RegCM3下1951-2100年江苏省热量资源及一季稻气候生产潜力

2016-01-14褚荣浩申双和吕厚荃沙修竹

江苏农业学报 2015年4期

褚荣浩，　申双和，　吕厚荃，　李　萌，　喻　丽，　沙修竹

(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京210044；2.南京信息工程大学气象灾害预警预报与评估协同创新中心，江苏南京210044；3.中国气象局国家气象中心，北京100081;4.盐城大丰市气象局，江苏大丰224100；5.河南省人工影响天气领导小组办公室，河南郑州450003)

摘要：　为揭示气候变化情景下江苏省热量资源及一季稻气候生产潜力变化规律，本研究根据江苏省 1971-2000年逐日站点气象数据以及RegCM3模式模拟输出的格点气象数据，从中提取江苏省气象资料，对RegCM3下1951-2100年江苏省热量资源及一季稻气候生产潜力进行时空变化分析。结果显示：(1)江苏省热量资源总体呈现年≥10 ℃积温空间上由东北向西南逐渐增加，且随年份增加逐渐增加；一季稻适播期(≥10 ℃初日)空间上由西南向东北逐渐推迟，且随年份增加逐渐提前；一季稻生育期天数1951-2010年由东北向西南逐渐缩短，2011-2100年由东南向西北逐渐缩短。(2)随着热量资源的逐渐增加，江苏省一季稻气候生产潜力主要呈现出时间上低-高-低、空间上由西南向东北逐渐递减的趋势，且苏南西南部一直为高值区。

关键词：　RegCM3；江苏省；热量资源；一季稻；气候生产潜力

doi:10.3969/j.issn.1000-4440.2015.04.011

RegCM3下1951-2100年江苏省热量资源及一季稻气候生产潜力

褚荣浩1，申双和2，吕厚荃3，李萌1，喻丽4，沙修竹5

摘要：为揭示气候变化情景下江苏省热量资源及一季稻气候生产潜力变化规律，本研究根据江苏省 1971-2000年逐日站点气象数据以及RegCM3模式模拟输出的格点气象数据，从中提取江苏省气象资料，对RegCM3下1951-2100年江苏省热量资源及一季稻气候生产潜力进行时空变化分析。结果显示：(1)江苏省热量资源总体呈现年≥10 ℃积温空间上由东北向西南逐渐增加，且随年份增加逐渐增加；一季稻适播期(≥10 ℃初日)空间上由西南向东北逐渐推迟，且随年份增加逐渐提前；一季稻生育期天数1951-2010年由东北向西南逐渐缩短，2011-2100年由东南向西北逐渐缩短。(2)随着热量资源的逐渐增加，江苏省一季稻气候生产潜力主要呈现出时间上低-高-低、空间上由西南向东北逐渐递减的趋势，且苏南西南部一直为高值区。

关键词：RegCM3；江苏省；热量资源；一季稻；气候生产潜力

doi:10.3969/j.issn.1000-4440.2015.04.011

收稿日期：2015-03-14

基金项目：公益性行业(气象)科研专项(GYHY201106020、GYHY201506018)

作者简介：褚荣浩(1991-)，男，江苏泰州人，硕士研究生，主要从事农业气象研究。(Tel)15365192379；(E-mail)ronghaochu@163.com

通讯作者：申双和，(E-mail)yqzhr@nuist.edu.cn

中图分类号：S511

文献标识码：识码：A

文章编号：编号：1000-4440(2015)04-0779-07

Abstract：In order to reveal the change rules of thermal resources and climatic potential productivity of single season rice in Jiangsu province under climate change scenarios, based on daily meteorological data from 1971 to 2000 in Huang-Huai-Hai region combing with daily meteorological data from the regional climate model RegCM3, the meteorological data of Jiangsu province was extracted, and the spatial and temporal variations of the characteristics of thermal resources and climatic potential productivity of single-season rice in Jiangsu province under RegCM3 from 1951 to 2100 were analyzed. The results showed that: ①The accumulated temperature above 10 ℃ increased gradually from northeast to southwest over time. The optimum sowing date(the first day for the daily temperature to steadily pass 10 ℃) of single-season rice advanced gradually over time and delayed gradually from southwest to northeast. The length of single-season rice growth season was shortened gradually from northeast to southwest from 1951 to 2010, and was shortened as well from southeast to northwest from 2011 to 2100. and ②With the increase of thermal resources, the climatic potential productivity of single-season rice in Jiangsu province showed a low-high-low trend over time and decreased gradually from southwest to northeast, and the southwestern of southern Jiangsu province yielded the highest.

