B2氣候情境下遼寧農業氣候資源演變特征探討

蔣林杉　華婧婧　唐秋艷　王煥毅　劉闖

摘 要：農業氣候資源特指對農業生產具有正向影響且可以直接參與農業生產過程的溫度、光照輻射、降水的組合或單一條件。為了解B2氣候情境下遼寧農業氣候資源的演變特征，文章選用英國Hadley中心區域氣候模式系統PRECIS構建的未來時段（2021—2050年）B2情境氣候數據，借助空間分析法，預先探討了遼寧農業氣候資源的演變特征，以期為遼寧地區未來30a農業種植結構的調整提供一定借鑒。

關鍵詞：B2氣候;遼寧;農業氣候

中圖分類號：S16 文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130035

前言

農業氣候系統是一個涉及海洋、大氣、冰雪、陸地、生物等要素的系統，復雜度較高，相關要素之間會相互作用，并受外界影響。而農業氣候資源演變特征是當前科學界預先估測未來氣候對農業影響的主要成果，常以圖形數據表示，類似于天氣預報，可作為農業種植決策者的科學依據。因此，在B2氣候情境下，探討遼寧農業氣候資源的演變特征具有非常重要的意義。

1 B2氣候情境概述

氣候情境又可稱之為氣候變化情境，主要是立足于一系列科學假設，對未來氣候狀態時間、空間分布形態的恰當描述[1]。B2氣候情境則是由英國Hadley中心區域氣候模式系統PRECIS構建的未來時段（2021—2050年）情景，可以有效模擬我國遼寧區域地面氣溫的局部分布特征。由B2排放方案驅動模擬所獲得的逐日氣候信息揭露了遼寧未來氣候變化狀況，在模擬結束后，將相關數據進行反比等距差值到0.25°×0.25°格點上，可以形成作物模型數據庫，獲得精確度更高的氣象數據。而將氣象數據逐格點輸入到農業氣候資源模擬模型中進行模擬，可以獲得B2氣候情境下未來農業氣候資源的演變特征。

2 B2氣候情境下農業氣候資源演變特征的研究區概況

遼寧是中華人民共和國省級行政區，位于遼河流域，毗鄰渤海、南海、內蒙古、河北、吉林、鴨綠江，介于N38°43′～43°26′，E118°53′～125°46′，陸地總面積占我國陸地總面積的1.5%。遼寧省地勢大致可以看作由北部向南部、由東西兩側到中部傾斜，山地丘陵呈現馬蹄狀向渤海傾斜，屬于溫帶季風氣候。

在2016年8月遼寧省人民政府辦公廳印發《遼寧省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》之后，遼寧省現代農業進入了快速轉型升級期，農業質量效益顯著提升，糧食產量年均在2.0×107t以上，位居全國糧食生產省前列，蔬菜產量、水果產量分別在4.0×107t、8.82×106t以上，肉蛋奶產量均位列全國前列，為千萬畝設施農業建設及提質增效工程推進奠定了基礎。

3 B2氣候情境下遼寧農業氣候資源演變特征的研究方法

3.1 基本式

新時期，以全世界氣候變暖為主要特征的氣候變化已對生態系統、社會發展造成嚴重沖擊，氣候變化也成為農業研究熱門。而分析B2氣候情境下的未來氣候變化特征是氣候變化研究的基礎。在具體分析時，可以引入氣候傾向率這一數值對未來時間段遼寧農業氣候資源的時空演變特征進行探究。

氣候傾向率可以在Excel中通過SLOPE函數進行計算，設定某區域某一氣候要素時間序列為Y1、Y2、…Yn，利用多項式可表示為：

Y_n∧t=a₀+a₁t+a₂t₂+…+a_mt_n（1）

式（1）滿足一次直線方程與二次曲線方程，t為時間，a為時間的單位，可以進行溫度、降水氣候演變趨勢及特征的定量表述。若利用一次直線方程定量描述式為yt=a₀+a₁t，則農業氣候溫度（或降水）趨勢變化率方程為：

dyt/dt=a₁（2）

式中，a₁×10被稱之為氣候傾向率，單位為℃·10a^-1（mm·10a^-1），可利用經驗正交多項式、最小二乘法驗證。

3.2 研究法

在遼寧區域氣候資源演變特征研究時，由于涉及了諸多農業氣候資源，可以利用xi表示某一氣候要素，如溫度、輻射（生長季太陽總輻射）、降水（生長季降水）等。則某要素xi與ti間的一元線性回歸為：

