趋势，以期为极端降水预报、气象服务保障、新区规划建设等提供参考。

2 资料与方法

本文选取1981—2019年雄安新区及保定19个国家站逐日降水资料，以北京时20时作为日界。以上资料由河北省气象信息中心提供，经过严格的审核和订正。根据雄安新区及保定地形分布特点，将研究区域各站点分为3类，分别为平原（12个站）、浅山区（5个站）以及山区（2个站）。雄安新区及保定站点分布情况见图1。

图1 1981—2010年雄安新区及保定国家气象站站点和地形（阴影，单位：m）的空间分布

雄安新区及保定位于河北省中西部，地势由西北向东南倾斜，西部为太行山脉，东部属华北平原。由于其所处地形分布复杂，且城市化程度有一定差异，使得各地降水量分布不均，地域性差异较大[12-14]。本文利用百分位法逐一确定各站极端降水阈值，相关研究[7，11，15-16]多选取第95百分位。因此，本文将各站点1981—2010年逐年日降水量≥0.1mm的降水量按照升序排列，取第95百分位值的30a平均值作为极端降水阈值。当某站日降水量超过该站的阈值时，可认定该站该日出现了极端降水[15]。某站出现的极端降水量除以极端降水日数，即为该站的极端降水平均强度。

本文对极端降水量和极端降水日数等变化趋势的计算采用线性倾向估计[17]方法。利用最小二乘法确定气象要素趋势变化的一元线性方程，气象要素10a的变化用线性倾向率表示，即由气象要素与时间确立的一元线性方程系数的10倍。并以Mann-Kendall非参数趋势检验法对统计结果进行检验。

3 极端降水空间分布

如图2所示，第90百分位极端降水阈值在17～24mm，集中在中雨量级。第95百分位极端降水阈值在27～39mm，属于大雨量级。第99百分位极端降水阈值在49～79mm，研究区域内除西北部山区涞源以外，其他各站达到暴雨量级。对于雄安新区而言，各百分位阈值最大值均出现在雄县。上游保定地区，各百分位大值中心均分布在浅山区一带，随着百分位的递增阈值大值区逐渐向浅山区集中。另外，对于第90以及第95百分位而言，保定除浅山区以外，西部山区阜平为一大值区，另一大值区为城市化程度较高的保定及其下风向近郊。各百分位阈值最小的区域均为西北部山区涞源。考虑各百分位阈值分布的相似性，同时便于与前人的研究成果进行对比，本文采用第95百分位阈值展开分析。

图3a给出了1981—2019年雄安新区及保定年平均极端降水量的空间分布，对雄安新区而言，容城181.9mm为最多，安新县和雄县分别为171.0mm和172.1mm。其上游保定大部分站点分布在160～200mm。对于整个研究区域而言，阜平206.3mm为区域最大，涞源145.9mm为区域最小；180mm以上的站点基本都出现在山脉与平原的过渡区，这在一定程度上体现了地形对降水的增幅作用。

各站点的年均极端降水日数（图3b）差异并不明显，大部分站点在3～4d，总体呈现出“西部多东部少”的分布特点，位于西部的阜平3.9d和东南部的蠡县2.8d分别为区域内的最多和最少。雄安新区内的安新3.3d为最多。结合图2a可知，年均极端降水日数与极端降水量的分布情况并不相同，位于中北部浅山区的易县和满城年极端降水量较大，但年极端降水日数较小。而极端降水量最小的西北部山区涞源，其极端降水日数却较大。可以推断中北部浅山区的易县和满城平均极端降水强度比较大，而涞源极端降水强度较小。

图2 1981—2010年雄安新区及保定第90（a）、95（b）、99（c）百分位极端降水阈值（单位：mm）和地形（阴影，单位：m）的空间分布（绿色方框为雄安新区）

极端降水强度在一定程度上与致灾性呈正相关。如图3c所示，研究区域年平均极端降水强度在41.2～61.0mm/d；东北部地区为极端降水强度大值区，极端降水强度均超过57mm/d。其中极端降水强度大于60.0mm/d的区域为浅山区中北部的易县和满城。山区一带极端降水强度最弱，其中涞源为41.2mm/d，未达到暴雨量级；阜平为52.2mm/d，与之前推断的一致。南部地区极端降水强度变化不大，在53～57mm/d。雄安新区雄县极端降水强度最大，为58mm/d。

图3d为极端降水在总降水量中所占比例的分布图，这在一定程度上体现了区域内降水的结构分布[18]。除涞源为29%外，全区各地1/3以上的降水来自于极端降水，其中安新和顺平最多，为38%，保定站和高碑店站次之分别为36%和37%。此外山脉与平原过渡带南部的年降水量中，有36%~37%来自极端降水。

