新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶持續(xù)低溫指數(shù)變化特征

鄭玉萍，宮恒瑞，苗運(yùn)玲，王 毅，崔玉玲，蒲 潔

（1.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

研究表明，近50 a新疆大部分地區(qū)氣溫上升明顯，降水增多，呈“暖濕化”變化[1-2]，而高緯度的北疆地區(qū)，氣候變暖更為明顯[3-4]。新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于北疆以烏魯木齊、石河子和克拉瑪依市為軸心的準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山北坡中段，是全疆農(nóng)牧業(yè)資源最富集的地區(qū)，是重要的糧食生產(chǎn)基地，同時(shí)也是新疆優(yōu)質(zhì)長絨棉、加工番茄、色素辣椒等特色作物的種植基地，冬季設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展也較為迅速。近年來氣候變暖總體有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，但低溫冷害仍為該區(qū)域主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，尤其是延遲型低溫冷害[5-8]。低溫冷害一般是指農(nóng)作物在整個(gè)生長發(fā)育期或某個(gè)生長發(fā)育期內(nèi)，氣溫低于作物所需的臨界溫度而造成的嚴(yán)重減產(chǎn)。前人在研究低溫冷害指標(biāo)方面取得了不少成果，如利用≥10℃活動(dòng)積溫[9]或某個(gè)生長階段內(nèi)平均氣溫的距平值[10]等作為生長季內(nèi)冷害的指標(biāo)；在確立冷害指標(biāo)的基礎(chǔ)上運(yùn)用回歸分析方法建立模型對(duì)低溫冷害進(jìn)行預(yù)測[11-12]；李新建等[13-14]還構(gòu)建了棉花熱量指數(shù)作為棉花冷害指標(biāo)，具有較好的生物和物理學(xué)意義；鄒陳等[15]通過智能人工氣候箱對(duì)石河子棉區(qū)棉花障礙型冷害開展了模擬試驗(yàn)研究。王艷華等[16-17]綜合考慮作物不同生長階段對(duì)溫度耐受力的差異和低溫持續(xù)時(shí)間對(duì)其生長發(fā)育的影響，定義了持續(xù)低溫指數(shù)（Consec utive Cold Day Index）作為一種新的低溫冷害指標(biāo)，該指標(biāo)與作物產(chǎn)量的波動(dòng)密切相關(guān)，能夠較好地反映極端低溫對(duì)作物的綜合影響。本文借鑒CCDI這一冷害指標(biāo)，就近55 a氣候變暖背景下天山北坡經(jīng)濟(jì)帶CCDI的變化規(guī)律及其對(duì)年、季氣溫變化的響應(yīng)進(jìn)行研究分析，以期對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)趨利避害提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料及統(tǒng)計(jì)方法

1.1 資料來源

采用新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中處于同一氣候區(qū)域的12個(gè)國家氣象站（圖1，烏魯木齊、米東、昌吉、阜康、呼圖壁、瑪納斯、石河子、莫索灣、烏蘭烏蘇、沙灣、烏蘇、精河）逐日最低氣溫、平均氣溫，時(shí)間段為1965年1月—2019年12月。

圖1 研究區(qū)海拔高度及氣象站點(diǎn)分布

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

CCDI定義為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)（一年或一個(gè)季節(jié)內(nèi)）連續(xù)3 d及以上日最低氣溫低于該日多年日最低氣溫平均值3℃的總?cè)諗?shù)[16-17]。

假定Tij為第j時(shí)段第i天的日最低氣溫，Ti平均為第i天1981—2010年日最低氣溫平均值年序列的5 d滑動(dòng)平均值，則CCDI為某時(shí)段內(nèi)至少連續(xù)出現(xiàn)3 d以上Tij比Ti平均小3℃的總?cè)諗?shù)。文中春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—次年2月。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)12站逐日氣溫資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，采用線性趨勢對(duì)近55 a來CCDI及年、季平均氣溫變化趨勢進(jìn)行分析，變化趨勢顯著性用相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行檢驗(yàn)：當(dāng)r>rα=0.01時(shí)，判斷為變化極顯著；當(dāng)r>rα=0.05時(shí)，判斷為變化顯著。

定義CCDI的溫度敏感系數(shù)H為平均氣溫T升高1℃所引起的CCDI的改變量，即

式中，H為CCDI的溫度敏感系數(shù)，單位為d·℃-1，其絕對(duì)值越大，表示CCDI對(duì)溫度的敏感性越強(qiáng)。本文以因變量CCDI依自變量平均氣溫的一元線性回歸方程的回歸系數(shù)來表示CCDI的溫度敏感系數(shù)，為了排除偶然因素的影響，某一年的溫度敏感系數(shù)由以這一年為中心，向前、后各取5 a共11 a的樣本資料計(jì)算所得。

