清徐縣1960—2019年氣溫變化特征分析及其對農(nóng)業(yè)的影響

段曉瞳，王溢梅，杜軍軍，張宇建，郗秉韜

（1清徐縣氣象局，太原 030400；2古交市氣象局，太原 030200）

0 引言

自1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會上簽署了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》以來，氣候變化已成為國際社會關(guān)注的重大問題之一，全球氣候變暖又是氣候變化的主要方面之一，重大災(zāi)害性天氣和氣候極端事件屢次發(fā)生，強(qiáng)度也在不斷變化，這給人類生存環(huán)境和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了極大影響，造成的損失也在逐年增大[1-9]。在氣候變化中，氣溫的異常會導(dǎo)致氣象災(zāi)害的發(fā)生，并且起著主導(dǎo)作用[10-13]。在IPCC 第六次最新評估報(bào)告(AR6)第一工作組報(bào)告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》中顯示，自1850—1900年以來，全球地表平均溫度已上升約1℃，并指出從未來20 年的平均氣溫變化來看，全球溫升預(yù)計(jì)將達(dá)到或超過1.5℃[14]。隨著全球區(qū)域溫度的變化，可能會引發(fā)冰川消退，海平面上升、荒漠化發(fā)展和局部地區(qū)氣候異常，在一定程度上還會給環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展帶來較大影響[15-20]。為增強(qiáng)全社會氣象災(zāi)害防御能力，提高氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)水平，既要掌握各種天氣的變化，還要對當(dāng)?shù)氐臍鉁刈兓卣饔兴私?，才能采取恰?dāng)措施有效應(yīng)對。清徐縣作為農(nóng)業(yè)大縣，溫度變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的影響非常大。因此，研究清徐縣氣溫時空變化特征及規(guī)律是非常有必要的，也為今后氣象為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)和應(yīng)對氣候變化提供參考依據(jù)，進(jìn)而推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 資料來源與處理

本研究選用清徐國家氣象觀測站1960年1月1日—2019 年12 月31 日60 a 的氣溫要素逐日觀測數(shù)據(jù)，清徐國家氣象觀測站建于1959年10月，自1960年1月1 日開始正式觀測，一直保存有完整連續(xù)的地面氣象觀測資料，分別于1980 年1 月和2014 年1 月遷站2次。遷站前后，地理環(huán)境氣候條件接近，觀測數(shù)據(jù)資料連貫性比較好，沒有出現(xiàn)明顯突變，對氣溫變化趨勢影響不大，不需要對所采用的資料再次進(jìn)行均一化處理，因此可直接對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算得到月季年數(shù)據(jù)，再進(jìn)行繪圖和分析得出結(jié)論。本研究所使用農(nóng)業(yè)資料均由清徐縣統(tǒng)計(jì)局提供。

研究過程中，將氣溫要素分為6個時期，每10 a為1 個年代，以分析每個年代際的變化趨勢。根據(jù)四季劃分標(biāo)準(zhǔn)來分析氣溫的季節(jié)性變化，春季為每年的3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。

1.2 研究方法

采用氣候傾向率、滑動平均計(jì)算法和Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)與突變分析[21-25]等方法，分析清徐縣四季、年際和年代際的氣溫變化特征。

采用相關(guān)性分析法分析清徐縣歷年糧食產(chǎn)量分別與氣溫和降水之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 年均氣溫變化特征

2.1.1 年均氣溫的年際變化特征1960—2019 年清徐縣60 a平均氣溫為10.7℃，從圖1中的歷年平均氣溫年紀(jì)變化圖可以得出相關(guān)性方程：y=0.0276x+9.8654，相關(guān)系數(shù)：R=0.73，可見年平均氣溫的變化和時間變換呈正相關(guān)關(guān)系；氣溫傾向率為0.27℃/10 a，高于中國1951—2020年的增溫速率0.26℃/10 a[26]。

圖1 1960—2019年清徐縣年平均氣溫年際變化趨勢

從圖1中的10 a滑動平均氣溫變化趨勢曲線可以得出：20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)10年代，氣溫整體呈波動上升趨勢。其中，20 世紀(jì)70 年代—80 年代和90 年代中期—21 世紀(jì)00 年代前期，氣溫呈顯著上升趨勢，其余年代氣溫變化呈現(xiàn)小幅波動；20世紀(jì)90年代底以前，10 a 滑動平均氣溫長期低于60 a 平均值，20 世紀(jì)90 年代底以后，10 a 滑動平均氣溫持續(xù)高于60 a 平均值，20世紀(jì)00年代中期高于60 a平均值的幅度達(dá)到最大，之后又有小幅回落。以10 a 滑動平均氣溫值低于60 a平均氣溫為偏冷期，高于偏暖期劃分，清徐縣年平均氣溫以20世紀(jì)90年代底為分界線，之前是偏冷期，之后是偏暖期。

