1981—2020年西藏“一江兩河”主要農(nóng)區(qū)負(fù)積溫的時空變化特征

次旺頓珠，杜 軍，次 旺，平措桑旦

（1西藏自治區(qū)氣候中心，拉薩 850001；2西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，拉薩 850001；3西藏高原大氣環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，拉薩 850001）

0 引言

負(fù)積溫是一個重要的農(nóng)業(yè)氣候生態(tài)指標(biāo)，是日平均氣溫穩(wěn)定小于0℃的溫度總和，綜合反映了冷季的持續(xù)時間和低溫強(qiáng)度，能較好地反映冷季寒冷程度，其變化會直接制約著當(dāng)?shù)亓帜?、果樹和農(nóng)作物的安全越冬，而且也影響農(nóng)業(yè)病蟲害的發(fā)生蔓延[1]。國內(nèi)學(xué)者在負(fù)積溫已有大量的研究，孔鋒[2]分析認(rèn)為，1961—2018年中國負(fù)積溫絕對數(shù)量隨著緯度和海拔的增加而增加；負(fù)積溫絕對數(shù)量增加的地區(qū)僅分布在華南南部和云南南部地區(qū)；全國其他地區(qū)負(fù)積溫絕對數(shù)量均呈減少趨勢，尤其是青藏高原、內(nèi)蒙古中部和東北地區(qū)負(fù)積溫絕對數(shù)量減少幅度較大。高慶九等[3]發(fā)現(xiàn)華北負(fù)積溫具有全區(qū)一致性增加的特點(diǎn)；馮瀅瑛等[4]認(rèn)為1957—2007年東北地區(qū)負(fù)積溫的增溫率由西南向東北遞增；王希強(qiáng)等[5]分析表明1960—2015年祁連山區(qū)所有站點(diǎn)均表現(xiàn)出負(fù)積溫初日推遲、終日提前、持續(xù)天數(shù)縮短趨勢；丁文魁等[6]、董國慶等[7]、張霞等[8]、普宗朝等[9]分別對不同區(qū)域負(fù)積溫的變化特征進(jìn)行分析。趙全寧等[10]揭示了1961—2015年青海高原負(fù)積溫以74.4℃/10a的速率顯著升溫，持續(xù)日數(shù)以3.4 d/10 a的傾向率顯著減少。

“一江兩河”流域?qū)儆诟咴瓬貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，是西藏主要糧油生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境對氣候條件的依賴性較強(qiáng)，是一個特殊的環(huán)境變化敏感區(qū)[11]。在全球變暖大背景下，國內(nèi)學(xué)者對該流域氣候變化特征做了大量的研究，王蕊等[12]認(rèn)為1956—2010年該流域增溫趨勢明顯，平均增溫速率為0.31℃/10 a，徑流的變化趨勢與降水高度一致，表現(xiàn)為增加→減少→增加→減少的波動規(guī)律。楊志剛等[13-14]指出1961—2010年雅魯藏布江流域年平均降水量表現(xiàn)為不顯著增加，平均年、干季和濕季潛在蒸散量呈微弱的增加趨勢。張戈麗等[15]分析得出1959—2008年流域熱量資源表現(xiàn)出顯著的增加趨勢，冬季增溫最為明顯。游慶龍等[16]討論了雅魯藏布江流域1961—2005年極端氣候事件的變化趨勢，認(rèn)為冬季是增溫最為活躍的一個季節(jié)。杜軍等[17]研究表明，1981—2014年西藏“一江兩河”流域油菜全生育期的降水趨于增加，水分虧缺量在減少。劉金平等[18]分析指出，2000—2014年流域積雪日數(shù)呈顯著減少的趨勢，降水呈不顯著的增加趨勢，而氣溫呈顯著的增加趨勢，最高氣溫對積雪變化影響最大。但至今有關(guān)西藏負(fù)積溫變化特征及影響的研究尚未見報道。為此，本研究分析了全球變暖背景下西藏“一江兩河”主要農(nóng)區(qū)1981—2020年負(fù)積溫的時空變化特征，及其與平均氣溫、凍土退化、積雪日數(shù)間的關(guān)系，以期為本流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、適應(yīng)氣候變化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等研究提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究選用西藏“一江兩河”農(nóng)區(qū)9個氣象站點(diǎn)（圖1）1980—2020年逐日平均氣溫資料，逐月積雪日數(shù)、最大凍土深度等。數(shù)據(jù)來源于西藏自治區(qū)氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心。

