近60年隴東地區極端氣溫變化特征及對農業生產的影響

車向軍，張天峰，車 可，張紅妮

（慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000）

在全球氣候變暖的背景下，溫度升高造成的高溫干旱、強寒潮及暴洪等極端災害事件發生頻率和發生強度呈加劇發展的變化趨勢［1］。極端天氣氣候事件預測難度大，且具有突發性強、破壞性大等特點，嚴重影響到區域農業發展、社會經濟建設、人民生產生活安全及脫貧成效的鞏固等，對區域可持續發展造成重大影響［2］。IPCC評估報告指出［3］，從1880—2012年全球平均氣溫上升了0.85 ℃，1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率更為顯著，氣候變化和天氣變暖的速度與幅度空前加劇。據世界氣象組織報告［4］，21世紀初，因極端天氣和氣候事件造成全球超過37萬人死亡。極端高溫天氣的出現頻率和強度有所增強，極端低溫天氣出現的頻率有所下降但造成的影響和災害損失不斷加重［5］。因此，極端氣溫的變化已成為人們關注和研究的熱點問題，并取得了一定的研究成果。楊陽等［6］研究表明，全國范圍內4個極端高溫指數均呈上升趨勢，尤其在2000年以后極端高溫指數的變化率增大，一些高緯度、高海拔地區比低緯度、低海拔地區更“暖”。王岱等［7］研究發現，極端氣溫變化率在東北地區波動范圍最大，而在西南地區波動范圍最小，夜間極端氣溫指數變化幅度最大，且極端氣溫指數均與平均氣溫呈顯著相關，其中閾值指數與平均氣溫的相關性最好。申紅艷等［8］利用青海省37個氣象站點1961—2011年近51年的氣溫資料分析得出，青海省極端氣溫呈明顯上升趨勢，極端冷指標的減少幅度高于極端暖指標的增加幅度，在氣候變暖突變前后極端氣溫指數表現出明顯差異。

隴東地處中國西北地區、甘肅省東部，屬半濕潤半干旱氣候區，地形復雜，境內高山、河谷、丘陵、平原交錯，氣候垂直分布，地域差異明顯。隨著全球氣候的變暖，該地區氣候亦發生相應變化，氣溫明顯升高，極端高溫事件頻繁發生，農業遭受晚霜凍害的風險加大，降水量變率大且呈減少趨勢，春旱頻發［9］。該地區生態環境脆弱，自然條件惡劣，極端氣溫的變化必然對該地區的社會經濟發展、生態環境建設、糧食安全及鞏固脫貧成效產生重大影響。本文采用世界氣象組織（WMO）推薦使用的極端氣溫指數進行分析研究，揭示隴東地區極端氣溫的變化特征及演變趨勢，提高區域對極端氣候事件的預估，為強化風險調控及調整農業生產布局提供決策依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

隴東地區以慶陽市為主，所轄7縣1區。本研究選取環縣、慶城、西峰3 個有代表性的縣（區）1961—2020 年近60年的氣溫資料進行分析。環縣代表慶陽市北部山區；慶城縣代表慶陽市中部川道丘陵地區；西峰區代表慶陽市南部塬區。數據資料分別來源于環縣國家基本氣象站、慶城縣國家一般氣候站、西峰國家基本氣象站。

1.2 極端氣溫指數的選取

本研究在氣候變化檢測與極端事件指數專家組定義的極端氣候指數中［10］，選取12個極端氣溫指數進行研究（表1），分析隴東地區極端氣溫的時空演變特征。這些極端高溫指數能展現極端氣候不同層面的變化，被證明具有噪聲低、顯著性強的特點［8］，有助于全面、客觀、科學地認識全球陸地極端氣候的變化規律和原因［11］。

