廈門市氣溫及熱量資源變化特征分析

石雨卉

(中國民用航空廈門空中交通管理站，福建 廈門 361011)

0 引 言

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)的第五次評估，在過去四十多年間全球地表溫度明顯升高了0.85 ℃，并且在本世紀(jì)末全球氣候的變化將很有可能使得地表溫度較目前上升1.1～6.4 ℃，此外，特別要指出的是中國變暖的速率要明顯高于全球平均值[1-2]。溫度的上升導(dǎo)致熱量資源隨之變化，從而對與之相關(guān)的工業(yè)農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動造成影響。而對于農(nóng)業(yè)來說，熱量資源有著舉足輕重的影響，它決定了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的品種、產(chǎn)量及成長發(fā)育[3]。因此，分析并了解某地?zé)崃抠Y源的變化特征，能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的安排和規(guī)劃提供指導(dǎo)。

目前，國內(nèi)有許多科研工作者對氣候變暖引發(fā)的當(dāng)?shù)責(zé)崃抠Y源變化展開了相應(yīng)研究。劉德祥等[4]對我國西北地區(qū)的熱量資源及氣候變暖影響展開了深入研究，提出了西北地區(qū)氣候變暖主要由于最低氣溫的升高，該地區(qū)氣候變暖對農(nóng)業(yè)的弊端大于益處；張立波等[5]對華東地區(qū)的熱量資源過去50年來的變化特征進(jìn)行了分析，表明華東地區(qū)氣候一直在持續(xù)升溫中，且各項熱量資源與氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系；黃奇曉等[6]研究了福建氣候變化特征及預(yù)測未來趨勢，表明福建年平均氣溫上升趨勢顯著，與IPCC的結(jié)論一致。

廈門市位于24°23′N～24°54′N、117°53′E～118°26′E，地處福建省東南沿海，屬于典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫和多雨，冬無酷寒，夏無酷暑。同時，農(nóng)業(yè)作為廈門經(jīng)濟的第一產(chǎn)業(yè)，其主要農(nóng)作物為龍眼、芒果、枇杷、花生等喜溫作物，截止2021年，廈門市全年農(nóng)作物總播種面積1 686 951.3 km2，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值高達(dá)29.25億元。但目前有關(guān)廈門市熱量資源的研究相對較少，因此本文根據(jù)廈門市國家級氣象站的觀測資料，對過去49 a的熱量資源變化進(jìn)行分析研究，為趨利避害、合理利用氣候資源和農(nóng)作物品種布局以及城市生態(tài)環(huán)境的改善提供一定的科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用數(shù)據(jù)來自廈門國家級氣象站觀測資料：1973—2021年逐日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫。所用數(shù)據(jù)資料從美國NOAA氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[7]下載。對于活動積溫，運用5日滑動平均法[8]分別求取0、5、10、15、20 ℃初日與終日的活動積溫，作為分析廈門市熱量資源變化特征的要素。此外，本文對季節(jié)進(jìn)行了劃分：春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12月～次年2月)。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率

通過建立方程，詳見式(1)。

y(t)=a+bt

(1)

式(1)中：y為溫度，℃；t為時間序列，a；a為經(jīng)驗系數(shù)，可以通過最小二乘法求得；b為趨勢變化率，代表了氣候變量的趨勢傾向，若b為正(負(fù))時則表示溫度隨時間變化呈上升(下降)趨勢。根據(jù)公式(1)可以確定溫度y與時間t的定量關(guān)系，且氣候傾向率為10×b。

1.2.2 累積距平法

設(shè)y為樣本平均值，yi為隨機變量，n為采樣樣本，t為某時刻，根據(jù)公式(2)可以得到累積距平曲線。進(jìn)行擬合分析后，判斷其連續(xù)變化與長期變化趨勢，初步確定溫度年際變化趨勢及其未來走向。

(2)

1.2.3 Mann-Kendall突變檢驗法

Mann-Kendall法是一種用途廣泛的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，主要用于氣候和徑流趨勢突變分析。使用此方法時樣本無需遵從一定的分布，同時避免了部分異常值的影響，且分析結(jié)果精度極高，算法簡便，可以明確氣候序列的突變時間。具體操作方法見參考文獻(xiàn)[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均氣溫的時間變化特征

