李 蒙，黃 瑋，周建琴，馬思源，楊鵬武

（云南省氣候中心，昆明 650034）

0 引言

IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年全球平均溫度增加了0.85℃[1]，中國的升溫趨勢較全球同期偏高，地表年平均氣溫增溫速率高于全球及北半球陸地表面平均氣溫增溫速率[2]。氣候變化對中國氣候、環(huán)境和農業(yè)產生了重大影響[3-4]，氣候變化導致光、溫、水等農業(yè)氣候資源的變化，直接影響農業(yè)生產過程[5-6]以及農業(yè)結構等[7]，導致水稻和玉米等主要糧食作物對氣候變化的敏感性和脆弱性加大[8-9]。氣候變化對農業(yè)氣候資源的綜合影響引起了廣泛的關注和研究，包括全國尺度[10-11]、區(qū)域尺度[5,7]及局地農業(yè)氣候資源時空分布[12]。

云南位于青藏高原的東南部，屬于低緯高原地區(qū)[13]，地形地貌錯綜復雜，海拔高差懸殊，氣候垂直分布差異明顯，立體氣候突出，跨越了從熱帶到溫帶等不同氣候類型[14-15]。在全球氣候變化背景下，低緯高原地區(qū)氣候變化研究集中在氣候變化特征[16-19]及局地氣候資源變化[20-21]方面，缺乏對其整體及不同氣候帶立體農業(yè)氣候資源時空變化特征的研究。因此，需要研究云南不同氣候帶在農業(yè)氣候資源方面獨特的變化特征和規(guī)律，并分析對云南農業(yè)生產的可能影響。

本研究采用云南受臺站搬遷影響較小、數(shù)據(jù)資料完整度高、能代表當?shù)剞r業(yè)種植區(qū)域氣候特征的115個氣象臺站[20]1961—2018年的地面觀測資料，從光能資源、熱量資源、水分資源3個方面分析研究區(qū)農業(yè)氣候資源的空間分布特征及時間變化趨勢、演變規(guī)律，以期為云南農業(yè)種植應對氣候變化決策提供科學參考。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的氣象要素數(shù)據(jù)來自云南省氣候中心，選取1961—2018年云南115個地面氣象觀測站的逐日平均氣溫、降水量、日照時數(shù)等數(shù)據(jù)，以115站的要素平均值代表該要素云南整體狀況，使用6個代表站進行不同氣候帶氣候變化特征分析。參照文獻[22]研究結果，將云南劃分為高原氣候帶、溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、北熱帶共6個氣候帶，并通過站點序列與氣候帶序列變化趨勢一致性和偏離程度情況分別挑選了香格里拉、維西、師宗、宜良、江城、勐臘作為代表站。筆者分別選取太陽輻射、活動積溫、降水量代表光能資源、熱量資源、水分資源進行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 穩(wěn)定通過界限溫度起止日期及積溫的確定 采用5日滑動平均法求算某界限溫度的起止日期，起止時間內超過界限溫度的平均氣溫累加值作為穩(wěn)定通過某界限溫度的活動積溫。本研究以穩(wěn)定通過0℃持續(xù)日數(shù)為喜涼作物溫度生長期，穩(wěn)定通過10℃的持續(xù)日數(shù)為喜溫作物溫度生長期[23]，并分別分析喜涼作物和喜溫作物生長期內的活動積溫分布及變化特征。

1.2.2 太陽輻射的計算 采用文獻[24]的方法計算云南各臺站的地面太陽總輻射，見公式(1)。

式中，Ra為天文輻射，n/N為日照百分率，as、bs為回歸常數(shù)。天文輻射Ra按照公式(2)計算。

式中，Gsc為太陽常數(shù)，dr為反轉日地平均距離，ωs為日落時角，φ為緯度，δ為太陽傾角。計算過程中各參數(shù)及常數(shù)的取值使用文獻[24]提供的方法。

