近59 年三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力估算及趨勢分析

許學蓮，高三星保，許清霞，何愛兵，李存蓮，祁棟林，王發(fā)科

（1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省海西州氣象局，青海 德令哈 817099；3.青海省氣象科學研究所，西寧 810001）

全球氣候變暖對生態(tài)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠的影響，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告指出，當前氣溫處于較高階段，全球幾乎所有地區(qū)均呈現(xiàn)變暖趨勢，1880—2012 年全球平均氣溫升高了0.85 ℃，中國陸地區(qū)域氣溫平均升高0.9～1.5 ℃；氣候變暖不僅會影響氣溫、輻射、降水等要素的時空分布，而且會改變農(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［1］。有研究表明，全球氣候變暖會導致中高緯度區(qū)域植物開花提前以及生長期延長等現(xiàn)象［2］。

氣候生產(chǎn)潛力是評價農(nóng)業(yè)氣候資源的依據(jù)之一，其大小取決于光、溫、水三要素相互配合協(xié)調(diào)的程度。氣候生產(chǎn)潛力的定量估算以及對未來氣候變化的響應，對合理利用氣候資源、充分發(fā)揮氣候生產(chǎn)潛力、指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有重要現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學者對氣候生產(chǎn)力進行了大量研究，封珊等［3］研究了全球氣候變化及其對人類社會經(jīng)濟影響；郭佩佩等［4］對1960—2011 年三江源地區(qū)氣候變化及其對氣候生產(chǎn)力的影響進行研究，三江源地區(qū)52 年的氣候生產(chǎn)力略有差異，但總體隨年代發(fā)展而呈增加趨勢，進入21 世紀后增加顯著；金志鳳等［5］采用線性趨勢分析方法研究了茶葉的光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力及其時空變化特征；羅永忠等［6］采用 Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型對甘肅氣候生產(chǎn)潛力進行分析；張娟等［7］采用Miami模型和Thornthwaite Memorial 模型計算寧夏草地生產(chǎn)潛力，分析其時空變化；王發(fā)科等［8］分析柴達木盆地氣候生產(chǎn)潛力變化及其敏感性。

本研究基于Miami 模型、Thornthwaite Memorial模型，分析了三江源區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的時空變化特征，氣候生產(chǎn)潛力隨氣候變化的規(guī)律，有助于合理開發(fā)氣候資源，充分發(fā)揮氣候生產(chǎn)潛力，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局、作物種植類型、品種的選優(yōu)、種植模式及耕作制度等提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源地區(qū)位于中國青海省南部，在世界屋脊青藏高原腹地，位于 31°39′—36°12′N，89°45′—102°23′E，平均海拔 4 500 m，行政區(qū)域涉及或包括玉樹、果洛、海南、黃南4 個藏族自治州的16 個縣和格爾木市代管的唐古拉山鎮(zhèn)。全區(qū)域總?cè)丝?6.8 萬人，總面積35.66 萬km2，其中，長江源區(qū)面積15.41萬km2，黃河源區(qū)面積9.83 萬km2，瀾滄江源區(qū)面積3.68 萬km2，其他內(nèi)陸河流域的面積6.74 萬km（2圖1）。青海三江源地區(qū)氣候為典型的高原大陸性氣候，表現(xiàn)為冷熱兩季交替、干濕兩季分明、年溫差小、日照時間長、輻射強烈、無四季區(qū)分的氣候特征。年平均氣溫在-5.38～4.14 ℃，年平均降水量262.2～772.8 mm，年平均蒸發(fā)量為730～1 700 mm。

圖1 青海省三江源地區(qū)源區(qū)分區(qū)及氣象站點分布

三江源區(qū)13 個氣象站點1961—2019 年月平均氣溫和降水資料來源于青海省氣象信息中心。站點選取考慮了時間序列的連續(xù)性、完整性、地域的代表性和空間分布情況等因素。

1.2 氣候生產(chǎn)潛力模型

Miami模型：

式（1）（2）中，t為年平均溫度（℃）；r為年降水量（mm）；e=2.718 3；Yt、Yr分別為由年平均溫度、年降水量決定的生產(chǎn)潛力（kg/hm2）。

Thornthwaite Memorial 模型：

式（3）-（5）中，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）。

1.3 分析方法

用線性氣候趨勢法、Mann-Kendall 突變檢驗、滑動t檢驗［9］分析氣象要素的變化趨勢、顯著性、氣候突變等特征；用ArcGIS 反距離權(quán)重插值（IDW）方法［10］對三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)進行空間特征分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均溫度和降水量年際變化特征

