研究论文 正式出版 版本 2 Vol 10 (2) : 149-155 2019
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延安市界限温度≥10℃的活动积温变化特征分析
Accumulated temperature variation characteristics of the boundary temperature 10°C in Yan’an
: 2018 - 04 - 01
: 2018 - 06 - 30
: 2018 - 07 - 13
160 1 0
摘要&关键词
摘要:利用延安气象站1951—2012年日平均气温资料,运用五日滑动平均法、一元线性回归等方法对界限温≥10℃的初日、终日、持续天数以及活动积温进行了分析,并对初日、终日、持续时间以及活动积温与年平均气温的相关关系进行探讨。结果表明:界限温度≥10℃的初日呈现出提前趋势,气候倾向率为-1.845 d·(10a)-1;终日呈现出推迟趋势,变化倾向率为2.437 d·(10a)-1;持续时间延长,变化倾向率为4.189 d·(10a)-1;活动积温也增加,气候变化倾向率为106.57℃·(10a)-1。界限温度≥10℃的初日、终日、持续时间以及活动积温与年平均气温存在显著相关,其中活动积温与年平均气温相关系数高达0.882,回归分析显示年平均气温每升高1℃时,界限温度≥10℃的活动积温增加217℃。
关键词:活动积温;变化特征;延安市
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope: Yan’an is located on the northern part of the Loess Plateau as well as the edge of the Asian summer monsoon. Because of the monsoon climatic condition, Yan’an is considered to be a sensitive place to study the impacts of global warming on regional climate change. Materials and methods Based on the daily average temperature data of Yan’an Meteorological Station from 1951 to 2012, the five-day moving average method and linear regression method were performed to study the onset day, end day, duration and activity accumulated temperature of the boundary temperature ≥10°C. Correlations between the variables mentioned above and the annual average temperature were analyzed. Results The results showed that the onset day series of the boundary temperature ≥10°C displaying an advanced trend with a tendency rate of -1.845 d·(10a)-1, the delayed trend existed in the end day series with a change rate of 2.437 d·(10a)-1, the duration was prolonged with a rate of 4.189 d·(10a)-1, and the activity accumulated temperature increased with a rate of 106.57°C·(10a)-1. The onset day, end day, duration and activity accumulated temperature of the boundary temperature ≥10°C were significantly correlated with the annual average temperature. The highest correlation coefficient between the active accumulated temperature and the annual average temperature was 0.882. The regression analysis showed that the activity accumulated temperature ≥10℃ could increase 217°C when the annual average temperature enhanced 1°C. Discussion Global warming has a wide-ranging impact on the natural environment and human society. The analysis of special temperature features on the regional and local scales could be useful to reduce the adverse effects of climate change and improve adaptability. Conclusions The variables of temperature ≥10℃ including the onset day, end day, duration and activity accumulated temperature generally showed trends consistent with global warming from 1951 to 2012, which confirmed the regional temperature variation coinciding with the global scale context. Recommendations and perspectives The variations of special temperature such as the boundary temperature ≥10°C are very important to sustainable development of regional natural environment and human society. To identify the features of the onset day, end day, duration and temperature in a long-term span could be helpful to reduce climate disaster risks and improve defense against global warming in the future.
