1961—2020年河南省氣候變化及其對氣候生產(chǎn)力的影響

計舒懷

(1.信陽市氣象局，河南信陽 464000；2.信陽市茶葉氣象重點實驗室，河南信陽 464000)

IPCC第六次評估報告指出，21世紀(jì)前20 a(2001—2020年)的全球表面溫度比1850—1900年高0.99 ℃。2011—2020年的全球表面溫度比1850—1900年高1.09 ℃[1]。在中國，近百年來陸地區(qū)域平均增溫0.9～1.5 ℃[2]。氣候變化改變了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水熱狀況組合，從而直接影響農(nóng)作物的氣候生產(chǎn)力[3]。目前，有關(guān)氣候生產(chǎn)力的時空變化及其影響的研究，已有不少成果出現(xiàn)。有學(xué)者利用氣象數(shù)據(jù)，研究了中國區(qū)域植物生產(chǎn)力變化特征、時空變化、突變及周期特征[4-6]。區(qū)域尺度上，陜西省氣候生產(chǎn)力均呈現(xiàn)微弱下降的趨勢[7]；而黑龍江省和上海市等地區(qū)氣候生產(chǎn)力卻呈現(xiàn)升高的趨勢[8-9]。有學(xué)者研究了氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響，結(jié)果顯示降水量是影響西北和東北地區(qū)氣候生產(chǎn)力的主導(dǎo)因素[7-11]，氣溫是三江源地區(qū)、長江中下游地區(qū)及福州地區(qū)氣候生產(chǎn)力變化的主要限制因素[12-15]。還有學(xué)者分析了未來氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響，結(jié)果顯示：未來的“暖濕型”氣候有利于氣候生產(chǎn)力升高，“冷干型”氣候不利于氣候生產(chǎn)力升高[16-17]。前人已對氣候生產(chǎn)力的時空變化特征及其影響因素進(jìn)行了大量的研究，這些研究大多定性評估了氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響。因此，本文利用1961—2020年河南省逐月平均氣溫與降水量資料，分析近60 a來河南省氣候生產(chǎn)力的時空變化，并定量評估氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響及其區(qū)域差異，以期為河南省合理開發(fā)和充分利用氣候資源，挖掘作物生產(chǎn)潛力等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

所用資料為河南省分布相對均勻的15個站點1961—2020年逐月平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)。該資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn/)。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)河南省15個站點的氣象數(shù)據(jù)不存在缺失，連續(xù)性和整體性較好。

1.2 方法

1.2.1 氣候生產(chǎn)力模型 氣候生產(chǎn)力是指在最適宜的環(huán)境下，單位面積、單位時間由氣候因素所決定的植物上限產(chǎn)量?？紤]到資料易得和計算簡便，采用Thornthwaite Memorial模型來估算該地氣候生產(chǎn)力[18]。計算方法如下：

Pv=3 000[1-e-0.000 960 5(v-20)]，

(1)

v=1.05R/[1+(1.05R/L)2]1/2，

(2)

L=300+25T+0.05T2。

(3)

其中，Pv為植物的氣候生產(chǎn)潛力(kg/(hm2·a))，T為年平均氣溫(℃)，L為年平均蒸發(fā)量(mm)，v為年平均蒸散量(mm)，R為年平均降雨量(mm)。

1.2.2 氣溫和降水貢獻(xiàn)率計算 通過多元線性回歸模型估算氣溫和降水對氣候生產(chǎn)力變化的相對貢獻(xiàn)率，具體做法是：首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次以氣溫和降水為自變量，氣候生產(chǎn)力為因變量，對標(biāo)準(zhǔn)化后的序列進(jìn)行回歸分析，并計算回歸系數(shù)；最后按照公式(4)～(6)計算氣溫、降水變化對氣候生產(chǎn)力變化的貢獻(xiàn)率[19]。

YS=aX1S+bX2S+c，

(4)

η1=|a|/(|a|+|b|)，

(5)

η2=|b|/(|a|+|b|)。

(6)

