近60年隴東地區(qū)極端氣溫變化特征及對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

車(chē)向軍，張?zhí)旆?，?chē) 可，張紅妮

（慶陽(yáng)市氣象局，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

在全球氣候變暖的背景下，溫度升高造成的高溫干旱、強(qiáng)寒潮及暴洪等極端災(zāi)害事件發(fā)生頻率和發(fā)生強(qiáng)度呈加劇發(fā)展的變化趨勢(shì)［1］。極端天氣氣候事件預(yù)測(cè)難度大，且具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響到區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生產(chǎn)生活安全及脫貧成效的鞏固等，對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展造成重大影響［2］。IPCC評(píng)估報(bào)告指出［3］，從1880—2012年全球平均氣溫上升了0.85 ℃，1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率更為顯著，氣候變化和天氣變暖的速度與幅度空前加劇。據(jù)世界氣象組織報(bào)告［4］，21世紀(jì)初，因極端天氣和氣候事件造成全球超過(guò)37萬(wàn)人死亡。極端高溫天氣的出現(xiàn)頻率和強(qiáng)度有所增強(qiáng)，極端低溫天氣出現(xiàn)的頻率有所下降但造成的影響和災(zāi)害損失不斷加重［5］。因此，極端氣溫的變化已成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，并取得了一定的研究成果。楊陽(yáng)等［6］研究表明，全國(guó)范圍內(nèi)4個(gè)極端高溫指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，尤其在2000年以后極端高溫指數(shù)的變化率增大，一些高緯度、高海拔地區(qū)比低緯度、低海拔地區(qū)更“暖”。王岱等［7］研究發(fā)現(xiàn)，極端氣溫變化率在東北地區(qū)波動(dòng)范圍最大，而在西南地區(qū)波動(dòng)范圍最小，夜間極端氣溫指數(shù)變化幅度最大，且極端氣溫指數(shù)均與平均氣溫呈顯著相關(guān)，其中閾值指數(shù)與平均氣溫的相關(guān)性最好。申紅艷等［8］利用青海省37個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2011年近51年的氣溫資料分析得出，青海省極端氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，極端冷指標(biāo)的減少幅度高于極端暖指標(biāo)的增加幅度，在氣候變暖突變前后極端氣溫指數(shù)表現(xiàn)出明顯差異。

隴東地處中國(guó)西北地區(qū)、甘肅省東部，屬半濕潤(rùn)半干旱氣候區(qū)，地形復(fù)雜，境內(nèi)高山、河谷、丘陵、平原交錯(cuò)，氣候垂直分布，地域差異明顯。隨著全球氣候的變暖，該地區(qū)氣候亦發(fā)生相應(yīng)變化，氣溫明顯升高，極端高溫事件頻繁發(fā)生，農(nóng)業(yè)遭受晚霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)加大，降水量變率大且呈減少趨勢(shì)，春旱頻發(fā)［9］。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，自然條件惡劣，極端氣溫的變化必然對(duì)該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、糧食安全及鞏固脫貧成效產(chǎn)生重大影響。本文采用世界氣象組織（WMO）推薦使用的極端氣溫指數(shù)進(jìn)行分析研究，揭示隴東地區(qū)極端氣溫的變化特征及演變趨勢(shì)，提高區(qū)域?qū)O端氣候事件的預(yù)估，為強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控及調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

隴東地區(qū)以慶陽(yáng)市為主，所轄7縣1區(qū)。本研究選取環(huán)縣、慶城、西峰3 個(gè)有代表性的縣（區(qū)）1961—2020 年近60年的氣溫資料進(jìn)行分析。環(huán)縣代表慶陽(yáng)市北部山區(qū)；慶城縣代表慶陽(yáng)市中部川道丘陵地區(qū)；西峰區(qū)代表慶陽(yáng)市南部塬區(qū)。數(shù)據(jù)資料分別來(lái)源于環(huán)縣國(guó)家基本氣象站、慶城縣國(guó)家一般氣候站、西峰國(guó)家基本氣象站。

