1961—2015年庫(kù)爾勒市熱量資源特征分析

李錦虎，王 森，伊力達(dá)爾江·阿不力米提，胡啟瑞

(1.伽師縣氣象局，新疆 伽師844300； 2.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002)

0 引言

據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)第5次評(píng)估報(bào)告，全球氣候系統(tǒng)仍然在持續(xù)變暖[1]。1880—2012年，全球地表平均溫度升高了0.85 ℃，2003—2012年平均溫度比1850—1900年升高了0.78 ℃。據(jù)IPCC第5次報(bào)告預(yù)測(cè)，未來(lái)全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖，與1986—2005年相比，預(yù)計(jì)2016—2035年全球地表平均氣溫將上升0.3～0.7 ℃，到21世紀(jì)末將升高0.3～4.8 ℃[1]。氣候變暖已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。氣候增暖引起熱量資源的變化，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生育期的延長(zhǎng)、農(nóng)作物產(chǎn)量的增加和農(nóng)作物品種的更新具有舉足輕重的意義[2-8]。

庫(kù)爾勒市位于天山南麓，塔里木盆地東北邊緣，是瓜果、糧食及棉花等作物的主產(chǎn)區(qū)，因盛產(chǎn)“庫(kù)爾勒香梨”而馳名中外。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)新疆各地?zé)崃抠Y源變化做了較多研究，但有關(guān)庫(kù)爾勒市氣候變化研究成果中，大多是對(duì)該市氣溫、降水等氣象要素的研究，對(duì)庫(kù)爾勒市熱量資源變化特征分析的成果非常少[1，9-11]。該文擬利用庫(kù)爾勒市氣象站1961—2015年觀測(cè)資料，選取平均溫度、不同界限溫度初終日及持續(xù)日數(shù)、活動(dòng)積溫和無(wú)霜期等作為熱量指標(biāo)，探討近55年庫(kù)爾勒市熱量資源變化，比較分析1961—1997年和1998—2015年兩個(gè)時(shí)段熱量資源的變化特征，旨在明確氣候變暖背景下庫(kù)爾勒市熱量資源的變化特征，為合理開(kāi)發(fā)利用熱量資源、調(diào)整農(nóng)業(yè)種植布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1資料來(lái)源

選用庫(kù)爾勒市氣象站1961—2015年近55年的逐日氣溫，來(lái)自新疆氣象信息中心。庫(kù)爾勒市國(guó)家氣象觀測(cè)站2016年遷站，站地環(huán)境發(fā)生了變化，2016年至今的數(shù)據(jù)，不具有代表性，故未采用。按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—2月)的劃分方法分析庫(kù)爾勒市四季平均氣溫和年平均氣溫的變化特征。選取平均溫度、最高氣溫、最低氣溫，≥0、≥3、≥5、≥10、≥15和≥20 ℃的初日、終日及持續(xù)日數(shù)，以及活動(dòng)積溫、無(wú)霜初終日及無(wú)霜期等作為熱量指標(biāo)。

1.2研究方法

1.2.15日滑動(dòng)平均法

采用5日滑動(dòng)平均法來(lái)計(jì)算穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10、15和20 ℃的初日與終日。5日滑動(dòng)平均法為國(guó)家氣象局規(guī)定的全國(guó)各氣象臺(tái)站計(jì)算界限溫度起止日期的統(tǒng)一方法。該方法具體指：在春季(或秋季)第1次出現(xiàn)高于(低于)某界限溫度之日起，按日序依次計(jì)算出每連續(xù)5日的日平均氣溫的平均值。在一年中連續(xù)≥0 ℃(或5、10 ℃等)界限溫度持續(xù)的最長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，第1個(gè)5日的日平均氣溫中，最先一個(gè)日平均氣溫大于等于該界限溫度的日期，即為穩(wěn)定通過(guò)該界限溫度的初日(起始日期)。而在持續(xù)最長(zhǎng)的時(shí)期的最后一個(gè)高于某界限溫度的5日平均氣溫中，最后一個(gè)日平均氣溫大于等于該界限溫度的日期，即為穩(wěn)定通過(guò)該界限溫度的終日(終止日期)[2]。

