武夷山國家公園熱量資源時空分布特征研究*

張玉琴 李麗純 廖 廓 劉桐愷

(1.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001; 2.福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001;3.福建省氣象臺，福建 福州 350001)

0 引言

2013年IPCC第五次氣候變化評估報告明確指出，1880—2012年全球平均地表氣溫(包括陸地和海洋)升高了0.85℃，至21世紀后期全球平均地表氣溫將會繼續(xù)升高0.3～4.8℃，氣候呈現明顯的增暖趨勢[1]。全球氣候增暖引起全球熱量資源變化，促使水循環(huán)進一步加劇，從而引起水資源、熱量資源時空分布愈加不均勻，進而導致極端氣候事件發(fā)生頻率和強度均增大，容易誘發(fā)森林自然災害，對森林生態(tài)系統(tǒng)結構與功能影響嚴重[2]。

熱量資源是重要的氣候資源之一，通常用溫度的高低、積溫的多少和界限溫度及無霜期長短等來衡量某地區(qū)熱量資源的多少，它的時空分布是影響一個地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、植被分布和氣象災害發(fā)生等的重要因素[3-4]。21世紀以來，許多學者就不同空間尺度上氣候變暖引起的熱量資源變化進行了研究[5-6]，既有針對我國華東[7]、華北[8]、華南[9]和青藏高原[10]等大地理區(qū)域的分析，也有省市范圍的研究[11-12]，均得到熱量增加的結論。

武夷山國家公園擁有全球同緯度帶保存最為完整、面積最大的典型中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)，熱量資源變化會直接導致森林植物物候[13]、物種分布[14]及生物多樣性[15]發(fā)生變化，但僅有宋蝶等[16]對江西武夷山氣候變化進行了研究，對武夷山國家公園熱量資源時空分布特征的研究未見報道。為此，本文利用1961—2020年武夷山國家基本氣象站與1983—1986年4個亞熱帶東部丘陵山區(qū)農業(yè)氣候資源氣象站(黃坑、三港、坳頭、七仙山)旬平均氣溫資料建立回歸方程，延長4個丘陵氣象站氣溫資料，再結合2017—2020年4個區(qū)域自動氣象站(廓前村、桐木村、桐木關和七仙山)旬平均氣溫資料，對武夷山國家公園熱量資源的季節(jié)內變化、年際變化和垂直變化特征進行分析，闡明熱量資源的時空分布特征，以期為應對氣候變化、保護武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)資源提供參考。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

武夷山國家公園位于福建省北部，周邊分別與福建省武夷山市西北部、建陽市和邵武市北部、光澤縣東南部、江西省鉛山縣南部毗鄰，范圍涵蓋武夷山國家級自然保護區(qū)、武夷山國家級風景名勝區(qū)和九曲溪上游保護地帶3個區(qū)域，總面積982.59km2。武夷山國家公園屬于中亞熱帶季風氣候區(qū)，保存了地球同緯度帶最完整、最典型、面積最大的中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)，地貌類型豐富，森林覆蓋率達87.86%，相對海拔最高達1700m，植被類型多樣且垂直帶譜明顯，良好的生態(tài)環(huán)境和特殊的地理位置，使其成為地理演變過程中許多動植物的“天然避難所”，生物物種資源極其豐富[17]。從環(huán)流形式、天氣過程和要素特征的轉折劃定福建的自然天氣季節(jié)：3～6月為春季，7～9月為夏季，10～11月為秋季，12～2月為冬季[18]。

1.2 資料選取

選自福建省氣象局提供的以下資料：①武夷山國家基本氣象站(站號：58730，海拔：223m)旬平均氣溫資料(1961年1月-2020年3月)；②4個亞熱帶東部丘陵山區(qū)農業(yè)氣候資源氣象站(簡稱丘陵氣象站，包括黃坑(340m)，三港(750m)，坳頭(940m)，七仙山(1409m))旬平均氣溫資料(1983年4月～1986年3月)；③與4個丘陵氣象站相鄰的4個區(qū)域自動氣象站(包括廓前村(344m)、桐木村(759m)、桐木關(1150m)和七仙山(1414m))旬平均氣溫資料(2017年4月-2020年3月)。

