1961—2020年河南省氣候變化及其對氣候生產力的影響

計舒懷

(1.信陽市氣象局，河南信陽 464000；2.信陽市茶葉氣象重點實驗室，河南信陽 464000)

IPCC第六次評估報告指出，21世紀前20 a(2001—2020年)的全球表面溫度比1850—1900年高0.99 ℃。2011—2020年的全球表面溫度比1850—1900年高1.09 ℃[1]。在中國，近百年來陸地區域平均增溫0.9～1.5 ℃[2]。氣候變化改變了農業生產過程中的水熱狀況組合，從而直接影響農作物的氣候生產力[3]。目前，有關氣候生產力的時空變化及其影響的研究，已有不少成果出現。有學者利用氣象數據，研究了中國區域植物生產力變化特征、時空變化、突變及周期特征[4-6]。區域尺度上，陜西省氣候生產力均呈現微弱下降的趨勢[7]；而黑龍江省和上海市等地區氣候生產力卻呈現升高的趨勢[8-9]。有學者研究了氣候變化對氣候生產力的影響，結果顯示降水量是影響西北和東北地區氣候生產力的主導因素[7-11]，氣溫是三江源地區、長江中下游地區及福州地區氣候生產力變化的主要限制因素[12-15]。還有學者分析了未來氣候變化對氣候生產力的影響，結果顯示：未來的“暖濕型”氣候有利于氣候生產力升高，“冷干型”氣候不利于氣候生產力升高[16-17]。前人已對氣候生產力的時空變化特征及其影響因素進行了大量的研究，這些研究大多定性評估了氣候變化對氣候生產力的影響。因此，本文利用1961—2020年河南省逐月平均氣溫與降水量資料，分析近60 a來河南省氣候生產力的時空變化，并定量評估氣候變化對氣候生產力的影響及其區域差異，以期為河南省合理開發和充分利用氣候資源，挖掘作物生產潛力等提供科學依據。

1 資料和方法

1.1 資料來源

所用資料為河南省分布相對均勻的15個站點1961—2020年逐月平均氣溫和降水量數據。該資料來源于中國氣象數據網中國地面氣候資料月值數據集(http://data.cma.cn/)。經檢查后發現河南省15個站點的氣象數據不存在缺失，連續性和整體性較好。

1.2 方法

1.2.1 氣候生產力模型 氣候生產力是指在最適宜的環境下，單位面積、單位時間由氣候因素所決定的植物上限產量?？紤]到資料易得和計算簡便，采用Thornthwaite Memorial模型來估算該地氣候生產力[18]。計算方法如下：

Pv=3 000[1-e-0.000 960 5(v-20)]，

(1)

v=1.05R/[1+(1.05R/L)2]1/2，

(2)

L=300+25T+0.05T2。

(3)

其中，Pv為植物的氣候生產潛力(kg/(hm2·a))，T為年平均氣溫(℃)，L為年平均蒸發量(mm)，v為年平均蒸散量(mm)，R為年平均降雨量(mm)。

1.2.2 氣溫和降水貢獻率計算 通過多元線性回歸模型估算氣溫和降水對氣候生產力變化的相對貢獻率，具體做法是：首先對原始數據進行標準化處理；其次以氣溫和降水為自變量，氣候生產力為因變量，對標準化后的序列進行回歸分析，并計算回歸系數；最后按照公式(4)～(6)計算氣溫、降水變化對氣候生產力變化的貢獻率[19]。

YS=aX1S+bX2S+c，

(4)

η1=|a|/(|a|+|b|)，

(5)

η2=|b|/(|a|+|b|)。

(6)

式中，X1S、X2S分別為氣溫和降水標準化序列，YS為氣候生產力標準化值，a、b分別為氣溫和降水回歸系數，η1和η2分別為氣溫和降水變化對氣候生產力變化的相對貢獻率，c為常數。

1.2.3 R/S分析法 利用R/S分析法對河南省氣溫、降水及氣候生產力變化進行預測?；痉椒ㄊ?，設置時間序列{x(t)}，t=1，2,…,對于任意正整數τ≥1，

(7)

(8)

(9)

(10)

如果計算得出的比值R(τ)/S(τ)∝τH，則說明時間序列{x(t)}，t=1，2,…,存在著Hurst現象，其中H稱為Hurst指數，可以根據H來判斷氣溫、降水和氣候生產力變化趨勢的持續性與反持續性。若0

2 結果與分析

2.1 氣候變化特征

1961—2020年河南省多年平均氣溫為14.8 ℃，最高值出現在2019年，為15.9 ℃，最低值出現在1984年，為13.6 ℃?？臻g上，河南省多年平均氣溫呈北低南高的特征。氣溫高值區出現在河南東南部地區，其中固始地區最高，為15.6 ℃；河南中部地區次之，氣溫多在14.5～15.0 ℃之間；北部地區氣溫相對較低，其中安陽多年平均氣溫最低，為14.1 ℃。

