黑龙江省气候生产潜力时空演变特征研究

气候生产潜力的时空变化规律不仅反映各气象因子与气候生产潜力之间的配合协调程度,还能对粮食生产决策起到决定性的指导意义。基于Thornthwaite Memorial模型估算了黑龙江省1986—2015年作物生育期内的气候生产潜力,分析了气候生产潜力与平均温度和降水量之间的关系。采用Morlet小波分析方法,对黑龙江省作物生育期内的气候生产潜力进行了多时间尺度特征分析和预测,并通过GIS软件拟合分析了黑龙江省作物生育期内气候生产潜力的空间变化特征。结果表明,1986—2015年作物生育期内黑龙江省气候生产潜力呈缓慢的降低趋势,变化趋势不显著,在7 012.143~11 680.771 kg·hm~(-2)·a~(-1)之间变化,平均值为9 390.362 kg·hm~(-2)·a~(-1);1986—2015年生育期内黑龙江省气候生产潜力具有显著的多时间尺度特征,存在7 a和10 a的主周期以及16 a的变化周期;拟合可知2016—2018年的气候生产潜力逐年递减,但均高于年平均值;黑龙江省生育期内气候生产潜力空间分布差异显著,以巴彦县为中心,气候生产潜力向四周逐渐递减,体现出较为明显的经度地带性,大部分地区热量条件相对充足,降水量是影响黑龙江省作物气候生产潜力的主要限制因子。     

近53年黄河流域降水时空分布特征

利用黄河流域76个气象台站近53 a（1960-2012）的逐日降水资料,采用国际上通用的极端降水事件指数,应用一元线性回归法、移动平均法和径向基函数空间插值法,研究了黄河流域极端降水指数时空变化特征。结果表明：（1）时间上,黄河流域年平均降水量在过去53 a下降趋势较为显著,降水倾向率为-7.2 mm/10a;极端降水量变化趋势表现较为稳定,极端降水倾向率为-0.64 mm/10a,呈不断降低趋势;极端降水强度倾向率为-0.078 mm/10a,呈不断下降趋势;极端降水比率总体表现为微弱增长趋势,倾向率为0.49 mm/10a。（2）空间上,降水量空间分布具有明显的差异性,由北至南呈阶梯式逐渐增多趋势,其中降水量最少的地区是以银川为代表的周边区域,最多的地区为黄河流域南部区域;极端降水量从北至南也具有逐渐增多态势,与降水量具有相似的空间分布特点,且极端降水量越多的地区降水总量也相对较多;极端降水强度表现出由流域西部向东部逐渐增多的趋势,西部最低值为不到20 mm/d,逐渐向东过渡到最大值为76 mm/d;极端降水比率的分布呈由北向南逐渐递减的特点,并且出现了以银川为中心的极大值和以西安为中心的极小值分布格局。     

西辽河地区植被气候生产潜力及其对气候变化的响应

植物生长依赖于气温、降水和日照等气象要素,对全球气候变化更为敏感。定量分析西辽河地区植被气候生产潜力变化特征及其对气候变化的敏感性,可为西辽河地区农业生产,生态保护和环境改善决策提供科学依据。基于西辽河地区11个站气象站1961—2018年的年平均气温和年降水量资料,运用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、累积距平和小波分析等方法,分析了西辽河地区植被气候生产潜力的时空演变及其对气候变化的响应。结果显示:研究期间,西辽河地区温度生产潜力(W_θ)和蒸散生产潜力(W_V)整体呈上升趋势,降水生产潜力(W_R)无明显变化趋势,平均值分别为1 120.19、647.12、695.50 g·m~(-2)·a~(-1),西辽河地区热量条件好于降水,且1980s是水热配比(W_R/W_θ)最好的年代;由气温、降水量和蒸散决定的标准气候生产潜力(W)平均为643.65 g·m~(-2)·a~(-1),气候倾向率为11.05 g·m~(-2)·(10 a)~(-1);近58 a,W经历了"少-多-少-多"的周期性变化,且在1982、1998、2011年发生突变;西辽河地区W呈现一致的正变化趋势,空间上表现为双辽、科尔沁左翼中旗、科尔沁左翼后旗、翁牛特旗为气候生产潜力的高值区,而开鲁县至奈曼一带为低值区;W对降水量变化更敏感,降水量的多寡主要决定了西辽河地区植被气候生产潜力的变化,在气候变化的背景下,未来该区W增加幅度在2.49%以上。     

