廈門市氣溫及熱量資源變化特征分析

石雨卉

(中國民用航空廈門空中交通管理站，福建 廈門 361011)

0 引 言

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)的第五次評估，在過去四十多年間全球地表溫度明顯升高了0.85 ℃，并且在本世紀末全球氣候的變化將很有可能使得地表溫度較目前上升1.1～6.4 ℃，此外，特別要指出的是中國變暖的速率要明顯高于全球平均值[1-2]。溫度的上升導致熱量資源隨之變化，從而對與之相關的工業(yè)農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動造成影響。而對于農(nóng)業(yè)來說，熱量資源有著舉足輕重的影響，它決定了當?shù)剞r(nóng)作物的品種、產(chǎn)量及成長發(fā)育[3]。因此，分析并了解某地熱量資源的變化特征，能夠對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的安排和規(guī)劃提供指導。

目前，國內(nèi)有許多科研工作者對氣候變暖引發(fā)的當?shù)責崃抠Y源變化展開了相應研究。劉德祥等[4]對我國西北地區(qū)的熱量資源及氣候變暖影響展開了深入研究，提出了西北地區(qū)氣候變暖主要由于最低氣溫的升高，該地區(qū)氣候變暖對農(nóng)業(yè)的弊端大于益處；張立波等[5]對華東地區(qū)的熱量資源過去50年來的變化特征進行了分析，表明華東地區(qū)氣候一直在持續(xù)升溫中，且各項熱量資源與氣溫呈顯著正相關關系；黃奇曉等[6]研究了福建氣候變化特征及預測未來趨勢，表明福建年平均氣溫上升趨勢顯著，與IPCC的結論一致。

廈門市位于24°23′N～24°54′N、117°53′E～118°26′E，地處福建省東南沿海，屬于典型的亞熱帶海洋性季風氣候，溫和多雨，冬無酷寒，夏無酷暑。同時，農(nóng)業(yè)作為廈門經(jīng)濟的第一產(chǎn)業(yè)，其主要農(nóng)作物為龍眼、芒果、枇杷、花生等喜溫作物，截止2021年，廈門市全年農(nóng)作物總播種面積1 686 951.3 km2，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值高達29.25億元。但目前有關廈門市熱量資源的研究相對較少，因此本文根據(jù)廈門市國家級氣象站的觀測資料，對過去49 a的熱量資源變化進行分析研究，為趨利避害、合理利用氣候資源和農(nóng)作物品種布局以及城市生態(tài)環(huán)境的改善提供一定的科學參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用數(shù)據(jù)來自廈門國家級氣象站觀測資料：1973—2021年逐日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫。所用數(shù)據(jù)資料從美國NOAA氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[7]下載。對于活動積溫，運用5日滑動平均法[8]分別求取0、5、10、15、20 ℃初日與終日的活動積溫，作為分析廈門市熱量資源變化特征的要素。此外，本文對季節(jié)進行了劃分：春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12月～次年2月)。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率

通過建立方程，詳見式(1)。

y(t)=a+bt

(1)

式(1)中：y為溫度，℃；t為時間序列，a；a為經(jīng)驗系數(shù)，可以通過最小二乘法求得；b為趨勢變化率，代表了氣候變量的趨勢傾向，若b為正(負)時則表示溫度隨時間變化呈上升(下降)趨勢。根據(jù)公式(1)可以確定溫度y與時間t的定量關系，且氣候傾向率為10×b。

1.2.2 累積距平法

設y為樣本平均值，yi為隨機變量，n為采樣樣本，t為某時刻，根據(jù)公式(2)可以得到累積距平曲線。進行擬合分析后，判斷其連續(xù)變化與長期變化趨勢，初步確定溫度年際變化趨勢及其未來走向。

(2)

1.2.3 Mann-Kendall突變檢驗法

Mann-Kendall法是一種用途廣泛的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，主要用于氣候和徑流趨勢突變分析。使用此方法時樣本無需遵從一定的分布，同時避免了部分異常值的影響，且分析結果精度極高，算法簡便，可以明確氣候序列的突變時間。具體操作方法見參考文獻[8]。

