B2氣候情境下遼寧農(nóng)業(yè)氣候資源演變特征探討

蔣林杉　華婧婧　唐秋艷　王煥毅　劉闖

摘 要：農(nóng)業(yè)氣候資源特指對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有正向影響且可以直接參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的溫度、光照輻射、降水的組合或單一條件。為了解B2氣候情境下遼寧農(nóng)業(yè)氣候資源的演變特征，文章選用英國Hadley中心區(qū)域氣候模式系統(tǒng)PRECIS構(gòu)建的未來時(shí)段（2021—2050年）B2情境氣候數(shù)據(jù)，借助空間分析法，預(yù)先探討了遼寧農(nóng)業(yè)氣候資源的演變特征，以期為遼寧地區(qū)未來30a農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：B2氣候;遼寧;農(nóng)業(yè)氣候

中圖分類號：S16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130035

前言

農(nóng)業(yè)氣候系統(tǒng)是一個(gè)涉及海洋、大氣、冰雪、陸地、生物等要素的系統(tǒng)，復(fù)雜度較高，相關(guān)要素之間會相互作用，并受外界影響。而農(nóng)業(yè)氣候資源演變特征是當(dāng)前科學(xué)界預(yù)先估測未來氣候?qū)r(nóng)業(yè)影響的主要成果，常以圖形數(shù)據(jù)表示，類似于天氣預(yù)報(bào)，可作為農(nóng)業(yè)種植決策者的科學(xué)依據(jù)。因此，在B2氣候情境下，探討遼寧農(nóng)業(yè)氣候資源的演變特征具有非常重要的意義。

1 B2氣候情境概述

氣候情境又可稱之為氣候變化情境，主要是立足于一系列科學(xué)假設(shè)，對未來氣候狀態(tài)時(shí)間、空間分布形態(tài)的恰當(dāng)描述[1]。B2氣候情境則是由英國Hadley中心區(qū)域氣候模式系統(tǒng)PRECIS構(gòu)建的未來時(shí)段（2021—2050年）情景，可以有效模擬我國遼寧區(qū)域地面氣溫的局部分布特征。由B2排放方案驅(qū)動模擬所獲得的逐日氣候信息揭露了遼寧未來氣候變化狀況，在模擬結(jié)束后，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行反比等距差值到0.25°×0.25°格點(diǎn)上，可以形成作物模型數(shù)據(jù)庫，獲得精確度更高的氣象數(shù)據(jù)。而將氣象數(shù)據(jù)逐格點(diǎn)輸入到農(nóng)業(yè)氣候資源模擬模型中進(jìn)行模擬，可以獲得B2氣候情境下未來農(nóng)業(yè)氣候資源的演變特征。

2 B2氣候情境下農(nóng)業(yè)氣候資源演變特征的研究區(qū)概況

遼寧是中華人民共和國省級行政區(qū)，位于遼河流域，毗鄰渤海、南海、內(nèi)蒙古、河北、吉林、鴨綠江，介于N38°43′～43°26′，E118°53′～125°46′，陸地總面積占我國陸地總面積的1.5%。遼寧省地勢大致可以看作由北部向南部、由東西兩側(cè)到中部傾斜，山地丘陵呈現(xiàn)馬蹄狀向渤海傾斜，屬于溫帶季風(fēng)氣候。

在2016年8月遼寧省人民政府辦公廳印發(fā)《遼寧省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》之后，遼寧省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)入了快速轉(zhuǎn)型升級期，農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益顯著提升，糧食產(chǎn)量年均在2.0×107t以上，位居全國糧食生產(chǎn)省前列，蔬菜產(chǎn)量、水果產(chǎn)量分別在4.0×107t、8.82×106t以上，肉蛋奶產(chǎn)量均位列全國前列，為千萬畝設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)及提質(zhì)增效工程推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

3 B2氣候情境下遼寧農(nóng)業(yè)氣候資源演變特征的研究方法

3.1 基本式

新時(shí)期，以全世界氣候變暖為主要特征的氣候變化已對生態(tài)系統(tǒng)、社會發(fā)展造成嚴(yán)重沖擊，氣候變化也成為農(nóng)業(yè)研究熱門。而分析B2氣候情境下的未來氣候變化特征是氣候變化研究的基礎(chǔ)。在具體分析時(shí)，可以引入氣候傾向率這一數(shù)值對未來時(shí)間段遼寧農(nóng)業(yè)氣候資源的時(shí)空演變特征進(jìn)行探究。