Keywords: activity accumulated temperature; characteristic analysis; Yan’an
在全球变暖大背景下,全球大部分地区的地表温度均处于上升趋势(秦大河等,2014),但区域气候变化仍然存在不确定性,无疑对区域气候变化产生影响(王小燕和乐群,2016)。活动积温作为气候因子之一,是衡量一个地区热量状况的重要指标,影响农作物的生长、发育和产量的形成,对农业生产和布局有重要意义(郭建平,2015;杨晓光等,2011),也是进行农业气候区划、合理配置农作物以及预报物候期、病虫害发生期的重要依据(李飞等,2010)。众多学者对不同界限温度的生长期参数(王树廷和王伯民,1984)(初日、终日、持续时间和活动积温)进行了研究,如:0℃、5℃、10℃等。其中≥10℃活动积温是研究采用的较为普遍的界限温度。因为≥10℃积温的多少表征了喜凉及喜温作物全生育期对热量条件要求的满足度(张厚瑄和张翼,1994)。Burger et al(2017)发现作物的产量与积温相关,但并非积温越高产量越高。柳芳和黎贞发(2010)利用天津≥0℃积温和冬小麦产量进行统计分析,发现积温的升高对冬小麦产量的影响作用在增强。殷雪莲等(2014)发现河西走廊中部生长季≥10℃热量资源显著增加,有利于扩大该区主导作物玉米的种植面积和产量等。刘勤等(2009)认为受全球气候变暖的影响,黄河流域≥10℃积温呈上升趋势。王水霞等(2017)认为秦岭南部地区≥5℃积温呈显著增加趋势,对油菜单产影响较大。魏玲等(2017)通过建立地理回归模型确定了汉中市≥10℃积温元胡作物适宜区。但对于延安市界限温度生长期参数的研究较为缺乏。因此,本文对延安地区界限温度≥10℃的生长期参数进行分析,揭示器测时段≥10℃的初日、终日、持续天数和活动积温变化特征。
1   研究区概况
延安市位于黄河中游地区,陕北南部,境内90%以上的区域属于黄土高原丘陵沟壑区,梁峁交错,沟壑纵横,水土流失多发(杨强等,2014)。地理位置包括35º21′—37º31′N,107º41′—110º31′E,属大陆性季风气候,多年平均气温9.93℃,四季分明,气温年较差大;多年平均降水总量532 mm,季节分配不均匀,其中夏秋季降水充沛,占全年总降水的82.5%,同时受北方冷气团的影响,延安冬季干冷且多大风天气。
2   数据与方法
2.1   数据来源
数据来源于中国气象站科学共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)延安气象站(36º36′N,109º30′E,海拔958.5 m)1951—2012年逐日平均气温资料(图1)。当闰年时,把2月28日和29日的日均温求平均后当作28日日平均气温,对2月份日平均气温天数统一取28天。数据处理运用Excel统计分析软件,对逐日平均气温采用连续5日滑动平均取值。


图1   延安市气象站1951—2012年累年日均温度序列
Fig.1 The daily mean temperature variation of Yan’an meteorological data during 1951—2012
2.2   研究方法
2.2.1   积温计算
≥10℃活动积温具体算法参考文献(宋永华和宋良娈,2009)。即在一年中选第一个日平均气温≥10℃之日,从该日起向前推4天计算连续5日滑动平均值,选取5日滑动平均值中温度持续稳定大于等于10℃界限温度的最长时期,在第一个稳定通过该界限温度的5日滑动序列中,选取对应5日平均温≥10℃的第一天作为初日,在最后一个稳定通过该界限温度的5日滑动序列中,选取对应5日平均温≥10℃的最后一天作为终日,持续天数=终日日序-初日日序+1,初始日与终止日间持续天数的日平均气温累加之和即为≥10℃的活动积温。
2.2.2   线性回归法
采用线性回归法对数据的趋势变化进行判定(魏凤英,2007):Y表示气温变量,Xi 表示Y对应的时间,n为样本量,建立一元线性回归方程:
Y =a+b×Xii=1, 2, …, n) (1)
回归系数b的大小可反映变量的上升或者下降的速率。b×10为气温倾向率,单位为℃·(10a)-1
3   结果与分析
3.1   ≥10℃初日与终日的变化
初始日期序列的建立:即以1月1日为一年第一天,记为1;1月2日记为2,…,以此方法建立1951—2012年初始日期序列(吴海婷等,2015),则初日时间出现越早,其在一年中的位序排位就越小(葛玉祥等,2018)。由图2可知:近62年延安市≥10℃初日时间呈波动下降趋势,气候变化倾向率为-1.845 d·(10a)-1,即≥10℃初日平均以-1.845 d·(10a)-1的速率提前,并且通过了0.05显著性检验,说明提前趋势较明显。1951—2012年延安市≥10℃初日平均日期主要集中在4月14日,最早出现在3月27日(1998年),最晚出现在5月1日(1986年)。
