何 佳，楊 榮，周 旗

(寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

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近55年寶雞市氣候生產(chǎn)潛力變化特征診斷分析

何 佳，楊 榮，周 旗*

(寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

為明確寶雞市氣候生產(chǎn)潛力變化特征，以1960～2014年寶雞市氣象站點(diǎn)(站點(diǎn)號(hào)：57016)逐日氣溫和降水量實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)，采用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力，綜合運(yùn)用氣候傾向率、累積距平法、Morlet小波函數(shù)、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法并結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Yamamoto分析對(duì)其變化特征進(jìn)行診斷分析。寶雞市近55年來(lái)，平均氣候生產(chǎn)潛力為1105.7 kg/(hm2·年)，以8.7 kg/(hm2·10年)的速率呈逐年減少趨勢(shì)并于20世紀(jì)90年代發(fā)生突變。周期變化呈現(xiàn)出大小尺度相互嵌套，存在準(zhǔn)13、22、28、32年的變化周期。降水是影響研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)展的主導(dǎo)限制因素，增濕和增溫的氣候條件均有利于氣候生產(chǎn)潛力的增加，暖濕化的氣候情景則最有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

氣候生產(chǎn)潛力；Thornthwaite Memorial模型；周期規(guī)律；寶雞市

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告中指出：過(guò)去130年間全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢(shì)，平均升溫0.85 ℃。這種升溫變化已對(duì)水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生產(chǎn)生活及陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)造成影響[1]。農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，作為社會(huì)物質(zhì)資料的重要生產(chǎn)部門，同人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)生活密不可分[2-3]。隨著全球變暖的加劇，農(nóng)業(yè)作為對(duì)氣候變化最為敏感的產(chǎn)業(yè)之一必然受到影響，尤其是近年來(lái)極端氣候事件的出現(xiàn)促使原有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生劇烈變化，這在一定程度上阻礙了農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，迫使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)原有的適應(yīng)性和抗逆性不斷調(diào)整，導(dǎo)致其不穩(wěn)定繼而發(fā)生波動(dòng)，危及糧食安全、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[4-7]。根據(jù)學(xué)者研究來(lái)看，氣候變化和極端氣候事件的出現(xiàn)將導(dǎo)致中國(guó)糧食產(chǎn)量波動(dòng)變率增加10%，在極端年份更高達(dá)30%以上[8]。因而，在氣候變化的大背景下正確評(píng)估一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力是科學(xué)認(rèn)知區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)陉P(guān)于氣候生產(chǎn)潛力研究方面取得了很多成果[9-15]，建立了諸如Miami[16]、Thornthwaite Memorial[17]、AEZ[18-19]、筑后模型[20]等一系列比較成熟的分析計(jì)算模型，為相關(guān)研究提供了科學(xué)方法和理論支撐[21-22]。與其它幾類模型比較，Thornthwaite Memorial模型因其綜合考慮了作物產(chǎn)量、年平均氣溫、年降水量等具體因素，并以與作物產(chǎn)量密切相關(guān)的實(shí)際蒸散量來(lái)估計(jì)氣候生產(chǎn)潛力，使結(jié)果更接近實(shí)際，可信度更高，而更廣泛地被應(yīng)用于分析氣候生產(chǎn)潛力的變化格局當(dāng)中。

寶雞市地處關(guān)中平原西部，是西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要地帶，人地關(guān)系較復(fù)雜，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)波動(dòng)性強(qiáng)，加之處于季風(fēng)區(qū)邊緣，對(duì)氣候變化的影響較為敏感。因而，極易受到氣候變化的影響而產(chǎn)生衍生效應(yīng)和連鎖反應(yīng)。此前，學(xué)者們對(duì)該區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力的研究主要以單因子影響要素分析為主，未能作綜合評(píng)估。在此，本文以寶雞市為研究區(qū)域，探討自1960年以來(lái)寶雞市氣候生產(chǎn)潛力變化特征，對(duì)促進(jìn)城市發(fā)展，保證國(guó)家糧食安全具有重要的政治經(jīng)濟(jì)意義。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