2.1.1 年平均氣溫變化

圖1 廈門市年平均氣溫變化Fig.1 Changes of the annual average temperature in Xiamen

根據(jù)廈門市49 a來的氣溫數(shù)據(jù)繪制年均氣溫變化圖(如圖1所示)，可以看出整體年均氣溫在上下波動中呈現(xiàn)逐步上升趨勢，與全球氣溫變化趨勢保持一致。對其進(jìn)行線性趨勢分析后，得到趨勢方程，且通過了α=0.01的水平顯著性檢驗。過去49 a間，廈門市年平均氣溫以0.478 ℃/10 a的速率增加，遠(yuǎn)高于福建省0.321 ℃/10 a的年均氣溫增長速率[6]。

圖2為廈門市49 a的年均氣溫距平及累積距平的變化圖，同時根據(jù)氣溫距平符號分布相對一致的原則[9]，可將49 a劃分為冷、暖期：1973—1995年為冷期，且年均氣溫一直呈現(xiàn)下降趨勢，且溫度距平在1995年達(dá)到最小值；1996—2021年為暖期，1996年開始年均氣溫開始呈現(xiàn)上升趨勢，并在2021年達(dá)到最大。年均氣溫從下降到上升的趨勢突變大約發(fā)生在1995—1996年。

圖2 廈門市年平均氣溫距平及累積距平變化Fig.2 Changes of the annual average temperature anomaly and cumulative anomaly in Xiamen

使用Mann-Kendall方法檢驗廈門市49 a的年平均氣溫序列并繪制圖3。給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。從圖3可以直觀地看出，UF曲線自1988年后呈現(xiàn)明顯上升趨勢，至2002年這種趨勢超過了顯著性水平0.05臨界線，表明廈門市年平均氣溫從1988年開始有增溫趨勢，且在21世紀(jì)初這種增溫趨勢顯著增強，這與福建省的年均氣溫變化趨勢相吻合[6]。

圖3 1973—2021年廈門市年平均氣溫M-K突變檢測統(tǒng)計量曲線Fig.3 Statistical curve of M-K mutation detection of the annual average temperature in Xiamen from 1973 to 2021

2.1.2 季平均氣溫變化

對廈門市1973—2021年日均氣溫按季節(jié)進(jìn)行分類和統(tǒng)計，并繪制春、夏、秋、冬四季季平均氣溫隨時間(年份)的變化圖(圖4)。對比圖1與圖4可知，廈門市在過去49 a間的四季平均氣溫變化與年平均氣溫變化基本一致，均為上升趨勢，且四季平均溫度分別以0.545、0.409、0.441、0.514 ℃/10 a的趨勢增長，并通過了α=0.01的水平顯著性檢驗。四季中，以春季氣溫增長速率最大，冬季次之，夏季平均氣溫增長速率最小。通過統(tǒng)計與計算，1973—2021年四季的平均氣溫分別為：春季19.8 ℃，夏季28.03 ℃，秋季23.61 ℃，冬季14.11 ℃。相對49 a來的平均氣溫而言，20世紀(jì)末之前氣溫偏低，20世紀(jì)末期以后的氣溫明顯升高，相對為偏暖期。

2.2 平均最高、最低氣溫的時間變化特征

極端氣溫是氣候變化的重要指標(biāo)，它的發(fā)生不僅對農(nóng)業(yè)氣象造成災(zāi)害，而且能對人們的生產(chǎn)生活環(huán)境帶來嚴(yán)重影響[9]。對廈門市49 a來的年平均最高、最低氣溫分別繪制散點圖并進(jìn)行擬合分析和求取平均值，得到圖5。從圖5中可以看出，平均最高、最低氣溫都在上下波動中呈上升趨勢，經(jīng)過線性趨勢分析后得到的一元線性方程，且都經(jīng)過了α=0.01的水平顯著性檢驗。對比兩組氣候傾向率(年平均最高氣溫為0.515 ℃/10 a，年平均最低氣溫為0.285 ℃/10 a)可以看出，年平均最高氣溫的上升速率明顯高于年平均最低氣溫，升溫速率約是其1.8倍。同時，以1998年為氣溫分水嶺，1998年之前年平均最高、最低氣溫基本上都低于49 a平均值，而在1998年以后平均氣溫有了大幅度提升使其年平均最高、最低氣溫基本都在49 a平均值以上。

