石家莊暴雪的時空演變特征

閻 訪，孫婧怡，范俊紅，岳艷霞，趙志楠

(1．河北省石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081；2．成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225；3．河北省氣象服務中心，河北 石家莊 050021；4．河北省邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000)

引 言

在全球氣候變暖[1]背景下，雖然不同區(qū)域強降水變化存在差異，但陸地發(fā)生強降水的頻率呈增大趨勢[2]，歐亞大陸是冬季極端強降水事件高發(fā)區(qū)之一[3]，且局地極端降雪天氣呈增加趨勢[4-5]。極端降雪是我國北方冬季主要氣象災害之一，給當地交通運輸、電力運行、人民生活造成負面影響，甚至可能帶來經濟損失和安全風險[6]。2011年4月3—5日中天山北坡的一次寒潮型暴雪，造成高速公路封閉、機場航班延誤、設施農業(yè)被積雪壓塌，農牧業(yè)生產、交通運輸經濟損失嚴重[7]。因此，提高極端降雪預報準確率及掌握其變化規(guī)律顯得尤為重要。近年來，很多研究從暴雪天氣的形成和發(fā)展機制[8-14]、雷達回波特征[15-18]、水汽特征[19-20]、高低空環(huán)流形勢[20-22]等方面對不同地域的極端降雪個例進行診斷分析，研究成果對當地強降雪預報有一定的指示意義；另外也有研究對西北干旱區(qū)[23]、華北地區(qū)[24]、東北地區(qū)[25]的極端降雪時空演變特征做了細致的分析。

極端降雪帶來的災害具有地域性特點，不同地區(qū)會有不同的災情。河北省位于華北地區(qū)，省會石家莊市的周邊郊區(qū)(縣或市)設施農業(yè)居多，東部縣(市)地處華北平原，是冬小麥和梨果主產區(qū)，西部山區(qū)多種植林果等經濟作物。在秋冬或冬春過渡季節(jié)，尤其是冬春過渡季節(jié)，寒潮爆發(fā)帶來強降雪天氣，引起氣溫劇烈變化，從而產生次生災害——凍害，給設施農業(yè)、越冬作物冬小麥和花期梨果等造成嚴重危害[26]。據石家莊地面氣象觀測月報表災情統(tǒng)計記載，2013年4月19日石家莊10個縣(市或區(qū))出現強降雪、降溫天氣，導致農作物、蔬菜和林果業(yè)嚴重受災。目前，很多氣象工作者從環(huán)流形勢[27]、動力條件[20,28]、中尺度特征[29-30]、相態(tài)轉換[31]等方面對河北暴雪天氣個例進行了深入分析，從中提練的暴雪天氣預報指標為提高本地的降雪預報準確率提供了有益指導，但在暴雪氣候統(tǒng)計方面的研究尚不多見。為此，本文對石家莊17個國家地面氣象觀測站建站至2019年的暴雪時空變化特征進行分析，以期為當地決策部門應對氣候變化、加強水資源利用、防災減災等提供科學依據。

1 資料與方法

利用石家莊17個國家地面氣象觀測站(圖1)建站至2019年的逐日降水實況和天氣現象觀測資料，在統(tǒng)計暴雪日的基礎上，普查各站暴雪的初、終日，利用氣候學、統(tǒng)計診斷學等方法，分析其時空變化特征。其中，日數統(tǒng)計以20:00(北京時，下同)為日界[32]，24 h降水量大于等于10.0 mm的降雪天氣過程為暴雪[33]，當日達到暴雪量級記為一個暴雪日，同時，統(tǒng)計暴雪日在當日的一次或多次整點觀測時有積雪現象[27,31]。

圖1 石家莊17個國家地面氣象觀測站點空間分布Fig.1 The spatial distribution of 17 national meteorological observation stations in Shijiazhuang

石家莊地處河北省中南部，西與山西省交界，東、北、南分別與河北省衡水、保定、邢臺為鄰。石家莊位于太行山東麓，地跨太行山地和華北平原兩大地貌單元，西部地處太行山中段，山地面積約占石家莊總面積的50%，東部為滹沱河沖積平原，地勢西高東低，海拔落差較大，地貌由西向東依次排列為中山、低山、丘陵、平原[34]。鑒于石家莊地形、地貌特點，本文以建站時間比較早、時間序列比較長的石家莊(位于石家莊市區(qū))、平山、新樂、贊皇、辛集國家地面氣象觀測站為代表站，分別代表中部過渡丘陵帶、西北部山區(qū)、東北部平原、西南部山區(qū)、東南部平原。