式中，X1S、X2S分別為氣溫和降水標(biāo)準(zhǔn)化序列，YS為氣候生產(chǎn)力標(biāo)準(zhǔn)化值，a、b分別為氣溫和降水回歸系數(shù)，η1和η2分別為氣溫和降水變化對氣候生產(chǎn)力變化的相對貢獻(xiàn)率，c為常數(shù)。

1.2.3 R/S分析法 利用R/S分析法對河南省氣溫、降水及氣候生產(chǎn)力變化進(jìn)行預(yù)測?；痉椒ㄊ?，設(shè)置時間序列{x(t)}，t=1，2,…,對于任意正整數(shù)τ≥1，

(7)

(8)

(9)

(10)

如果計算得出的比值R(τ)/S(τ)∝τH，則說明時間序列{x(t)}，t=1，2,…,存在著Hurst現(xiàn)象，其中H稱為Hurst指數(shù)，可以根據(jù)H來判斷氣溫、降水和氣候生產(chǎn)力變化趨勢的持續(xù)性與反持續(xù)性。若0

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

1961—2020年河南省多年平均氣溫為14.8 ℃，最高值出現(xiàn)在2019年，為15.9 ℃，最低值出現(xiàn)在1984年，為13.6 ℃?？臻g上，河南省多年平均氣溫呈北低南高的特征。氣溫高值區(qū)出現(xiàn)在河南東南部地區(qū)，其中固始地區(qū)最高，為15.6 ℃；河南中部地區(qū)次之，氣溫多在14.5～15.0 ℃之間；北部地區(qū)氣溫相對較低，其中安陽多年平均氣溫最低，為14.1 ℃。

從圖1可知，1961—2020年河南省年平均氣溫在波動中呈明顯上升趨勢，氣候傾向率為0.23 ℃/10 a(95%的置信水平，下同)，回歸方程通過0.05的顯著性水平檢驗?？臻g上，河南省15個站年平均溫均呈上升趨勢，其中93.3%的站點氣候傾向率通過0.05顯著性水平檢驗。由圖2可看出，北部地區(qū)增溫較明顯，氣候傾向率一般在0.3 ℃/10 a以上，其中鄭州最大為0.39 ℃/10 a，通過了0.05的顯著性水平檢驗；其次為西南部和東南部地區(qū)；中部較小，多在0.19 ℃/10 a以下，氣候傾向率最小的站為許昌(0.04 ℃/10 a，未通過0.05顯著性水平檢驗)。

圖1 1961—2020年河南省氣溫(a)和降水(b)變化趨勢

1961—2020年河南省年降水量平均值為750.8 mm，最大值出現(xiàn)在1964年，為1 111.2 mm；最小值出現(xiàn)在1966年，僅為466.7 mm。最大值最小值差值高達(dá)644.5 mm，降水的年際振蕩劇烈。空間上，河南省年降水量大體上由東南向西北逐漸遞減。東南部年降水量較多，其中信陽年降水量值最多，為1 095.0 mm；其次為河南中部地區(qū)，降水多在700～800 mm；河南西部、北部地區(qū)年降水量相對較少，其中三門峽地區(qū)最少，為553.8 mm。

近60 a河南省降水量在強(qiáng)烈波動中呈現(xiàn)出微弱下降的趨勢，氣候傾向率為-2.98 mm/10 a，未通過0.05的顯著性水平檢驗。如圖2所示，空間上，河南省年降水量變化呈顯著的區(qū)域差異。86.7%站點的降水量呈減少趨勢，多分布在西部和南部地區(qū)。其中西峽變化最大，氣候傾向率為-17.31 mm/10 a；其次是信陽，氣候傾向率為-16.37 mm/10 a；三門峽變化最小，氣候傾向率為-0.81 mm/10 a。均未通過0.05的顯著性水平檢驗。13.3%的站點呈增多趨勢，多分布在河南東部地區(qū)，如西華和商丘，其中商丘的上升幅度最大，氣候傾向率為15.27 mm/10 a，未通過0.05的顯著水平檢驗。

圖2 1961—2020年河南省氣候(氣溫、降水)及氣候傾向率空間分布(審圖號為GS(2021)5448號)