Thermal resources and climatic potential productivity of single-season rice in Jiangsu province under RegCM3 from 1951 to 2100

CHU Rong-hao1,SHEN Shuang-he2,LÜ Hou-quan3,LI Meng1,YU Li4,SHA Xiu-zhu5

(1.CollegeofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044，China;2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisaster,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044，China;3.NationalMeteorologicalCenterofChinaMeteorologicalAdministration，Beijing100081，China；4.DafengMeteorologicalBureau,Dafeng224100，China;5.WeatherModificationLeadingGroupOfficeofHenanProvince,Zhengzhou450003，China)

Key words：RegCM3;Jiangsu province;thermal resource;single-season rice;climatic potential productivity

近年来，全球气候变化越来越引起人们关注，据IPCC第五次评估报告(AR5)第一工作组(WGI)报告[1]指出，未来全球气候变暖仍将持续，21世纪末全球平均地表温度在1986-2005年的基础上将升高 0.3～4.8 ℃。未来气候变化将使农作物生长发育、产量、品质及农业种植结构布局发生改变，进而对农业生产成本产生重要影响[2]，最终对粮食安全产生严重影响。江苏省是中国农业大省，研究结果表明，以光、热、水为主的江苏省农业气候资源总量已发生明显改变[3]，将对农业生产产生深远影响。

目前，对于热量资源及作物气候生产潜力等相关领域已有很多研究[4-12]，但针对未来情景下长时间序列的江苏省热量资源及一季稻气候生产潜力方面的研究还鲜见报道。本研究基于江苏省1971-2000年逐日站点气象数据以及RegCM3模式模拟输出的格点气象数据，从中提取江苏省气象资料，系统分析了未来情景下江苏省热量资源和一季稻气候生产潜力时空变化特征，为应对气候变化、合理利用热量资源调整农业种植结构、提高作物产量品质及一季稻气候生产潜力提供科学指导。

1资料与方法

1.1研究区域概况

江苏省地处东部沿海中部，地跨东经116°18′～121°57′，北纬30°45′～35°20′，属温带向亚热带过渡性气候，季风显著，四季分明，雨量集中，雨热同季，光能充足，热量富裕[13]，年平均气温约15 ℃，是中国水稻主产区之一，水稻种植面积及总产量均排全国第五位，约占全省粮食总产的56.2%[14]，且主要以一季稻为主。

1.2资料来源与订正

本研究数据来源于国家气候中心RegCM3模式模拟A1B情景下1951-2100年0.25°×0.25°格点气象资料日值，包括日平均气温(℃)、日最高和最低气温(℃)、日降水量(mm)、气压(hPa)、日总辐射(W/m2)、日平均风速(m/s)、日平均相对湿度。国家信息中心发布的1971-2000年黄淮海区域逐日站点气象资料，包括日平均气温(℃)、日最高和最低气温(℃)、日降水量(mm)、日总辐射(W/m2)、日平均风速(m/s)、日平均相对湿度。按江苏经、纬度，提取出对应资料，其中基准资料(Baseline)选取国家信息中心发布的1971-2000年的黄淮海区域逐日站点气象资料，研究时段选取1951-2100年。采用双线性插值法以Baseline对RegCM3的网格点值(分辨率为 0.25°×0.25°)加以订正[15]。

1.3研究方法

将江苏省 1951-2100年数据资料分成5个时段进行分析计算，分别为1951-1980年、1981-2010年、2011-2040年、2041-2070年和2071-2100年。

1.3.1江苏省一季稻生育期划分依据本研究采用五日滑动平均法确定逐年≥10 ℃积温及日平均气温，以10 ℃的初日作为江苏省一季稻适播期[16]，一季稻生长终止期根据积温指标进行划定。