2 結(jié)果分析

2.1 持續(xù)低溫指數(shù)的指示意義

為了確認(rèn)CCDI作為一種新的低溫冷害指標(biāo)的指示意義，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)近55 a來12個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)CCDI時(shí)對(duì)應(yīng)的日最低氣溫（表1）。結(jié)果顯明，研究區(qū)冬季12月—次年2月出現(xiàn)CCDI時(shí)對(duì)應(yīng)的日最低氣溫12站平均值為-22.8~-26.2℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日光溫室嚴(yán)重凍害指標(biāo)-18℃[18]，同時(shí)-20℃以下低溫對(duì)牧業(yè)產(chǎn)羔育幼也會(huì)造成不利影響；3、11月出現(xiàn)CCDI時(shí)的日最低氣溫＜-10℃，會(huì)造成日光溫室蔬菜減產(chǎn)甚至絕收[19]；4、10月CCDI對(duì)應(yīng)的日最低氣溫＜0℃，則會(huì)出現(xiàn)霜凍影響大田作物；5和9月CCDI對(duì)應(yīng)的日最低氣溫低于喜溫作物生長的臨界指標(biāo)10℃，夏季6—8月低于喜溫作物積極生長發(fā)育的指標(biāo)15℃。由此可見，CCDI這一指標(biāo)對(duì)作物生長季0℃以上的低溫冷害和春秋季、冬季0℃以下的凍害均具有很好的指示意義。

表1 研究區(qū)各月出現(xiàn)CCDI時(shí)對(duì)應(yīng)的日最低氣溫指標(biāo)

2.2 持續(xù)低溫指數(shù)的空間分布

近55 a研究區(qū)平均年CCDI為68 d，其空間分布見圖2a，最大值出現(xiàn)在昌吉，平均每年為87 d，最小值在瑪納斯，平均每年為58 d。其中昌吉、米東、莫索灣、沙灣、烏蘇站年CCDI為70~75 d，高于研究區(qū)平均值，說明這些區(qū)域出現(xiàn)低溫冷害及凍害的頻率相對(duì)較大；阜康、烏魯木齊、呼圖壁、瑪納斯、石河子、烏蘭烏蘇、精河等7站的年CCDI為58~66 d，低于研究區(qū)平均CCDI值，出現(xiàn)低溫冷害及凍害的頻率相對(duì)較小。

從研究區(qū)四季平均CCDI來看（圖2），冬季最大，為28 d，春季次之，為17 d，秋季14 d，夏季最少，為8 d。從圖2可以看出，研究區(qū)四季的CCDI空間分布和年CCDI空間分布基本一致，即，春、夏、秋、冬季CCDI最大值均出現(xiàn)在昌吉，分別為21、12、18、35 d，其中昌吉、米東、莫索灣、沙灣、烏蘇等5站CCDI均高于研究區(qū)的平均CCDI值，阜康、烏魯木齊、呼圖壁、瑪納斯、石河子、烏蘭烏蘇、精河等地CCDI值相對(duì)較小，其中春、夏、秋季CCDI最小值均出現(xiàn)在瑪納斯，分別為15、6、12 d，冬季CCDI最小值出現(xiàn)在烏魯木齊，為24 d。

圖2 研究區(qū)年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI空間分布

2.3 研究區(qū)氣候變暖的事實(shí)分析

分析結(jié)果表明，近55 a來研究區(qū)的年、季平均氣溫均呈升高的趨勢，其中12個(gè)站點(diǎn)的年平均氣溫全部達(dá)到了極顯著升高的標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.01）；春季和秋季均為10個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了極顯著升高標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.01）、1個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了顯著升高標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.05）；夏季為10個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了極顯著升高標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.01）；冬季有4個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了極顯著升高標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.01），4個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了顯著升高標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.05）（圖3）。

圖3 研究區(qū)年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）氣溫變化趨勢分布

近55 a來整個(gè)研究區(qū)年平均氣溫的氣候傾向率為0.33℃/10 a，各站的年氣溫氣候傾向率為0.18～0.49℃/10 a。從四個(gè)季節(jié)氣溫的變化趨勢來看，冬季升溫幅度最大，研究區(qū)平均氣候傾向率為0.37℃/10 a，各站氣候傾向率為0.21～0.60℃/10 a；夏季升溫幅度最小，研究區(qū)平均氣候傾向率為0.21℃/10 a，各站氣候傾向率為-0.13～0.38℃/10 a；春、秋季研究區(qū)平均氣候傾向率分別為0.33、0.35℃/10 a，各站氣候傾向率分別為0.10～0.51℃/10 a、0.17～0.53℃/10 a。

