河北雄安新区近50 a气温变化特征

马凤莲，刘园园，李春强

(1 河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021；2 河北雄安新区气象局，河北 雄安 071700；3 河北省承德市气象局，河北 承德 067000；4 河北省气象科学研究所，河北 石家庄 050021)

IPCC第5次评估报告明确指出1880—2012年，全球海陆表面的平均温度上升了0.85 ℃，呈显著升高趋势；1951—2012年，全球地表平均温度平均每10 a上升0.12 ℃，上升速率是1880年以来温度上升速率的2倍[1-2]。近年来，研究人员对中国气温变化趋势特征进行了大量研究[3-6],对中国地区近50 a或60 a的气温变化研究显示，我国气温呈明显上升趋势，全国平均气温的变化递增率为0.25 ℃/10 a，平均升高约1.3 ℃[7-11]。许多研究结果也指出我国气温变化在不同区域升温过程不同步[12-19]。1960—2013年华北平原年平均气温整体呈现显著上升趋势，气候倾向率为0.23℃/10 a，河北省年平均气温增幅为0.30℃/10 a，且河北省也存在不同区域升温不同步特征[20-22]。由于我国不同区域气温的年、季节变化特征并不相同，并且具有各自的独特性。对区域性气温变化的监测，有利于正确理解和评估全球变暖的原因和趋势[7]。而有关河北雄安新区气温变化特征的研究尚未见报道。

气象与雄安新区的规划建设、生态文明建设、城市安全运行息息相关。在全球气候变暖背景下，气象灾害强度、频度、影响程度将不断增大。加之，雄安新区在建设、运行、发展阶段面临从农村到城市的巨大转变，势必导致局地气候发生变化，区域资源承载力与经济发展的矛盾日益突出，这些对气象保障未来新区城市安全运行提出了更高要求。要实现雄安新区的“生态优先、绿色发展、绿色宜居”理念，气候分析显得尤为重要。科学掌握本地气候特征及各气象要素的时间、空间发展变化规律，将有利促进雄安新区在自然环境承载范围内优化资源配置，为雄安新区建设与规划决策提供辅助依据，实现雄安新区和京津冀地区的可持续发展。

选取雄安新区辖区内3个国家气象观测站1969—2018年(50 a)的气温观测数据，采用线性回归分析、Mann-Kendall突变检验、小波分析等方法，研究雄安新区年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温以及不同季节的气温变化趋势，对全面认识该区域气温变化特征和探讨其与全球气候变化的联系具有一定的现实意义。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

河北雄安新区位于太行山东麓、冀中平原中部、南拒马河下游南岸，在大清河水系冲积扇上，属太行山东麓平原向冲积平原的过渡带。全境西北较高，东南略低，自然纵坡千分之一左右，为缓倾平原。雄安新区规划范围涉及河北省雄县、容城、安新3县及周边部分区域。雄安新区规划建设以特定区域为起步区先行开发，起步区面积约100 km2，中期发展区面积约200 km2，远期控制区面积约2 000 km2[23]。

1.2 资料来源

本研究所用气象资料来自河北省气象信息中心，包括雄安新区辖区内3个气象观测站(容城、安新、雄县)1969—2018年的气温观测资料。雄安新区年、季平均气温均为雄安新区辖区内3个气象观测站气温的平均值，年最高、最低气温为容城县气象观测站的单站观测资料。

1.3 研究方法

采用气候倾向率法[24]估算各气候要素的长期变化趋势，即用Xi表示样本量为n的某气象变量，用t表示Xi所对应的时间，建立Xi与t之间的一元线性回归方程:Xi=ati+b。式中：a为回归系数，b为常数项，a和b用最小二乘法进行估计，以a的10倍作为每10 a气候倾向率。a<0表示气候要素随时间的增加而减少，a>0则表示气候要素随时间的增加而增加。并采用Pearson相关系数法进行变化趋势的显著性检验。

采用Mann-Kendall突变检验法进一步检验年、季平均气温的变化趋势和突变性。Mann-Kendall突变检验法的优点是样本可不遵从特定的分布，且可以检验较宽的范围，不受个别异常值的干扰，人为干扰性也比较少，同时可以明确突变的区域、突变开始的时间，具有较高的定量化程度[24]。Mann-Kendall突变检验中，UF为时间正序统计量曲线，UF>0表示序列呈增大(或增多)趋势，UF<0则表示序列呈减小(或减少)趋势，当超过临界线(信度为0.05的显著性水平临界线为±1.96)时，则表示变化趋势显著，UB为时间逆序统计量曲线，UF、UB曲线在信度线内的相交点即为检验样本序列可能的突变点[24]。