1.3.2界限值按指定概率条件下界限值的计算公式[17]为：

x=(1-a)xj+axj+1

(1)

其中，j为序号；n为记录个数；x指界限值；xj指适播期、生育期天数(均按80%保证率取值)；a=p(n+1)-j，p为指定概率。

1.3.3气候生产潜力本试验采用“作物生长动态统计”模型，按光合、光温、气候潜力三级订正进行计算，将水稻全生育期分为播种～出苗、出苗～移栽、移栽～分蘖、分蘖～拔节、拔节～抽穗、抽穗～成熟6个时段，采用积温指标计算各生育期起止日期，分别计算不同时段水稻生产潜力，进行累加得到全生育期生产潜力[15]。计算公式如下：

①温度订正函数f(T)[18-19]

(2)

式中，T是水稻发育期的平均温度，T1、T2和T0分别是水稻生育期内生长发育的下限、上限和最适温度，且当T≤T1时，f(T)=0，各生育期三基点温度[20-21]如表1所示。

表1江苏省一季稻各生育期三基点温度

Table 1Three cardinal points in each growth period of single-season rice in Jiangsu province

生育期T0(℃)T1(℃)T2(℃)播种～出苗251240出苗～移栽261535移栽～分蘖281738分蘖～拔节281738拔节～抽穗302035抽穗～成熟261535

②水分订正函数f(R)[22]

(3)

式中，E0i=αi×Ei,E0i为总蒸发量，Ri为i时段降水量，Ei采用世界粮农组织(Food and Agricultural Organization)推荐的经典参考作物蒸散Penman-Monteith估算模型[23]进行计算，αi为作物系数[24]。

③农业气候生产潜力[25-26]

光合生产潜力Y1计算公式：

(4)

式中，C为单位换算系数，取10 000；Ω为作物光合固定CO2能力的比例，取1.00；ε为光合辐射占总辐射比例，取0.49；φ为光合作用量子效率，取0.224；α为作物群体反射率，取0.68；β为作物群体对太阳辐射漏射率，取0.06；ρ为作物非光合器官对太阳辐射的无效吸收，取0.10；γ为光饱和限制率，取0.01；ω为作物呼吸损耗率，取0.30；η为成熟谷物含水率，取0.15；ξ为作物灰分含量，取0.08；s为作物经济系数，取0.40；q为单位干物质含热量(MJ/kg)，取17.20；f(L)为作物叶面积动态变化订正值，取0.58；Qi为各生育期太阳总辐射(MJ/m2)。

光温生产潜力Y2：在Y1的基础上对其进行温度和生育日数订正，公式如下：

Y2=f(T)·f(N)·Y·

(5)

式中，f(T)为温度订正函数，f(N)是生育日数订正函数。

f(N)=1+(N-N0)/(1.7N0)

(6)

式中，N为一季稻有效生育日数(日均温≥10 ℃天数)，N0为一季稻生育期日数。

气候生产潜力Y3：在Y2基础上进行水分订正，公式如下：

Y3=f(R)·Y2

(7)

2结果与分析

2.1江苏省热量资源变化特征

2.1.1一季稻生育期内≥10 ℃积温活动积温常用于农业气候中热量资源的分析，且≥10 ℃活动积温最常使用。本试验对一季稻生育期内≥10 ℃积温变化进行分析，由图1可知，≥10 ℃积温空间上总体呈现出由东北向西南逐渐升高的趋势，年份上呈现逐渐增加的趋势。相对于1951-1980年、1981-2010年≥10 ℃积温变化较平缓，其中，徐州东部、宿迁、淮安和南通北部、连云港、盐城大部和苏南北部地区年≥10 ℃积温上升300 ℃左右。2011-2040年，全省≥10 ℃积温均在4 600 ℃以上，南京、常州南部、无锡北部和苏州南部已达 5 201～5 500 ℃。2041年以后，≥10 ℃积温增加趋势尤为明显，全省均在5 200 ℃以上，至 2071-2100年，苏南大部地区已达 6 101～6 400 ℃，其中南京、苏州南部更是高达 6 401～6 600 ℃。

