三江源地區(qū)氣溫和降水變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響

許學(xué)蓮，李積芳，李金鳳，文生祥，李春暉

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省沱沱河氣象站，青海 格爾木 816004)

全球氣候變暖對生態(tài)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，IPCC第五次評估報告指出：當(dāng)前氣溫處于最高階段，全球幾乎所有地區(qū)均呈現(xiàn)變暖趨勢。氣候變暖會改變農(nóng)作物的生長條件，造成農(nóng)業(yè)氣候資源的時空差異，使農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)生年際變化并呈區(qū)域性不均勻分布，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響深遠(yuǎn)[1]。有研究表明，全球氣候變暖會導(dǎo)致中高緯區(qū)域植物開花提前以及生長期延長等現(xiàn)象[2]。

三江源地區(qū)位于我國青海省南部，平均海拔3 500～4 800 m，是世界屋脊—青藏高原的腹地，為典型的高原大陸性氣候，年溫差小、日溫差大、日照時間長、輻射強(qiáng)烈、無四季區(qū)分的氣候特征，是世界高海拔生物多樣性最集中的地區(qū)之一，開展氣候變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)意義重大。本文以三江源地區(qū)為研究區(qū)域，分析了該區(qū)域氣溫、降水量及氣候生產(chǎn)潛力的變化特征，探討氣溫、降水量變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響，以期為合理利用氣候資源、提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)潛力提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究選取1961～2020年興海、澤庫、雜多、曲麻萊、玉樹、瑪多、清水河、瑪沁、達(dá)日、久治、囊謙、五道梁、沱沱河13個氣象站點的氣溫、降水氣象數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

采用氣候傾向率、皮爾遜相關(guān)系數(shù)法等，分析氣象要素、氣候生產(chǎn)潛力等變化趨勢，相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用Excel2010實現(xiàn)。

1.2.1 Thornthwaite Memorial模型[3，4]該模型可反映氣象要素對生產(chǎn)潛力的綜合影響。計算方法如下：

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

(1)

(2)

L=300+25XT+0.05XT3

(3)

式(1)—(3)，R為年平均降水(mm)；L為年平均最大蒸散量(mm)，L是年平均溫度T的函數(shù)；Ye為蒸散量決定的生產(chǎn)潛力(kg/hm2)。

1.2.2 Mann-Kendall 突變檢驗 Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[5]，通過構(gòu)造正序列(UF)和逆序列(UB)，取α=0.05信度水平，依據(jù)正逆序列統(tǒng)計量曲線檢驗任意要素的變化趨勢。若UF>0，表示序列呈上升趨勢，UF<0表示下降趨勢。當(dāng)超過臨界值線時，表示上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB2個曲線相交，且交叉點位于信度區(qū)間之間，該點即為突變點。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫時空變化特征

由圖1(a)可知，三江源地區(qū)年平均氣溫呈升高趨勢，升溫率為0.37℃/10 a，通過0.01顯著檢驗，升溫幅度明顯。1961～1997年累積距平為下降趨勢，氣候?qū)儆谄淦冢?998～2020年為上升趨勢，氣候?qū)儆谄凇?點滑動曲線呈波動上升趨勢。分析表1得出，年平均氣溫20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代呈逐漸升高趨勢，20世紀(jì)60～90年代為負(fù)值，21世紀(jì)00～20年代為正值。21世紀(jì)以來較20世紀(jì)60年代年平均氣溫升高1.7℃，這與易湘生等[6]研究結(jié)論相符，青藏高原不同地區(qū)海拔高度和下墊面的差異是導(dǎo)致青海三江源地區(qū)增溫幅度較大的主要原因。

三江源地區(qū)各地年平均氣溫均呈升高趨勢，升溫傾向率為0.30～0.47℃/10 a，通過0.01顯著檢驗，升溫幅度明顯。其中，澤庫、久治、瑪多、曲麻萊升溫顯著，升溫率均大于0.40℃/10 a；其他地區(qū)升溫率為在0.30～0.39℃/10 a之間。

2.2 降水量時空變化特征

由圖1(b)可知，三江源地區(qū)年降水量呈略增加趨勢，氣候傾向率為11.06 mm/10 a，多年平均降水量為472.0 mm，最大值出現(xiàn)在2018年為589.1 mm，最小值出現(xiàn)在2002年為404.8 mm。從降水量累積距平變化來看，1961～2002年為下降趨勢，屬于降水偏少期，2003～2020年為上升趨勢，屬于降水偏多期。9點滑動曲線分為三個階段，1961～1990年為波動上升階段，1991～2000年為波動下階段，2001～2020年為顯著上升階段。60～80年代降水量呈波動略增加趨勢，90年代呈減少趨勢，21世紀(jì)以來增加較明顯，與20世紀(jì)60年代相比年降水量增加64.0 mm(表1)。