由图2可知:近62年延安市≥10℃终日时间呈波动上升趋势,气候变化倾向率为2.437 d·(10a)-1,即≥10℃初日平均以2.437 d·(10a)-1的速率推迟,并且通过了0.05显著性检验,说明推迟趋势较明显。1951—2012年延安市≥10℃终日平均日期主要集中在10月7日,最早出现在9月24日(1962年),最晚出现在10月30日(2001年)。


图2   1951—2012年延安市≥10℃初日(上图)和终日(下图)变化
Fig.2 The variations of onset day (top) and end day (down) of ≥10℃ in Yan’an during 1951—2012
3.2   ≥10℃持续天数的变化
由图3可知:持续天数序列呈现上升趋势,气候变化倾向率为4.189 d·(10a)-1,即≥10℃持续天数平均以4.189 d·(10a)-1的速率延长,并且通过了0.01显著性检验,说明持续天数延长趋势较明显。近62年延安市≥10℃平均持续天数为182天,从1951年的最小值(158天)到1998年的最大值(209天),持续时间相差了51天。其中在2005年以后,≥10℃持续天数均超过了182天。


图3   1951—2012年延安市≥10℃持续天数变化
Fig.3 The variations of duration of ≥10℃ in Yan’an during 1951—2012
3.3   ≥10℃活动积温的变化
由图4可知:1951—2012年延安市≥10℃活动积温总体呈增加趋势,气候变化倾向率为106.57℃·(10a)-1,即≥10℃活动积温平均以106.57℃·(10a)-1的速率增加,并且通过了0.01显著性检验,说明活动积温增加趋势较明显。近62年延安市≥10℃活动积温平均为3446.710℃。1951年开始上升,1961和1978年形成两个峰值,分别为3509.1℃和3668℃。随后峰值迅速下降,大多年份处于平均值以下。1995年之后,除2003年(3421.1℃)外,其他年份均处于平均值以上,其中1998年达到了62年以来的最高值(4007.2℃)。


图4   1951—2012年延安市≥10℃活动积温变化
Fig.4 The variations of activity accumulated temperature of ≥10℃ in Yan’an during 1951—2012
3.4   界限温度≥10℃与年平均气温的关系
年平均气温是年度内逐日平均气温的综合反映,随着温度的变化,界限温度的初终日、持续天数及活动积温也会相应发生改变(赵恒和等,2012)。界限温度初终日的早晚与初终日之间的持续天数以及活动积温与年平均气温的相关性见表1。
表1   界限温度生长期参数与年平均气温的相关性
生长期参数 Growth parameters相关系数Correlation coefficients
初日 Onset day-0.454**
终日 End day0.535**
持续时间 Duration0.661**
活动积温 Activity accumulated temperature0.882**
(**p<0.01)
相关分析表明:界限温度≥10℃的初日与年平均气温呈负相关,达到了极显著水平,即年平均气温升高,≥10℃的初日时间提前。终日与年平均气温呈正相关,即年平均气温升高,终日时间推迟,达到了极显著水平。各界限温度期间的持续日数与年平均气温均呈正相关,即年平均气温高,则初终日之间的持续时间长。而≥10℃的活动积温与年平均气温的相关系数为0.882,达到了极显著性水平,表明气温升高对活动积温的影响十分显著。因此,采用一元线性回归方法模拟出≥10℃的活动积温与年平均气温的回归方程:
A10 =763.309+271.107T
其中A10 表示≥10℃的活动积温,T表示年平均气温。回归方程显示,年平均气温每升高1℃,延安市界限温度≥10℃的活动积温大约增加217℃。
4   讨论
