1961-2019年青海湖南部共和縣無霜凍期光熱資源的變化特征

孔祥萍， 蘇 璇， 張曉云*， 聶 宇， 楊玉平， 李文輝， 聶永喜

(1.青海省海南州氣象局， 青海 共和 813299； 2.青海省貴德縣氣象局， 青海 貴德 811700； 3.青海省海北州氣象局， 青海 西海 810299； 4.青海省共和縣氣象局， 青海 共和 813099； 5.青海省貴南縣氣象局， 青海 貴南 813199)

引言

【研究意義】近年來，全球氣候變化已經(jīng)引起了社會各界的關(guān)注，主要集中在氣候變化對生態(tài)與環(huán)境的影響[1-6]和改變農(nóng)業(yè)氣候資源，尤其是熱量資源的時空分布[7-11]等方面。氣候變暖對各地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、農(nóng)事活動以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均產(chǎn)生一定的影響[12-15]。全年上半年日最低氣溫≤0℃終日至下半年日最低氣溫≤0℃初日的天數(shù)稱為無霜凍期，該時期正是作物、牧草和多年生果木的生長期，期間的日平均氣溫、≥0℃積溫和光照時數(shù)是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)重要的熱量指標(biāo)。共和縣隸屬青海省海南藏族自治州，地處青藏高原東北角，平均海拔3 200 m，全縣有可利用草場125.08萬hm2，擁有耕地資源3.13萬hm2，農(nóng)作物總播種面積達(dá)2.96萬hm2，其中糧食作物播種面積1.70萬hm2，油料作物播種面積0.91萬hm2。弄清青海湖南部共和縣無霜凍期光熱資源的變化特征對生產(chǎn)指導(dǎo)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】葉殿秀等[16]研究報道了1961-2017年我國霜凍變化特征。張霞等[17]研究報道了山西北部初終霜日特征及其對農(nóng)業(yè)的影響。楊榮珍等[18]對石家莊市霜凍期的氣候異常特征進行了分析。陳芳等[19]研究報道了青海省近45年霜凍變化特征及其對主要作物的影響。嚴(yán)應(yīng)存等[20]研究報道了1961-2010年青海省霜凍災(zāi)害變化特征及風(fēng)險區(qū)劃。李元華等[21]對河北省近50年農(nóng)業(yè)界限溫度變化特征進行了分析。杜軍等[22]研究報道了西藏高原農(nóng)業(yè)界限溫度的變化特征。龔強等[23]研究分析了氣候變化背景下遼寧省氣候資源的變化特征。郭良才等[24]研究分析了河西走廊干旱區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征。雖然有關(guān)霜凍災(zāi)害及作物生長季熱量資源變化的研究已有諸多報道，但鮮見關(guān)于無霜凍期光熱資源的研究報道。【研究切入點】為此，選擇1961-2019年青海湖南部共和縣無霜凍期氣溫、積溫和日照時數(shù)資料，探究其無霜凍期光熱資源的變化特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探明青海湖南部共和縣無霜凍期光熱資源的變化特征，旨在深入了解該地區(qū)無霜凍期光熱資源的變化規(guī)律，以期為青海湖南部共和縣及類似地區(qū)光熱資源的合理利用與生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 氣象資料

1961-2019年逐日平均氣溫和逐日最低氣溫，來源于青海湖南部共和縣氣象局觀測站。并利其計算日最低氣溫≤0℃初、終霜凍日及無霜凍期日數(shù)，利用無霜凍期間逐日平均氣溫統(tǒng)計無霜凍期間的平均氣溫、≥0℃積溫和日照時數(shù)值，以1981-2010年的平均值作為氣候值。

1.2 方法

1.2.1 無霜凍期氣象要素時間序列分析 采用線性回歸方法[25]對青海湖南部共和縣無霜凍期氣象要素時間序列進行線性趨勢分析，線性回歸方程為w=α1t+α0，線性回歸方程中的系數(shù)α1和α0可用最小二乘法確定；回歸方程的一階系數(shù)α1乘以10為該要素的氣候傾向率(℃/10a)，回歸方程的相關(guān)系數(shù)(r)作為方程模擬效果顯著性程度的判定依據(jù)。

1.2.2 氣象要素的異常年 無霜凍期平均氣溫、積溫和日照時數(shù)的異常年，參照文獻[26]的方法，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差方法進行分析。

1.2.3 氣象要素的突變時間 無霜凍期平均氣溫、積溫、日照時數(shù)等氣象要素的突變時間，參照文獻[27]的方法，采用累積距平法確定。先繪制累積距平曲線，根據(jù)累積距平曲線找出可能發(fā)生突變的年份，并采用t檢驗方法對其突變進行檢驗，對通過α=0.05信度的年份確定為突變點。

1.2.4 氣象要素的動態(tài)穩(wěn)定性 參照文獻[28]的方法，利用變異系數(shù)反映各氣象要素的動態(tài)穩(wěn)定程度。變異系數(shù)越大，說明波動性越強，即穩(wěn)定性越差。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和DPS 7.05對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 無霜凍期平均氣溫及其累積距平的變化

