作者简介:董国庆(1978-),女,宁夏固原人,工程师,主要从事气象服务及气候变化研究.E-mail:dongguoqing2003@163.com
根据宁夏20个地面气象观测站1961年来冬季(12月至次年2月)逐日气温资料, 采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验等方法,分析了宁夏全区、引黄灌区、中部干旱带和南部山区冬季平均、最高、最低气温年际、年代际变化趋势及突变特征;对比分析了21世纪以来冬季最冷月平均气温、<0 ℃负积温变化的新特点及对农业的影响。结果表明:①宁夏全区及各地冬季平均气温2000年以前上升趋势显著,其中引黄灌区冬季增暖最明显,中部干旱带次之,南部山区增暖幅度最小,1985年为宁夏大部分地区冬季平均气温升高的突变点。21世纪以来宁夏大部分地区冬季平均气温上升趋势趋缓,中部干旱带甚至出现下降。②宁夏各地冬季平均最低气温的上升幅度明显高于冬季平均气温和冬季平均最高气温,说明宁夏各地冬季气温升高的原因主要是冬季最低气温升高;进入21世纪以来,冬季平均最高气温变化幅度较冬季平均气温剧烈,大部分地区出现下降;冬季平均最低气温除中部干旱带2002年后略微下降之外,大部分地区持续上升。③冬季最冷月平均气温升高,<0 ℃负积温绝对值大幅降低,有利于越冬作物种植区北界北移,种植面积扩大,遭遇冻害的风险降低,也易使农作物病虫害增加。
First author: Dong Guoqing(1978-),female,Guyuan City,Ningxia Region,Engineer. Research areas include meteorological services and Cliamate change.E-mail:dongguoqing2003@163.com
Based on winter (December to February) daily temperature data of 20 meteorological stations in Ningxia Hui Autonomous Region since 1961, the interannual and interdecadal change trend and the mutation characteristics of the winter average, the maximum, and the minimum temperature of the whole Ningxia region, the Yellow River irrigation area, the central arid zone and the southern mountainous area were analyzed using linear trend, Mann-Kendall test and other methods; Meanwhile,the new characteristics of average temperature of the coldest month, <0 ℃ negative accumulated temperature in winter of the 21st century and impact on agriculture were comparatively analyzed. The results showed that: Firstly, in the whole region and different areas of Ningxia, winter average temperature rose significantly before 2000, the Yellow River irrigation area was the most obvious in winter warming than that in the central arid zone and the southern mountainous area. 1985 was the abrupt change point of winter average temperatures in most areas of Ningxia. In the early 21st century the winter average temperature rose slowly in most areas of Ningxia, even falling in the central arid zone. Secondly, the rise of average minimum temperature was significantly higher than average temperature and average maximum temperature in the winter, indicating that the rise of winter temperature in Ningxia was mainly due to winter minimum temperature. Since the 21st century, the average maximum temperature had changed more dramatically than the average temperature in the winter, dropping in most areas. Winter average minimum temperature in addition to the central arid zone declined slightly after 2002, and continued to rise in most areas of Ningxia.Thirdly, both rise of the average temperature of the coldest month and dramatic reduction of the absolute value of negative accumulated temperature is not only beneficial to the northern planting boundary of winter crops spreading further to north and planting areas expanding with a lower risk of freezing injury, but also beneficial to crop pests increase.