2.3 活動積溫

農(nóng)作物的生長需要一定的熱量條件。在作物生長發(fā)育所需的其他條件滿足時，在一定溫度范圍內(nèi)，氣溫與發(fā)育速度成正比，并且要累積到一定的溫度總和農(nóng)作物才能完成發(fā)育，作物某個生育期或全部生育期內(nèi)活動溫度的總和稱為該作物這一生育期或全生育期的活動積溫。活動積溫是能夠衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中熱量資源的重要指標(biāo)，它的起止日期、持續(xù)天數(shù)及積溫在一定程度上決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中適宜種植區(qū)的規(guī)劃、種植制度和品種搭配[10]。常用的界限溫度有：0、5、10、15、20 ℃[11]。

圖4 1973—2021年廈門市各季平均氣溫變化Fig.4 Changes of the seasonal average temperature in Xiamen from 1973 to 2021

圖5 廈門市1973—2021年平均最高、最低氣溫變化趨勢Fig.5 Variation trends of average maximum and minimum temperatures in Xiamen from 1973 to 2021

不同的界限溫度具有一定的農(nóng)業(yè)指示意義[12]。當(dāng)氣溫穩(wěn)定≥0 ℃時，土壤開始解凍，草木萌發(fā)，為適宜農(nóng)耕期；氣溫穩(wěn)定≥5 ℃的時期為越冬作物生長活動期和喜涼早春作物的播種期；氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的時期為喜溫作物生長活動和喜涼作物的迅速生長期，水稻、棉花等喜溫作物開始播種；日平均氣溫穩(wěn)定≥15 ℃時，喜溫作物開始積極生長，同時也是茶葉的可摘采期；氣溫穩(wěn)定通過20 ℃及以上時，水稻分蘗并旺盛生長，同時20 ℃ 還是喜溫作物光合作用最適溫度的下限。

2.3.1 活動積溫變化

由于廈門特殊的地理氣候條件，≥0 ℃和≥5 ℃ 的初日都是1月1日，終日是12月31日，即年總活動積溫。對年活動積溫、10 ℃、15 ℃和 20 ℃ 分別繪制其活動積溫隨年份的變化曲線圖，詳見圖6。

從圖6中可以看出，不同界限溫度下的活動積溫隨著年份變化各有不同，但總體都保持著增加趨勢。年活動積溫、≥10 ℃、≥15 ℃和≥20 ℃的活動積溫增加速率分別為175.57、246.07、229.72、268.92 ℃/10 a，其中≥20 ℃的活動積溫增加速率最高，年活動積溫增加速率最低。4種不同的活動積溫在1973—2021年的49 a間的平均值分別為7 815.6、7 445.7、6 358.8、5 149.8 ℃。同時，在1973—1996年間，92%的年份穩(wěn)定通過年活動積溫和≥20 ℃的活動積溫低于49 a平均值，87%的年份穩(wěn)定通過≥10 ℃和≥15 ℃的活動積溫低于49 a平均值，因此1973—1996年為熱量虧欠期；1997—2021年間88%的年份穩(wěn)定年總活動積溫高于49 a平均值，≥10 ℃和≥15 ℃的活動積溫穩(wěn)定高于49 a平均值的年份占比為84%，而≥20 ℃的活動積溫高于49 a平均值更是達(dá)到100%，因此將此25 a稱為熱量豐盈期。熱量資源的增加使農(nóng)作物生長期延長，有利于喜溫作物的生長和品質(zhì)提升[13]。

圖6 不同界限溫度下活動積溫隨年份變化圖Fig.6 Variation of active accumulated temperature with years at different boundary temperatures

