典型绿洲生态区气候热量资源区域响应

王云鹏 李红英 于亚楠 雷淑琴 郭良才 胡新华

摘要：选取了河西走廊西部的酒泉市绿洲区为代表，利用境内8个气象站1961-2018年的逐日气温实测数据，主要采用五日滑动平均、气候倾向率、M-K突变检验和小波分析等方法，分析了近60年典型绿洲生态区≥10℃积温的时空变化特征。结果表明，≥10℃积温区域分布不均，差异较大;≥10℃积温呈现出初日提前、终日推迟为主的增加趋势;近60年≥10℃积温、终日和持续日数分别在2004、1974和1997年发生了突变：≥10℃积温存在准26年强振荡周期，在1961-1970年、1971-1999年以及21世纪以来大致呈现了升高一降低一升高的变化过程;≥10℃积温初日、终日和持续日数的短周期振荡在各时段有较明显的差异性。

关键词：典型绿洲生态区;积温;气候演变;小波分析;区域响应

中图分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 08-0030-05

D01：10.14088/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.006

气候变化及其影响是当今国际上广泛关注的热点问题，区域响应复杂而迥异[1]。热量是生态环境的重要因子，是生物体生活的重要条件，对作物生长发育、社会生产生活有显著的影响，而热量资源指一个地区可供农业生产的热量，是一种主要的农业气候资源[2-4]。衡量某地区热量资源的主要指标是不低于某一界限温度的积温及其相应的持续天数。积温是一种重要的生态环境资源和气候资源，它的初日、终日、持续时间和积温多少是重要的农业生长指标，各地积温分布不均，存在很大的时间变化和空间分布差异[5-8]，它不仅代表了广大生态循环生长周期的长短和所需热量资源的多寡，尤其能反映农作物播种时间、生长周期和成熟时间的变化，是各地进行农业气候区划以及预报农作物物候期、产量、病虫害发生期的重要气象依据[9-11]。10℃积温是喜温作物适宜生长的起始温度，它能反映喜温作物所需热量资源的多寡，是衡量一个地区热量资源的重要指标，相关研究表明，中国部分地区≥10℃积温的时空分布发生了显著变化[12-18]。目前国内外大多学者对热量资源的研究内容涉及农业气候资源的分布与利用、作物生长季内热量资源的变化特征及其对作物生产、种植和耕作制度的影响等方面。柏秦凤等[19]研究指出，在全球气温不断上升的背景条件下，中国大部分地区≥10℃积温也呈明显的上升趋势。全球气候变暖背景下华北平原≥0℃和≥10℃积温在空间分布上呈现明显的北移东扩特征[20]。马倩倩等[21]研究了中国北部冬麦区小麦生育期对生育阶段积温变化的响应。华南地区稳定通过10℃积温受气候带影响整体向高海拔和高纬度移动[22]。黄土高原生态脆弱区积温演变增加和周期特征突出，黄土高原正负积温变化的区域一致性程度较高，积温及其持续日期存在突变式增加[23.24]。

河西走廊西部的酒泉市，地处祁连山北麓，北部是马鬃山，呈东南一西北长条状，地势自东向西，由南向北倾斜，面积19.2万km2，占甘肃省总面积的42%，境内戈壁、沙漠、丘陵、平原错综分布，绿洲灌溉农业区光热丰富，气候干燥，昼夜温差大，荒漠化程度重，水资源日益匮乏，生态环境恶化趋势严重，属西北内陆干旱气候区，是气候变化的敏感区，也是生态脆弱区。起源于祁连山区的疏勒河流域，为本区域发展绿洲农业提供了水资源供给保障。酒泉市是中国西北重要的商品粮基地和经济作物集中产区，盛产玉米、小麦、油料、瓜果与蔬菜，也是著名的作物育种基地，对区域经济发展的支撑作用举足轻重。研究积温的时空变化特征，以便掌握此区域热量资源分布，明确热量资源变化对农业生产的影响，为合理布局种植结构、积极开发利用气候资源、应对气候变化对农业的影响和规避可能的气候风险提供科学依据，对区域经济可持续发展具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料选取与处理

利用甘肃省气象信息中心提供的酒泉市8个地面自动气象观测站1961-2018年逐日平均气温数据。为消除日平均气温逐日变化的不稳定波动，采用农业气候学中常用的五日滑动平均法[25，26]，确定日平均气温稳定通过≥10℃的初日和终日，初日和终日之间的日数记为持续时间，初终日间积温为起止日间日平均气温的累计值。

