1961—2015年库尔勒市热量资源特征分析

李锦虎，王 森，伊力达尔江·阿不力米提，胡启瑞

(1.伽师县气象局，新疆 伽师844300； 2.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐830002)

0 引言

据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第5次评估报告，全球气候系统仍然在持续变暖[1]。1880—2012年，全球地表平均温度升高了0.85 ℃，2003—2012年平均温度比1850—1900年升高了0.78 ℃。据IPCC第5次报告预测，未来全球气候将继续变暖，与1986—2005年相比，预计2016—2035年全球地表平均气温将上升0.3～0.7 ℃，到21世纪末将升高0.3～4.8 ℃[1]。气候变暖已成为一个不争的事实。气候增暖引起热量资源的变化，对当地农作物生育期的延长、农作物产量的增加和农作物品种的更新具有举足轻重的意义[2-8]。

库尔勒市位于天山南麓，塔里木盆地东北边缘，是瓜果、粮食及棉花等作物的主产区，因盛产“库尔勒香梨”而驰名中外。近年来，国内学者对新疆各地热量资源变化做了较多研究，但有关库尔勒市气候变化研究成果中，大多是对该市气温、降水等气象要素的研究，对库尔勒市热量资源变化特征分析的成果非常少[1，9-11]。该文拟利用库尔勒市气象站1961—2015年观测资料，选取平均温度、不同界限温度初终日及持续日数、活动积温和无霜期等作为热量指标，探讨近55年库尔勒市热量资源变化，比较分析1961—1997年和1998—2015年两个时段热量资源的变化特征，旨在明确气候变暖背景下库尔勒市热量资源的变化特征，为合理开发利用热量资源、调整农业种植布局提供科学依据。

1 资料与方法

1.1资料来源

选用库尔勒市气象站1961—2015年近55年的逐日气温，来自新疆气象信息中心。库尔勒市国家气象观测站2016年迁站，站地环境发生了变化，2016年至今的数据，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)的划分方法分析库尔勒市四季平均气温和年平均气温的变化特征。选取平均温度、最高气温、最低气温，≥0、≥3、≥5、≥10、≥15和≥20 ℃的初日、终日及持续日数，以及活动积温、无霜初终日及无霜期等作为热量指标。

1.2研究方法

1.2.15日滑动平均法

采用5日滑动平均法来计算稳定通过0、3、5、10、15和20 ℃的初日与终日。5日滑动平均法为国家气象局规定的全国各气象台站计算界限温度起止日期的统一方法。该方法具体指：在春季(或秋季)第1次出现高于(低于)某界限温度之日起，按日序依次计算出每连续5日的日平均气温的平均值。在一年中连续≥0 ℃(或5、10 ℃等)界限温度持续的最长时期内，第1个5日的日平均气温中，最先一个日平均气温大于等于该界限温度的日期，即为稳定通过该界限温度的初日(起始日期)。而在持续最长的时期的最后一个高于某界限温度的5日平均气温中，最后一个日平均气温大于等于该界限温度的日期，即为稳定通过该界限温度的终日(终止日期)[2]。

1.2.2活动积温和持续日数计算方法

活动积温计算方法如式(1)所示[3]。

(1)

式中F——活动积温多年平均值

An——某界限温度起止日期之间各月的活动积温值

A1、An分别为起止日期所在年份的活动积温(按梯形面积法求算)。A1、An的求算方法(起止日期所在月的积温)如式(2)和(3)所示。

(2)

(3)

式中a——界限温度

b1——起始日所在月最后一日与气温年变化曲线相交的温度值

bn1——终止日所在月第一日与气温年变化曲线相交的温度值

h1——界限温度起日到月末日之间的天数

hn1——界限温度终止日所在月的第一日到终止日之间的天数

A2……An-1各月积温，等于各月平均温度乘以各月天数。

持续日数的计算方法：首先，由5日滑动平均方法，查出界限温度稳定通过的初日及终日，然后按日期序列表分别查出初、终日对应的日期序列值A与B，后者减去前者，再加1，即B-A+1=持续日数。

1.2.3Mann-Kendall突变检测法

利用Mann-Kendall非参数检验法(以下简称M-K法)对新疆库尔勒市1961—2015年平均气温变化趋势、突变特征进行分析和检测[4-5]。Mann-Kendall检验法是最初由Mann(1945)提出，并由Sneyers(1963)和Goossens(1986)等逐步完善，从而发展了一种能检测气候突变的新方法，它以检测范围宽、定量化程度高而富有生命力。该文采用通过95%的显著性检验，信度线为y=1.96。

