崔婷茹,韓桂娥,張立峰
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河北保定071001;2.沽源縣氣象局,河北沽源076550)
冀西北壩上地區(qū)近50 a氣候資源變化分析
——以河北省張北縣為例
崔婷茹1,2,韓桂娥2,張立峰1
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河北保定071001;2.沽源縣氣象局,河北沽源076550)
通過(guò)對(duì)冀西北壩上高原張北縣1966—2015年近50 a來(lái)的氣溫、降水量和日照時(shí)長(zhǎng)等氣候因素的變化進(jìn)行分析,揭示了該地區(qū)氣候變化的若干事實(shí),找出氣候的變化趨勢(shì),以期對(duì)未來(lái)該地區(qū)氣候變化規(guī)律的全面研究提供參考。結(jié)果表明,張北地區(qū)的年平均氣溫在近50 a間以0.4℃/10 a的氣候變化率不斷上升,以冬季的氣溫上升最快(0.55℃/10 a),檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在1989年后年均氣溫上升趨勢(shì)顯著增強(qiáng);進(jìn)一步分析張北地區(qū)的極端高/低溫,結(jié)果發(fā)現(xiàn),二者均呈上升趨勢(shì),但極端低溫的上升趨勢(shì)更加顯著。分析張北地區(qū)50 a間的降水量發(fā)現(xiàn),其以-6.5 mm/10 a的變化率不斷下降,其中以夏季降水量下降幅度最大(-15.97 mm/10 a)。對(duì)張北地區(qū)50 a日照時(shí)長(zhǎng)研究發(fā)現(xiàn),張北地區(qū)的日照時(shí)長(zhǎng)以-57 h/10 a的變化速率不斷下降,以秋季下降趨勢(shì)最大,春季最?。籑-K分析發(fā)現(xiàn),張北的日照時(shí)長(zhǎng)在20世紀(jì)90年代中期發(fā)生突變,并在90年代末下降幅度達(dá)到顯著水平。通過(guò)對(duì)冀西北壩上地區(qū)的氣候變化進(jìn)行量化分析,可為進(jìn)一步研究該地氣候變化趨勢(shì)以及未來(lái)作物的合理布局、土地的高效利用等奠定一定基礎(chǔ)。
氣溫;降水;日照時(shí)長(zhǎng);M-K檢驗(yàn);張北
壩上高原位于河北省北部,包括沽源、張北、康保三縣的全部地區(qū)和尚義、豐寧滿族自治縣、圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣的部分地區(qū),平均海拔1 486 m,是華北平原向內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶,擁有較為特殊的氣候特點(diǎn)和種植結(jié)構(gòu)。以張北縣為例,其地處河北省西北部、內(nèi)蒙古高原的南緣,屬于冷溫氣候地帶,≥0℃年積溫為1 900~2 700℃,≥10℃年積溫為1 300~2 200℃,沒(méi)有明顯的夏季,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)。該地區(qū)氣溫偏低,熱量不足,但日照時(shí)間長(zhǎng),年日照時(shí)數(shù)可達(dá)2 600~3 100 h。晝夜溫差大,夏秋晝夜溫差在10~17℃。降水少,且分布不均勻,年平均降水量在401.6 mm。年降水量南北部相差較大,北部少于400 mm,而南部壩頭可達(dá)到500 mm左右。
自20世紀(jì)80年代以來(lái),全球氣候變暖引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。聯(lián)合國(guó)政府間氣象變化專門委員會(huì)(IPCC)指出,自20世紀(jì)以來(lái),全球氣溫已經(jīng)上升了0.89℃,過(guò)去3個(gè)10 a,每一個(gè)都比自1850年以來(lái)其他任何一個(gè)10 a更加炎熱[1],這種氣候的深刻變化對(duì)自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)、特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成重大影響。近年來(lái),我國(guó)許多學(xué)者也從全國(guó)或局部區(qū)域的角度對(duì)氣溫變化進(jìn)行了研究分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),我國(guó)的氣溫近百年來(lái)呈變暖趨勢(shì),與全球趨勢(shì)基本一致,但各地的變化特征具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性差異[2-8]。
M-K檢驗(yàn)法最初由MANN和KENDALL共同提出,其特點(diǎn)在于不受少數(shù)異常值的干擾,計(jì)算簡(jiǎn)便也不需要樣本遵循一定的分布,被廣泛應(yīng)用于分析徑流、降水、氣溫及水文序列等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化和顯著性檢驗(yàn)[9-11]。
在全球氣候變暖的大背景下,冀西北壩上地區(qū)的氣候正在發(fā)生較為明顯的變化。近年來(lái),該地區(qū)氣溫升高、降水量減少,使得土地干旱加重,給地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境造成了很大影響。