许多研究说明, 过去100年整个地球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化, 近50年来气温增温最明显[1~3]。IPCC5第一工作组评估报告[4]显示, 20世纪中叶以来观测到的好多变化前所未有, 1880— 2012年, 全球平均温度升高了0.85 ℃, 1951— 2012年整个地球平均气温的上升速率(0.12 ℃/10a)差不多是1880年以来的10倍。极端天气与气候事件发生的频率和强度也相应出现了明显变化, 气候变化问题已转变成影响全人类可持续发展的政治问题, 引起国际社会广泛关注[5], 揭示不同区域气温变化的精细规律, 已成为气候变化研究的重要任务[6]。21世纪关于气候变化以及极端气候事件的研究取得了一些进展[7], 唐红玉等[8]发现全球气候变暖中最低气温的升温幅度远远高于最高气温, 王鹏祥等[9]发现中国西北地区极端高温事件发生频率变化趋势虽较一致, 但显著性却不同, 其中西北东部增加比较明显。随着全球变暖, 宁夏近百年的气候也发生了明显变化, 与我国总体气温变化趋势基本一致, 但也有自己的特点, 近50多年来宁夏气候变暖的趋势尤为明显, 冬季增温最明显[10~13], 年极端最低气温上升幅度明显超过年极端最高气温[14~16]。21世纪以来极端天气与气候事件发生的频率和强度出现了明显变化, 具有局地特殊性, 对宁夏的农业生态环境、农作物的生长发育和产量都造成了显著的影响, 然而关于宁夏气温变化的研究多停留在21世纪最初几年, 而且是对气温序列变化特征进行整体研究分析, 没有考虑宁夏的区域性特点, 尤其是关于冬季气温变化对宁夏农业的影响研究比较少。此文为了对宁夏冬季气温变化规律进行更详细的研究, 分析探讨其区域特征、发展趋势对农业的影响, 采用最新的长时间序列资料, 对宁夏全区、引黄灌区、中部干旱带及南部山区不同区域冬季气温变化特征分别展开分析, 通过对最冷月平均气温和冬小麦越冬期负积温的对比分析, 使人们认识宁夏冬季气温变化特征及对农业的利弊影响, 对指导宁夏农业生产、积极防御气候变化给农业经济造成重大损失具有重要参考意义。
选用宁夏20个站(惠农、平罗、陶乐、贺兰、银川、永宁、灵武、青铜峡、吴忠、中宁、中卫、盐池、麻黄山、同心、兴仁、海原、固原、西吉、隆德、泾源)1961— 2013年冬季(12月至次年2月)逐日气温资料, 包括平均、最高、最低气温。依据宁夏气候条件、农牧业的分布以及生态环境状况, 将宁夏从地理分布上划分成3个区域(图1):①引黄灌区, 包括石嘴山市、银川市、吴忠市以及中卫市黄河两岸地区的11个站; ②中部干旱带, 包括吴忠市东南部以及中卫市南部的5个站; ③南部山区, 包括固原市4个站。分别计算引黄灌区、中部干旱带、南部山区及宁夏全区的有关气候值。
主要采用Microsoft Office Excel电子表格软件、Surfer软件等进行数据处理和图表制作, 运用线性趋势分析和Mann-Kendall突变检验分析法等统计方法进行数据分析。
由图2可见, 近53 a来宁夏各地冬季平均气温呈波动上升趋势, 全区上升幅度为0.49 ℃/10a, 其中引黄灌区冬季增暖幅度最大, 为0.54 ℃/10a, 中部干旱带次之, 南部山区增暖幅度最小。宁夏全区及各地冬季平均气温线性变化趋势均通过了α =0.05和α =0.01 的显著性检验, 说明上升趋势明显。冬季平均气温最低值均出现在1967年, 全区为-10.3 ℃, 其中引黄灌区最低, 达-10.9 ℃; 最高值的出现年份略有差别, 宁夏全区、引黄灌区和中部干旱带出现在2000年, 分别为-3.4, -2.9和-3.6 ℃, 其中引黄灌区最高, 而南部山区最高值分别出现在1978年和1986年, 为-4.2 ℃。宁夏全区最高值与最低值之差为6.9 ℃, 其中引黄灌区达到8.0 ℃, 说明宁夏冬季气温变化剧烈, 其中引黄灌区冬季气温变化最剧烈, 上升最显著。
