1960—2020年黄河流域气候生长季时空演变及成因分析

张志高， 孙梓欣， 张秀丽， 郭可欣， 李卓娅， 郝海姣， 蔡茂堂

（1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳 455000；2.河南大学地理与环境学院，河南 开封 475004；3.河南大学黄河文明与可持续发展研究中心，河南 开封 475001；4.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；5.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

IPCC 第六次评估报告指出，全球地表温度正以前所未有的速度上升，2011—2020 年全球平均表面温度相比1850—1900年上升1.09 ℃，2001—2020年较工业化前增暖0.99 ℃［1］，北半球中高纬度地区气温上升更为明显［2］。随着全球变暖的持续发展，气温、光照、降水等气候要素也相应发生变化，进而对作物生长发育以及农业生态环境产生显著影响［3-4］。生长季是温度和土壤湿度条件适宜作物生长的时期，对生态系统功能发挥有重要控制因素［5］。在全球气候变暖背景下，生长季变化会显著影响生态系统及农业作物生产［6-7］。因此，生长季时空演变格局及其影响因素受到了国内外学者的广泛关注［8-11］。众多学者分别以物候观测［11-12］、归一化植被指数（NDVI）［13］和地表气温［14］等方面资料进行生长季相关研究。物候观测和NDVI 数据序列相对较短，而气象站点气温数据空间覆盖范围广、持续时间长，可用于长时间尺度上气候生长季研究［15］。相关研究表明，在全球变暖背景下北半球大部分地区生长季呈延长趋势［16-18］。中国大部分地区如内蒙古［19］、华北地区［20］、青藏高原［21］和东北地区［22］等生长季开始日提前、结束日推迟、长度延长，但区域性特征明显，青藏高原地区生长季增加最多，北方地区次之，南方地区最少［23］。在生长季变化影响因素方面，Xia等［24］发现，多年代际气候变化（multidecadal climate variability,MDV）与大西洋多年代际振荡指数贡献了1980—2009 年北半球生长季延长的53%；Dong 等［21］认为，1960—2009 年青藏高原生长季指数变化与海拔高度密切相关；吴蓓蕾等［25］研究发现，中国平均生长季开始日提前和长度延长主要源于春季升温，生长季结束日推迟则与秋季变暖有关；Jiang 等［26］研究表明，新疆地区生长季延长主要源于结束日的推迟；Wu 等［27］揭示了风速变化对秋季物候的影响，发现风速减弱延迟了高纬度植被秋季落叶期；还有学者分析了生长季气候资源的变化［28］。

黄河流域横跨我国北方东、中、西三大地理阶梯，跨越干旱、半干旱和半湿润区，流域上、中、下游地形地貌、植被及气候类型分异显著，为我国重要的生态功能区。黄河流域现有耕地1.3×107hm2，粮食产量约占全国1/3，在我国农业生产中占有重要地位。因此，本文基于1960—2020年逐日气温数据资料，运用线性趋势估计、Mann-Kendall突变检验和相关分析等方法对近61 a来黄河流域气候生长季指标的时空演变进行研究，并探讨其影响因素，以期为准确把握气候变化对流域生态环境的影响、充分利用气候资源以及保障粮食安全等方面提供科学依据和参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

黄河流域（32°6′～41°48′N，95°50′～119°6′E）横贯青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和华北平原4个地貌单元，包含青海、四川等9 省区，流域面积约7.52×105km2。黄河流域海拔在0～6241 m，西接青藏高原，中部为黄土高原区，东邻华北平原，东西跨度约5464 km，整体地势西高东低，起伏显著。流域位于中纬度地带，受大气环流和季风环流的影响，跨越干旱、半干旱、半湿润气候区。流域多数地区降水在200～650 mm，且年内分布不均，多集中在6—10 月，年均温在-4～14 ℃，全年日照时数在2000～3300 h。为了研究黄河流域生长季指标的区域分布特征，将黄河流域进一步划分为上、中、下游地区，其中，上游地区包括久治、景泰和包头等40 个气象站点，中游地区包括武功、靖边和神木等42 个气象站点，下游地区包括新乡、郑州和沂源等7 个气象站点。