2.4 持續(xù)低溫指數(shù)對(duì)氣候變暖的響應(yīng)

2.4.1年、季變化響應(yīng)

對(duì)近55 a研究區(qū)12個(gè)站點(diǎn)的年、季CCDI變化趨勢進(jìn)行分析表明，年、季CCDI均呈減少趨勢（圖4）。其中12個(gè)站點(diǎn)年CCDI均達(dá)到了極顯著減少標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.01）；春、秋季均有10個(gè)站點(diǎn)為極顯著減少（r>rα=0.01）、1個(gè)站點(diǎn)為顯著減少（r>rα=0.05）；夏季有10個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了極顯著減少標(biāo)準(zhǔn)（r>rα=0.01）；冬季有8個(gè)站點(diǎn)極顯著減少（r>rα=0.01），3個(gè)站點(diǎn)顯著減少（r>rα=0.05）。對(duì)比圖3和圖4可知，研究區(qū)各站CCDI年、季變化趨勢和氣溫的變化趨勢基本一致，二者之間存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是瑪納斯站尤為突出，夏季、秋季升溫趨勢都不顯著，對(duì)應(yīng)CCDI減少趨勢也不顯著。

近55 a研究區(qū)平均年CCDI的氣候傾向率為-12.0 d/10 a，其中冬季CCDI降幅最大，氣候傾向率為-4.0 d/10 a，夏季CCDI降幅最小，氣候傾向率為-2.2 d/10 a，春、秋季氣候傾向率均為-2.9 d/10 a。由此可知，隨著年、季氣溫的升高，研究區(qū)的年、季CCDI趨于減少，即低溫冷害及凍害發(fā)生的頻率趨于減少，且各季節(jié)CCDI的減少程度與氣溫的升高程度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。受季節(jié)升溫程度不同的影響，各季節(jié)CCDI減少幅度也不同，表現(xiàn)為升溫幅度最大的冬季CCDI減少最明顯，說明研究區(qū)冬季持續(xù)出現(xiàn)-20℃以下的寒冷天氣趨于減少，這對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)的開展十分有利，處于農(nóng)事季節(jié)的春、夏、秋三季的CCDI也呈減少趨勢，這對(duì)大田生產(chǎn)總體來說是有利的，但CCDI減少幅度明顯小于冬季。從圖4中可以看出，瑪納斯春、夏、秋三季CCDI減少都不顯著，說明該地作物生長季的低溫冷害需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖4 研究區(qū)年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI變化趨勢分布

2.4.2年代際變化響應(yīng)

近55 a來研究區(qū)年、季CCDI和平均氣溫之間呈極顯著的反相關(guān)，二者相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.765～-0.940，均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。將研究區(qū)1965—2019年分為6個(gè)年代際，分別統(tǒng)計(jì)了年、季CCDI距平（ΔCCDI）和氣溫距平（ΔT），結(jié)果表明，二者之間反相關(guān)非常明顯，即各年代際CCDI負(fù)距平基本均對(duì)應(yīng)氣溫正距平，CCDI正距平對(duì)應(yīng)氣溫負(fù)距平，年、季都經(jīng)歷了氣溫距平由負(fù)轉(zhuǎn)正、同時(shí)CCDI距平由正轉(zhuǎn)負(fù)的過程，其中年和春季的轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，夏、秋季轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在21世紀(jì)00年代，冬季轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代。從各年代際的氣溫距平和CCDI距平變幅來看，冬季振幅最大、春秋季次之，夏季最小（表2）。

表2 研究區(qū)1965—2019年各年代際年、季CCDI距平及年平均氣溫距平對(duì)比

2.5 持續(xù)低溫指數(shù)的溫度敏感性分析

利用研究區(qū)近55 a的CCDI及平均氣溫進(jìn)行溫度敏感系數(shù)計(jì)算，得出歷年CCDI對(duì)年平均氣溫的敏感系數(shù)均為負(fù)值（圖5），說明年CCDI值隨著年平均氣溫的升高而減少。年CCDI對(duì)氣溫的敏感系數(shù)為-21.8 d·℃-1，即年平均氣溫每升高1℃，年CCDI減少21.8 d，其中1990年以前敏感系數(shù)平均值達(dá)-24.7 d·℃-1，1991年之后降為-19.2 d·℃-1。年CCDI和年平均氣溫之間呈顯著的反相關(guān)，歷年相關(guān)系數(shù)均通過了0.05的的顯著性檢驗(yàn)，從圖5a可以看出，1991—2002年相關(guān)系數(shù)比其它時(shí)段低，對(duì)應(yīng)敏感系數(shù)也相對(duì)較小。