圖1 研究區(qū)氣象臺站的分布

1.2.3 農業(yè)氣候資源變化趨勢及突變分析方法 主要應用趨勢分析法和Mann-Kendall突變檢驗（簡稱M-K檢驗）[25]。趨勢分析采用求解線性傾向率方法，即用最小二乘法擬合線性趨勢變化，時間系數(shù)即為線性傾向率，用其大小衡量農業(yè)氣候資源的變化趨勢及幅度。Mann-Kendall突變檢驗是一種非參數(shù)的統(tǒng)計方法，樣本并不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值干擾，檢測范圍寬，定量化程度高，所以很適合氣候要素時間系列的突變檢驗，本研究通過突變檢驗結果尋找云南農業(yè)氣候的“轉型”時間，趨勢分析法和Mann-Kendall突變檢驗均選取通過95%信度檢驗作為變化趨勢判別標準。

2 結果與分析

2.1 光能資源

云南平均年太陽輻射量接近中亞熱帶，為5855.3 MJ/m2，春季最強，秋季最弱。云南太陽輻射局地特征明顯，總體上北多南少，西多東少，滇西北高值區(qū)輻射值為滇東北等低值區(qū)的近2倍，各氣候帶代表站中高原氣候帶年輻射最強，北亞熱帶最弱。

1961—2018年，全省平均年太陽輻射線性傾向率為-18.9 MJ/(m2·10a)，變化并不顯著（圖2），在20世紀80年代末期之前呈明顯減少趨勢，從20世紀90年代初期開始呈現(xiàn)明顯增加趨勢，尤其是在2008—2014年上升最為迅速。全省平均年太陽輻射在年代際分布上呈“U”型變化特征，20世紀80年代至21世紀前10年為太陽輻射偏低的時期，之前及之后為偏高時期。云南不同氣候帶代表站年太陽輻射年代際變化趨勢不統(tǒng)一，差異明顯。各氣候帶在2009年以前基本一致為減少趨勢，但之后各氣候帶趨勢差異明顯，溫帶和中亞熱帶減少幅度進一步加大，表現(xiàn)為顯著減少趨勢(P<0.05)；其余氣候帶則出現(xiàn)了明顯的上升，由負距平轉為正距平，北熱帶和北亞熱帶增加幅度最大，而高原氣候帶和南亞熱帶上升幅度較小，總體上呈弱遞增趨勢。

圖2 云南平均年太陽輻射量變化

表1 云南年代際太陽輻射距平變化特征MJ/m2

全省平均年太陽輻射在1982年前后出現(xiàn)了由遞增變?yōu)檫f減的顯著突變特征（圖3），突變后太陽輻射平均值較突變前減少了2.3%，2011年左右出現(xiàn)由減變增的突變特征，但并不顯著。各氣候帶中有溫帶、中亞熱帶、南亞熱帶出現(xiàn)了顯著減少的突變，突變年份主要是20世紀80年代末期及90年代末期，其余氣候帶突變不明顯。全省大部分氣候帶2008—2014年太陽輻射出現(xiàn)明顯的上升，導致在2011年前后再次出現(xiàn)突變點，但突變并不顯著。

圖3 云南年太陽輻射突變檢驗

2.2 熱量資源

2.2.1 年平均氣溫變化 1961—2018年，全省年平均氣溫呈極顯著增加趨勢(P<0.001)，增溫速率為0.19℃/10a，在1998年出現(xiàn)了顯著的突變，年平均氣溫突變后較之前升高了0.7℃。各氣候帶中高原氣候帶升溫速率最大，為全省平均值的2倍，其他氣候帶與全省平均氣溫變化速率較為接近。

2.2.2 穩(wěn)定通過0℃活動積溫 云南年平均穩(wěn)定通過0℃的活動積溫為6076.1℃·d，與中亞熱帶代表站接近，各氣候帶熱量豐富但空間差異顯著，有顯著的緯向分布和立體變化特征，北部高原氣候帶活動積溫不足南部北熱帶的1/3；中部和南部的亞熱帶地區(qū)及北熱帶地區(qū)全年日平均氣溫均穩(wěn)定通過0℃，而滇西北部分高海拔地區(qū)的高原氣候帶穩(wěn)定通過0℃的持續(xù)時間僅為270天左右，溫帶地區(qū)持續(xù)時間約為320天左右。