采用Morlet小波分析法研究年、季平均气温的周期变化特征。Morlet小波分析法在时域、频域上具有局部辨识力，可诊断出气温序列变化的多层次特征，进而得到周期变化在不同时间尺度上的详细信息[24]。

2 结果与分析

2.1 平均气温的时间变化特征

2.1.1 年平均气温 1969—2018年雄安新区年平均气温的时间序列显示(图1a)，近50 a年平均气温呈显著波动升高趋势，上升趋势通过信度为0.001的显著水平检验，上升速率为0.265 ℃/10 a，其上升速率略高于全国平均气温变化速率(0.25 ℃/10 a)，低于河北省平均气温变化速率(0.30 ℃/10 a)。雄安新区多年平均气温为12.4 ℃，多年最大值和最小值分别为13.5 ℃(2014年)和10.8 ℃(1969年)，平均气温变化幅度为2.7 ℃。

而从不同年代变化来看，20世纪70年代、80年代雄安新区平均气温总体偏低，20世纪90年代及2000年以来时段的平均气温总体偏高。从年平均气温距平序列(图1b)分析也可以看出，雄安新年平均气温在90年代初期前后有较大差异，其中1969—1991年以负距平为主，23 a中负距平有19 a，占82.6%，1992—2018年以正距平为主，期间27 a中有21 a为正距平，占77.8%。

2.1.2 季平均气温 从不同季节平均气温时间序列分析(图2a—图2d)，1969—2018年雄安新区春季、夏季、冬季平均气温均呈显著升高态势，其中，冬季平均气温升高趋势通过信度水平为0.01的显著性检验，春季、夏季上升趋势均通过信度水平为0.001的显著性检验，3个季节的平均气温上升速率分别为0.423 ℃/10 a、0.255 ℃/10 a、0.322 ℃/10 a，春季平均气温上升趋势最为明显，冬季和春季平均气温上升速率均大于年平均气温上升速率，秋季平均气温变化较平稳，虽也呈上升趋势，但未通过显著性检验，其气候倾向率为0.055 ℃/10 a。不同季节平均气温升温对年平均气温的贡献由大到小为春季、冬季、夏季、秋季。

图1 1969—2018年雄安新区年平均气温(a)、平均气温距平(b)变化趋势Figure 1 The changes of annual mean temperature(a)and annual mean temperature anomaly(b)in Xiong’an New Area from 1969 to 2018

图2 1969—2018年雄安新区季节平均气温变化(a春季；b夏季；c秋季；d冬季)Figure 2 Changes of seasonal mean temperature in Xiong’an New Area from 1969 to 2018 (a spring; b summer; c autumn; d winter)

从各季节不同年代的平均气温统计值来看，春季平均气温于2000年以来达到最高，为14.5 ℃，较20世纪70年代高1.4 ℃，较近50 a平均值高0.7 ℃；夏季平均气温于2010年代达到最高，为26.2 ℃，较20世纪70年代高1.1 ℃，较近50 a平均值高0.6 ℃；秋季平均气温的各年代值变化幅度较小，仅20世纪90年代高于近50 a平均值0.2 ℃，其他年代则略低于或接近于近50 a平均值；1990年代冬季平均气温最高，达-1.6 ℃，较1970年代高1.4 ℃，较近50 a平均值高0.9 ℃，2010年代冬季平均气温与近50 a平均值接近。

总体来看，春季、夏季平均气温呈年代递增趋势，2010年代气温最高，而20世纪90年代秋季、冬季平均气温分别高于其他年代。

2.1.3 年平均最高、最低气温 1969—2018年雄安新区年平均最高气温(图3a)、年平均最低气温(图3b)均呈波动升高趋势，气候倾向率分别为0.238 ℃/10 a和0.422 ℃/10 a，年平均最高气温和年平均最低气温的气候变化趋势均通过信度水平为0.001的显著检验。近50 a多年平均最高气温、最低气温分别为18.6 ℃、7.2 ℃。

综上分析，雄安新区近50 a平均最低气温升温速率远大于平均最高气温，平均最高气温的升温速率略低于年平均气温升温速率，平均最低气温升温趋势显著，且对年平均气温升温速率贡献大于平均最高气温。

