闽东地区≥10 ℃积温的时空演变特征分析

杨红素，王明辉，王 政，谢华清，陈序东

（福建省寿宁县气象局，福建 寿宁 355500）

IPCC第五次评估报告指出，1880—2012 年全球地表面平均温呈线性上升趋势，升高0.85 ℃[1].中国最近50 a（1951—2001 年）平均地表气温增加1.1 ℃，增温速率0.22 ℃·10 a-1，明显高于全球或北半球同期平均增温速率，且主要增温发生在20 世纪80 年代后期[2].全球增温的不均衡性将改变各地热量资源的分布格局.

热量资源是自然区域、自然带划分的重要依据之一[3]，是自然生态系统得以维系的能量来源.日平均气温10 ℃是喜温植物适宜生长的起始温度，也是气候区划的主要指标[4].日平均气温≥10 ℃的有效积温及其始日、终日和持续日数是重要的热量资源指标，该指标既表征了一个地区热量资源的多寡，也反映了喜温植物生长期的长短[5]，对种植制度划分、作物布局调整，以及病虫害发生等都具有重要意义[6].在全球变暖背景下，国内许多学者已经就气候变暖引起的中国及其部分区域热量资源变化开展了广泛研究，胡琦等[7]研究了1961—2010 年中国热量资源分布和变化特征，结果表明，全国热量资源分布不均匀，总体特征为南多北少，东部主要受纬度的影响，西部则受地形影响；日平均气温≥0 和≥10 ℃的持续日数平均增加5.5 和4.7 d；全国热量资源呈增加趋势，且最低温度变化幅度高于最高温度，对气候增暖起主要作用.时光训等[8]研究表明：1970 年以来，长江流域北亚热带、中亚热带和高原气候区日平均气温≥10℃积温的始日分别以-1.25、-1.39、-0.80 d·10 a-1提前，终日分别以1.52、1.43、1.47 d·10 a-1延后，持续日数以2.97、2.92、4.62 d·10 a-1的幅度延长.积温总体上增加，增加幅度较大的地区主要集中在长江中下游地区.唐宝琪等[9]研究表明，近53 a 华东地区日平均气温≥10 ℃积温及其持续日数呈显著增加趋势，二者主要受初日提前和终日推迟的共同影响，且初日提前的影响更大；日平均气温≥10 ℃积温及其持续日数在空间分布上呈现明显的纬度地带性和垂直地带性特征，其变化趋势均呈现自东向西、自中部向南北两端递减的规律.此外，学者们还分别对我国部分地区[10-18]的热量资源变化特征进行了研究，得出了许多有意义的结论，但不同区域的热量资源无论是在时空变化上，还是在变化幅度上都存在明显的地域性差异.

鉴于此，本研究从区域性角度出发，基于闽东地区9 个国家气象站点1961—2017 年的气象观测资料，选取日平均气温≥10 ℃的始日、终日，持续日数，有效积温等热量资源指标，研究闽东地区热量资源的时空分布演变规律，旨在摸清气候变暖背景下该区的热量资源条件，明确该区热量资源的分布现状及其已发生的变化，以期为合理开发利用热量资源潜力、农业生产、生态建设等提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域闽东地区（行政区福建省宁德市，地理坐标26°18＇～27°40＇N，118°32＇～120°44＇E）位于福建省东北部，台湾海峡西北岸，下辖4 个沿海县市区（蕉城区、福安市、霞浦县、福鼎市）和5 个山区县（寿宁县、周宁县、柘荣县、屏南县、古田县），地形以丘陵山地兼沿海小平原相结合为特点（图1），地域面积13 452 km2.该区受中亚热带海洋性季风气候和山地气候影响，具有山区与沿海2 种气候类型，是福建气候变化显著地区之一.该区常年平均气温15.1～19.6 ℃，降水量1 415.7～2 067.8 mm，日照时数1 562.9～1 754.9 h.

