近50年晉中市氣候變化及對農(nóng)作物的影響

梁運(yùn)香，韓龍，趙海英，陸春花

（1．山西省榆次區(qū) 氣象局，山西 榆次030600；2．山西省氣象局，山西 太原030001；3．山西省晉中市氣象局，山西 榆次030600；4．山西省介休市 氣象局，山西 介休032000）

有關(guān)研究表明，近100年來全球地表平均氣溫上升 了 0．74℃［1］，我 國 地 表 平 均 氣 溫 上 升 了0．8℃，增溫速度略高于全球［2］。從1986／1987年的冬季至今，我國已經(jīng)歷了21個暖冬（僅2004／2005年，2009／2010年的冬季為正常）。特別是2006年，中國平均氣溫9．92℃，成為1951年以來創(chuàng)紀(jì)錄的暖年。陳隆勛等對近40到50年的中國降水研究表明，總的來說全國年降水量呈減少趨勢，東北和華北降水有減少趨勢［3～5］黃榮輝等用中國336個站6～8月的旬降水討論了華北地區(qū)的干旱化趨勢。認(rèn)為80年代降水較70年代少，干旱化趨勢加重，區(qū)域總平均降水量比50年代約減少近30%［6］。天氣氣候?qū)W家對于華北地區(qū)高溫少雨干旱化日趨嚴(yán)峻的問題進(jìn)行了大量的分析研究，楊修群等通過研究全球海－氣相互作用的年代際變化與華北地區(qū)降水的關(guān)系，認(rèn)為華北地區(qū)降水與PDO存在異常相關(guān)，如果熱帶中東太平洋海溫升高、北太平洋中部海溫偏低，華北地區(qū)被高氣壓控制，降水減少［7］。張慶云等則從大氣環(huán)流場的異常特征分析了華北干旱的原因，認(rèn)為導(dǎo)致華北降水減少的主要原因是偏南氣流較平均態(tài)減弱而使能夠到達(dá)華北地區(qū)的水汽減少所致［8］。在全球氣候變化的大背景下，晉中市氣候正在發(fā)生較為顯著的變化，氣溫升高、降水減少、干旱嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成了很大影響。晉中市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要是在自然環(huán)境中進(jìn)行，糧食生產(chǎn)很大程度上依賴于氣候條件的變化，氣候變化將首先對農(nóng)業(yè)特別是主要農(nóng)作物的影響。所以全面了解當(dāng)?shù)貧夂颍治鰰x中市在全球氣候變化背景下的極端氣候變化特征，了解其變化趨勢，對于當(dāng)?shù)氐纳鐣徒?jīng)濟(jì)發(fā)展以及環(huán)境生態(tài)保護(hù)等方面都具有十分重要的意義。

1 資料來源與研究方法

本文所用氣象數(shù)據(jù)為晉中市十一個氣象觀測站1960～2009年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、無霜期、降水量、日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量等氣象資料。計(jì)算距平用的平均值是以1960～2009年50a的氣象要素平均值為氣候平均值。農(nóng)業(yè)氣象資料來源于晉中市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)資料提要1960－2009年國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒資料。季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)冬（12～2月）、春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11月）四個季節(jié)。研究方法有距平法，距平百分率；線性傾向估計(jì)；長期變化的定量指標(biāo)－－趨勢系數(shù)；滑動平均；根據(jù)氣象業(yè)務(wù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用7級分級法，計(jì)算氣溫和降水的異常情況；計(jì)算干燥系數(shù)。

2 晉中市氣溫變化特征分析

2．1 平均氣溫的年變化特征

為了分析氣溫變化趨勢，采用線性傾向分析和5a滑動平均趨勢分析，圖1為晉中市近50年來年平均氣溫時(shí)間序列變化。晉中市近50年來年平均氣溫為9．3℃，極差為2．8℃（1967年8．0℃，1999年10．8℃），從圖1可以看出，1960年以來，平均氣溫呈波動上升，總的變化趨勢是變暖，上個世紀(jì)90年代后這種趨勢更加明顯。年平均氣溫序列變化傾向率為0．348℃·10a－1，略低于全國0．4℃·10a－1的增長幅度，與我國氣候變暖具有同步性［9］。