图3 1969—2018年雄安新区年平均最高气温(a)、最低气温(b)变化趋势Figure 3 Changes of annual mean maximum temperature(a)and annual mean minimum temperature(b)in Xiong’an New Area from 1969 to 2018

2.1.4 季平均最高、最低气温 从不同季节平均最高、平均最低气温时间序列分析(表1)，1969—2018年雄安新区各季节平均最高气温、平均最低气温均呈波动升高趋势。其中，春季、夏季平均最高气温的升温趋势通过信度水平为0.001和0.01的显著性检验，近50 a平均最高气温的升温幅度由大到小为春季、夏季、冬季、秋季，春季最高气温气候倾向率较年平均最高气温高0.153 ℃/10 a，其他季节均低于年平均最高气温。春季、夏季平均最低气温上升趋势均通过信度水平为0.001的显著性检验，秋季、冬季平均最低气温的升温趋势通过信度水平为0.01的显著性检验。近50 a平均最低气温的升温幅度由大到小为春季、冬季、夏季、秋季，春季平均最低气温气候倾向率较年平均最低气温高0.117 ℃/10 a ，其他季节均低于年平均最低气温。

综上分析，近50 a雄安新区各季节的平均气温、平均最高气温、平均最低气温均表现为春季升温幅度最大，秋季升温幅度最小，此结果与全国平均气温的季节变化有所不同。

表1 1969—2018年各季节平均最高、最低气温气候倾向率及显著性检验Table 1 Climate tendency rate and significance test of mean maximum and mean minimum temperature in each season of 1969-2018

将近50 a雄安新区年、季平均气温的变化趋势与全国、河北省、京津等不同区域的变化趋势对比发现，雄安新区年平均气温上升速率低于河北省、京津地区平均气温变化速率，略高于全国平均气温变化速率(表2)。春季、夏季比全国平均增温速率分别高出0.14 ℃/10 a和0.10 ℃/10 a，冬季平均气温增温速率则接近全国，秋季平均气温增温速率较全国低0.14 ℃/10 a。近50 a雄安新区各季节的平均气温、平均最高气温、平均最低气温均表现为春季升温幅度最大，秋季升温幅度最小，此结果与京津地区结果一致，不同于全国平均和河北省平均状况，河北省与全国均表现为冬季平均气温的升温幅度最大，且冬季>春季>秋季>夏季，由此基本反映出雄安新区气温变化的局地性特征，但也存在因研究时段不同致使可比性欠妥问题，同时，本研究尚未对雄安新区气温变化原因进行具体分析，有待今后进进一步分析和验证。

表2 近50 a雄安新区与不同区域年平均气温变化速率对比(℃/10 a)Table 2 Comparison of annual mean temperature change rate between Xiong’an New Area and different areas in recent 50 years

2.2 气温的突变性检验

2.2.1 年平均气温 1969—2018年雄安新区年平均气温Mann-Kendall统计量曲线见图4。由UF曲线来看，雄安新区近50 a平均气温一直处于增暖的趋势，自20世纪90年代开始这种增暖趋势大大超过显著水平0.05的临界线(u0.05=1.96)，甚至超过0.001显著水平，表明雄安新区年平均气温上升趋势是十分显著的。根据UF和UB曲线交点的位置，确定雄安新区年平均气温20世纪90年代的显著增暖是一突变现象，突变点为1987年。

图4 1969-2018年雄安新区年平均气温曼—肯德尔统计量曲线(直虚线为a=0.05显著性水平临界线)Figure 4 The Mann-Kendall statistic curve of annual mean temperature in Xiong’an New Area from 1969 to 2018(The straight dotted line was a 0.05 significant horizontal critical line)

2.2.2 季平均气温 春季平均气温Mann-Kendall统计量曲线显示(图5a)，自20世纪70年代以来春季平均气温呈持续增暖趋势，其中1972—1977、1998—2018年增暖趋势显著，UF和UB曲线在临界线内相交于1993年，由此判定20世纪90年代以来春季平均气温的增暖趋势属于突变现象；夏季平均气温自20世纪70年代以来是一直呈增暖趋势(图5b)，2000—2018年增暖趋势显著，1991年为夏季平均气温增暖趋势的突变点；秋季平均气温虽呈增暖趋势，但不属于突变现象(图5c)；冬季平均气温自20世纪70年代以来呈持续增暖趋势(图5d)，其中1975—1980年、1989—2018年增暖趋势显著，根据UF和UB曲线交点的位置，雄安新区冬季平均气温20世纪70年代以来的显著增暖属于突变现象，突变点为1973年。

