龐 博，李百超

（1.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150030；2.黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱150001）

1 引言

氣候變化是當(dāng)前人類所面臨的全球性環(huán)境問題。2007年政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)進(jìn)行了第四次評估報(bào)告， 報(bào)告指出由于溫室氣體的大量排放，全球100 a（1906-2005年）增溫平均0.74 ℃，預(yù)計(jì)到2100年全球平均增溫預(yù)計(jì)最高將達(dá)到1.1-6.4℃[1]。地處中國最北端的黑龍江省自上世紀(jì)80年代以來氣候明顯變暖，120 a 來氣溫上升1.4 ℃， 近50 a來氣溫上升1.0 ℃，黑龍江省現(xiàn)已成為全國氣候變暖中心[2]。 南北跨越11 個(gè)緯度的黑龍江省，地域遼闊，地形復(fù)雜多變，各種喜溫、喜涼作物廣泛種植；熱量資源一直是限制黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要?dú)庀笠蜃?，而氣溫受緯度、海拔高度及地形的影響，差異顯著。 積溫帶則成為黑龍江省各種作物種植界限的重要參考依據(jù)。 氣候變暖背景下，氣溫上升，積溫增加，將直接導(dǎo)致黑龍江省各個(gè)積溫帶的明顯變化和移動(dòng)。

近年來，利用SRES 的情景模式研究未來一段時(shí)期的氣候變化國內(nèi)外已見諸多報(bào)道， 主要集中在氣候資源配置的趨勢演變， 農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的可能性變化及作物產(chǎn)量的模擬等方面， 其研究都在不斷的探索、揭示氣候變化背景下，氣候因子和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面發(fā)生的變化和響應(yīng)， 及如何適應(yīng)氣候變化的事實(shí)， 這些研究對我國應(yīng)對氣候變化提供了強(qiáng)有力的理論支撐。

農(nóng)業(yè)氣候上常用的界限溫度有日平均溫度0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃等。 界限溫度的出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)對確定地區(qū)的作物布局、耕作制度、品種搭配等都具有十分重要的意義。 氣溫穩(wěn)定通過15 ℃的初日是喜溫作物旺盛生長的開始。 ≥15 ℃的天數(shù)可作為喜溫作物如水稻、 玉米等作物生長發(fā)育是否有利的指標(biāo)，稱為旺盛生長期。 鑒于此，本文采用區(qū)域氣候模式PRECIS 輸出的SRES B2 情景數(shù)據(jù)， 與基準(zhǔn)時(shí)段（1961-1990年）比較，著重分析15 ℃界限溫度變化特征，預(yù)估黑龍江省各積溫帶格局的演變過程，為黑龍江省未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃提供理論支撐， 保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前瞻性和預(yù)見性， 穩(wěn)定和鞏固黑龍江省在全國糧食生產(chǎn)中的重要地位。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

使用區(qū)域氣候模式PRECIS 輸出的SRES B2 情景下2021-2050年、基準(zhǔn)時(shí)段（1961-1990年) 網(wǎng)格點(diǎn)(分辨率50 km×50 km )逐日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，研究未來黑龍江省15 ℃界限溫度的特征變化。B2 情景的構(gòu)建條件是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展情景，人口以略低A2 的速度增長，世界體現(xiàn)出區(qū)域化傾向，并注重區(qū)域生態(tài)。

2.2 研究方法

2.2.1 80%保證率

選定農(nóng)業(yè)氣象界限溫度15 ℃為研究對象， 其依據(jù)為穩(wěn)定≥15 ℃時(shí)期為黑龍江省主栽作物水稻、玉米的旺盛生長期。

利用5 d 滑動(dòng)平均法求算黑龍江省SRES B2 情景下2021-2050年、 基準(zhǔn)時(shí)段逐日平均氣溫穩(wěn)定通過15 ℃的初日和終日，計(jì)算≥15 ℃的持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫。

應(yīng)用SPSS 軟件對積溫樣本進(jìn)行偏度系數(shù)和峰度系數(shù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，所有樣本均符合正態(tài)分布。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)既希望充分利用氣候資源獲得高產(chǎn)，又要求產(chǎn)量能夠相對穩(wěn)定， 所以要求氣候資源有較高的保證率。 本研究利用Office 2003 中Excel 函數(shù)NORMINV，采用經(jīng)驗(yàn)值80%[3]求算SRES B2 和基準(zhǔn)時(shí)段樣本正態(tài)分布下80%保證率初日、終日、間隔日數(shù)和活動(dòng)積溫。

