近52 a銅仁市熱量資源變化特征分析

薛 旭，侯雙雙，朱麗萍

(貴州大學生命科學學院生態系，貴州 貴陽 550025)

0 引言

熱量資源是農業生產中作物生長發育必需的外界環境及能量來源，其多寡是影響某一地區作物種植、生長、產量和品質的重要指標之一。熱量資源變化主要受到逐日氣溫變化特征的影響，氣溫上升熱量隨之增加，氣溫降低則熱量隨之減弱。在IPCC第五次評估結果中，全球地表平均溫度在1880—2012年間出現明顯的增溫趨勢，約為0.85 ℃[1]，中國增溫程度與全球同期相比呈偏高趨勢[2]，部分區域熱量資源在全球氣候變暖大背景下的變化特征引起了許多學者的研究興趣[3-10]，同時他們也對貴州省部分區域的熱量資源變化特征做了一定研究[11-14]。這些研究表明在全球氣候變暖趨勢的大背景下，熱量資源在某種程度上發生了改變，其變化特征將對農業生產造成不同的影響。

農業界限溫度是衡量農業生產中熱量資源的重要指標，其起止日期、持續天數及積溫較大程度決定了適宜種植區的規劃、種植制度和品種搭配。常用的界限溫度有：0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃和20 ℃[15]。在全球氣候變化的背景下，不同界限溫度下熱量資源隨時間會發生相應變化，這對農業生產及病蟲害帶來新的影響。

銅仁市坐落于貴州省的東北側，東與懷化市相接壤，北側緊鄰重慶，介于107°45′～109°30′E，27°07′～29°05′N之間，面積1.8萬km2。屬于季風濕潤氣候區，年均氣溫約16 ℃，年日照時數約1 200 h，年均降水量約1 300 mm。本文對銅仁市近50 a來 ≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃及≥15 ℃熱量資源變化趨勢特征進行分析研究，為當地合理開發利用農業氣候資源提供依據。

1 資料和方法

本文使用銅仁市近52 a(1960—2011年)國家氣象觀測站的逐日氣溫數據，結合五日滑動平均方法[16]，利用NCL編程語言分別計算了界限溫度0 ℃、5 ℃、10 ℃和15 ℃的初始日期、終止日期、持續日數和積溫，用穩定通過0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃的初終日來研究銅仁市升溫、降溫快慢緩急，用持續天數及積溫來分析銅仁市熱量資源的變化特征。主要應用到的方法包括五日滑動平均方法、趨勢分析方法及曼—肯德爾方法[17]，主要用Excel軟件來作圖。

2 結果與分析

2.1 ≥0 ℃積溫演變趨勢

2.1.1 氣溫≥0 ℃初、終日 銅仁市≥0 ℃平均初日出現在1月4日，其中，最晚出現在2月22日(1964年)，最早為1月1日，早晚相差53 d。從年代際時間尺度而言，上世紀80、90年代初日出現最早(1月1日)，60年代出現最晚(1月9日)，年代最大差異為9 d。前10 a(1960—1979年)≥0 ℃初日平均為1月8日，而近10 a(1992—2011年)為1月2日，前后相差6 d。

≥0 ℃終日平均為12月28日，終日出現最早在12月22日(1966年)，最遲出現在12月31日，其中，近52 a中，有49 a終日出現在12月30日及31日，早遲間差9 d。年代際變化不明顯，主要在12月28日和29日之間徘徊。

2.1.2 氣溫≥0 ℃持續日數、活動積溫 銅仁市持續日數平均為360 d，其中1964年持續時間最短僅為313 d，最長為366 d，早晚間相差53 d。從年代變化來看，80年代持續日數時間最長，達到約364 d， 90年代次之(約363 d)；60、70年代最短(約355 d)，年代差異最大為9 d。此外，前20 a(1960—1979年)≥0 ℃持續日數平均為356 d，而近20 a(1992—2011年)平均為363 d，前后相差約7 d。

由≥0 ℃活動積溫變化曲線(圖1a)可見，≥0 ℃積溫平均為6 285.51 ℃·d，其中積溫最強為6 654.0 ℃·d(2006年)，最弱為5 929.17 ℃·d(1964年)，相差724.83 ℃·d?！?°積溫表現為以59.4 ℃ /10 a的速率增強，相關系數為0.56(R0.1=0.226)，通過信度檢驗。從年代變化來看，21世紀初期(2000—2011年)活動積溫最強，達到約6 431.81 ℃·d，其次為20世紀90年代(約6 332.40 ℃·d)，再次是80、60年代(依次為6 235.14 ℃·d、6 203.48 ℃·d)；最弱為70年代(約6 195.44 ℃·d)，年代平均相差最大約為196.68 ℃·d。前20 a(1960—1979年)≥0 ℃積溫平均為6 199.46 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均為6 395.52 ℃·d，前后相差196.06 ℃·d。