1.2 極端氣溫指數(shù)的選取

本研究在氣候變化檢測(cè)與極端事件指數(shù)專家組定義的極端氣候指數(shù)中［10］，選取12個(gè)極端氣溫指數(shù)進(jìn)行研究（表1），分析隴東地區(qū)極端氣溫的時(shí)空演變特征。這些極端高溫指數(shù)能展現(xiàn)極端氣候不同層面的變化，被證明具有噪聲低、顯著性強(qiáng)的特點(diǎn)［8］，有助于全面、客觀、科學(xué)地認(rèn)識(shí)全球陸地極端氣候的變化規(guī)律和原因［11］。

表1 極端氣溫指數(shù)定義

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫指數(shù)的變化特征

根據(jù)慶陽(yáng)市1961—2020年極端氣溫指數(shù)及變化趨勢(shì)分析（表2），環(huán)縣、慶城、西峰極端氣溫指數(shù)均值的冷（暖）晝（夜）日數(shù)，差異較小，中北部環(huán)縣、慶城的霜凍日數(shù)、夏季日數(shù)、熱夜日數(shù)較多，日最高（低）氣溫極高（低）值較大（小），表明慶陽(yáng)中北部山川地區(qū)冬季較為寒冷，晝夜溫差大。環(huán)縣、慶城、西峰的日最高（最低）氣溫極值、暖晝?nèi)諗?shù)、夏季日數(shù)及熱夜日數(shù)等指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，環(huán)縣的日最高氣溫極低值、日最低氣溫極高值、冷（暖）晝?nèi)諗?shù)、夏季日數(shù)等指數(shù)的上升趨勢(shì)最為明顯，西峰的日最低氣溫極低值、熱夜日數(shù)等指數(shù)的上升趨勢(shì)最為明顯，慶城的冷晝?nèi)諗?shù)指數(shù)上升趨勢(shì)最為明顯。環(huán)縣、慶城、西峰的冰凍日數(shù)、霜凍日數(shù)等指數(shù)呈下降趨勢(shì)，環(huán)縣的冰凍日數(shù)及西峰的霜凍日數(shù)指數(shù)下降趨勢(shì)最為明顯。環(huán)縣、慶城的冷（暖）夜日數(shù)指數(shù)呈下降趨勢(shì)，西峰的冷（暖）夜日數(shù)指數(shù)呈上升趨勢(shì)?？梢钥闯?，極端暖指標(biāo)為增加趨勢(shì)，極端冷指標(biāo)為減少趨勢(shì)，這與楊金虎等［12］研究的西北地區(qū)極端低溫事件在減少，而極端高溫事件增加的結(jié)論相一致。極端冷指標(biāo)的減少幅度大于極端暖指標(biāo)的增加幅度，表現(xiàn)為該地區(qū)的氣溫變化具有顯著的非對(duì)稱性特征，在1961—2020年這60年中極端最高（低）氣溫升溫顯著，與之相關(guān)的極端氣溫指數(shù)也具有明顯的變化，說(shuō)明慶陽(yáng)近60年氣候變暖主要?dú)w因于最低氣溫及最高氣溫的顯著升高?？傮w來(lái)看，慶陽(yáng)因地形氣候的差異，各地的極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)不同，北部環(huán)縣的大部分極端氣溫指數(shù)趨勢(shì)較為顯著。

表2 1961—2020年慶陽(yáng)市極端氣溫指數(shù)及變化趨勢(shì)

2.2 極端氣溫指數(shù)的空間分布

根據(jù)慶陽(yáng)各地極端氣溫指數(shù)的變化特征，本研究選取冰凍日數(shù)、霜凍日數(shù)、日最高氣溫極高值、夏季日數(shù)、熱夜日數(shù)及日最低氣溫極低值進(jìn)行研究（圖3～圖6）。

圖3 1961—2020年慶陽(yáng)各地日最低氣溫極低值變化距平圖

圖6 1961—2020年慶陽(yáng)各地日最高氣溫極高值變化距平圖

2.2.1 冰凍日數(shù) 近60年來(lái)，慶陽(yáng)各地冰凍日數(shù)變化具有相似性，20世紀(jì)60～70年代中期，冰凍日數(shù)以偏多為主，其中環(huán)縣冰凍日數(shù)偏多的情況最多，且冰凍日數(shù)最多的1年出現(xiàn)了79 d。從20世紀(jì)70年代中期至今冰凍日數(shù)以偏少為主，尤其是近30年來(lái)冰凍日數(shù)偏少的情況明顯較多，西峰冰凍日數(shù)最多的情況偏少了28 d。