2.1.2 年均氣溫的年代際變化特征如圖2 所示，清徐縣年平均氣溫呈現(xiàn)出顯著的年代際變化特征，從20世紀(jì)60 年代—21 世紀(jì)10 年代，年代平均氣溫變化分別為0.4、0.0、0.5、0.3、0.1℃。清徐縣60 a間，年代平均氣溫呈整體升高趨勢，20 世紀(jì)60 年代—70 年代和80 年代—90 年代，年代平均氣溫上升幅度較大；20 世紀(jì)90年代—21 世紀(jì)10 年代，年代平均氣溫上升幅度不大；20世紀(jì)70年代—80年代，年代平均氣溫基本無變化。綜上，年均氣溫的年代際變化整體呈現(xiàn)上升趨勢，具體變化特征表現(xiàn)為“顯著上升—基本不變—顯著上升—平緩上升”的趨勢。

圖2 1960—2019年清徐縣不同年代年均氣溫變化趨勢

2.1.3 年均氣溫的突變分析本研究運(yùn)用M-K 趨勢檢驗(yàn)與突變分析方法對清徐縣1060—2019 年平均氣溫進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)和突變分析，如圖3 所示：20 世紀(jì)60 年代—70年代和70年代中期—90年代，清徐縣年平均氣溫呈波動性變化，未表現(xiàn)出明顯的上升或下降趨勢。20 世紀(jì)70 年代初期—中期和80 年代中期之后，清徐縣年平均氣溫呈明顯上升趨勢，尤其是20世紀(jì)90年代之后，年平均氣溫的升高趨勢達(dá)到顯著水平，而且UF曲線在1991 年時超過臨界值。依據(jù)UF 和UB 2 條曲線在臨界值處的交點(diǎn)，可以判斷出清徐縣年平均氣溫的突變時間是從1991 年開始的。突變前年平均氣溫為10.3℃，突變后年平均氣溫為11.2℃，較突變之前升高了0.9℃。因此，清徐縣1060—2019年年平均氣溫整體呈升高趨勢，偶有波動，在20世紀(jì)90年代后年平均氣溫發(fā)生突變，并持續(xù)升溫變暖。

圖3 1960—2019年清徐縣年平均氣溫變化趨勢及突變分析

2.2 四季氣溫變化特征

2.2.1 四季氣溫的年際變化特征如圖4 所示，為清徐縣1060—2019年四季平均氣溫年際變化圖，從圖4a中可以明顯看出，春季平均氣溫呈波動上升趨勢，相關(guān)性方程為：y=0.0435x+11.08，氣溫傾向率為0.43℃/10 a，相關(guān)系數(shù)R=0.69，由于相關(guān)系數(shù)R＞0.5，表明春季氣溫的變化和時間變換呈正相關(guān)關(guān)系。從10 a滑動平均氣溫變化趨勢曲線可以得出：20 世紀(jì)90 年代之前，清徐縣春季氣溫整體上均低于春季歷年平均氣溫值(12.4℃)，處于偏冷期。20 世紀(jì)90 年代—21 世紀(jì)00 年代，春季氣溫開始快速持續(xù)升高，自2000年開始，春季10 a滑動平均氣溫均高于歷年平均值，進(jìn)入偏暖期。

圖4 1960—2019年清徐縣平均氣溫的年際變化趨勢

從圖4b中可以看出，夏季氣溫變化趨勢與春季的變化趨勢基本相似，氣溫傾向率為0.13℃/10 a，是4 個季節(jié)中氣溫升高幅度最小的，對年平均氣溫上升影響也是最小的，其相關(guān)性方程為：y=0.0133x+22.834，相關(guān)系數(shù)為：R=0.34，從相關(guān)性方程和相關(guān)系數(shù)來看，夏季的氣溫和時間之間的相關(guān)性并不顯著。從10 a滑動平均氣溫變化趨勢曲線可以得出：20世紀(jì)90年代末之前氣溫相對偏冷，且在20世紀(jì)80年代中期之后氣溫快速上升，90年代末進(jìn)入偏暖期。

秋季氣溫和時間的相關(guān)性方程為：y=0.0194x+9.8907，相關(guān)系數(shù)R=0.44，從圖4c 中可以看出，秋季氣溫隨時間呈波動升高趨勢，氣溫傾向率為0.19℃/10 a。從10 a滑動平均變化趨勢曲線可以得到：除20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代末，各年代氣溫均呈波動性上升趨勢。與夏季變化趨勢類似，秋季氣溫在20世紀(jì)90年代末之前，10 a滑動平均氣溫值均比歷年平均值低，處于偏冷期，之后進(jìn)入偏暖期。