1.2.4气候倾向率

运用气候倾向率法计算各个气象要素的倾向率，具体方法：设某站某气象要素时间序列为y1、y2…yi…yn，它可以用一个多项式来表示，如式(4)所示。

yn(t)=a0+a1t1+a2t2+…+amtn(m=n)

(4)

采用一次直线方程来定量描述，即yn(t)=a0+a1t1，则趋势变化率方程为dy(t)dt=a1，把a1×10称做气候倾向率，其单位为℃10年、d10年，方程中的系数可用最小二乘法或经验正交多项式来确定，所见一元线性回归方程是否有意义，关键在于回归是否达到显著水平，因此要用时间序列与要素变量之间的相关系数对变化趋势进行显著性检验[6]。本文所计算气候倾向率的时间段均为1961—2015年。

2 结果与分析

2.1库尔勒市气温的年变化

年、季节平均气温、最高气温和最低气温是衡量一个地区热量资源多寡、其年内分布的最基本的气候要素，变化特征也是体现气候冷暖最直接的形式。图1所示为1961—2015年库尔勒年平均气温的M-K突变检验，图2所示为1961—2015库尔勒市平均气温、最高气温和最低气温变化趋势，表1所示为1961—2015年库尔勒市平均气温、最高气温和最低气温突变前后变化。由图1～2和表1可知，库尔勒年平均气温、平均最高气温和平均最低气温为11.9、18.2和6.0 ℃，年平均气温变化速率为0.29 ℃10年，此增长幅度大于全国平均增幅(0.23 ℃10年，IPCC第5次评估报告)，变暖趋势明显(P<0.01)，平均最高气温和最低气温的气候倾向率分别为0.17和0.41 ℃10年(P<0.01)。根据库尔勒市年平均气温及UF、UB线的变化特点，在显著性水平0.05的临界线之间，UF、UB曲线相交，交点在1998年，是库尔勒市年平均气温突变的开始，年平均气温、平均最高气温和平均最低气温在突变后较突变前的平均值增温1.0、0.5和1.5 ℃。以下把1961—1997年作为突变前，1998—2015年为突变后。

表1 1961—2015年库尔勒市平均气温、最高气温和最低气温突变前后变化

2.2库尔勒市气温的季节变化

图3所示为1961—2015年库尔勒市春夏秋冬平均气温的变化趋势，表2所示为1961—2015年库尔勒市气温季节突变前后变化。由图3和表2可知，1961—2015年库尔勒市春夏秋冬四季平均气温分别为14.8、25.8、11.4和-4.6 ℃，气候倾向率为0.29、0.30、0.25和0.43 ℃10年，其中冬季增加幅度最大，均通过显著性检验(P<0.01)。春夏秋冬季在气温突变后均增加了1.0、1.3、1.0和0.9 ℃。

2.3库尔勒市不同界限温度初日及终日的变化

稳定通过0、3、5、10和20 ℃初日、终日及持续日数的变化，与春季物候、农牧事活动、喜温喜凉作物生长和牲畜生产等活动有着非常密切关系[7]。表3所示为1961—2015年库尔勒市不同界限温度初日突变前后变化，表4所示为1961—2015年库尔勒市不同界限温度终日突变前后变化，表5所示为1961—2015年库尔勒市不同界限温度持续日数突变前后变化。由表3～5可知，1961—2015年库尔勒市稳定通过0、3、5、10和20 ℃的初日平均为53.4、64.4、70.1、90.3、112.5和144.5 d，气候倾向率分别为-1.6、-0.6、-1.0、-1.0、-0.3和-2.6 d10年，气温突变后分别提前了4.5、2.4、3.8、0.1、3.2和12.0 d，其中稳定通过20 ℃的初日提前最大。稳定通过0、3、5、10和20 ℃的终日平均为327.2、316.3、309.9、292.1、276.2和253.6 d，气候倾向率分别为1.6、1.7、2.1、0.2、1.7和0.5 d10年，气温突变后分别延迟了5.3、6.1、8.8、1.6、4.2和6.0 d，其中稳定通过5 ℃的终日延迟最大。稳定通过0、3、5、10和20 ℃的持续日数平均为274.8、252.9、240.8、202.8、164.7和110.1 d，气候倾向率为3.2、2.3、3.1、1.3、2.0和3.2 d10年，气温突变后分别增加了9.8、8.6、12.7、1.7、7.4和18.1 d，其中稳定通过20 ℃的天数增加最大[8]。

