安徽省近55年氣候變化及其對氣候生產力的影響

邱陽陽， 吳奕霄， 熊世為， 朱 浩

(1.安徽省氣象災害防御技術中心，安徽合肥 230061； 2.江蘇省氣候中心，江蘇南京 210008； 3.滁州市氣象局，安徽滁州 239000

氣候變化是當前國際社會關注的熱點問題[1-2]。IPCC的第五次評估報告指出，氣候變化的基本事實已得到了大量觀測事實、理論分析和氣候模式數值模擬的一致支持。全球氣候變化背景下，農業是受影響最大、最直接的行業，尤其是作為其主體的作物生產與糧食安全[3]。氣候生產力是假設作物品種、土壤、種植技術適宜條件下，在當地自然環境條件下作物可能獲得的單位面積最高產量[4]。這一概念可有效評估某一地區的氣候資源狀況[5-7]。韓瑋等分析山東省1961—2011年氣候數據，認為“暖濕型”氣候對該省作物氣候生產力有利，氣候變暖有利于氣候生產力的提高，但降水量少是限制氣候生產力的主要因素[8]。高浩等研究認為，在未來氣候干暖化的趨勢下，內蒙古中部草原溫度升高增加的氣候生產潛力作用小于由蒸散量增加引起的減產作用，因而導致草地氣候生產潛力下降，受水分限制作用越明顯的草原，其氣候生產潛力下降的趨勢越顯著[9]。掌握地區氣候生產力變化規律，對合理開發利用氣候資源、科學規劃種植制度，進而提高糧食產量具有重要意義[10]。

安徽省地跨長江、淮河南北，是我國重要的糧食生產基地，氣候上屬暖溫帶與亞熱帶的過渡地區。在氣候變化背景下，近年來該省旱澇、低溫、寒潮等氣象災害頻繁發生，給當地農業生產帶來不利影響[11]。本研究分析安徽省68個氣象站1961—2015年的溫度、降水資料，探討該地區降水與溫度的氣候變化特征及其對氣候生產力的影響，旨在為合理開發利用地區氣候資源提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 氣象資料

本研究選用的資料為安徽省較為齊全的68個氣象站1961—2015年的年平均溫度和年降水量數據，資料來源于安徽省氣象信息中心。個別缺測資料采用IDW空間插值處理補齊，氣象站點分布情況見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產力模型 氣候生產力計算方法經歷了統計、經驗模型到物理模型的過程，本研究選取應用較為廣泛的Thornthwaite Memorial物理模型[12]，其表達式如下：

Pv=3 000(1-e-0.000 969 5(V-20))；

L=300+25t+0.05t3。

式中：Pv為氣候生產力，g/(m2.年)；V為年平均蒸散量，mm；R為年平均降水量，mm；L為年平均蒸發量，mm；t為年平均氣溫，℃。

1.2.2 氣候傾向分析 采用最小二乘法[13]分析氣候要素時間序列的傾向率，其表達式為

Y=a×t+b。

式中：Y為要分析的氣候要素；a為氣候傾向率，表示氣候要素隨時間的變化率，a為正值(負值)表示要素Y隨時間上升(下降)；t為年份序號，本研究取值155；b為擬合系數。

1.2.3 Mann-Kendall檢驗 采用世界氣象組織推薦的Mann-Kendall非參數統計檢驗來進行氣候要素的突變檢驗，其具有不需要樣本遵循一定的分布及不受少數異常值干擾的優點[14]。

2 結果與分析

2.1 氣溫、降水的時空演變特征

分析安徽省近55年水熱氣候要素的時空變化特征。由圖2-a可知，近55年來安徽省年平均氣溫總體呈波動上升趨勢，升溫幅度為0.02 ℃/年，升溫趨勢達到了0.01的極顯著水平。氣溫最高值為16.9 ℃，出現在2007年，最低值為14.8 ℃，出現在1969年，最高氣溫和最低氣溫的差值達2.1 ℃。圖2-b給出了安徽省近55年來降水變化趨勢，總體呈現波動上升趨勢，但幅度不大，總體增幅為1.67 mm/年，檢驗的P值為0.28，說明降水的上升趨勢不具有統計意義。降水最大值為1 639 mm，出現在1991年，最小值為690 mm，出現在1978年，最大值和最小值相差近1 000 mm。

