石雨卉
(中國民用航空廈門空中交通管理站,福建 廈門 361011)
根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)的第五次評估,在過去四十多年間全球地表溫度明顯升高了0.85 ℃,并且在本世紀(jì)末全球氣候的變化將很有可能使得地表溫度較目前上升1.1~6.4 ℃,此外,特別要指出的是中國變暖的速率要明顯高于全球平均值[1-2]。溫度的上升導(dǎo)致熱量資源隨之變化,從而對與之相關(guān)的工業(yè)農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動造成影響。而對于農(nóng)業(yè)來說,熱量資源有著舉足輕重的影響,它決定了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的品種、產(chǎn)量及成長發(fā)育[3]。因此,分析并了解某地?zé)崃抠Y源的變化特征,能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的安排和規(guī)劃提供指導(dǎo)。
目前,國內(nèi)有許多科研工作者對氣候變暖引發(fā)的當(dāng)?shù)責(zé)崃抠Y源變化展開了相應(yīng)研究。劉德祥等[4]對我國西北地區(qū)的熱量資源及氣候變暖影響展開了深入研究,提出了西北地區(qū)氣候變暖主要由于最低氣溫的升高,該地區(qū)氣候變暖對農(nóng)業(yè)的弊端大于益處;張立波等[5]對華東地區(qū)的熱量資源過去50年來的變化特征進(jìn)行了分析,表明華東地區(qū)氣候一直在持續(xù)升溫中,且各項熱量資源與氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系;黃奇曉等[6]研究了福建氣候變化特征及預(yù)測未來趨勢,表明福建年平均氣溫上升趨勢顯著,與IPCC的結(jié)論一致。
廈門市位于24°23′N~24°54′N、117°53′E~118°26′E,地處福建省東南沿海,屬于典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,溫和多雨,冬無酷寒,夏無酷暑。同時,農(nóng)業(yè)作為廈門經(jīng)濟的第一產(chǎn)業(yè),其主要農(nóng)作物為龍眼、芒果、枇杷、花生等喜溫作物,截止2021年,廈門市全年農(nóng)作物總播種面積1 686 951.3 km2,農(nóng)業(yè)產(chǎn)值高達(dá)29.25億元。但目前有關(guān)廈門市熱量資源的研究相對較少,因此本文根據(jù)廈門市國家級氣象站的觀測資料,對過去49 a的熱量資源變化進(jìn)行分析研究,為趨利避害、合理利用氣候資源和農(nóng)作物品種布局以及城市生態(tài)環(huán)境的改善提供一定的科學(xué)參考依據(jù)。
本文所用數(shù)據(jù)來自廈門國家級氣象站觀測資料:1973—2021年逐日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫。所用數(shù)據(jù)資料從美國NOAA氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[7]下載。對于活動積溫,運用5日滑動平均法[8]分別求取0、5、10、15、20 ℃初日與終日的活動積溫,作為分析廈門市熱量資源變化特征的要素。此外,本文對季節(jié)進(jìn)行了劃分:春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~次年2月)。
1.2.1 氣候傾向率
通過建立方程,詳見式(1)。
y(t)=a+bt
(1)
式(1)中:y為溫度,℃;t為時間序列,a;a為經(jīng)驗系數(shù),可以通過最小二乘法求得;b為趨勢變化率,代表了氣候變量的趨勢傾向,若b為正(負(fù))時則表示溫度隨時間變化呈上升(下降)趨勢。根據(jù)公式(1)可以確定溫度y與時間t的定量關(guān)系,且氣候傾向率為10×b。