表2 1961—2015年库尔勒市季节平均气温突变前后变化

2.4库尔勒市不同界限活动积温的变化

积温是农牧业热量资源的重要指标之一。表6所示为1961—2015年库尔勒市不同界限活动积温突变前后变化，由表6可知，1961—2015年库尔勒市稳定通过0、3、5、10、15和20 ℃的积温分别为4 812.5、4 765.3、4 712.1、4 385.6、3 857.4和2 785.3 d·℃，气候倾向率为80.7、80.2、85.1、69.0、75.6和103.4 d·℃10年，气温突变后分别增加了303.4、302.2、328、220.2、292和533.9 d·℃，其中稳定通过20 ℃的积温增加最大。

表3 1961—2015年库尔勒市不同界限温度初日突变前后变化

表4 1961—2015年库尔勒市不同界限温度终日突变前后变化

表5 1961—2015年库尔勒市不同界限温度持续日数突变前后变化

表6 1961—2015年库尔勒市不同界限活动积温突变前后变化

2.5库尔勒市无霜日及持续日数的变化

无霜冻期是衡量一个地区主要农作物生长期长短的最重要的指标之一，也是农作物分布及品种选择的主要依据之一[9]。1961—2015年库尔勒市无霜初日、终日及持续日数分别为214.5、84.9和298.4 d，气候倾向率分别3.0、-1.6和1.4 d10年，均通过了显著性检验(P<0.05；P<0.05；P<0.01)。气温突变后无霜初日提前了4.0 d，终日推迟了4.3 d，持续日数增加了8.4 d。表7所示为1961—2015年库尔勒市无霜初日、终日及持续日数突变前后变化，图4所示为其变化趋势。

2.6气候变暖对农业生产的影响

2.6.1农作物种植结构和布局发生变化

库尔勒市气候变暖，使得农业生产环境发生了很大改变。温度升高热量资源增多，进而使农作物生长季得到延长，农作物成熟进程缩短，种植结构更为多样化。同时气候变暖积温增多，主要的粮食生产和经济作物的区域性结构和布局相应发生改变。

表7 1961—2015年库尔勒市无霜初日、终日及持续日数突变前后变化

2.6.2气候变暖加剧农业生产用水紧张

气候变暖，气温升高，蒸发量必然会相应变大，农作物蒸腾作用旺盛，导致农作物对水分需求更大。而库尔勒市属于水资源短缺区域，水资源供需矛盾加大，灌溉用水需求进一步提高，如果无法通过补水来满足农作物的生长需要，势必会对产量造成严重的影响。受升温作用，农作物生长期被缩短，减少了干物质积累时间，农作物产量和品质都无法得到保障。

2.6.3气候变暖增加农业生产成本和投入

随着气候变暖，农业受到病虫害侵袭越发严重。由于冬季气温升高，致使病虫在冬季死亡率减低，病虫害数量得到上升，且危害范围也扩大。还可能会产生新的病虫害，农业因此遭受损失更加严重。气候变暖还利于各种杂草生长，病虫害和杂草都需加大农药施用量，而化学药品会对土壤产生破坏作用，破坏原有生态平衡，土壤肥力得不到保证，农作物种植时，需要增加更多肥料投入以满足农作物生长所需养分，增加农业生产成本。

2.6.4气候变暖引发极端天气频发

气候变暖引起极端天气现象频繁发生，对于农业生产影响日益严重，粮食产业无法得到保障，加剧农业生产不稳定性[10]。同时气候变暖将导致土地进一步荒漠化，水土流失严重，遇强降水、冰雹等灾害会造成山体滑坡、农作物减收，使人民生命财产安全受到严重威胁。

2.7气候变暖应对措施

2.7.1合理调整农业产业结构，应对气候变暖不利影响

开展农业气候动态区划，改革传统耕作模式，在农作物种植方面，选择抗逆性较强的种子品种，保证稳产高产。同时科学调整种植制度和农作物布局，适应气候资源改变，减轻由于气候变暖造成的不利影响。