^︿x_i=c+et_i（3）

式中，i的取值范圍在1～50，均為自然整數。︿x_i為氣候要素擬合值，e×10表示氣候要素10a的變化速率，即氣候傾向率。式（3）可看作式（1）中最為簡單的特殊線性回歸形式，即借助時間序列分析的方法，利用一恰當直線，表述某一要素x、對應時間t間聯系[2]。

4 B2氣候情境下遼寧農業氣候資源演變特征的研究結果

4.1 溫度

溫度的持續增高會導致未來農作物生長發育發生顯著變化，但農業氣候資源——溫度，對以玉米為代表的遼寧農作物影響的機制復雜度較高，氣象要素發生變化除在間接層面影響遼寧農作物生長發育外，還可以直接對農作物的蒸騰作用產生較為明顯的影響[3]。因此，可以選取若干個點，分布處于遼寧中部、北部、南部，采取算術平均值計算的方式獲得代表整個區域的溫度數據并進行1a 4個季節的時間序列構建。依據遼寧省氣候特點，季節可以劃分為上一年11月—3月、4—5月、6—8月、9—10月。采用氣候趨勢系數加氣候傾向率，分析溫度變化趨勢。在Mann-Kendall法支持下進行溫度突變檢測，脫離樣本必須遵從線性分布的限制，降低少數異常數值的干擾，為適用于溫度等非正態農業氣候資源演變數據分析提供依據。一般可用≥10℃積溫作為B2氣候情境下遼寧農業溫度演變特征研究重點。2021—2030年，遼寧省處于3600℃·d-1以下的積溫地區處于向下發展狀態，逐步從東部開始擴展到北部;2031—2040年，遼寧省整個地區積溫相較于上一個10a出現顯著向上發展趨勢，以3800℃·d-1為分界線，分界線溫度以上地區也逐步由南部擴展至中部。與此同時，以3600℃·d-1為分界線，處于該分界線以下區域面積呈現出減少態勢;2041—2050年，遼寧省各地溫度沒有發生可以觀察到的大幅度變化。

總的來說，未來30a遼寧省≥10℃積溫總體呈現出向上發展勢頭。而從各地≥10℃積溫情況來看，環渤海地區每10a溫度向上發展幅度低于90℃·d-1，除渤海地區每10a溫度向上發展幅度則超出100℃·d-1。熱量的大幅度增加，將導致遼寧個別地區作物生育期延長，擴展農作物種植范圍，突破以往由于熱量條件約束而無法種植的農作物引進瓶頸，豐富區域農作物種植種類。

4.2 降水

B2情境下，遼寧省未來30a農作物生長季節降水的年代際變化呈現出劇烈波動趨勢。2021—2030年，除遼寧省西北部而言，其余地區降水量均有所減少，年降水在700mm以上的區域面積持續下降，年降水在500mm的區域則完全消失。這一情況將有效緩解遼寧西部地區的干旱情況，為已發生干旱地區農業生產提供有益影響，但是易增大中東部地區農田漬澇災害發生率[4]。

2031—2040年，遼寧省各區域年度降水量呈現階梯狀減少，出現年降水在500mm以下區域，為遼河流域及周邊地區，而年降水在700mm的區域則消失。這一現象將增加遼寧西部地區干旱災害危害程度，但對遼寧中東部濕度偏大地區的農業生產具有良好作用。

2041—2050年，遼寧省整個區域內年降水量均呈現出向上遞延趨勢。年降水在500mm以下的地區面積縮小，主要集中在西北部地區、西部地區及大連南部。但年降水在700mm以上的地區面積擴大，集中分布于遼寧東部、南部大部分地區。

從農業氣候整體趨勢來看，遼寧地區年降水呈現出向下發展趨勢，從遼寧西部到遼寧東部年降水減小幅度呈現出遞增趨勢。其中以遼寧東部地區年降水量向下發展波動值最大，為20mm·10a-1，其余地區年降水減少趨勢則處于淺顯狀態。

