清徐县1960—2019年气温变化特征分析及其对农业的影响

段晓瞳，王溢梅，杜军军，张宇建，郗秉韬

（1清徐县气象局，太原 030400；2古交市气象局，太原 030200）

0 引言

自1992年联合国环境与发展大会上签署了《联合国气候变化框架公约》以来，气候变化已成为国际社会关注的重大问题之一，全球气候变暖又是气候变化的主要方面之一，重大灾害性天气和气候极端事件屡次发生，强度也在不断变化，这给人类生存环境和国民经济发展带来了极大影响，造成的损失也在逐年增大[1-9]。在气候变化中，气温的异常会导致气象灾害的发生，并且起着主导作用[10-13]。在IPCC 第六次最新评估报告(AR6)第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》中显示，自1850—1900年以来，全球地表平均温度已上升约1℃，并指出从未来20 年的平均气温变化来看，全球温升预计将达到或超过1.5℃[14]。随着全球区域温度的变化，可能会引发冰川消退，海平面上升、荒漠化发展和局部地区气候异常，在一定程度上还会给环境生态系统和农业生产发展带来较大影响[15-20]。为增强全社会气象灾害防御能力，提高气象预报和服务水平，既要掌握各种天气的变化，还要对当地的气温变化特征有所了解，才能采取恰当措施有效应对。清徐县作为农业大县，温度变化对农业生产发展的影响非常大。因此，研究清徐县气温时空变化特征及规律是非常有必要的，也为今后气象为农业生产服务和应对气候变化提供参考依据，进而推动当地经济可持续发展。

1 数据来源与研究方法

1.1 资料来源与处理

本研究选用清徐国家气象观测站1960年1月1日—2019 年12 月31 日60 a 的气温要素逐日观测数据，清徐国家气象观测站建于1959年10月，自1960年1月1 日开始正式观测，一直保存有完整连续的地面气象观测资料，分别于1980 年1 月和2014 年1 月迁站2次。迁站前后，地理环境气候条件接近，观测数据资料连贯性比较好，没有出现明显突变，对气温变化趋势影响不大，不需要对所采用的资料再次进行均一化处理，因此可直接对其进行统计和计算得到月季年数据，再进行绘图和分析得出结论。本研究所使用农业资料均由清徐县统计局提供。

研究过程中，将气温要素分为6个时期，每10 a为1 个年代，以分析每个年代际的变化趋势。根据四季划分标准来分析气温的季节性变化，春季为每年的3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月。

1.2 研究方法

采用气候倾向率、滑动平均计算法和Mann-Kendall 趋势检验与突变分析[21-25]等方法，分析清徐县四季、年际和年代际的气温变化特征。

采用相关性分析法分析清徐县历年粮食产量分别与气温和降水之间的关系。

2 结果与分析

2.1 年均气温变化特征

2.1.1 年均气温的年际变化特征1960—2019 年清徐县60 a平均气温为10.7℃，从图1中的历年平均气温年纪变化图可以得出相关性方程：y=0.0276x+9.8654，相关系数：R=0.73，可见年平均气温的变化和时间变换呈正相关关系；气温倾向率为0.27℃/10 a，高于中国1951—2020年的增温速率0.26℃/10 a[26]。

图1 1960—2019年清徐县年平均气温年际变化趋势

从图1中的10 a滑动平均气温变化趋势曲线可以得出：20世纪80年代到21世纪10年代，气温整体呈波动上升趋势。其中，20 世纪70 年代—80 年代和90 年代中期—21 世纪00 年代前期，气温呈显著上升趋势，其余年代气温变化呈现小幅波动；20世纪90年代底以前，10 a 滑动平均气温长期低于60 a 平均值，20 世纪90 年代底以后，10 a 滑动平均气温持续高于60 a 平均值，20世纪00年代中期高于60 a平均值的幅度达到最大，之后又有小幅回落。以10 a 滑动平均气温值低于60 a平均气温为偏冷期，高于偏暖期划分，清徐县年平均气温以20世纪90年代底为分界线，之前是偏冷期，之后是偏暖期。

2.1.2 年均气温的年代际变化特征如图2 所示，清徐县年平均气温呈现出显著的年代际变化特征，从20世纪60 年代—21 世纪10 年代，年代平均气温变化分别为0.4、0.0、0.5、0.3、0.1℃。清徐县60 a间，年代平均气温呈整体升高趋势，20 世纪60 年代—70 年代和80 年代—90 年代，年代平均气温上升幅度较大；20 世纪90年代—21 世纪10 年代，年代平均气温上升幅度不大；20世纪70年代—80年代，年代平均气温基本无变化。综上，年均气温的年代际变化整体呈现上升趋势，具体变化特征表现为“显著上升—基本不变—显著上升—平缓上升”的趋势。