表1 極端氣溫指數定義

2 結果與分析

2.1 極端氣溫指數的變化特征

根據慶陽市1961—2020年極端氣溫指數及變化趨勢分析（表2），環縣、慶城、西峰極端氣溫指數均值的冷（暖）晝（夜）日數，差異較小，中北部環縣、慶城的霜凍日數、夏季日數、熱夜日數較多，日最高（低）氣溫極高（低）值較大（小），表明慶陽中北部山川地區冬季較為寒冷，晝夜溫差大。環縣、慶城、西峰的日最高（最低）氣溫極值、暖晝日數、夏季日數及熱夜日數等指數均呈上升趨勢，環縣的日最高氣溫極低值、日最低氣溫極高值、冷（暖）晝日數、夏季日數等指數的上升趨勢最為明顯，西峰的日最低氣溫極低值、熱夜日數等指數的上升趨勢最為明顯，慶城的冷晝日數指數上升趨勢最為明顯。環縣、慶城、西峰的冰凍日數、霜凍日數等指數呈下降趨勢，環縣的冰凍日數及西峰的霜凍日數指數下降趨勢最為明顯。環縣、慶城的冷（暖）夜日數指數呈下降趨勢，西峰的冷（暖）夜日數指數呈上升趨勢。可以看出，極端暖指標為增加趨勢，極端冷指標為減少趨勢，這與楊金虎等［12］研究的西北地區極端低溫事件在減少，而極端高溫事件增加的結論相一致。極端冷指標的減少幅度大于極端暖指標的增加幅度，表現為該地區的氣溫變化具有顯著的非對稱性特征，在1961—2020年這60年中極端最高（低）氣溫升溫顯著，與之相關的極端氣溫指數也具有明顯的變化，說明慶陽近60年氣候變暖主要歸因于最低氣溫及最高氣溫的顯著升高。總體來看，慶陽因地形氣候的差異，各地的極端氣溫指數變化趨勢不同，北部環縣的大部分極端氣溫指數趨勢較為顯著。

表2 1961—2020年慶陽市極端氣溫指數及變化趨勢

2.2 極端氣溫指數的空間分布

根據慶陽各地極端氣溫指數的變化特征，本研究選取冰凍日數、霜凍日數、日最高氣溫極高值、夏季日數、熱夜日數及日最低氣溫極低值進行研究（圖3～圖6）。

圖3 1961—2020年慶陽各地日最低氣溫極低值變化距平圖

圖6 1961—2020年慶陽各地日最高氣溫極高值變化距平圖

2.2.1 冰凍日數 近60年來，慶陽各地冰凍日數變化具有相似性，20世紀60～70年代中期，冰凍日數以偏多為主，其中環縣冰凍日數偏多的情況最多，且冰凍日數最多的1年出現了79 d。從20世紀70年代中期至今冰凍日數以偏少為主，尤其是近30年來冰凍日數偏少的情況明顯較多，西峰冰凍日數最多的情況偏少了28 d。

2.2.2 霜凍日數 近60年來，慶陽各地霜凍日數環縣和慶城變化具有相似性， 20世紀60年代到21世紀前10年這2地霜凍日數偏多、偏少的情況交替出現，但環縣霜凍日數偏多的情況較為明顯，近10年來這2地都持續偏少。西峰以1997年為界，在此之前霜凍日數持續偏多，之后持續偏少。霜凍日數環縣平均為143 d，最多為164 d；慶城平均為133 d，最多為161 d；西峰平均為125 d，最多為147 d。

2.2.3 日最低氣溫極低值 近60年來，慶陽各地日最低氣溫極低值都經歷了由偏低向偏高的演變過程，環縣日最低氣溫變化的幅度較大且近年來出現了持續偏高的現象，慶城偏高、偏低的情況交替出現，西峰由偏低逐漸演變為偏高，且變化趨勢最為顯著。總體來看，各地出現日最低氣溫極低值偏高、偏低的情況大體相當。慶城極端最低氣溫為-25.4 ℃，環縣為-25.1 ℃，西峰為-22.6 ℃。近10年來，日極端最低氣溫為偏高狀態。

2.2.4 夏季日數 近60年來，慶陽各地夏季日數變化情況不同，環縣20世紀60年代夏季日數持續偏少，20世紀70～80年代夏季日數偏多、偏少的情況交替出現，20世紀90年代至今以偏多出現為主。慶城、西峰的變化趨勢具有相似性，1994年以前夏季日數均以偏少為主、以后則以偏多為主。夏季平均日數慶城為100 d，環縣為92 d，西峰為64 d。

2.2.5 熱夜日數 近60年來，環縣、慶城、西峰的熱夜日數變化趨勢大體相同，前期熱夜日數以偏少為主，21世紀以來熱夜日數明顯偏多。環縣20世紀60～90年代中期熱夜日數持續偏少，20世紀90年代后期至21世紀前5年熱夜日數由偏少向偏多過渡，最近15年為持續偏多。慶城熱夜日數偏多、偏少的情況周期性出現，近10年來變化率逐漸增大。西峰20世紀熱夜日數持續偏少，21世紀持續偏多。各地熱夜日數最多為32～36 d，但個別年份未出現熱夜日。