图1 闽东地区地理位置及地形

1.2 资料来源

所有资料来自宁德市气象局气象资料数据库，资料序列完整、连续、均一.所使用的资料包括宁德市下辖的蕉城、福安、福鼎、霞浦、寿宁、周宁、柘荣、古田、屏南等9 个县（市、区）气象台站1961—2017 年的逐日平均气温数据.

1.3 研究方法

1.3.1 ≥10 ℃始日、终日、持续日数和积温的统计 采用5 日滑动平均法[19]计算≥10 ℃界限温度的始日和终日日期.从一年中第一次出现日平均气温≥10 ℃之日起，向前推4 d，按日序依次计算出每连续5 d 的平均气温，并从中选出第一个日平均气温≥10 ℃，且在其后不再出现5 d 平均气温低于10 ℃的连续5 d，此5 d 中第一个日平均气温≥10 ℃的日期即为≥10 ℃界限温度的始日，最后一个日平均气温≥10 ℃的日期即为≥10 ℃界限温度的终日.累加≥10 ℃始日至终日时间段内的日平均温度，即为≥10 ℃积温；同样累加始日到终日之间的日数，即为≥10 ℃的持续日数.

1.3.2 ≥10 ℃始日、终日日期序列的建立 每年的1 月1 日为一年的第一天，其日序记为1，1 月2 日的日序记为2,依次类推，12 月31 日的日序记为365（闰年为366），以此法建立1961―2017 年≥10 ℃始日、终日的日期序列.

1.3.3 气候统计诊断及检验方法 运用线性倾向估计法[20]，计算各站≥10 ℃积温、持续日数及其起止日期变化的趋势系数和回归系数，对计算的回归系数进行显著性检验，并运用ArcGIS 软件绘图，以表达其空间变化；采用Mann-Kendall 突变检验方法[21]对≥10 ℃积温和持续日数的气候突变进行检测；运用Pearson 相关系数对≥10 ℃要素与年平均气温进行相关性分析.

2 结果与分析

2.1年平均气温变化特征

1961—2017 年闽东地区年平均气温的线性相关性分析结果（表1）显示，近57 a 闽东地区年平均气温呈显著上升趋势，增温速率为0.198 ℃·10 a-1，57 a 间气温上升了1.13 ℃.闽东地区各县（市、区）的年平均气温也都呈显著上升趋势，但各地增温速率差异大，蕉城区增温速率最大，为0.285 ℃·10 a-1，古田县增温速率最小，为0.165 ℃·10 a-1.年平均气温的增温速率在空间分布上呈现由中、东部向东北、西南两端递减的规律，这表明，闽东地区中、东部县域气温对气候变化的响应比该区其他县域更强烈.

表1 1961—2017 年闽东地区各县（市、区）年平均气温的气候倾向率及相关系数

2.2 ≥10 ℃积温的时间变化特征

2.2.1 ≥10 ℃积温的年际和年代际变化 1961—2017 年闽东地区≥10 ℃积温变化图（图2 ）显示，近57 a闽东地区≥10 ℃积温呈显著上升趋势，上升速率为74.4 ℃·d·10 a-1.≥10 ℃积温平均值为5 450.6 ℃·d，最高值为5 985.0 ℃·d，出现在2016 年，最低值为4 852.0 ℃·d，出现在1976 年，两者相差1 133.0 ℃·d，这表明，≥10 ℃积温的年际变化差异大.≥10 ℃积温的年代平均值曲线显示，1960—1980 年积温的年代平均值均小于57 a 总平均值，且呈逐年代下降趋势,1980 年处于年代平均值最低位；1990 年开始积温显著上升，上升幅度明显大于1980 年之前的下降幅度；1990—2000 年之间，积温有一个明显上升过程，上升幅度达209 ℃·d.≥10 ℃积温的距平柱状图显示，1961—1996 年间，积温距平以负值为主，多数年份积温小于多年平均值；1997 年以后以正距平为主，多数年份积温大于多年平均值，积温距平的时间序列也呈现上升趋势.