從圖1可知，1961—2020年河南省年平均氣溫在波動中呈明顯上升趨勢，氣候傾向率為0.23 ℃/10 a(95%的置信水平，下同)，回歸方程通過0.05的顯著性水平檢驗?？臻g上，河南省15個站年平均溫均呈上升趨勢，其中93.3%的站點氣候傾向率通過0.05顯著性水平檢驗。由圖2可看出，北部地區增溫較明顯，氣候傾向率一般在0.3 ℃/10 a以上，其中鄭州最大為0.39 ℃/10 a，通過了0.05的顯著性水平檢驗；其次為西南部和東南部地區；中部較小，多在0.19 ℃/10 a以下，氣候傾向率最小的站為許昌(0.04 ℃/10 a，未通過0.05顯著性水平檢驗)。

圖1 1961—2020年河南省氣溫(a)和降水(b)變化趨勢

1961—2020年河南省年降水量平均值為750.8 mm，最大值出現在1964年，為1 111.2 mm；最小值出現在1966年，僅為466.7 mm。最大值最小值差值高達644.5 mm，降水的年際振蕩劇烈?？臻g上，河南省年降水量大體上由東南向西北逐漸遞減。東南部年降水量較多，其中信陽年降水量值最多，為1 095.0 mm；其次為河南中部地區，降水多在700～800 mm；河南西部、北部地區年降水量相對較少，其中三門峽地區最少，為553.8 mm。

近60 a河南省降水量在強烈波動中呈現出微弱下降的趨勢，氣候傾向率為-2.98 mm/10 a，未通過0.05的顯著性水平檢驗。如圖2所示，空間上，河南省年降水量變化呈顯著的區域差異。86.7%站點的降水量呈減少趨勢，多分布在西部和南部地區。其中西峽變化最大，氣候傾向率為-17.31 mm/10 a；其次是信陽，氣候傾向率為-16.37 mm/10 a；三門峽變化最小，氣候傾向率為-0.81 mm/10 a。均未通過0.05的顯著性水平檢驗。13.3%的站點呈增多趨勢，多分布在河南東部地區，如西華和商丘，其中商丘的上升幅度最大，氣候傾向率為15.27 mm/10 a，未通過0.05的顯著水平檢驗。

圖2 1961—2020年河南省氣候(氣溫、降水)及氣候傾向率空間分布(審圖號為GS(2021)5448號)

由圖3可知，河南省氣候生產力變化呈顯著的區域差異。80%的站點的氣候生產力呈上升趨勢，多分布在河南省東部和南部。其中河南省氣候生產力氣候傾向率最大為209.73 kg/(hm2×10 a)，出現在商丘地區，通過了0.05的顯著性水平檢驗；其次在西華地區，氣候傾向率是158.57 kg/(hm2×10 a)，通過了0.05的顯著性水平檢驗；許昌的氣候生產力氣候傾向最小，為2.35 kg/(hm2×10 a)，未通過0.05的顯著性水平檢驗。20%的站點呈微弱下降趨勢，多分布在西北地區，其中下降趨勢變化最大的的站點是孟津，氣候傾向率為-87.41 kg/(hm2×10 a)。

圖3 1961—2020年河南省氣候生產力及其氣候傾向率空間分布(審圖號為GS(2021)5448號)

由圖4可知，河南省氣候生產力在1961—2020年之間呈現微弱上升的趨勢，氣候傾向率為72.8 kg/(hm2×10 a)，未通過0.05的顯著性水平檢驗。與前人研究結果相比，總體趨勢基本一致，但變化速率較前人研究偏高[22]，研究時段不一致可能是氣候生產力變化速率不同的原因。

圖4 河南省1961—2019年氣候生產力年際變化趨勢

2.2 氣候變化對氣候生產力的影響

氣候生產力變化主要受氣溫和降水的雙重影響，降水對氣候生產力的貢獻率達到78.6%，氣溫為21.4%，降水貢獻率遠高于氣溫貢獻率。前人研究指出，河南省氣候生產力的空間分布與降水量的空間分布特征基本一致[23]，降水量是影響氣候生產力變化的主要因子[22-23]，與本文的結論基本一致。由圖5可以看出，河南省降水對氣候生產力的貢獻率存在區域差異，降水貢獻率總體上呈由西北向東南遞減的趨勢。降水貢獻率較大的地區為北部和西北部，大致在89%～95%之間，其中降水貢獻率最大值出現在新鄉，達95.1%，其次是安陽和三門峽，降水貢獻率均為91.4%；中部地區降水貢獻率大多在86%～89%之間；降水貢獻率較小的地區為東南部，大多在84%以下，其中信陽降水貢獻率最小，僅為82%。由于東南部處于暖溫帶，降水充足，年降水量多在900 mm以上，因而降水并沒有成為農業氣候生產力的限制性因素，此時河南東南地區氣溫相對較高，氣溫貢獻率較大，降水貢獻率相對較小。

