近52 a铜仁市热量资源变化特征分析

薛 旭，侯双双，朱丽萍

(贵州大学生命科学学院生态系，贵州 贵阳 550025)

0 引言

热量资源是农业生产中作物生长发育必需的外界环境及能量来源，其多寡是影响某一地区作物种植、生长、产量和品质的重要指标之一。热量资源变化主要受到逐日气温变化特征的影响，气温上升热量随之增加，气温降低则热量随之减弱。在IPCC第五次评估结果中，全球地表平均温度在1880—2012年间出现明显的增温趋势，约为0.85 ℃[1]，中国增温程度与全球同期相比呈偏高趋势[2]，部分区域热量资源在全球气候变暖大背景下的变化特征引起了许多学者的研究兴趣[3-10]，同时他们也对贵州省部分区域的热量资源变化特征做了一定研究[11-14]。这些研究表明在全球气候变暖趋势的大背景下，热量资源在某种程度上发生了改变，其变化特征将对农业生产造成不同的影响。

农业界限温度是衡量农业生产中热量资源的重要指标，其起止日期、持续天数及积温较大程度决定了适宜种植区的规划、种植制度和品种搭配。常用的界限温度有：0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃和20 ℃[15]。在全球气候变化的背景下，不同界限温度下热量资源随时间会发生相应变化，这对农业生产及病虫害带来新的影响。

铜仁市坐落于贵州省的东北侧，东与怀化市相接壤，北侧紧邻重庆，介于107°45′～109°30′E，27°07′～29°05′N之间，面积1.8万km2。属于季风湿润气候区，年均气温约16 ℃，年日照时数约1 200 h，年均降水量约1 300 mm。本文对铜仁市近50 a来 ≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃及≥15 ℃热量资源变化趋势特征进行分析研究，为当地合理开发利用农业气候资源提供依据。

1 资料和方法

本文使用铜仁市近52 a(1960—2011年)国家气象观测站的逐日气温数据，结合五日滑动平均方法[16]，利用NCL编程语言分别计算了界限温度0 ℃、5 ℃、10 ℃和15 ℃的初始日期、终止日期、持续日数和积温，用稳定通过0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃的初终日来研究铜仁市升温、降温快慢缓急，用持续天数及积温来分析铜仁市热量资源的变化特征。主要应用到的方法包括五日滑动平均方法、趋势分析方法及曼—肯德尔方法[17]，主要用Excel软件来作图。

2 结果与分析

2.1 ≥0 ℃积温演变趋势

2.1.1 气温≥0 ℃初、终日 铜仁市≥0 ℃平均初日出现在1月4日，其中，最晚出现在2月22日(1964年)，最早为1月1日，早晚相差53 d。从年代际时间尺度而言，上世纪80、90年代初日出现最早(1月1日)，60年代出现最晚(1月9日)，年代最大差异为9 d。前10 a(1960—1979年)≥0 ℃初日平均为1月8日，而近10 a(1992—2011年)为1月2日，前后相差6 d。

≥0 ℃终日平均为12月28日，终日出现最早在12月22日(1966年)，最迟出现在12月31日，其中，近52 a中，有49 a终日出现在12月30日及31日，早迟间差9 d。年代际变化不明显，主要在12月28日和29日之间徘徊。

2.1.2 气温≥0 ℃持续日数、活动积温 铜仁市持续日数平均为360 d，其中1964年持续时间最短仅为313 d，最长为366 d，早晚间相差53 d。从年代变化来看，80年代持续日数时间最长，达到约364 d， 90年代次之(约363 d)；60、70年代最短(约355 d)，年代差异最大为9 d。此外，前20 a(1960—1979年)≥0 ℃持续日数平均为356 d，而近20 a(1992—2011年)平均为363 d，前后相差约7 d。

由≥0 ℃活动积温变化曲线(图1a)可见，≥0 ℃积温平均为6 285.51 ℃·d，其中积温最强为6 654.0 ℃·d(2006年)，最弱为5 929.17 ℃·d(1964年)，相差724.83 ℃·d。≥0°积温表现为以59.4 ℃ /10 a的速率增强，相关系数为0.56(R0.1=0.226)，通过信度检验。从年代变化来看，21世纪初期(2000—2011年)活动积温最强，达到约6 431.81 ℃·d，其次为20世纪90年代(约6 332.40 ℃·d)，再次是80、60年代(依次为6 235.14 ℃·d、6 203.48 ℃·d)；最弱为70年代(约6 195.44 ℃·d)，年代平均相差最大约为196.68 ℃·d。前20 a(1960—1979年)≥0 ℃积温平均为6 199.46 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均为6 395.52 ℃·d，前后相差196.06 ℃·d。