1.3 方法介紹

1.3.1 丘陵氣象站資料延長及代表站選取

首先計算1983年4月-1986年3月武夷山國家基本氣象站與4個丘陵氣象站(坳頭、黃坑、七仙山和三港站)旬平均氣溫的單點相關，發(fā)現它們的相關系數(R值)均超過0.9，都通過99%顯著性水平的置信度檢驗，表明武夷山本站平均氣溫在季節(jié)內時間尺度上的變化與4個丘陵站非常一致。接著對武夷山國家基本氣象站與4個丘陵氣象站旬平均氣溫分別建立回歸方程(如圖1所示)，利用武夷山本站氣溫資料，將丘陵站氣溫資料延長到1961年1月-2020年3月，并將延長得到的2017年4月～2020年3月丘陵站氣溫資料分別與同期的相鄰區(qū)域自動站進行對比驗證(圖略)，二者值非常接近，說明回歸方程推算延長不同高度資料的方法是可行的；并且，武夷山國家基本氣象站與丘陵站氣溫的季節(jié)內變化一致，故將武夷山國家基本氣象站作為代表站，使用其氣溫資料來分析武夷山國家公園熱量資源的變化特征。

1.3.2 趨勢分析

氣象要素的變化可以用一元線性回歸方程表示[19]：

xi=a0+a1×t

式中，a1為回歸系數，也稱氣候傾向率，表示氣候變量的長期趨勢傾向。a1>0時，表明隨時間的增加氣候變量呈上升趨勢，反之亦然。回歸系數的大小反映了上升或下降的速率。其計算公式為：

a1=Rst×σx/σt

式中，σx、σt分別為氣象要素x與時間序列的均方差，Rst為趨勢系數，可以判斷氣候因子在長期變化過程中的上升或下降趨勢。其計算公式為：

另外，還應用了相關系數及顯著性檢驗方法[20]。

2 武夷山國家公園熱量資源時空分布特征

氣溫是反映某一地區(qū)氣候特征的重要參數之一，氣溫的高低是某一地區(qū)熱量資源豐欠程度的主要指標。在全球氣候變暖的大背景下，武夷山國家公園的氣溫也在發(fā)生變化。

2.1 季節(jié)內變化特征

為考察武夷山國家公園氣溫的季節(jié)內變化，本文利用武夷山國家基本氣象站、4個區(qū)域自動氣象站和4個丘陵氣象站的旬平均氣溫資料，分析了同一地點不同時段內的季節(jié)內氣溫差異，以及同一時段不同地點間的季節(jié)內氣溫差異。

圖1給出了1983年4月～1986年3月丘陵氣象站和2017年4月～2020年3月相鄰的區(qū)域自動氣象站旬平均氣溫的季節(jié)內變化，武夷山國家公園季節(jié)內平均氣溫大致呈單峰型變化，20世紀80年代中期最低旬平均氣溫主要出現在12月下旬(第36旬)～1月上旬(第1旬)，最高旬平均氣溫主要出現在7月中旬(第20旬)；21世紀10年代后期最低、最高旬平均氣溫的出現時間都推遲，最低旬平均氣溫主要出現在1月下旬(第3旬)～2月上旬(第4旬)，最高旬平均氣溫主要出現在7月下旬(第21旬)。同時，除了由于站點海拔差異210m導致的坳頭丘陵站(940m)比桐木關區(qū)域自動站(1150m)旬平均氣溫高0.8℃外，其余3個丘陵站(黃坑、三港和七仙山)均比相鄰的區(qū)域自動站(廓前村、桐木村和七仙山)旬平均氣溫低1.1～1.8℃，表明21世紀10年代后期較20世紀80年代中期平均氣溫高。

(a)黃坑丘陵站和廓前村區(qū)域自動站 (b)三港丘陵站和桐木村區(qū)域自動站

從圖2和圖3對比可知，從不同海拔高度氣象站氣溫來看，20世紀80年代中期11月上旬(第31旬)～12月上旬(第34旬)在約750～1000m范圍內常出現逆溫現象，即溫度隨高度增加而降低；21世紀10年代后期11月下旬(第33旬)～3月中旬(第8旬)在約1100～1400m范圍內常出現逆溫現象。

圖2 1983年4月～1986年3月武夷山國家基本氣象站和4個丘陵氣象站旬平均氣溫

圖3 2017年4月～2020年3月武夷山國家基本氣象站和4個區(qū)域自動氣象站旬平均氣溫

2.2 年際變化特征

為進一步了解武夷山國家公園氣溫的年際變化特征，分析了1961—2019年武夷山國家基本氣象站四季和全年的年平均氣溫距平，并將1961—2019年武夷山本站年平均氣溫與延長后的1961—2019年4個丘陵站年平均氣溫進行對比分析。