圖5 1961—2020年河南省降水貢獻率的空間分布(審圖號為GS(2021)5448號)

為進一步定量分析河南省氣候變化對氣候生產力的影響，以河南省15個站點1961—2020年的年平均氣溫(降水量)為自變量，以氣溫(降水)貢獻率為因變量，采用一元線性回歸法分析氣溫(降水)變化對氣溫(降水)貢獻率的影響，結果見圖6和圖7。由圖可見：在降水量不變的前提下，氣溫每升高1 ℃，氣溫貢獻率就增加0.52%，通過0.05的顯著性水平檢驗；在氣溫不變的前提下，降水每增加100 mm，降水貢獻率就減少-1.52%，回歸方程通過0.05的顯著性水平檢驗。上述分析表明，在河南現有情況下，越是年平均氣溫高的地方，氣溫對氣候生產力的貢獻率越大；越是年降水量大的地方，降水對氣候生產力的貢獻率越小。

圖6 1961—2020年河南省氣溫變化對氣溫貢獻率變化散點圖(直線為擬合線，下同)

圖7 1961—2020年河南省降水變化對降水貢獻率變化散點圖

2.3 未來氣候變化對氣候生產力的影響

為了更直觀地了解未來氣候變化對河南省氣候生產力的影響，利用R/S分析法對河南省氣候和氣候生產力變化進行預測。R/S分析結果表明：1961—2020年河南省年平均氣溫的Hurst指數為1.00，表明年平均氣溫變化具有很強的持續性，未來變化趨勢可能會持續上升；年降水量的Hurst指數為0.43，接近0.5，不確定性大，表明了該地區近60 a來年降水量具有較弱的反持續性，未來變化趨勢可能為增多趨勢；氣候生產力的Hurst指數為0.58，表明了未來氣候可能趨于暖濕，氣候生產力未來可能繼續呈上升趨勢。1971—2020年，河南省年平均氣溫和氣候生產力的Hurst指數為1.00和0.59，與1961—2020年河南省Hurst指數基本一致，說明了未來河南省年平均氣溫和氣候生產力的持續性不變。1991—2020年河南省年平均氣溫和氣候生產力的Hurst指數為0.74和0.57，年降水量的Hurst指數則為0.49，說明從30年尺度看，未來河南省年平均氣溫的持續性減弱，降水量的不確定性增大。由上述分析可知河南省年平均氣溫和氣候生產力的Hurst指數在不同時間尺度內均呈上升趨勢，其中年平均氣溫的變化具有很強的持續性，而年降水量和氣候生產力的變化不確定性較大。河南省未來可能會向“暖濕型”氣候演變，氣候生產力也可能會提高。

3 結論與討論

分析了過去60 a河南省年平均氣溫、年降水量和氣候生產力的時空變化特征，并定量評估了氣候變化對氣候生產力的影響。并利用了R/S分析法預測河南省未來氣候和氣候生產力的變化。主要得出以下結論。

(1)近60 a河南省氣候呈“暖干”趨勢，年平均氣溫呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.23 ℃/10 a，東北地區增溫明顯；降水量在劇烈波動中呈微弱減少趨勢，氣候傾向率為-2.98 mm/10 a，東部地區降水變動較大。

(2)1961—2020年河南省的氣候生產力的氣候傾向率為72.8 kg/(hm2×10 a)，上升趨勢微弱。河南省80%地區的氣候生產力呈增加趨勢，其中上升較快的地區主要分布在東部。

(3)河南省氣候生產力變化主要受氣溫和降水的影響，降水貢獻率遠大于氣溫貢獻率，是影響河南省氣候生產力變化的主導因素?？臻g上，河南省東南部降水充足，氣溫相對較高導致該區域內降水貢獻率較小。

(4)在現有降水的條件下，氣溫升高對氣溫貢獻率的影響起到正效應；在現有溫度的條件下，降水增加會導致該區域內降水貢獻率減弱。在水分適宜的情形下，氣溫的升高有利于農業生產，也將會提升區域農業氣候生產力。

(5)1961—2020年河南省年平均氣溫、年降水量和氣候生產力的Hurst指數分別為1.00、0.43和0.58。在過去的60 a中，河南省年平均氣溫和氣候生產力呈現出上升趨勢，年降水量則呈現出不顯著減少趨勢，未來氣候可能趨于暖濕，氣候生產力可能繼續呈上升趨勢，年降水量和氣候生產力不確定性較大。