運用Morlet小波分析和滑動t檢驗方法[35]分析暴雪日數時間序列的振蕩變化周期和異常情況。在氣候診斷中，Morlet小波分析方法，不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出變化的時間位置。滑動t檢驗方法通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗要素序列是否發(fā)生突變。對暴雪日數時間序列的兩段子序列，假設在服從正態(tài)母體方差相等的條件下，如果兩段子序列的均值差異超過給定的顯著性水平，則認為兩均值在基準點時刻出現突變；計算過程中，在確定基準點前后兩段子序列長度(n1、n2)時，一般取相同的長度，即n1=n2。Morlet小波分析和滑動t檢驗的具體方法介紹可參考文獻[35]。

文中附圖涉及地圖均基于國家基礎地理信息中心提供的審圖號為GS(2019)1822的標準地圖制作，底圖無修改。

2 結果與分析

2.1 暴雪日數及其空間分布

表1列出石家莊17個國家地面氣象觀測站建站至2019年的暴雪日數。為使各站的暴雪日數情況具有對比性，以建站最晚的觀測站起始年(1972年)為起始年，統(tǒng)一年代長度后(1972—2019年)對17個站暴雪日數進行再統(tǒng)計?？梢钥闯觯ㄕ局?019年和1972—2019年的暴雪日數最多均位于西部山區(qū)的井陘縣，1972—2019年西北部山區(qū)的平山縣暴雪日數次多(19 d)；1972—2019年無極縣暴雪日數最少(9 d)，趙縣次少(10 d)；1972—2019年暴雪日數最大值是最小值的近2.6倍；建站至1972年，1960年代建站的新樂市和無極縣未出現暴雪日，而1950年代中后期建站的石家莊市區(qū)、井陘縣和贊皇縣暴雪日數相對較多，分別為7、5、5 d。

表1 石家莊17個國家地面氣象觀測站建站至2019年暴雪日數統(tǒng)計Tab.1 Statistics of snowstorm days at 17 national meteorological observation stations in Shijiazhuang since their establishment to 2019

從1972—2019年石家莊暴雪日數的空間分布[圖2(a)]來看：暴雪日數自西向東逐漸減少，其中太行山東麓的西、西北、西南部山區(qū)暴雪日數多，東部平原地區(qū)少；暴雪日數大值區(qū)位于西部山區(qū)的井陘縣—平山縣一帶(井陘最多達23 d)；2個低值中心分別位于東北部平原的無極縣—新樂市一帶和東南部平原的趙縣。石家莊暴雪日數東西差異明顯的地理空間分布與地形密切相關[34]，受城市化影響不大。

圖2 石家莊1972—2019年暴雪日數(a)、17個國家地面氣象觀測站建站至2019年暴雪日數年均值(b)的空間分布(單位：d)Fig.2 The spatial distribution of snowstorm days in Shijiazhuang from 1972 to 2019 (a) and annual mean snowstorm days at 17 national meteorological observation stations since their establishment to 2019 (b) (Unit: d)

石家莊17站建站至2019年暴雪日數年平均值的空間分布[圖2(b)]與1972—2019年暴雪日數的空間分布基本一致。17站暴雪日數年平均值為0.17～0.44 d，最大值是最小值的2.6倍(略高于1972—2019年暴雪日數最大與最小值的倍數)；西部山區(qū)的井陘縣暴雪日數年平均值最高(0.44 d)；石家莊市區(qū)、平山縣、贊皇縣和高邑縣處于暴雪高發(fā)帶(0.36～0.38 d)；東部平原為相對低發(fā)區(qū)域，無極縣和新樂市是暴雪低發(fā)中心(分別為0.17、0.19 d)?？傮w上，山區(qū)暴雪發(fā)生頻率大于平原地區(qū)。

2.2 暴雪初、終日統(tǒng)計

石家莊降雪一般出現在冬季，但受寒潮爆發(fā)影響，在特定的天氣形勢下，很可能提前(推遲)到秋冬(冬春)過渡時節(jié)，因此，為了解各站暴雪可能出現的最早和最晚時間，統(tǒng)計石家莊17個國家地面氣象觀測站建站至2019年的暴雪初、終日(表2)。從石家莊整個區(qū)域來看，暴雪的初日最早在10月31日，終日最晚在4月19日。西部山區(qū)和中部丘陵帶的部分縣(市或區(qū))暴雪開始較早，東部平原開始較晚(11月初)，這有利于平原地區(qū)農作物秋收和秋種；17站的暴雪終日大部分在4月中旬，東南部平原的趙縣暴雪終日為3月27日，趙縣以種植梨果為主，暴雪天氣的終日越早越好，可以減少梨花凍害，降低果農的經濟損失。

