近55年寶雞市氣候生產潛力變化特征診斷分析

何 佳，楊 榮，周 旗

(寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

?

近55年寶雞市氣候生產潛力變化特征診斷分析

何 佳，楊 榮，周 旗*

(寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

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

氣候生產潛力；Thornthwaite Memorial模型；周期規律；寶雞市

IPCC第五次評估報告中指出：過去130年間全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢，平均升溫0.85 ℃。這種升溫變化已對水資源、農業生產、人類生產生活及陸地和海洋生態系統造成影響[1]。農業是國民經濟發展的基礎，作為社會物質資料的重要生產部門，同人類的社會經濟、生產生活密不可分[2-3]。隨著全球變暖的加劇，農業作為對氣候變化最為敏感的產業之一必然受到影響，尤其是近年來極端氣候事件的出現促使原有的農業生產環境發生劇烈變化，這在一定程度上阻礙了農作物的生長發育，迫使農業系統原有的適應性和抗逆性不斷調整，導致其不穩定繼而發生波動，危及糧食安全、經濟穩定和社會的可持續發展[4-7]。根據學者研究來看，氣候變化和極端氣候事件的出現將導致中國糧食產量波動變率增加10%，在極端年份更高達30%以上[8]。因而，在氣候變化的大背景下正確評估一個地區的農業氣候生產潛力是科學認知區域農業生產條件的基礎。近些年，國內外學者們在關于氣候生產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算模型，為相關研究提供了科學方法和理論支撐[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量、年平均氣溫、年降水量等具體因素，并以與作物產量密切相關的實際蒸散量來估計氣候生產潛力，使結果更接近實際，可信度更高，而更廣泛地被應用于分析氣候生產潛力的變化格局當中。

寶雞市地處關中平原西部，是西部經濟發展的重要地帶，人地關系較復雜，農業生態系統波動性強，加之處于季風區邊緣，對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生衍生效應和連鎖反應。此前，學者們對該區域氣候生產潛力的研究主要以單因子影響要素分析為主，未能作綜合評估。在此，本文以寶雞市為研究區域，探討自1960年以來寶雞市氣候生產潛力變化特征，對促進城市發展，保證國家糧食安全具有重要的政治經濟意義。

1 資料與方法

1.1 數據來源及數據預處理

各氣候要素數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)所監測的寶雞站點(站點號：57016)。數據起止日期從1960年1月1日至2014年12月31日，數據資料經過了嚴格的質量控制和數據檢查，并對個別缺失站點及年份的數據進行插補。同時，為消除氣象數據一年的自然周期變化擾動，對原數據進行標準化(距平)處理。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產潛力模型 選用Thornthwaite Memorial模型。即

(1)

(2)

L=300+25t+0.05t3

(3)

式中，Pv為以實際蒸散量計算得到的作物干物質產量[kg/(hm2·年)]，用于表征氣候生產潛力；v為年平均蒸散量(mm)；R為年降水量(mm)；t為年平均氣溫(℃)；L為年平均蒸發量(mm)，表征為年平均氣溫的經驗函數。

1.2.2 數據處理與分析 在利用Thornthwaite Memorial模型計算研究區氣候生產潛力并建立55年時間序列的基礎上，綜合運用氣候傾向率、Morlet小波分析法[23]、Mann-Kendall非參數檢驗法并結合滑動t檢驗、Yamamoto分析(S/N信噪比檢驗)[24]對研究區氣候生產潛力的變化特征進行診斷。

2 結果與分析

2.1 氣候生產潛力變化特征分析

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

圖1 氣候生產潛力線性變化趨勢

結合1960～2014年氣候生產潛力小波分析結果(圖2)可知，1960～2014年研究區氣候生產潛力存在準13、22、28年以及更大尺度32年的變化周期。其中在13年和22年尺度上表現出正負相位交替出現的現象，較強周期震蕩幾乎存在于整個研究時域內，周期性表現十分顯著，在時域范圍內研究區氣候生產潛力經歷了低-高-低-高的變化過程；此外，28年尺度周期在20世紀80年代到90年代周期震蕩較強烈，在60年代至70年代及21世紀這兩段時間范圍內逐漸減弱，但28年尺度仍然存在；對于32年尺度周期，其存在性仍需更長時間尺度的驗證。其中13年左右小尺度震蕩與海-氣相互作用有關，22年左右周期可能由于太陽黑子活動所致。