三江源地區(qū)平均溫度和降水量年際變化特征見圖2，從圖2a 可見1961-2019 年三江源地區(qū)平均溫度呈增加趨勢，增加速率為0.37 ℃/10 年，平均溫度在-2.1～0.7 ℃，多年平均溫度為-0.7 ℃，最大值出現(xiàn)在2016 年（0.7 ℃），最小值出現(xiàn)在1965 年（-2.1 ℃）。3 個源區(qū)平均溫度均呈增加趨勢，增加速率分別為0.36、0.38 和 0.39 ℃/10 年。從平均溫度累積距平變化來看，1997 年之前為下降趨勢，氣候?qū)儆谄淦冢?997 年之后為上升趨勢，氣候?qū)儆谄凇? 點滑動曲線呈波動上升趨勢。易湘生等［11］研究指出，全球氣候變暖背景下，青藏高原不同地區(qū)海拔高度和下墊面的差異是導致青海三江源地區(qū)增溫幅度較大的主要原因。

分析圖2b 降水量變化趨勢可知，1961—2019 年三江源地區(qū)降水量呈增加趨勢，增加速率為10.31 mm/10 年，多年平均降水量為470.7 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。三個源區(qū)降水量均呈增加趨勢，增加速率分別為 11.71、10.28 和 6.92 mm/10 年。從降水量累積距平變化來看，2002 年之前為下降趨勢，屬于降水偏少期，2002 年之后為上升趨勢，屬于降水偏多期。9 點滑動曲線分為3 個階段，1961—1990 年為波動上升階段，1991—2000 年為波動下階段，2001—2019 年為顯著上升階段。

圖2 平均溫度和降水量年際變化特征

綜合來看，59 年來年平均溫度和年降水量的變化與郭佩佩等［4］研究的結(jié)論基本一致，三江源地區(qū)年平均氣溫整體呈明顯升高趨勢；2000 年以后降水開始呈增加趨勢，且速率較大。

2.2 氣候生產(chǎn)潛力年際變化

基于 Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型計算溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力結(jié)果變化特征如圖3。從圖3a 可見，1961—2019 年三江源地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，增加速率為21.21 kg（/hm2·10 年），多年平均生產(chǎn)潛力為609.3 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在 2016 年，為 695.3 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在1963 年，為536.3 kg/hm2。溫度生產(chǎn)潛力累計距平曲線顯示，1961—1997 年呈下降趨勢，為偏低期，1998—2019 年呈上升趨勢，為偏高期。9 點滑動曲線分為三個階段，1961—1980 年呈上升階段，1981—1985 年呈下降階段，1986—2019 年呈現(xiàn)快速上升階段。從年代際距平變化得出（表1），1961—2000 年為負距平，屬溫度生產(chǎn)潛力偏低期，但總體呈增加趨勢；2001—2019 年為正距平，屬溫度生產(chǎn)潛力偏高期，其中1991—2010 年增加明顯，為49.5 kg/hm2。三個源區(qū)溫度生產(chǎn)潛力均呈增加趨勢，增加速率分別為18.03、21.86 和27.18 kg/（hm2·10 年）。

表1 三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力年代際距平

從圖3b 可見，三江源地區(qū)降水生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，增加速率為15.45 kg（/hm2·10 年），多年平均生產(chǎn)潛力為795.4 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在2018 年，為963.6 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在1969年，為690.7 kg/hm2。降水生產(chǎn)潛力累計距平曲線顯示，1961—2002 年呈下降趨勢，為偏低期，2003—2019 年呈上升趨勢，為偏高期。9 點滑動曲線分為四個階段，1961—1990年呈上升階段，1991—2000 年呈下降階段，2001—2010 年呈上升階段，然后略呈下降階段。從年代際距平變化，1961—1980 年為負距平，屬溫度生產(chǎn)潛力偏低期，但略呈增加趨勢；1981—1990 年為正距平；1991—2000 年為負距平；2001—2019 年為正距平，屬溫度生產(chǎn)潛力偏高期，其中1991—2010 年增加明顯，為58.9 kg/hm2。三個源區(qū)降水生產(chǎn)潛力均呈增加趨勢，增加速率分別為17.88、15.36 和9.61 kg（/hm2·10 年）。