图2 1960—2019年清徐县不同年代年均气温变化趋势

2.1.3 年均气温的突变分析本研究运用M-K 趋势检验与突变分析方法对清徐县1060—2019 年平均气温进行趋势检验和突变分析，如图3 所示：20 世纪60 年代—70年代和70年代中期—90年代，清徐县年平均气温呈波动性变化，未表现出明显的上升或下降趋势。20 世纪70 年代初期—中期和80 年代中期之后，清徐县年平均气温呈明显上升趋势，尤其是20世纪90年代之后，年平均气温的升高趋势达到显著水平，而且UF曲线在1991 年时超过临界值。依据UF 和UB 2 条曲线在临界值处的交点，可以判断出清徐县年平均气温的突变时间是从1991 年开始的。突变前年平均气温为10.3℃，突变后年平均气温为11.2℃，较突变之前升高了0.9℃。因此，清徐县1060—2019年年平均气温整体呈升高趋势，偶有波动，在20世纪90年代后年平均气温发生突变，并持续升温变暖。

图3 1960—2019年清徐县年平均气温变化趋势及突变分析

2.2 四季气温变化特征

2.2.1 四季气温的年际变化特征如图4 所示，为清徐县1060—2019年四季平均气温年际变化图，从图4a中可以明显看出，春季平均气温呈波动上升趋势，相关性方程为：y=0.0435x+11.08，气温倾向率为0.43℃/10 a，相关系数R=0.69，由于相关系数R＞0.5，表明春季气温的变化和时间变换呈正相关关系。从10 a滑动平均气温变化趋势曲线可以得出：20 世纪90 年代之前，清徐县春季气温整体上均低于春季历年平均气温值(12.4℃)，处于偏冷期。20 世纪90 年代—21 世纪00 年代，春季气温开始快速持续升高，自2000年开始，春季10 a滑动平均气温均高于历年平均值，进入偏暖期。

图4 1960—2019年清徐县平均气温的年际变化趋势

从图4b中可以看出，夏季气温变化趋势与春季的变化趋势基本相似，气温倾向率为0.13℃/10 a，是4 个季节中气温升高幅度最小的，对年平均气温上升影响也是最小的，其相关性方程为：y=0.0133x+22.834，相关系数为：R=0.34，从相关性方程和相关系数来看，夏季的气温和时间之间的相关性并不显著。从10 a滑动平均气温变化趋势曲线可以得出：20世纪90年代末之前气温相对偏冷，且在20世纪80年代中期之后气温快速上升，90年代末进入偏暖期。

秋季气温和时间的相关性方程为：y=0.0194x+9.8907，相关系数R=0.44，从图4c 中可以看出，秋季气温随时间呈波动升高趋势，气温倾向率为0.19℃/10 a。从10 a滑动平均变化趋势曲线可以得到：除20世纪80年代和21世纪00年代末，各年代气温均呈波动性上升趋势。与夏季变化趋势类似，秋季气温在20世纪90年代末之前，10 a滑动平均气温值均比历年平均值低，处于偏冷期，之后进入偏暖期。

由图4d 可以得出冬季气温和时间的相关性方程为：y=0.0345x-4.3599，相关系数R=0.53，呈波动上升趋势，气温倾向率为0.37℃/10 a，且从相关系数来看，冬季气温和时间呈显著的正相关关系。从10 a滑动平均气温变化趋势曲线可以得到：冬季气温在20世纪90年代之前为偏冷期，之后年代进入偏暖期。

总体而言，清徐县1060—2019年来四季气温均呈整体波动升高趋势，按照升温幅度排序为：春季＞冬季＞秋季＞夏季。冬季从20世纪90年代开始进入偏暖期，其余季节均从21世纪00年代开始进入偏暖期。

2.2.2 四季气温的年代际变化特征 图5 为清徐县1060—2019 年4 个季节平均气温的年代际变化图，由上图可以看出：春季气温年代际变化整体呈升高变化趋势，20世纪10年代略有下降，但仍较大幅度高于20世纪60年代—21世纪00年代，尤其是20世纪00年代升高幅度较大，较之20 世纪90 年代增加0.8℃（图5a）。夏季气温年代际变化呈先低降后升高的变化趋势。20世纪60年代—80年代，夏季气温年代际均值呈降低变化趋势，下降0.2℃左右，20世纪80年代出现最低值，约为22.8℃。20 世纪90 年代—21 世纪10 年代，夏季气温年代际均值呈持续升高变化趋势，增加值在0.1℃左右，但20世纪90年代相比较80年代增加0.4℃（图5b）。秋季气温年代际整体呈升高变化趋势，20世纪80 年代略微有些下降，较70 年代仅下降0.2℃（图5c）。冬季气温年代际变化整体也呈升高趋势，21 世纪10 年代略有下降，相较于21 世纪00 年代仅仅降低0.3℃，与春季变化趋势基本类似（图5d）。总体上，清徐县四季气温的年代际变化整体呈现为升高趋势，夏季为先下降后上升，其余三季仅部分年代略有下降。

