近60年云南省积温时空变化研究

方月, 刘露露, 黄慧敏, 董李勤

(西南林业大学 地理学院，云南 昆明 650224)

1 引 言

气候变化对全球的自然生态系统以及社会经济系统具有深远的影响，是当今各国政府和科学界乃至普通民众关注的焦点问题.联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2013年第五次评估报告指出，1880-2012年全球地表气温升温0.85 ℃，1951-2012年全球地表气温平均升温速率为0.12 ℃/10 a[1-2]，几乎是近一百年的2倍[3].在全球变暖的大背景下，我国近百年气候变暖的趋势非常显著，升温幅度为0.5～0.8 ℃[4]，尤其是近50年，超过全球或北半球同期升温水平，成为全球变暖最明显的地区之一[5].

气候变化影响社会的方方面面，给人类的生存和发展带来一系列重大影响，而农业是受气候变化影响最敏感的领域之一[6].热量是影响农作物生长发育的重要气象因素，农作物的生长和发育需要一定的热量条件，热条件的变化对作物生长的影响显著[7-8].热量资源是农业生产上可利用的温度条件及其持续时间的综合指标，通常以积温表示.10 ℃是喜温作物开始生长的初始温度，日平均气温≥10 ℃的有效积温及其初日、终日和持续日数是重要的农业热量指标，不仅能够衡量一个地区热量资源的多少，还反映了喜温植物生长期的长短[9]，在农业气候区划、合理配置农作物以及预报物候期、病虫害发生期等方面具有重要意义[10].

云南省地处青藏高原东侧低纬(21°9′N—29°17′N)高原地区，海拔高差各异，立体式气候特征明显[11].春秋季主要受西风带控制，温暖干旱；夏秋季盛行印度洋季风，湿热多雨，在全国气候区划中，云南属北热带—亚热带夏湿冬干气候类型，但受地形地貌影响，局地气温差异很大，在农业利用上具有很强的区域性[12].由于年较差较小，云南积温的有效性明显比国内其他地区偏高，因此在我国的气候带划分中被视为一个特殊地域加以分类[13].因此，探讨全球变暖背景下我国云南地区活动积温的时空变化及其对全球变暖的响应，对指导区域生态建设、城市化发展、环境保护[14]和粮食生产[15]，以及探讨全球变暖背景下的农业对策，具有十分重要的意义[15].

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域

云南省大部分地区属于热带、亚热带气候区，农业生产比较发达.主要种植作物有玉米、水稻和马铃薯等,经济作物有橡胶、甘蔗和茶等.研究根据气温、降水和地形等因素将云南省划分为滇西北高耸山地区，包括丽江、大理、德钦、贡山、香格里拉、维西、六库和华坪等8个气象站；滇东北温带高原-盆地区，包括昭通昭阳1个气象站；滇中亚热带季风山地区，包括楚雄、会泽、元谋、元江、昆明、玉溪红塔和沾益等7个气象站；滇南低热河谷区，包括思茅、景东、泸西、澜沧、景洪、勐腊、江城、蒙自、屏边、砚山、广南等11个气象站；滇西热带季风纵谷区，包括临沧、腾冲、保山隆阳、瑞丽、耿马等5个气象站；共五个气候农业区域，以便进行时空的整体比较(图1).

Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in the study area

2.2 数据来源

选取云南省32个地面气象观测站1957-2016年的日平均气象数据，资料来源于国家气象信息中心.通过Microsoft Access 2010筛选云南省32个地面气象观测站1957-2016年的日平均气象数据，利用Microsoft Excel 2010填充缺测数据及制作相应表格，运用ArcMap 10.1和SigmaPlot 12.5绘制图表.

2.3 研究方法

2.3.1 界限温度的初日、终日的确定及积温的计算

界限温度是指作物、牲畜等生长发育或某农业活动、物候现象的起始、终止及转折的温度.10 ℃是喜温植物适宜生长的起始温度，也是喜凉作物迅速生长、多年生作物开始以较快速度积累干物质的温度.因此，本文中计算积温的界限温度确定为10 ℃，采用五日滑动平均法确定每年稳定通过界限温度的起止时间及持续天数，起始日定为五日滑动平均气温中最长序列≥10 ℃的开始日期，终止日为五日滑动平均气温中<10 ℃的日期.研究区内部分热带地区全年气温均大于10 ℃，起止日期定义为年度的起止.起始日期与终止日期之间的天数定义为五日滑动气温的持续天数.起止天数之间气温的累加定义为≥10 ℃积温.

2.3.2 累计距平法

对于日平均气温稳定≥10 ℃期间气温的时间变化，通过累计距平法绘制曲线，可通过起伏状况，直观地看出积温的长期演化趋势、具体时间距平值的突变等.