2 結果與分析

2.1 平均氣溫的時間變化特征

2.1.1 年平均氣溫變化

圖1 廈門市年平均氣溫變化Fig.1 Changes of the annual average temperature in Xiamen

根據(jù)廈門市49 a來的氣溫數(shù)據(jù)繪制年均氣溫變化圖(如圖1所示)，可以看出整體年均氣溫在上下波動中呈現(xiàn)逐步上升趨勢，與全球氣溫變化趨勢保持一致。對其進行線性趨勢分析后，得到趨勢方程，且通過了α=0.01的水平顯著性檢驗。過去49 a間，廈門市年平均氣溫以0.478 ℃/10 a的速率增加，遠高于福建省0.321 ℃/10 a的年均氣溫增長速率[6]。

圖2為廈門市49 a的年均氣溫距平及累積距平的變化圖，同時根據(jù)氣溫距平符號分布相對一致的原則[9]，可將49 a劃分為冷、暖期：1973—1995年為冷期，且年均氣溫一直呈現(xiàn)下降趨勢，且溫度距平在1995年達到最小值；1996—2021年為暖期，1996年開始年均氣溫開始呈現(xiàn)上升趨勢，并在2021年達到最大。年均氣溫從下降到上升的趨勢突變大約發(fā)生在1995—1996年。

圖2 廈門市年平均氣溫距平及累積距平變化Fig.2 Changes of the annual average temperature anomaly and cumulative anomaly in Xiamen

使用Mann-Kendall方法檢驗廈門市49 a的年平均氣溫序列并繪制圖3。給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。從圖3可以直觀地看出，UF曲線自1988年后呈現(xiàn)明顯上升趨勢，至2002年這種趨勢超過了顯著性水平0.05臨界線，表明廈門市年平均氣溫從1988年開始有增溫趨勢，且在21世紀初這種增溫趨勢顯著增強，這與福建省的年均氣溫變化趨勢相吻合[6]。

圖3 1973—2021年廈門市年平均氣溫M-K突變檢測統(tǒng)計量曲線Fig.3 Statistical curve of M-K mutation detection of the annual average temperature in Xiamen from 1973 to 2021

2.1.2 季平均氣溫變化

對廈門市1973—2021年日均氣溫按季節(jié)進行分類和統(tǒng)計，并繪制春、夏、秋、冬四季季平均氣溫隨時間(年份)的變化圖(圖4)。對比圖1與圖4可知，廈門市在過去49 a間的四季平均氣溫變化與年平均氣溫變化基本一致，均為上升趨勢，且四季平均溫度分別以0.545、0.409、0.441、0.514 ℃/10 a的趨勢增長，并通過了α=0.01的水平顯著性檢驗。四季中，以春季氣溫增長速率最大，冬季次之，夏季平均氣溫增長速率最小。通過統(tǒng)計與計算，1973—2021年四季的平均氣溫分別為：春季19.8 ℃，夏季28.03 ℃，秋季23.61 ℃，冬季14.11 ℃。相對49 a來的平均氣溫而言，20世紀末之前氣溫偏低，20世紀末期以后的氣溫明顯升高，相對為偏暖期。

2.2 平均最高、最低氣溫的時間變化特征

極端氣溫是氣候變化的重要指標，它的發(fā)生不僅對農(nóng)業(yè)氣象造成災害，而且能對人們的生產(chǎn)生活環(huán)境帶來嚴重影響[9]。對廈門市49 a來的年平均最高、最低氣溫分別繪制散點圖并進行擬合分析和求取平均值，得到圖5。從圖5中可以看出，平均最高、最低氣溫都在上下波動中呈上升趨勢，經(jīng)過線性趨勢分析后得到的一元線性方程，且都經(jīng)過了α=0.01的水平顯著性檢驗。對比兩組氣候傾向率(年平均最高氣溫為0.515 ℃/10 a，年平均最低氣溫為0.285 ℃/10 a)可以看出，年平均最高氣溫的上升速率明顯高于年平均最低氣溫，升溫速率約是其1.8倍。同時，以1998年為氣溫分水嶺，1998年之前年平均最高、最低氣溫基本上都低于49 a平均值，而在1998年以后平均氣溫有了大幅度提升使其年平均最高、最低氣溫基本都在49 a平均值以上。

