王云鵬 李紅英 于亞楠 雷淑琴 郭良才 胡新華

摘要：選取了河西走廊西部的酒泉市綠洲區(qū)為代表，利用境內(nèi)8個(gè)氣象站1961-2018年的逐日氣溫實(shí)測數(shù)據(jù)，主要采用五日滑動(dòng)平均、氣候傾向率、M-K突變檢驗(yàn)和小波分析等方法，分析了近60年典型綠洲生態(tài)區(qū)≥10℃積溫的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，≥10℃積溫區(qū)域分布不均，差異較大;≥10℃積溫呈現(xiàn)出初日提前、終日推遲為主的增加趨勢;近60年≥10℃積溫、終日和持續(xù)日數(shù)分別在2004、1974和1997年發(fā)生了突變：≥10℃積溫存在準(zhǔn)26年強(qiáng)振蕩周期，在1961-1970年、1971-1999年以及21世紀(jì)以來大致呈現(xiàn)了升高一降低一升高的變化過程;≥10℃積溫初日、終日和持續(xù)日數(shù)的短周期振蕩在各時(shí)段有較明顯的差異性。

關(guān)鍵詞：典型綠洲生態(tài)區(qū);積溫;氣候演變;小波分析;區(qū)域響應(yīng)

中圖分類號：P467

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0030-05

D01：10.14088/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.006

氣候變化及其影響是當(dāng)今國際上廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題，區(qū)域響應(yīng)復(fù)雜而迥異[1]。熱量是生態(tài)環(huán)境的重要因子，是生物體生活的重要條件，對作物生長發(fā)育、社會生產(chǎn)生活有顯著的影響，而熱量資源指一個(gè)地區(qū)可供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的熱量，是一種主要的農(nóng)業(yè)氣候資源[2-4]。衡量某地區(qū)熱量資源的主要指標(biāo)是不低于某一界限溫度的積溫及其相應(yīng)的持續(xù)天數(shù)。積溫是一種重要的生態(tài)環(huán)境資源和氣候資源，它的初日、終日、持續(xù)時(shí)間和積溫多少是重要的農(nóng)業(yè)生長指標(biāo)，各地積溫分布不均，存在很大的時(shí)間變化和空間分布差異[5-8]，它不僅代表了廣大生態(tài)循環(huán)生長周期的長短和所需熱量資源的多寡，尤其能反映農(nóng)作物播種時(shí)間、生長周期和成熟時(shí)間的變化，是各地進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃以及預(yù)報(bào)農(nóng)作物物候期、產(chǎn)量、病蟲害發(fā)生期的重要?dú)庀笠罁?jù)[9-11]。10℃積溫是喜溫作物適宜生長的起始溫度，它能反映喜溫作物所需熱量資源的多寡，是衡量一個(gè)地區(qū)熱量資源的重要指標(biāo)，相關(guān)研究表明，中國部分地區(qū)≥10℃積溫的時(shí)空分布發(fā)生了顯著變化[12-18]。目前國內(nèi)外大多學(xué)者對熱量資源的研究內(nèi)容涉及農(nóng)業(yè)氣候資源的分布與利用、作物生長季內(nèi)熱量資源的變化特征及其對作物生產(chǎn)、種植和耕作制度的影響等方面。柏秦鳳等[19]研究指出，在全球氣溫不斷上升的背景條件下，中國大部分地區(qū)≥10℃積溫也呈明顯的上升趨勢。全球氣候變暖背景下華北平原≥0℃和≥10℃積溫在空間分布上呈現(xiàn)明顯的北移東擴(kuò)特征[20]。馬倩倩等[21]研究了中國北部冬麥區(qū)小麥生育期對生育階段積溫變化的響應(yīng)。華南地區(qū)穩(wěn)定通過10℃積溫受氣候帶影響整體向高海拔和高緯度移動(dòng)[22]。黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)積溫演變增加和周期特征突出，黃土高原正負(fù)積溫變化的區(qū)域一致性程度較高，積溫及其持續(xù)日期存在突變式增加[23.24]。