本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)張北縣1966—2015年近50 a來(lái)氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)進(jìn)行分析,研究張北縣的氣候變化規(guī)律,旨在為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高防災(zāi)減災(zāi)能力和農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供參考。
1.1 資料來(lái)源
選取張北縣氣象觀測(cè)站1966—2015年逐日4次平均氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫、降水量、日照時(shí)長(zhǎng)等氣象要素資料。
1.2 數(shù)據(jù)處理
本研究中春、夏、秋、冬季所指月份分別為:3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月。采用平均數(shù)、線性回歸、M-K檢驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析其變化特征。
2.1 氣溫變化分析
2.1.1 平均氣溫變化由圖1可知,從1966—2015年的近50 a來(lái),冀西北壩上張北地區(qū)的平均氣溫為3.5℃,氣溫總體呈上升趨勢(shì),上升了約1.5℃,氣候變化率約為0.4℃/10 a,年平均氣溫最高出現(xiàn)在1998年和2014年的5.1℃,年平均最低氣溫為1969年的2.0℃,二者相差3.1℃。通過(guò)分析1966—2015年的10 a均溫發(fā)現(xiàn),第1個(gè)10 a的年平均氣溫為2.7℃,而到了最近的一個(gè)10 a,年平均氣溫已達(dá)到4.2℃。且從1996年開始(除2012年外),近20 a的年平均氣溫均不低于歷年平均值。
采用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)張北縣的年平均氣溫變化趨勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)(圖2),結(jié)果發(fā)現(xiàn),張北縣的年平均氣溫在1972年以前升降不定,從1973年開始一直處于上升趨勢(shì),并且從20世紀(jì)80年代后期越過(guò)了α=0.05置信水平的臨界線,年平均氣溫顯著上升。根據(jù)UF,UB這2條曲線的交點(diǎn)可以得出,這一上升過(guò)程是一種突變,開始時(shí)間大約在1989年。
2.1.2 季節(jié)氣溫變化對(duì)1966—2015年間的四季均溫分析發(fā)現(xiàn)(圖3),冬季平均氣溫為-11.7℃,春季平均氣溫為4.7℃,夏季平均氣溫為17.7℃,秋季平均氣溫為3.8℃。從季節(jié)氣溫年際變化趨勢(shì)線上可以看出,四季氣溫均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),其中,冬季上升最明顯,氣候變化率為0.55℃/10 a;之后依次是春季、夏季、秋季,氣候變化率分別為0.39,0.38,0.35℃/10 a。
2.1.3 極端氣溫變化分析張北在1966—2015年近50 a期間出現(xiàn)的極端氣溫發(fā)現(xiàn),張北地區(qū)極端最低氣溫出現(xiàn)在1978年(-34.8℃),極端最高氣溫出現(xiàn)在2010年(36.7℃)。進(jìn)一步分析可以看出,張北地區(qū)的極端高/低溫的年際變化曲線均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),極端最高氣溫氣候變化率約為0.40℃/10 a,極端最低氣溫為0.46℃/10 a。整體來(lái)看,極端最低氣溫上升趨勢(shì)更加明顯(圖4)。
以M-K非參數(shù)檢驗(yàn)張北地區(qū)極端氣溫變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),張北地區(qū)極端高溫在20世紀(jì)80年代末前起伏較大,之后雖然在1995—1997年間出現(xiàn)短暫的氣溫下降,但整體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),并在1997年后,極端高溫值快速上升,近幾年則呈現(xiàn)出顯著上升的變化趨勢(shì)。相比極端高溫,極端低溫僅在20世紀(jì)60年代末70年代初出現(xiàn)短暫的下降趨勢(shì),其余時(shí)間均表現(xiàn)為上升的變化趨勢(shì),并在90年代中期越過(guò)了α=0.05置信水平的臨界線,極端低溫氣溫值開始顯著地上升。分析極端低溫的UF和UB曲線發(fā)現(xiàn),雖然二者出現(xiàn)4次交匯,但主要集中在1975—1986年間,在1986年交匯突變后,近幾十年間再無(wú)交集,說(shuō)明在1986年后,極端低溫開始大幅上升(圖5)。
2.2 降水變化分析
2.2.1 年降水量變化從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度講,張北地區(qū)年降水量偏少,從圖6可以看出,近50 a間年降水量平均為385.8 mm,其中最大值為1978年的548.4 mm,最小值為1997年的245.2 mm。張北地區(qū)的年降水量年際變化曲線呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),降水量的變化率為-6.5 mm/10 a。
通過(guò)M-K法對(duì)張北地區(qū)近50 a降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),張北近50 a間的降水量起伏較大,時(shí)而呈上升趨勢(shì)時(shí)而呈下降趨勢(shì),但近10 a張北地區(qū)的年降水量不斷下降,UF和UB雖有幾次交點(diǎn),但變化趨勢(shì)不大,不存在突變現(xiàn)象(圖7)。