從圖3c 可見，三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，增加速率為18.67 kg（/hm2·10 年），多年平均生產(chǎn)潛力為567.4 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在2018 年，為651.4 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在1997年，為500.6 kg/hm2。氣候生產(chǎn)潛力累計距平曲線顯示，1961—1997 年呈下降趨勢，為偏低期，1998—2019 年呈上升趨勢，為偏高期。9 點滑動曲線呈波動上升。從年代際距平變化，1961—2000 年為負距平，屬溫度生產(chǎn)潛力偏低期，但總體呈增加趨勢；2001—2019 年為正距平，屬溫度生產(chǎn)潛力偏高期，其中1991—2020 年增加明顯，為47.7 kg/hm2。三個源區(qū)降水生產(chǎn)潛力均呈增加趨勢，增加速率分別為19.10、19.20 和16.01 kg/（hm2·10 年）。這與青海省氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢一致［12］，氣侯暖濕化均有利于區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的提升［13］。

2.3 氣候生產(chǎn)潛力突變檢驗

利用Mann-Kendall 檢驗法檢驗三江源地區(qū)的溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力突變情況，見圖4。溫度生產(chǎn)潛力突變結(jié)果顯示，1961-2019 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1998 年，用滑動t檢驗對溫度生產(chǎn)潛力突變點前后不同時段（n=14、10、5）進行檢驗，當n=10 時，滑動t檢驗結(jié)果顯示|t0|＞t0.01，溫度生產(chǎn)潛力在1998 年發(fā)生突變是可信的。

降水生產(chǎn)潛力突變檢驗表明，1961—2006 年UF統(tǒng)計量在0 附近上下波動，2007—2019 年呈緩慢上升趨勢，1961—2019 年在信度線內(nèi)有多個交點，用滑動t檢驗對降水生產(chǎn)潛力突變點前后不同時段（n=14、10、5）進行檢驗，當n=10 時，滑動t檢驗結(jié)果顯示|t0|＞t0.01，降水生產(chǎn)潛力在2002 年發(fā)生突變是可信的。

氣候生產(chǎn)潛力突變趨勢與溫度生產(chǎn)潛力突變趨勢基本一致，1961—2019 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）進行檢驗，當n=10 時，滑動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。這與貴州省氣候生產(chǎn)潛力突變有很大差異［14］，59 年僅溫度生產(chǎn)潛力在2001 年發(fā)生突變，降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力均沒有發(fā)生突變。

2.4 年平均溫度和降水量空間分布特征

三江源地區(qū)平均溫度和降水量的空間分布見圖5。1961—2019 年三江源地區(qū)年平均溫度（圖5a）均在-5.1～4.5 ℃，空間分布呈現(xiàn)出東南部偏高，西北部偏低，由東往西逐漸遞減的趨勢。高值中心出現(xiàn)在囊謙縣，西北部大部分地區(qū)處于低值區(qū)。年降水量空間分布（圖5b）與年平均溫度分布基本一致，也呈現(xiàn)出東南部偏高，西北部偏低，由東往西逐漸遞減的趨勢。高值中心出現(xiàn)在久治，低值區(qū)出現(xiàn)在西北大部分地區(qū)，年降水量在295.8～751.0 mm，極低極高值出現(xiàn)在沱沱河和久治，這與大多數(shù)學者研究的結(jié)果一致［15-18］。

圖5 三江源地區(qū)平均溫度（a）和年降水量（b）空間分布

2.5 氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征

圖6 為1961—2019 年三江源地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力及氣候傾向率的空間插值分布結(jié)果，從溫度生產(chǎn)潛力（圖6a）可見，三江源地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力在383.7～941.0 kg/hm2，溫度生產(chǎn)潛力空間分布上與年平均氣溫基本一致，呈現(xiàn)出東南部偏高，西北部偏低，由東往西逐漸遞減的趨勢。高值中心出現(xiàn)在囊謙，西北部大部分地區(qū)處于低值區(qū)。從溫度生產(chǎn)潛力氣候傾向率（圖6b）可見，三江源地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力均呈增加趨勢，東部地區(qū)增加速率明顯高于西部地區(qū)，其中囊謙增加速率最快，五道梁、沱沱河和清水河增加速率最慢。