1.2.2 累積距平法
設(shè)y為樣本平均值,yi為隨機變量,n為采樣樣本,t為某時刻,根據(jù)公式(2)可以得到累積距平曲線。進(jìn)行擬合分析后,判斷其連續(xù)變化與長期變化趨勢,初步確定溫度年際變化趨勢及其未來走向。
(2)
1.2.3 Mann-Kendall突變檢驗法
Mann-Kendall法是一種用途廣泛的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,主要用于氣候和徑流趨勢突變分析。使用此方法時樣本無需遵從一定的分布,同時避免了部分異常值的影響,且分析結(jié)果精度極高,算法簡便,可以明確氣候序列的突變時間。具體操作方法見參考文獻(xiàn)[8]。
2.1.1 年平均氣溫變化
圖1 廈門市年平均氣溫變化Fig.1 Changes of the annual average temperature in Xiamen
根據(jù)廈門市49 a來的氣溫數(shù)據(jù)繪制年均氣溫變化圖(如圖1所示),可以看出整體年均氣溫在上下波動中呈現(xiàn)逐步上升趨勢,與全球氣溫變化趨勢保持一致。對其進(jìn)行線性趨勢分析后,得到趨勢方程,且通過了α=0.01的水平顯著性檢驗。過去49 a間,廈門市年平均氣溫以0.478 ℃/10 a的速率增加,遠(yuǎn)高于福建省0.321 ℃/10 a的年均氣溫增長速率[6]。
圖2為廈門市49 a的年均氣溫距平及累積距平的變化圖,同時根據(jù)氣溫距平符號分布相對一致的原則[9],可將49 a劃分為冷、暖期:1973—1995年為冷期,且年均氣溫一直呈現(xiàn)下降趨勢,且溫度距平在1995年達(dá)到最小值;1996—2021年為暖期,1996年開始年均氣溫開始呈現(xiàn)上升趨勢,并在2021年達(dá)到最大。年均氣溫從下降到上升的趨勢突變大約發(fā)生在1995—1996年。
圖2 廈門市年平均氣溫距平及累積距平變化Fig.2 Changes of the annual average temperature anomaly and cumulative anomaly in Xiamen
使用Mann-Kendall方法檢驗廈門市49 a的年平均氣溫序列并繪制圖3。給定顯著性水平α=0.05,即U0.05=±1.96。從圖3可以直觀地看出,UF曲線自1988年后呈現(xiàn)明顯上升趨勢,至2002年這種趨勢超過了顯著性水平0.05臨界線,表明廈門市年平均氣溫從1988年開始有增溫趨勢,且在21世紀(jì)初這種增溫趨勢顯著增強,這與福建省的年均氣溫變化趨勢相吻合[6]。
圖3 1973—2021年廈門市年平均氣溫M-K突變檢測統(tǒng)計量曲線Fig.3 Statistical curve of M-K mutation detection of the annual average temperature in Xiamen from 1973 to 2021
2.1.2 季平均氣溫變化
對廈門市1973—2021年日均氣溫按季節(jié)進(jìn)行分類和統(tǒng)計,并繪制春、夏、秋、冬四季季平均氣溫隨時間(年份)的變化圖(圖4)。對比圖1與圖4可知,廈門市在過去49 a間的四季平均氣溫變化與年平均氣溫變化基本一致,均為上升趨勢,且四季平均溫度分別以0.545、0.409、0.441、0.514 ℃/10 a的趨勢增長,并通過了α=0.01的水平顯著性檢驗。四季中,以春季氣溫增長速率最大,冬季次之,夏季平均氣溫增長速率最小。通過統(tǒng)計與計算,1973—2021年四季的平均氣溫分別為:春季19.8 ℃,夏季28.03 ℃,秋季23.61 ℃,冬季14.11 ℃。相對49 a來的平均氣溫而言,20世紀(jì)末之前氣溫偏低,20世紀(jì)末期以后的氣溫明顯升高,相對為偏暖期。