1.2 数据来源

1960—2020 年黄河流域89 个气象站点逐日气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn）中国地面气候资料日值数据集，该数据集经过极值检验和RHtest 均一性检验等方面的严格质量控制。研究区域及代表站点分布如图1所示。

图1 黄河流域气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorology stations in the Yellow River Basin

1.3 生长季指标计算

生长季的界定尚未统一，参考相关资料，本文将生长季长度（GSL）定义为一年中5 d 滑动平均温度大于5 ℃到最后一次连续5 d 滑动平均温度大于5 ℃之间的天数［29］。生长季开始（GSS）为一年中第一次连续5 d滑动平均气温大于5 ℃的第一天，生长季结束（GSE）为最后一次连续5 d 滑动平均气温大于5 ℃的最后一天。生长季内≥10 ℃活动积温（AT10）为生长季内≥10 ℃日平均气温的累积之和，对应的天数之和为生长季内≥10 ℃活动积温天数（DT10）。GSS、GSE、GSL 和DT10 单位为d，AT10 单位为℃。

1.4 研究方法

采用Mann-Kendall 方法［30］对1960—2020 年黄河流域气候生长季指标（GSS、GSE、GSL、AT10 和DT10）的突变特征进行分析，利用信噪比对其突变点进行检验［31］。运用Morlet小波分析法［32］分析黄河流域生长季指标的周期变化特征。

2 结果与分析

2.1 气候生长季时间变化

由图2 可知，1960—2020 年黄河流域GSS 在63.36～88.43 d，平均为75.90 d（3月17日），2022年最小，1976 年最大。近61 a 来GSE 平均值为310.25 d（11 月6 日），在301.10～318.06 d 之间波动，1981 年最小，2016年最大。近61 a GSL平均值为235.35 d，其中1976 年最小为219.74 d，2020 年最大为250.84 d。1960—2020 年AT10 在2925.51～3592.65 ℃，平均值为3265.91 ℃，1976 年最小，2016 年最大。近61 a 来DT10 平均为187.54 d，1976 年最小为172.92 d，2009年最大为206.73 d。从变化趋势来看，近61 a来GSS呈显著的提前趋势（P<0.01），倾向率为-2.04 d·(10a)-1，GSE 以0.85 d·(10a)-1的倾向率呈明显的推迟趋势（P<0.05），GSL 则呈显著的延长趋势（P<0.01），倾向率为2.88 d·(10a)-1。AT10 和DT10 均呈显著增加趋势，且通过了0.01 的显著性检验，倾向率分别为70.62 ℃·(10a)-1和3.26 d·(10a)-1。

图2 1960—2020年黄河流域生长季指标变化Fig.2 Changes of growing season indicators in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

年代际变化方面（表1），1960—1980 年代GSS偏大，距平为正，生长季开始较晚，GSE距平为负，生长季结束较早，GSL 距平为负，生长季长度相对较短，AT10 距平为负，相对较小。1990 年代后GSS 逐年代提前，距平转为负值，GSE 距平转正，生长季末期推迟，GSL 距平转为正值，生长季长度延长，AT10距平转正，生长季内≥10 ℃活动积温增加。1970 年代DT10 最小，2000 年代和2010 年代DT10 最大，生长季内≥10 ℃活动积温天数最多。

表1 黄河流域生长季指标年代际变化Tab.1 Interdecadal variation of growing season index in the Yellow River Basin