氣候傾向率可以在Excel中通過SLOPE函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定某區(qū)域某一氣候要素時(shí)間序列為Y1、Y2、…Yn，利用多項(xiàng)式可表示為：

Y_n∧t=a₀+a₁t+a₂t₂+…+a_mt_n（1）

式（1）滿足一次直線方程與二次曲線方程，t為時(shí)間，a為時(shí)間的單位，可以進(jìn)行溫度、降水氣候演變趨勢及特征的定量表述。若利用一次直線方程定量描述式為yt=a₀+a₁t，則農(nóng)業(yè)氣候溫度（或降水）趨勢變化率方程為：

dyt/dt=a₁（2）

式中，a₁×10被稱之為氣候傾向率，單位為℃·10a^-1（mm·10a^-1），可利用經(jīng)驗(yàn)正交多項(xiàng)式、最小二乘法驗(yàn)證。

3.2 研究法

在遼寧區(qū)域氣候資源演變特征研究時(shí)，由于涉及了諸多農(nóng)業(yè)氣候資源，可以利用xi表示某一氣候要素，如溫度、輻射（生長季太陽總輻射）、降水（生長季降水）等。則某要素xi與ti間的一元線性回歸為：

^︿x_i=c+et_i（3）

式中，i的取值范圍在1～50，均為自然整數(shù)。︿x_i為氣候要素?cái)M合值，e×10表示氣候要素10a的變化速率，即氣候傾向率。式（3）可看作式（1）中最為簡單的特殊線性回歸形式，即借助時(shí)間序列分析的方法，利用一恰當(dāng)直線，表述某一要素x、對應(yīng)時(shí)間t間聯(lián)系[2]。

4 B2氣候情境下遼寧農(nóng)業(yè)氣候資源演變特征的研究結(jié)果

4.1 溫度

溫度的持續(xù)增高會導(dǎo)致未來農(nóng)作物生長發(fā)育發(fā)生顯著變化，但農(nóng)業(yè)氣候資源——溫度，對以玉米為代表的遼寧農(nóng)作物影響的機(jī)制復(fù)雜度較高，氣象要素發(fā)生變化除在間接層面影響遼寧農(nóng)作物生長發(fā)育外，還可以直接對農(nóng)作物的蒸騰作用產(chǎn)生較為明顯的影響[3]。因此，可以選取若干個(gè)點(diǎn)，分布處于遼寧中部、北部、南部，采取算術(shù)平均值計(jì)算的方式獲得代表整個(gè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行1a 4個(gè)季節(jié)的時(shí)間序列構(gòu)建。依據(jù)遼寧省氣候特點(diǎn)，季節(jié)可以劃分為上一年11月—3月、4—5月、6—8月、9—10月。采用氣候趨勢系數(shù)加氣候傾向率，分析溫度變化趨勢。在Mann-Kendall法支持下進(jìn)行溫度突變檢測，脫離樣本必須遵從線性分布的限制，降低少數(shù)異常數(shù)值的干擾，為適用于溫度等非正態(tài)農(nóng)業(yè)氣候資源演變數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。一般可用≥10℃積溫作為B2氣候情境下遼寧農(nóng)業(yè)溫度演變特征研究重點(diǎn)。2021—2030年，遼寧省處于3600℃·d-1以下的積溫地區(qū)處于向下發(fā)展?fàn)顟B(tài)，逐步從東部開始擴(kuò)展到北部;2031—2040年，遼寧省整個(gè)地區(qū)積溫相較于上一個(gè)10a出現(xiàn)顯著向上發(fā)展趨勢，以3800℃·d-1為分界線，分界線溫度以上地區(qū)也逐步由南部擴(kuò)展至中部。與此同時(shí)，以3600℃·d-1為分界線，處于該分界線以下區(qū)域面積呈現(xiàn)出減少態(tài)勢;2041—2050年，遼寧省各地溫度沒有發(fā)生可以觀察到的大幅度變化。