2.3.2 活動積溫的Mann-Kendall檢驗分析

對不同界限溫度下的活動積溫進(jìn)行Mann-Kendall方法檢驗，檢驗結(jié)果如圖7所示。不同界限溫度的活動積溫有不同的Mann-Kendall檢驗結(jié)果，但其UF曲線在1988年之后基本都呈上升趨勢。其中，對于年活動積溫，其突變曲線與年平均氣溫突變檢驗曲線基本相同，故不重復(fù)討論。

根據(jù)圖7所示，≥10 ℃、≥15 ℃、≥20 ℃活動積溫的UF曲線分別在2003年、2002年、1999年超過了0.05顯著性水平，結(jié)合年活動積溫的UF曲線圖，可以得出2000年左右廈門市年活動積溫上升趨勢顯著性增強。

在0.05顯著性水平臨界線內(nèi)，≥10 ℃活動積溫的UF與UB曲線沒有明顯交點，表明≥10 ℃年活動積溫變化沒有明顯突變點。而對于≥15 ℃與≥20 ℃的UF與UB曲線在0.05信度臨界線內(nèi)存在交點，其位置分別位于2000年和1997年處，確定≥15 ℃與≥20 ℃年活動積溫在20世紀(jì)末期發(fā)生由冷到暖的明顯突變。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)過去49 a廈門地區(qū)國家氣象站的氣溫數(shù)據(jù)，使用氣候傾向率、累積距平法以及Mann-Kendall突變檢驗等方法統(tǒng)計并分析討論了年平均氣溫、季平均氣溫、年最高(低)氣溫以及當(dāng)?shù)責(zé)崃抠Y源的變化規(guī)律趨勢，得到以下結(jié)論：

(1)1973—2021年來，廈門年均氣溫以0.478 ℃/10 a的速率增加，明顯高于福建省年均增溫速率。根據(jù)氣溫距平符號分布相對一致的原則，49 a來可以劃分為2個時期：1973—1995年為冷期，1996—2021年為暖期。利用Mann-Kendall方法，結(jié)果表明廈門市年平均氣溫從1988年開始有增溫趨勢，在21世紀(jì)初這種增溫趨勢顯著性增強。

(2)從季節(jié)性變化上來看，廈門市49 a來的四季平均氣溫變化與年平均氣溫變化相同，都呈現(xiàn)上升趨勢。四季中，春季的氣溫增加速率最大，夏季增溫速率相對較小。

(3)廈門市49 a來的年平均最高、最低氣溫都在上下波動中逐步增加，其增長速率約為0.515 ℃/10 a和0.285 ℃/10 a，年平均最高氣溫的上升速率約是年平均最低氣溫的1.8倍。

(4)年均氣溫的升高使得熱量資源隨之增加。在0、5、10、15、20 ℃幾個界限溫度中，≥20 ℃的活動積溫上升趨勢最顯著，分別為175.57、246.07、229.72和268.92 ℃/10 a。對比活動積溫變化曲線與其49 a平均值，可以得出1973—1996年為熱量虧欠期，1997—2021年為熱量豐盈期。使用Mann-Kendall檢驗方法后，可以看出在20世紀(jì)末21世紀(jì)初廈門市年活動積溫有明顯上升趨勢，同時≥15 ℃與≥20 ℃年活動積溫也在此時發(fā)生由冷到暖的明顯突變。

綜上所述，廈門市年均氣溫與活動積溫都呈現(xiàn)上升趨勢，這與黃奇曉等人關(guān)于福建省氣候變化的研究結(jié)論基本一致，且廈門增溫速率與之相比更為顯著。熱量資源的增加對當(dāng)?shù)孛⒐?、花生等主要作物的種植、生長帶來了重要影響，能夠延長其生長周期以及提高其產(chǎn)量。另一方面，熱量資源的增長可能提高了病蟲害發(fā)生的可能性，增加了病蟲害的周期；同時，熱量資源的增長也加劇了城市高溫酷熱程度，使得人們生活中對能源的需求消耗增長。因此，要合理利用氣候資源，調(diào)整農(nóng)作物的播種時期，以此達(dá)到增產(chǎn)的目的；此外，還要加強對病蟲害的監(jiān)測、防治，增強農(nóng)業(yè)對氣象災(zāi)害的防御能力，以及提升對城市熱島效應(yīng)、氣候變化影響評估的預(yù)測準(zhǔn)確度。