2.2 上、中、下游地区生长季指标时间变化

由表2 可知，近61 a 来流域上、中、下游地区GSS 分别为88.81 d、66.73 d 和53.63 d，上游地区生长季开始最晚（3 月30），下游地区开始最早（2 月23），相差35 d；下游地区GSE 为334.03 d，上游为297.33 d，相差36.70 d，上游地区生长季结束最早（10月24），下游地区结束最晚（11月30），相差37 d；下游地区GSL 为281.40 d，上游地区为208.02 d，上下游地区生长季长度相差73.38 d；下游地区AT10为4619.85 ℃，上游地区为2472.16 ℃，相差2147.69 ℃；DT10 在下游地区最大为232.88 d，上游地区最小为156.31 d，相差76.57 d。从变化趋势来看，黄河流域上、中、下游地区各指标变化趋势一致，从变化幅度来看，下游地区GSS、GSE、GSL 和AT10 指标变化幅度最大，上游地区次之，中游地区变幅最小，上游地区DT10 变化幅度最大，下游次之，中游地区最小。

表2 1960—2020年黄河流域生长季指标变化Tab.2 Changes of growing season index in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.3 气候生长季空间分布特征

由图3 可知，黄河流域GSS 的变化范围为37～164 d，近61 a平均值为75.90 d，即3月17日，整体呈由东到西、由南向北逐渐推迟趋势，流域东南部生长季开始最早，日序在37～64 d，即2 月6 日—3 月5日，流域西南部达日、玛多和清水河等站生长季开始最晚，日序在129～164 d，即5 月9 日—6 月14 日。黄河流域GSE 在255～346 d，平均为310.25 d，即11月6 日，分布趋势与始期相反，整体呈由东到西、由南向北逐渐提前的趋势，流域东南部生长季结束最晚，日序在327～346 d，即11月23日—12月12日，流域西南部玛沁、达日、玛多和清水河等站生长季结束最早，日序在255～273 d，即9 月12 日—9 月30日。黄河流域GSL 在92～310 d，平均为235.35 d，整体呈由东到西，由南向北逐渐缩短趋势，流域东南部GSL 最长，在265 d 以上，西南部玛多和清水河生长季最短，在105 d 以下。黄河流域AT10 在33～5153 ℃，流域东南部积温最高，在4142 ℃以上，西南部玛多和清水河最低，在188.42 ℃以下。DT10 在3～251 d，流域东南部积温天数最多，在203 d 以上，西南部玛多和清水河最低，在20 d 以下，在空间分布上与AT10 的空间分布大致相似，即积温天数越多，积温越高，天数越少，积温越低。

图3 黄河流域气候生长季指标的空间分布Fig.3 Spatial distribution of climate growing season index in the Yellow River Basin

2.4 气候生长季变化趋势空间分布特征

1960—2020 年黄河流域生长季指标变化趋势空间分布如图4 和表3 所示，由图4 可知，近61 a 来黄河流域GSS 整体呈提前趋势，全部89 个气象站点倾向率＜0，倾向率在-4.1～-0.2 d·(10a)-1之间，其中有71.9%站点通过了0.05显著性检验（表3），在空间分布上呈一定的区域集聚特征，流域东南部河南、山东地区与流域中部内蒙古西部、宁夏地区提前幅度较大，西部青海地区提前幅度较小，在-1.6 d·(10a)-1以内。GSE 整体上呈延迟趋势，倾向率在-0.6～2.6 d·(10a)-1之间，在89 个气象站点中，有82 个站点呈递增趋势，且80.9%的站点达到了0.05 显著性水平，流域中西部地区和东南部山东、河南地区推迟幅度较大，中东部山西地区推迟幅度较小。GSL 整体呈现出延长趋势，在0～5.5 d·(10a)-1之间，有88 个站点呈延长趋势，其中，80.9%的站点呈显著延长趋势，流域东南部河南、山东地区和中西部内蒙古西部、宁夏地区形成两个高值中心，倾向率在3.3 d·(10a)-1以上，流域中东部山西地区倾向率较小，在2.4 d·(10a)-1以下。AT10 整体呈现出上升趋势，倾向率在2.4～148.6 ℃·(10a)-1，全部89 个站点呈上升趋势，其中，93.3%站点通过了0.05显著性检验，流域中西部内蒙古西部、宁夏地区增幅较大，在88.4 ℃·(10a)-1以上，流域南部陕西地区、流域西部青海、四川地区增幅较小。DT10 整体呈上升趋势，倾向率在-0.2～7.2 d·(10a)-1之间，88 个站点呈上升趋势，其中，79.8%的站点通过了0.05 显著性检验，流域南部陕西地区增幅较小，在2.6 d·(10a)-1以下，流域西南部四川地区增幅较大，在4.3 d·(10a)-1以上。