1.2.2活動(dòng)積溫和持續(xù)日數(shù)計(jì)算方法

活動(dòng)積溫計(jì)算方法如式(1)所示[3]。

(1)

式中F——活動(dòng)積溫多年平均值

An——某界限溫度起止日期之間各月的活動(dòng)積溫值

A1、An分別為起止日期所在年份的活動(dòng)積溫(按梯形面積法求算)。A1、An的求算方法(起止日期所在月的積溫)如式(2)和(3)所示。

(2)

(3)

式中a——界限溫度

b1——起始日所在月最后一日與氣溫年變化曲線相交的溫度值

bn1——終止日所在月第一日與氣溫年變化曲線相交的溫度值

h1——界限溫度起日到月末日之間的天數(shù)

hn1——界限溫度終止日所在月的第一日到終止日之間的天數(shù)

A2……An-1各月積溫，等于各月平均溫度乘以各月天數(shù)。

持續(xù)日數(shù)的計(jì)算方法：首先，由5日滑動(dòng)平均方法，查出界限溫度穩(wěn)定通過(guò)的初日及終日，然后按日期序列表分別查出初、終日對(duì)應(yīng)的日期序列值A(chǔ)與B，后者減去前者，再加1，即B-A+1=持續(xù)日數(shù)。

1.2.3Mann-Kendall突變檢測(cè)法

利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法(以下簡(jiǎn)稱M-K法)對(duì)新疆庫(kù)爾勒市1961—2015年平均氣溫變化趨勢(shì)、突變特征進(jìn)行分析和檢測(cè)[4-5]。Mann-Kendall檢驗(yàn)法是最初由Mann(1945)提出，并由Sneyers(1963)和Goossens(1986)等逐步完善，從而發(fā)展了一種能檢測(cè)氣候突變的新方法，它以檢測(cè)范圍寬、定量化程度高而富有生命力。該文采用通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)，信度線為y=1.96。

1.2.4氣候傾向率

運(yùn)用氣候傾向率法計(jì)算各個(gè)氣象要素的傾向率，具體方法：設(shè)某站某氣象要素時(shí)間序列為y1、y2…yi…yn，它可以用一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)表示，如式(4)所示。

yn(t)=a0+a1t1+a2t2+…+amtn(m=n)

(4)

采用一次直線方程來(lái)定量描述，即yn(t)=a0+a1t1，則趨勢(shì)變化率方程為dy(t)dt=a1，把a(bǔ)1×10稱做氣候傾向率，其單位為℃10年、d10年，方程中的系數(shù)可用最小二乘法或經(jīng)驗(yàn)正交多項(xiàng)式來(lái)確定，所見(jiàn)一元線性回歸方程是否有意義，關(guān)鍵在于回歸是否達(dá)到顯著水平，因此要用時(shí)間序列與要素變量之間的相關(guān)系數(shù)對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[6]。本文所計(jì)算氣候傾向率的時(shí)間段均為1961—2015年。

2 結(jié)果與分析

2.1庫(kù)爾勒市氣溫的年變化

年、季節(jié)平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫是衡量一個(gè)地區(qū)熱量資源多寡、其年內(nèi)分布的最基本的氣候要素，變化特征也是體現(xiàn)氣候冷暖最直接的形式。圖1所示為1961—2015年庫(kù)爾勒年平均氣溫的M-K突變檢驗(yàn)，圖2所示為1961—2015庫(kù)爾勒市平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫變化趨勢(shì)，表1所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫突變前后變化。由圖1～2和表1可知，庫(kù)爾勒年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫為11.9、18.2和6.0 ℃，年平均氣溫變化速率為0.29 ℃10年，此增長(zhǎng)幅度大于全國(guó)平均增幅(0.23 ℃10年，IPCC第5次評(píng)估報(bào)告)，變暖趨勢(shì)明顯(P<0.01)，平均最高氣溫和最低氣溫的氣候傾向率分別為0.17和0.41 ℃10年(P<0.01)。根據(jù)庫(kù)爾勒市年平均氣溫及UF、UB線的變化特點(diǎn)，在顯著性水平0.05的臨界線之間，UF、UB曲線相交，交點(diǎn)在1998年，是庫(kù)爾勒市年平均氣溫突變的開(kāi)始，年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫在突變后較突變前的平均值增溫1.0、0.5和1.5 ℃。以下把1961—1997年作為突變前，1998—2015年為突變后。

