方月, 劉露露, 黃慧敏, 董李勤

(西南林業(yè)大學(xué) 地理學(xué)院，云南 昆明 650224)

1 引 言

氣候變化對(duì)全球的自然生態(tài)系統(tǒng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的影響，是當(dāng)今各國政府和科學(xué)界乃至普通民眾關(guān)注的焦點(diǎn)問題.聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)于2013年第五次評(píng)估報(bào)告指出，1880-2012年全球地表氣溫升溫0.85 ℃，1951-2012年全球地表氣溫平均升溫速率為0.12 ℃/10 a[1-2]，幾乎是近一百年的2倍[3].在全球變暖的大背景下，我國近百年氣候變暖的趨勢(shì)非常顯著，升溫幅度為0.5～0.8 ℃[4]，尤其是近50年，超過全球或北半球同期升溫水平，成為全球變暖最明顯的地區(qū)之一[5].

氣候變化影響社會(huì)的方方面面，給人類的生存和發(fā)展帶來一系列重大影響，而農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最敏感的領(lǐng)域之一[6].熱量是影響農(nóng)作物生長發(fā)育的重要?dú)庀笠蛩?，農(nóng)作物的生長和發(fā)育需要一定的熱量條件，熱條件的變化對(duì)作物生長的影響顯著[7-8].熱量資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可利用的溫度條件及其持續(xù)時(shí)間的綜合指標(biāo)，通常以積溫表示.10 ℃是喜溫作物開始生長的初始溫度，日平均氣溫≥10 ℃的有效積溫及其初日、終日和持續(xù)日數(shù)是重要的農(nóng)業(yè)熱量指標(biāo)，不僅能夠衡量一個(gè)地區(qū)熱量資源的多少，還反映了喜溫植物生長期的長短[9]，在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、合理配置農(nóng)作物以及預(yù)報(bào)物候期、病蟲害發(fā)生期等方面具有重要意義[10].

云南省地處青藏高原東側(cè)低緯(21°9′N—29°17′N)高原地區(qū)，海拔高差各異，立體式氣候特征明顯[11].春秋季主要受西風(fēng)帶控制，溫暖干旱；夏秋季盛行印度洋季風(fēng)，濕熱多雨，在全國氣候區(qū)劃中，云南屬北熱帶—亞熱帶夏濕冬干氣候類型，但受地形地貌影響，局地氣溫差異很大，在農(nóng)業(yè)利用上具有很強(qiáng)的區(qū)域性[12].由于年較差較小，云南積溫的有效性明顯比國內(nèi)其他地區(qū)偏高，因此在我國的氣候帶劃分中被視為一個(gè)特殊地域加以分類[13].因此，探討全球變暖背景下我國云南地區(qū)活動(dòng)積溫的時(shí)空變化及其對(duì)全球變暖的響應(yīng)，對(duì)指導(dǎo)區(qū)域生態(tài)建設(shè)、城市化發(fā)展、環(huán)境保護(hù)[14]和糧食生產(chǎn)[15]，以及探討全球變暖背景下的農(nóng)業(yè)對(duì)策，具有十分重要的意義[15].

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域

云南省大部分地區(qū)屬于熱帶、亞熱帶氣候區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較發(fā)達(dá).主要種植作物有玉米、水稻和馬鈴薯等,經(jīng)濟(jì)作物有橡膠、甘蔗和茶等.研究根據(jù)氣溫、降水和地形等因素將云南省劃分為滇西北高聳山地區(qū)，包括麗江、大理、德欽、貢山、香格里拉、維西、六庫和華坪等8個(gè)氣象站；滇東北溫帶高原-盆地區(qū)，包括昭通昭陽1個(gè)氣象站；滇中亞熱帶季風(fēng)山地區(qū)，包括楚雄、會(huì)澤、元謀、元江、昆明、玉溪紅塔和沾益等7個(gè)氣象站；滇南低熱河谷區(qū)，包括思茅、景東、瀘西、瀾滄、景洪、勐臘、江城、蒙自、屏邊、硯山、廣南等11個(gè)氣象站；滇西熱帶季風(fēng)縱谷區(qū)，包括臨滄、騰沖、保山隆陽、瑞麗、耿馬等5個(gè)氣象站；共五個(gè)氣候農(nóng)業(yè)區(qū)域，以便進(jìn)行時(shí)空的整體比較(圖1).

Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in the study area

2.2 數(shù)據(jù)來源

選取云南省32個(gè)地面氣象觀測(cè)站1957-2016年的日平均氣象數(shù)據(jù)，資料來源于國家氣象信息中心.通過Microsoft Access 2010篩選云南省32個(gè)地面氣象觀測(cè)站1957-2016年的日平均氣象數(shù)據(jù)，利用Microsoft Excel 2010填充缺測(cè)數(shù)據(jù)及制作相應(yīng)表格，運(yùn)用ArcMap 10.1和SigmaPlot 12.5繪制圖表.

2.3 研究方法

2.3.1 界限溫度的初日、終日的確定及積溫的計(jì)算

界限溫度是指作物、牲畜等生長發(fā)育或某農(nóng)業(yè)活動(dòng)、物候現(xiàn)象的起始、終止及轉(zhuǎn)折的溫度.10 ℃是喜溫植物適宜生長的起始溫度，也是喜涼作物迅速生長、多年生作物開始以較快速度積累干物質(zhì)的溫度.因此，本文中計(jì)算積溫的界限溫度確定為10 ℃，采用五日滑動(dòng)平均法確定每年穩(wěn)定通過界限溫度的起止時(shí)間及持續(xù)天數(shù)，起始日定為五日滑動(dòng)平均氣溫中最長序列≥10 ℃的開始日期，終止日為五日滑動(dòng)平均氣溫中<10 ℃的日期.研究區(qū)內(nèi)部分熱帶地區(qū)全年氣溫均大于10 ℃，起止日期定義為年度的起止.起始日期與終止日期之間的天數(shù)定義為五日滑動(dòng)氣溫的持續(xù)天數(shù).起止天數(shù)之間氣溫的累加定義為≥10 ℃積溫.

2.3.2 累計(jì)距平法

對(duì)于日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃期間氣溫的時(shí)間變化，通過累計(jì)距平法繪制曲線，可通過起伏狀況，直觀地看出積溫的長期演化趨勢(shì)、具體時(shí)間距平值的突變等.

2.3.3 Kriging空間插值法

通過Excel將1957-2016年積溫分為六個(gè)時(shí)期并取其平均值，將氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的經(jīng)度、緯度、積溫平均值通過ArcMap 10.1的Kriging空間插值法得出積溫時(shí)空分布圖，并將積溫范圍劃分為7個(gè)類別：<3 000 ℃、3 000 ℃-4 000 ℃、4 000 ℃-5 000 ℃、5 000 ℃-6 000 ℃、6 000 ℃-7 000 ℃、 7 000 ℃-8 000 ℃及>8 000 ℃.

3 結(jié)果分析

3.1 空間分析

從空間尺度上看，云南省日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃期間積溫呈現(xiàn)由南向北逐漸降低的趨勢(shì)，并隨著海拔升高積溫隨之降低.1957-2016年日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃期間積溫總體增加趨勢(shì)明顯，增加趨勢(shì)最明顯的區(qū)域分布在滇南熱帶地區(qū)與滇中亞熱帶地區(qū).

圖2 1957-2016年研究區(qū)≥10 ℃積溫時(shí)空分布圖

Fig.2 Temporal and spatial distribution of active accumulated temperature ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

從1957-2016年研究區(qū)≥10 ℃積溫時(shí)空分布圖可以看出(圖2)，云南省積溫變化大體分為兩個(gè)階段，以1977-1986年為突變分界線.1977年(圖2a和2b)之前，日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃期間積溫大于8 000 ℃的地區(qū)僅出現(xiàn)在滇南景洪地區(qū)和滇西瑞麗地區(qū)極小范圍，1977年(圖2c)前后滇南地區(qū)≥10 ℃積溫大于8 000 ℃自勐臘地區(qū)開始擴(kuò)散.≥10 ℃期間積溫大于7 000 ℃小于8 000 ℃的區(qū)域變化從僅滇南滇西的小塊分散分布，至1987年(圖2d和2e)以后滇南連成一整片區(qū)域.≥10 ℃積溫中大于6 000 ℃小于7 000 ℃的覆蓋面積在2007年(圖2f)之后滇西的這一溫度范圍區(qū)域向北延伸與滇中地區(qū)同一溫度范圍區(qū)域相連，面積增大.≥10 ℃積溫中大于5 000 ℃小于6 000 ℃分布范圍最廣，占據(jù)了大部分的滇西地區(qū)和部分滇中和滇南地區(qū)，1977年以來覆蓋范圍逐漸向北擴(kuò)散.≥10 ℃積溫中大于4 000 ℃小于5 000 ℃的區(qū)域面積減少，分布于滇東北的南部小范圍和滇中地區(qū)的東部.≥10 ℃積溫中大于3 000 ℃小于4 000 ℃的區(qū)域分布面積較小，僅在滇東北與滇西北地區(qū)有分布.≥10 ℃期間積溫小于3 000 ℃的區(qū)域范圍在滇西北地區(qū)基本保持不變，在滇東北地區(qū)≥10 ℃積溫1987-1996年發(fā)生較大變化，小于3 000 ℃的范圍達(dá)到歷年之最.從整體上看，≥10 ℃積溫中大于6 000 ℃積溫區(qū)域變化最為明顯，積溫高的地區(qū)面積顯著增加，且整體向北擴(kuò)展.