表3 黄河流域生长季指标空间趋势检验Tab.3 Spatial trend test of growing season index in the Yellow River Basin

2.5 气候生长季突变特征

由图5 可知，近61 a 来黄河流域GSS 正序列UF曲线呈波动下降趋势，反序列UB曲线呈上升趋势，二者相交于1998 年，突变点在信度线内，且通过了信噪比检验，确定其突变点为1998 年，突变前生长季日序平均为79.19 d（3 月20 日），突变后为70.45 d（3 月11 日），提前了9 d（图5a）。GSE 的UF曲线在1994年后在0值之上，表明该时期UF曲线上升趋势明显，UB曲线呈波动下降趋势，UF和UB曲线存在多个交点，但均未通过信噪比检验，故GSE 不存在突变点（图5b）。GSL 的正序列UF和反序列UB曲线相交于2002 年，在信度线以内，且通过了信噪比检验，其突变点为2002 年，突变后GSL 平均为242.98 d，较突变前的231.90 d 显著延长了11.08 d（图5c）。AT10和DT10的正序列UF和反序列UB曲线均相交于1998 年，均在信度线内，且通过了信噪比检验，故AT10 和DT10 的突变点为1998 年，突变后AT10 和DT10 分别较突变前增加了288.92 ℃和13.49 d。

2.6 生长季周期变化特征

1960—2020年黄河流域生长季指标Morlet小波分析结果如表4 所示（图略），由表4 可知，GSS 存在28 a、19 a与13 a左右的周期变化，其中，28 a左右的周期为第一主周期，19 a 左右周期为第二主周期，13 a 左右周期为第三主周期。近61 a 来黄河流域GSE、GSL、AT10 和DT10 均存在28 a 左右的主周期变化，而其他周期不明显。

表4 1960—2020 年黄河流域生长季指标周期变化特征Tab.4 Characteristics of periodic changes of index in the Yellow River Basin during the growing season from 1960 to 2020

2.7 生长季与温度变化的关系趋势分析

由表5 可知，黄河流域上游地区生长季指标与温度变化相关性最强，中游次之，下游最弱。黄河流域平均GSS 与温度变化显著负相关，均通过了0.01的显著性检验，与春季平均温度负相关性最强，相关系数为-0.65，说明GSS 提前与春季变暖有关。分流域来看，黄河流域上、中、下游地区均与温度变化呈负相关关系，其中，与春季温度负相关性最强，相关系数分别为-0.83、-0.55 和-0.34，相关性依次减弱。黄河流域平均GSE 与秋季平均温度相关性最强，说明GSE 延迟与秋季变暖有关，上、中、下游地区GSE 均与秋季温度相关性最强，相关系数分别为0.82、0.66 和0.42。黄河流域平均GSL 与秋季平均温度相关性最强，说明GSL 延长与秋季变暖有关，上游地区与春季温度相关性最强，相关系数达0.80，中游地区GSL 延长主要与秋季增温有关，相关系数为0.62，下游地区主要与春季增温有关，相关系数为0.41。

表5 黄河流域生长季指标与各季节平均温度的相关关系Tab.5 Correlation between growing season index and seasonal average temperature in the Yellow River Basin