表1 1961—2015年庫(kù)爾勒市平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫突變前后變化

2.2庫(kù)爾勒市氣溫的季節(jié)變化

圖3所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市春夏秋冬平均氣溫的變化趨勢(shì)，表2所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市氣溫季節(jié)突變前后變化。由圖3和表2可知，1961—2015年庫(kù)爾勒市春夏秋冬四季平均氣溫分別為14.8、25.8、11.4和-4.6 ℃，氣候傾向率為0.29、0.30、0.25和0.43 ℃10年，其中冬季增加幅度最大，均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.01)。春夏秋冬季在氣溫突變后均增加了1.0、1.3、1.0和0.9 ℃。

2.3庫(kù)爾勒市不同界限溫度初日及終日的變化

穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10和20 ℃初日、終日及持續(xù)日數(shù)的變化，與春季物候、農(nóng)牧事活動(dòng)、喜溫喜涼作物生長(zhǎng)和牲畜生產(chǎn)等活動(dòng)有著非常密切關(guān)系[7]。表3所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限溫度初日突變前后變化，表4所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限溫度終日突變前后變化，表5所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限溫度持續(xù)日數(shù)突變前后變化。由表3～5可知，1961—2015年庫(kù)爾勒市穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10和20 ℃的初日平均為53.4、64.4、70.1、90.3、112.5和144.5 d，氣候傾向率分別為-1.6、-0.6、-1.0、-1.0、-0.3和-2.6 d10年，氣溫突變后分別提前了4.5、2.4、3.8、0.1、3.2和12.0 d，其中穩(wěn)定通過(guò)20 ℃的初日提前最大。穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10和20 ℃的終日平均為327.2、316.3、309.9、292.1、276.2和253.6 d，氣候傾向率分別為1.6、1.7、2.1、0.2、1.7和0.5 d10年，氣溫突變后分別延遲了5.3、6.1、8.8、1.6、4.2和6.0 d，其中穩(wěn)定通過(guò)5 ℃的終日延遲最大。穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10和20 ℃的持續(xù)日數(shù)平均為274.8、252.9、240.8、202.8、164.7和110.1 d，氣候傾向率為3.2、2.3、3.1、1.3、2.0和3.2 d10年，氣溫突變后分別增加了9.8、8.6、12.7、1.7、7.4和18.1 d，其中穩(wěn)定通過(guò)20 ℃的天數(shù)增加最大[8]。

表2 1961—2015年庫(kù)爾勒市季節(jié)平均氣溫突變前后變化

2.4庫(kù)爾勒市不同界限活動(dòng)積溫的變化

積溫是農(nóng)牧業(yè)熱量資源的重要指標(biāo)之一。表6所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限活動(dòng)積溫突變前后變化，由表6可知，1961—2015年庫(kù)爾勒市穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10、15和20 ℃的積溫分別為4 812.5、4 765.3、4 712.1、4 385.6、3 857.4和2 785.3 d·℃，氣候傾向率為80.7、80.2、85.1、69.0、75.6和103.4 d·℃10年，氣溫突變后分別增加了303.4、302.2、328、220.2、292和533.9 d·℃，其中穩(wěn)定通過(guò)20 ℃的積溫增加最大。

表3 1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限溫度初日突變前后變化

表4 1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限溫度終日突變前后變化

表5 1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限溫度持續(xù)日數(shù)突變前后變化

表6 1961—2015年庫(kù)爾勒市不同界限活動(dòng)積溫突變前后變化

2.5庫(kù)爾勒市無(wú)霜日及持續(xù)日數(shù)的變化

無(wú)霜凍期是衡量一個(gè)地區(qū)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)期長(zhǎng)短的最重要的指標(biāo)之一，也是農(nóng)作物分布及品種選擇的主要依據(jù)之一[9]。1961—2015年庫(kù)爾勒市無(wú)霜初日、終日及持續(xù)日數(shù)分別為214.5、84.9和298.4 d，氣候傾向率分別3.0、-1.6和1.4 d10年，均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05；P<0.05；P<0.01)。氣溫突變后無(wú)霜初日提前了4.0 d，終日推遲了4.3 d，持續(xù)日數(shù)增加了8.4 d。表7所示為1961—2015年庫(kù)爾勒市無(wú)霜初日、終日及持續(xù)日數(shù)突變前后變化，圖4所示為其變化趨勢(shì)。