由圖4d 可以得出冬季氣溫和時間的相關(guān)性方程為：y=0.0345x-4.3599，相關(guān)系數(shù)R=0.53，呈波動上升趨勢，氣溫傾向率為0.37℃/10 a，且從相關(guān)系數(shù)來看，冬季氣溫和時間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。從10 a滑動平均氣溫變化趨勢曲線可以得到：冬季氣溫在20世紀(jì)90年代之前為偏冷期，之后年代進(jìn)入偏暖期。

總體而言，清徐縣1060—2019年來四季氣溫均呈整體波動升高趨勢，按照升溫幅度排序?yàn)椋捍杭荆径荆厩锛荆鞠募?。冬季?0世紀(jì)90年代開始進(jìn)入偏暖期，其余季節(jié)均從21世紀(jì)00年代開始進(jìn)入偏暖期。

2.2.2 四季氣溫的年代際變化特征 圖5 為清徐縣1060—2019 年4 個季節(jié)平均氣溫的年代際變化圖，由上圖可以看出：春季氣溫年代際變化整體呈升高變化趨勢，20世紀(jì)10年代略有下降，但仍較大幅度高于20世紀(jì)60年代—21世紀(jì)00年代，尤其是20世紀(jì)00年代升高幅度較大，較之20 世紀(jì)90 年代增加0.8℃（圖5a）。夏季氣溫年代際變化呈先低降后升高的變化趨勢。20世紀(jì)60年代—80年代，夏季氣溫年代際均值呈降低變化趨勢，下降0.2℃左右，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)最低值，約為22.8℃。20 世紀(jì)90 年代—21 世紀(jì)10 年代，夏季氣溫年代際均值呈持續(xù)升高變化趨勢，增加值在0.1℃左右，但20世紀(jì)90年代相比較80年代增加0.4℃（圖5b）。秋季氣溫年代際整體呈升高變化趨勢，20世紀(jì)80 年代略微有些下降，較70 年代僅下降0.2℃（圖5c）。冬季氣溫年代際變化整體也呈升高趨勢，21 世紀(jì)10 年代略有下降，相較于21 世紀(jì)00 年代僅僅降低0.3℃，與春季變化趨勢基本類似（圖5d）。總體上，清徐縣四季氣溫的年代際變化整體呈現(xiàn)為升高趨勢，夏季為先下降后上升，其余三季僅部分年代略有下降。

圖5 1960—2019年清徐縣四季平均氣溫的年代際變化

2.2.3 四季氣溫的突變分析如圖6所示，為清徐縣4個季節(jié)的平均氣溫變化趨勢及突變分析結(jié)果，從圖中可以看出：清徐縣春季氣溫整體呈升高變化趨勢，20 世紀(jì)90年代中期之前震蕩性變化顯著，氣溫高低交錯波動變化，之后開始顯著升高。根據(jù)UF 和UB 2 條曲線的交點(diǎn)位置和UF 曲線超過臨界值的年份，可以判斷出春季（圖6a）氣溫的突變應(yīng)該是從1996年開始，突變前的春季氣溫為11.8℃，之后為13.3℃，較突變前上升1.5℃。夏季（圖6b）氣溫從20世紀(jì)90年代中期以后開始呈現(xiàn)出升高變化趨勢，雖然UF 曲線在2018 年超過臨界值，但因后續(xù)觀測數(shù)據(jù)較少，加之UF 和UB 兩條曲線在21 世紀(jì)00 年代—10 年代中期出現(xiàn)多個交叉點(diǎn)，因此并不能確定夏季氣溫出現(xiàn)突變。秋季（圖6c）氣溫呈波動性上升趨勢，在20世紀(jì)90年代中期以后呈現(xiàn)出顯著升高變化趨勢。根據(jù)UF和UB 2條曲線的交點(diǎn)位置和UF 曲線超過臨界值的年份，可以判斷出秋季氣溫的突變從1994 年開始，突變前的秋季氣溫為10.2℃，之后為10.9℃，較突變前上升0.7℃。冬季（圖6d）氣溫在20世紀(jì)70年代以前呈現(xiàn)出顯著的震蕩性變化，20 世紀(jì)70 年代—21 世紀(jì)00 年代中期呈明顯上升趨勢，之后波動趨于平緩中期以后呈明顯上升趨勢。根據(jù)UF和UB兩條曲線的交點(diǎn)位置和UF曲線超過臨界值的年份，可以判斷出冬季氣溫的突變從1980年開始，突變前的冬季氣溫為-4.1℃，之后為-2.9℃，較突變前上升1.2℃。