2.2.2 等值線與柵格圖的制作

1月1日為日續(xù)1，1月2日為日續(xù)2， 以此類推，利用ArcGIS 繪制≥15 ℃的初日日續(xù)、終日日續(xù)、間隔日數(shù)等值線圖。

采用SPSS 軟件，分析網(wǎng)格點(diǎn)積溫與經(jīng)度、緯度、海拔高度之間的關(guān)系，擬合優(yōu)化回歸方程，建立空間計(jì)算模型[4]。

表1 為擬合得到的SRES B2 情景與基準(zhǔn)時(shí)段黑龍江省≥15 ℃活動(dòng)積溫的空間分析模型。 回歸方程經(jīng)T 檢驗(yàn)和回歸系數(shù)檢驗(yàn)， 均達(dá)到P＜0.01， 模型成立。

利用回歸模型，應(yīng)用ArcMAP 的空間分析模塊生成均質(zhì)的積溫模擬柵格數(shù)據(jù)； 并將模型計(jì)算值與點(diǎn)積溫值進(jìn)行對比，得到各點(diǎn)回歸后的剩余殘差值，采用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值[5]，將空間插值得到的各個(gè)點(diǎn)上的剩余殘差值訂正到模擬積溫柵格上，即得到積溫的氣候柵格圖。

表1 SRES 模擬黑龍江省≥15 ℃積溫空間分析模型

2.2.3 ≥15 ℃積溫帶精細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)

本文根據(jù)黑龍江省現(xiàn)行的≥10 ℃積溫帶劃分標(biāo)準(zhǔn)[6]即每200 ℃·d 為一積溫帶(表2)，制作≥15 ℃積溫帶區(qū)劃圖。

表2 黑龍江省≥15 ℃積溫帶劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)定通過15 ℃初日、終日和間隔日數(shù)分析

黑龍江省現(xiàn)分為13 個(gè)市級地區(qū)， 其中齊齊哈爾、綏化、大慶和哈爾濱屬松嫩平原；鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺(tái)河和雞西屬三江平原。 松嫩平原、三江平原和黑河地區(qū)為黑龍江省主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)。

圖1 中a、c 和e 為B2 情 景下2021-2050年穩(wěn)定通過15 ℃初日、終日和間隔日數(shù)等值線圖，b、d 和f 為B2 情景與基準(zhǔn)時(shí)段初日、 終日和間隔日數(shù)差值的等值線圖。

由圖1a 可見，SRES B2 情景2021-2050年≥15℃初日松嫩平原、三江平原和黑河地區(qū)穩(wěn)定通過時(shí)間為4月30日-5月30日， 其中松嫩平原西南部穩(wěn)定通過時(shí)間最早， 從西南至東北方向穩(wěn)定通過時(shí)間逐漸延后。較之基準(zhǔn)時(shí)段，農(nóng)業(yè)種植區(qū)大部初日提前5-15 d（圖1b），其中松嫩平原中部初日提前不足5 d，黑河大部初日提前明顯，為10-15 d。

由圖1c 可見，農(nóng)業(yè)種植區(qū)≥15 ℃終日時(shí)間集中在8月18日之后出現(xiàn)，其中松嫩平原中南大部和三江平原大部終日時(shí)間較晚，在8月28日后。 較之基準(zhǔn)時(shí)段，農(nóng)業(yè)種植區(qū)大部終日延后5-15 d（圖1d），其中松嫩平原西南部、三江平原、黑河?xùn)|北部終日延后時(shí)間較長，為10-15 d。

由圖1e 可見，農(nóng)業(yè)種植區(qū)≥15 ℃初終日間隔日數(shù)為70-110 d， 其中松嫩平原中南大部間隔日數(shù)最長，為90-110 d；三江平原大部間隔日數(shù)較長，為80-100 d；黑河大部間隔日數(shù)為70-90 d。較之基準(zhǔn)時(shí)段，農(nóng)業(yè)種植區(qū)間隔日數(shù)增加15-30 d（圖1f），其中松嫩平原西部及東北部、三江平原大部和黑河地區(qū)間隔日數(shù)增加明顯，為20-30 d。