用曼—肯德爾法檢測銅仁市≥0 ℃積溫序列的突變，由圖1b可知，自20世紀70年代初期，銅仁市≥0 ℃的積溫一直持續增加，70年代末超過0.05信度，表明≥0 ℃積溫的上升趨勢在70年代末期后是顯著的。

圖1 銅仁市1960—2011年氣溫≥0 ℃ (a)積溫歷年變化趨勢曲線，(b)積溫曼-肯德爾曲線(直線為α=0.05的顯著性信度臨界值)Fig.1 Change trend of the (a) accumulated temperature,and (b) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 0 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (b) denote α=0.05significant confidence level.)

2.2 ≥5 ℃積溫演變趨勢

2.2.1 氣溫≥5 ℃初、終日 1960—2011年，銅仁市≥5 ℃平均初日出現在2月15日。其中，2002年初日出現最早(1月1日)，1998年出現最晚(3月24日)，相差84 d。從年代際時間尺度而言，21世紀初(2000—2011年)最早(2月8日)，上世紀60、70、90年代次之，80年代出現較晚(2月22日)，年代間平均相差最大為15 d。前20 a(1960—1979年)≥5 ℃平均初日為2月15日，近20 a(1992—2011年)為2月13日，前后相差2 d。

銅仁市≥5 ℃多年平均終日出現在12月20日，其中，2009年出現最早(11月15日)，1980、1988、1992、1996及2000年最晚(12月31日)，相差近47 d。從年代際時間尺度而言， 60和80年代最早(12月17日)，90年代終日最晚(12月25日)，其次是70年代及21世紀初(2000—2011年)(皆為12月19日)，年代平均相差最大為9 d。前20 a(1960—1979年)≥5 ℃平均終日為12月18日，近20 a(1992—2011年)為12月22日，前后相差4 d。

2.2.2 氣溫≥5 ℃持續日數、活動積溫 ≥5 ℃持續日數平均為308 d，其中最短為259 d(2009年)，最長為357 d(2002年)，早晚間相差99 d。從年代變化來看，21世紀初期(2000—2011年)持續日數時間最長，達到約316 d，90年代次之(約311 d)，再次是60、70年代(依次為308 d、307 d)；80年代持續時間最最短(約299 d)，年代平均相差最大為18 d。前20 a(1960—1979年)平均持續日數為307 d，近20 a(1992—2011年)為313 d，前后相差約7 d。

由≥5 ℃活動積溫變化曲線(圖2a)可見，活動積溫平均為5 976.0 ℃·d，最強積溫為6 475.9 ℃·d(2007年)，最弱為5 525.7 ℃·d(1962年)，相差950.24 ℃·d?；顒臃e溫表現為增強的趨勢，變化傾向率為54.8 ℃ /10 a，相關系數為0.35(R0.01= 0.31)，超過0.01信度的顯著性檢驗，活動積溫在近幾十年表現為顯著增加趨勢。從年代變化來看，21世紀初期(2000—2011年)活動積溫最強(6 159.4 ℃·d)，20世紀90年代次之(約5 989.3 ℃·d)，再次是60、70年代(依次為5 923.4 ℃·d、5 907.3 ℃·d)；最弱為20世紀80年代(約5 864.2 ℃·d)，年代平均相差最大約為295.1 ℃·d。此外，前20 a(1960—1979年)積溫平均為5 915.4 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均為6 085.6 ℃·d，前后相差170.2 ℃·d。

用曼—肯德爾法檢測銅仁市≥5 ℃積溫序列的突變，由圖2b可知，自20世紀70年代初期，≥5 ℃積溫呈增強趨勢。80年代初以后，通過顯著性水平0.05臨界線(Uα=0.05=2.56)，因此，銅仁市≥5 ℃積溫呈顯著上升趨勢。從圖中可知，≥5 ℃積溫是從1972年開始增強的。

圖2 銅仁市1960—2011年氣溫≥5 ℃ (a)積溫歷年變化趨勢曲線，(b)積溫曼-肯德爾曲線(直線為α=0.05的顯著性信度臨界值)Fig.2 Change trend of the (a) accumulated temperature,and (b) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 5 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (b) denote α=0.05significant confidence level.)