各季節(jié)CCDI對(duì)平均氣溫的敏感系數(shù)也均為負(fù)值，其中冬季敏感系數(shù)最大，平均為-6.3 d·℃-1，秋季次之，為-5.8 d·℃-1，春季和夏季均為-5.4 d·℃-1。從CCDI和平均氣溫二者的相關(guān)系數(shù)來看，春季和冬季相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)平均值分別達(dá)-0.886、-0.932，歷年相關(guān)系數(shù)均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；秋季歷年相關(guān)系數(shù)均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)；夏季相關(guān)性最弱，相關(guān)系數(shù)有11 a未通顯著性檢驗(yàn)，對(duì)應(yīng)敏感系數(shù)也表現(xiàn)為波動(dòng)性變化明顯（圖5）。從圖5可知，除了冬季以外，其它三個(gè)季節(jié)的相關(guān)系數(shù)和敏感系數(shù)的多年變化趨勢基本一致。

圖5 研究區(qū)年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI對(duì)其平均氣溫的敏感系數(shù)及相關(guān)系數(shù)變化

從敏感系數(shù)的多年變化趨勢來看，整個(gè)研究期年CCDI的溫度敏感系數(shù)絕對(duì)值呈極顯著的減小趨勢（r>rα=0.01），平均每10 a減小1.8 d·℃-1。從各個(gè)季節(jié)來看，秋季CCDI的溫度敏感系數(shù)呈極顯著減小趨勢（r>rα=0.01），平均每10 a減小1.0 d·℃-1；春季、夏季CCDI溫度敏感系數(shù)絕對(duì)值呈顯著減小趨勢（r>rα=0.05），平均每10 a分別減小0.2、0.6 d·℃-1；冬季則與其它季節(jié)相反，CCDI的溫度敏感系數(shù)絕對(duì)值呈顯著增大趨勢（r>rα=0.05），平均每10 a增大0.2 d·℃-1。以上分析結(jié)果說明，近50 a來，隨著研究區(qū)的氣候變暖，冬季CCDI對(duì)氣溫變化的敏感性是趨于加強(qiáng)，即CCDI隨著氣溫的升高而減少的趨勢在增強(qiáng)，而春季、夏季、秋季CCDI對(duì)氣溫變化的敏感度在降低，即CCDI值隨著氣溫的升高而減少的趨勢在逐漸減弱。

3 結(jié)論與討論

（1）近55 a來，研究區(qū)的年、季平均氣溫均呈顯著升高趨勢，其中冬季升溫幅度最大、夏季升溫幅度最小。隨著氣溫的升高，研究區(qū)年、季CCDI均呈顯著減少趨勢，其中冬季減少幅度最大、夏季減少幅度最小；近55 a來年、季CCDI和平均氣溫之間呈顯著的反相關(guān)；經(jīng)統(tǒng)計(jì)，年、季CCDI對(duì)平均氣溫的敏感系數(shù)均為負(fù)值，即CCDI值隨著平均氣溫的升高而減少；從多年變化趨勢來看，年及春、夏、秋三季CCDI的溫度敏感系數(shù)絕對(duì)值呈顯著減小趨勢，即CCDI隨著氣溫升高而減少的趨勢在減弱，而冬季則呈顯著增大趨勢，即CCDI隨著氣溫升高而減少的趨勢在增強(qiáng)。

（2）在氣候變暖的大背景下，研究區(qū)的年、季CCDI均顯著減少，對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)來說總體有利，其中冬季CCDI對(duì)氣候變暖的響應(yīng)尤為顯著，這將減少冬季凍害的發(fā)生，對(duì)發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)和牧業(yè)生產(chǎn)較為有利，需要注意的是，主要農(nóng)事季節(jié)春、夏、秋三季CCDI雖然也呈減少趨勢，但CCDI降幅明顯低于冬季，且CCDI隨著氣溫升高而減少的趨勢在逐漸減弱，這提示在氣候變暖的背景下春秋季的霜凍、作物生長季的低溫冷害仍然需要重點(diǎn)防御，同時(shí)要關(guān)注研究區(qū)CCDI的區(qū)域性差異，特別要做好CCDI高值區(qū)即低溫冷害發(fā)生頻率較高區(qū)域以及CCDI減少不顯著區(qū)域的重點(diǎn)防御。