2.1.2一季稻适播期(年平均气温≥10 ℃初日)的变化1951-2100年间，江苏省一季稻适播期(≥10 ℃初日)的变化如图2所示，由图2可知，江苏省一季稻适播期空间上整体呈现出由西南向东北逐渐推迟的趋势，年份上呈现出逐渐提前的趋势。相对于1951-1980年，1981-2010年江苏省一季稻适播期总体提前5 d以上，其中连云港、盐城西南部、南京、镇江北部和苏锡常大部提前 5～10 d，南京南部提前25 d左右。相对于1981-2010年，2011-2040年徐州大部、宿迁、淮安、扬州南部、南通东南部和南京中部将提前5 d左右，南京西南部将有所推迟；相对于2011-2040年，2041-2070年江苏省一季稻适播期提前趋势更为明显，苏南大部、泰州、扬州中东部、南通西北部、连云港东南部和盐城中部提前10 d左右，其余地区提前 0～5 d；相对于2041-2070年，2071-2100年泰州、扬州北部、淮安中部、宿迁、徐州大部、连云港东北部、盐城北部一季稻适播期将提前15 d左右，淮安南部、扬州、泰州中南部、南通大部提前10 d左右，其余地区提前5 d左右。

a：1951-1980年；b：1981-2010年；c：2011-2040年；d：2041-2070年；e：2071-2100年。图1　江苏省1951-2100年一季稻生育期内≥10 ℃积温Fig.1　The accumulated temperature above 10 ℃ in a single-season rice growth season in Jiangsu province from 1951 to 2100

a：1951-1980年；b：1981-2010年；c：2011-2040年；d：2041-2070年；e：2071-2100年。图2　江苏省1951-2100年一季稻适播期变化Fig.2　The change of optimum sowing date of single-season rice in Jiangsu province from 1951 to 2100

2.1.3一季稻生育期天数的变化江苏省 1951-2100年一季稻生育期天数(图3)总体呈现出1951-2010年由东北向西南逐渐缩短，2011-2100年由东南向西北逐渐缩短的趋势。1951-1980年时间段内江苏省一季稻生育期天数在 183 d至204 d范围内，呈现东北部偏长、西南部偏短的分布趋势，其中南京西部最短，为 183～189 d。相对于 1951-1980年时间段，1981-2010年时间段江苏省一季稻生育期天数除南京西部和南通东南部有所延长，其余大部分区域变化不大。相对于1981-2010年，2011-2040年，由于年平均气温有明显上升，江苏省一季稻生育期天数有明显缩短，江苏省大部分区域一季稻生长季为 176～182 d；徐州大部、宿迁西南部和南京西部生育期天数最短，为 169～175 d；盐城西南部、泰州东部和南通西北局部地区最长，为 183～189 d。相对于 2011-2040年，在 2041-2070年内，由于温度的进一步升高，一季稻生育期天数进一步缩短，全省一季稻生育期天数均在175 d以下，其中徐州、宿迁大部、连云港大部、南京、镇江、扬州南部和常州大部较短，为 162～168 d；徐州西北部局部地区缩短至 155～161 d。相对于 2041-2070年，在 2071-2100年江苏省除苏州西部、盐城北部和东部沿海部分区域一季稻生育期天数略有缩短，其余区域变化不大。

2.2一季稻气候生产潜力

由于江苏省农业气候资源的改变，使各时段一季稻气候生产潜力相对于基准时段(1981-2010年)在空间(图4)和年份(图5)上都发生了明显变化。

与1951-1980年相比，1981-2010年江苏省一季稻气候生产潜力空间上(图4)有较小增加趋势，主要表现在泰州南部、扬州、南京、镇江、常州中部、淮安、无锡、苏州西南部。2011-2040年，江苏省一季稻生产潜力继续增加，全省气候生产潜力均>23 000kg/hm2，其中苏中及苏南北部介于 28 001～30 500kg/hm2，苏南南部(尤其是无锡、苏州西南部)仍为气候生产潜力高值区。2041-2070年，江苏省气候生产潜力有减小趋势，苏北为全省较低值区，基本介于 20 501kg/hm2至25 500kg/hm2之间，其中徐州西部最低，仅为 16 100～20 500kg/hm2，苏南西南部仍为全省高值区，但相对之前有所下降。至 2071-2100年，这一趋势更加明显，主要呈现出由东北向西南逐渐下降趋势，全省基本介于 16 100kg/hm2至28 000kg/hm2之间，其中苏南西南部高值区逐渐缩小。