總的來說，未來30a遼寧省≥10℃積溫總體呈現(xiàn)出向上發(fā)展勢頭。而從各地≥10℃積溫情況來看，環(huán)渤海地區(qū)每10a溫度向上發(fā)展幅度低于90℃·d-1，除渤海地區(qū)每10a溫度向上發(fā)展幅度則超出100℃·d-1。熱量的大幅度增加，將導(dǎo)致遼寧個(gè)別地區(qū)作物生育期延長，擴(kuò)展農(nóng)作物種植范圍，突破以往由于熱量條件約束而無法種植的農(nóng)作物引進(jìn)瓶頸，豐富區(qū)域農(nóng)作物種植種類。

4.2 降水

B2情境下，遼寧省未來30a農(nóng)作物生長季節(jié)降水的年代際變化呈現(xiàn)出劇烈波動趨勢。2021—2030年，除遼寧省西北部而言，其余地區(qū)降水量均有所減少，年降水在700mm以上的區(qū)域面積持續(xù)下降，年降水在500mm的區(qū)域則完全消失。這一情況將有效緩解遼寧西部地區(qū)的干旱情況，為已發(fā)生干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有益影響，但是易增大中東部地區(qū)農(nóng)田漬澇災(zāi)害發(fā)生率[4]。

2031—2040年，遼寧省各區(qū)域年度降水量呈現(xiàn)階梯狀減少，出現(xiàn)年降水在500mm以下區(qū)域，為遼河流域及周邊地區(qū)，而年降水在700mm的區(qū)域則消失。這一現(xiàn)象將增加遼寧西部地區(qū)干旱災(zāi)害危害程度，但對遼寧中東部濕度偏大地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有良好作用。

2041—2050年，遼寧省整個(gè)區(qū)域內(nèi)年降水量均呈現(xiàn)出向上遞延趨勢。年降水在500mm以下的地區(qū)面積縮小，主要集中在西北部地區(qū)、西部地區(qū)及大連南部。但年降水在700mm以上的地區(qū)面積擴(kuò)大，集中分布于遼寧東部、南部大部分地區(qū)。

從農(nóng)業(yè)氣候整體趨勢來看，遼寧地區(qū)年降水呈現(xiàn)出向下發(fā)展趨勢，從遼寧西部到遼寧東部年降水減小幅度呈現(xiàn)出遞增趨勢。其中以遼寧東部地區(qū)年降水量向下發(fā)展波動值最大，為20mm·10a-1，其余地區(qū)年降水減少趨勢則處于淺顯狀態(tài)。

4.3 霜降

霜降在本次研究中特指出現(xiàn)霜的時(shí)間，以日最低溫度2.0℃為判定指標(biāo)，對初次出現(xiàn)霜、最終出現(xiàn)霜的年代際變化進(jìn)行剖析[5]。2021—2030年，遼寧地區(qū)初次出現(xiàn)霜的日子少數(shù)在9月27日及以前，且范圍處于遞減狀態(tài)，大多數(shù)在10月17日以后，且范圍處于遞增狀態(tài)，北部地區(qū)90%以上初次出現(xiàn)霜的時(shí)期在10月17日及以后;而遼寧省最后一次出現(xiàn)霜的日子大多處于5月1日，覆蓋區(qū)域呈現(xiàn)出顯著減小趨勢，表明遼寧整個(gè)地區(qū)的無霜期進(jìn)一步萎縮。

2031—2040年，遼寧地區(qū)初次出現(xiàn)霜的日子在10月7—17日，完全覆蓋北部及周邊。而遼寧省最后一次出現(xiàn)霜的日子少部分處于5月1日，較前1個(gè)10a所涉及的區(qū)域面積進(jìn)一步減小。

2041—2050年，遼寧地區(qū)初次出現(xiàn)霜的日子再次向后延伸，即10月17日之后遼寧地區(qū)初次出現(xiàn)霜的范圍逐步擴(kuò)大。與此同時(shí)，9月27日后遼寧地區(qū)初次出現(xiàn)霜的情況出現(xiàn)概率持續(xù)減小;遼寧省最后一次出現(xiàn)霜的日子極個(gè)別處于5月1日，如遼寧東北部、遼寧西北部、遼寧東部、遼寧西部等。

