邱陽陽， 吳奕霄， 熊世為， 朱 浩

(1.安徽省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，安徽合肥 230061； 2.江蘇省氣候中心，江蘇南京 210008； 3.滁州市氣象局，安徽滁州 239000

氣候變化是當(dāng)前國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-2]。IPCC的第五次評估報告指出，氣候變化的基本事實(shí)已得到了大量觀測事實(shí)、理論分析和氣候模式數(shù)值模擬的一致支持。全球氣候變化背景下，農(nóng)業(yè)是受影響最大、最直接的行業(yè)，尤其是作為其主體的作物生產(chǎn)與糧食安全[3]。氣候生產(chǎn)力是假設(shè)作物品種、土壤、種植技術(shù)適宜條件下，在當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件下作物可能獲得的單位面積最高產(chǎn)量[4]。這一概念可有效評估某一地區(qū)的氣候資源狀況[5-7]。韓瑋等分析山東省1961—2011年氣候數(shù)據(jù)，認(rèn)為“暖濕型”氣候?qū)υ撌∽魑餁夂蛏a(chǎn)力有利，氣候變暖有利于氣候生產(chǎn)力的提高，但降水量少是限制氣候生產(chǎn)力的主要因素[8]。高浩等研究認(rèn)為，在未來氣候干暖化的趨勢下，內(nèi)蒙古中部草原溫度升高增加的氣候生產(chǎn)潛力作用小于由蒸散量增加引起的減產(chǎn)作用，因而導(dǎo)致草地氣候生產(chǎn)潛力下降，受水分限制作用越明顯的草原，其氣候生產(chǎn)潛力下降的趨勢越顯著[9]。掌握地區(qū)氣候生產(chǎn)力變化規(guī)律，對合理開發(fā)利用氣候資源、科學(xué)規(guī)劃種植制度，進(jìn)而提高糧食產(chǎn)量具有重要意義[10]。

安徽省地跨長江、淮河南北，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，氣候上屬暖溫帶與亞熱帶的過渡地區(qū)。在氣候變化背景下，近年來該省旱澇、低溫、寒潮等氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響[11]。本研究分析安徽省68個氣象站1961—2015年的溫度、降水資料，探討該地區(qū)降水與溫度的氣候變化特征及其對氣候生產(chǎn)力的影響，旨在為合理開發(fā)利用地區(qū)氣候資源提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 氣象資料

本研究選用的資料為安徽省較為齊全的68個氣象站1961—2015年的年平均溫度和年降水量數(shù)據(jù)，資料來源于安徽省氣象信息中心。個別缺測資料采用IDW空間插值處理補(bǔ)齊，氣象站點(diǎn)分布情況見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產(chǎn)力模型 氣候生產(chǎn)力計算方法經(jīng)歷了統(tǒng)計、經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷轿锢砟Ｐ偷倪^程，本研究選取應(yīng)用較為廣泛的Thornthwaite Memorial物理模型[12]，其表達(dá)式如下：

Pv=3 000(1-e-0.000 969 5(V-20))；

L=300+25t+0.05t3。

式中：Pv為氣候生產(chǎn)力，g/(m2.年)；V為年平均蒸散量，mm；R為年平均降水量，mm；L為年平均蒸發(fā)量，mm；t為年平均氣溫，℃。

1.2.2 氣候傾向分析 采用最小二乘法[13]分析氣候要素時間序列的傾向率，其表達(dá)式為

Y=a×t+b。

式中：Y為要分析的氣候要素；a為氣候傾向率，表示氣候要素隨時間的變化率，a為正值(負(fù)值)表示要素Y隨時間上升(下降)；t為年份序號，本研究取值155；b為擬合系數(shù)。

1.2.3 Mann-Kendall檢驗 采用世界氣象組織推薦的Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗來進(jìn)行氣候要素的突變檢驗，其具有不需要樣本遵循一定的分布及不受少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點(diǎn)[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫、降水的時空演變特征

分析安徽省近55年水熱氣候要素的時空變化特征。由圖2-a可知，近55年來安徽省年平均氣溫總體呈波動上升趨勢，升溫幅度為0.02 ℃/年，升溫趨勢達(dá)到了0.01的極顯著水平。氣溫最高值為16.9 ℃，出現(xiàn)在2007年，最低值為14.8 ℃，出現(xiàn)在1969年，最高氣溫和最低氣溫的差值達(dá)2.1 ℃。圖2-b給出了安徽省近55年來降水變化趨勢，總體呈現(xiàn)波動上升趨勢，但幅度不大，總體增幅為1.67 mm/年，檢驗的P值為0.28，說明降水的上升趨勢不具有統(tǒng)計意義。降水最大值為1 639 mm，出現(xiàn)在1991年，最小值為690 mm，出現(xiàn)在1978年，最大值和最小值相差近1 000 mm。