图5 1960—2019年清徐县四季平均气温的年代际变化

2.2.3 四季气温的突变分析如图6所示，为清徐县4个季节的平均气温变化趋势及突变分析结果，从图中可以看出：清徐县春季气温整体呈升高变化趋势，20 世纪90年代中期之前震荡性变化显著，气温高低交错波动变化，之后开始显著升高。根据UF 和UB 2 条曲线的交点位置和UF 曲线超过临界值的年份，可以判断出春季（图6a）气温的突变应该是从1996年开始，突变前的春季气温为11.8℃，之后为13.3℃，较突变前上升1.5℃。夏季（图6b）气温从20世纪90年代中期以后开始呈现出升高变化趋势，虽然UF 曲线在2018 年超过临界值，但因后续观测数据较少，加之UF 和UB 两条曲线在21 世纪00 年代—10 年代中期出现多个交叉点，因此并不能确定夏季气温出现突变。秋季（图6c）气温呈波动性上升趋势，在20世纪90年代中期以后呈现出显著升高变化趋势。根据UF和UB 2条曲线的交点位置和UF 曲线超过临界值的年份，可以判断出秋季气温的突变从1994 年开始，突变前的秋季气温为10.2℃，之后为10.9℃，较突变前上升0.7℃。冬季（图6d）气温在20世纪70年代以前呈现出显著的震荡性变化，20 世纪70 年代—21 世纪00 年代中期呈明显上升趋势，之后波动趋于平缓中期以后呈明显上升趋势。根据UF和UB两条曲线的交点位置和UF曲线超过临界值的年份，可以判断出冬季气温的突变从1980年开始，突变前的冬季气温为-4.1℃，之后为-2.9℃，较突变前上升1.2℃。

图6 1960—2019年清徐县四季平均气温变化趋势及突变分析

2.3 气温对农业生产的影响及建议

2.3.1 气温对粮食产量的影响图7为1960—2019年清徐县粮食产量和年平均气温变化趋势图，从图中可以看出清徐县粮食产量整体呈上升趋势，从2014年之后产量开始下降。通过SPSS软件对全年粮食产量、秋粮年产量、夏粮年产量和年平均气温进行了相关性分析，分析结果显示：全年粮食产量和年平均气温之间的Pearson 相关系数为0.387；秋粮年产量和年平均气温之间的Pearson 相关系数为0.511；夏粮年产量和年平均气温之间的Pearson 相关系数为-0.134。在Pearson相关性分析中，通过分析粮食产量和年平均气温之间的相关系数可知：全年粮食总产量和秋粮年产量与年平均气温显著相关，夏粮产量与年平均气温不相关。由此可知：气温变化对农业生产影响显著，尤其是在秋粮产量方面的影响较为突出。

图7 1960—2019年清徐县粮食产量和年平均气温变化趋势

2.3.2 合理开发农业资源建议

（1）充分利用热量资源，扩大喜温作物种植面积，丰富喜温作物品种。清徐县整体气温程上升趋势，热资源不断增多，作物生长期有效积温增加显著，可因地制宜调整清徐县农业种植结构，增加玉米、高粱等喜温作物种植面积，培育或引种能适应清徐农业气候条件的新品种，提升作物抗逆性，增加农作物品种多样性。

（2）合理开发利用光热资源，大田作物适时早播，积极发展设施农业。清徐县春冬季增温幅度大，光热资源显著增多，为作物生长提供了充足的光照和热力条件，促使一些越冬作物提前进入返青期，同时大田早春作物也可根据光热条件适时早播，并积极发展设施农业，开展大棚和温室蔬菜、水果等种植，为农业生产创造局地小气候。可加大反季节蔬菜、水果的种植，丰富省市县菜篮子、果篮子，从而起到带动农民增收，促进农村经济发展的作用。

3 结论

综上所述，1960—2019年来，清徐县年平均气温整体呈现出升温的变化趋势，气温倾向率为0.28℃/10 a，增温速率已达到全国同期平均水平。在60 a间先后经历了冷暖两个时期，以20世纪90年代底为界线，之前是偏冷期，之后是偏暖期。年代际变化特征为“明显上升—不变—明显上升—平缓上升”。存在显著的突变点，时间为1991年，较突变之前上升了0.9℃。

四季平均气温在60 a 间均表现出升温的变化趋势，除了冬季为20世纪90年代以外，其余三季均从90年代末开始显著呈升温趋势，进入偏暖期。按照升温幅度排序为：春季＞冬季＞秋季＞夏季。年代际变化整体呈现为升温的趋势，夏季为先下降后上升，其余三季仅部分年代略有下降。另外，春季、秋季和冬季3个季节平均气温在60 a 间均存在显著的突变点，时间分别为1996、1994、1980 年，夏季没有出现显著的突变点。

清徐县粮食产量整体呈上升趋势，从2014年之后产量开始下降。全年粮食总产量和秋粮年产量与年平均气温显著相关，夏粮产量与年平均气温不相关。温变化对农业生产影响显著，对秋粮年产量的影响尤为突出。由于清徐县整体气温程上升趋势，且春冬季节增温幅度明显，光热资源不断增多，建议充分利用热量资源，扩大喜温作物种植面积，丰富喜温作物品种，同时合理开发利用光热资源，大田作物适时早播，积极发展设施农业。