三江源地区气温和降水变化对气候生产潜力的影响

许学莲，李积芳，李金凤，文生祥，李春晖

(1.青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099；2.青海省沱沱河气象站，青海 格尔木 816004)

全球气候变暖对生态气候系统产生了深远的影响，IPCC第五次评估报告指出：当前气温处于最高阶段，全球几乎所有地区均呈现变暖趋势。气候变暖会改变农作物的生长条件，造成农业气候资源的时空差异，使农业气候生产潜力发生年际变化并呈区域性不均匀分布，对农业生产影响深远[1]。有研究表明，全球气候变暖会导致中高纬区域植物开花提前以及生长期延长等现象[2]。

三江源地区位于我国青海省南部，平均海拔3 500～4 800 m，是世界屋脊—青藏高原的腹地，为典型的高原大陆性气候，年温差小、日温差大、日照时间长、辐射强烈、无四季区分的气候特征，是世界高海拔生物多样性最集中的地区之一，开展气候变化对气候生产潜力的影响对农牧业生产意义重大。本文以三江源地区为研究区域，分析了该区域气温、降水量及气候生产潜力的变化特征，探讨气温、降水量变化对气候生产潜力的影响，以期为合理利用气候资源、提高农牧业生产潜力提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究选取1961～2020年兴海、泽库、杂多、曲麻莱、玉树、玛多、清水河、玛沁、达日、久治、囊谦、五道梁、沱沱河13个气象站点的气温、降水气象数据。

1.2 研究方法

采用气候倾向率、皮尔逊相关系数法等，分析气象要素、气候生产潜力等变化趋势，相关数据的统计分析采用Excel2010实现。

1.2.1 Thornthwaite Memorial模型[3，4]该模型可反映气象要素对生产潜力的综合影响。计算方法如下：

Ye=3 000/(1-e-0.0009695(V-20))

(1)

(2)

L=300+25XT+0.05XT3

(3)

式(1)—(3)，R为年平均降水(mm)；L为年平均最大蒸散量(mm)，L是年平均温度T的函数；Ye为蒸散量决定的生产潜力(kg/hm2)。

1.2.2 Mann-Kendall 突变检验 Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法[5]，通过构造正序列(UF)和逆序列(UB)，取α=0.05信度水平，依据正逆序列统计量曲线检验任意要素的变化趋势。若UF>0，表示序列呈上升趋势，UF<0表示下降趋势。当超过临界值线时，表示上升或下降趋势显著。如果UF和UB2个曲线相交，且交叉点位于信度区间之间，该点即为突变点。

2 结果与分析

2.1 气温时空变化特征

由图1(a)可知，三江源地区年平均气温呈升高趋势，升温率为0.37℃/10 a，通过0.01显著检验，升温幅度明显。1961～1997年累积距平为下降趋势，气候属于偏冷期，1998～2020年为上升趋势，气候属于偏暖期。9点滑动曲线呈波动上升趋势。分析表1得出，年平均气温20世纪60年代至21世纪20年代呈逐渐升高趋势，20世纪60～90年代为负值，21世纪00～20年代为正值。21世纪以来较20世纪60年代年平均气温升高1.7℃，这与易湘生等[6]研究结论相符，青藏高原不同地区海拔高度和下垫面的差异是导致青海三江源地区增温幅度较大的主要原因。

三江源地区各地年平均气温均呈升高趋势，升温倾向率为0.30～0.47℃/10 a，通过0.01显著检验，升温幅度明显。其中，泽库、久治、玛多、曲麻莱升温显著，升温率均大于0.40℃/10 a；其他地区升温率为在0.30～0.39℃/10 a之间。