2.3 ≥10 ℃積溫演變趨勢

2.3.1 氣溫≥10 ℃初、終日 ≥10 ℃平均初日為3月20日，最早出現在2008年2月28日，最晚為1987年4月13日，早晚相差46 d。從年代際時間尺度而言，21世紀初(2000—2011年)出現最早(3月13日)，70年代(3月18日)次之，80年代最晚(3月26日)，年代平均最大差異為13 d。1960—1979年期間平均初日為3月19日，近20 a(1992—2011年)為3月17日，相差3 d。

銅仁市≥10 ℃平均終日出現在11月22日，1981年最早(11月4日)，1968、1980年最晚(12月11日)，早晚相差近38 d。70年代出現最早(11月18日)，21世紀初、60年代最晚(11月24日)，其次是80、90年代(皆為12月23日)，年代平均相差最大為6 d。前20 a(1960—1979年)終日平均為11月21日，近20 a(1992—2011年)平均初日出現在11月23日，前后相差約3 d。

2.3.2 氣溫≥10 ℃持續日數、活動積溫 ≥10 ℃持續日數平均為248 d，最短為224 d(1996年)，最長為280 d(2008年)，早晚間相差57 d。21世紀初(2000—2011年)持續天數最長達256 d，60年代次之(約250 d)，最短為20世紀80年代(約244 d)，年代相差最大為14 d。1960—1979年間持續天數平均為248 d，而近20 a(1992—2011年)平均為252 d，前后相差約5 d。

由≥10 ℃活動積溫變化曲線(圖3a)可見，≥10 ℃活動積溫平均為5 412.2 ℃·d，積溫最強為5 965.1 ℃·d(2008年)，最弱為5 025.3 ℃·d(1996年)，相差939.8 ℃·d。以48.9 ℃·d /10a的速率顯著增強，相關系數為0.36(R0.01= 0.31)，通過0.01水平的顯著性檢驗。21世紀初期(2000—2011年)活動積溫最強，達到約5 613.3 ℃·d， 20世紀60年代次之(約5 394.0 ℃·d)，再次是90、80年代(依次為5 352.8 ℃·d、5 335.7 ℃·d)；最弱為20世紀70年代(約5 324.8 ℃·d)，年代差異最大約為288.5 ℃·d。1960—1979年≥10 ℃積溫平均為5 359.4 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均為5 509.5 ℃·d，前后相差150.1 ℃·d。

用曼—肯德爾法檢測1960—2011年銅仁市≥10 ℃積溫序列的突變，由圖3b可知，≥10 ℃積溫從60年代后期開始增強，于70年代末后期開始通過0.05信度臨界線。因此，≥10 ℃積溫在70年代末后顯著增強。

圖3 銅仁市1960—2011年氣溫≥10 ℃ (a)積溫歷年變化趨勢曲線，(b)積溫曼-肯德爾曲線(直線為α=0.05的顯著性信度臨界值)Fig.3 Change trend of the (a) accumulated temperature,and (b) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 10 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (b) denote α=0.05significant confidence level.)

2.4 ≥15 ℃積溫演變趨勢

2.4.1 氣溫≥15 ℃初、終日 ≥15 ℃平均初日出現在4月15日，最晚出現在1968年5月11日，最早為1974、1975、1998和2004年3月28日，早晚相差45 d。從時間變化曲線圖(圖4a)可知，初日呈提前趨勢，以-2 d/10 a的速率提前，相關系數為-0.28(R0.1=- 0.226)，通過0.1信度檢驗，初日提前趨勢較顯著。從年代際時間尺度上而言，70年代出現最早(4月11日)，90年代及21世紀初期(4月13日)次之，60年代出現最晚(4月23日)，年代最大差異為13 d。前20 a(1960—1979年)平均初日為4月17日，近20 a(1992—2011年)為4月12日，相差6 d。

平均終日出現在10月25日，最晚出現在1998年11月16日，最早為1992年10月3日，早晚相差45 d。從年代際時間尺度來看，80年代出現最早(10月20日)，60、90年代(10月23日)次之，21世紀初最晚(10月30日)，年代最大差異約為11 d。前20 a平均終日為10月25日，近20 a(1992—2011年)為10月27日，相差3 d。