用曼—肯德尔法检测铜仁市≥0 ℃积温序列的突变，由图1b可知，自20世纪70年代初期，铜仁市≥0 ℃的积温一直持续增加，70年代末超过0.05信度，表明≥0 ℃积温的上升趋势在70年代末期后是显著的。

图1 铜仁市1960—2011年气温≥0 ℃ (a)积温历年变化趋势曲线，(b)积温曼-肯德尔曲线(直线为α=0.05的显著性信度临界值)Fig.1 Change trend of the (a) accumulated temperature,and (b) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 0 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (b) denote α=0.05significant confidence level.)

2.2 ≥5 ℃积温演变趋势

2.2.1 气温≥5 ℃初、终日 1960—2011年，铜仁市≥5 ℃平均初日出现在2月15日。其中，2002年初日出现最早(1月1日)，1998年出现最晚(3月24日)，相差84 d。从年代际时间尺度而言，21世纪初(2000—2011年)最早(2月8日)，上世纪60、70、90年代次之，80年代出现较晚(2月22日)，年代间平均相差最大为15 d。前20 a(1960—1979年)≥5 ℃平均初日为2月15日，近20 a(1992—2011年)为2月13日，前后相差2 d。

铜仁市≥5 ℃多年平均终日出现在12月20日，其中，2009年出现最早(11月15日)，1980、1988、1992、1996及2000年最晚(12月31日)，相差近47 d。从年代际时间尺度而言， 60和80年代最早(12月17日)，90年代终日最晚(12月25日)，其次是70年代及21世纪初(2000—2011年)(皆为12月19日)，年代平均相差最大为9 d。前20 a(1960—1979年)≥5 ℃平均终日为12月18日，近20 a(1992—2011年)为12月22日，前后相差4 d。

2.2.2 气温≥5 ℃持续日数、活动积温 ≥5 ℃持续日数平均为308 d，其中最短为259 d(2009年)，最长为357 d(2002年)，早晚间相差99 d。从年代变化来看，21世纪初期(2000—2011年)持续日数时间最长，达到约316 d，90年代次之(约311 d)，再次是60、70年代(依次为308 d、307 d)；80年代持续时间最最短(约299 d)，年代平均相差最大为18 d。前20 a(1960—1979年)平均持续日数为307 d，近20 a(1992—2011年)为313 d，前后相差约7 d。

由≥5 ℃活动积温变化曲线(图2a)可见，活动积温平均为5 976.0 ℃·d，最强积温为6 475.9 ℃·d(2007年)，最弱为5 525.7 ℃·d(1962年)，相差950.24 ℃·d。活动积温表现为增强的趋势，变化倾向率为54.8 ℃ /10 a，相关系数为0.35(R0.01= 0.31)，超过0.01信度的显著性检验，活动积温在近几十年表现为显著增加趋势。从年代变化来看，21世纪初期(2000—2011年)活动积温最强(6 159.4 ℃·d)，20世纪90年代次之(约5 989.3 ℃·d)，再次是60、70年代(依次为5 923.4 ℃·d、5 907.3 ℃·d)；最弱为20世纪80年代(约5 864.2 ℃·d)，年代平均相差最大约为295.1 ℃·d。此外，前20 a(1960—1979年)积温平均为5 915.4 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均为6 085.6 ℃·d，前后相差170.2 ℃·d。

用曼—肯德尔法检测铜仁市≥5 ℃积温序列的突变，由图2b可知，自20世纪70年代初期，≥5 ℃积温呈增强趋势。80年代初以后，通过显著性水平0.05临界线(Uα=0.05=2.56)，因此，铜仁市≥5 ℃积温呈显著上升趋势。从图中可知，≥5 ℃积温是从1972年开始增强的。

图2 铜仁市1960—2011年气温≥5 ℃ (a)积温历年变化趋势曲线，(b)积温曼-肯德尔曲线(直线为α=0.05的显著性信度临界值)Fig.2 Change trend of the (a) accumulated temperature,and (b) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 5 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (b) denote α=0.05significant confidence level.)