圖1 晉中市1960～2009年平均氣溫Fig．1 Jinzhong city 1960～2009average temperatures

從5a滑動平均曲線可以看出，上個世紀(jì)90年代以前，5a滑動平均值長期處于多年平均值以下，而上個世紀(jì)90年代以后，持續(xù)高于多年平均值，且幅度明顯增大，本世紀(jì)初達(dá)到極值。這也說明，晉中市氣溫為變暖趨勢，且上個世紀(jì)90年代以后持續(xù)增暖。按照Vt＞0（Vt為年平均氣溫5a滑動平均值與多年平均值之差）為偏暖，Vt＜0為偏冷來劃分，晉中市氣溫以上個世紀(jì)90年代初為界，分為冷、暖兩個階段，前為冷期、后為暖期。而從平均值和傾向率來看，上個世紀(jì)六十年代和七十年代初為冷期，七十年代中期到八十年代為正常期。

2．2 平均氣溫的季變化

對不同季節(jié)的平均氣溫變化，采用線性傾向分析和5a滑動平均趨勢分析，圖2為晉中市近50年來年各季平均氣溫時(shí)間序列變化。

計(jì)算結(jié)果表明，一年四季的氣溫變化均呈線性上升趨勢。從圖2可以看出，春、夏、秋、冬季平均氣溫變化線性傾向分別顯升高0．4℃·10a－1，0．17℃·10a－1，0．3℃ ·10a－1，0．54℃ ·10a－1。冬季升溫最為明顯，其次是春季。近20年以來有3a冬季氣溫較氣候平均值高2．0℃以上，分別為1999年、2002年、2007年，冬季增長速率為夏季的三倍；春季1997年以后的平均氣溫都高于平均值，夏季平均氣溫五個高峰值也出現(xiàn)在上個世紀(jì)90年代以后，分別為1994、1997、1999、2001、2005年。近20年來不僅冬季平均氣溫增暖，春、夏、秋三季的平均氣溫也呈增暖趨勢，導(dǎo)致年平均氣溫急劇變暖。由此可見，晉中市氣溫的時(shí)間變化規(guī)律與全國及山西省平均情況大體一致，即呈增溫趨勢，但氣溫變化幅度存在一定差異［10］。

圖2 晉中市1960～2009年季平均氣溫Fig．2 Jinzhong 1960～2009season average temperatures

由此可見，年平均溫度的升高主要是冬季氣溫明顯升高的緣故造成，其次是受春季氣溫的影響。

2．3 平均最高、最低氣溫的變化特征

2．3．1 平均最高氣溫年變化特征

為了分析平均最高氣溫變化趨勢，采用線性傾向分析和5a滑動平均趨勢分析，圖3為晉中市近50年來年平均最高氣溫時(shí)間序列變化。晉中市近50年來年平均最高氣溫為16．5℃，年平均最高氣溫最低年為1964年14．8℃，年平均最高氣溫最高年為1998年18．3℃，相差3．5℃。從圖3可以看出，1964，1967，1976，1985年出現(xiàn)了低值年，在90年代以前1965，1987年出現(xiàn)了高值年，特別是1990年以后年平均最高氣溫都在年平均最高氣溫平均值以上。年平均最高氣溫總體上是呈上升趨勢，80年代前為偏低階段，80年代為正常階段，80年代后為偏高階段。

圖3 晉中市1960～2009年年平均最高氣溫Fig．3 Jinzhong city 1960～2009maximum temperatures

2．3．2 平均最低氣溫年變化特征

為了分析平均最低氣溫變化趨勢，采用線性傾向分析和5a滑動平均趨勢分析，圖4為晉中市近50年來年平均最低氣溫時(shí)間序列變化。晉中市近50年來年平均最低氣溫為3．1℃，年平均最低氣溫最低年出現(xiàn)在1962年為1．5℃，年平均最低氣溫最高年出現(xiàn)在2006年為4．9℃，相差3．4℃。1973年以前為低值年，1974年到1986年為正常年，1987年以后升高比較明顯，特別是1997年以后年平均最低氣溫平均為4．1℃，比平均升高了1℃。

近50年平均最高氣溫和平均最低氣溫均有明顯的增溫趨勢，但為曲線式上升。最低氣溫的增溫趨勢和變化幅度均明顯高于最高氣溫，最低氣溫的氣候傾向率為0．471℃·10a－1，最高氣溫的氣候傾向率為0．358℃·10a－1，兩者相差0．113℃·10a－1。即夜間氣溫有較強(qiáng)的增溫趨勢，白天有較弱的增溫趨勢，說明氣溫日較差在逐漸減小。