1.2 分析方法

負(fù)積溫的統(tǒng)計為上年穩(wěn)定通過0℃終日的次日至當(dāng)年穩(wěn)定通過0℃初日的前一日之間日平均氣溫＜0℃的累積值[19]。穩(wěn)定通過0℃的初、終日用5日滑動平均法求得[20]。冬季為上年12月至當(dāng)年2月。通過算術(shù)平均法建立“一江兩河”流域負(fù)積溫要素（初日、終日、持續(xù)日數(shù)、負(fù)積溫）以及冬季平均氣溫、積雪日數(shù)和年最大凍土深度序列數(shù)據(jù)。多年平均值為1981—2000年平均值。

氣候傾向率[21]采用公式(1)進(jìn)行計算。

式中：Y為冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素；t為時間；a0為常數(shù)項；a1為線性趨勢項，把a(bǔ)1×10年稱為冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素每10年的氣候傾向率。對于氣候傾向率的顯著性，采用時間t與原序列變量y之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行不同程度的顯著性檢驗(yàn)（P＜0.10，P＜0.05，P＜0.01和P＜0.001）。

應(yīng)用Mann-Kendall（簡稱M-K方法）突變檢驗(yàn)方法[21]，分析冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素的突變氣候特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季平均氣溫和負(fù)積溫的空間分布特征

在多年平均狀態(tài)下（見表1），“一江兩河”主要農(nóng)區(qū)冬季平均氣溫為-2.9～1.2℃，總體呈自西向東遞增分布，并隨海拔升高而降低；最大值出現(xiàn)在澤當(dāng)，最小值在江孜。農(nóng)區(qū)負(fù)積溫平均初日出現(xiàn)在11月15日—12月11日，終日結(jié)束于2月8日—3月9日，持續(xù)日數(shù)介于55.2～114.2天之間，負(fù)積溫為-65.2～-330.4℃·d，其分布與冬季平均氣溫的基本一致。

與地理參數(shù)（經(jīng)緯度、海拔高度）進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)（見圖2），冬季平均氣溫、負(fù)積溫初日僅與海拔高度呈顯著的負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，負(fù)積溫終日、持續(xù)日數(shù)和負(fù)積溫與海拔高度存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)大于0.807。從圖2可知，海拔平均每升高100 m，冬季平均氣溫降低0.63℃，負(fù)積溫初日提早3.7天，終日推遲4.9天，持續(xù)日數(shù)延長9.2天，負(fù)積溫減少37.7℃·d。

圖2 冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素（初日、終日、持續(xù)日數(shù)和負(fù)積溫）與海拔高度的散點(diǎn)圖

2.2 冬季平均氣溫和負(fù)積溫的時間變化

2.2.1 年際變化 表1給出1981—2020年“一江兩河”主要農(nóng)區(qū)冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素的年際變化趨勢（氣候傾向率），結(jié)果顯示，1981—2020年各站冬季平均氣溫呈升高趨勢，升幅為0.17～0.67℃/10 a（除南木林外，P＜0.10），以拉薩升幅最大(P＜0.001)，其次是墨竹工卡，為0.66℃/10 a(P＜0.001)，南木林最小。負(fù)積溫初日以0.43～6.26 d/10 a的速度呈推遲趨勢，其中拉薩推遲最多(P＜0.001)，拉孜次之，為5.41 d/10 a(P＜0.001)，江孜最?。唤K日在尼木站上趨于推遲外，其他各地均表現(xiàn)出提早趨勢，平均每10年提早1.96～4.56天，以澤當(dāng)提早的最多(P＜0.001)；持續(xù)日數(shù)在所有站點(diǎn)上都表現(xiàn)為縮短趨勢，平均每10年縮短1.24～13.03天，其中拉薩縮短的最多(P＜0.001)，其次是澤當(dāng)，為-8.21 d/10 a(P＜0.01)；各站負(fù)積溫呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢，為7.36～54.8(℃·d)/10 a(P＜0.05)，增幅以墨竹工卡最大，貢嘎最小。就流域平均而言，1981—2020年冬季平均氣溫以0.38℃/10 a的速度顯著升高；負(fù)積溫初日表現(xiàn)為推遲趨勢（見圖3a），為3.11 d/10 a(P＜0.001)，終日平均每10年提早了2.53天（P＜0.05，圖3b），持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)出顯著的縮短趨勢（見圖3c），縮短率為6.03 d/10 a(P＜0.001)，而負(fù)積溫卻以24.93(℃·d)/10 a的速度趨于增加（P＜0.01，圖3d）。