對近55年安徽省氣溫、降水時間序列進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(圖3)。由圖3-a可以看出，自20世紀(jì)90年代年以來全省溫度有一明顯的增暖趨勢，1997年起這種增暖趨勢均大大超過0.05臨界線(U0.05=±1.96)，甚至超過0.001顯著性水平(U0.001=±2.56)，表明本地區(qū)的升溫趨勢是十分顯著的，根據(jù)UF和UB曲線的位置，確定這種升溫趨勢是一突變現(xiàn)象，具體突變點(diǎn)為1991年。降水的變化不具突變趨勢(圖3-b)。

圖4-a給出了安徽省1961—2015年平均氣溫的空間分布情況，可以看出全省平均氣溫的空間分布總體呈現(xiàn)南部高于北部，31°N以南大部分地區(qū)年平均氣溫超過16 ℃，其中地處省域西南方的安慶、池州一帶的歷年平均氣溫超過 16.5 ℃，全省最大值為16.9 ℃，出現(xiàn)在安慶站。31°N以北大部分地區(qū)平均氣溫低于16 ℃，其中地處省域最北部的淮北、亳州地區(qū)歷年平均氣溫在14.5 ℃左右，其中最小值為14.3 ℃，出現(xiàn)在淮北市的碭山縣。全省南北氣溫差異明顯，最大溫差為2.6 ℃，造成這一現(xiàn)象主要是因為緯度決定太陽輻射的分布，緯度高，太陽輻射就少，平均氣溫低；反之，緯度低，平均氣溫也隨之變高。安徽省南北跨度超過5個緯度，在氣候帶分布上也是亞熱帶和暖溫帶過渡的區(qū)域，南北熱量差異顯得尤為明顯。分別計算68個站點(diǎn)年平均氣溫傾向率，圖4-b給出了各站氣溫傾向率的的空間分布情況，可以看出，1961—2015年全省各地均呈現(xiàn)一致的升溫趨勢，增溫幅度最大的為0.034 ℃/年(宿州站)，增溫幅度最小的為0.005 ℃/年(桐城站)，氣溫氣候傾向率的空間分布特征不明顯。

圖5-a為安徽省1961—2015年年平均降水量的空間分布情況，可以看出，全省年平均降水量呈現(xiàn)明顯的南多北少趨勢。與氣溫的空間分布趨勢相似，31°N以北大部分地區(qū)年平均降水量在1 300 mm以下，且降水量等值線分布稀疏，阜陽、亳州、淮北等地常年的年平均降水量普遍900 mm以下，位于省域最北端的淮北市碭山縣歷年平均降水量752 mm，為全省最小。31°N以南年平均降水量均在1 300 mm以下，且降水量等值線分布相對密集，黃山、池州等地大部分地區(qū)年平均降水量在1 600 mm以上，全省年平均降水量最大值為黃山市祁門縣的1 761 mm。全省南北年平均降水量差異顯著，最大相差高達(dá)1009mm，再次驗證了安徽省明顯的氣候過渡帶性質(zhì)。分別計算68個站點(diǎn)年平均降水量的氣候傾向率，圖5-b給出了各站降水傾向率的的空間分布情況，可以看出全省大部分地區(qū)降水量呈上升趨勢，其中呈上升趨勢的站點(diǎn)數(shù)為64個，占總站數(shù)的94%，但上升幅度不明顯，省域南部的黃山地區(qū)的上升幅度在4 mm/年以上，最大為黃山屯溪，降水量氣候傾向率為6 mm/年。降水量呈下降趨勢的站點(diǎn)主要位于省域北部的淮北、亳州部分地區(qū)，但下降趨勢較弱，最大的淮北蕭縣下降幅度為-1 mm/年。

2.2 氣候生產(chǎn)力的時空演變特征

分析安徽省近55年氣候生產(chǎn)力的時空變化特征(圖6)，近55年來安徽省氣候生產(chǎn)力總體呈波動上升趨勢，上升幅度為1.5 kg/(hm2·年)，氣候生產(chǎn)力上升趨勢達(dá)到了0.01 的顯著水平。氣候生產(chǎn)力最高值為1 556.7 kg/hm2，出現(xiàn)在1998年，最低值為1 207.5 kg/hm2，出現(xiàn)在1978年，最高值和最低值的差值達(dá)349.2 kg/hm2。對氣候生產(chǎn)力時間序列進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(圖7)，可以看出，自20世紀(jì)90年代初本地區(qū)的氣候生產(chǎn)力呈上升趨勢，特別是近10年這種上升趨勢均超過了0.05臨界線(U0.05=±1.96)，表明這種上升趨勢是顯著的，根據(jù)UF和UB曲線的位置，確定這種上升趨勢是一突變現(xiàn)象，具體突變點(diǎn)為1995年。