2.3.3 Kriging空间插值法

通过Excel将1957-2016年积温分为六个时期并取其平均值，将气象站点数据的经度、纬度、积温平均值通过ArcMap 10.1的Kriging空间插值法得出积温时空分布图，并将积温范围划分为7个类别：<3 000 ℃、3 000 ℃-4 000 ℃、4 000 ℃-5 000 ℃、5 000 ℃-6 000 ℃、6 000 ℃-7 000 ℃、 7 000 ℃-8 000 ℃及>8 000 ℃.

3 结果分析

3.1 空间分析

从空间尺度上看，云南省日平均气温稳定≥10 ℃期间积温呈现由南向北逐渐降低的趋势，并随着海拔升高积温随之降低.1957-2016年日平均气温稳定≥10 ℃期间积温总体增加趋势明显，增加趋势最明显的区域分布在滇南热带地区与滇中亚热带地区.

图2 1957-2016年研究区≥10 ℃积温时空分布图

Fig.2 Temporal and spatial distribution of active accumulated temperature ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

从1957-2016年研究区≥10 ℃积温时空分布图可以看出(图2)，云南省积温变化大体分为两个阶段，以1977-1986年为突变分界线.1977年(图2a和2b)之前，日平均气温稳定≥10 ℃期间积温大于8 000 ℃的地区仅出现在滇南景洪地区和滇西瑞丽地区极小范围，1977年(图2c)前后滇南地区≥10 ℃积温大于8 000 ℃自勐腊地区开始扩散.≥10 ℃期间积温大于7 000 ℃小于8 000 ℃的区域变化从仅滇南滇西的小块分散分布，至1987年(图2d和2e)以后滇南连成一整片区域.≥10 ℃积温中大于6 000 ℃小于7 000 ℃的覆盖面积在2007年(图2f)之后滇西的这一温度范围区域向北延伸与滇中地区同一温度范围区域相连，面积增大.≥10 ℃积温中大于5 000 ℃小于6 000 ℃分布范围最广，占据了大部分的滇西地区和部分滇中和滇南地区，1977年以来覆盖范围逐渐向北扩散.≥10 ℃积温中大于4 000 ℃小于5 000 ℃的区域面积减少，分布于滇东北的南部小范围和滇中地区的东部.≥10 ℃积温中大于3 000 ℃小于4 000 ℃的区域分布面积较小，仅在滇东北与滇西北地区有分布.≥10 ℃期间积温小于3 000 ℃的区域范围在滇西北地区基本保持不变，在滇东北地区≥10 ℃积温1987-1996年发生较大变化，小于3 000 ℃的范围达到历年之最.从整体上看，≥10 ℃积温中大于6 000 ℃积温区域变化最为明显，积温高的地区面积显著增加，且整体向北扩展.

3.2 时间分析

从时间尺度上来看，1957年-2016年云南省积温整体呈增加趋势，尤其以近十年增加趋势更为显著.具体体现为初始日期提前、终止日期推后及持续天数增加(表1).云南省受地形海拔影响，五日滑动平均气温的初始和终止日期在研究区内存在较大差异.表现为自北向南，自高原至谷地，初始日期逐渐提前.

表1 1957-2016年研究区日平均气温稳定通过10 ℃初、终日年际变化和持续天数统计

Table 1 Decadal change of the first day,last day and sustained days stabilized by 10 ℃ in the study area during 1957-2016

名称年代滇南低热河谷区滇西热带季风纵谷区滇西北高耸山地区滇中亚热带季风山地区滇东北温带高原-盆地区初日(月/日)1957-19661/211/53/301/214/111967-19761/181/164/12/214/161977-19861/81/143/102/254/141987-19961/21/13/92/204/141997-20061/21/33/242/134/112007-20161/11/13/41/54/6终日(月/日)1957-196612/1912/2310/612/1910/141967-197612/2012/1311/811/1610/191977-198612/2012/1811/711/2110/191987-199612/2312/2411/1011/2610/131997-200612/2612/3111/211/2610/142007-201612/2612/3111/1612/410/24持续天数1957-19663153212262861881967-19763163192222851811977-19863183202272871921987-19963173272302841701997-20063263372352941912007-2016326337208296198

图3 1957-2016年研究区日均温≥10 ℃持续天数变化趋势

Fig.3 Change trend of sustained days ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

从1957-2016年研究区日均温≥10 ℃持续天数变化趋势可看出(图3)，滇南和滇西地区五日滑动平均气温中日平均气温≥10 ℃的持续天数均在300天以上，1986年以后两个地区≥10 ℃的持续天数差距逐渐变大，且滇西逐渐多于滇南.滇东北地区受海拔和纬度影响，日平均气温≥10 ℃的持续天数少于200天并持续波动趋向增加，滇中地区日平均气温稳定≥10 ℃的持续天数随时间呈持续缓慢增加，滇西北地区日平均气温稳定≥10 ℃的持续天数在1957-2006年呈增加趋势，2006年后则出现较明显的减少，滇西北和滇中地区持续天数均在 200-300天之间.