1.2 方法

采用气候倾向率法、小波分析法[27]和Mann-Kendall方法[28]。利用气候倾向率法分析8个气象站点1961-2018年≥10℃积温变化趋势。线性方程的斜率表征时间序列的平均趋势，即γ=b+at，其中，t为时间序列;b为回归截距;a为回归斜率，本研究以a 的10倍作为气象要素的气候倾向率。

采用F检验法对拟合的回归方程进行显著性检验（a=0.05）。

2 结果与分析

2.1 热量资源的空间分布特征

酒泉市1961-2018年稳定通过≥10℃积温空间分布如图1所示。酒泉市通过≥10℃积温分布在2 000-3 677℃，两者之间相差1 677℃，积温分布不均，区域分布差异较大。最大值出现在敦煌市，多年平均为3 677.4℃，次高值为瓜州县，为3 584.1℃。积温最少的地区是马鬃山地区，多年平均为2 002.9℃。空间分布趋势大致自盆地向山区递减。热量资源相对丰富的地区是安敦盆地，日平均气温稳定通过≥10℃积温为3 600-3 900℃，热量不足的地方是马鬃山区和祁连山区，为2 000-2 500℃，酒泉市农作区积温为3 000-3 800℃。此区域积温受地形地势和纬度的影响明显，等积温线与该地区地形等高线基本一致，由祁连山自南向北递增和由马鬃山自北向南递增，积温和海拔高度之间存在密切的负相关，这与文献[29]分析一致。

2.2 热量资源时间变化特征

2.2.1 ≥10℃积温、初终日和持续日数的变化趋势 酒泉市近60年的≥10℃积温增加趋势明顯（图2），积温时间序列的变化趋势呈现出显著的增温趋势，积温变化倾向率为42.4℃/10年，R2=0.188 4，F=13.1（F0.01=7.08），表明呈极显著正相关。

从图2可以看出，≥10℃积温在各年代变化差异较大。在1971-1980年、1981-1990年和1991-2000年积温呈明显的负距平，其中1982年≥10℃积温仅2 755.5℃，负距平达459.4℃。1961-1970年和进入21世纪以来则呈现明显的正距平，在近60年时间序列中，≥10℃积温最高值出现在2009年，正距平313.4℃。气温年代际变化中1971-1980年积温处于相对的谷值期，而进入21世纪积温显著升高，正距平达156.2℃，处于峰值期。值得注意的是1968-1996年的29年时间中，只有7年呈微弱的正距平，其余年份积温均呈现负距平。1997-2018年的22年中，除2003年和2015年为负距平外，其余年份积温均呈现正距平。说明此区域≥10℃积温存在着明显的前期冷后期暖的演变趋势。尤其是进入21世纪以来，≥10℃积温的增加趋势极显著。

区域内8个站点气候倾向率均通过显著性检验（图3）。统计发现，1961-2018年酒泉市≥10℃积温初日以1.0 d/10年的倾向率提前，但各站点提前趋势各不相同，其中马鬃山站提前趋势最明显，近60年提前3.1 d/10年。肃北县提前趋势不明显，未通过显著性检验。近60年≥10℃积温初日多年平均日期为4月25日，最早在4月16日，分别出现在1981、2009、2012和2017年，最晚出现在1982年5月6日。而近60年来酒泉市≥10℃积温终日则以1.1 d/10年的倾向率推后，但各县市区推后趋势也各不相同，与初日变化趋势类似，马鬃山推后趋势最明显，近60年推后倾向率为2.3 d/10年，其余县市区推后倾向率为0.5-1.5 d/10年。近60年≥10℃积温终日多年平均日期为10月7日，最早出现在1969年9月22日，最晚出现在2006年10月13日。≥10℃积温持续日数的年平均气候倾向率为2.1 d/10年，马鬃山变化速率最大。≥10℃积温初日、终日和持续日数均通过a=0.05的信度检验。表明近60年酒泉市日平均气温≥10℃积温和持续日数呈现增加的趋势，初日呈现提前趋势，终日呈现推遲趋势，其中，马鬃山区变化速率最大。

2.2.2 ≥10℃积温、初终日和持续日数的突变特征 为探究1961-2018年酒泉市≥10℃积温、初终日和持续日数突变特征，基于Mann-Kendal方法计算酒泉市≥10℃积温、初终日和持续日数的正序列的UF和反序列的UB，取显著水平a=0.05情况下临界值为+1.96。从20世纪90年代后期开始，酒泉市≥10℃积温有明显上升趋势，突变发生在2004年（图4a），农作区均在20世纪90年代后期出现突变，肃北位于祁连山脉西缘、河西走廊西端的南侧，该站点的UF、UB由于有多个交叉点无法确定突变年份，而马鬃山站位于河西走廊西段的北侧，其突变出现时间较早，在1988年。≥10℃积温初日UF和UB有多个交叉点无法确定突变年份（图4b），因此≥10℃积温初日的突变特征不明显。≥10℃积温终日UF和UB在1974年出现交点（图4c），因而在该年≥10℃积温终日发生推迟的突变。从≥10℃积温持续日数的突变特征（图4d）可以看出，在1997年发生增加的突变。表明近60年酒泉市日平均气温≥10℃积温、终日和持续日数均发生了明显的突变，只是突变的年份有所不同。