2.2.2 季節(jié)降水量變化進(jìn)一步分析張北地區(qū)各季節(jié)的降水量發(fā)現(xiàn),張北地區(qū)65%的降水都集中在夏季。由圖8可知,近50 a來(lái),張北地區(qū)冬季的平均降水量為5.1 mm,春季平均降水量為56.0 mm,夏季平均降水量為250.1 mm,秋季平均降水量為73.1 mm。從季節(jié)降水量變化趨勢(shì)可以看出,張北地區(qū)夏季降水量呈明顯的下降趨勢(shì),雖然冬季、春季、秋季的降水量略呈上升趨勢(shì),但由于夏季降水量對(duì)年降水量的貢獻(xiàn)最大。因而,張北地區(qū)的年平均降水量依舊不斷下降。
2.3 日照時(shí)長(zhǎng)變化
2.3.1 年日照時(shí)長(zhǎng)變化張北地區(qū)屬于長(zhǎng)日照區(qū),1966—2015年年平均日照時(shí)數(shù)為2 844.0 h,其中,年日照合計(jì)最大值出現(xiàn)在1980年的3 059.2 h,年日照合計(jì)最小值出現(xiàn)在2003年的2554.8h;年日照時(shí)數(shù)以-57h/10a變化率不斷下降,特別是從1998年以后,年日照時(shí)數(shù)基本低于歷年平均值(圖9)。
對(duì)張北地區(qū)近50 a的日照時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行M-K非參數(shù)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),張北地區(qū)日照時(shí)長(zhǎng)在20世紀(jì)90年代以前基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì),此后開始下降,并于90年代末越過(guò)α=0.05置信水平臨界線,下降趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。根據(jù)UF和UB這2條曲線可以發(fā)現(xiàn),此變化趨勢(shì)為一種突變,發(fā)生在20世紀(jì)90年代中期(圖10)。
2.3.2 季節(jié)日照時(shí)長(zhǎng)變化進(jìn)一步分析張北地區(qū)1966—2015年各季節(jié)的日照時(shí)長(zhǎng)發(fā)現(xiàn),各季節(jié)的日照時(shí)長(zhǎng)與年日照時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)一致,均呈下降趨勢(shì),冬季、春季、夏季、秋季日照時(shí)長(zhǎng)變化率分別為-14.6,-12.3,-13.7,-16.7 h/10 a(圖11)。
在全球氣候變暖的背景下,研究各個(gè)氣候要素的變化趨勢(shì)十分必要。前人研究結(jié)果表明,我國(guó)北方地區(qū)的氣候處于明顯變暖趨勢(shì),尤以西北、華北和東北地區(qū)變暖最為明顯。李鵬飛等[12]通過(guò)對(duì)分布京津冀地區(qū)的22個(gè)氣象站近50 a氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),該地區(qū)氣溫顯著升高,降水減少。崔永州[13]研究發(fā)現(xiàn),沽源縣近50 a的年平均氣溫呈現(xiàn)出顯著升高趨勢(shì)。四季的平均氣溫也均呈上升趨勢(shì),冬季的升溫幅度最大,活動(dòng)積溫和有效積溫總量都不斷增加;而沽源縣近50 a的夏季降水量呈降低趨勢(shì)。牛旭等[14]對(duì)太原近50 a氣象數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),該地氣溫顯著升高,冬季增幅最大;且日照時(shí)數(shù)顯著降低,以冬季降幅最大。
本研究結(jié)論與前人所述基本一致,張北地區(qū)的氣溫、降水量和年日照時(shí)長(zhǎng)同樣發(fā)現(xiàn),氣溫上升,降水量下降,日照時(shí)長(zhǎng)降低的趨勢(shì),并且隨著時(shí)間的推移,這種增暖、少雨、少日照的趨勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)。同時(shí),本研究將這種趨勢(shì)進(jìn)行了具體量化,即近50 a來(lái),張北地區(qū)氣溫上升了1.5℃,以0.40℃/10 a的變化速率上升,冬季上升趨勢(shì)最大(0.55℃/10 a),M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在1989年后張北地區(qū)氣溫上升趨勢(shì)顯著增強(qiáng);進(jìn)一步對(duì)張北地區(qū)在近50 a間的極端高/低溫分析發(fā)現(xiàn),二者均有所上升,以極端低溫的上升趨勢(shì)最為明顯。張北地區(qū)年降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),以夏季降水量降低趨勢(shì)最大,說(shuō)明氣溫與降水量密切相關(guān),同時(shí),張北地區(qū)的日照時(shí)長(zhǎng)也以變化率為-57 h/10 a的速率下降,M-K分析指出,下降趨勢(shì)顯著增強(qiáng)。這種具體的量化分析對(duì)當(dāng)?shù)氐姆N植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)合理布局具有一定意義。