觀察Mann-Kendall突變分析結果(圖3)可知。UF和UB曲線在α=0.05信度范圍內存在7個交點，分別分布在1992、1998、2002、2004、2006、2012、2014年。為了進一步確定這7個點是否均為有效突變點，對原時間序列進行滑動t檢驗和Yamamoto分析(S/N信噪比檢驗)，經過檢驗，最終確定1992年為強突變點，且在該時間段氣候生產潛力發生了減少突變。

圖2 1960～2014年氣候生產潛力小波實部、方差變化圖

圖3 Mann-Kendall突變分析

2.2 各氣候要素對氣候生產潛力響應分析

前人研究發現在不同的水熱組合配置條件下，氣候生產潛力會呈現不同的狀態[15]。因此需對氣候要素和氣候生產潛力分別進行相關性分析以確定氣溫和降水條件對氣候生產潛力影響的相關程度。

相關分析結果表明：近55年寶雞市氣候生產潛力與年降水量的相關系數為0.965(P<0.01)，與年平均氣溫的相關系數為0.359，氣候生產潛力與降水量和年平均氣溫均呈現正相關關系，其中降水條件變化的影響占主導地位。

利用ARIMA模型構建研究區55年逐年氣候生產潛力Pv′與年平均氣溫t、年降水量R之間的關系模型：

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

(4)

式中，r2為相關系數，用于表征模型中氣溫和降水的組合配置變化對氣候生產潛力變化的解釋程度，達99%以上，且溫度與降水對氣候生產潛力均表現正反饋。當降水條件不變時，溫度增加或減少1 ℃，氣候生產潛力增加或減少349.258 kg/(hm2·年)；當溫度條件不變時，降水增加或減少10 mm，氣候生產潛力增加或減少96.25 kg/(hm2·年)。在此基礎上，我們假設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作物的生長。

根據氣候類型劃分標準，假設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，氣候生產潛力增幅最大，達6.3%，對農作物生長最為有利；冷干型氣候，生產潛力減幅最大，達4.7%，最不利于農作物生長。

表1 不同氣候類型氣候生產潛力變幅

寶雞市年平均溫度和年降水與氣候生產潛力的相關性和多元回歸分析結果表明，寶雞市氣候生產潛力對研究區年降水量變化響應更敏感。這與世界范圍內的干旱半干旱區生產潛力主要是由年降水所決定的結論[25]一致。

3 討論與結論

作為評價區域農業氣候資源的重要依據，氣候生產潛力受制于區域光、熱、水等要素的數量及其配合協調程度的影響。作為研究區農業資源發展的先導性和決定性條件，氣候生產潛力在很大程度上受制于降水條件的變化。此前侯薇等在關于陜西關中地區農業水土資源時空匹配格局研究中就發現了關中地區農業水土資源時空匹配差異性是由該區域水資源時空分布不均的特點決定的[26]。寶雞位于關中平原西部，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，一些地區降水量嚴重不足，如：寶雞川塬東部的眉縣和扶風、北部山區的隴縣以及西南部的鳳縣，降水時空分配不均嚴重制約了農業生產和社會經濟發展。如何合理利用水資源，實現水熱資源的優化配置，最大限度地提高氣候生產潛力，使農業產業實現高產是必須要重視和亟待解決的問題。

本文綜合采用氣候傾向率、Morlet小波函數、Mann-Kendall非參數檢驗法對寶雞市近55年氣候生產潛力時空變化特征進行診斷分析，結論如下：

1960～2014年研究區氣候生產潛力總體以8.7 kg/(hm2·10年)的速率呈逐年減少趨勢，90年代以前波動變化相對平穩，自90年代后發生突變迅速減少直至進入21世紀初，此后逐漸回升；對應突變發生的時間，確定氣候生產潛力在1992年左右發生強突變，其余年份雖有突變存在但程度較弱。氣候生產潛力要素在大尺度周期中嵌套著小尺度的周期變化，存在多個尺度的變化周期，形成多時間尺度的周期變化趨勢，這共同構成了寶雞市氣候生產潛力變化的周期規律。

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

[1] IPCC. Climate change 2014: impacts, adaptation, and vulnerability[R]. Cambridge: Cambridge University Press, 2014.