極端氣溫是氣候變化的重要指標(biāo),它的發(fā)生不僅對農(nóng)業(yè)氣象造成災(zāi)害,而且能對人們的生產(chǎn)生活環(huán)境帶來嚴(yán)重影響[9]。對廈門市49 a來的年平均最高、最低氣溫分別繪制散點圖并進(jìn)行擬合分析和求取平均值,得到圖5。從圖5中可以看出,平均最高、最低氣溫都在上下波動中呈上升趨勢,經(jīng)過線性趨勢分析后得到的一元線性方程,且都經(jīng)過了α=0.01的水平顯著性檢驗。對比兩組氣候傾向率(年平均最高氣溫為0.515 ℃/10 a,年平均最低氣溫為0.285 ℃/10 a)可以看出,年平均最高氣溫的上升速率明顯高于年平均最低氣溫,升溫速率約是其1.8倍。同時,以1998年為氣溫分水嶺,1998年之前年平均最高、最低氣溫基本上都低于49 a平均值,而在1998年以后平均氣溫有了大幅度提升使其年平均最高、最低氣溫基本都在49 a平均值以上。
農(nóng)作物的生長需要一定的熱量條件。在作物生長發(fā)育所需的其他條件滿足時,在一定溫度范圍內(nèi),氣溫與發(fā)育速度成正比,并且要累積到一定的溫度總和農(nóng)作物才能完成發(fā)育,作物某個生育期或全部生育期內(nèi)活動溫度的總和稱為該作物這一生育期或全生育期的活動積溫。活動積溫是能夠衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中熱量資源的重要指標(biāo),它的起止日期、持續(xù)天數(shù)及積溫在一定程度上決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中適宜種植區(qū)的規(guī)劃、種植制度和品種搭配[10]。常用的界限溫度有:0、5、10、15、20 ℃[11]。
圖4 1973—2021年廈門市各季平均氣溫變化Fig.4 Changes of the seasonal average temperature in Xiamen from 1973 to 2021
圖5 廈門市1973—2021年平均最高、最低氣溫變化趨勢Fig.5 Variation trends of average maximum and minimum temperatures in Xiamen from 1973 to 2021
不同的界限溫度具有一定的農(nóng)業(yè)指示意義[12]。當(dāng)氣溫穩(wěn)定≥0 ℃時,土壤開始解凍,草木萌發(fā),為適宜農(nóng)耕期;氣溫穩(wěn)定≥5 ℃的時期為越冬作物生長活動期和喜涼早春作物的播種期;氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的時期為喜溫作物生長活動和喜涼作物的迅速生長期,水稻、棉花等喜溫作物開始播種;日平均氣溫穩(wěn)定≥15 ℃時,喜溫作物開始積極生長,同時也是茶葉的可摘采期;氣溫穩(wěn)定通過20 ℃及以上時,水稻分蘗并旺盛生長,同時20 ℃ 還是喜溫作物光合作用最適溫度的下限。
2.3.1 活動積溫變化
由于廈門特殊的地理氣候條件,≥0 ℃和≥5 ℃ 的初日都是1月1日,終日是12月31日,即年總活動積溫。對年活動積溫、10 ℃、15 ℃和 20 ℃ 分別繪制其活動積溫隨年份的變化曲線圖,詳見圖6。
從圖6中可以看出,不同界限溫度下的活動積溫隨著年份變化各有不同,但總體都保持著增加趨勢。年活動積溫、≥10 ℃、≥15 ℃和≥20 ℃的活動積溫增加速率分別為175.57、246.07、229.72、268.92 ℃/10 a,其中≥20 ℃的活動積溫增加速率最高,年活動積溫增加速率最低。4種不同的活動積溫在1973—2021年的49 a間的平均值分別為7 815.6、7 445.7、6 358.8、5 149.8 ℃。同時,在1973—1996年間,92%的年份穩(wěn)定通過年活動積溫和≥20 ℃的活動積溫低于49 a平均值,87%的年份穩(wěn)定通過≥10 ℃和≥15 ℃的活動積溫低于49 a平均值,因此1973—1996年為熱量虧欠期;1997—2021年間88%的年份穩(wěn)定年總活動積溫高于49 a平均值,≥10 ℃和≥15 ℃的活動積溫穩(wěn)定高于49 a平均值的年份占比為84%,而≥20 ℃的活動積溫高于49 a平均值更是達(dá)到100%,因此將此25 a稱為熱量豐盈期。熱量資源的增加使農(nóng)作物生長期延長,有利于喜溫作物的生長和品質(zhì)提升[13]。