以張北為代表的壩上地區(qū)地處華北農(nóng)牧交錯(cuò)帶,屬干旱和半干旱區(qū),生態(tài)脆弱,對(duì)氣候變化的響應(yīng)敏感,氣候變化直接影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。氣溫升高、降水量減少將導(dǎo)致該區(qū)干旱進(jìn)一步加重,土壤退化情況進(jìn)一步惡化;日照時(shí)長(zhǎng)的變化使得作物的生長(zhǎng)期發(fā)生相應(yīng)變化。同時(shí)氣候變化使得熱資源增加,也可導(dǎo)致作物界限北移,使得張北地區(qū)可以種植新的作物。而氣候變化產(chǎn)生的極端性氣候/天氣事件對(duì)農(nóng)業(yè)等不同行業(yè)的生產(chǎn)都產(chǎn)生很大的危害[15-20]。因此,為了適應(yīng)氣候變化趨勢(shì),壩上地區(qū)在自身農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)薄弱的情況下必須探討改變現(xiàn)有的作物種植模式和種植結(jié)構(gòu),引入適應(yīng)氣候變化趨勢(shì)的新品種,同時(shí),建立現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氣象保障系統(tǒng),加強(qiáng)對(duì)氣候的監(jiān)控與預(yù)側(cè),提高農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的應(yīng)變能力和抗災(zāi)減災(zāi)水平。該地區(qū)如何應(yīng)對(duì)氣候變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)水資源的影響是今后研究的重點(diǎn)。
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Analysis on the Changes of 50 Years Climate Resources on Bashang Region in North-west of Hebei—In the Case of Zhangbei County
CUI Tingru1,2,HANGuie2,ZHANGLifeng1
(1.College ofAgronomy,Hebei Agricultural University,Baoding071001,China;2.Guyuan CountyMeteorologyAdministration ofHebei,Guyuan 076550,China)
The objective of this study was to analysis the climate change using the temperature,rainfall and the hours of sunlight during 1966 to 2015 in Zhangbei county.The results would provide the scientific reference to explore the climate change in this region. The results showed that the average ofair temperature was goingup,and the rate was 0.4℃/10 a in the last fiftyyears,especiallyin winter seasons the rate was 0.5℃/10 a.The significant risingwas happeningafter 1989 usingthe M-Ktest.Duringthe risingofair temperature,the extreme high and low temperature were all on the rising,and the uptrend of the extreme low temperature was significant.The rainfall was decreasing,and the rate was-6.5 mm/10 a,and the evident change was in summer season,the rate was-15.97 mm/10 a.The hours of sunlight was also decreasing,and the rate was-57 h/10 a,and the maximum change was in Autumn,and the minimum change was in Spring.The change ofsunlight in this region had a drastic change during the mid of 1990s,and the lessen of the hours of sunlight was significant in the end of1990s.The results ofthis study could provide basis ofstudying the climate change,rational crop distribution and the high efficiencyofland use.
air temperature;rainfall;the hours ofsunlight;M-Ktest;Zhangbei county
10.3969/j.issn.1002-2481.2017.05.36
S16
:A
:1002-2481(2017)05-0819-06
2017-02-16
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD07B05);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503120)
崔婷茹(1988-),女,河北沽源人,在讀碩士,研究方向:農(nóng)業(yè)氣象。張立峰為通信作者。