[2] 陳立華.農業與經濟發展的關系[J].經濟論壇,2002(22):61-62.

[3] 呂亞榮,周誠.論農業是國民經濟的基礎[J].學理論,2009(17):64-67.

[4] 蔡運龍.全球氣候變化下中國農業的脆弱性與適應對策[J].地理學報,1996,51(3):202-212.

[5] 楊曉光,劉志娟,陳阜.全球氣候變暖對中國種植制度可能影響:氣候變化對中國種植制度北界和糧食產量可能影響的分析[J].中國農業科學,2010,43(2):329-336.

[6] 張強,陳麗華,王潤元,等.氣候變化與西北地區糧食和食品安全[J].干旱氣象,2012,30(4):509-513.

[7] 覃志豪,唐華俊,李文娟.氣候變化對我國糧食生產系統影響的研究前沿[J].中國農業資源與區劃,2015,36(1):1-8.

[8] 趙俊芳,郭建平,張艷紅,等.氣候變化對農業影響研究綜述[J].中國農業氣象,2010,31(2):200-205.

[9] McCown R L. The climatic potential for beef cattle production in tropical Australia Part III：Variation in the commencement, cessation and duration of the green season[J]. Agricultural Systems, 1981, 7(3): 163 .

[10] Axel E. Climatic change and potential agricultural productivity in China[J]. Erdkunde, 2006, 60(2): 157.

[11] Tonietto J. Climatic potential for wine grape production in the tropical north region of Minas Gerais State, Brazil[J]. Revista Brasileira de Fruticultura, 2005, 27 (3): 404-407.

[12] 武永利,盧淑賢,王云峰,等.近45年山西省氣候生產潛力時空變化特征分析[J].生態環境學報,2009,18(2):567-571.

[13] 張正向,韓蘭英,王小巍,等.甘肅隴中北部氣候特征及氣候生產潛力變化[J].草業科學,2010,27(8):119-124.

[14] Jiang X J, Tang L, Liu X J, et al. Spatial and temporal characteristics of rice potential productivity and potential yield increment in main production regions of China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2013, 12(1): 45-56.

[15] 羅永忠,成自勇,郭小芹.近40a甘肅省氣候生產潛力時空變化特征[J].生態學報,2011,31(1):221-229.

[16] 陳國南.用邁阿密模型測算我國生物生產量的初步嘗試[J].自然資源學報,1987,2(3):270-278.

[17] 高素華,潘亞茹,郭建平.氣候變化對植物氣候生產力的影響[J].氣象,1994,20(1):30-33.

[18] 張小川.AEZ項目概況及研究方法[J].農業區劃,1992(4):58-64.

[19] 趙安,趙小敏.FAO-AEZ法計算氣候生產潛力的模型及應用分析[J].江西農業大學學報,1998,20(4):120-125.

[20] 侯光良,游松才.用筑后模型估算我國植物氣候生產力[J].自然資源學報,1990,5(1):60-65.

[21] 蔡承智.基于AEZ模型的我國農區小麥生產潛力分析[J].中國生態農業學報,2007,15(5):182-184.

[22] Zhu W Q, Pan Y Z, Yang X Q, et al. Comprehensive analysis of the impact of climatic changes on Chinese terrestrial net primary productivity[J]. Chinese Science Bulletin, 2007, 23(52): 3253-3260.

[23] 王文圣,丁晶,李躍清.水文小波分析[M].北京:化學工業出版社,2005.

[24] 魏風英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京:氣象出版社,2007:231-269.

[25] Houerou H N L. Rain use efficiency: A unifying concept in arid land ecology[J]. Arid Environments, 1984(7): 241-247.

[26] 侯薇,劉小學,魏曉妹.陜西關中地區農業水土資源時空匹配格局研究[J].水土保持研究,2012,19(1):134-138.

(責任編輯：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

國家自然科學基金項目“基于公眾人地關系和風險感知的全球變化適應研究”(41071359)；陜西省災害監測與機理模擬 重點實驗室項目“陜西省河谷型城市水環境災害脆弱性研究——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：氣候變化與資源環境。*通訊作者：周旗。

P463.1

A

1001-8581(2016)11-0066-04