2.2.2 霜凍日數(shù) 近60年來(lái)，慶陽(yáng)各地霜凍日數(shù)環(huán)縣和慶城變化具有相似性， 20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)前10年這2地霜凍日數(shù)偏多、偏少的情況交替出現(xiàn)，但環(huán)縣霜凍日數(shù)偏多的情況較為明顯，近10年來(lái)這2地都持續(xù)偏少。西峰以1997年為界，在此之前霜凍日數(shù)持續(xù)偏多，之后持續(xù)偏少。霜凍日數(shù)環(huán)縣平均為143 d，最多為164 d；慶城平均為133 d，最多為161 d；西峰平均為125 d，最多為147 d。

2.2.3 日最低氣溫極低值 近60年來(lái)，慶陽(yáng)各地日最低氣溫極低值都經(jīng)歷了由偏低向偏高的演變過(guò)程，環(huán)縣日最低氣溫變化的幅度較大且近年來(lái)出現(xiàn)了持續(xù)偏高的現(xiàn)象，慶城偏高、偏低的情況交替出現(xiàn)，西峰由偏低逐漸演變?yōu)槠?，且變化趨?shì)最為顯著?？傮w來(lái)看，各地出現(xiàn)日最低氣溫極低值偏高、偏低的情況大體相當(dāng)。慶城極端最低氣溫為-25.4 ℃，環(huán)縣為-25.1 ℃，西峰為-22.6 ℃。近10年來(lái)，日極端最低氣溫為偏高狀態(tài)。

2.2.4 夏季日數(shù) 近60年來(lái)，慶陽(yáng)各地夏季日數(shù)變化情況不同，環(huán)縣20世紀(jì)60年代夏季日數(shù)持續(xù)偏少，20世紀(jì)70～80年代夏季日數(shù)偏多、偏少的情況交替出現(xiàn)，20世紀(jì)90年代至今以偏多出現(xiàn)為主。慶城、西峰的變化趨勢(shì)具有相似性，1994年以前夏季日數(shù)均以偏少為主、以后則以偏多為主。夏季平均日數(shù)慶城為100 d，環(huán)縣為92 d，西峰為64 d。

2.2.5 熱夜日數(shù) 近60年來(lái)，環(huán)縣、慶城、西峰的熱夜日數(shù)變化趨勢(shì)大體相同，前期熱夜日數(shù)以偏少為主，21世紀(jì)以來(lái)熱夜日數(shù)明顯偏多。環(huán)縣20世紀(jì)60～90年代中期熱夜日數(shù)持續(xù)偏少，20世紀(jì)90年代后期至21世紀(jì)前5年熱夜日數(shù)由偏少向偏多過(guò)渡，最近15年為持續(xù)偏多。慶城熱夜日數(shù)偏多、偏少的情況周期性出現(xiàn)，近10年來(lái)變化率逐漸增大。西峰20世紀(jì)熱夜日數(shù)持續(xù)偏少，21世紀(jì)持續(xù)偏多。各地?zé)嵋谷諗?shù)最多為32～36 d，但個(gè)別年份未出現(xiàn)熱夜日。

圖2 1961—2020年慶陽(yáng)各地霜凍日數(shù)變化距平圖

2.2.6 日最高氣溫極高值 近60年來(lái)，慶陽(yáng)各地日最高氣溫極高值變化趨勢(shì)具有相似性，20世紀(jì)60年代、20世紀(jì)80～90年代中期日最高氣溫極高值均以偏低出現(xiàn)為主，其余時(shí)段以偏高出現(xiàn)為主。環(huán)縣日最高氣溫極高值的偏高日多于偏低日，慶城和西峰日最高氣溫極高值的偏高日少于偏低日。日最高氣溫≥35.0 ℃的天數(shù)環(huán)縣最多，為32 d，日極端最高氣溫為38.6 ℃；慶城為30 d，日極端最高氣溫為39.9 ℃；西峰最少，為6 d，日極端最高氣溫為36.4 ℃。