從空間分布來看，全省年均氣候生產(chǎn)力呈現(xiàn)明顯的南高北低趨勢(圖8-a)，北部淮北、亳州等地區(qū)基本年均氣候生產(chǎn)力在1 300 kg/hm2以下，最小值位于省域最北部的淮北市碭山縣，為1 205 kg/hm2。南部黃山部分地區(qū)年均氣候生產(chǎn)力超過1 600 kg/hm2，黃山屯溪年均氣候生產(chǎn)力最大，為 1 626 kg/hm2。全省年均氣候生產(chǎn)力最大相差421 kg/hm2。分別計算68個站點(diǎn)年平均氣候生產(chǎn)力的傾向率(圖8-b)，可以看出，全省68個站點(diǎn)中除淮北蕭縣的傾向率為負(fù)值外[-0.1 kg/(hm2·年)]，其余站點(diǎn)的傾向率均為正值，但空間分布規(guī)律不明顯，最大值位于馬鞍山站，為2.8 kg/(hm2·年)。與氣溫、降水的空間分布對比，氣候生產(chǎn)力與降水在均值和傾向率的空間分布規(guī)律都很相似，大值區(qū)對應(yīng)較好。

2.3 氣候生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)

利用相關(guān)分析和偏相關(guān)分析探討氣候生產(chǎn)力對氣溫、降水要素的敏感性(表1)，可以看出氣候生產(chǎn)力與降水的相關(guān)性極顯著，而與溫度的相關(guān)性卻不顯著，但是在偏相關(guān)分析中，控制氣溫(降水)不變時，降水(氣溫)與氣候生產(chǎn)力的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，即氣候生產(chǎn)力受到氣溫、降水的雙重影響。氣候變化導(dǎo)致的全球變暖有利于氣候生產(chǎn)力的提高，但只有在水分充足的環(huán)境下，其提高的幅度才會更大。

表1 安徽省1961—2015年氣候生產(chǎn)力與溫度、降水之間的相關(guān)性

注：“**”表示相關(guān)性通過0.01水平的顯著性檢驗；“溫度/降水”表示控制降水不變，溫度與氣候生產(chǎn)力的相關(guān)性。

為進(jìn)一步評價氣候生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)，以1961—2015年全省平均氣溫和降水量作為基礎(chǔ)，分別假設(shè)未來氣溫分別變化-3、-2、-1、0、1、2、3 ℃，降水分別變化-30%、-20%、-10%、0、10%、20%、30%，計算各種情景下氣候生產(chǎn)力的變化百分率(表2)。從表2可以看出，單一的溫度升高或降水量增加都能使氣候生產(chǎn)力提高，而氣候變化是溫度與降水相互配合的結(jié)果，總的來說，在“暖濕型”氣候背景下，本地區(qū)氣候生產(chǎn)力將上升5.7%、16.8%，“冷干型”氣候背景下，氣候生產(chǎn)力將下降5.8%、18.0%。秦大河等結(jié)合IPCC有關(guān)成果預(yù)測，未來我國長江中下游地區(qū)氣候變化趨勢以“暖濕型”為主，至2050年該地區(qū)年平均氣溫將上升23 ℃，降水增多10%左右[15]，據(jù)此預(yù)測，到2050年本地區(qū)氣候生產(chǎn)力將上升10%左右。受氣候變化影響，安徽省氣候生產(chǎn)力的上升空間較大。

表2 安徽省年平均氣溫和年降水量變化背景下氣候生產(chǎn)力變化百分率

3 結(jié)論與討論

利用安徽省68個氣象站1961—2015年溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了近55年來該地區(qū)溫度、降水氣候因子的時空變化特征，采用Thornthwaite Memorial模型計算氣候生產(chǎn)力，并探討了氣候變化對該地區(qū)氣候生產(chǎn)力的影響，主要結(jié)論如下：(1)近55年來安徽省升溫趨勢顯著，升溫幅度為 0.02 ℃/年，且該趨勢為一突變現(xiàn)象，具體突變點(diǎn)為1991年，全省年平均氣溫總體南高北低，空間分布最大相差2.6 ℃；降水量總體呈波動上升趨勢，但上升趨勢不顯著，全省降水量空間差異大，最大相差1 009 mm。(2)近55年來安徽省氣候生產(chǎn)力上升趨勢顯著，上升幅度為1.5 kg/(hm2·年)，且該上升趨勢為一突變現(xiàn)象，具體突變點(diǎn)為1995年，全省氣候生產(chǎn)力呈現(xiàn)明顯的南高北低特征。氣候生產(chǎn)力與降水在均值和傾向率的空間分布規(guī)律都很相似，大值區(qū)對應(yīng)較好。(3)氣候生產(chǎn)力受到氣溫、降水的雙重影響，氣候變化導(dǎo)致的全球變暖有利于氣候生產(chǎn)力的提高，但只有在水分充足的環(huán)境下，其提高的幅度才會更大，未來“暖濕型”的變化趨勢使得安徽省氣候生產(chǎn)力有較大的上升空間。

氣候變化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，事實(shí)上氣候變化帶來的干旱、洪澇、極端高低溫等災(zāi)害性天氣是不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的。Thornthwaite Memorial模型估算的氣候生產(chǎn)力實(shí)際是一種潛在的第一性生產(chǎn)力，研究氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響還須綜合考慮自然災(zāi)害、土壤環(huán)境等生態(tài)因子以及人類活動等多種要素。