由圖3可知，河南省氣候生產(chǎn)力變化呈顯著的區(qū)域差異。80%的站點的氣候生產(chǎn)力呈上升趨勢，多分布在河南省東部和南部。其中河南省氣候生產(chǎn)力氣候傾向率最大為209.73 kg/(hm2×10 a)，出現(xiàn)在商丘地區(qū)，通過了0.05的顯著性水平檢驗；其次在西華地區(qū)，氣候傾向率是158.57 kg/(hm2×10 a)，通過了0.05的顯著性水平檢驗；許昌的氣候生產(chǎn)力氣候傾向最小，為2.35 kg/(hm2×10 a)，未通過0.05的顯著性水平檢驗。20%的站點呈微弱下降趨勢，多分布在西北地區(qū)，其中下降趨勢變化最大的的站點是孟津，氣候傾向率為-87.41 kg/(hm2×10 a)。

圖3 1961—2020年河南省氣候生產(chǎn)力及其氣候傾向率空間分布(審圖號為GS(2021)5448號)

由圖4可知，河南省氣候生產(chǎn)力在1961—2020年之間呈現(xiàn)微弱上升的趨勢，氣候傾向率為72.8 kg/(hm2×10 a)，未通過0.05的顯著性水平檢驗。與前人研究結(jié)果相比，總體趨勢基本一致，但變化速率較前人研究偏高[22]，研究時段不一致可能是氣候生產(chǎn)力變化速率不同的原因。

圖4 河南省1961—2019年氣候生產(chǎn)力年際變化趨勢

2.2 氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響

氣候生產(chǎn)力變化主要受氣溫和降水的雙重影響，降水對氣候生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)率達(dá)到78.6%，氣溫為21.4%，降水貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于氣溫貢獻(xiàn)率。前人研究指出，河南省氣候生產(chǎn)力的空間分布與降水量的空間分布特征基本一致[23]，降水量是影響氣候生產(chǎn)力變化的主要因子[22-23]，與本文的結(jié)論基本一致。由圖5可以看出，河南省降水對氣候生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)率存在區(qū)域差異，降水貢獻(xiàn)率總體上呈由西北向東南遞減的趨勢。降水貢獻(xiàn)率較大的地區(qū)為北部和西北部，大致在89%～95%之間，其中降水貢獻(xiàn)率最大值出現(xiàn)在新鄉(xiāng)，達(dá)95.1%，其次是安陽和三門峽，降水貢獻(xiàn)率均為91.4%；中部地區(qū)降水貢獻(xiàn)率大多在86%～89%之間；降水貢獻(xiàn)率較小的地區(qū)為東南部，大多在84%以下，其中信陽降水貢獻(xiàn)率最小，僅為82%。由于東南部處于暖溫帶，降水充足，年降水量多在900 mm以上，因而降水并沒有成為農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的限制性因素，此時河南東南地區(qū)氣溫相對較高，氣溫貢獻(xiàn)率較大，降水貢獻(xiàn)率相對較小。

圖5 1961—2020年河南省降水貢獻(xiàn)率的空間分布(審圖號為GS(2021)5448號)

為進(jìn)一步定量分析河南省氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響，以河南省15個站點1961—2020年的年平均氣溫(降水量)為自變量，以氣溫(降水)貢獻(xiàn)率為因變量，采用一元線性回歸法分析氣溫(降水)變化對氣溫(降水)貢獻(xiàn)率的影響，結(jié)果見圖6和圖7。由圖可見：在降水量不變的前提下，氣溫每升高1 ℃，氣溫貢獻(xiàn)率就增加0.52%，通過0.05的顯著性水平檢驗；在氣溫不變的前提下，降水每增加100 mm，降水貢獻(xiàn)率就減少-1.52%，回歸方程通過0.05的顯著性水平檢驗。上述分析表明，在河南現(xiàn)有情況下，越是年平均氣溫高的地方，氣溫對氣候生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)率越大；越是年降水量大的地方，降水對氣候生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)率越小。

圖6 1961—2020年河南省氣溫變化對氣溫貢獻(xiàn)率變化散點圖(直線為擬合線，下同)