圖3 1981—2020年“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫初日(a)、終日(b)、持續(xù)日數(shù)(c)和負(fù)積溫(d)的變化

表1 西藏“一江兩河”主要農(nóng)區(qū)各站冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素（初日、終日、持續(xù)日數(shù)和積溫）的平均值(AVR)和氣候傾向率(CLR)

2.2.2 年代際變化 根據(jù)分析1981—2020年西藏“一江兩河”農(nóng)區(qū)冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素（初日、終日、持續(xù)日數(shù)和積溫）的10年際變化（見表2），結(jié)果表明：“一江兩河”農(nóng)區(qū)冬季平均氣溫在1980s—2000s期間表現(xiàn)出逐年代升高趨勢，其中1980s—1990s氣溫偏低，以1980s偏低最為明顯，是1981—2020年冬季最冷的10年；2010s冬季氣溫雖為正距平，但較2000s偏低0.53℃；2000s冬季是1981—2020年最為暖和的10年。負(fù)積溫要素的年代際變化明顯，1980s負(fù)積溫初日偏早、終日偏晚、持續(xù)日數(shù)延長、負(fù)積溫偏少；1990s負(fù)積溫初日接近常年值，終日略偏早，持續(xù)日數(shù)略偏短，而負(fù)積溫偏少16.8℃·d；進(jìn)入21世紀(jì)后，“一江兩河”負(fù)積溫表現(xiàn)為初日推遲、終日提早、持續(xù)日數(shù)縮短和負(fù)積溫偏多的年代際特征，其中2010s初日推遲、終日提早、持續(xù)日數(shù)縮短最為明顯。

表2 1981—2020年西藏“一江兩河”農(nóng)區(qū)冬季平均氣溫、負(fù)積溫要素（初日、終日、持續(xù)日數(shù)和負(fù)積溫）的年代際距平

2.2.3 時間突變 利用M-K方法檢驗(yàn)出“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫初日、終日、持續(xù)日數(shù)和積溫均發(fā)生了氣候突變（見圖4），其中終日出現(xiàn)的較早，在1993年；初日和持續(xù)日數(shù)均發(fā)生在1996年，負(fù)積溫出現(xiàn)在1995年。對比突變點(diǎn)前后平均值發(fā)現(xiàn)，突變后負(fù)積溫初日推遲9天、終日提早6天、持續(xù)日數(shù)縮短17天、積溫減少68.6℃·d。同理，發(fā)現(xiàn)冬季平均氣溫在1998年發(fā)生了突變（圖略），從相對偏冷期躍變?yōu)橄鄬ζ?，突變后冬季平均氣溫升高?.0℃。冬季平均氣溫的突變時間要晚于負(fù)積溫，這也說明負(fù)積溫的變化不僅受氣溫的影響，還與其他要素的有關(guān)。

圖4 1981—2020年西藏“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫初日(a)、終日(b)、持續(xù)日數(shù)(c)和積溫(d)的M-K檢驗(yàn)

2.3 負(fù)積溫要素與其他氣象要素的相關(guān)分析

相關(guān)分析表明（見表3），“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫與冬季平均氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.954(P＜0.001)，也就是說，冬季平均氣溫每升高1℃，負(fù)積溫增加59.6℃·d，即隨著氣溫的升高，負(fù)積溫也在升高，表明氣溫對負(fù)積溫具有顯著的正效應(yīng)。負(fù)積溫初日、終日、持續(xù)日數(shù)與冬季平均氣溫分別呈顯著的正相關(guān)、負(fù)相關(guān)和負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。根據(jù)線性方程分析顯示，冬季平均氣溫每升高1℃，負(fù)積溫初日推遲3.0天，終日提早3.5天，持續(xù)日數(shù)減少8.7天。

表3 負(fù)積溫要素與其他氣象要素的相關(guān)系數(shù)