表2 石家莊17個國家地面氣象觀測站建站至2019年的暴雪初、終日統(tǒng)計Tab.2 The statistics of starting and ending date of snowstorm at 17 national meteorological observation stations in Shijiazhuang since their establishment to 2019

2.3 暴雪日的站次和月變化特征

對1972—2019年暴雪日出現站次進行統(tǒng)計(圖3)。結果發(fā)現，1972—2019年17個站共出現暴雪日42 d，大于等于3站次的暴雪為24 d，占57.1%；大于等于7站次的暴雪為15 d，占35.7%；大于等于10站次的暴雪為11 d，占26.2%；17站次的暴雪為4 d，僅占9.5%，分別為2007年3月3—4日和2009年11月10—11日2次暴雪過程。小于3站次的暴雪日多出現在西、西北、西南部山區(qū)和石家莊市區(qū)，這與其暴雪日數相對偏多相一致；暴雪范圍的大小與降雪天氣系統(tǒng)的位置、強弱以及移動方向有關，石家莊全區(qū)性的暴雪天氣比較罕見。

圖3 1972—2019年石家莊暴雪日的站次統(tǒng)計Fig.3 The number of stations on snowstorm days in Shijiazhuang from 1972 to 2019

從圖3還可以看出，暴雪出現在10—12月和1—4月，跨秋、冬、春三季；暴雪日主要集中在11月(15 d)，占35.7%；其次3月出現暴雪也較多(9 d)，占21.4%；10月和4月出現暴雪最少(各2 d)，各占4.8%?？梢?，石家莊暴雪大多出現在深秋(11月)和早春(3月)，10月和4月的暴雪屬于罕見天氣，暴雪的出現與寒潮爆發(fā)的時間密切相關，石家莊11月和3月易出現寒潮天氣[33]。

2.4 暴雪日數的年際變化

圖4為石家莊5個代表站建站至2019年暴雪日數的年際變化。可以看出，石家莊市區(qū)近65 a共出現暴雪25 d，其中2000—2009年出現暴雪日10 d，占暴雪總日數的40%；平山縣近60 a共出現暴雪22 d，其中2003—2013年暴雪日有10 d(45.5%)；新樂市近57 a共出現暴雪11 d，其中2003—2012年暴雪日有7 d(63.6%)；贊皇縣近63 a共出現暴雪23 d，其中2002—2013年出現暴雪日10 d(43.5%)；辛集市近63 a共出現16 d暴雪，2003—2013年暴雪日有9 d(56.3%)?？梢?，5個代表站2000年以來暴雪日數均占比最多，其中2005—2013年暴雪多發(fā)，但2014—2019年未出現暴雪天氣。

圖4 石家莊5個代表站建站至2019年的暴雪日數年際變化Fig.4 Inter-annual variation of snowstorm days at 5 representative stations in Shijiazhuang since their establishment to 2019

2.5 暴雪日數的周期變化特征

圖5為石家莊5個代表站暴雪日數的Morlet小波系數實部和方差。可以看出，石家莊市區(qū)1955年建站以來，暴雪日數時間序列存在準10～28 a、10～17 a的周期變化，其中，10～28 a尺度存在“多、少”交替的準3次振蕩，10～17 a尺度上表現出準4次振蕩，這2個尺度的周期變化在整個分析時段中表現穩(wěn)定，具有全時域性。對于短周期變化，1970年代之前為3～6 a，1980年代以后為6～10 a。圖5(a)的方差變化曲線有2個明顯峰值，其中，最大峰值對應14 a的時間尺度，說明14 a左右的周期振蕩最強，為第一主周期；次峰值對應21 a的時間尺度，為第二主周期。

圖5 石家莊5個代表站建站至2019年暴雪日數的Morlet小波系數實部和方差(a)石家莊，(b)平山，(c)新樂，(d)贊皇，(e)辛集Fig.5 The real part and variances of Morlet wavelet coefficients of snowstorm days at 5 representative stations in Shijiazhuang since their establishment to 2019(a) Shijiazhuang, (b) Pingshan, (c) Xinle, (d) Zanhuang, (e) Xinji