各氣候要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)所監(jiān)測(cè)的寶雞站點(diǎn)(站點(diǎn)號(hào)：57016)。數(shù)據(jù)起止日期從1960年1月1日至2014年12月31日，數(shù)據(jù)資料經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)檢查，并對(duì)個(gè)別缺失站點(diǎn)及年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。同時(shí)，為消除氣象數(shù)據(jù)一年的自然周期變化擾動(dòng)，對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(距平)處理。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產(chǎn)潛力模型 選用Thornthwaite Memorial模型。即

(1)

(2)

L=300+25t+0.05t3

(3)

式中，Pv為以實(shí)際蒸散量計(jì)算得到的作物干物質(zhì)產(chǎn)量[kg/(hm2·年)]，用于表征氣候生產(chǎn)潛力；v為年平均蒸散量(mm)；R為年降水量(mm)；t為年平均氣溫(℃)；L為年平均蒸發(fā)量(mm)，表征為年平均氣溫的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析 在利用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力并建立55年時(shí)間序列的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用氣候傾向率、Morlet小波分析法[23]、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法并結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Yamamoto分析(S/N信噪比檢驗(yàn))[24]對(duì)研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的變化特征進(jìn)行診斷。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候生產(chǎn)潛力變化特征分析

根據(jù)Thornthwaite Memorial模型計(jì)算研究區(qū)近55年的氣候生產(chǎn)潛力，可以看出(圖1)：寶雞市年平均氣候生產(chǎn)潛力為1105.7 kg/(hm2·年)，并以8.7 kg/(hm2·10年)的速率呈減少趨勢(shì)。氣候生產(chǎn)潛力的最高值出現(xiàn)在2003年，為1285.2 kg/(hm2·年)，最低值出現(xiàn)在1995年，為832.1 kg/(hm2·年)，變幅為453.1 kg/(hm2·年)。氣候生產(chǎn)潛力以20世紀(jì)90年代為轉(zhuǎn)折點(diǎn)呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)。具體來(lái)看，在70年代之前氣候生產(chǎn)潛力變化呈上升狀態(tài)，80年代初期緩慢減少直至步入低值區(qū)，隨后逐年上升至90年代。進(jìn)入90年代后氣候生產(chǎn)潛力出現(xiàn)極速減少的變化趨勢(shì)，到21世紀(jì)減少速率逐漸減緩，變化趨勢(shì)也趨于平緩。

圖1 氣候生產(chǎn)潛力線性變化趨勢(shì)

結(jié)合1960～2014年氣候生產(chǎn)潛力小波分析結(jié)果(圖2)可知，1960～2014年研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力存在準(zhǔn)13、22、28年以及更大尺度32年的變化周期。其中在13年和22年尺度上表現(xiàn)出正負(fù)相位交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，較強(qiáng)周期震蕩幾乎存在于整個(gè)研究時(shí)域內(nèi)，周期性表現(xiàn)十分顯著，在時(shí)域范圍內(nèi)研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力經(jīng)歷了低-高-低-高的變化過(guò)程；此外，28年尺度周期在20世紀(jì)80年代到90年代周期震蕩較強(qiáng)烈，在60年代至70年代及21世紀(jì)這兩段時(shí)間范圍內(nèi)逐漸減弱，但28年尺度仍然存在；對(duì)于32年尺度周期，其存在性仍需更長(zhǎng)時(shí)間尺度的驗(yàn)證。其中13年左右小尺度震蕩與海-氣相互作用有關(guān)，22年左右周期可能由于太陽(yáng)黑子活動(dòng)所致。