圖1 黑龍江省B2 情景下穩(wěn)定通過15 ℃初、終日及間隔日數(shù)與其基準(zhǔn)時(shí)段差值的等值線分布

3.2 SRES 模擬未來積溫帶的界限變化

按照SRES 模擬未來 （2021-2050） 氣候變化情景,B2 情景下未來≥15 ℃積溫的分布特點(diǎn)為，松嫩平原大部為1 800-2 600 ℃·d，積溫梯度大。 三江平原大部為1 800-2 200 ℃·d， 黑河農(nóng)區(qū)為1 200-2 000℃·d；按照劃分標(biāo)準(zhǔn)，B2 情景下黑龍江省可劃分出8個(gè)≥15 ℃積溫帶，與基準(zhǔn)時(shí)段模擬值比較，松嫩平原新出現(xiàn)F、G 和H 積溫帶，三江平原新出現(xiàn)E 和F 積溫帶，E、F、G 和H 積溫帶基本覆蓋了松嫩平原和三江平原，其中F 區(qū)域范圍為122.73-134.13°E、43.71-48.53°N；G 區(qū) 域 范 圍 為122.87-127.87°E、44.40-47.98°N；H 區(qū) 域 范 圍 為123.11-126.34°E、45.17-47.25°N。

各積溫帶具體變化表現(xiàn)為，E 積溫帶大幅度北移、東擴(kuò)，西拓至黑龍江省最西端，東擴(kuò)至三江平原最東端， 達(dá)8.2 個(gè)經(jīng)距以上， 積溫帶主帶北移至49.47°N，北移約2.2 個(gè)緯距；非主帶移至黑河北部的黑龍江流域， 最遠(yuǎn)達(dá)3.3 個(gè)緯距。 D 積溫帶北移至50.6°N，北移約2.5 個(gè)緯距。C 積溫帶北移至51.76°N，進(jìn)入呼瑪縣境內(nèi)，北移約3.6 個(gè)緯距。 B 積溫帶北移至52.34°N，北移約3.5 個(gè)緯距。原覆蓋黑龍江省一半面積的A 積溫帶急劇北收至大興安嶺境內(nèi)，至600 m以上的高海拔地區(qū)。 A 和B 積溫帶在黑龍江省農(nóng)業(yè)種植區(qū)消失；C 積溫帶退至350-450 m 的較高海拔地區(qū)，在農(nóng)業(yè)種植區(qū)基本消失。

黑龍江省各地較基準(zhǔn)時(shí)段≥15 ℃積溫均顯著增加；除大興安嶺、伊春等高海拔地區(qū)較基準(zhǔn)時(shí)段偏多300-500 ℃·d 外，其它大部地區(qū)偏多500-700 ℃·d，其中三江平原東部偏多700 ℃·d 以上； 農(nóng)業(yè)種植區(qū)≥15 ℃積溫較基準(zhǔn)時(shí)段跨越2.5-4 個(gè)積溫帶。

3.3 SRES 模擬的未來積溫帶的面積變化

對比SRES B2 情景下2021-2050年與基準(zhǔn)時(shí)段（1961-1990年） 模擬結(jié)果劃分的積溫帶統(tǒng)計(jì)面積可得，在基準(zhǔn)時(shí)段，黑龍江省只有A、B、C、D 和E 五個(gè)積溫帶；A 積溫帶的面積最大， 占黑龍江省總面積達(dá)51.9%；其次為B 積溫帶，占20.8%；E 積溫帶的面積最小， 占7.8%。 按照SRES B2 情景模擬后，2021-2050年黑龍江省除了上述積溫帶，又新出現(xiàn)F、G 和H 積溫帶；A 積溫帶急劇收縮， 面積僅占黑龍江省總面積20%，比基準(zhǔn)時(shí)段減小了31.9 個(gè)百分點(diǎn)，區(qū)域面積縮小2/3；B 積溫帶面積占7.4%， 比基準(zhǔn)時(shí)段減小13.4 個(gè)百分點(diǎn)，區(qū)域面積縮小近2/3；C 積溫帶面積占10%，比基準(zhǔn)時(shí)段減小了1.4 個(gè)百分點(diǎn)，區(qū)域面積變化不大；D 積溫帶面積占8.2%，比基準(zhǔn)時(shí)段增加4 個(gè)百分點(diǎn)，區(qū)域面積擴(kuò)大1/2；E 積溫帶面積占7.8%，比基準(zhǔn)時(shí)段增加9.8 個(gè)百分點(diǎn)， 區(qū)域面積擴(kuò)大1倍以上；F、G 和H 積 溫 帶 面 積 分 別 占17.9%、9.6%和5.2%。1600 ℃·d 以上積溫面積總和占62.5%，比基準(zhǔn)時(shí)段增加46.5 個(gè)百分點(diǎn)， 區(qū)域擴(kuò)大3倍左右。 可見SRES B2 情景下，2021-2050年黑龍江省≥15 ℃總體表現(xiàn)為1600 ℃·d 以下的積溫帶面積明顯收縮，1600 ℃·d 以上的積溫帶面積顯著擴(kuò)大。