平山縣1960年建站以來，暴雪日數時間序列存在準9～28 a的周期變化，全時域內穩(wěn)定呈現出“多、少”交替的準4次振蕩。2010年之前存在2～6 a的短周期變化。圖5(b)的方差變化曲線中存在3個較明顯峰值，其中，最大峰值對應2 a的時間尺度，說明2 a左右的周期振蕩最強，為暴雪日數變化第一主周期；次峰值對應4 a的時間尺度，為第二主周期；15～21 a的時間尺度為第三主周期。

新樂市在1970年代以后，暴雪日數時間序列存在10～20 a的周期變化，并呈現出“多、少”交替的準3次振蕩。1990年代以前，存在5～9 a的短周期，1990年代以后至2010年，有2～6 a的周期變化。圖5(c)的方差變化曲線顯示2個明顯峰值，分別對應16 a和2 a的時間尺度，同為第一主周期，但從整個時間域內來看，16 a的周期波動比較準確。

贊皇縣1957年建站以來，暴雪日數時間序列的長周期表現為準11～20 a的變化規(guī)律，在整個時域范圍內呈現出準4次振蕩。階段性的短尺度振蕩周期不明顯，且15 a時間尺度為全時域內暴雪日數變化的第一主周期。

辛集市1957年建站以來，暴雪日數時間序列存在準13～32 a的周期變化，在整個時域范圍內呈現出準3次振蕩。短尺度的周期變化不明顯，18 a周期變化為第一主周期。

綜上所述，暴雪日數周期變化存在多時間尺度特征，但各代表站存在明顯差異：全時域內，石家莊市區(qū)及西北部、西南部山區(qū)的主周期相對較短(準振蕩次數多)，而東北部、東南部平原的主周期相對較長(準振蕩次數少)，這與暴雪日數的空間分布一致。

表3列出石家莊17站建站至2019年暴雪日數在整個統(tǒng)計時段內的變化周期?？梢钥吹?，全時域內，各站暴雪日數的準周期和第一主周期均大于等于10 a；有16站的第一主周期為14～18 a不等，且以16 a居多(8站)；東北部平原的無極縣第一主周期時間最長(26 a)，與無極縣的暴雪日數及其年平均值最少相一致。

表3 石家莊17個國家地面氣象觀測站建站至2019年暴雪日數在全時域內的變化周期Tab.3 Variation cycle of snowstorm days at 17 national meteorological observation stations in the whole time domain since their establishment to 2019

2.6 暴雪日數突變分析

圖6為石家莊5個代表站建站至2019年暴雪日數滑動t檢驗年際變化，為提高計算結果可靠性，避免任意選擇子序列長度造成突變點漂移，經過反復變動子序列長度進行試驗比較，確定基準點前后兩個子序列的樣本相同，即n1=n2=10，取顯著性水平α=0.05，臨界值t0.05=±2.10。由圖6可見，石家莊市區(qū)暴雪日數的t統(tǒng)計量最大值為4.07(2010年)，最小值為-2.37(2000年)，自1964年以來，t統(tǒng)計量在1986年(負值)、2000年(負值)、2008—2010年(正值)超過臨界值，說明近65 a來石家莊市區(qū)暴雪日數出現3次明顯突變，2009年前后經歷了一次暴雪日數明顯增多的突變；平山縣暴雪日數的t統(tǒng)計量最大值為1.98(2010年)，最小值為-2.4(2002年)，自1969年以來，t統(tǒng)計量在2002年(負值)超過臨界值，說明近60 a來平山縣暴雪日數出現1次明顯減少突變；新樂市暴雪日數的t統(tǒng)計量最大值為1.85(2010年)，最小值為-1.8(2002年)，近57 a來暴雪日數未出現過明顯減少或增多的突變；贊皇縣暴雪日數的t統(tǒng)計量最大值為2.17(1966年)，最小值為-1.98(2004、2005年)，由于滑動后1966年為起始年，且t統(tǒng)計量在1966年(正值)超過臨界值，說明贊皇縣暴雪日數可能在1966年前出現過1次明顯增加的突變；辛集市暴雪日數的t統(tǒng)計量最大值為1.3(1995年)，最小值為-2.75(2004年)，自1966年以來，t統(tǒng)計量在2002—2005年(負值)超過了顯著性水平，說明辛集市暴雪日數在2004年前后出現過1次明顯減少突變。