2.3 活動積溫

農(nóng)作物的生長需要一定的熱量條件。在作物生長發(fā)育所需的其他條件滿足時，在一定溫度范圍內(nèi)，氣溫與發(fā)育速度成正比，并且要累積到一定的溫度總和農(nóng)作物才能完成發(fā)育，作物某個生育期或全部生育期內(nèi)活動溫度的總和稱為該作物這一生育期或全生育期的活動積溫。活動積溫是能夠衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中熱量資源的重要指標，它的起止日期、持續(xù)天數(shù)及積溫在一定程度上決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中適宜種植區(qū)的規(guī)劃、種植制度和品種搭配[10]。常用的界限溫度有：0、5、10、15、20 ℃[11]。

圖4 1973—2021年廈門市各季平均氣溫變化Fig.4 Changes of the seasonal average temperature in Xiamen from 1973 to 2021

圖5 廈門市1973—2021年平均最高、最低氣溫變化趨勢Fig.5 Variation trends of average maximum and minimum temperatures in Xiamen from 1973 to 2021

不同的界限溫度具有一定的農(nóng)業(yè)指示意義[12]。當氣溫穩(wěn)定≥0 ℃時，土壤開始解凍，草木萌發(fā)，為適宜農(nóng)耕期；氣溫穩(wěn)定≥5 ℃的時期為越冬作物生長活動期和喜涼早春作物的播種期；氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的時期為喜溫作物生長活動和喜涼作物的迅速生長期，水稻、棉花等喜溫作物開始播種；日平均氣溫穩(wěn)定≥15 ℃時，喜溫作物開始積極生長，同時也是茶葉的可摘采期；氣溫穩(wěn)定通過20 ℃及以上時，水稻分蘗并旺盛生長，同時20 ℃ 還是喜溫作物光合作用最適溫度的下限。

2.3.1 活動積溫變化

由于廈門特殊的地理氣候條件，≥0 ℃和≥5 ℃ 的初日都是1月1日，終日是12月31日，即年總活動積溫。對年活動積溫、10 ℃、15 ℃和 20 ℃ 分別繪制其活動積溫隨年份的變化曲線圖，詳見圖6。

從圖6中可以看出，不同界限溫度下的活動積溫隨著年份變化各有不同，但總體都保持著增加趨勢。年活動積溫、≥10 ℃、≥15 ℃和≥20 ℃的活動積溫增加速率分別為175.57、246.07、229.72、268.92 ℃/10 a，其中≥20 ℃的活動積溫增加速率最高，年活動積溫增加速率最低。4種不同的活動積溫在1973—2021年的49 a間的平均值分別為7 815.6、7 445.7、6 358.8、5 149.8 ℃。同時，在1973—1996年間，92%的年份穩(wěn)定通過年活動積溫和≥20 ℃的活動積溫低于49 a平均值，87%的年份穩(wěn)定通過≥10 ℃和≥15 ℃的活動積溫低于49 a平均值，因此1973—1996年為熱量虧欠期；1997—2021年間88%的年份穩(wěn)定年總活動積溫高于49 a平均值，≥10 ℃和≥15 ℃的活動積溫穩(wěn)定高于49 a平均值的年份占比為84%，而≥20 ℃的活動積溫高于49 a平均值更是達到100%，因此將此25 a稱為熱量豐盈期。熱量資源的增加使農(nóng)作物生長期延長，有利于喜溫作物的生長和品質(zhì)提升[13]。

圖6 不同界限溫度下活動積溫隨年份變化圖Fig.6 Variation of active accumulated temperature with years at different boundary temperatures