图2 1961—2017 年闽东地区日平均气温≥10 ℃积温变化图

1961—2017 年闽东地区≥10 ℃积温序列的Mann-Kendall 突变检验（图3）显示，≥10 ℃积温的UF 和UB 曲线相交于1997 年，且交点在±1.96 临界线之间，相交之后UF 和UB 曲线均突破1.96 临界线，通过了α=0.05 的置信水平检测，这表明，≥10 ℃积温在1997 年发生了气候突变.≥10 ℃积温突变后（5 654 ℃·d）较突变前（5 332 ℃·d）平均增加322 ℃·d.≥10 ℃积温距平的年际变化也表现出与此一致的趋势.

图3 1961—2017 年闽东地区日平均气温≥10 ℃积温的Mann-Kendall 检验

2.2.2 ≥10 ℃持续日数的年际和年代际变化 1961—2017 年闽东地区≥10 ℃持续日数变化图（图4）显示，近57 a 闽东地区≥10 ℃持续日数呈显著上升趋势，上升速率为2.33 d·10 a-1.≥10 ℃持续日数平均值259 d，最大值285 d，出现在2002 年，最小值231 d，出现在1976 年，两者相差54 d.≥10 ℃持续日数的年代平均值曲线显示，1960—1980 年持续日数的年代平均值均小于57 a 总平均值，1980 年 处于年代平均值最低位；1990 年出现明显上升，上升趋势保持到2000 年,使2000 年处于年代平均值最高位；2010 —2017 年持续日数的平均值较2000 年略有回落，但仍处研究期内次高位；持续日数在1980 到1990 年之间有个明显上升过程，升幅达9 d.≥10 ℃持续日数的距平柱状图显示，1996 年之前的多数年份，距平值以负值为主，而1997 年之后的多数年份，距平值则以正值为主.总体而言，≥10 ℃持续日数的年际变化与≥10 ℃积温的年际变化基本同步.

图4 1961—2017 年闽东地区日平均气温≥10 ℃持续日数变化图

1961—2017 年闽东地区≥10 ℃持续日数序列的Mann-Kendall 突变检验(图5)显示，≥10 ℃持续日数的UF 和UB 曲线在±1.96 临界线之间有3 个相交点，分别相交于1994 年、1996 年和2009 年，其中，1996 年相交之后的UF 和UB 曲线均突破了1.96 临界线，通过了α=0.05 的置信水平检测，这表明，≥10℃持续日数在1996 年发生了气候突变.≥10 ℃持续日数突变之后（264.3 d）较突变前（255.0 d）平均增加了9.3 d.≥10 ℃持续日数的突变时间点略早于≥10 ℃积温的突变时间点，说明≥10 ℃持续日数对气候变暖的响应更迅速.

图5 1961—2017 年闽东地区日平均气温≥10 ℃持续日数的Mann-Kendall 检验

2.2.3 ≥10 ℃始日和终日的年际变化 1961—2017 年闽东地区≥10 ℃始日和终日日序的线性相关分析（图6）显示，≥10 ℃的始日日序呈不显著下降趋势，即始日的日期不断提前，从20 世纪60 年代的平均3 月24 日提前至21 世纪初以来的平均3 月17 日，提前速率为1.311 d·10 a-1.近57 a 平均始日为3月21 日，最早出现在2002 年2 月20 日，最晚出现在1996 年4 月9 日，两者相差48 d.≥10 ℃终日日序则呈现不显著上升趋势，即终日的日期不断延后，从20 世纪60 年代的平均12 月3 日延后至21 世纪初以来的平均12 月5 日，延后速率为0.723 d·10 a-1.近57 a 平均终日为12 月4 日，最早出现在2000 年11月6 日，最晚出现在2016 年12 月25 日，两者相差49 d.≥10 ℃始日提前的速率大于终日延后的速率，说明始日提前对≥10 ℃积温及持续日数增加的影响高于终日延后的影响.这表明，近57 a 来闽东地区≥10 ℃积温及持续日数的显著增加，是受≥10 ℃始日提前和终日延后的共同影响，而始日提前的速率大于终日延后的速率，说明始日提前的影响更为明显.