河西走廊西部的酒泉市，地處祁連山北麓，北部是馬鬃山，呈東南一西北長條狀，地勢自東向西，由南向北傾斜，面積19.2萬km2，占甘肅省總面積的42%，境內(nèi)戈壁、沙漠、丘陵、平原錯(cuò)綜分布，綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)光熱豐富，氣候干燥，晝夜溫差大，荒漠化程度重，水資源日益匱乏，生態(tài)環(huán)境惡化趨勢嚴(yán)重，屬西北內(nèi)陸干旱氣候區(qū)，是氣候變化的敏感區(qū)，也是生態(tài)脆弱區(qū)。起源于祁連山區(qū)的疏勒河流域，為本區(qū)域發(fā)展綠洲農(nóng)業(yè)提供了水資源供給保障。酒泉市是中國西北重要的商品糧基地和經(jīng)濟(jì)作物集中產(chǎn)區(qū)，盛產(chǎn)玉米、小麥、油料、瓜果與蔬菜，也是著名的作物育種基地，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐作用舉足輕重。研究積溫的時(shí)空變化特征，以便掌握此區(qū)域熱量資源分布，明確熱量資源變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，為合理布局種植結(jié)構(gòu)、積極開發(fā)利用氣候資源、應(yīng)對氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響和規(guī)避可能的氣候風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料選取與處理

利用甘肅省氣象信息中心提供的酒泉市8個(gè)地面自動(dòng)氣象觀測站1961-2018年逐日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。為消除日平均氣溫逐日變化的不穩(wěn)定波動(dòng)，采用農(nóng)業(yè)氣候?qū)W中常用的五日滑動(dòng)平均法[25，26]，確定日平均氣溫穩(wěn)定通過≥10℃的初日和終日，初日和終日之間的日數(shù)記為持續(xù)時(shí)間，初終日間積溫為起止日間日平均氣溫的累計(jì)值。

1.2 方法

采用氣候傾向率法、小波分析法[27]和Mann-Kendall方法[28]。利用氣候傾向率法分析8個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2018年≥10℃積溫變化趨勢。線性方程的斜率表征時(shí)間序列的平均趨勢，即γ=b+at，其中，t為時(shí)間序列;b為回歸截距;a為回歸斜率，本研究以a 的10倍作為氣象要素的氣候傾向率。

采用F檢驗(yàn)法對擬合的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（a=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱量資源的空間分布特征

酒泉市1961-2018年穩(wěn)定通過≥10℃積溫空間分布如圖1所示。酒泉市通過≥10℃積溫分布在2 000-3 677℃，兩者之間相差1 677℃，積溫分布不均，區(qū)域分布差異較大。最大值出現(xiàn)在敦煌市，多年平均為3 677.4℃，次高值為瓜州縣，為3 584.1℃。積溫最少的地區(qū)是馬鬃山地區(qū)，多年平均為2 002.9℃?？臻g分布趨勢大致自盆地向山區(qū)遞減。熱量資源相對豐富的地區(qū)是安敦盆地，日平均氣溫穩(wěn)定通過≥10℃積溫為3 600-3 900℃，熱量不足的地方是馬鬃山區(qū)和祁連山區(qū)，為2 000-2 500℃，酒泉市農(nóng)作區(qū)積溫為3 000-3 800℃。此區(qū)域積溫受地形地勢和緯度的影響明顯，等積溫線與該地區(qū)地形等高線基本一致，由祁連山自南向北遞增和由馬鬃山自北向南遞增，積溫和海拔高度之間存在密切的負(fù)相關(guān)，這與文獻(xiàn)[29]分析一致。

2.2 熱量資源時(shí)間變化特征

2.2.1 ≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)的變化趨勢 酒泉市近60年的≥10℃積溫增加趨勢明顯（圖2），積溫時(shí)間序列的變化趨勢呈現(xiàn)出顯著的增溫趨勢，積溫變化傾向率為42.4℃/10年，R2=0.188 4，F(xiàn)=13.1（F0.01=7.08），表明呈極顯著正相關(guān)。