三江源地區(qū)各地降水量除久治呈減少趨勢外，其余各地均呈波動略增加趨勢，增加傾向率為3.94～21.99 mm/10 a。降水量變化率長江源區(qū)大于黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)，長江源區(qū)通過0.05的顯著性檢驗，其余未通過顯著性檢驗，說明降水量增加不明顯。

圖1 三江源地區(qū)年平均氣溫及年降水量變化

表1 三江源地區(qū)年平均氣溫、年降水量、氣候生產(chǎn)潛力年代際變化

2.3 氣候生產(chǎn)潛力時空變化特征

分析圖2得出，三江源地區(qū)年平均氣候生產(chǎn)潛力為568.4 g/m2·a，最高氣候生產(chǎn)潛力為651.4 g/m2·a(2018年)，最低氣候生產(chǎn)潛力為500.6 g/m2·a(1997年)。60年來平均氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，增加傾向率為19.10 g/m2·10 a，增加趨勢明顯，通過0.01顯著檢驗。氣候生產(chǎn)潛力20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代呈增加趨勢，21世紀(jì)以來較20世紀(jì)60年代相比年平均氣候生產(chǎn)潛力增加91.9 g/m2·a(表 1)。

三江源區(qū)氣候生產(chǎn)潛力地區(qū)間差異明顯，瀾滄江源區(qū)年平均氣候生產(chǎn)潛力最大(724.0 g/m2·a)，黃河源區(qū)次之(588.1 g/m2·a)，長江源區(qū)最小(482.6 g/m2·a)。60 a來各地氣候生產(chǎn)潛力均呈增加趨勢，黃河源區(qū)增加傾向率0.76 g/m2·10 a，長江源區(qū)增加傾向率0.73 g/m2·10 a，瀾滄江源區(qū)增加傾向率0.63 g/m2·10 a，通過0.01顯著檢驗。

圖2 三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化

2.4 氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗

對三江源地區(qū)年平均氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行m-k和滑動t檢驗分析，從圖3可以看出，1961～2020年UF統(tǒng)計量呈明顯上升趨勢，在1989年以后超過信度線，UF與UB相交于信度線外的2001～2002年，用滑動t檢驗對氣候生產(chǎn)潛力突變點前后不同時段(n=14、10、5)進(jìn)行檢驗，當(dāng)n=10時，滑t檢驗結(jié)果顯示|t0|>t0.01，氣候生產(chǎn)潛力在2001～2002年發(fā)生突變是可信的。

圖3 三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗

2.5 氣候生產(chǎn)潛力對氣溫和降水的響應(yīng)

由圖4可知，三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與氣溫、降水量均成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)氣溫升高1℃時，氣候生產(chǎn)潛力增加48.1 g/m2；當(dāng)降水增10 mm時，氣候生產(chǎn)潛力增加5.0 g/m2。氣候生產(chǎn)潛力與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.92，與年降水量的相關(guān)系數(shù)為0.65，均通過0.01顯著檢驗。表明氣溫、降水對氣候生產(chǎn)潛力均有正影響，氣溫升高、降水量增加有利于氣候生產(chǎn)潛力提高，氣溫對氣候生產(chǎn)潛力影響較降水量更顯著。

3 結(jié)論

(1)三江源地區(qū)及各地年平均氣溫均呈升高趨勢，升溫傾向率為0.30～0.47℃/10 a，通過0.01顯著檢驗，升溫明顯。

(2)三江源地區(qū)及各地降水量除久治呈減少趨勢外，其余各地均呈波動略增加趨勢，增加傾向率為3.94～21.99 mm/10 a。降水量變化率長江源區(qū)大于黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)，長江源區(qū)通過0.05的顯著性檢驗，其余未通過顯著性檢驗，說明降水量增加不明顯。

(3)三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，增加傾向率為19.10 g/m2·10 a，通過0.01顯著檢驗。瀾滄江源區(qū)年平均氣候生產(chǎn)潛力最大，黃河源區(qū)次之，長江源區(qū)最小。

(4)三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與氣溫、降水量均成正相關(guān)關(guān)系。