基于高时空分辨率的气候变化对全球主要农区气候生产潜力的影响评估

气候变化背景下,对全球主要农区气候生产潜力进行定量评估不仅可以反映出该地气候生产潜力水平与光、温、水资源配合协调的程度及地区差异,而且对提高土地生产力水平,指导农牧业生产具有重要意义。以全球主要农业区为研究对象,应用全球高时空分辨率气象格点资料和气候生产潜力模型,评估了1981-2015年气候变化对全球主要农区气候生产潜力的影响。结果表明,(1)1981-2015年全球主要农区气候生产潜力呈波动上升趋势,在7.68-8.28t·hm~(-2)之间变化,平均为7.97 t·hm~(-2),最大值出现在2010年,最小值出现在1987年。(2)同年际变化相似,气候生产潜力年代际增长也十分明显,其中20世纪80年代和20世纪90年代之间的增长最显著。(3)35年间,全球主要农业区平均农业气候生产潜力空间分布的基本特点是南高北低,区域差异显著。全球农业区主要集中在东亚、南亚、中亚、西亚、南欧、大洋洲南部、南美洲东部和北美洲南部等地,最高值出现在亚洲东南部,为28.9 t·hm~(-2),北美洲南部、大洋洲南部、亚洲中部、非洲中部等地气候生产潜力较低,大部分地区在5.1t·hm~(-2)以下。(4)35年间,亚洲西南部、中部和北部以及北美洲中部和东南部等地的农业区气候生产潜力显著提高,大部分地区提高了0.00-6.00 t·hm~(-2);而在欧洲大部分地区、南美洲北部和东部、非洲中部和南部以及大洋洲大部分地区气候生产潜力明显减少,变化幅度在-7.99-0.00 t·hm~(-2)之间。总体而言,气候变化对亚洲和北美洲农业区农业生产有利,而对欧洲、南美洲、非洲和大洋洲农业生产不利。     

去趋势方法对建立不同海拔鱼鳞云杉-气候关系的影响

为探讨不同去趋势方法对建立不同海拔梯度鱼鳞云杉年表与气候因子关系的影响,完善鱼鳞云杉气候响应机制研究,以长白山北坡不同海拔鱼鳞云杉(Picea jezoenssis var.komarovii)为研究对象,采用保守曲线(NEP or LINE)、样条函数(CSS,35年步长)和区域曲线(RCS)3种去趋势方法建立树轮宽度年表.结果表明:(1)3种去趋势得到的年表对气候因子的响应特征具有一定的相似性,长白山北坡不同海拔鱼鳞云杉均与当年5月气温显著正相关(P0.05).(2)去趋势方法对鱼鳞云杉生长-气候关系的影响在不同海拔梯度上有所差别.去趋势方法对低海拔鱼鳞云杉样本年表信号影响最明显,对中高海拔鱼鳞云杉样本年表信号无明显影响.利用区域曲线法得到的年表对降水更为敏感,利用保守曲线法和样条函数法得到的年表则对温度更敏感.(3)中海拔(AZYL处)鱼鳞云杉年表在多项指标上明显优于其他两个海拔梯度,且表现出与当年生长季初期温度显著正相关(P0.05),与上年生长季温度、当年春季和生长季降水显著负相关(P0.05).低海拔主要受到生长季温度的影响,而高海拔鱼鳞云杉主要受到上年生长季降水的作用,且与当年8月降水显著负相关(P0.05).综上,去趋势方法对建立年表-气候关系的影响与年表自身气候敏感性有关,长白山不同海拔鱼鳞云杉去趋势方法研究中,区域曲线去趋势法总体上要优于保守曲线法和样条函数法,使用区域曲线去趋势方法有利于在年表中保留较多与降水相关的气候信号.     