圖7 1961—2020年河南省降水變化對降水貢獻(xiàn)率變化散點圖

2.3 未來氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響

為了更直觀地了解未來氣候變化對河南省氣候生產(chǎn)力的影響，利用R/S分析法對河南省氣候和氣候生產(chǎn)力變化進(jìn)行預(yù)測。R/S分析結(jié)果表明：1961—2020年河南省年平均氣溫的Hurst指數(shù)為1.00，表明年平均氣溫變化具有很強(qiáng)的持續(xù)性，未來變化趨勢可能會持續(xù)上升；年降水量的Hurst指數(shù)為0.43，接近0.5，不確定性大，表明了該地區(qū)近60 a來年降水量具有較弱的反持續(xù)性，未來變化趨勢可能為增多趨勢；氣候生產(chǎn)力的Hurst指數(shù)為0.58，表明了未來氣候可能趨于暖濕，氣候生產(chǎn)力未來可能繼續(xù)呈上升趨勢。1971—2020年，河南省年平均氣溫和氣候生產(chǎn)力的Hurst指數(shù)為1.00和0.59，與1961—2020年河南省Hurst指數(shù)基本一致，說明了未來河南省年平均氣溫和氣候生產(chǎn)力的持續(xù)性不變。1991—2020年河南省年平均氣溫和氣候生產(chǎn)力的Hurst指數(shù)為0.74和0.57，年降水量的Hurst指數(shù)則為0.49，說明從30年尺度看，未來河南省年平均氣溫的持續(xù)性減弱，降水量的不確定性增大。由上述分析可知河南省年平均氣溫和氣候生產(chǎn)力的Hurst指數(shù)在不同時間尺度內(nèi)均呈上升趨勢，其中年平均氣溫的變化具有很強(qiáng)的持續(xù)性，而年降水量和氣候生產(chǎn)力的變化不確定性較大。河南省未來可能會向“暖濕型”氣候演變，氣候生產(chǎn)力也可能會提高。

3 結(jié)論與討論

分析了過去60 a河南省年平均氣溫、年降水量和氣候生產(chǎn)力的時空變化特征，并定量評估了氣候變化對氣候生產(chǎn)力的影響。并利用了R/S分析法預(yù)測河南省未來氣候和氣候生產(chǎn)力的變化。主要得出以下結(jié)論。

(1)近60 a河南省氣候呈“暖干”趨勢，年平均氣溫呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.23 ℃/10 a，東北地區(qū)增溫明顯；降水量在劇烈波動中呈微弱減少趨勢，氣候傾向率為-2.98 mm/10 a，東部地區(qū)降水變動較大。

(2)1961—2020年河南省的氣候生產(chǎn)力的氣候傾向率為72.8 kg/(hm2×10 a)，上升趨勢微弱。河南省80%地區(qū)的氣候生產(chǎn)力呈增加趨勢，其中上升較快的地區(qū)主要分布在東部。

(3)河南省氣候生產(chǎn)力變化主要受氣溫和降水的影響，降水貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于氣溫貢獻(xiàn)率，是影響河南省氣候生產(chǎn)力變化的主導(dǎo)因素。空間上，河南省東南部降水充足，氣溫相對較高導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)降水貢獻(xiàn)率較小。

(4)在現(xiàn)有降水的條件下，氣溫升高對氣溫貢獻(xiàn)率的影響起到正效應(yīng)；在現(xiàn)有溫度的條件下，降水增加會導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)降水貢獻(xiàn)率減弱。在水分適宜的情形下，氣溫的升高有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也將會提升區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力。

(5)1961—2020年河南省年平均氣溫、年降水量和氣候生產(chǎn)力的Hurst指數(shù)分別為1.00、0.43和0.58。在過去的60 a中，河南省年平均氣溫和氣候生產(chǎn)力呈現(xiàn)出上升趨勢，年降水量則呈現(xiàn)出不顯著減少趨勢，未來氣候可能趨于暖濕，氣候生產(chǎn)力可能繼續(xù)呈上升趨勢，年降水量和氣候生產(chǎn)力不確定性較大。