图5显示，2000年之前江苏省一季稻气候生产潜力较小，随着热量资源的逐渐增加，气候生产潜力也开始逐渐增加，特别是2021-2035年间，一季稻气候生产潜力达较高水平，2061年之后又开始逐渐下降。其原因主要是江苏省目前一段时间内的热量资源已能充分满足一季稻的生长发育，且达到较高产量，但是随着温度的逐渐升高，江苏省热量资源虽呈不断增加趋势，但部分地区过高温度已超过一季稻生长发育的上限温度，特别是2061年后，在一季稻抽穗-成熟阶段，日均温已高于一季稻产量形成的最适温度，故该时段一季稻气候生产潜力呈下降趋势。由此可见，在未来情景下，江苏省可适当调整一季稻播种时期，使其抽穗-成熟阶段避开高温时段，获得稳产、高产。

综上所述，应结合热量资源与气候生产潜力的时空变化，充分利用该区域热量资源，促进气候生产潜力增加。

3讨论

本研究基于江苏省1971-2000年逐日站点气象数据以及RegCM3模式模拟输出的格点气象数据，对江苏省热量资源和一季稻气候生产潜力时空变化特征进行了分析。主要研究结果为：(1)1951-2100年，江苏省≥10 ℃积温总体呈现出空间上由东北向西南逐渐升高，且随年份的增加呈逐渐增加的趋势。一季稻适播期(年平均气温≥10 ℃初日)整体呈现出空间上由西南向东北逐渐推迟，且随时间的增加呈逐渐提前的趋势；一季稻生长期总体呈现出1951-2010年由东北向西南逐渐缩短，2011-2100年由东南向西北逐渐缩短的趋势。(2)江苏省一季稻气候生产潜力年份上呈现出先上升后下降的趋势，2000年之前气候生产潜力较小，随着热量资源的逐渐增加，气候生产潜力也开始逐渐增加，特别是2021-2035年间，一季稻气候生产潜力达较高水平，2060年之后又开始逐渐下降；空间上，苏南西南部一直为气候生产潜力高值区。在未来情景下，江苏省可适当调整一季稻播种期，使其抽穗-成熟阶段避开高温时段，获得稳产、高产。

本研究不仅对一季稻气候生产潜力进行了研究，而且针对未来气候情景下进行了江苏省一季稻气候生产潜力的预估，为应对气候变化、合理利用热量资源调整农业种植结构、提高作物产量品质及一季稻气候生产潜力提供科学指导。

a：1951-1980年；b：1981-2010年；c：2011-2040年；d：2041-2070年；e：2071-2100年。图3　江苏省1951-2100年一季稻生育期天数变化Fig.3　Change of the length of a single-season rice growth season in Jiangsu province from 1951 to 2100

a：1951-1980年；b：1981-2010年；c：2011-2040年；d：2041-2070年；e：2071-2100年。图4　江苏省1951-2100年一季稻气候生产潜力Fig.4　The climatic potential productivity of single-season rice in Jiangsu province from 1951 to 2100

图5　江苏省1951-2100年一季稻气候生产潜力变化量Fig.5　The variation of single-season rice climatic potential productivity in Jiangsu province from 1951 to 2100

对一季稻气候生产潜力研究的目的是提高一季稻产量和品质，作物生长是一个动态的过程，影响气候生产潜力的因子也是动态变化的。因此，在大量试验的基础上，建立精细化的作物数据库，从而进一步改进气候生产潜力模型。本研究范围仅局限于江苏省，进一步研究可以将研究范围扩大，以对气候生产潜力进行大规模的分析，便于政府宏观调控。

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