图6 1961—2017 年闽东地区日平均气温≥10 ℃的始日和终日日序变化图

2.3 ≥10 ℃积温的空间分布特征

2.3.1 ≥10 ℃积温的空间分布 由图7 可知，≥10 ℃积温自东南沿海向西北山区递减，说明积温随海拔高度的升高而减少，呈现明显的垂直地带性特征.这种垂直地带性，把研究区的积温带明显地划分为沿海积温带和山区积温带，位于东南沿海一带的福鼎、霞浦、福安、蕉城4 县（市、区）海拔高度仅几十米，积温普遍在6 000 ℃·d 以上，髙值中心在福安市，年平均积温为6 368 ℃·d；位于西北山区一带的寿宁、柘荣、周宁、屏南4 县海拔高度都在680 m 以上，年平均积温普遍在5 000 ℃·d 以下，低值中心在周宁县，年平均积温为4 458 ℃·d.髙值中心与低值中心两者的积温相差1 910 ℃·d.研究区地域面积小，纬向跨度不足2°，积温的纬度地带性不明显.≥10 ℃积温的气候倾向率呈现自东南沿海向西北山区递减，自中部向西南、东北两端递减的变化规律，髙值中心位于南部的蕉城区，倾向率为114.98 ℃·d·10 a-1；低值中心位于西部的屏南县，倾向率为51.67 ℃·d·10 a-1.这样的分布特征，预示着未来闽东地区≥10 ℃积温在东南沿海一带的增加幅度大，在西北山区一带的增加幅度小.

图7 闽东地区日平均气温≥10 ℃积温(a)及其倾向率(b)的空间分布

2.3.2 ≥10 ℃持续日数的空间分布 由图8 可知，持续日数在空间上的分布特征与积温一致，也呈现明显的垂直地带性特征.东南沿海各县（市、区）的持续日数均在270 d 以上，西北山区各县的持续日数均在240 d 以下.高值中心在福安市，持续日数达288 d,低值中心在周宁县，持续日数仅231 d,高、低值中心两者相差57 d.持续日数的气候倾向率髙值中心在霞浦县（3.52 d·10 a-1），低值中心在屏南县（1.39 d·10 a-1），两者相差2.13 d·10 a-1.说明，持续日数气候倾向率的空间分布差异大.总体上，持续日数气候倾向率呈现自东南沿海向西北山区递减，自中部向东北和西南两端递减的分布特征，但出现了个别山区县的气候倾向率高于沿海县（市）的现象，如寿宁县（2.72 d·10 a-1）的气候倾向率分别高于福安市（2.52 d·10 a-1）和福鼎市（2.05 d·10 a-1）；周宁县（2.39 d·10 a-1）的气候倾向率高于福鼎市.其原因是个别山区县≥10 ℃始日提前的幅度大于沿海县（市）.

图8 闽东地区日平均气温≥10 ℃持续日数(a)及其倾向率(b)的空间分布

2.4 气候带的变化特征

气候带的划分[22-23]通常以≥10 ℃积温和持续日数为指标（表2），该指标以≥10 ℃的积温为主导指标，以≥10 ℃持续日数为参考指标.

表2 气候带划分指标

近57 a 闽东地区不同年代的气候带分布图（图9）及各气候带面积占比统计表（表3）显示，1990 年之前，闽东地区的气候带划分为：北亚热带（寿宁、柘荣、周宁、屏南）和中亚热带（福鼎、霞浦、福安、蕉城、古田）2 个气候带，且2 个气候带的面积基本没有变化；2000 年开始，中亚热带整体向西北移动了约0.1个纬距，且中亚热带面积减小，南亚热带面积增大，全区气候带划分为：北亚热带（寿宁、柘荣、周宁、屏南）、中亚热带（福鼎、古田）和南亚热带（蕉城、福安、霞浦）3 个气候带；2010—2017 年，由于霞浦县热量资源指标下降，该县又重新划分为中亚热带，与2000 年比较，研究区南亚热带的面积占比缩减了约12%.说明，各县域热量资源指标增加的不均衡性导致研究区内气候带分布发生了动态变化.