一般來說，冬季積雪日數(shù)多，積雪持續(xù)時間長，冬季氣溫低，負(fù)積溫也低。經(jīng)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫與冬季積雪日數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，顯著性達(dá)到P＜0.001；負(fù)積溫初日、持續(xù)日數(shù)分別與冬季積雪日數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)(P＜0.01)和正相關(guān)(P＜0.05)。根據(jù)線性方程分析表明，冬季積雪日數(shù)每減少1天，負(fù)積溫初日推遲1.2天，持續(xù)日數(shù)縮短2.1天，而負(fù)積溫增加18.1℃·d，說明積雪日數(shù)對負(fù)積溫的影響不及氣溫。

從理論上來講，凍土發(fā)育程度與局地小氣候可能有一定的關(guān)系。研究也表明，作為冬季氣候冷暖變化衡量指標(biāo)之一的負(fù)積溫與凍土變化存在著明顯關(guān)系[2,5]。本研究分析表明，“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫與年最大凍土深度存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.766(P＜0.001)；負(fù)積溫初日、持續(xù)日數(shù)也與年最大凍土深度存在顯著的相關(guān)關(guān)系。從線性方程分析發(fā)現(xiàn)，年最大凍土深度每減小10 cm，負(fù)積溫初日推遲5.3天，持續(xù)日數(shù)縮短12.0天，負(fù)積溫增加85.4℃·d。而負(fù)積溫每升高100℃，年最大凍土深度減小6.8 cm，說明凍土的變化對負(fù)積溫的響應(yīng)十分敏感，這與王希強(qiáng)等[4]、丁文魁等[5]的結(jié)論一致。

2.4 負(fù)積溫變化對農(nóng)業(yè)的影響

1981—2020年“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫及其持續(xù)日數(shù)均趨于減少，冬季平均氣溫明顯升高，這必然會造成冬小麥、冬青稞幼苗越冬死亡率降低，大棚、溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本降低，瓜果、蔬菜生長較快，可提前上市，增加收入，這是有利的一面。另外，負(fù)積溫升高，導(dǎo)致作物生長發(fā)育加快，生長期縮短，品質(zhì)降低；同時，也增加病蟲害的越冬基數(shù)，翌年病蟲害發(fā)生概率增加，致使農(nóng)藥施用量增多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本增加，進(jìn)而影響到作物、瓜果、蔬菜等的產(chǎn)量和品質(zhì)；亦不利于冬小麥、冬青稞越冬期的抗寒鍛煉，春季抗寒性下降，容易遭受終霜凍的危害，特別是果樹開花期。

3 結(jié)論

（1）在空間分布上，“一江兩河”主要農(nóng)區(qū)負(fù)積溫平均初日出現(xiàn)在11月15日—12月11日，終日結(jié)束于2月8日—3月9日，持續(xù)日數(shù)介于55.2～114.2天之間，負(fù)積溫為-65.2～-330.4℃·d。負(fù)積溫要素與海拔高度存在顯著的相關(guān)性，海拔高度每升高100 m，負(fù)積溫初日提早3.7天，終日推遲4.9天，持續(xù)日數(shù)延長9.2天，負(fù)積溫減少37.7℃·d。

（2）在變化趨勢上，近40年（1981—2020年）“一江兩河”農(nóng)區(qū)平均每10年負(fù)積溫初日推遲3.11天、終日提早2.53天、持續(xù)日數(shù)縮短6.03天、負(fù)積溫增加24.93℃·d。在10年際變化尺度上，負(fù)積溫要素變化明顯，1980s初日偏早、終日偏晚、持續(xù)日數(shù)延長、負(fù)積溫偏少；1990s初日正常，終日略偏早，持續(xù)日數(shù)略偏短，負(fù)積溫仍偏少；進(jìn)入21世紀(jì)后，負(fù)積溫表現(xiàn)為初日推遲、終日提早、持續(xù)日數(shù)縮短和積溫偏多的年代際特征。

（3）在時間突變上，1981—2020年“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫要素均發(fā)生了氣候突變，以終日突變較早，在1993年；初日和持續(xù)日數(shù)都發(fā)生在1996年，而負(fù)積溫出現(xiàn)在1995年。突變后負(fù)積溫初日推遲9天、終日提早6天、持續(xù)日數(shù)縮短17天、負(fù)積溫減少68.6℃·d。

（4）在相關(guān)性上，“一江兩河”農(nóng)區(qū)負(fù)積溫不僅與冬季平均氣溫呈顯著正相關(guān)，還與冬季積雪日數(shù)和年最大凍土深度存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。負(fù)積溫升高與冬季平均氣溫上升、積雪日數(shù)減少和凍土退化具有較好的一致性。