2.6氣候變暖對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

2.6.1農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和布局發(fā)生變化

庫(kù)爾勒市氣候變暖，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生了很大改變。溫度升高熱量資源增多，進(jìn)而使農(nóng)作物生長(zhǎng)季得到延長(zhǎng)，農(nóng)作物成熟進(jìn)程縮短，種植結(jié)構(gòu)更為多樣化。同時(shí)氣候變暖積溫增多，主要的糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)作物的區(qū)域性結(jié)構(gòu)和布局相應(yīng)發(fā)生改變。

表7 1961—2015年庫(kù)爾勒市無(wú)霜初日、終日及持續(xù)日數(shù)突變前后變化

2.6.2氣候變暖加劇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水緊張

氣候變暖，氣溫升高，蒸發(fā)量必然會(huì)相應(yīng)變大，農(nóng)作物蒸騰作用旺盛，導(dǎo)致農(nóng)作物對(duì)水分需求更大。而庫(kù)爾勒市屬于水資源短缺區(qū)域，水資源供需矛盾加大，灌溉用水需求進(jìn)一步提高，如果無(wú)法通過(guò)補(bǔ)水來(lái)滿足農(nóng)作物的生長(zhǎng)需要，勢(shì)必會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重的影響。受升溫作用，農(nóng)作物生長(zhǎng)期被縮短，減少了干物質(zhì)積累時(shí)間，農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)都無(wú)法得到保障。

2.6.3氣候變暖增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和投入

隨著氣候變暖，農(nóng)業(yè)受到病蟲(chóng)害侵襲越發(fā)嚴(yán)重。由于冬季氣溫升高，致使病蟲(chóng)在冬季死亡率減低，病蟲(chóng)害數(shù)量得到上升，且危害范圍也擴(kuò)大。還可能會(huì)產(chǎn)生新的病蟲(chóng)害，農(nóng)業(yè)因此遭受損失更加嚴(yán)重。氣候變暖還利于各種雜草生長(zhǎng)，病蟲(chóng)害和雜草都需加大農(nóng)藥施用量，而化學(xué)藥品會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生破壞作用，破壞原有生態(tài)平衡，土壤肥力得不到保證，農(nóng)作物種植時(shí)，需要增加更多肥料投入以滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

2.6.4氣候變暖引發(fā)極端天氣頻發(fā)

氣候變暖引起極端天氣現(xiàn)象頻繁發(fā)生，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響日益嚴(yán)重，糧食產(chǎn)業(yè)無(wú)法得到保障，加劇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性[10]。同時(shí)氣候變暖將導(dǎo)致土地進(jìn)一步荒漠化，水土流失嚴(yán)重，遇強(qiáng)降水、冰雹等災(zāi)害會(huì)造成山體滑坡、農(nóng)作物減收，使人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。

2.7氣候變暖應(yīng)對(duì)措施

2.7.1合理調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)氣候變暖不利影響

開(kāi)展農(nóng)業(yè)氣候動(dòng)態(tài)區(qū)劃，改革傳統(tǒng)耕作模式，在農(nóng)作物種植方面，選擇抗逆性較強(qiáng)的種子品種，保證穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。同時(shí)科學(xué)調(diào)整種植制度和農(nóng)作物布局，適應(yīng)氣候資源改變，減輕由于氣候變暖造成的不利影響。

2.7.2加大宣傳力度，提高抵御氣象災(zāi)害能力

加大氣候變化宣傳力度，提倡低碳生活，使用可再生能源。同時(shí)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)抵抗氣象災(zāi)害能力。氣象部門(mén)提高天氣預(yù)警預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度，加強(qiáng)對(duì)氣候變化可能會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的影響研究，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠應(yīng)對(duì)氣候變化提供有力技術(shù)支撐。

2.7.3加強(qiáng)氣象科研，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)