4 結(jié)論與討論

氣候變化情景下，2021-2050年黑龍江省農(nóng)業(yè)種植區(qū)的15 ℃界限溫度特征表現(xiàn)為初日提前、 終日延后，初終日間隔日數(shù)明顯增加的趨勢，其中初日提前約5-15 d，終日延后5-15 d，間隔日數(shù)增加約10-30 d。 ≥15 ℃積溫顯著增加， 農(nóng)業(yè)種植區(qū)均增加500-800 ℃·d，松嫩平原新出現(xiàn)2 000-2 600 ℃·d 的3 個(gè)積溫帶，三江平原大部新出現(xiàn)1 800-2 200 ℃·d 的2個(gè)積溫帶；1 600-2 000 ℃·d 的2 積溫帶表現(xiàn)出大幅北移東擴(kuò)， 北移2.2-2.5 個(gè)緯距、 東擴(kuò)8.2 個(gè)經(jīng)距以上， 面積擴(kuò)大近1倍；1 600 ℃·d 以上5 個(gè)積溫帶面積總和占黑龍江省總面積的一半以上， 基本覆蓋農(nóng)業(yè)種植區(qū)；1 600 ℃d 以下3 個(gè)積溫帶不斷北移，并向高海拔地區(qū)移動(dòng)，面積明顯減少，其中1 200-1 600℃·d 的2 個(gè)積溫帶北移約3.5 個(gè)緯距，在農(nóng)業(yè)種植區(qū)基本消失；1 200 ℃·d 以下的積溫帶面積收縮最顯著，并在農(nóng)業(yè)種植區(qū)完全消失。

水稻和玉米為喜溫作物， 在氣候變化情景下未來黑龍江省熱量資源增加，冷害減少，水稻和玉米將是受益較大的作物，同一熟性的玉米、水稻品種種植界限隨著積溫帶的移動(dòng)而北移，東擴(kuò)；玉米與水稻生育期間≥15 ℃時(shí)間增加10-30 d，顯著增加旺盛生長時(shí)間，因此作物的形態(tài)建成和產(chǎn)量將發(fā)生改變。 作物品種逐漸向中、晚熟過渡，加之種植界限的北移、東擴(kuò)， 因此將進(jìn)一步擴(kuò)大未來黑龍江省水稻和玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)空間。

為充分利用和開發(fā)未來積溫增加這一有利的農(nóng)業(yè)氣候資源，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化，應(yīng)深入研究和制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略， 采取各種適應(yīng)性對策措施， 如調(diào)整作物育種目標(biāo)， 開展農(nóng)田基本建設(shè)，發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)氣象災(zāi)害的研究等措施減少氣候變暖造成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，改善水熱條件配置，充分發(fā)揮氣候變暖給黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的優(yōu)勢， 保證農(nóng)業(yè)的合理發(fā)展。

[1]湯緒,楊續(xù)超,田展,等.氣候變化對中國農(nóng)業(yè)氣候資源的影響[J].資源科學(xué),2011,33(10):1962-1968.

[2]氣候變化國家評估報(bào)告編寫組.氣候變化國家評估報(bào)告[M].北京:科學(xué)出版社,2007: 1-10.

[3]熊偉,許吟隆,林而達(dá),等.IPCC SRES A2 和B2 情景下我國玉米產(chǎn)量變化模擬 [J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象,2005,26(1):12-16.

[4]米娜,張玉書,蔡福,等.未來氣候變化對東北地區(qū)玉米單產(chǎn)影響的模擬研究 [J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(8):117-123.

[5]季生太,楊明,紀(jì)仰慧,等.黑龍江省近45年積溫變化及積溫帶的演變趨勢[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2009,30(2):133-137.

[6]劉光孟,汪云甲,王允.反距離權(quán)重插值因子對插值誤差影響分析[J].中國科技論文在線,2010,5(11):879-884.