1961—2018年全省平均穩(wěn)定通過0℃積溫呈現(xiàn)極顯著遞增趨勢(P<0.001)，線性傾向率為73.2℃/10 a（圖4）。各氣候帶代表站均呈顯著增加趨勢，中亞熱帶變化率最大，明顯高于全省平均值，溫帶和北亞熱帶變化率最低，接近全省平均值。

圖4 云南平均穩(wěn)定通過0℃的活動積溫變化

圖5 云南平均穩(wěn)定通過0℃的活動積溫M-K突變檢驗

除了中亞熱帶穩(wěn)定通過0℃的活動積溫從21世紀前10年由負距平轉為正距平以外，其余氣候帶代表站及全省平均在20世紀90年代開始轉為正距平，各氣候帶活動積溫基本隨年代推移逐漸增加（表2）。云南穩(wěn)定通過0℃的活動積溫在1998年出現(xiàn)了顯著的突變，各氣候帶代表站也都出現(xiàn)顯著突變，北熱帶突變時間較其他氣候帶偏早，為1986年前后，中亞熱帶為2002年前后，其他氣候帶主要為20世紀90年代中期。

表2 云南年代際穩(wěn)定通過0℃的活動積溫距平變化特征 ℃

2.2.3 穩(wěn)定通過10℃活動積溫 云南平均穩(wěn)定通過10℃的初日為2月18日，持續(xù)日數(shù)為288天，累計活動積溫為5445.7℃。全省平均及各氣候帶代表站穩(wěn)定通過10℃積溫空間分布與海拔和緯度顯著負相關，空間差異顯著，活動積溫低值僅為高值的20%。穩(wěn)定通過10℃持續(xù)日數(shù)空間差異也十分明顯，北熱帶常年日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃，而滇西北的高原氣候帶僅6—9月能穩(wěn)定通過。

1961—2018年云南平均穩(wěn)定通過10℃活動積溫呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，增加速率為88.2℃/10 a。與0℃積溫變化特征相似，各氣候帶代表站穩(wěn)定通過10℃活動積溫均呈顯著增加趨勢，但是年代際間的變化特征及變化速率差異明顯，主要體現(xiàn)在20世紀60年代、70年代以及21世紀以來變化趨勢不一致。高原氣候帶、中亞熱帶、南亞熱帶在20世紀60年代、70年代是下降趨勢，北亞熱帶則在2010年之前為明顯下降趨勢。總體上，2001年以來各氣候帶穩(wěn)定通過10℃積溫均為正距平，而且2011—2018年各氣候帶穩(wěn)定通過10℃積溫總體上接近或高于2001—2010年（表3）。云南平均穩(wěn)定通過10℃活動積溫在2002年出現(xiàn)了顯著的突變，各氣候帶代表站也出現(xiàn)了明顯的突變，除了北熱帶突變時間為20世紀80年代末期，明顯早于其他氣候帶外，其余氣候帶突變時間主要集中在20世紀90年代中后期。

與活動積溫變化趨勢相對應，除了北熱帶和北亞熱帶變化趨勢不明顯外，其余各氣候帶穩(wěn)定通過10℃積溫變化均表現(xiàn)為初日提前，終日推遲，持續(xù)日數(shù)增加的趨勢，其中高原氣候帶和亞熱帶變化趨勢最為顯著，初日提前的速率超過2.9 d/10 a，終日推遲的速率超過1.6 d/10 a，持續(xù)日數(shù)增加的速率則超過4.5 d/10 a，南部地區(qū)的南亞熱帶出現(xiàn)了全年日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃的保證率明顯提高的趨勢。