圖4 1961—2020年慶陽(yáng)各地夏季日數(shù)變化距平圖

圖5 1961—2020年慶陽(yáng)各地?zé)嵋谷諗?shù)變化距平圖

3 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

由上述分析可知，1961—2020年隴東地區(qū)日極端最高氣溫、日極端最低氣溫均呈升溫趨勢(shì)，霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)。在增暖的形勢(shì)下，熱量資源增加，有利于作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整及特色作物的引種，但也易導(dǎo)致一些異常的氣象災(zāi)害，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的增大。

3.1 日極端最低氣溫的變化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

隴東各地日極端最低氣溫呈升高的變化趨勢(shì)，西峰、環(huán)縣、慶城的氣候變化傾向率分別為0.72、0.30、0.14 ℃/10 a，其中西峰的日極端最低氣溫上升最為明顯。因此，冬季的寒冷程度有所下降，農(nóng)作物越冬遭受凍害危害程度緩解，對(duì)大力發(fā)展特色林果業(yè)較為有利。但部分暖冬天氣對(duì)病菌、蟲(chóng)卵越冬有利，使得來(lái)年春季病蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展情況蔓延，導(dǎo)致病蟲(chóng)害防治成本的增加。

3.2 日極端最高氣溫的變化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

隴東各地日極端最高氣溫亦呈升高的變化趨勢(shì)，氣候變化傾向率在0.11～0.37 ℃/10 a之間，明顯小于日極端最低氣溫的增溫幅度。但近年來(lái)，氣候異常變化，極端氣溫不斷刷新歷史極值，1997年7月隴東地區(qū)大部分地方日最高氣溫突破歷史極值，2021年1月部分地方日最低氣溫突破歷史極值，2021年7月環(huán)縣日最高氣溫再次刷新歷史極值。伏期的高溫天氣更加助推了干旱的發(fā)展，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，另外，高溫也易造成蘋(píng)果果面“灼傷”、干裂，導(dǎo)致商品率下降。

3.3 霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

隴東各地霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)，其中西峰最為明顯，為5.73 d/10 a，環(huán)縣和慶城的霜凍日數(shù)在2.30～2.79 d/10 a，霜凍災(zāi)害頻次下降。霜凍日數(shù)的減少，導(dǎo)致作物生育期的延長(zhǎng)，有利于提升農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。但近年來(lái)春季易發(fā)寒潮降溫凍害，使果樹(shù)花期遭受明顯災(zāi)害，個(gè)別年份損失慘重。

4 結(jié)論

（1）隴東各地極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)大多具有相似性，冷晝?nèi)諗?shù)、日最高（低）氣溫極低值、暖晝?nèi)諗?shù)、夏季日數(shù)、熱夜日數(shù)、日最高（低）氣溫極高值均呈增加（升高）趨勢(shì)，冰凍日數(shù)、霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)，環(huán)縣和慶城的冷夜日數(shù)、暖夜日數(shù)為減少趨勢(shì)，西峰為增加趨勢(shì)。

（2）極端氣溫的時(shí)空變化與全球變暖氣候背景密切相關(guān)，在不同的區(qū)域及時(shí)間尺度上變化差異明顯［13］。極端氣溫指數(shù)變化表明：隴東各地的氣溫以升溫趨勢(shì)為主，其中環(huán)縣、西峰的升溫幅度較慶城顯著，尤其是南部塬區(qū)的西峰霜凍日數(shù)明顯減少。

（3）極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利有弊，但整體而言利大于弊。各地?zé)崃抠Y源均有所增加，無(wú)霜期延長(zhǎng)，有利于發(fā)揮資源稟賦，進(jìn)行農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)。但極端氣溫的變化引發(fā)的凍害及高溫干旱天氣使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全的不穩(wěn)定性增加，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著最復(fù)雜、最嚴(yán)峻的氣象災(zāi)害危害。

本研究在了解隴東極端氣溫的變化特點(diǎn)及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的基礎(chǔ)上，分析研究了氣候變化趨勢(shì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，有效避免或緩解了極端天氣事件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)地域、時(shí)節(jié)較為敏感，今后可進(jìn)一步利用季、月尺度的氣象資料，劃分不同地域并深入分析極端天氣事件對(duì)隴東地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響，進(jìn)一步提高研究成果的精細(xì)化程度。