圖4 晉中市1960～2009年年平均最低氣溫Fig．4 Jinzhong city 1960～2009minimum temperatures

3 晉中市降雨量變化特征分析

為了分析降雨量變化趨勢，采用線性傾向分析和5a滑動平均趨勢分析，見圖5，為近50年晉中市降雨量時(shí)間序列變化?？梢钥闯觯瑲夂蜃兣耐瑫r(shí)，晉中市降雨量并沒有相應(yīng)增加，而降雨量的變化不像氣溫那么規(guī)律，降雨在年際間變化很大，平均相對變率很大，多雨年（736．6mm）是少雨年（274．9mm）的2～3倍。從圖5降雨變化曲線分析來看，降雨量呈減少趨勢，近50年變化傾向率為－27．26mm·10a－1，在波動中呈現(xiàn)下降趨勢，該趨勢90年代后尤其明顯。

圖5 晉中市1960～2009年年降雨量Fig．5 Jinzhong city 1960～2009precipitation

4 晉中市其它氣象要素變化特征分析

4．1 日照時(shí)數(shù)變化特征

從圖6可以看出，晉中市的日照時(shí)數(shù)在逐步減少，氣候傾向率為－87．122h·10a－1。偏多年基本上出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代以前，1965年最多為2963．7h，從20世紀(jì)80年代前只有兩年出現(xiàn)負(fù)距平。80年代后開始逐步減少，只有三年為正距平，80年代后期減少明顯，基本上在平均線以下，2003年達(dá)到最低值為2100．4h。日照時(shí)數(shù)最多年和最少年相差863．3h。

圖6 晉中市1960～2009年年日照時(shí)數(shù)Fig．6 Jinzhong city 1960～2009sunshine hours

4．2 蒸發(fā)量變化特征

從圖7可以看出，晉中市50年來的蒸發(fā)量變化不大。一直在振動中變化。出現(xiàn)了兩個高值階段和三個低值階段。高值段為1971～1975年、1997～1981年，最高值出現(xiàn)在1972年為2086．5 mm。三個低值階段為1963～1964年、1983～1996年、2002～2004年，最低出現(xiàn)在1964年為1287．1mm。

從干燥系數(shù)變化特征來分析，干燥系數(shù)K是年可能蒸發(fā)量Em與降水量P的比值（K＝Em／P），它在一定程度上反映一個地區(qū)平均干燥狀況，是衡量一個地區(qū)干旱程度的重要指標(biāo)之一。多年平均年干燥指數(shù)K與氣候分布有密切關(guān)系，當(dāng)K＜1．0時(shí)，表示該區(qū)域蒸發(fā)量小于降水量，該地區(qū)為濕潤氣候，當(dāng)K＞1．0時(shí)，即蒸發(fā)量超過降水量，說明該地區(qū)偏于干燥，K越大，即蒸發(fā)量超過降水量越多，干燥程度就越嚴(yán)重。有研究指出：K≥3．5為干旱［11］。

從晉中市歷年干燥系數(shù)曲線圖8可知，年度干燥系數(shù)整體有增大趨勢。70年代中期以前，變化劇烈，最大值出現(xiàn)在1972年為7．0，上個世紀(jì)60年代中期到70年代中期有一個明顯干燥期，90年代中期以來，干燥系數(shù)顯著增大，出現(xiàn)另一個明顯干燥期，1997年是上個世紀(jì)70年代以來的最干燥年為6．9。晉中市50年中30年K＞3．5，占60%，可見，干旱是晉中市的主要?dú)夂蛱卣鳌?/p>

從干燥系數(shù)的季節(jié)分布來看，四季均有增大趨勢，但春季最為明顯。說明，晉中市春季干旱嚴(yán)重，這也驗(yàn)證了本地“十年九春旱”的說法。總之，50年來晉中市干旱化程度正在加劇，90年代以后尤為明顯。

圖7 晉中市1960～2009年年蒸發(fā)量Fig．7 Jinzhong city 1960～2009evaporations

圖8 晉中市1960～2009年干燥系數(shù)Fig．8 Jinzhong city 1960～2009dry coefficient

5 討論

氣候是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然環(huán)境中最基本、最重要的條件之一，它為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供光、熱、水、空氣等能量和物質(zhì)資源。農(nóng)業(yè)直接關(guān)系著人類生存，而絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在露天進(jìn)行，對氣候變化的反應(yīng)最敏感、最直接，任何程度的氣候變化都會引起農(nóng)業(yè)氣候資源、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)投入和產(chǎn)出的變化，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其相關(guān)過程帶來潛在或顯著的影響，嚴(yán)重威脅國家和地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全。

5．1 氣溫變化的影響

近50年來，晉中市年平均氣溫升高，無霜期延長，農(nóng)作物生長積溫增加，冬小麥?zhǔn)斋@后的剩余積溫增加，使復(fù)種生產(chǎn)得到保證，復(fù)種作物的產(chǎn)量穩(wěn)定增加。尤其是冬季氣溫的升高，越冬農(nóng)作物受凍害的機(jī)率大大減少，便于作物安全過冬，對冬小麥越冬非常有利，上個世紀(jì)80年代后，冬小麥因凍死苗的現(xiàn)象大為減少。