2.2.3 ≥10℃积温、初终日和持续日数的周期变化为研究≥10℃积温、初终日和持续日数的周期变换特征，采用Morlet小波变换进行分析研究，实线表示正位相，即实部值大于0，虚线则反之，小波的实线和虚线波动表征了≥10℃积温、初终日和持续日数随时间增加和减少交替变化的特征。可以看出，≥10℃积温存在多尺度的周期特征，其分布如图5a所示，大尺度周期上来看，≥10℃积温存在24-27年的强振荡周期，且贯穿于整个研究时段，在1961-1970年、1971-1999年以及21世纪以来大致呈现了升高一降低一升高的变化过程，1990年以来存在1个20年左右的周期，1977年以来还存在6-7年的升高、降低交替出现的小周期，表明酒泉市仍处在积温升高期。≥10℃积温初日振荡变化在各时段有一定差异（图5b），在近60年中，存在15年左右的强周期尺度，其中1975年以前、2003年以后为初日提前期，1975-2002年为初日推后期，60年代中期以来存在1个13年左右的小周期。1977-2015年初日存在3-5年的年际尺度周期，且周期有变长趋势，初日有提前的趋势。≥10℃积温终日振荡变化，在1985年以后有1个17-19年的周期（图5c），1998年以后存在10-12年的年代际周期，近年来周期长度有缩短且变弱的趋势。≥10℃积温持续日数振荡变化（图5d），主要反映有两个尺度的周期变化，在整个研究时段存在1个10年左右的强周期，经历了增加一减少一增加的变化过程，在1977年以后存在1个6-8年短周期，2010年以来此种周期变化明显变短，≥10 qC积温持续日数增加。表明在近60年中酒泉市≥10℃积温、初终日和持续日数的振荡周期在各时段有一定的差异性，酒泉市积温、持续日数增加，初日有提前的趋势，终日振荡周期不明显。

3 小结与讨论

1）酒泉市多年平均（1961-2018年）≥10℃积温分布在2 000-3 677℃，两者之间相差1 677℃，积温分布不均，区域分布差异较大。1961-2018年酒泉市日平均气温≥10℃积温和持续日数呈现增加的趋势，初日呈现提前趋势，终日呈现推迟趋势，马鬃山区变化速率最大。

2）近60年酒泉市日平均气温≥10℃积温、终日和持续日数分别在2004、1974和1997年发生了突变，而初日在95%的显著性水平下未发生突变。

3）近60年酒泉市≥10℃积温、初终日和持续日数的振荡周期在各时段有一定的差异性。≥10℃积温存在24-27年的强振荡周期，在整个研究时段，1961-1970年、1971-1999年以及21世纪以来大致呈现了升高一降低一升高的变化过程;≥10℃积温初日存在15年左右的强周期尺度，1977-2015年还存在3-5年的年际尺度周期;≥10℃积温终日振荡变化在1985年以后有1个17-19年的周期，1998年以后存在10-12年的年代际周期，近年来周期长度有缩短且变弱的趋势。≥10℃积温持续日数存在10年左右的强周期，1977年以后还存在1个6-8年短周期，2010年以来此种周期变化明显变短。未来几年，酒泉市积温、持续天数增加，初日有提前的趋势，终日振荡周期不明显。

4）在全球气候变暖的大背景下，酒泉市热量资源在21世纪以来呈现明显的增加趋势，一方面热量资源的持续增加使春季作物播种出苗、林果开花期等提前，可能会受到晚霜冻的危害。另一方面受热量限制的一些病虫害活动的地理范围产生变化[30.31]，增加防治难度和成本，如何利用好增加的热量资源，做到热量指标利用最大化，减缓或规避气候变暖带来的不利影响，是农业应对气候变化方面的重要研究方向。

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基金项目：西北区域人工影响天气能力建设项目研究试验项目;甘肃省气象局科技项目（ Ms2020-13 ）

作者简介：王云鹏（1967-），男，甘肃会宁人，工程师，主要从事气象服务与应用气象研究，（电话）18919015559（电子信箱）1990495093@qq.com;通信作者，李红英（1979-），女，高级工程师，主要从事气候变化与研究，（电子信箱）16439597@qq.com。