宁夏各地冬季平均最高气温也呈上升趋势, 全区上升幅度为0.34 ℃/10a, 引黄灌区最大, 为0.38 ℃/10 a, 上升的幅度均低于冬季平均气温。各地冬季平均最高气温线性变化趋势通过了α =0.05 的显著性检验, 但均未通过α =0.01的显著性检验, 说明宁夏各地冬季平均最高气温上升没有冬季平均气温显著。宁夏全区、引黄灌区和中部干旱带冬季平均最高气温极小值均出现在1967年, 分别为-2.9, -3.4和-2.5 ℃, 其中引黄灌区最低, 而南部山区则出现在1963年, 为-2.3 ℃; 极大值均出现在1978年, 宁夏全区、引黄灌区、中部干旱带和南部山区分别为4.2, 4.3, 4.6和3.8 ℃, 其中中部干旱带最高; 进入21世纪以来, 冬季平均最高气温冷暖变化幅度较冬季平均气温剧烈。
冬季平均最低气温的上升趋势十分明显, 宁夏全区上升速率为0.59 ℃/10a, 其中引黄灌区上升速率高达0.63 ℃/10a, 上升幅度明显大于冬季平均气温和冬季平均最高气温。全区及各地冬季平均最低气温线性变化趋势均通过了α =0.05和α =0.01的显著性检验, 说明宁夏冬季平均最低气温上升趋势显著, 冬季平均最低气温极小值均出现在1967年, 宁夏全区、引黄灌区、中部干旱带和南部山区分别为-15.9, -16.5, -15.8和-14.7 ℃, 其中引黄灌区最低, 宁夏全区、引黄灌区冬季平均最低气温极大值出现在2000— 2001年, 分别为-8.9和-8.6 ℃, 中部干旱带出现在2000年, 为-8.9 ℃, 而南部山区则出现在2006年和2008年, 为-9.4 ℃, 其中引黄灌区最高。上述分析表明, 宁夏全区、引黄灌区、中部干旱带冬季最低气温的极值出现年份基本与冬季气温相同, 宁夏冬季气温的升高主要是由于冬季最低气温的升高造成, 且主要是由引黄灌区的升温造成的。
3.2.1 冬季平均气温的年代际变化
从图3可见, 宁夏冬季平均气温具有明显的年代际变化。20世纪60年代至21世纪, 宁夏冬季平均气温每10a变化分别为0.7, 0.5, 0.7和0.1 ℃。20世纪60年代至21世纪, 灌区冬季平均气温每10a变化分别为0.9, 0.6, 0.7和0.0 ℃, 中部干旱带冬季平均气温每10a变化分别为0.4, 0.7, 0.8和-0.3 ℃ , 南部山区冬季平均气温每10a变化分别为0.2, 0.4, 0.5和0.5 ℃。由此可见, 宁夏冬季平均气温年代际变化2000年以前上升趋势显著, 21世纪以来宁夏全区和引黄灌区冬季平均气温上升趋势趋缓, 南部山区冬季平均气温上升趋势仍然显著, 中部干旱带冬季平均气温甚至出现下降。
3.2.2 冬季平均最高气温的年代际变化
从宁夏冬季平均最高气温的年代际变化(图4)可以看出, 20世纪60~90年代冬季平均最高气温逐年代增加, 90年代上升幅度最大, 21世纪以来, 引黄灌区和中部干旱带有所下降, 南部山区持续增加, 其中引黄灌区较20世纪90年代下降0.3 ℃, 中部干旱带下降0.4 ℃, 南部山区增加0.1 ℃。
3.2.3 冬季平均最低气温的年代际变化
从图5可见, 宁夏冬季平均最低气温年代际变化从20世纪60年代至21世纪呈连续上升趋势, 上升趋势显著, 且上升幅度大于冬季平均最高气温上升幅度, 20世纪70~80年代上升幅度最大, 21世纪以来, 除中部干旱带冬季平均最低气温下降之外, 其他地区持续上升, 其中引黄灌区较20世纪90年代上升0.3 ℃, 中部干旱带下降0.3 ℃, 南部山区上升1.1 ℃。
3.3.1 冬季平均气温突变分析
用 Mann-Kendall法对宁夏全区及各地近53a冬季平均气温进行突变检验分析看出, 宁夏全区、引黄灌区(图6a)、中部干旱带冬季平均气温在1985年发生突变上升; 南部山区(图6b)冬季平均气温突变的趋势和其他地区基本相似, 只是突变出现的时间较晚, 在1989年。
3.3.2 冬季平均最高气温突变分析
从宁夏各地冬季平均最高气温的突变分析可以看出, 宁夏全区、引黄灌区(图7a)、中部干旱带冬季平均最高气温从1985年开始显著上升, 即1985年为平均最高气温上升的突变点。南部山区(图7b)在1984年以前UF线基本呈升降起伏的波动趋势, 1984年开始上升趋势明显, UF线和UB线在置信区间内于1990年出现交点, 之后UF线于2001年越过临界值(1.96), 1990年即为突变时间。
3.3.3 冬季平均最低气温突变分析