從圖2可以看出，≥10℃積溫在各年代變化差異較大。在1971-1980年、1981-1990年和1991-2000年積溫呈明顯的負(fù)距平，其中1982年≥10℃積溫僅2 755.5℃，負(fù)距平達(dá)459.4℃。1961-1970年和進(jìn)入21世紀(jì)以來則呈現(xiàn)明顯的正距平，在近60年時(shí)間序列中，≥10℃積溫最高值出現(xiàn)在2009年，正距平313.4℃。氣溫年代際變化中1971-1980年積溫處于相對的谷值期，而進(jìn)入21世紀(jì)積溫顯著升高，正距平達(dá)156.2℃，處于峰值期。值得注意的是1968-1996年的29年時(shí)間中，只有7年呈微弱的正距平，其余年份積溫均呈現(xiàn)負(fù)距平。1997-2018年的22年中，除2003年和2015年為負(fù)距平外，其余年份積溫均呈現(xiàn)正距平。說明此區(qū)域≥10℃積溫存在著明顯的前期冷后期暖的演變趨勢。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，≥10℃積溫的增加趨勢極顯著。

區(qū)域內(nèi)8個(gè)站點(diǎn)氣候傾向率均通過顯著性檢驗(yàn)（圖3）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1961-2018年酒泉市≥10℃積溫初日以1.0 d/10年的傾向率提前，但各站點(diǎn)提前趨勢各不相同，其中馬鬃山站提前趨勢最明顯，近60年提前3.1 d/10年。肅北縣提前趨勢不明顯，未通過顯著性檢驗(yàn)。近60年≥10℃積溫初日多年平均日期為4月25日，最早在4月16日，分別出現(xiàn)在1981、2009、2012和2017年，最晚出現(xiàn)在1982年5月6日。而近60年來酒泉市≥10℃積溫終日則以1.1 d/10年的傾向率推后，但各縣市區(qū)推后趨勢也各不相同，與初日變化趨勢類似，馬鬃山推后趨勢最明顯，近60年推后傾向率為2.3 d/10年，其余縣市區(qū)推后傾向率為0.5-1.5 d/10年。近60年≥10℃積溫終日多年平均日期為10月7日，最早出現(xiàn)在1969年9月22日，最晚出現(xiàn)在2006年10月13日?！?0℃積溫持續(xù)日數(shù)的年平均氣候傾向率為2.1 d/10年，馬鬃山變化速率最大?！?0℃積溫初日、終日和持續(xù)日數(shù)均通過a=0.05的信度檢驗(yàn)。表明近60年酒泉市日平均氣溫≥10℃積溫和持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，初日呈現(xiàn)提前趨勢，終日呈現(xiàn)推遲趨勢，其中，馬鬃山區(qū)變化速率最大。

2.2.2 ≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)的突變特征 為探究1961-2018年酒泉市≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)突變特征，基于Mann-Kendal方法計(jì)算酒泉市≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)的正序列的UF和反序列的UB，取顯著水平a=0.05情況下臨界值為+1.96。從20世紀(jì)90年代后期開始，酒泉市≥10℃積溫有明顯上升趨勢，突變發(fā)生在2004年（圖4a），農(nóng)作區(qū)均在20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)突變，肅北位于祁連山脈西緣、河西走廊西端的南側(cè)，該站點(diǎn)的UF、UB由于有多個(gè)交叉點(diǎn)無法確定突變年份，而馬鬃山站位于河西走廊西段的北側(cè)，其突變出現(xiàn)時(shí)間較早，在1988年?！?0℃積溫初日UF和UB有多個(gè)交叉點(diǎn)無法確定突變年份（圖4b），因此≥10℃積溫初日的突變特征不明顯?！?0℃積溫終日UF和UB在1974年出現(xiàn)交點(diǎn)（圖4c），因而在該年≥10℃積溫終日發(fā)生推遲的突變。從≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)的突變特征（圖4d）可以看出，在1997年發(fā)生增加的突變。表明近60年酒泉市日平均氣溫≥10℃積溫、終日和持續(xù)日數(shù)均發(fā)生了明顯的突變，只是突變的年份有所不同。