降水生產(chǎn)潛力（圖6c）空間分布表明，三江源地區(qū)降水生產(chǎn)潛力在532.4～1 173.8 kg/hm2，降水生產(chǎn)潛力與溫度生產(chǎn)潛力空間分布趨勢基本一致，呈現(xiàn)出東南部偏高，西北部偏低，由東往西逐漸遞減的趨勢。高值中心出現(xiàn)在久治，有3 個低值中心，分別出現(xiàn)在西部的伍道梁、沱沱河和東部的瑪多地區(qū)。從降水生產(chǎn)潛力氣候傾向率（圖6d）空間分布來看，三江源地區(qū)降水生產(chǎn)潛力除久治以1.51 kg/（hm2·10年）的速率呈減少趨勢外，其余呈增加趨勢，西北部地區(qū)增加速率明顯高于東南部地區(qū)，出現(xiàn)1 個高值中心（五道梁），4 個低值中心（雜多、玉樹、瑪沁、久治）。

圖6 三江源地區(qū)生產(chǎn)潛力空間分布

三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力（圖6e）在341.0～783.7 kg/hm2，總體分布呈現(xiàn)為東南部偏高，西部偏低，由東往西逐漸遞減的趨勢，東部的久治和南部的囊謙為三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力高值中心，在651.8～783.7 kg/hm2，東部的瑪多、清水河和西部的五道梁、沱沱河為氣候生產(chǎn)潛力低值中心，在341.0～426.1 kg/hm2。從氣候生產(chǎn)潛力氣候傾向率（圖6f）空間分布來看，三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力均呈增加趨勢，西北部地區(qū)增加速率明顯高于南部地區(qū)，出現(xiàn)多個高值中心（五道梁、瑪多、清水河、澤庫），在20.74～23.83 kg（/hm2·10 年），一個低值中心（玉樹），為10.25 kg/（hm2·10 年）。三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的空間分布特征與青藏高原青稞氣候生產(chǎn)潛力空間分布一致，由東南向西北遞減的趨勢［19］。

2.6 氣候生產(chǎn)潛力相關(guān)性分析

氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度和年降水量的相關(guān)性（圖7）表明，三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度和年降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.924（a=0.01）和0.918（a=0.01），表明年平均溫度和年降水量與氣候生產(chǎn)潛力存在正相關(guān)關(guān)系，兩者都是三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的主要影響因子。三個源區(qū)年平均溫度和年降水量與氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)系數(shù)分別為0.902 和 0.640、0.903 和 0.668、0.773 和 0.723，并通過了（a=0.01）顯著性檢驗。

圖7 氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度和降水量的相關(guān)性

利用SPSS 建立三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力與年平均溫度和年降水量線性回歸模型。

式（6）中，Ye為氣候生產(chǎn)潛力（kg/hm2）；T為年平均溫度（℃）；R為年降水量（mm）。從模型中可以看出，溫度每上升（下降）1 ℃時，降水量每遞增（遞減）1 mm，氣候生產(chǎn)潛力分別提高（減少）41.36，0.32 kg/hm2。

3 結(jié)論

利用1961—2019 年三江源地區(qū)13 個國家氣象站的溫度和降水資料，分析了溫度與降水的時空演變特征及估算了氣候生產(chǎn)潛力，得出如下結(jié)論。

1）近59 年來三江源地區(qū)平均溫度和降水量均呈增加趨勢，1997 年之前為氣候偏冷期，后為氣候偏暖期；2002 年之前屬于降水偏少期，后屬于降水偏多期。

2）三江源地區(qū)溫度生產(chǎn)潛力總體呈增加趨勢，1997 年之前為生產(chǎn)潛力偏低期，之后為生產(chǎn)潛力偏高期；降水生產(chǎn)潛力同樣呈增加趨勢，2002 年之前為生產(chǎn)潛力偏低期，之后為生產(chǎn)潛力偏高期，溫度的偏高（偏低）和降水的偏多（偏少）直接影響到生產(chǎn)潛力的偏高（偏低）。氣候生產(chǎn)潛力的變化趨勢及偏高（偏低）期與溫度變化趨勢一致。

3）用滑動t檢驗法驗證溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力突變年份為 1998、1998 和 2002 年。

4）平均溫度和降水量的空間分布特征均呈現(xiàn)出東南部偏高，西北部偏低，由東往西逐漸遞減的趨勢。溫度高值中心出現(xiàn)在囊謙縣，降水量高值中心出現(xiàn)在久治，低值中心均出現(xiàn)在西北部大部分地區(qū)。

5）氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征為東南部偏高，西北部偏低，由東往西逐漸遞減的趨勢。

東部的久治和南部的囊謙為三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力高值中心。

6）三江源地區(qū)年平均溫度和年降水量與氣候生產(chǎn)潛力存在正相關(guān)關(guān)系，兩者都是三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的主要影響因子。