用Mann-Kendall法对宁夏全区及各地近53a冬季平均最低气温进行突变检验分析表明, 宁夏全区突变开始时间为1985年, 引黄灌区突变开始时间为1984年, 冬季最低气温整体呈上升趋势。中部干旱带(图8a)冬季平均最低气温1983年以前, 上下波动变化较为剧烈, 自1983年开始气温转为显著上升趋势, UF与UB线在临界值之间相交于1980年, 1980年即为突变时间, 2002年后冬季平均最低气温开始略微呈下降趋势。南部山区(图8b)冬季平均最低气温1982年前上下波动较大, 1985年后呈显著上升趋势, 21世纪以来仍然延续上升趋势, UF与UB两条曲线在临界值区间的交点位置为1989年。
![]() | 图6 宁夏各地冬季平均气温Mann-Kendall检验 (a)引黄灌区; (b)南部山区Fig.6 Mann-Kendall test of winter average temperature in Ningxia region (a)The Yellow River irrigation area; (b)The southern mountainous area |
![]() | 图7 宁夏各地冬季平均最高气温Mann-Kendall检验 (a)引黄灌区; (b)南部山区Fig.7 Mann-Kendall test of winter average maximum temperature in Ningxia region (a)The Yellow River irrigation area; (b)The southern mountainous area |
21世纪以来, 宁夏全区冬季最冷月(1月)平均气温较20世纪60年代升高了1.4 ℃, 升高幅度为0.6~2.2 ℃, 引黄灌区、中部干旱带和南部山区分别升高了1.8, 1.1和1.0 ℃。有研究认为, 最冷月平均气温等于-8 ℃的等温线为我国北方冬小麦种植北界的上界[18], 20世纪60年代宁夏只有中部的中宁(-7.6 ℃)、吴忠(-7.7 ℃)一带和固原的东北部地区月平均气温≥ -8 ℃, 而21世纪最冷月平均气温≥ -8 ℃的北界已扩展到宁夏中北部的灵武(-7.2 ℃)、贺兰(-7.5 ℃)以东地区, 西界已扩展到宁夏中部的兴仁和宁夏南部的西吉一带(图9)。另有研究认为越冬期负积温等于-500 ℃· d等值线为冬小麦种植北界的上界[19], 20世纪60年代越冬期负积温宁夏全区均小于-500 ℃· d, 而21世纪以来-500 ℃· d等值线的北界已向北扩展到宁夏中北部的灵武(488.1 ℃· d)、银川(468.3 ℃· d)以东地区(图10), 与最冷月平均气温-8 ℃等值线的位置基本一致。按照这2个标准, 21世纪以来宁夏地区冬小麦种植北界较20世纪60年代发生了北移, 可种植面积增加。以上分析说明冬季最冷月气温升高, 越冬期负积温绝对值减少, 不但有利于越冬作物安全越冬, 而且有利于种植区北界北移。
![]() | 图9 宁夏冬季1月平均气温分布 (a)1961— 1970年平均值; (b)2001— 2013年平均值Fig.9 Distribution of monthly mean temperature in January of Ningxia (a)Mean in the 1961-1970 period; (b)Mean in the 2001-2013 period |
冬季日平均气温< 0 ℃负积温是评估农作物越冬条件的重要温度指标, 负积温绝对值越大, 说明冬季越寒冷, 越冬作物面临的冻害风险越大。从图11可看出, 宁夏各地负积温绝对值最大值出现在20世纪60年代, 最小值除南部山区出现在21世纪, 其他各地均出现在20世纪90年代。21世纪以来宁夏全区冬小麦越冬期负积温绝对值比20世纪60年代减少了154.4 ℃· d, 引黄灌区、中部干旱带和南部山区分别减少了175.4, 127.0和131.0 ℃· d, 减幅分别为27%, 19%和21%, < 0 ℃负积温绝对值大幅度减小, 说明冬季增暖显著, 这与宁夏冬季气温升高主要由于冬季最低气温升高的结论相一致, 同时也说明冬小麦越冬期遭遇冻害的风险大幅度降低。除20世纪60年代和21世纪中部干旱带冬小麦越冬期负积温绝对值最大, 其他年代均为南部山区最大, 引黄灌区是除20世纪60年代外各年代中负积温绝对值最小的区域, 说明引黄灌区冬小麦越冬期遭遇冻害的风险最低, 最适宜种植冬小麦。