圖6 1960—2019年清徐縣四季平均氣溫變化趨勢及突變分析

2.3 氣溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及建議

2.3.1 氣溫對糧食產(chǎn)量的影響圖7為1960—2019年清徐縣糧食產(chǎn)量和年平均氣溫變化趨勢圖，從圖中可以看出清徐縣糧食產(chǎn)量整體呈上升趨勢，從2014年之后產(chǎn)量開始下降。通過SPSS軟件對全年糧食產(chǎn)量、秋糧年產(chǎn)量、夏糧年產(chǎn)量和年平均氣溫進(jìn)行了相關(guān)性分析，分析結(jié)果顯示：全年糧食產(chǎn)量和年平均氣溫之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.387；秋糧年產(chǎn)量和年平均氣溫之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.511；夏糧年產(chǎn)量和年平均氣溫之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)為-0.134。在Pearson相關(guān)性分析中，通過分析糧食產(chǎn)量和年平均氣溫之間的相關(guān)系數(shù)可知：全年糧食總產(chǎn)量和秋糧年產(chǎn)量與年平均氣溫顯著相關(guān)，夏糧產(chǎn)量與年平均氣溫不相關(guān)。由此可知：氣溫變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響顯著，尤其是在秋糧產(chǎn)量方面的影響較為突出。

圖7 1960—2019年清徐縣糧食產(chǎn)量和年平均氣溫變化趨勢

2.3.2 合理開發(fā)農(nóng)業(yè)資源建議

（1）充分利用熱量資源，擴(kuò)大喜溫作物種植面積，豐富喜溫作物品種。清徐縣整體氣溫程上升趨勢，熱資源不斷增多，作物生長期有效積溫增加顯著，可因地制宜調(diào)整清徐縣農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，增加玉米、高粱等喜溫作物種植面積，培育或引種能適應(yīng)清徐農(nóng)業(yè)氣候條件的新品種，提升作物抗逆性，增加農(nóng)作物品種多樣性。

（2）合理開發(fā)利用光熱資源，大田作物適時早播，積極發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。清徐縣春冬季增溫幅度大，光熱資源顯著增多，為作物生長提供了充足的光照和熱力條件，促使一些越冬作物提前進(jìn)入返青期，同時大田早春作物也可根據(jù)光熱條件適時早播，并積極發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，開展大棚和溫室蔬菜、水果等種植，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造局地小氣候?？杉哟蠓醇竟?jié)蔬菜、水果的種植，豐富省市縣菜籃子、果籃子，從而起到帶動農(nóng)民增收，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用。

3 結(jié)論

綜上所述，1960—2019年來，清徐縣年平均氣溫整體呈現(xiàn)出升溫的變化趨勢，氣溫傾向率為0.28℃/10 a，增溫速率已達(dá)到全國同期平均水平。在60 a間先后經(jīng)歷了冷暖兩個時期，以20世紀(jì)90年代底為界線，之前是偏冷期，之后是偏暖期。年代際變化特征為“明顯上升—不變—明顯上升—平緩上升”。存在顯著的突變點(diǎn)，時間為1991年，較突變之前上升了0.9℃。

四季平均氣溫在60 a 間均表現(xiàn)出升溫的變化趨勢，除了冬季為20世紀(jì)90年代以外，其余三季均從90年代末開始顯著呈升溫趨勢，進(jìn)入偏暖期。按照升溫幅度排序?yàn)椋捍杭荆径荆厩锛荆鞠募尽Ｄ甏H變化整體呈現(xiàn)為升溫的趨勢，夏季為先下降后上升，其余三季僅部分年代略有下降。另外，春季、秋季和冬季3個季節(jié)平均氣溫在60 a 間均存在顯著的突變點(diǎn)，時間分別為1996、1994、1980 年，夏季沒有出現(xiàn)顯著的突變點(diǎn)。

清徐縣糧食產(chǎn)量整體呈上升趨勢，從2014年之后產(chǎn)量開始下降。全年糧食總產(chǎn)量和秋糧年產(chǎn)量與年平均氣溫顯著相關(guān)，夏糧產(chǎn)量與年平均氣溫不相關(guān)。溫變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響顯著，對秋糧年產(chǎn)量的影響尤為突出。由于清徐縣整體氣溫程上升趨勢，且春冬季節(jié)增溫幅度明顯，光熱資源不斷增多，建議充分利用熱量資源，擴(kuò)大喜溫作物種植面積，豐富喜溫作物品種，同時合理開發(fā)利用光熱資源，大田作物適時早播，積極發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。