3.2 時(shí)間分析

從時(shí)間尺度上來看，1957年-2016年云南省積溫整體呈增加趨勢(shì)，尤其以近十年增加趨勢(shì)更為顯著.具體體現(xiàn)為初始日期提前、終止日期推后及持續(xù)天數(shù)增加(表1).云南省受地形海拔影響，五日滑動(dòng)平均氣溫的初始和終止日期在研究區(qū)內(nèi)存在較大差異.表現(xiàn)為自北向南，自高原至谷地，初始日期逐漸提前.

表1 1957-2016年研究區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃初、終日年際變化和持續(xù)天數(shù)統(tǒng)計(jì)

Table 1 Decadal change of the first day,last day and sustained days stabilized by 10 ℃ in the study area during 1957-2016

名稱年代滇南低熱河谷區(qū)滇西熱帶季風(fēng)縱谷區(qū)滇西北高聳山地區(qū)滇中亞熱帶季風(fēng)山地區(qū)滇東北溫帶高原-盆地區(qū)初日(月/日)1957-19661/211/53/301/214/111967-19761/181/164/12/214/161977-19861/81/143/102/254/141987-19961/21/13/92/204/141997-20061/21/33/242/134/112007-20161/11/13/41/54/6終日(月/日)1957-196612/1912/2310/612/1910/141967-197612/2012/1311/811/1610/191977-198612/2012/1811/711/2110/191987-199612/2312/2411/1011/2610/131997-200612/2612/3111/211/2610/142007-201612/2612/3111/1612/410/24持續(xù)天數(shù)1957-19663153212262861881967-19763163192222851811977-19863183202272871921987-19963173272302841701997-20063263372352941912007-2016326337208296198

圖3 1957-2016年研究區(qū)日均溫≥10 ℃持續(xù)天數(shù)變化趨勢(shì)

Fig.3 Change trend of sustained days ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

從1957-2016年研究區(qū)日均溫≥10 ℃持續(xù)天數(shù)變化趨勢(shì)可看出(圖3)，滇南和滇西地區(qū)五日滑動(dòng)平均氣溫中日平均氣溫≥10 ℃的持續(xù)天數(shù)均在300天以上，1986年以后兩個(gè)地區(qū)≥10 ℃的持續(xù)天數(shù)差距逐漸變大，且滇西逐漸多于滇南.滇東北地區(qū)受海拔和緯度影響，日平均氣溫≥10 ℃的持續(xù)天數(shù)少于200天并持續(xù)波動(dòng)趨向增加，滇中地區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的持續(xù)天數(shù)隨時(shí)間呈持續(xù)緩慢增加，滇西北地區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的持續(xù)天數(shù)在1957-2006年呈增加趨勢(shì)，2006年后則出現(xiàn)較明顯的減少，滇西北和滇中地區(qū)持續(xù)天數(shù)均在 200-300天之間.

圖4 1957-2016年研究區(qū)日均溫≥10 ℃初日變化趨勢(shì)

Fig.4 Change trend of the first day ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

從圖4可以看出,滇東北地區(qū)的初日變化較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，滇西北地區(qū)則呈現(xiàn)提前的趨勢(shì)，兩地區(qū)的初始日期集中出現(xiàn)在初春時(shí)節(jié).滇南和滇西地區(qū)屬于熱帶氣候，終年高溫，1957-1986年間的初始日期變化呈波動(dòng)提前，1987年后30年的初日則出現(xiàn)在1月初.滇中地區(qū)初始日期的起伏變化最強(qiáng)烈.

圖5 1957-2016年研究區(qū)日均溫≥10 ℃終日變化趨勢(shì)

Fig.5 Change trend of the last day ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

從圖5可以看出,滇東北地區(qū)的終止日期呈平穩(wěn)延后趨勢(shì)且結(jié)束于秋季10月，此時(shí)進(jìn)入冬半年，太陽輻射減少，日照時(shí)數(shù)變短，日平均氣溫下降.滇西北地區(qū)的終止日期波動(dòng)起伏較大，在70年代發(fā)生較大變化，日期自10月期間推延至11月，此后穩(wěn)定于11月期間.滇南與滇西的終止日期則趨于穩(wěn)定，結(jié)束于12月以后.而滇中地區(qū)終止日期變化與初始日期相對(duì)應(yīng)，在1976年前終止日結(jié)束于12月，其后終止日提前至11月.