![]() | 图11 宁夏各地冬小麦越冬期< 0 ℃负积温年代际变化 (a)宁夏全区; (b)引黄灌区; (c)中部干旱带; (d)南部山区Fig.11 Decadal variation of < 0 ℃ negative accumulated temperature over wintering of winter wheat in Ningxia region (a)The whole Ningxia district; (b)The Yellow River irrigation area; (c)The central arid zone; (d)The southern mountainous area |
从宁夏全区的小麦实际种植结构看, 随着气候变暖和冬季显著增温, 从南部山区往北到引黄灌区, 作物种植实现了春小麦到冬小麦种植的转变, 冬小麦种植北界北移[20]。引黄灌区作为宁夏粮食主产区, 从1990年前后开始探索冬小麦北移种植, 到2010年秋季冬小麦播种面积已超过4万hm2, 占该区小麦播种总面积50%以上, 冬小麦种植面积在宁夏不断增加[21], 这与研究结果基本相符。
冬季平均气温升高, 最低气温持续增高, 低温日数及负积温绝对值减少, 暖冬气候条件使农田土壤冻土层变浅, 解冻日期提前, 冬季持续日数缩短, 结束时间提前, 越冬病虫卵蛹的死亡率降低, 存活率上升, 病虫群数量上升, 促进了病虫害早发。入冬期偏晚, 又使得害虫生长季延长, 危害时间延长, 繁殖代数增加, 病虫越冬基数增加。总之, 持续暖冬增大了农作物病虫害的防治难度。
通过对宁夏冬季气温变化特征及对农业的影响分析, 可得出如下结论:
(1) 2000年以前宁夏冬季平均气温上升趋势显著, 其中增暖变化最明显的区域为引黄灌区, 中部干旱带次之, 南部山区增暖幅度最小。1985年为宁夏全区、引黄灌区和中部干旱带冬季平均气温升高的突变点, 南部山区突变点出现的时间相对较晚, 为1989年。21世纪以来宁夏不同区域冬季气温变化呈现新特点:宁夏全区和引黄灌区冬季平均气温上升趋势趋缓, 南部山区冬季平均气温上升趋势仍然显著, 中部干旱带冬季平均气温甚至出现下降。
(2) 近53a来冬季平均最高气温上升的幅度明显低于冬季平均气温, 宁夏全区、引黄灌区和中部干旱带冬季平均最高气温突变的开始时间为1985年, 南部山区为1990年。冬季平均最高气温在20世纪60~90年代逐年代呈递增趋势, 其中90年代上升幅度最大; 21世纪以来, 冬季平均最高气温冷暖变化幅度较冬季平均气温剧烈, 引黄灌区和中部干旱带平均最高气温开始出现下降趋势, 南部山区持续增加。
(3) 冬季平均最低气温的上升趋势十分明显, 呈连续上升趋势, 其中20世纪70~80年代上升幅度最大, 各区域中引黄灌区上升速率最大, 冬季平均最低气温上升幅度明显大于最高气温, 说明宁夏冬季气温升高主要是由于最低气温的升高造成。突变检验显示各地均发生了突变性的升高, 宁夏全区和引黄灌区突变的时间分别为1985年、1984年, 中部干旱带为1980年, 南部山区为1989年。进入21世纪以来, 除中部干旱带冬季平均最低气温自2002年后呈略微下降趋势之外, 其他地区冬季平均最低气温呈持续上升趋势。
(4) 冬季气温增暖对农业的影响有利有弊, 既有利于越冬作物种植北界北移, 种植面积增加, 使越冬期低温冻害发生的风险降低, 有利于冬小麦、设施温棚作物和酿酒葡萄安全越冬, 又使农作物受病虫害几率增大。持续暖冬还往往使农作物的抗寒锻炼不足和抗寒性减弱, 农民也容易产生麻痹心理, 盲目引进不耐寒作物或品种, 或盲目过度向北扩种, 人为加重低温冻害的发生。虽然气候总体变暖, 但气候波动加剧, 极端气候事件频发, 加上气候本身的周期变化, 对于越冬作物冬季低温冻害仍不可轻视。
The authors have declared that no competing interests exist.
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