3 讨论

1960—2020 年黄河流域GSS 呈提前趋势，GSE呈推迟趋势，GSL呈延长趋势，这与全国生长季变化趋势一致［25］。从变化幅度来看，黄河流域GSS、GSE和GSL 变化趋势分别为-2.04 d·(10a)-1、0.85 d·(10a)-1和2.88 d·(10a)-1，黄河流域GSS 提前幅度明显大于全国平均水平及其他多数地区，小于华北地区［20］，而GSE 延迟幅度要小于全国平均水平，GSL 延长幅度大于全国及其他大部分区域，小于华北［20］和青藏高原地区［21］，这可能与黄河流域1960—2020年增温趋势0.36 ℃·(10a)-1显著高于全国增温速率0.25 ℃·(10a)-1［33］有关。近61 a 来黄河流域GSS 提前了12.4 d，GSE 推迟了5.2 d，GSL 延长了17.6 d，GSS 贡献了生长季延长的70.5%，GSE 贡献了29.5%，GSS 的提前对生长季延长的影响更为重要。

黄河流域GSS 提前主要与春季增温有关，GSE延迟主要与秋季增温有关，这与吴蓓蕾等［25］对全国生长季的研究结果一致，黄河流域GSL 的延长主要与秋季增温有关，这与全国平均GSL 延长主要源于春季升温的结论不同，这可能与各区域气温变化不同有关。

在突变特征方面，黄河流域生长季指标分别于1998年和2002年发生突变，这与华北地区［20］研究结果一致，研究表明，全球气候状态转变发生于20 世纪80年代中后期［34］，气候状态的转变导致气候变率增大及极端气候事件增加，导致生长季始期提前，生长季末期延迟和生长季延长。

本文利用黄河流域89 个气象站点气温数据来研究生长季指标变化，还不能较好地反应区域内植被生长动态，后续的研究中应结合物候观测和归一化植被指数（NDVI）等进一步探究流域生长季指标变化。此外，本研究探讨了黄河流域生长季指标与各季温度的关系，城市化进程、土地利用变化及环流因子对生长季的影响有待进一步研究。

4 结论

（1）1960—2020 年 黄 河 流 域GSS 显 著 提 前[-2.04 d·(10a)-1]，GSE 呈推迟趋势[0.85 d·(10a)-1]，GSL 显著延长[2.88 d·(10a)-1]，AT10 和DT10 显著增加，倾向率分别为70.62 ℃·(10a)-1和3.26 d·(10a)-1，但区域差异较大，下游GSS 开始最早（2 月23），上游最晚（3 月30），上游GSE 结束最早（10 月24），下游最晚（11月30），下游GSL最长为334.03 d，上游最短为297.33 d，下 游AT10 为4619.85 ℃，上 游 为2472.16 ℃，下游DT10 最大为232.88 d，上游最小为156.31 d。年代际变化来看，1990 年代以来，黄河流域GSS 逐年代提前，GSE 推迟，GSL 显著延长，AT10和DT10明显上升。

（2）近61 a 黄河流域整体上由东到西，由南向北GSS 逐 渐 推 迟，GSE 逐 渐 提 前，GSL 逐 渐 缩 短，AT10和DT10逐渐减少。黄河流域上、中、下游地区生长季指标变化趋势一致，下游地区变化幅度最大，上游地区次之，中游地区变幅最小。

（3）M-K 突变分析表明，近61 a 来黄河流域GSS、AT10 和DT10 于1998 年发生突变，突变后GSS提前了9 d、AT10 和DT10 分别增加了288.92 ℃和13.49 d。GSE 不存在明显突变点。GSL 于2002 年发生突变，突变后GSL 延长了11.08 d。Morlet 小波分析表明，近61 a 来黄河流域生长季指标存在28 a左右的周期变化。

（4）近61 a 来，黄河流域生长季长度延长了17.6 d，GSS贡献了生长季延长的70.5%，GSE贡献了29.5%。相关分析表明，黄河流域GSS 提前主要与春季升温有关，GSE延迟主要源于秋季增温，上游和下游地区GSL 延长主要源于春季增温，中游地区GSL延长主要与秋季变暖有关。