2.2.3 ≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)的周期變化為研究≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)的周期變換特征，采用Morlet小波變換進(jìn)行分析研究，實(shí)線表示正位相，即實(shí)部值大于0，虛線則反之，小波的實(shí)線和虛線波動(dòng)表征了≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)隨時(shí)間增加和減少交替變化的特征。可以看出，≥10℃積溫存在多尺度的周期特征，其分布如圖5a所示，大尺度周期上來看，≥10℃積溫存在24-27年的強(qiáng)振蕩周期，且貫穿于整個(gè)研究時(shí)段，在1961-1970年、1971-1999年以及21世紀(jì)以來大致呈現(xiàn)了升高一降低一升高的變化過程，1990年以來存在1個(gè)20年左右的周期，1977年以來還存在6-7年的升高、降低交替出現(xiàn)的小周期，表明酒泉市仍處在積溫升高期?！?0℃積溫初日振蕩變化在各時(shí)段有一定差異（圖5b），在近60年中，存在15年左右的強(qiáng)周期尺度，其中1975年以前、2003年以后為初日提前期，1975-2002年為初日推后期，60年代中期以來存在1個(gè)13年左右的小周期。1977-2015年初日存在3-5年的年際尺度周期，且周期有變長趨勢，初日有提前的趨勢?！?0℃積溫終日振蕩變化，在1985年以后有1個(gè)17-19年的周期（圖5c），1998年以后存在10-12年的年代際周期，近年來周期長度有縮短且變?nèi)醯内厔??！?0℃積溫持續(xù)日數(shù)振蕩變化（圖5d），主要反映有兩個(gè)尺度的周期變化，在整個(gè)研究時(shí)段存在1個(gè)10年左右的強(qiáng)周期，經(jīng)歷了增加一減少一增加的變化過程，在1977年以后存在1個(gè)6-8年短周期，2010年以來此種周期變化明顯變短，≥10 qC積溫持續(xù)日數(shù)增加。表明在近60年中酒泉市≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)的振蕩周期在各時(shí)段有一定的差異性，酒泉市積溫、持續(xù)日數(shù)增加，初日有提前的趨勢，終日振蕩周期不明顯。

3 小結(jié)與討論

1）酒泉市多年平均（1961-2018年）≥10℃積溫分布在2 000-3 677℃，兩者之間相差1 677℃，積溫分布不均，區(qū)域分布差異較大。1961-2018年酒泉市日平均氣溫≥10℃積溫和持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，初日呈現(xiàn)提前趨勢，終日呈現(xiàn)推遲趨勢，馬鬃山區(qū)變化速率最大。

2）近60年酒泉市日平均氣溫≥10℃積溫、終日和持續(xù)日數(shù)分別在2004、1974和1997年發(fā)生了突變，而初日在95%的顯著性水平下未發(fā)生突變。

3）近60年酒泉市≥10℃積溫、初終日和持續(xù)日數(shù)的振蕩周期在各時(shí)段有一定的差異性?！?0℃積溫存在24-27年的強(qiáng)振蕩周期，在整個(gè)研究時(shí)段，1961-1970年、1971-1999年以及21世紀(jì)以來大致呈現(xiàn)了升高一降低一升高的變化過程;≥10℃積溫初日存在15年左右的強(qiáng)周期尺度，1977-2015年還存在3-5年的年際尺度周期;≥10℃積溫終日振蕩變化在1985年以后有1個(gè)17-19年的周期，1998年以后存在10-12年的年代際周期，近年來周期長度有縮短且變?nèi)醯内厔??！?0℃積溫持續(xù)日數(shù)存在10年左右的強(qiáng)周期，1977年以后還存在1個(gè)6-8年短周期，2010年以來此種周期變化明顯變短。未來幾年，酒泉市積溫、持續(xù)天數(shù)增加，初日有提前的趨勢，終日振蕩周期不明顯。

4）在全球氣候變暖的大背景下，酒泉市熱量資源在21世紀(jì)以來呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，一方面熱量資源的持續(xù)增加使春季作物播種出苗、林果開花期等提前，可能會受到晚霜凍的危害。另一方面受熱量限制的一些病蟲害活動(dòng)的地理范圍產(chǎn)生變化[30.31]，增加防治難度和成本，如何利用好增加的熱量資源，做到熱量指標(biāo)利用最大化，減緩或規(guī)避氣候變暖帶來的不利影響，是農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化方面的重要研究方向。

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基金項(xiàng)目：西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目研究試驗(yàn)項(xiàng)目;甘肅省氣象局科技項(xiàng)目（ Ms2020-13 ）

作者簡介：王云鵬（1967-），男，甘肅會寧人，工程師，主要從事氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象研究，（電話）18919015559（電子信箱）1990495093@qq.com;通信作者，李紅英（1979-），女，高級工程師，主要從事氣候變化與研究，（電子信箱）16439597@qq.com。