對近55年安徽省氣溫、降水時間序列進行Mann-Kendall檢驗(圖3)。由圖3-a可以看出，自20世紀90年代年以來全省溫度有一明顯的增暖趨勢，1997年起這種增暖趨勢均大大超過0.05臨界線(U0.05=±1.96)，甚至超過0.001顯著性水平(U0.001=±2.56)，表明本地區的升溫趨勢是十分顯著的，根據UF和UB曲線的位置，確定這種升溫趨勢是一突變現象，具體突變點為1991年。降水的變化不具突變趨勢(圖3-b)。

圖4-a給出了安徽省1961—2015年平均氣溫的空間分布情況，可以看出全省平均氣溫的空間分布總體呈現南部高于北部，31°N以南大部分地區年平均氣溫超過16 ℃，其中地處省域西南方的安慶、池州一帶的歷年平均氣溫超過 16.5 ℃，全省最大值為16.9 ℃，出現在安慶站。31°N以北大部分地區平均氣溫低于16 ℃，其中地處省域最北部的淮北、亳州地區歷年平均氣溫在14.5 ℃左右，其中最小值為14.3 ℃，出現在淮北市的碭山縣。全省南北氣溫差異明顯，最大溫差為2.6 ℃，造成這一現象主要是因為緯度決定太陽輻射的分布，緯度高，太陽輻射就少，平均氣溫低；反之，緯度低，平均氣溫也隨之變高。安徽省南北跨度超過5個緯度，在氣候帶分布上也是亞熱帶和暖溫帶過渡的區域，南北熱量差異顯得尤為明顯。分別計算68個站點年平均氣溫傾向率，圖4-b給出了各站氣溫傾向率的的空間分布情況，可以看出，1961—2015年全省各地均呈現一致的升溫趨勢，增溫幅度最大的為0.034 ℃/年(宿州站)，增溫幅度最小的為0.005 ℃/年(桐城站)，氣溫氣候傾向率的空間分布特征不明顯。

圖5-a為安徽省1961—2015年年平均降水量的空間分布情況，可以看出，全省年平均降水量呈現明顯的南多北少趨勢。與氣溫的空間分布趨勢相似，31°N以北大部分地區年平均降水量在1 300 mm以下，且降水量等值線分布稀疏，阜陽、亳州、淮北等地常年的年平均降水量普遍900 mm以下，位于省域最北端的淮北市碭山縣歷年平均降水量752 mm，為全省最小。31°N以南年平均降水量均在1 300 mm以下，且降水量等值線分布相對密集，黃山、池州等地大部分地區年平均降水量在1 600 mm以上，全省年平均降水量最大值為黃山市祁門縣的1 761 mm。全省南北年平均降水量差異顯著，最大相差高達1009mm，再次驗證了安徽省明顯的氣候過渡帶性質。分別計算68個站點年平均降水量的氣候傾向率，圖5-b給出了各站降水傾向率的的空間分布情況，可以看出全省大部分地區降水量呈上升趨勢，其中呈上升趨勢的站點數為64個，占總站數的94%，但上升幅度不明顯，省域南部的黃山地區的上升幅度在4 mm/年以上，最大為黃山屯溪，降水量氣候傾向率為6 mm/年。降水量呈下降趨勢的站點主要位于省域北部的淮北、亳州部分地區，但下降趨勢較弱，最大的淮北蕭縣下降幅度為-1 mm/年。

2.2 氣候生產力的時空演變特征

分析安徽省近55年氣候生產力的時空變化特征(圖6)，近55年來安徽省氣候生產力總體呈波動上升趨勢，上升幅度為1.5 kg/(hm2·年)，氣候生產力上升趨勢達到了0.01 的顯著水平。氣候生產力最高值為1 556.7 kg/hm2，出現在1998年，最低值為1 207.5 kg/hm2，出現在1978年，最高值和最低值的差值達349.2 kg/hm2。對氣候生產力時間序列進行Mann-Kendall檢驗(圖7)，可以看出，自20世紀90年代初本地區的氣候生產力呈上升趨勢，特別是近10年這種上升趨勢均超過了0.05臨界線(U0.05=±1.96)，表明這種上升趨勢是顯著的，根據UF和UB曲線的位置，確定這種上升趨勢是一突變現象，具體突變點為1995年。