2.4.2 氣溫≥15 ℃持續日數、活動積溫 由銅仁市≥15 ℃持續日數變化曲線(圖4b)可見，持續日數平均為193 d，1968年持續時間最短僅為151 d，1998年持續時間最長達234 d，早晚相差84 d。持續天數呈增加趨勢，以3.3 d/10 a的速率增加，相關系數為0.28(R0.1=0.226)，通過0.1信度檢驗，持續天數顯著增多。從年代變化來看，21世紀初(2000—2011年)持續日數時間最長，達到約202 d，其次為70年代(約200 d)，再次是90、80年代(依次為194 d、186 d)；60年代持續時間最短(約184 d)，年代平均最大相差約19 d。前20 a(1960—1979年)≥15 ℃持續日數平均為193 d，而近20 a(1992—2011年)平均為200 d，前后相差約9 d。

由氣溫≥15 ℃積溫變化曲線(圖4c)可見，≥15 ℃活動積溫平均為4 614.9 ℃·d，其中積溫最強為5 505.0 ℃·d(1998年)，最弱為3 767.9 ℃·d(1968年)，相差1 737.1 ℃·d。以79.4 ℃·d/10 a速率增加，相關系數為0.35(R0.01=0.31)，通過0.01信度檢驗，積溫顯著增強。從年代變化來看，21世紀初期(2000—2011年)積溫最強，達到約4 817.6 ℃·d，其次為20世紀70年代(約4 690.0 ℃·d)，再次是90、80年代(依次為4 621.1 ℃·d、4 487.6 ℃·d)；最弱為20世紀60年代(約4 417.5 ℃·d)，年代相差最大約為400.4 ℃·d。前20 a(1960—1979年)≥15 ℃積溫平均為4 553.7 ℃·d，而近20 a(1992—2011年)平均為4 754.8 ℃·d，前后相差201.1 ℃·d。

用曼—肯德爾法檢測銅仁市≥15 ℃積溫序列的突變，由圖4d可知，從20世紀70年代后期開始，≥15 ℃積溫表現為增強趨勢，在80年代通過0.05信度檢驗，表明80年代積溫增強趨勢是顯著的。

圖4 銅仁市1960—2011年氣溫≥15 ℃ (a)初日、 (b)持續日數、(c)積溫歷年變化趨勢曲線及(d)積溫曼—肯德爾曲線Fig.4 Change trend of the (a)beginning date, (b)lasting days, (c)accumulated temperature, and (d) Mann-Kendall statistics curve of accumulated temperature with daily temperature above 15 ℃ in Tongren during 1960—2011 (The both straight lines in (d) denote α=0.05 significant confidence level.)

3 結論和討論

本文根據銅仁市近52 a的逐日氣溫資料，分析了該地區界限溫度0 ℃、5 ℃、10 ℃及15 ℃的起止日期、持續日數和積溫的變化特征。結果表明：銅仁市≥0 ℃積溫均值為6 285.51 ℃·d，最高為6 654.0 ℃·d，最低為5 929.17 ℃·d，以59.4 ℃/10 a的速率顯著增強；≥5 ℃積溫均值為5 976.0 ℃·d，以54.8 ℃/10 a的速率顯著增多?！?0 ℃積溫均值為5 412.2 ℃·d，以48.9 ℃/10 a的速率顯著增強。 ≥15 ℃積溫均值為4 614.9 ℃·d，以79.4 ℃/10 a的速率顯著增強。

1960—2011年后20 a(1992—2011年)的平均值與前20 a(1960—1979年)相比，≥0 ℃持續日數增加7 d，積溫增加196.06 ℃·d?！? ℃初日提前2 d，終日推遲4 d，持續天數增加7 d，積溫增加170.2 ℃·d；≥10 ℃初日提前3 d，終日推遲3 d，持續日數增加5 d，積溫增加150.1 ℃·d?！?5 ℃初日提前6 d，終日延長3 d，持續日數增加9 d，積溫增加201.1 ℃·d。

綜上，銅仁市≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃及≥15 ℃初日的提前、終日的推遲、持續日數和積溫的增加對當地水稻、茶葉及蔬菜等主要農產品的種植、生長及產量有重要的影響。農業熱量資源的增多可延長農作物的生長期，可適當調整水稻等作物的播種時期，選擇生育期較長的產品，充分利用熱量資源，達到增產的目的。另外，熱量的增多可能會導致新病蟲害的入侵，加劇病蟲害的發生幾率，不利于病蟲害的防治，應當加強病蟲害的監測、預報和防治。