图3 1981—2019年雄安新区及其上游地区年平均极端降水量（a）、极端降水日数（b）、极端降水强度（c）及极端降水在总降水量中所占比例（d）的空间分布

4 极端降水的时间分布

通过分析1981—2019年雄安新区及保定极端降水总站次的历年变化可知，1981—2019年的年均极端降水总站次为61.4站次。其中1988年、1994年、1995年最多，分别为136站次、124站次和120站次，其余年份均＜100站次；2001年27站次为历年最少。2001年后，极端降水总站次在波动中呈增加趋势。

区域内的极端降水过程分布在3—11月，90%的过程集中在4—10月，7—8月最为活跃，6月次之，9月和10月大于4月和5月。年平均极端降水量、年平均极端降水站次和年平均极端降水日数的逐月分布情况走势相似，呈单峰结构，7月最多。

4—10月年平均极端降水量分布在32.3～1 535.2mm。其中7月最大，为1 535.2mm；8月次之，为1 083.1mm；6月和9月，分别为396.3mm和202.9mm。年平均极端降水站次在0.8～25.8站次，7月为25.8站次，8月为19.4站次。

6—9月的年平均极端降水日数超过1d。其中7月和8月分别为6.2d和5.4d；其次是6月和9月，分别为2.3d和1.4d。

某月各站的平均强度，可以由年平均极端降水量与站次的比值来表征，各月的平均强度在每站次38.4～59.57mm。7月和8月最大，分别为每站次59.5mm和55.9mm；6月和9月次之，分别为每站次49.7mm和48.5mm。

以平均日站次来反应日降水区域的大小，研究区域内极端降水日出现降水范围最大的是10月，平均每天4.3站次；7月与之相差不大，平均每天为4.2站次；4月和8月分别为3.9站次和3.6站次。需要注意的是，10月极端降水的日数虽然不多，但极端降水范围较大。

5 极端降水趋势分析

图4给出了雄安新区及保定极端降水量、极端降水强度、极端降水日数以及极端降水对总降水量贡献等的趋势分布。19个台站中，共有10个台站的年平均极端降水量呈增加趋势，分布在区域的西南部及东北部（图4a）。其中雄安新区北侧的高碑店增加趋势最大，为25.85mm/10a；其次是唐县和曲阳，递增趋势分别为16.9mm/10a和16.5mm/10a。以上3站分别通过了90%、90%和95%趋势检验。其他地区均呈递减趋势，易县的减少趋势最明显，为-22.66mm/10a，且通过了90%的趋势检验。除此以外，涞源递减趋势为-19.44mm/10a，通过了90%的趋势检验；其他地区递减趋势均不显著。对于雄安新区，容城、安新为递增趋势，雄县为递减趋势，均不显著；但紧邻雄安的高碑店站极端降水呈现显著的递增趋势，也应提起注意。

各站点极端降水日数的增减趋势（图4b）不足1d，范围在-0.5～0.3d/10a，其分布与年平均极端降水量的变化趋势基本相似，这反映了极端降水量与极端降水日数间的密切关系[11，18]。递增和递减的站点分别占总站点的47.3%和52.6%。其中高碑店增加趋势最大，易县减少趋势最大，分别通过了90%和95%的统计学检验。

极端降水强度的变化趋势则呈现出不同的分布状态 （图4c），所有台站的增减趋势均＜5mm/（d·10a）。呈现递增趋势的台站较递减趋势的站点多，二者分别占总站点的73.7%和26.3%。递增区域大致与山脉走向平行，呈显著性递增的为曲阳，3.85mm/（d·10a），通过95%趋势检验；以及唐县2.32mm/（d·10a），通过90%趋势检验。蠡县呈现出显著的递减趋势，为-4.2mm/（d·10a），通过90%趋势检验。雄安新区内的容城和雄县呈增强趋势，安新有减弱趋势。

在总降水量一定的情况下，极端降水在总降水所占比例越大，其降水可能存在向极端化发展的趋势[19-20]。图4d给出了极端降水在年降水量中所占比例的变化趋势，各站的增减趋势幅度均小于5%/10a，空间分布与年平均极端降水量和年极端降水日数的增减趋势分布较为相似，占比增加的站点略多于占比减少的站点。其中递增趋势最为显著的为高碑店，4.4%/10a，通过了90%趋势检验；其次为曲阳，3.4%/10a，通过了95%趋势检验。

图4 1981—2019年雄安新区及保定年平均极端降水量（a）、极端降水日数（b）、极端降水强度（c）及极端降水在总降水量中所占比例（d）的变化趋势（黄色、绿色阴影分别表示通过90%、95%的统计检验）

6 分下垫面的极端降水特征分析

地形的动力、热力效应引起的降水和云物理变化，使地形在局地降水形成和发展中起到重要作用[21]。按海拔高度不同，将研究区域内的站点分为平原区、浅山区和山区，分别讨论不同区域年平均极端降水量、极端降水日数、极端降水强度、极端降水贡献率的特征及差异。