由以上结果与分析可知:延安市近62年来界限温度≥10℃的初日时间提前,终日时间推迟,持续时间和活动积温均增加,说明该地区生长期特征温度参数变化特征与全球气候变暖的响应一致。界限温度≥10℃的变化显著增加了延安地区的热量资源,使作物生长期延长,生长季热量增加(戴声佩等,2014)。这符合国内学者前期研究成果所揭示的相近结论,例如:王小燕和乐群(2016)认为中国积温逐渐升高的演变趋势较为一致,其中北部地区的增温幅度大于中部和南部地区,增温地区主要出现在秦岭—淮河一线以北;柏秦凤等(2008)发现20世纪80年代以后,我国大部分地区≥10℃的生长期增加了4.2天,生长期初日提前,终日延迟,导致生长期延长;孟艳灵等(2016)基于晋陕蒙地区75个气象站1960—2014年逐日平均气温数据所表明的≥10℃积温近55 a增加速率为74.60℃·d/10a,其中陕西汉中地区处于上升趋势最明显的区域之一,其≥10℃积温倾向率大于100℃·d/10a。杨利霞等(2014)对汉中市北部秦岭山区1971—2013年≥10℃的生长期参数的变化规律研究揭示的初始日提前,终日推后,持续时间和活动积温增加与本文的结论基本一致。
气候变暖不仅使农业生产所需的活动积温增加,还会影响到降水、湿度等其他与农业生产有关的气象指标,气温升高可能造成局部地区干旱,甚至引发不同程度的旱灾,对农业生产造成减产或者使农产品质量降低(刘德祥等,2005)。同时也会对农作物害虫的繁殖、越冬、迁飞等习性造成影响,导致作物病虫害的地理范围扩大,最终导致病虫害增加(贾震等,2012)。王义祥等(2006)认为随着≥10℃年积温界限的北移,原本受热量限制的病虫害可能逐渐向较高纬度扩散。因此,要合理利用气候资源,为农业提供指导,调整作物种植并做好病虫害防范工作,以此来达到增加作物产量的目的。鉴于数据的限制,本文未能对延安区域积温空间变化特征进行分析,后续研究有待进一步深入。
5   结论
通过对延安市1951—2012年近62年界限温度≥10℃的生长期参数的初终日变化、持续天数、活动积温变化特征及其与年平均气温的关系分析,等到初步结论:
(1)界限温度≥10℃的初日呈现出提前趋势,气候倾向率为-1.845 d·(10a)-1,初日时间主要集中在4月14日;终日呈现出推迟趋势,气候变化倾向率为2.437 d·(10a)-1,终日时间主要集中在10月7日。
(2)界限温度≥10℃的持续时间延长,气候变化倾向率为4.189 d·(10a)-1,平均持续天数为182天;活动积温增加,气候变化倾向率为106.57℃·(10a)-1,平均活动积温为3446.710℃,与全球气候变暖响应一致。
(3)界限温度≥10℃的初日、终日、持续时间以及活动积温与年平均气温有很好的相关关系,其相关系数分别为-0.454、0.535、0.661和0.882,其中活动积温与年平均气温相关最好,并建立了二者的回归方程,当年平均气温每升高1℃时,界限温度≥10℃的活动积温增加217℃。
致谢
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稿件与作者信息
包光1, 2
BAO Guang1, 2
baoguang23@163.com
屈勇1
QU Yong1
刘娜1, 2
LIU Na 1, 2
胡亚飞1
HU Yafei1
陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(17JS005);陕西省青年科技新星计划项目(2016KJXX-41);陕西省自然科学基础研究计划项目(2018JQ4022);国家自然科学基金项目(41301101);黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目(SKLLQG1711);宝鸡文理学院重点项目(ZK2018047);陕西省普通高校首批青年杰出人才支持计划(2017)
Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Modeling (17JS005);Young Scientist Project of Shaanxi Province (2016KJXX-41); Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (2018JQ4022); National Natural Science Foundation of China (41301101); Project of State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology (SKLLQG1711);Key program of Baoji University of Arts and Sciences (ZK2018047);First Outstanding Young Talents of Shaanxi Universities (2017)
出版历史
出版时间: 2018年7月13日 (版本2
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地球环境学报
Journal of Earth Environment