觀察Mann-Kendall突變分析結(jié)果(圖3)可知。UF和UB曲線在α=0.05信度范圍內(nèi)存在7個(gè)交點(diǎn)，分別分布在1992、1998、2002、2004、2006、2012、2014年。為了進(jìn)一步確定這7個(gè)點(diǎn)是否均為有效突變點(diǎn)，對(duì)原時(shí)間序列進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Yamamoto分析(S/N信噪比檢驗(yàn))，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，最終確定1992年為強(qiáng)突變點(diǎn)，且在該時(shí)間段氣候生產(chǎn)潛力發(fā)生了減少突變。

圖2 1960～2014年氣候生產(chǎn)潛力小波實(shí)部、方差變化圖

圖3 Mann-Kendall突變分析

2.2 各氣候要素對(duì)氣候生產(chǎn)潛力響應(yīng)分析

前人研究發(fā)現(xiàn)在不同的水熱組合配置條件下，氣候生產(chǎn)潛力會(huì)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)[15]。因此需對(duì)氣候要素和氣候生產(chǎn)潛力分別進(jìn)行相關(guān)性分析以確定氣溫和降水條件對(duì)氣候生產(chǎn)潛力影響的相關(guān)程度。

相關(guān)分析結(jié)果表明：近55年寶雞市氣候生產(chǎn)潛力與年降水量的相關(guān)系數(shù)為0.965(P<0.01)，與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.359，氣候生產(chǎn)潛力與降水量和年平均氣溫均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中降水條件變化的影響占主導(dǎo)地位。

利用ARIMA模型構(gòu)建研究區(qū)55年逐年氣候生產(chǎn)潛力Pv′與年平均氣溫t、年降水量R之間的關(guān)系模型：

Pv′=349.258t+9.625R+5128.46 (r2=0.998)

(4)

式中，r2為相關(guān)系數(shù)，用于表征模型中氣溫和降水的組合配置變化對(duì)氣候生產(chǎn)潛力變化的解釋程度，達(dá)99%以上，且溫度與降水對(duì)氣候生產(chǎn)潛力均表現(xiàn)正反饋。當(dāng)降水條件不變時(shí)，溫度增加或減少1 ℃，氣候生產(chǎn)潛力增加或減少349.258 kg/(hm2·年)；當(dāng)溫度條件不變時(shí)，降水增加或減少10 mm，氣候生產(chǎn)潛力增加或減少96.25 kg/(hm2·年)。在此基礎(chǔ)上，我們假設(shè)在不同的水熱組合配置條件下，把溫度和降水作為敏感因子條件，具體分析何種氣候類型最有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

根據(jù)氣候類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)在不同的氣溫和降水變化情景下，年降水增幅在-10%～10%之間變化，年平均氣溫在-1～1 ℃之間變化，氣候生產(chǎn)潛力隨之變化[17]。由表1可知：在各氣候類型中暖濕型氣候，氣候生產(chǎn)潛力增幅最大，達(dá)6.3%，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)最為有利；冷干型氣候，生產(chǎn)潛力減幅最大，達(dá)4.7%，最不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)。

表1 不同氣候類型氣候生產(chǎn)潛力變幅

寶雞市年平均溫度和年降水與氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)性和多元回歸分析結(jié)果表明，寶雞市氣候生產(chǎn)潛力對(duì)研究區(qū)年降水量變化響應(yīng)更敏感。這與世界范圍內(nèi)的干旱半干旱區(qū)生產(chǎn)潛力主要是由年降水所決定的結(jié)論[25]一致。