2.7.2加大宣传力度，提高抵御气象灾害能力

加大气候变化宣传力度，提倡低碳生活，使用可再生能源。同时加强农业基础设施建设，提高农业抵抗气象灾害能力。气象部门提高天气预警预报精准度，加强对气候变化可能会对农业生产带来的影响研究，为农业生产能够应对气候变化提供有力技术支撑。

2.7.3加强气象科研，推广节水灌溉技术

加强应对气候变化综合服务体系的建设，提高灾害的预警预测水平，建立极端天气事件预警系统，最大程度地避免或减轻由于气候变化带给农业生产的严重影响。同时，要大力推广节水灌溉技术，兴修水利，建立抗旱排涝工程，做到雨天蓄水，旱时有水灌溉，努力改变农业生产条件，提高抗灾能力，确保旱涝保收。

2.7.4开展人工增雨天气作业

充分利用大气资源，开展人工增雨作业，提高水资源供给，保证农业生产农作物水分需求。加大对人工影响天气投入，建立专业、具有优良业务素质的人工影响天气队伍，为农业生产保驾护航。

3 结论

通过对库尔勒市近55年(1961—2015年)来气温，≥0、3、5、10和20 ℃初日、终日及持续日数，以及积温和无霜初日、终日等的分析研究，得出如下结论。

(1)库尔勒平均气温、平均最高气温和平均最低气温为11.9、18.2和6.0 ℃，气候倾向率为0.29、0.17和0.41 ℃10年，最低温度变化幅度高于最高温度，年平均气温突变交点在1998年，突变后较突变前的平均值增温1.0、0.5和1.5 ℃。

(2)春夏秋冬四季平均气温分别为14.8、25.8、11.4和-4.6 ℃，气候倾向率为0.29、0.3、0.25和0.43 ℃10年，其中冬季增加幅度最大，突变后较突变前平均值增加了1.0、1.3、1.0和0.9 ℃。

(3)库尔勒市稳定通过0、3、5、10和20 ℃初日平均为53.4、64.4、70.1、90.3、112.5和144.5 d，气候倾向率分别为-1.6、-0.6、-1.0、-1.0、-0.3和-2.6 d10年，气温突变后分别提前了4.5、2.4、3.8、0.1、3.2和12.0 d，其中稳定通过20 ℃的初日提前最大。稳定通过0、3、5、10和20 ℃终日平均为327.2、316.3、309.9、292.1、276.2和253.6 d，气候倾向率分别为1.6、1.7、2.1、0.2、1.7和0.5 d10 a，气温突变后分别延迟了5.3、6.1、8.8、1.6、4.2和6.0 d，其中稳定通过5 ℃的终日延迟最大。稳定通过0、3、5、10和20 ℃持续日数平均为274.8、252.9、240.8、202.8、164.7和110.1 d，气候倾向率为3.2、2.3、3.1、1.3、2.0和3.2 d10年，气温突变后分别增加了9.8、8.6、12.7、1.7、7.4和18.1 d，其中稳定通过20 ℃的天数增加最大。

(4)稳定通过0、3、5、10、15和20 ℃的积温分别为4 812.5、4 765.3、4 712.1、4 385.6、3 857.4和2 785.3 d·℃，气候倾向率为80.7、80.2、85.1、69.0、75.6和103.4 d·℃10 a，气温突变后分别增加了303.4、302.2、328、220.2、292.0和533.9 d·℃，其中稳定通过20 ℃的积温增加最大。

(5)无霜初日、终日及持续日数分别为214.5、84.9和298.4 d，气候倾向率分别为3.0、-1.6和1.4 d10年。气温突变后无霜初日提前了4.0 d，终日推迟了4.3 d，持续日数增加了8.4 d[11]。

近55年库尔勒市气温升高，积温增加，生长季、无霜期延迟，对农业引种和品种推广有着积极作用，有利于发展多样性和提高耕地复种指数。根据热量资源现状重新确定合适的农业气候指标和种植区划有着重要的实用价值和科学意义。但同时，气候变暖也给农业生产和生态环境带来消极影响，如极端高温、干热风和病虫害等高温型农业气象灾害发生的频次增加。因此，要适应和应对气候变化，采取趋利避害的农业生产技术和管理措施，充分合理开发农业热量资源，以促进农业可持续稳定的发展。