從圖1看出，1961—2019年青海湖南部共和縣無霜凍期平均氣溫及其累積距平的變化。

圖1 青海湖南部共和縣無霜凍期平均氣溫及累積距平的變化趨勢

2.1.1 無霜凍期平均氣溫 近59年共和縣無霜凍期平均氣溫為13.6℃，其中，1998年和2013年為平均氣溫最高的年份，均為15.0℃；1964年平均氣溫最低，為12.1℃，其極差為2.9℃。標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.71℃，變異系數(shù)為5.1%。各年份無霜凍期平均氣溫為12.9～14.3℃，59年中無霜凍期平均氣溫偏高和偏低的均有9 a，其中，偏高年份均出現(xiàn)在1977年以后，無異常偏高年份；偏低年份均出現(xiàn)在1993年以前，僅1964年出現(xiàn)異常偏低。1961-2019年無霜凍期平均氣溫總體呈波動式升高趨勢，氣候傾向率為0.16℃/10a，線性相關(guān)系數(shù)為0.379，達(dá)極顯著水平(P<0.01)，無霜凍期氣溫平均每10年升高約0.2℃，59年無霜凍期增溫0.9℃。在無霜凍期平均氣溫的年代際變化中，20世紀(jì)60年代和80年代最低，均為13.3℃，20世紀(jì)90年代(與59年平均值持平)為13.6℃，20世紀(jì)80年代、21世紀(jì)00年代和2011-2019年代分別為13.7℃、14.0℃和14.1℃，高于多年平均值，呈快速升高趨勢。

2.1.2 累積距平 1993年累積距平絕對值出現(xiàn)最大值，是氣溫由低至高的轉(zhuǎn)折點，由此假設(shè)1993年存在氣候突變。經(jīng)對1961-1993年和1994-2019年無霜凍期平均氣溫的變化進行t檢驗，|t0|=3.455>tα=0.001，通過α=0.001的信度水平檢驗，突變較為顯著，假設(shè)成立。說明從1993年開始無霜凍期平均氣溫突變性升高，突變前的1961—1993年無霜凍期平均氣溫為13.4℃，突變后的1994—2019年平均氣溫為14.0℃，升高0.6℃。

2.2 ≥0℃積溫及其累積距平的變化

從圖2可知，1961-2019年青海湖南部共和縣無霜凍期≥0℃積溫及其累積距平的變化。

2.2.1 ≥0℃積溫 近59年無霜凍期≥0℃的積溫平均為1 949.1℃·d,其中，2000年最高，為2 305.5℃·d；1970年最低，為1 288.9℃·d；極差達(dá)1 016.6℃·d，最高年較最低年偏高78.9%；標(biāo)準(zhǔn)偏差為±259.1℃·d，變異系數(shù)為14.0%。各年份≥0℃積溫平均為1 690.0～2 208.2℃·d，59年中無霜凍期≥0℃積溫偏高的有5 a，均出現(xiàn)在2000年之后，概率為8.5%。偏低的有20 a，均出現(xiàn)在1990年之前，概率為33.9%；積溫異常偏少的有3 a，分別出現(xiàn)在1962年、1969年和1970年，概率僅5.1%。1961-2019年無霜凍期≥0℃積溫總體呈波動式增高趨勢，氣候傾向率為123.8℃·d/10a，線性相關(guān)系數(shù)為0.821，達(dá)極顯著水平(P<0.001)，無霜凍期≥0℃積溫平均每10年升高123.8℃·d，近59年無霜凍期≥0℃積溫增加730.4℃·d。在無霜凍期≥0℃積溫的年代際變化中，20世紀(jì)60年代、70年代和80年代分別為1 513.8℃·d、1 683.1℃·d和1 753.9℃·d，低于多年平均值。20世紀(jì)90年代開始較多年平均值偏高，以2011—2019年代偏高最多，達(dá)151.6℃·d。

2.2.2 累積距平 1990年累積距平絕對值出現(xiàn)最大值，是≥0℃積溫由低至高的轉(zhuǎn)折點，由此假設(shè)1990年存在氣候突變。經(jīng)對1961—1990年和1991-2019年無霜凍期≥0℃積溫的變化進行t檢驗，|t0|=10.219>tα=0.001，通過α=0.001的信度水平檢驗，突變較為顯著，假設(shè)成立。說明從1990年開始無霜凍期≥0℃積溫突變性增多，突變前的1961-1990年無霜凍期的平均積溫為1 650.2℃·d，突變后的1991—2019年的平均積溫為2 063.5℃·d，增加413.3℃·d。與劉義花等[10,29]的研究結(jié)果一致。