综上所述，近50 a，雄安新区年、季平均气温均呈增暖趋势，其中，年、冬季、春季、夏季平均气温增暖趋势均存在突变现象，20世纪90年代开始，增暖趋势更为显著。

2.2.3 最高、最低气温 近50 a雄安新区年平均最高气温Mann-Kendall统计量曲线显示(图6a)，UF曲线的变化趋势与年平均气温有所不同，20世纪90年代以前UF<0，表现出降温趋势，1990—2018年UF>0，自2013年开始，UF值超过显著水平0.05的临界线(u0.05=1.96)，表现出显著增暖趋势。在临界区内UF和UB曲线仅相交于1990年，由此判定近50 a雄安新区年平均最高气温显著增温存在突变现象，突变点为1990年。

年平均最低气温Mann-Kendall统计量曲线变化趋势与年平均气温变化相似(图6b)，近50 a年平均最低气温一直处于增暖的趋势，且自1973年开始UF值超过显著水平0.05的临界线，表明雄安新区年平均最低气温上升趋势是十分显著的。但是，在临界区内UF和UB曲线并无交叉点，说明近50 a雄安新区年平均最低气温的增温趋势不存在突变现象。

图5 1969-2018年雄安新区季节平均气温曼—肯德尔统计量曲线(a春季；b夏季；c秋季；d冬季，直虚线为a=0.05显著性水平临界线)Figure 5 The Mann-Kendall statistic curve of seasonal mean temperature in Xiong’an New Area from 1969 to 2018(a spring; b summer; c autumn; d winter. The straight dotted line was a 0.05 significant horizontal critical line)

图6 1969-2018年雄安新区年平均最高气温(a)、年平均最低气温(b)曼—肯德尔统计量曲线Figure 6 The Mann-Kendall statistic curve of annual mean maximum temperature (a) and annual mean minimum temperature (b) in Xiong’an New Area from 1969 to 2018

继而对各季节的平均最高气温、平均最低气温进行Mann-Kendall突变性检验，4个季节的平均最高气温UF>0的起始年份为20世纪80年代年初或80年代后期，且0.05显著水平临界区内UF与UB曲线有多个交点，表现出4个季节的平均最高气温均自20世纪80年代开始呈现升温趋势，但均不存在突变现象；4个季节的平均最低气温UF>0的起始年份为20世纪70年代年初或70年代后期，冬季、春季、夏季、秋季UF值分别于1988年、1981年、1994年、1993年超出临界线，且0.05显著水平临界区内UF与UB曲线有多个或没有交叉点，由此判定，4个季节平均最低气温自20世纪70年代初期或70年代末期开始呈现升温趋势，且春季平均最低气温于1981年开始呈现显著升温趋势，其他3个季节则于80年代末期或90年代初期呈现显著升温趋势，但各季节的升温趋势均不存在突变现象。

2.3 气温的周期变化特征

2.3.1 年平均气温 雄安新区年平均气温存在3个明显的特征时间尺度周期变化，分别是8 a、13 a、19 a。其中在20世纪70年代至90年代末以8 a周期振荡为主，13 a特征尺度信号振荡最剧烈，振荡周期贯穿于整个研究时段，19 a尺度振荡周期贯穿整个研究时段，表现出“冷-暖-冷-暖-冷-暖”3个完整的震荡周期(图7)。

图7 1969—2018年雄安新区年平均气温小波变换系数及方差Figure 7 The wavelet transform coefficient and variance of annual mean temperature in Xiong’an New Area from 1969 to 2018

2.3.2 季平均气温 春季平均气温的Morlet小波分析结果显示(图8 a)，雄安新区近50 a春季平均气温存在3个明显的特征时间尺度，分别是4～5 a、7～8 a、18～19 a。其中4～5 a周期在2000年以前表现较强，7～8 a周期贯穿整个研究时段，18～19 a特征尺度震荡最强；夏季平均气温存在3个明显的特征时间尺度(图8 b)，分别是3 a、9 a、17 a左右。其中3 a周期在2000年以前表现较强，9 a、17 a左右周期贯穿整个研究时段，周期振荡相对稳定，且17 a左右特征尺度呈现比较强烈的震荡；秋季平均气温存在2个明显的特征时间尺度(图8 c)，分别是6 a和8～9 a。其中6 a在2000年以前呈现比较稳定的周期振荡，8～9 a特征尺度在2000以后震荡强烈；冬季平均气温10 a以下小尺度周期振荡不明显(图8 d)，13～14 a周期贯穿整个研究时段，且震荡信号较强。