加強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化綜合服務(wù)體系的建設(shè)，提高災(zāi)害的預(yù)警預(yù)測(cè)水平，建立極端天氣事件預(yù)警系統(tǒng)，最大程度地避免或減輕由于氣候變化帶給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的嚴(yán)重影響。同時(shí)，要大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，興修水利，建立抗旱排澇工程，做到雨天蓄水，旱時(shí)有水灌溉，努力改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高抗災(zāi)能力，確保旱澇保收。

2.7.4開(kāi)展人工增雨天氣作業(yè)

充分利用大氣資源，開(kāi)展人工增雨作業(yè)，提高水資源供給，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)作物水分需求。加大對(duì)人工影響天氣投入，建立專業(yè)、具有優(yōu)良業(yè)務(wù)素質(zhì)的人工影響天氣隊(duì)伍，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保駕護(hù)航。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)庫(kù)爾勒市近55年(1961—2015年)來(lái)氣溫，≥0、3、5、10和20 ℃初日、終日及持續(xù)日數(shù)，以及積溫和無(wú)霜初日、終日等的分析研究，得出如下結(jié)論。

(1)庫(kù)爾勒平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫為11.9、18.2和6.0 ℃，氣候傾向率為0.29、0.17和0.41 ℃10年，最低溫度變化幅度高于最高溫度，年平均氣溫突變交點(diǎn)在1998年，突變后較突變前的平均值增溫1.0、0.5和1.5 ℃。

(2)春夏秋冬四季平均氣溫分別為14.8、25.8、11.4和-4.6 ℃，氣候傾向率為0.29、0.3、0.25和0.43 ℃10年，其中冬季增加幅度最大，突變后較突變前平均值增加了1.0、1.3、1.0和0.9 ℃。

(3)庫(kù)爾勒市穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10和20 ℃初日平均為53.4、64.4、70.1、90.3、112.5和144.5 d，氣候傾向率分別為-1.6、-0.6、-1.0、-1.0、-0.3和-2.6 d10年，氣溫突變后分別提前了4.5、2.4、3.8、0.1、3.2和12.0 d，其中穩(wěn)定通過(guò)20 ℃的初日提前最大。穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10和20 ℃終日平均為327.2、316.3、309.9、292.1、276.2和253.6 d，氣候傾向率分別為1.6、1.7、2.1、0.2、1.7和0.5 d10 a，氣溫突變后分別延遲了5.3、6.1、8.8、1.6、4.2和6.0 d，其中穩(wěn)定通過(guò)5 ℃的終日延遲最大。穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10和20 ℃持續(xù)日數(shù)平均為274.8、252.9、240.8、202.8、164.7和110.1 d，氣候傾向率為3.2、2.3、3.1、1.3、2.0和3.2 d10年，氣溫突變后分別增加了9.8、8.6、12.7、1.7、7.4和18.1 d，其中穩(wěn)定通過(guò)20 ℃的天數(shù)增加最大。

(4)穩(wěn)定通過(guò)0、3、5、10、15和20 ℃的積溫分別為4 812.5、4 765.3、4 712.1、4 385.6、3 857.4和2 785.3 d·℃，氣候傾向率為80.7、80.2、85.1、69.0、75.6和103.4 d·℃10 a，氣溫突變后分別增加了303.4、302.2、328、220.2、292.0和533.9 d·℃，其中穩(wěn)定通過(guò)20 ℃的積溫增加最大。

(5)無(wú)霜初日、終日及持續(xù)日數(shù)分別為214.5、84.9和298.4 d，氣候傾向率分別為3.0、-1.6和1.4 d10年。氣溫突變后無(wú)霜初日提前了4.0 d，終日推遲了4.3 d，持續(xù)日數(shù)增加了8.4 d[11]。

近55年庫(kù)爾勒市氣溫升高，積溫增加，生長(zhǎng)季、無(wú)霜期延遲，對(duì)農(nóng)業(yè)引種和品種推廣有著積極作用，有利于發(fā)展多樣性和提高耕地復(fù)種指數(shù)。根據(jù)熱量資源現(xiàn)狀重新確定合適的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)和種植區(qū)劃有著重要的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義。但同時(shí)，氣候變暖也給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)消極影響，如極端高溫、干熱風(fēng)和病蟲(chóng)害等高溫型農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生的頻次增加。因此，要適應(yīng)和應(yīng)對(duì)氣候變化，采取趨利避害的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和管理措施，充分合理開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)熱量資源，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。