2.3.2 活動積溫的Mann-Kendall檢驗分析

對不同界限溫度下的活動積溫進行Mann-Kendall方法檢驗，檢驗結果如圖7所示。不同界限溫度的活動積溫有不同的Mann-Kendall檢驗結果，但其UF曲線在1988年之后基本都呈上升趨勢。其中，對于年活動積溫，其突變曲線與年平均氣溫突變檢驗曲線基本相同，故不重復討論。

根據(jù)圖7所示，≥10 ℃、≥15 ℃、≥20 ℃活動積溫的UF曲線分別在2003年、2002年、1999年超過了0.05顯著性水平，結合年活動積溫的UF曲線圖，可以得出2000年左右廈門市年活動積溫上升趨勢顯著性增強。

在0.05顯著性水平臨界線內(nèi)，≥10 ℃活動積溫的UF與UB曲線沒有明顯交點，表明≥10 ℃年活動積溫變化沒有明顯突變點。而對于≥15 ℃與≥20 ℃的UF與UB曲線在0.05信度臨界線內(nèi)存在交點，其位置分別位于2000年和1997年處，確定≥15 ℃與≥20 ℃年活動積溫在20世紀末期發(fā)生由冷到暖的明顯突變。

3 結 論

本文根據(jù)過去49 a廈門地區(qū)國家氣象站的氣溫數(shù)據(jù)，使用氣候傾向率、累積距平法以及Mann-Kendall突變檢驗等方法統(tǒng)計并分析討論了年平均氣溫、季平均氣溫、年最高(低)氣溫以及當?shù)責崃抠Y源的變化規(guī)律趨勢，得到以下結論：

(1)1973—2021年來，廈門年均氣溫以0.478 ℃/10 a的速率增加，明顯高于福建省年均增溫速率。根據(jù)氣溫距平符號分布相對一致的原則，49 a來可以劃分為2個時期：1973—1995年為冷期，1996—2021年為暖期。利用Mann-Kendall方法，結果表明廈門市年平均氣溫從1988年開始有增溫趨勢，在21世紀初這種增溫趨勢顯著性增強。

(2)從季節(jié)性變化上來看，廈門市49 a來的四季平均氣溫變化與年平均氣溫變化相同，都呈現(xiàn)上升趨勢。四季中，春季的氣溫增加速率最大，夏季增溫速率相對較小。

(3)廈門市49 a來的年平均最高、最低氣溫都在上下波動中逐步增加，其增長速率約為0.515 ℃/10 a和0.285 ℃/10 a，年平均最高氣溫的上升速率約是年平均最低氣溫的1.8倍。

(4)年均氣溫的升高使得熱量資源隨之增加。在0、5、10、15、20 ℃幾個界限溫度中，≥20 ℃的活動積溫上升趨勢最顯著，分別為175.57、246.07、229.72和268.92 ℃/10 a。對比活動積溫變化曲線與其49 a平均值，可以得出1973—1996年為熱量虧欠期，1997—2021年為熱量豐盈期。使用Mann-Kendall檢驗方法后，可以看出在20世紀末21世紀初廈門市年活動積溫有明顯上升趨勢，同時≥15 ℃與≥20 ℃年活動積溫也在此時發(fā)生由冷到暖的明顯突變。

綜上所述，廈門市年均氣溫與活動積溫都呈現(xiàn)上升趨勢，這與黃奇曉等人關于福建省氣候變化的研究結論基本一致，且廈門增溫速率與之相比更為顯著。熱量資源的增加對當?shù)孛⒐⒒ㄉ戎饕魑锏姆N植、生長帶來了重要影響，能夠延長其生長周期以及提高其產(chǎn)量。另一方面，熱量資源的增長可能提高了病蟲害發(fā)生的可能性，增加了病蟲害的周期；同時，熱量資源的增長也加劇了城市高溫酷熱程度，使得人們生活中對能源的需求消耗增長。因此，要合理利用氣候資源，調(diào)整農(nóng)作物的播種時期，以此達到增產(chǎn)的目的；此外，還要加強對病蟲害的監(jiān)測、防治，增強農(nóng)業(yè)對氣象災害的防御能力，以及提升對城市熱島效應、氣候變化影響評估的預測準確度。