從圖4(a)可以看到，武夷山國家公園年平均氣溫呈明顯的上升趨勢(R=0.72，通過99%顯著性水平的置信度檢驗)，1961—2019年總共上升了近1.35℃，趨勢傾向率達到了0.229℃/10a，1990年以前年平均氣溫相對較低，多為負距平，1990年以后年平均氣溫增高，除1992年、1993年、1995年、1996年和2012年為負距平外，其余年份均為正距平，表明武夷山年平均氣溫上升主要是從20世紀90年代開始的。從季節(jié)上看(如圖4b～e)，平均氣溫在四季均有不同程度的上升，其中，冬季最為明顯，趨勢傾向率為0.342℃ /10a，秋季次之，趨勢傾向率為0.308℃ /10a，春季的趨勢傾向率為0.169℃/10a，夏季升溫最不明顯，趨勢傾向率為0.154℃/10a，四季增溫均通過99%顯著性水平的置信度檢驗。秋冬季氣溫變化較為相似，從80年代中期開始都呈現出明顯的上升趨勢，而春夏季氣溫上升是從90年代以后開始的。

(a)全年

從圖5可以發(fā)現，4個丘陵氣象站年平均氣溫同武夷山國家基本氣象站相似，均呈明顯的上升趨勢(R值都通過99%顯著性水平的置信度檢驗)，1961—2019年總共上升了1.27～1.36℃，趨勢傾向率達到了0.216～0.230℃/10a。

圖5 1961—2019年武夷山國家基本氣象站和4個丘陵氣象站年平均氣溫(虛線)和氣候趨勢(實線)

2.3 垂直變化特征

從圖6可以看出，武夷山國家公園全年和四季的平均氣溫都隨高度增加而降低，但全年和四季的平均氣溫直減率略有不同，其中，夏季最高，約為0.52℃/100m，冬季最低，約為0.46℃/100m，春秋季相當，均約為0.49℃/100m，而1961—2019年平均氣溫直減率約為0.49℃/100m。

圖6 1961—2019年武夷山國家公園年平均氣溫垂直變化

從1961—2019年武夷山國家公園年平均氣溫垂直變化的年代際變化圖(圖7)可以看到，20世紀60年代至21世紀10年代的年平均氣溫都隨高度增加而降低，且各年代的年平均氣溫直減率都為0.49～0.50℃/100m；此外，武夷山國家公園各海拔高度的年平均氣溫在20世紀60年代至80年代均在降低，20世紀90年代至21世紀10年代均在升高，且20世紀90年代增溫幅度最大。

3 結論與討論

本研究利用1961—2020年武夷山國家基本氣象站和1983—1986年4個丘陵氣象站氣溫資料，結合2017—2020年4個區(qū)域自動氣象站氣溫資料，對武夷山國家公園熱量資源的時空分布特征進行了分析研究，主要結論如下。

(1)武夷山國家公園季節(jié)內平均氣溫大致呈單峰型變化，20世紀80年代中期最低旬平均氣溫主要出現在12月下旬(第36旬)～1月上旬(第1旬)，最高旬平均氣溫主要出現在7月中旬(第20旬)；21世紀10年代中期最低、最高旬平均氣溫的出現時間都推遲，最低旬平均氣溫主要出現在1月下旬(第3旬)～2月上旬(第4旬)，最高旬平均氣溫主要出現在7月下旬(約第21旬)。

(2)武夷山國家公園年平均氣溫呈明顯的上升趨勢，1961—2019年共上升了近1.35℃，趨勢傾向率達到了0.229℃ /10a，同時武夷山年平均氣溫上升主要是從20世紀90年代開始。從季節(jié)上看，平均氣溫在四季均有不同程度的上升，其中，冬季最為明顯，趨勢傾向率為0.342℃ /10a，夏季最不明顯，趨勢傾向率為0.154℃ /10a；秋冬季氣溫從80年代中期開始呈現明顯上升趨勢，而春夏季氣溫上升是從90年代以后開始的。

(3)武夷山國家公園1961—2019年全年和四季的平均氣溫都隨高度增加而降低，但平均氣溫直減率略有不同，其中夏季最高，約為0.52℃ /100m，冬季最低，約為0.46℃ /100m，春秋季相當，均約為0.49℃ /100m，而1961—2019年平均氣溫直減率約為0.49℃ /100m。

(4)武夷山國家公園從20世紀60年代至21世紀10年代的年平均氣溫都隨高度增加而降低，且各年代的年平均氣溫直減率都為0.49～0.50℃/100m，各海拔高度的年平均氣溫在20世紀60年代至80年代均在降低，20世紀90年代至21世紀10年代均在升高，且20世紀90年代增溫幅度最大。

本文主要對武夷山國家公園熱量資源的時空分布進行了研究，但熱量資源變化如何導致武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)資源變化？在全球變暖背景下，光照、水分等其他氣候要素也發(fā)生了變化，都會對武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)資源產生影響，這都有待于今后作進一步研究。