圖6 石家莊5個代表站建站至2019年暴雪日數滑動t檢驗年際變化Fig.6 Inter-annual variation of sliding t-test values of snowstorm days at 5 representative stations in Shijiazhuang since their establishment to 2019

2.7 暴雪日降水量的極大值和均值空間分布

圖7為石家莊17個觀測站建站至2019年暴雪日降水量的極大值和均值的空間分布?？梢钥闯觯邓繕O大值總體上呈現出從中部向周圍遞減的趨勢。統(tǒng)計結果顯示有9站降水量極大值出現在2009年11月10—11日的暴雪過程，8站出現在2007年3月3—4日的暴雪過程；石家莊市區(qū)為降水量極大值的大值中心(51.1 mm，2009年11月10日)，距離石家莊市區(qū)最遠的北部和東部縣(市)降水量極大值較小，其中晉州市最小(21.2 mm，2007年3月4日)。石家莊暴雪日降水量的均值空間分布與極大值分布有所差別，總體上呈自西向東逐漸減少的趨勢，西部山區(qū)大于東部平原，但大值中心仍為石家莊市區(qū)；統(tǒng)計結果顯示石家莊市區(qū)暴雪日的降水量均值最大為13.1 mm，東部的深澤縣最小為9.4 mm，市區(qū)遠高于郊縣。由此可見，石家莊暴雪日的降水量極大值和均值空間分布均表現為山區(qū)大于平原，地處丘陵帶的石家莊市區(qū)為大值中心，這與石家莊市區(qū)所處的地理位置密切相關。石家莊市區(qū)位于山區(qū)向平原過渡的丘陵帶，秋、冬、春季的降雪天氣大多與回流天氣相關[27,34]，在東北風長時間回流影響下，冷空氣山前堆積滯留，促進暖濕空氣抬升加強，是造成這種空間分布的主要原因。

圖7 石家莊17個觀測站建站至2019年暴雪日降水量的極大值(a)和均值(b)空間分布(單位：mm)Fig.7 The spatial distribution of maximum (a) and average (b) precipitation on snowstorm days at 17 meteorological observation stations in Shijiazhuang since their establishment to 2019 (Unit: mm)

3 結 論

(1)石家莊暴雪日數呈自西向東逐漸減少的空間分布，表現為山區(qū)多于平原，大值中心位于西部山區(qū)，低值中心位于東部平原，1972—2019年暴雪日數最大值是最小值的近2.6倍；石家莊暴雪日降水量的極大值和均值空間分布略有差別，但均具有山區(qū)大于平原的特征，且降水量極大值和均值的大值中心均位于丘陵帶的石家莊市區(qū)。

(2)石家莊暴雪日的出現月份為10—12月和1—4月，跨秋、冬、春3個季節(jié)，主要集中在深秋11月，10月和4月暴雪日最少。暴雪初日最早在10月31日，終日最晚在4月19日，西部山區(qū)和中部的部分縣(市)開始較早，東部平原開始較晚，大部分測站暴雪在4月中旬結束。1972—2019年，17站共出現暴雪日42 d，大于等于3、7、10站次的暴雪分別占57.1%、35.7%、26.2%，全區(qū)性暴雪僅占9.5%。可見全區(qū)性大范圍暴雪以及10月、4月暴雪均屬罕見天氣。

(3)5個代表站建站以來的暴雪日數均存在階段性變化，2000年以來的暴雪日數占比最多，其中2005—2013年為暴雪多發(fā)期。各站暴雪日數的主周期變化表現為10 a以上的長時間尺度，東北部平原的無極縣第一主周期時間最長(26 a)，這與無極縣的暴雪日數最少相一致。全時域內，石家莊市區(qū)及山區(qū)的主周期波動次數多，而平原的主周期波動次數少，這與暴雪日數的空間分布相一致；在準周期波動中，2014年之后各代表站均處于暴雪偏少期。

(4)4個代表站暴雪日數時間序列存在突變，中部丘陵帶的石家莊市區(qū)在1986年和2000年經歷2次減少突變，2009年前后經歷1次增多突變；西北部山區(qū)2002年有1次減少突變；西南部山區(qū)可能在1966年前經歷1次增加突變；東南部平原在2004年前后有1次明顯減少突變；東北部平原沒有突變現象。