2.2 降水量时空变化特征

由图1(b)可知，三江源地区年降水量呈略增加趋势，气候倾向率为11.06 mm/10 a，多年平均降水量为472.0 mm，最大值出现在2018年为589.1 mm，最小值出现在2002年为404.8 mm。从降水量累积距平变化来看，1961～2002年为下降趋势，属于降水偏少期，2003～2020年为上升趋势，属于降水偏多期。9点滑动曲线分为三个阶段，1961～1990年为波动上升阶段，1991～2000年为波动下阶段，2001～2020年为显著上升阶段。60～80年代降水量呈波动略增加趋势，90年代呈减少趋势，21世纪以来增加较明显，与20世纪60年代相比年降水量增加64.0 mm(表1)。

三江源地区各地降水量除久治呈减少趋势外，其余各地均呈波动略增加趋势，增加倾向率为3.94～21.99 mm/10 a。降水量变化率长江源区大于黄河源区和澜沧江源区，长江源区通过0.05的显著性检验，其余未通过显著性检验，说明降水量增加不明显。

图1 三江源地区年平均气温及年降水量变化

表1 三江源地区年平均气温、年降水量、气候生产潜力年代际变化

2.3 气候生产潜力时空变化特征

分析图2得出，三江源地区年平均气候生产潜力为568.4 g/m2·a，最高气候生产潜力为651.4 g/m2·a(2018年)，最低气候生产潜力为500.6 g/m2·a(1997年)。60年来平均气候生产潜力呈增加趋势，增加倾向率为19.10 g/m2·10 a，增加趋势明显，通过0.01显著检验。气候生产潜力20世纪60年代至21世纪20年代呈增加趋势，21世纪以来较20世纪60年代相比年平均气候生产潜力增加91.9 g/m2·a(表 1)。

三江源区气候生产潜力地区间差异明显，澜沧江源区年平均气候生产潜力最大(724.0 g/m2·a)，黄河源区次之(588.1 g/m2·a)，长江源区最小(482.6 g/m2·a)。60 a来各地气候生产潜力均呈增加趋势，黄河源区增加倾向率0.76 g/m2·10 a，长江源区增加倾向率0.73 g/m2·10 a，澜沧江源区增加倾向率0.63 g/m2·10 a，通过0.01显著检验。

图2 三江源地区气候生产潜力变化

2.4 气候生产潜力突变检验

对三江源地区年平均气候生产潜力进行m-k和滑动t检验分析，从图3可以看出，1961～2020年UF统计量呈明显上升趋势，在1989年以后超过信度线，UF与UB相交于信度线外的2001～2002年，用滑动t检验对气候生产潜力突变点前后不同时段(n=14、10、5)进行检验，当n=10时，滑t检验结果显示|t0|>t0.01，气候生产潜力在2001～2002年发生突变是可信的。

图3 三江源地区气候生产潜力突变检验

2.5 气候生产潜力对气温和降水的响应

由图4可知，三江源地区气候生产潜力与气温、降水量均成正相关关系，当气温升高1℃时，气候生产潜力增加48.1 g/m2；当降水增10 mm时，气候生产潜力增加5.0 g/m2。气候生产潜力与年平均气温的相关系数为0.92，与年降水量的相关系数为0.65，均通过0.01显著检验。表明气温、降水对气候生产潜力均有正影响，气温升高、降水量增加有利于气候生产潜力提高，气温对气候生产潜力影响较降水量更显著。

3 结论

(1)三江源地区及各地年平均气温均呈升高趋势，升温倾向率为0.30～0.47℃/10 a，通过0.01显著检验，升温明显。

(2)三江源地区及各地降水量除久治呈减少趋势外，其余各地均呈波动略增加趋势，增加倾向率为3.94～21.99 mm/10 a。降水量变化率长江源区大于黄河源区和澜沧江源区，长江源区通过0.05的显著性检验，其余未通过显著性检验，说明降水量增加不明显。

(3)三江源地区气候生产潜力呈增加趋势，增加倾向率为19.10 g/m2·10 a，通过0.01显著检验。澜沧江源区年平均气候生产潜力最大，黄河源区次之，长江源区最小。

(4)三江源地区气候生产潜力与气温、降水量均成正相关关系。