圖6 不同界限溫度下活動積溫隨年份變化圖Fig.6 Variation of active accumulated temperature with years at different boundary temperatures
2.3.2 活動積溫的Mann-Kendall檢驗分析
對不同界限溫度下的活動積溫進(jìn)行Mann-Kendall方法檢驗,檢驗結(jié)果如圖7所示。不同界限溫度的活動積溫有不同的Mann-Kendall檢驗結(jié)果,但其UF曲線在1988年之后基本都呈上升趨勢。其中,對于年活動積溫,其突變曲線與年平均氣溫突變檢驗曲線基本相同,故不重復(fù)討論。
根據(jù)圖7所示,≥10 ℃、≥15 ℃、≥20 ℃活動積溫的UF曲線分別在2003年、2002年、1999年超過了0.05顯著性水平,結(jié)合年活動積溫的UF曲線圖,可以得出2000年左右廈門市年活動積溫上升趨勢顯著性增強。
在0.05顯著性水平臨界線內(nèi),≥10 ℃活動積溫的UF與UB曲線沒有明顯交點,表明≥10 ℃年活動積溫變化沒有明顯突變點。而對于≥15 ℃與≥20 ℃的UF與UB曲線在0.05信度臨界線內(nèi)存在交點,其位置分別位于2000年和1997年處,確定≥15 ℃與≥20 ℃年活動積溫在20世紀(jì)末期發(fā)生由冷到暖的明顯突變。
本文根據(jù)過去49 a廈門地區(qū)國家氣象站的氣溫數(shù)據(jù),使用氣候傾向率、累積距平法以及Mann-Kendall突變檢驗等方法統(tǒng)計并分析討論了年平均氣溫、季平均氣溫、年最高(低)氣溫以及當(dāng)?shù)責(zé)崃抠Y源的變化規(guī)律趨勢,得到以下結(jié)論:
(1)1973—2021年來,廈門年均氣溫以0.478 ℃/10 a的速率增加,明顯高于福建省年均增溫速率。根據(jù)氣溫距平符號分布相對一致的原則,49 a來可以劃分為2個時期:1973—1995年為冷期,1996—2021年為暖期。利用Mann-Kendall方法,結(jié)果表明廈門市年平均氣溫從1988年開始有增溫趨勢,在21世紀(jì)初這種增溫趨勢顯著性增強。
(2)從季節(jié)性變化上來看,廈門市49 a來的四季平均氣溫變化與年平均氣溫變化相同,都呈現(xiàn)上升趨勢。四季中,春季的氣溫增加速率最大,夏季增溫速率相對較小。
(3)廈門市49 a來的年平均最高、最低氣溫都在上下波動中逐步增加,其增長速率約為0.515 ℃/10 a和0.285 ℃/10 a,年平均最高氣溫的上升速率約是年平均最低氣溫的1.8倍。
(4)年均氣溫的升高使得熱量資源隨之增加。在0、5、10、15、20 ℃幾個界限溫度中,≥20 ℃的活動積溫上升趨勢最顯著,分別為175.57、246.07、229.72和268.92 ℃/10 a。對比活動積溫變化曲線與其49 a平均值,可以得出1973—1996年為熱量虧欠期,1997—2021年為熱量豐盈期。使用Mann-Kendall檢驗方法后,可以看出在20世紀(jì)末21世紀(jì)初廈門市年活動積溫有明顯上升趨勢,同時≥15 ℃與≥20 ℃年活動積溫也在此時發(fā)生由冷到暖的明顯突變。
綜上所述,廈門市年均氣溫與活動積溫都呈現(xiàn)上升趨勢,這與黃奇曉等人關(guān)于福建省氣候變化的研究結(jié)論基本一致,且廈門增溫速率與之相比更為顯著。熱量資源的增加對當(dāng)?shù)孛⒐?、花生等主要作物的種植、生長帶來了重要影響,能夠延長其生長周期以及提高其產(chǎn)量。另一方面,熱量資源的增長可能提高了病蟲害發(fā)生的可能性,增加了病蟲害的周期;同時,熱量資源的增長也加劇了城市高溫酷熱程度,使得人們生活中對能源的需求消耗增長。因此,要合理利用氣候資源,調(diào)整農(nóng)作物的播種時期,以此達(dá)到增產(chǎn)的目的;此外,還要加強對病蟲害的監(jiān)測、防治,增強農(nóng)業(yè)對氣象災(zāi)害的防御能力,以及提升對城市熱島效應(yīng)、氣候變化影響評估的預(yù)測準(zhǔn)確度。