從空間分布來看，全省年均氣候生產力呈現明顯的南高北低趨勢(圖8-a)，北部淮北、亳州等地區基本年均氣候生產力在1 300 kg/hm2以下，最小值位于省域最北部的淮北市碭山縣，為1 205 kg/hm2。南部黃山部分地區年均氣候生產力超過1 600 kg/hm2，黃山屯溪年均氣候生產力最大，為 1 626 kg/hm2。全省年均氣候生產力最大相差421 kg/hm2。分別計算68個站點年平均氣候生產力的傾向率(圖8-b)，可以看出，全省68個站點中除淮北蕭縣的傾向率為負值外[-0.1 kg/(hm2·年)]，其余站點的傾向率均為正值，但空間分布規律不明顯，最大值位于馬鞍山站，為2.8 kg/(hm2·年)。與氣溫、降水的空間分布對比，氣候生產力與降水在均值和傾向率的空間分布規律都很相似，大值區對應較好。

2.3 氣候生產力對氣候變化的響應

利用相關分析和偏相關分析探討氣候生產力對氣溫、降水要素的敏感性(表1)，可以看出氣候生產力與降水的相關性極顯著，而與溫度的相關性卻不顯著，但是在偏相關分析中，控制氣溫(降水)不變時，降水(氣溫)與氣候生產力的相關性均達到極顯著水平，即氣候生產力受到氣溫、降水的雙重影響。氣候變化導致的全球變暖有利于氣候生產力的提高，但只有在水分充足的環境下，其提高的幅度才會更大。

表1 安徽省1961—2015年氣候生產力與溫度、降水之間的相關性

注：“**”表示相關性通過0.01水平的顯著性檢驗；“溫度/降水”表示控制降水不變，溫度與氣候生產力的相關性。

為進一步評價氣候生產力對氣候變化的響應，以1961—2015年全省平均氣溫和降水量作為基礎，分別假設未來氣溫分別變化-3、-2、-1、0、1、2、3 ℃，降水分別變化-30%、-20%、-10%、0、10%、20%、30%，計算各種情景下氣候生產力的變化百分率(表2)。從表2可以看出，單一的溫度升高或降水量增加都能使氣候生產力提高，而氣候變化是溫度與降水相互配合的結果，總的來說，在“暖濕型”氣候背景下，本地區氣候生產力將上升5.7%、16.8%，“冷干型”氣候背景下，氣候生產力將下降5.8%、18.0%。秦大河等結合IPCC有關成果預測，未來我國長江中下游地區氣候變化趨勢以“暖濕型”為主，至2050年該地區年平均氣溫將上升23 ℃，降水增多10%左右[15]，據此預測，到2050年本地區氣候生產力將上升10%左右。受氣候變化影響，安徽省氣候生產力的上升空間較大。

表2 安徽省年平均氣溫和年降水量變化背景下氣候生產力變化百分率

3 結論與討論

利用安徽省68個氣象站1961—2015年溫度、降水數據，分析了近55年來該地區溫度、降水氣候因子的時空變化特征，采用Thornthwaite Memorial模型計算氣候生產力，并探討了氣候變化對該地區氣候生產力的影響，主要結論如下：(1)近55年來安徽省升溫趨勢顯著，升溫幅度為 0.02 ℃/年，且該趨勢為一突變現象，具體突變點為1991年，全省年平均氣溫總體南高北低，空間分布最大相差2.6 ℃；降水量總體呈波動上升趨勢，但上升趨勢不顯著，全省降水量空間差異大，最大相差1 009 mm。(2)近55年來安徽省氣候生產力上升趨勢顯著，上升幅度為1.5 kg/(hm2·年)，且該上升趨勢為一突變現象，具體突變點為1995年，全省氣候生產力呈現明顯的南高北低特征。氣候生產力與降水在均值和傾向率的空間分布規律都很相似，大值區對應較好。(3)氣候生產力受到氣溫、降水的雙重影響，氣候變化導致的全球變暖有利于氣候生產力的提高，但只有在水分充足的環境下，其提高的幅度才會更大，未來“暖濕型”的變化趨勢使得安徽省氣候生產力有較大的上升空間。

氣候變化是一個復雜的系統工程，事實上氣候變化帶來的干旱、洪澇、極端高低溫等災害性天氣是不利于農業生產的。Thornthwaite Memorial模型估算的氣候生產力實際是一種潛在的第一性生產力，研究氣候變化對農業生產的影響還須綜合考慮自然災害、土壤環境等生態因子以及人類活動等多種要素。