總的來說，2021—2050年的30a間，遼寧地區(qū)初次出現(xiàn)霜的日子呈現(xiàn)出向后延伸的傾向，以顯著性水平P為分析依據(jù)，空間分布最為顯著的區(qū)域?yàn)檫|寧北部、西部、東部。從遼寧地區(qū)最后一次出現(xiàn)霜的日子的年代際空間分布格局變動情況進(jìn)行分析，可知遼寧省多數(shù)地區(qū)最后一次出現(xiàn)霜的日子呈現(xiàn)出提前趨勢，整體無霜期時(shí)間限制縮短。同時(shí)多數(shù)地區(qū)最后一次無霜期到來時(shí)間提前了1～2d，北部地區(qū)、東部地區(qū)變化顯著。受初次出現(xiàn)霜的日子延后、最后一次出現(xiàn)霜的日子提前的雙重作用，遼寧整個(gè)地區(qū)的無霜期再次延長，未來30a遼寧東北部地區(qū)熱量資源將出現(xiàn)顯著遞增趨勢。

4.4 輻射

從B2氣候情境入手，以遼寧農(nóng)作物生長季4月、5月、6月、7月、8月、9月為重點(diǎn)，對區(qū)域太陽總輻射年代際變化進(jìn)行分析可知，2021—2030年，遼寧多數(shù)地區(qū)太陽輻射呈現(xiàn)出較為明顯的減少特征。以3100MJ·m-2為分界線，超出該分界值的區(qū)域僅為環(huán)渤海地區(qū)，其余地區(qū)的太陽輻射量均低于這一數(shù)值;而2031—2040年，該區(qū)域太陽輻射資源出現(xiàn)較為顯著地向上遞增趨勢。以3200MJ·m-2作為分界線，僅中部部分地區(qū)、北部地區(qū)小于該數(shù)值，其余地區(qū)均高于該數(shù)值;2041—2050年，遼寧地區(qū)的太陽能總輻射量再次呈現(xiàn)出向下發(fā)展趨勢，多數(shù)地區(qū)太陽總輻射在3100MJ·m-2以下。

通過對未來30a遼寧省太陽輻射變化趨勢的空間分布進(jìn)行剖析，遼寧省農(nóng)作物生長季節(jié)太陽能總輻射多數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)出向上遞延走向。特別是東部山區(qū)、西部多數(shù)地區(qū)，每10a增速在25MJ·m-2以上，而中部平原、環(huán)渤海地區(qū)、南部地區(qū)的太陽總輻射每10a增長幅度低于20MJ·m-2，除此之外的其它地區(qū)太陽總輻射每10a增長幅度處于20～25MJ·m-2。以氣候趨勢系數(shù)為參照指標(biāo)，遼寧各地區(qū)未來30a太陽能增多趨勢無法達(dá)到顯著性水平。

5 總結(jié)

綜上所述，B2氣候情境下，遼寧農(nóng)業(yè)輻射資源呈現(xiàn)不顯著的增多趨勢，且2031—2040年達(dá)到高峰。而≥10℃積溫則呈現(xiàn)出突出的增多趨勢，區(qū)域增長幅度在100.0℃·a-1·10a-1及以上，熱量資源增多也標(biāo)志著無霜期延長。與此同時(shí)，農(nóng)作物生長季節(jié)降水呈現(xiàn)減少趨勢，與輻射資源變化也出現(xiàn)了相反位相的變化，具體表現(xiàn)為從西部向東部減少幅度逐次增加。而遼東多數(shù)地區(qū)，減少幅度達(dá)到了20mm·10a-1及以上。依據(jù)上述演變特征，遼寧省農(nóng)業(yè)技術(shù)人員可以進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，優(yōu)選耐旱作物，以便更好的應(yīng)對區(qū)域氣候變化。

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（責(zé)任編輯 李媛媛）

收稿日期：2020-10-27

作者簡介：蔣林杉（1992-），女，本科，助理工程師。研究方向：天氣學(xué)。