溫度升高在產(chǎn)生正面效應(yīng)的同時(shí)也帶來了負(fù)面影響。如溫度升高使作物發(fā)育速度加快，生育期普遍縮短，減少光合作用積累干物質(zhì)的時(shí)間，導(dǎo)致單產(chǎn)下降，這有可能抵消全年生長期延長的效果，從而使地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力下降。尤其是冬季氣溫的升高，使得冬小麥越冬期變短，易造成麥田失墑快，出現(xiàn)麥苗旺長現(xiàn)象；在暖冬條件下，越冬小麥會提前返青，由于抗寒能力弱，提前返青的小麥在突來的寒潮中易受凍害；另外，溫度升高會增大空氣飽和差，風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)增加，增加了土壤水分的無效蒸發(fā)，消耗掉原本不多的水分，對作物造成的水分脅迫更大。

有關(guān)研究［12］指出，年平均氣溫每升高1℃，農(nóng)業(yè)帶就將向北推移1個緯距。據(jù)此，晉中盆地冬小麥品種區(qū)劃應(yīng)從晚熟區(qū)向中熟區(qū)過渡，耕作制度也應(yīng)從兩年三作區(qū)向一年兩作區(qū)過渡。隨著氣候變暖趨于明顯，冬小麥品種突破區(qū)劃限制，在試驗(yàn)示范的基礎(chǔ)上有選擇地栽培中熟區(qū)品種進(jìn)行越區(qū)栽培，對提高小麥生產(chǎn)水平有重要意義，亦是適應(yīng)氣候變暖的客觀性對策。

玉米是晉中盆地主要秋糧作物，而晉中盆地原屬于春播玉米的中晚熟區(qū)，耕作制度亦屬二年三熟區(qū)。隨著氣候變暖，熱量資源明顯增加，春播玉米已不能充分利用熱量資源，造成了熱量資源的浪費(fèi)，而實(shí)行玉米夏播（即小麥?zhǔn)崭詈髲?fù)播玉米）已逐漸成為趨勢。

5．2 降水變化的影響

降水減少和陸地地表水資源及地下水的減少，使土壤墑情變干，對發(fā)展種植業(yè)產(chǎn)生不利影響。使得種植業(yè)更加依賴灌溉，而發(fā)展灌溉所依靠的水庫和地下水的水資源又因降水少得不到補(bǔ)充，因此，水資源短缺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的威脅更加突出。

東部山區(qū)和半山區(qū)基本無灌溉條件，水是當(dāng)?shù)胤N植業(yè)的制約因素，農(nóng)作物幾乎完全靠天等雨，更加容易受到干旱的危害。同時(shí)水資源短缺對當(dāng)?shù)氐亩喾N植物和動物造成危害，間接影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

氣溫升高和降水減少兩方面使氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁。加之人類活動對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞，使水土流失嚴(yán)重。

晉中市夏季年降水量占全年總降水的70%，降水少時(shí)，旱災(zāi)成災(zāi)率為55%左右，降水多時(shí)，又以暴雨的形式出現(xiàn)，往往造成洪澇災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成傷害。隨著人口增加和工農(nóng)業(yè)用水量加大，人均水資源占有量迅速下降，加劇了人口、耕地、糧食、工業(yè)間的矛盾。

有關(guān)研究［13］表明，在全球氣候變暖背景下，山西省干旱周期明顯縮短，頻率顯著增加，說明發(fā)生干旱的持續(xù)時(shí)間在延長，范圍日益擴(kuò)大，旱災(zāi)將會造成糧食的減產(chǎn)幅度加大。

5．3 其它氣象要素變化的影響

晉中市年平均日照時(shí)數(shù)呈逐漸減少趨勢，且階段性變化顯著。日照時(shí)數(shù)主要受太陽輻射、水汽等因素的影響，但隨著城市化的快速發(fā)展，城市大氣中的氣溶膠顆粒物、氮氧化合物、碳氧化合物、碳?xì)浠衔?、光化學(xué)煙霧等空氣污染物明顯增多，這些污染物不僅影響水平視程，減小水平能見距離，且能吸收和散射太陽輻射，減少到達(dá)地面的太陽輻射，造成日照時(shí)數(shù)減少。

晉中市50年來的蒸發(fā)量變化不大，一直在振動中變化。干燥系數(shù)在增大，使土壤墑情變干，對發(fā)展種植業(yè)產(chǎn)生不利影響，水資源短缺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的威脅更加突出。

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