2.2.4 無霜期 云南平均常年無霜期長度為284天，與中亞熱帶接近，平均無霜期初日為2月22日，各氣候帶代表站無霜期長度與海拔及緯度顯著負相關，北部高海拔高原氣候帶無霜期不足半年、溫帶無霜期長度不足200天，明顯小于南部的亞熱帶及常年無霜的北熱帶。

1961—2018年云南平均無霜期長度呈顯著增加的趨勢，增加速率為5.1 d/10 a，初日按照3.5 d/10 a的速率提前，終日按照1.6 d/10 a的速率推遲，變化趨勢均十分顯著。全省平均無霜期長度在1997年出現(xiàn)了顯著突變，突變后無霜期較突變前增加了17天，變化速率從2.0 d/10 a增加到9.3 d/10 a。各氣候帶代表站中，除北熱帶常年無霜，無霜期長度變化不明顯外，其余氣候帶均呈現(xiàn)無霜期初日提前，終日推后，無霜期長度顯著增加的趨勢，其中北亞熱帶和中亞熱帶增加最為顯著，高原氣候帶次之。從各氣候帶代表站無霜期年代際變化特征來看，高原氣候帶呈現(xiàn)先減少后增加的變化特征，溫帶和亞熱帶地區(qū)則是逐年代無霜期長度穩(wěn)定增長，各氣候帶從20世紀90年代以來無霜期長度逐步轉為正距平（表4）。

表4 云南年代際無霜期長度距平變化特征d

2.3 水分資源

云南各氣候帶代表站年降水量差異顯著，總體上南部氣候帶大于北部，東部大于西部，西北部高原氣候帶的年降水量僅為南部南亞熱帶代表站的28%。

1961—2018年云南平均年降水量呈減少趨勢，減少速率為-10.2 mm/10 a，但變化趨勢并不顯著（圖6）。各氣候帶代表站年降水量的線性傾向率與經(jīng)緯度、海拔都無明顯的相關，空間變化規(guī)律不明顯，總體上除了北熱帶、高原氣候帶以外的其他氣候帶代表站年降水量均呈現(xiàn)減少的趨勢，但僅有北亞熱帶變化趨勢顯著。

圖6 云南平均年降水量變化

各氣候帶代表站年降水量年代際分布特征不統(tǒng)一，但總體上年降水量最多的時期主要是20世紀60年代和90年代，較少的時期主要是2001—2018年。除了北熱帶20世紀90年代以來降水增加明顯以外，其余各氣候帶代表站20世紀90年代以來年代際降水量一致呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢，而且總體上2011—2018年降水量明顯偏少。

表5 云南年代降水量距平變化特征mm

云南平均年降水量在2002年出現(xiàn)了明顯的突變，突變后降水量較突變前減少了8%。各氣候帶代表站年降水量突變特征不一致，南亞熱帶和北熱帶沒有明顯的突變，高原氣候帶、北亞熱帶、中亞熱帶在20世紀80年代出現(xiàn)明顯的突變，而溫帶地區(qū)則出現(xiàn)2次明顯突變，分別出現(xiàn)在1973年前后以及2012年前后。

3 討論

3.1 光能資源變化特征

云南光能資源變化空間差異明顯，各氣候帶代表站及全省平均光能資源總體以減少趨勢為主，各地光能資源年代際變化特征和變化趨勢不一致，2000年之前各氣候帶一致表現(xiàn)為減少趨勢，但之后變化差異較大，造成各氣候帶變化趨勢不同。1961年以來，云南北部輻射量高值區(qū)減少趨勢明顯，而南部次高區(qū)出現(xiàn)顯著增加趨勢，可能會導致未來云南太陽輻射的高值中心出現(xiàn)南移，云南光能資源空間分布格局發(fā)生變化。雖然總體上云南光能資源呈遞減趨勢，但是大部分氣候帶2009年以來日照時數(shù)及太陽輻射均出現(xiàn)了明顯的增加，基于此原因，本研究分析的云南輻射的減少速率低于王學鋒等[28]分析的1961—2007年的變化速率，且突變時間點不一致，未來光能資源的變化變化存在不確定性，變化趨勢可能會再次改變，出現(xiàn)新的突變點。由于日照和輻射的減少可能會導致作物光合速率的降低，影響作物生產潛力和產量[9]，太陽輻射的變化也會造成研究區(qū)潛在蒸散的變化[26]，從而影響作物的水分平衡，因此有必要開展輻射變化的原因分析，以便深入揭示農業(yè)氣候資源變化特征。馬濤[29]、王學鋒等[28]揭示了緯向風是影響日照時數(shù)的重要因子，相對濕度和云量是影響太陽總輻射變化的主要氣象因素。