2.3 ≥10 ℃积温演变趋势

2.3.1 气温≥10 ℃初、终日 ≥10 ℃平均初日为3月20日，最早出现在2008年2月28日，最晚为1987年4月13日，早晚相差46 d。从年代际时间尺度而言，21世纪初(2000—2011年)出现最早(3月13日)，70年代(3月18日)次之，80年代最晚(3月26日)，年代平均最大差异为13 d。1960—1979年期间平均初日为3月19日，近20 a(1992—2011年)为3月17日，相差3 d。

铜仁市≥10 ℃平均终日出现在11月22日，1981年最早(11月4日)，1968、1980年最晚(12月11日)，早晚相差近38 d。70年代出现最早(11月18日)，21世纪初、60年代最晚(11月24日)，其次是80、90年代(皆为12月23日)，年代平均相差最大为6 d。前20 a(1960—1979年)终日平均为11月21日，近20 a(1992—2011年)平均初日出现在11月23日，前后相差约3 d。

2.3.2 气温≥10 ℃持续日数、活动积温 ≥10 ℃持续日数平均为248 d，最短为224 d(1996年)，最长为280 d(2008年)，早晚间相差57 d。21世纪初(2000—2011年)持续天数最长达256 d，60年代次之(约250 d)，最短为20世纪80年代(约244 d)，年代相差最大为14 d。1960—1979年间持续天数平均为248 d，而近20 a(1992—2011年)平均为252 d，前后相差约5 d。

由≥10 ℃活动积温变化曲线(图3a)可见，≥10 ℃活动积温平均为5 412.2 ℃·d，积温最强为5 965.1 ℃·d(2008年)，最弱为5 025.3 ℃·d(1996年)，相差939.8 ℃·d。以48.9 ℃·d /10a的速率显著增强，相关系数为0.36(R0.01= 0.31)，通过0.01水平的显著性检验。21世纪初期(2000—2011年)活动积温最强，达到约5 613.3 ℃·d， 20世纪60年代次之(约5 394.0 ℃·d)，再次是90、80年代(依次为5 352.8 ℃·d、5 335.7 ℃·d)；最弱为20世纪70年代(约5 324.8 ℃·d)，年代差异最大约为288.5 ℃·d。1960—1979年≥10 ℃积温平均为5 359.4 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均为5 509.5 ℃·d，前后相差150.1 ℃·d。

用曼—肯德尔法检测1960—2011年铜仁市≥10 ℃积温序列的突变，由图3b可知，≥10 ℃积温从60年代后期开始增强，于70年代末后期开始通过0.05信度临界线。因此，≥10 ℃积温在70年代末后显著增强。

图3 铜仁市1960—2011年气温≥10 ℃ (a)积温历年变化趋势曲线，(b)积温曼-肯德尔曲线(直线为α=0.05的显著性信度临界值)Fig.3 Change trend of the (a) accumulated temperature,and (b) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 10 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (b) denote α=0.05significant confidence level.)

2.4 ≥15 ℃积温演变趋势

2.4.1 气温≥15 ℃初、终日 ≥15 ℃平均初日出现在4月15日，最晚出现在1968年5月11日，最早为1974、1975、1998和2004年3月28日，早晚相差45 d。从时间变化曲线图(图4a)可知，初日呈提前趋势，以-2 d/10 a的速率提前，相关系数为-0.28(R0.1=- 0.226)，通过0.1信度检验，初日提前趋势较显著。从年代际时间尺度上而言，70年代出现最早(4月11日)，90年代及21世纪初期(4月13日)次之，60年代出现最晚(4月23日)，年代最大差异为13 d。前20 a(1960—1979年)平均初日为4月17日，近20 a(1992—2011年)为4月12日，相差6 d。

平均终日出现在10月25日，最晚出现在1998年11月16日，最早为1992年10月3日，早晚相差45 d。从年代际时间尺度来看，80年代出现最早(10月20日)，60、90年代(10月23日)次之，21世纪初最晚(10月30日)，年代最大差异约为11 d。前20 a平均终日为10月25日，近20 a(1992—2011年)为10月27日，相差3 d。