图8 1969—2018年雄安新区季节平均气温小波变换系数及方差(a春季；b夏季；c秋季；d冬季)Figure 8 The wavelet transform coefficient and variance of seasonal mean temperature in Xiong’an New Area from 1969 to 2018(a spring;b summer;c autumn;d winter)

2.3.3 年平均最高、最低气温 从年平均最高气温小波变换系数及方差分析(图9a)，年平均最高气温存在8 a、11 a、19 a周期震荡，其中20世纪90年代以前以8 a周期震荡为主，2000年以来以11 a周期震荡为主。在整个时间序列中，19 a周期尺度表现出“冷-暖-冷-暖-冷-暖”3个完整周期震荡。

年平均最低气温的小波变换系数及方差显示(图9b)，13 a、19—20 a特征尺度周期震荡贯穿整个研究时段，且震荡信号较强。同年平均最高气温一致表现出“冷-暖-冷-暖-冷-暖”3个完整周期震荡。

图9 1969—2018年雄安新区年平均最高气温(a)、年平均最低气温(b)小波变换系数及方差Figure 9 The wavelet transform coefficient and variance of annual mean maximum temperature(a)and annual mean minimum temperature (b)in Xiong’an New Area from 1969 to 2018

综上小波变换系数及方差分析，年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均显示18—20 a尺度周期震荡尤为显著，且自2013年以来雄安新区气温处于暖周期。

3 结论与讨论

(1)近50 a，雄安新区年平均气温呈显著波动升高态势，上升速率为0.265 ℃/10 a，其上升速率略高于全国平均气温变化速率。20世纪70年代、80年代雄安新区平均气温总体偏低，而20世纪90年代及2000年以来时段的平均气温总体偏高。冬季、春季、夏季平均气温均呈显著升高态势，秋季平均气温变化较平稳。不同季节平均气温升温对年平均气温的贡献由大到小为春季、冬季、夏季、秋季。

(2)平均最高、最低气温均呈波动升高趋势，气候倾向率分别为0.238 ℃/10 a、0.422 ℃/10 a，平均最低气温升温趋势显著，且对年平均气温升温速率贡献大于平均最高气温。各季节平均最高气温、平均最低气温均呈波动升高趋势。平均最高气温的升温幅度由大到小为春季、夏季、冬季、秋季，平均最低气温的升温幅度由大到小为春季、冬季、夏季、秋季。

(3)雄安新区年、冬季、春季、夏季平均气温增暖趋势均存在突变现象，年平均气温显著增暖起始于1987年；冬季平均气温于1975—1980年、1989—2018年增暖趋势显著。春季、夏季平均气温增暖趋势始于20世纪90年代初。年平均最高气温自90年代开始呈现持续增暖趋势，突变点为1990年，2013年开始呈现显著增暖趋势；年平均最低气温自70年代初即表现为显著持续增暖趋势，但其增温趋势不属于突变现象。各季节的平均最高气温均自20世纪80年代开始呈现升温趋势，但均不存在突变现象；各季节平均最低气温自20世纪70年代初期或70年代末期开始呈现升温趋势，且春季平均最低气温于1981年开始呈现显著升温趋势，其他3个季节则于80年代末期或90年代初期呈现显著升温趋势，但各季节的升温趋势均不存在突变现象。

(4)雄安新区年平均气温存在3个明显的特征时间尺度的周期振荡，13 a特征尺度信号振荡最剧烈，各季节平均气温10 a以下的特征时间尺度周期振荡明显。近50 a，年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温在19 a特征时间尺度上均表现出“冷-暖-冷-暖-冷-暖”3个完整的震荡周期，且自2013年以来处于“暖期”。

(5)雄安新区远期控制区面积约2 000 km2，利用该区域内3个气象观测数据进行气温的时间序列分析，虽然具有较强的代表性，能够反映出雄安新区近50 a气温变化的基本特征，但是研究结果还远远不能满足“生态雄安”发展的需求。利用本区域内的气象台站及周边台站历史数据和多源遥感遥测信息，重建雄安新区及白洋淀流域近100 a气候数据集，建立基于风险的气候变化和极端天气气候事件对雄安新区生产、生活和生态影响的定量化评估模型是我们的研究方向。