2.3 日照時數(shù)及其累積距平的變化

從圖3看出，1961-2019年青海湖南部共和縣無霜凍期日照時數(shù)及其累積距平的變化。

圖3 青海湖南部共和縣無霜凍期日照時數(shù)及累積距平的變化趨勢

2.3.1 日照時數(shù) 近59年無霜凍期日照時數(shù)平均為1 133.9 h，其中，2000年最多，為1 392.8 h；1970年最少，為761.8 h；極差達(dá)631.0 h，最多年較最少年偏多82.8%；標(biāo)準(zhǔn)偏差為±144.0 h，變異系數(shù)為13.4%。各年份日照時數(shù)平均為989.9～1 277.9 h，59年中日照時數(shù)偏多的有4 a，分別出現(xiàn)在1992年、1996年、2000年和2012年，概率僅6.8%。日照時數(shù)偏少的有16 a，均出現(xiàn)在1990年之前，概率為27.1%；日照時數(shù)異常偏少的有3 a，分別出現(xiàn)在1961年、1963年和1970年，概率僅5.1%。1961-2019年無霜凍期日照時數(shù)總體呈波動式增多趨勢，氣候傾向率為47.6 h/10a，線性相關(guān)系數(shù)為0.568，達(dá)極顯著水平(P<0.001)，無霜凍期日照時數(shù)平均每10年增多47.6 h，近59年無霜凍期日照時數(shù)增加281.1 h。在無霜凍期日照時數(shù)的年代際變化中，20世紀(jì)60年代、70年代、80年代和2011-2019年代較平均值偏少，其中以20世紀(jì)60年代日照時數(shù)偏少最多，達(dá)200.3 h。20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代屬偏多期，較多年平均值分別偏多75.3 h和31.7 h。

2.3.2 累積距平 1990年無霜凍期日照時數(shù)累積距平絕對值出現(xiàn)最大值，是無霜凍期日照時數(shù)由少至多的轉(zhuǎn)折點，由此假設(shè)1990年存在氣候突變。經(jīng)對1961-1990年和1991-2019年無霜凍期日照時數(shù)的變化進行t檢驗，|t0|=6.673>tα=0.001，通過α=0.001的信度水平檢驗，突變較為顯著，假設(shè)成立。說明從1990年開始無霜凍期日照時數(shù)突變性增多，突變前的1961—1990年無霜凍期日照時數(shù)平均為980.5 h，突變后的1991-2019年平均為1 169.6 h，增多189.1 h。

3 討論

喻朝慶等[30]研究表明，溫度升高將導(dǎo)致高原小麥生育期延長，增加小麥的干物質(zhì)產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。劉彩虹等[31]報道，溫度上升加快春小麥的生理發(fā)育速度，營養(yǎng)生長階段提前，全生育期延長，發(fā)育期縮短。同時，氣溫升高使得作物蒸騰與地表面蒸發(fā)量加大和加快，導(dǎo)致水資源短缺，造成作物水分供應(yīng)不足，發(fā)生階段性干旱[32-33]，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進一步惡化。劉彩虹等[31]研究認(rèn)為，熱量資源不穩(wěn)定的極顯著增加，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)作物生長存在一定的影響。積溫增加可提早春播作物的播種期，并一定程序上緩解低溫冷害對其產(chǎn)生的不良影響。光熱資源的增多對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也將造成不利影響，如作物病蟲害的繁殖世代數(shù)增加，作物需水量增多，農(nóng)業(yè)干旱趨于嚴(yán)重等[34-35]。研究結(jié)果表明，1961-2019年青海湖南部共和縣無霜凍期平均氣溫、≥0℃積溫和日照時數(shù)總體呈波動式升高或增多趨勢，其氣候傾向率分別為0.16℃/10a、123.8℃·d/10a和47.6 h/10a，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.379、0.821和0.568(P<0.001)，平均每10年分別升高或增多0.2℃、123.8℃·d和47.6 h，59年分別升高或增多0.9℃、730.4℃·d和281.1 h，分別于1993年、1990年和1990年發(fā)生由低到高或由少到多的顯著突變。研究結(jié)果可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1961—2019年無霜凍期平均氣溫呈極顯著升溫趨勢，平均每10年升高0.16℃，近59年平均氣溫升高0.9℃。偏高的有9 a，無異常偏高年份；偏低的有9 a，僅1964年出現(xiàn)異常偏低。無霜凍期平均氣溫在1993年發(fā)生突變性升高，突變后較突變前平均氣溫升高0.6℃。1961—2019年無霜凍期≥0℃積溫呈極顯著增高趨勢，平均每10年增高123.8℃·d，近59年增加730.4℃·d，積溫偏多的有5 a，積溫偏少的有20 a，異常偏少有3 a。無霜凍期≥0℃積溫在1990年發(fā)生突變性增多，突變之后較突變之前平均值增多413.3℃·d?！?℃積溫的變異系數(shù)為14.0%。1961—2019年無霜凍期日照時數(shù)呈極顯著波動增多的趨勢，平均每10年增多47.6 h，近59年增加281.1 h，日照時數(shù)偏多的有4 a，出現(xiàn)在1992年之后；日照時數(shù)偏少的有16 a，均出現(xiàn)在1990年之前，異常偏少的有3 a，出現(xiàn)在1970年之前。無霜凍期日照時數(shù)在1990年發(fā)生突變性增多，突變之后較突變之前平均值增多189.1 h。光熱資源增加可延長農(nóng)作物的生育期，但氣溫升高也將加大蒸騰指數(shù)，造成作物干旱。