(a)滇南低熱河谷區(qū)

(b)滇西熱帶季風(fēng)縱谷區(qū)

(c)滇西北高聳山地區(qū)

(d)滇中亞熱帶季風(fēng)山地區(qū)

(e)滇東北溫帶高原-盆地區(qū)

Fig.6 Change trend of active accumulated temperature ≥10 ℃ in study area during 1957-2016

從圖6可觀察到云南省各區(qū)的積溫變化和距平變化,從積溫曲線可見，云南省各地區(qū)近60年積溫整體波動(dòng)增加.從累計(jì)距平曲線可見，滇東北高原-盆地區(qū)(圖6e)距平值變化起伏最為明顯，距平值變化大，偏少期與偏多期相間分布.在滇西北高聳山地區(qū)(圖6c)和滇中亞熱帶季風(fēng)山地區(qū)(圖6d)，以1987年日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃為積溫分界點(diǎn)，1987年之前積溫變化較緩和平穩(wěn)，以小幅震蕩為主，1987年以后，積溫波動(dòng)幅度變大，并且正距平偏多，積溫呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì).

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

研究選取了云南省32個(gè)地面氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1957-2016年60年的逐日平均氣溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用五日滑動(dòng)平均法、累計(jì)距平法和Kriging空間插值法等方法，分析了1957-2016年間云南省日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃期間的積溫時(shí)空變化，結(jié)論如下：

(1)從時(shí)間尺度上來看，1957-2016年60年間，云南省日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃期間積溫總體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì).氣溫的初始日期提前，其中以滇西北地區(qū)變化最明顯.氣溫的終止日相應(yīng)延后，滇西北地區(qū)日期變化最明顯.從整體上看，1987年以后，云南省≥10 ℃積溫的增幅明顯上漲，日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的氣溫變化起伏幅度增大，≥10 ℃積溫的增加主要是由于初日的提前與終日的延后使得日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的持續(xù)天數(shù)增加.

(2)從空間尺度上來看，1957-2016年云南省日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃期間積溫呈現(xiàn)由北向南逐漸降低的趨勢(shì)，并且隨著海拔升高積溫隨之降低.≥10 ℃積溫中大于5 000 ℃小于7 000 ℃面積范圍最大，大于7 000 ℃小于8 000 ℃的區(qū)域變化最大，主要體現(xiàn)在滇南地區(qū)的日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃積溫日數(shù)逐漸增加與積溫的增加.云南省積溫整體逐漸增加，積溫較高區(qū)域面積占比逐漸增大.

(3)日平均氣溫≥10 ℃積溫的增加為喜溫作物的生長發(fā)育提供了有利條件，累計(jì)熱量的增加使種植界限向北移動(dòng)和向高海拔地區(qū)移動(dòng)，擴(kuò)大了種植面積，影響農(nóng)產(chǎn)品的種植格局和云南省一年兩熟、一年三熟的作物熟制.總體上熱帶亞熱帶范圍的擴(kuò)大，對(duì)經(jīng)濟(jì)作物例如茶、橡膠、甘蔗等的種植面積及產(chǎn)量等形成有利的影響.

4.2 討論

以往研究側(cè)重于氣候?qū)υ颇鲜〗?jīng)濟(jì)作物地理集聚的影響[17]、氣溫對(duì)潛在蒸發(fā)量的影響[18]和積溫在區(qū)域范圍內(nèi)的整體變化趨勢(shì)[19]，本文分析了研究區(qū)內(nèi)1957-2016年云南省日平均氣溫≥10 ℃期間積溫的時(shí)空變化，在時(shí)間尺度和空間劃分上均有一定的提高.一方面是在時(shí)間上選取了較長的時(shí)間序列，重點(diǎn)展現(xiàn)了近年來積溫的波動(dòng)變化.另一方面在空間上考慮到海拔、緯度和經(jīng)度的影響，將云南省劃分為五個(gè)氣候農(nóng)業(yè)區(qū)，運(yùn)用kriging空間插值法分別討論積溫在不同氣候區(qū)的變化及其對(duì)作物的影響.但研究還有一些不足，沒有對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)站點(diǎn)與鄰近站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，未考慮坡度、云層、極端天氣等對(duì)積溫的影響，未深入討論積溫對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)的具體影響.