图4 1957-2016年研究区日均温≥10 ℃初日变化趋势

Fig.4 Change trend of the first day ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

从图4可以看出,滇东北地区的初日变化较为平稳，未出现大幅度的波动，滇西北地区则呈现提前的趋势，两地区的初始日期集中出现在初春时节.滇南和滇西地区属于热带气候，终年高温，1957-1986年间的初始日期变化呈波动提前，1987年后30年的初日则出现在1月初.滇中地区初始日期的起伏变化最强烈.

图5 1957-2016年研究区日均温≥10 ℃终日变化趋势

Fig.5 Change trend of the last day ≥10 ℃ in the study area during 1957-2016

从图5可以看出,滇东北地区的终止日期呈平稳延后趋势且结束于秋季10月，此时进入冬半年，太阳辐射减少，日照时数变短，日平均气温下降.滇西北地区的终止日期波动起伏较大，在70年代发生较大变化，日期自10月期间推延至11月，此后稳定于11月期间.滇南与滇西的终止日期则趋于稳定，结束于12月以后.而滇中地区终止日期变化与初始日期相对应，在1976年前终止日结束于12月，其后终止日提前至11月.

(a)滇南低热河谷区

(b)滇西热带季风纵谷区

(c)滇西北高耸山地区

(d)滇中亚热带季风山地区

(e)滇东北温带高原-盆地区

Fig.6 Change trend of active accumulated temperature ≥10 ℃ in study area during 1957-2016

从图6可观察到云南省各区的积温变化和距平变化,从积温曲线可见，云南省各地区近60年积温整体波动增加.从累计距平曲线可见，滇东北高原-盆地区(图6e)距平值变化起伏最为明显，距平值变化大，偏少期与偏多期相间分布.在滇西北高耸山地区(图6c)和滇中亚热带季风山地区(图6d)，以1987年日平均气温稳定≥10 ℃为积温分界点，1987年之前积温变化较缓和平稳，以小幅震荡为主，1987年以后，积温波动幅度变大，并且正距平偏多，积温呈现增加态势.

4 结论与讨论

4.1 结论

研究选取了云南省32个地面气象监测站点1957-2016年60年的逐日平均气温实测数据，运用五日滑动平均法、累计距平法和Kriging空间插值法等方法，分析了1957-2016年间云南省日平均气温稳定≥10 ℃期间的积温时空变化，结论如下：

(1)从时间尺度上来看，1957-2016年60年间，云南省日平均气温稳定≥10 ℃期间积温总体呈现逐渐增加的趋势.气温的初始日期提前，其中以滇西北地区变化最明显.气温的终止日相应延后，滇西北地区日期变化最明显.从整体上看，1987年以后，云南省≥10 ℃积温的增幅明显上涨，日平均气温稳定≥10 ℃的气温变化起伏幅度增大，≥10 ℃积温的增加主要是由于初日的提前与终日的延后使得日平均气温稳定≥10 ℃的持续天数增加.

(2)从空间尺度上来看，1957-2016年云南省日平均气温稳定≥10 ℃期间积温呈现由北向南逐渐降低的趋势，并且随着海拔升高积温随之降低.≥10 ℃积温中大于5 000 ℃小于7 000 ℃面积范围最大，大于7 000 ℃小于8 000 ℃的区域变化最大，主要体现在滇南地区的日平均气温稳定≥10 ℃积温日数逐渐增加与积温的增加.云南省积温整体逐渐增加，积温较高区域面积占比逐渐增大.

(3)日平均气温≥10 ℃积温的增加为喜温作物的生长发育提供了有利条件，累计热量的增加使种植界限向北移动和向高海拔地区移动，扩大了种植面积，影响农产品的种植格局和云南省一年两熟、一年三熟的作物熟制.总体上热带亚热带范围的扩大，对经济作物例如茶、橡胶、甘蔗等的种植面积及产量等形成有利的影响.

4.2 讨论

以往研究侧重于气候对云南省经济作物地理集聚的影响[17]、气温对潜在蒸发量的影响[18]和积温在区域范围内的整体变化趋势[19]，本文分析了研究区内1957-2016年云南省日平均气温≥10 ℃期间积温的时空变化，在时间尺度和空间划分上均有一定的提高.一方面是在时间上选取了较长的时间序列，重点展现了近年来积温的波动变化.另一方面在空间上考虑到海拔、纬度和经度的影响，将云南省划分为五个气候农业区，运用kriging空间插值法分别讨论积温在不同气候区的变化及其对作物的影响.但研究还有一些不足，没有对缺测数据站点与邻近站点的数据进行一致性检验，未考虑坡度、云层、极端天气等对积温的影响，未深入讨论积温对农业生态的具体影响.