如表1所示，山区的年均极端降水日数最多，但降水强度最小，且极端降水在总降水量中的占比最小；浅山区的年均极端降水量最多，强度最大，极端降水在总降水量中的占比也最多；而平原地区的极端降水量最小，日数最少，但其强度及在总降水量中的占比均略小于浅山区。

表1 不同区域的年平均极端降水量、日数、强度、贡献率

图5a给出了不同下垫面年平均极端降水量的逐月分布，可知各区域均呈单峰结构，7月达到峰值。在主汛期（7—8月）浅山区的年均极端降水量最大。7月浅山区年平均极端降水量为82.7mm；平原为81.3mm；山区为72.9mm。8月，浅山区年平均极端降水量为65.7mm；与7月不同，山区年平均极端降水量多于平原地区；山区为57.5mm；平原为53.3mm。而紧邻主汛期前后的时段（5—6月和9月）山区年均极端降水量为各区域中最多；平原最少。而进入秋季后（10月）平原最多；山区最少。

各区域的年平均极端降水日数呈单峰型分布（图5b）。7月各区域年平均极端降水日数均＞1d；4月和10月均不足0.1d。浅山区和平原极端降水日数7月最多，均为1.3d。其中山区在5—9月年平均极端降水日数较其他区域均最多；7月达到峰值，为1.5d。

分析年平均极端降水强度（图5c），山区在6月达到峰值48.6mm/d；浅山区和平原均在7月达到峰值，分别为61.8mm/d和60.7mm/d。5—8月浅山区的年均极端降水强度均为各区域中最大，平原次之，山区最小。9月平原极端降水强度最大，山区最小。

各区域的年平均极端降水贡献率（图5d）均在7月达到峰值。其中平原最大，浅山区次之，两区域极端降水在总降水中所占比例均超过50%；山区最少，为46.5%。8月，浅山区年均极端降水贡献率最大，为49.5%；平原和山区分别为46.3%和42.6%。6月，浅山区及平原极端降水对总降水的贡献率在32.5%左右；山区少于其他区域，为29.5%。其他各月极端降水对总降水的贡献率均不足30%。

图5 雄安新区及保定分区域年均极端降水月变化

对比雄安新区及保定不同下垫面极端降水各物理量变化趋势的分布可知（图4），有66.7%的平原站年平均极端降水量呈增长趋势；山区呈现递增与递减的站点各占一半；浅山区呈现递增的站点不足50%。年平均极端降水日数及极端降水对总降水的贡献变化趋势较为相近，其中均有60%的浅山区站点呈递增趋势；山区及平原呈现递增的站点均约为半数。各区域年平均极端降水强度呈递增的站点数均占其区域总站点数的一半以上。浅山区呈递增的站点数最多，占浅山区总站数的80%；平原次之，为75%；山区最少，为50%。

7 结语

（1）雄安新区及保定第90、95及99百分位阈值分布具有相似性，雄安新区各百分位阈值最大值均在雄县。其上游保定地区大值中心均分布在浅山区一带。随着百分位递增，阈值大值区逐渐向浅山区集中，涞源始终为全区最小值。各站点年平均极端降水量及其在总降水量中所占比例分布大体一致。大值区集中在山区到平原的过渡地区。东北部地区为年平均极端降水强度大值区。年平均极端降水日数西部地区大于东部地区。

（2）研究区域内年平均极端降水日数在3~4d。年平均极端降水量大部分站点在160~200mm，雄安新区年均极端降水量最多的为安新，181.9mm。区域内年平均极端降水强度除涞源外均在暴雨量级以上，雄安新区最大为雄县，58.4mm/d。区域内极端降水量在总降水量中所占比例均在29%以上，其中安新及顺平最大，为38%。

（3）2001年后，研究区域内极端降水总站次在波动中呈上升趋势。3—11月均有极端降水出现，但主要出现在7—8月。10月极端降水影响的区域最广，7月、4月和8月依次递减。

（4）研究区域内年平均极端降水量、极端降水日数及其在总降水量中所占比例的变化趋势较为一致，其递增台站主要集中在西部山区的阜平、西南部浅山区以及雄安新区北面的高碑店。年平均极端降水强度呈现递增趋势的区域相对广泛，呈东北—西南分布，与山脉大致平行。容城、高碑店、西南部地区台站的极端降水强度，及其在总降水中所占比例同步增加。

（5）不同下垫面极端降水存在差异，其中浅山区年平均极端降水强度最大，年平均极端降水量最多；山区极端降水日数最多，但强度最小；平原年平均极端降水日数最少，且其极端降水量也为3个区域中最小。

（6）山区、浅山区及平原极端降水逐月变化均呈现单峰结构。7—8月浅山区的年平均极端降水量最大。7月浅山区及平原年平均极端降水对总降水的贡献率可达半数以上。各区域年平均极端降水日数7月均超过1d；山区在5—9月年平均极端降水日数在3个区域中均最多。