3 討論與結(jié)論

作為評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源的重要依據(jù)，氣候生產(chǎn)潛力受制于區(qū)域光、熱、水等要素的數(shù)量及其配合協(xié)調(diào)程度的影響。作為研究區(qū)農(nóng)業(yè)資源發(fā)展的先導(dǎo)性和決定性條件，氣候生產(chǎn)潛力在很大程度上受制于降水條件的變化。此前侯薇等在關(guān)于陜西關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配格局研究中就發(fā)現(xiàn)了關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配差異性是由該區(qū)域水資源時(shí)空分布不均的特點(diǎn)決定的[26]。寶雞位于關(guān)中平原西部，年平均降水量為622.8 mm，由于受地形的影響，年降水的地理分布有顯著差異，一些地區(qū)降水量嚴(yán)重不足，如：寶雞川塬東部的眉縣和扶風(fēng)、北部山區(qū)的隴縣以及西南部的鳳縣，降水時(shí)空分配不均嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如何合理利用水資源，實(shí)現(xiàn)水熱資源的優(yōu)化配置，最大限度地提高氣候生產(chǎn)潛力，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)是必須要重視和亟待解決的問(wèn)題。

本文綜合采用氣候傾向率、Morlet小波函數(shù)、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)寶雞市近55年氣候生產(chǎn)潛力時(shí)空變化特征進(jìn)行診斷分析，結(jié)論如下：

1960～2014年研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力總體以8.7 kg/(hm2·10年)的速率呈逐年減少趨勢(shì)，90年代以前波動(dòng)變化相對(duì)平穩(wěn)，自90年代后發(fā)生突變迅速減少直至進(jìn)入21世紀(jì)初，此后逐漸回升；對(duì)應(yīng)突變發(fā)生的時(shí)間，確定氣候生產(chǎn)潛力在1992年左右發(fā)生強(qiáng)突變，其余年份雖有突變存在但程度較弱。氣候生產(chǎn)潛力要素在大尺度周期中嵌套著小尺度的周期變化，存在多個(gè)尺度的變化周期，形成多時(shí)間尺度的周期變化趨勢(shì)，這共同構(gòu)成了寶雞市氣候生產(chǎn)潛力變化的周期規(guī)律。

在不同的氣候情景下，溫度與降水對(duì)氣候生產(chǎn)潛力均表現(xiàn)正反饋，增溫和增濕情景均有利于氣候生產(chǎn)潛力的提高，尤以增濕效應(yīng)最為顯著。相關(guān)分析表明：降水是影響研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力發(fā)展的主導(dǎo)限制因子。水熱組合配置是影響研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力高低的重要條件，暖濕化氣候情景下氣候生產(chǎn)潛力最高，最有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Analysis of Variation Characteristics of Climatic Potential Productivity in Baoji City in Recent 55 Years

HE Jia, YANG Rong, ZHOU Qi*

(Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province,Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China)

In order to make clear the variation characteristics of climatic potential productivity in Baoji city, according to the measured values of daily air temperature and rainfall of Baoji city during 1960～2014 from Baoji Meteorological Station (No. 57016), we used Thornthwaite Memorial model to calculate the climatic potential productivity in Baoji city, and analyzed its variation characteristics through comprehensively using climate tendency rate, accumulated anomaly method, Morlet wavelet function, Mann-Kendall non-parameter test combined with movingt-test, and Yamamoto analysis. The results showed that: in the past 55 years, the climatic potential productivity of Baoji city was 1105.7 kg/(hm2·a) averagely, and it was decreasing at the rate of 0.87 kg/(hm2·a), and occurred a sudden change in the 1990s. The climatic potential productivity revealed multi-periodic changes, and its change periods were nearly 13, 22, 28 and 32 a. The rainfall was the dominant factor restricting the development of climatic potential productivity in this area; warming and humidifying were beneficial to the increase in the climatic potential productivity, and the warm and wet climate was best for the growth of agricultural crops.

Climatic potential productivity; Thornthwaite Memorial model; Periodic law; Baoji city

2016-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于公眾人地關(guān)系和風(fēng)險(xiǎn)感知的全球變化適應(yīng)研究”(41071359)；陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“陜西省河谷型城市水環(huán)境災(zāi)害脆弱性研究——以寶雞市為例”(15JS009)。

何佳(1991─)，女，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向：氣候變化與資源環(huán)境。*通訊作者：周旗。

P463.1

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1001-8581(2016)11-0066-04