表3 闽东地区不同年代气候带面积占比统计表

图9 闽东地区不同年代的气候带分布

2.5 热量资源指标与年平均气温的相关性

分析1961—2017 年闽东地区各县（市、区）的年平均气温与≥10 ℃积温、持续日数、始日和终日等4项热量资源指标的相关性，结果（表4）显示：各县（市、区）的年平均气温与≥10 ℃积温、持续日数、终日3 项指标均呈正相关，与≥10 ℃始日呈负相关，即随着年平均气温的上升，≥10 ℃积温和持续日数不断增加，始日不断提前，终日不断延后.4 项指标中，≥10 ℃积温与年平均气温的相关系数最大，各县（市、区）均通过了0.01 的显著性水平检验，说明≥10 ℃积温对气候变暖的响应最强烈；持续日数与年平均气温的相关性次之，除屏南县外，其它县（市、区）均通过了0.05 或0.01 的显著性水平检验；比较≥10 ℃始日、终日与年平均气温的相关性，多数县份始日与年平均气温的相关性大于终日，说明始日提前对气候变暖的响应高于终日延后.总览研究区各地的相关性，霞浦县的热量资源指标与年平均气温的相关性最好，4 项指标均达到了0.01 的显著性水平，而福安市的热量资源指标中，始日提前和终日延后与年平均气温的相关性都不显著，说明福安市对气候变暖的响应最低.

表4 闽东地区各县（市、区）热量资源指标与年平均气温的相关性

3 结论与讨论

通过统计分析1961—2017 年闽东地区热量资源的时空变化特征，得出以下结论：

（1）近57 a 闽东地区气温持续上升，年平均气温的气候倾向率为0.198 ℃·10 a-1，相关系数为0.67，略低于中国1961—2013 年的平均增温速率(气候倾向率0.27 ℃·10 a-1，相关系数0.78).闽东地区年平均气温与各项热量资源指标显著相关，年平均气温上升使该区的热量资源也显著增加，表现为≥10 ℃积温上升、持续日数增多、始日提前以及终日延后.

（2）近57 a 闽东地区≥10 ℃积温及持续日数在时间分布上均呈显著增加趋势，增加速率分别为74.4 ℃·d·10 a-1和2.33 d·10 a-1；≥10 ℃积温及持续日数在空间分布上呈现明显的垂直地带性特征，表现为≥10 ℃积温及持续日数的气候倾向率均呈现自东南沿海向西北山区递减，自中部向东北和西南两端递减的分布特征.

（3）近57 a 闽东地区的气候带分布从2 个气候带（北亚热带和中亚热带）演变为3 个气候带（北亚热带、中亚热带和南亚热带）.57 a 间，闽东地区南亚热带面积占比增加了23.7%，中亚热带面积占比缩减了12.8%，北亚热带面积占比缩减了10.9%.

以上结论表明，闽东地区热量资源时空分布不均的特点.随着热量资源的增加，种植制度逐渐由低纬度向高纬度，由低海拔地区向高海拔地区延伸，这对于调整农作物品种结构，延长农作物的生长期，提高产量十分有利[24].然而，气候变化已经带来明显的负面影响[25]，闽东地区热量资源增加，也将对农业生产和生态建设产生一些负面效应：一是积温增加使植物生长期提前，春季植物的发芽返青期也提前[26]，农作物易受春季倒春寒天气低温冻害的影响而受损；二是积温增加有利于生物病虫害的繁殖和越冬，并加重其危害性[27]；三是气温升高，干旱发生的频率和强度也随之发生变化[28]，使干旱致灾风险增加.总之，气候变暖导致了原有的一些农业气候指标可能不再适合指导农业生产.因此，农业生产和生态建设决策者，可根据闽东地区现有热量资源的分布条件，重新确定合适有效的气候指标和作物种植区划，对闽东地区热量资源开发利用和生态建设进行科学规划和治理，以达到趋利避害之目的.