2.4.2 气温≥15 ℃持续日数、活动积温 由铜仁市≥15 ℃持续日数变化曲线(图4b)可见，持续日数平均为193 d，1968年持续时间最短仅为151 d，1998年持续时间最长达234 d，早晚相差84 d。持续天数呈增加趋势，以3.3 d/10 a的速率增加，相关系数为0.28(R0.1=0.226)，通过0.1信度检验，持续天数显著增多。从年代变化来看，21世纪初(2000—2011年)持续日数时间最长，达到约202 d，其次为70年代(约200 d)，再次是90、80年代(依次为194 d、186 d)；60年代持续时间最短(约184 d)，年代平均最大相差约19 d。前20 a(1960—1979年)≥15 ℃持续日数平均为193 d，而近20 a(1992—2011年)平均为200 d，前后相差约9 d。

由气温≥15 ℃积温变化曲线(图4c)可见，≥15 ℃活动积温平均为4 614.9 ℃·d，其中积温最强为5 505.0 ℃·d(1998年)，最弱为3 767.9 ℃·d(1968年)，相差1 737.1 ℃·d。以79.4 ℃·d/10 a速率增加，相关系数为0.35(R0.01=0.31)，通过0.01信度检验，积温显著增强。从年代变化来看，21世纪初期(2000—2011年)积温最强，达到约4 817.6 ℃·d，其次为20世纪70年代(约4 690.0 ℃·d)，再次是90、80年代(依次为4 621.1 ℃·d、4 487.6 ℃·d)；最弱为20世纪60年代(约4 417.5 ℃·d)，年代相差最大约为400.4 ℃·d。前20 a(1960—1979年)≥15 ℃积温平均为4 553.7 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均为4 754.8 ℃·d，前后相差201.1 ℃·d。

用曼—肯德尔法检测铜仁市≥15 ℃积温序列的突变，由图4d可知，从20世纪70年代后期开始，≥15 ℃积温表现为增强趋势，在80年代通过0.05信度检验，表明80年代积温增强趋势是显著的。

图4 铜仁市1960—2011年气温≥15 ℃ (a)初日、 (b)持续日数、(c)积温历年变化趋势曲线及(d)积温曼—肯德尔曲线Fig.4 Change trend of the (a)beginning date, (b)lasting days, (c)accumulated temperature, and (d) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 15 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (d) denote α=0.05 significant confidence level.)

3 结论和讨论

本文根据铜仁市近52 a的逐日气温资料，分析了该地区界限温度0 ℃、5 ℃、10 ℃及15 ℃的起止日期、持续日数和积温的变化特征。结果表明：铜仁市≥0 ℃积温均值为6 285.51 ℃·d，最高为6 654.0 ℃·d，最低为5 929.17 ℃·d，以59.4 ℃/10 a的速率显著增强；≥5 ℃积温均值为5 976.0 ℃·d，以54.8 ℃/10 a的速率显著增多。≥10 ℃积温均值为5 412.2 ℃·d，以48.9 ℃/10 a的速率显著增强。 ≥15 ℃积温均值为4 614.9 ℃·d，以79.4 ℃/10 a的速率显著增强。

1960—2011年后20 a(1992—2011年)的平均值与前20 a(1960—1979年)相比，≥0 ℃持续日数增加7 d，积温增加196.06 ℃·d。≥5 ℃初日提前2 d，终日推迟4 d，持续天数增加7 d，积温增加170.2 ℃·d；≥10 ℃初日提前3 d，终日推迟3 d，持续日数增加5 d，积温增加150.1 ℃·d。≥15 ℃初日提前6 d，终日延长3 d，持续日数增加9 d，积温增加201.1 ℃·d。

综上，铜仁市≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃及≥15 ℃初日的提前、终日的推迟、持续日数和积温的增加对当地水稻、茶叶及蔬菜等主要农产品的种植、生长及产量有重要的影响。农业热量资源的增多可延长农作物的生长期，可适当调整水稻等作物的播种时期，选择生育期较长的产品，充分利用热量资源，达到增产的目的。另外，热量的增多可能会导致新病虫害的入侵，加剧病虫害的发生几率，不利于病虫害的防治，应当加强病虫害的监测、预报和防治。