3.2 熱量資源變化特征

云南各氣候帶代表站喜涼及喜溫作物的活動積溫均顯著增加，無霜期長度顯著增長，熱量資源顯著增加。各氣候帶基本上都表現(xiàn)出日平均氣溫穩(wěn)定通過0、10℃的初日提前、終日推后的特征，并且初日提前的速率大于終日推后的速率。云南氣溫和熱量資源在年代際上基本保持穩(wěn)定上升的趨勢，與其他人的研究[30-31]基本一致，但是部分氣候帶2011—2018年熱量資源略低于2001—2010年，與平均氣溫的年代際變化特征不太一致，可能與近年滇東北、滇中以東較強冷空氣活動頻繁的影響有關。熱量資源的增加，促進了復種指數(shù)增加和農業(yè)氣候帶北移[17]，對熱量要求較高的作物品種提供了有利條件，但是，農業(yè)熱量資源變率和變幅也產生較強的波動，可能會導致暖事件增加，極端高溫突出[32]，另外作物種植北界向北推移的同時可能存在較大的風險[27]。

圖7 云南平均年降水量M-K突變檢驗

3.3 水分資源變化特征

云南各氣候帶代表站水分資源總體呈現(xiàn)減少趨勢，僅北熱帶和高原氣候帶出現(xiàn)增加趨勢，但并不顯著，各氣候帶年代際降水量變化差異顯著，但總體上21世紀以來降水量呈現(xiàn)明顯的減少趨勢，為降水偏少期，而降水高值期主要是20世紀60年代和20世紀90年代。各氣候帶中，在云南占比最大的亞熱帶地區(qū)[22]代表站降水減少的速率最快，在溫度升高、熱量資源顯著增加的背景下，亞熱帶地區(qū)暖干化的趨勢十分顯著，尤其是北亞熱帶輻射增加趨勢明顯，加速水分蒸發(fā)，導致出現(xiàn)干旱的風險較高。降水資源減少可能會導致云南季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生，需要加大作物抗旱品種和節(jié)水技術的推廣，擴大旱地作物的種植范圍，減輕降水資源減少帶來的不利影響。另外，氣候變暖、降水減少背景下，極端強降水仍可能出現(xiàn)[33]，加強極端強降水的研究仍十分必要。

4 結論

本研究雖從光能、熱量、水分資源3個角度詳細的分析了云南各氣候帶代表站及全省平均農業(yè)氣候資源的時空變化特征，但是云南立體氣候顯著，同一氣候帶分布范圍廣，局地氣候明顯，而且氣候帶分布是動態(tài)可變的[34]，用選取代表站進行區(qū)域分析的方式難以全面展現(xiàn)云南農業(yè)氣候資源的空間分布及變化規(guī)律。為詳細分析農業(yè)氣候資源的空間變化，有必要對研究區(qū)進行進一步的氣候分區(qū)，并且結合云南農業(yè)主要氣候問題有針對性地進行氣候變化影響評估。另外本研究主要基于實況數(shù)據(jù)進行農業(yè)氣候資源的氣候變化分析，實際上未來氣候變化情境下農業(yè)氣候資源的變化趨勢以及對農業(yè)種植的影響更加有決策價值，有必要使用基于氣候模式的未來氣候變化預估數(shù)據(jù)進行進一步的分析研究。