圖2 1961—2020年慶陽各地霜凍日數變化距平圖

2.2.6 日最高氣溫極高值 近60年來，慶陽各地日最高氣溫極高值變化趨勢具有相似性，20世紀60年代、20世紀80～90年代中期日最高氣溫極高值均以偏低出現為主，其余時段以偏高出現為主。環縣日最高氣溫極高值的偏高日多于偏低日，慶城和西峰日最高氣溫極高值的偏高日少于偏低日。日最高氣溫≥35.0 ℃的天數環縣最多，為32 d，日極端最高氣溫為38.6 ℃；慶城為30 d，日極端最高氣溫為39.9 ℃；西峰最少，為6 d，日極端最高氣溫為36.4 ℃。

圖4 1961—2020年慶陽各地夏季日數變化距平圖

圖5 1961—2020年慶陽各地熱夜日數變化距平圖

3 對農業生產的影響

由上述分析可知，1961—2020年隴東地區日極端最高氣溫、日極端最低氣溫均呈升溫趨勢，霜凍日數呈減少趨勢。在增暖的形勢下，熱量資源增加，有利于作物種植結構的調整及特色作物的引種，但也易導致一些異常的氣象災害，進而導致農業生產風險的增大。

3.1 日極端最低氣溫的變化趨勢對農業生產的影響

隴東各地日極端最低氣溫呈升高的變化趨勢，西峰、環縣、慶城的氣候變化傾向率分別為0.72、0.30、0.14 ℃/10 a，其中西峰的日極端最低氣溫上升最為明顯。因此，冬季的寒冷程度有所下降，農作物越冬遭受凍害危害程度緩解，對大力發展特色林果業較為有利。但部分暖冬天氣對病菌、蟲卵越冬有利，使得來年春季病蟲害發生發展情況蔓延，導致病蟲害防治成本的增加。

3.2 日極端最高氣溫的變化趨勢對農業生產的影響

隴東各地日極端最高氣溫亦呈升高的變化趨勢，氣候變化傾向率在0.11～0.37 ℃/10 a之間，明顯小于日極端最低氣溫的增溫幅度。但近年來，氣候異常變化，極端氣溫不斷刷新歷史極值，1997年7月隴東地區大部分地方日最高氣溫突破歷史極值，2021年1月部分地方日最低氣溫突破歷史極值，2021年7月環縣日最高氣溫再次刷新歷史極值。伏期的高溫天氣更加助推了干旱的發展，嚴重制約了農業生產的正常進行，另外，高溫也易造成蘋果果面“灼傷”、干裂，導致商品率下降。

3.3 霜凍日數的變化趨勢對農業生產的影響

隴東各地霜凍日數呈減少趨勢，其中西峰最為明顯，為5.73 d/10 a，環縣和慶城的霜凍日數在2.30～2.79 d/10 a，霜凍災害頻次下降。霜凍日數的減少，導致作物生育期的延長，有利于提升農作物的產量及品質。但近年來春季易發寒潮降溫凍害，使果樹花期遭受明顯災害，個別年份損失慘重。

4 結論

（1）隴東各地極端氣溫指數變化趨勢大多具有相似性，冷晝日數、日最高（低）氣溫極低值、暖晝日數、夏季日數、熱夜日數、日最高（低）氣溫極高值均呈增加（升高）趨勢，冰凍日數、霜凍日數呈減少趨勢，環縣和慶城的冷夜日數、暖夜日數為減少趨勢，西峰為增加趨勢。

（2）極端氣溫的時空變化與全球變暖氣候背景密切相關，在不同的區域及時間尺度上變化差異明顯［13］。極端氣溫指數變化表明：隴東各地的氣溫以升溫趨勢為主，其中環縣、西峰的升溫幅度較慶城顯著，尤其是南部塬區的西峰霜凍日數明顯減少。

（3）極端氣溫指數變化趨勢對農業生產有利有弊，但整體而言利大于弊。各地熱量資源均有所增加，無霜期延長，有利于發揮資源稟賦，進行農業產業結構調整，大力發展特色農業。但極端氣溫的變化引發的凍害及高溫干旱天氣使農業生產和糧食安全的不穩定性增加，使農業生產面臨著最復雜、最嚴峻的氣象災害危害。

本研究在了解隴東極端氣溫的變化特點及其對農業生產影響的基礎上，分析研究了氣候變化趨勢對農業生產的影響，有效避免或緩解了極端天氣事件對農業生產帶來的不利影響，提高農業生產的穩定性。但農業生產對地域、時節較為敏感，今后可進一步利用季、月尺度的氣象資料，劃分不同地域并深入分析極端天氣事件對隴東地區農業的影響，進一步提高研究成果的精細化程度。