4.3 霜降

霜降在本次研究中特指出現霜的時間，以日最低溫度2.0℃為判定指標，對初次出現霜、最終出現霜的年代際變化進行剖析[5]。2021—2030年，遼寧地區初次出現霜的日子少數在9月27日及以前，且范圍處于遞減狀態，大多數在10月17日以后，且范圍處于遞增狀態，北部地區90%以上初次出現霜的時期在10月17日及以后;而遼寧省最后一次出現霜的日子大多處于5月1日，覆蓋區域呈現出顯著減小趨勢，表明遼寧整個地區的無霜期進一步萎縮。

2031—2040年，遼寧地區初次出現霜的日子在10月7—17日，完全覆蓋北部及周邊。而遼寧省最后一次出現霜的日子少部分處于5月1日，較前1個10a所涉及的區域面積進一步減小。

2041—2050年，遼寧地區初次出現霜的日子再次向后延伸，即10月17日之后遼寧地區初次出現霜的范圍逐步擴大。與此同時，9月27日后遼寧地區初次出現霜的情況出現概率持續減小;遼寧省最后一次出現霜的日子極個別處于5月1日，如遼寧東北部、遼寧西北部、遼寧東部、遼寧西部等。

總的來說，2021—2050年的30a間，遼寧地區初次出現霜的日子呈現出向后延伸的傾向，以顯著性水平P為分析依據，空間分布最為顯著的區域為遼寧北部、西部、東部。從遼寧地區最后一次出現霜的日子的年代際空間分布格局變動情況進行分析，可知遼寧省多數地區最后一次出現霜的日子呈現出提前趨勢，整體無霜期時間限制縮短。同時多數地區最后一次無霜期到來時間提前了1～2d，北部地區、東部地區變化顯著。受初次出現霜的日子延后、最后一次出現霜的日子提前的雙重作用，遼寧整個地區的無霜期再次延長，未來30a遼寧東北部地區熱量資源將出現顯著遞增趨勢。

4.4 輻射

從B2氣候情境入手，以遼寧農作物生長季4月、5月、6月、7月、8月、9月為重點，對區域太陽總輻射年代際變化進行分析可知，2021—2030年，遼寧多數地區太陽輻射呈現出較為明顯的減少特征。以3100MJ·m-2為分界線，超出該分界值的區域僅為環渤海地區，其余地區的太陽輻射量均低于這一數值;而2031—2040年，該區域太陽輻射資源出現較為顯著地向上遞增趨勢。以3200MJ·m-2作為分界線，僅中部部分地區、北部地區小于該數值，其余地區均高于該數值;2041—2050年，遼寧地區的太陽能總輻射量再次呈現出向下發展趨勢，多數地區太陽總輻射在3100MJ·m-2以下。

通過對未來30a遼寧省太陽輻射變化趨勢的空間分布進行剖析，遼寧省農作物生長季節太陽能總輻射多數地區呈現出向上遞延走向。特別是東部山區、西部多數地區，每10a增速在25MJ·m-2以上，而中部平原、環渤海地區、南部地區的太陽總輻射每10a增長幅度低于20MJ·m-2，除此之外的其它地區太陽總輻射每10a增長幅度處于20～25MJ·m-2。以氣候趨勢系數為參照指標，遼寧各地區未來30a太陽能增多趨勢無法達到顯著性水平。

5 總結

綜上所述，B2氣候情境下，遼寧農業輻射資源呈現不顯著的增多趨勢，且2031—2040年達到高峰。而≥10℃積溫則呈現出突出的增多趨勢，區域增長幅度在100.0℃·a-1·10a-1及以上，熱量資源增多也標志著無霜期延長。與此同時，農作物生長季節降水呈現減少趨勢，與輻射資源變化也出現了相反位相的變化，具體表現為從西部向東部減少幅度逐次增加。而遼東多數地區，減少幅度達到了20mm·10a-1及以上。依據上述演變特征，遼寧省農業技術人員可以進行種植結構的調整，優選耐旱作物，以便更好的應對區域氣候變化。

參考文獻

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（責任編輯 李媛媛）

收稿日期：2020-10-27

作者簡介：蔣林杉（1992-），女，本科，助理工程師。研究方向：天氣學。