青藏高原不同等级降水时空变化特征北大核心CSCD

利用1981-2019年青藏高原气象站的逐日降水量资料,研究青藏高原不同等级降水的空间分布特征和时间变化规律.结果表明:青藏高原主要以小雨和中雨为主,大雨和暴雨非常少.年平均不同等级降水日数和降水量总体均呈东南多、西北少的分布状态. 1981-2019年小雨等级降水日数总体呈不明显的减少趋势,高原东侧和东南侧显著减少;中雨等级的降水日数总体呈显著的增多趋势,显著站点主要出现在青海东北部和四川中部;大雨和暴雨等级降水日数总体为不显著的增多趋势.1981-2019年青藏高原不同等级降水量均呈增多趋势,其中小雨、中雨和大雨通过了95%置信度检验.进一步研究发现小雨等级降水日数的减少主要由0.1-1 mm的降水日数减少导致,而小雨等级降水量的增多则主要由6-10mm的降水量增加引起.综上所述,青藏高原不同等级降水日数和降水量均呈由东南向西北递减的分布特征,变化趋势的空间差异非常大,总体上小雨日数为减少趋势,其他等级降水日数和所有等级降水量呈增加趋势.(图10表1参31)     

近25年山西植被指数时空变化特征分析

在遥感及地理信息系统技术支持下,利用1982-2006年8 km×8 km的NASA/GIMMs植被指数(NDVI)数据,采用多种方法分析了山西高原近25 a来植被指数的时空动态变化规律.结果表明:①25 a来,山西省年均NDVI基本在0.33上下呈波动中上升趋势,表明山西高原植被活动在增强;②从季节变化来看,山西省春季和秋季的植被都在增加,冬季上升趋势较弱,夏季变化很小,呈现极弱的递减趋势;③空间上,植被指数南部好于北部,山区好于平原;④从植被变化趋势图中也可以看出植被呈现总体变好趋势,其中北部变好趋势明显,其次是南部;⑤植被年际变化表现出较为一致的变化趋势以及较为明显中部和南北反相的局地变化特征.     

气象水文因子对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力的影响

利用呼伦湖湿地50年的气象资料、水文资料和生态环境监测资料,采用迈阿密模型及回归统计分析方法,分析了气象水文因子对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力的影响,结果表明,①50年来该湿地植物气候生产潜力变化趋势总体为下降趋势,减少的气候倾向率为每10年157.7 kg·km-2,峰值时段为1970—1990年,两个谷值时段为1961—1969年、1991—2010年,最大值和最小值与降水量出现的最多值和最少值一一对应。②在15个气象水文因子中有年降水量、年蒸散量、生长季径流量、春季大风日数、水位、春季平均风速、年大风日数、水域面积8个因子达到显著性检验（P〈0.150～0.001）,上述8个因子的排序也是与湿地区域植物气候生产潜力相关程度由大到小的排序。综述表明,呼伦湖湿地区域呈暖干化趋势,并且干旱灾害比较严重,是限制气候生产潜力的重要原因。③气象水文因子协同作用对该湿地区域植物气候生产潜力的影响较大,复相关系数为-0.997,年蒸散量与年平均气温、年降水量、生长季径流量和水位因子对湿地区域植物气候生产潜力的贡献相反,随其减少或增加,湿地区域植物气候生产潜力变化率增加或减少149.7 kg·hm-2。可以看出,该湿地气象水文因子的匹配并不理想,暖干化趋势依然是制约该区光能利用率低下的重要原因。④该湿地区域植物现实的生产力远未达到气候生产潜力,约有近60%的潜力可以开发;光能利用率较小的主要原因：一是现有的生态保护、修复技术及管理水平还比较落后,二是该区域暖干化趋势显著;而提高气候资源利用率的有效途径是加大保护生态环境力度和积极实施人工增雨、节水灌溉工程。     

近50年淮河流域气候变化时空特征分析

在全球气候变化的背景下,流域水资源、农业和生态环境将对气候变化有不同程度的响应,研究淮河流域气候变化趋势和空间特征,将有益于制定应对气候变化的策略。利用1961─2010年淮河流域145个地面气象站观测资料,对近50年以来淮河流域常规气象要素的时间和空间特征进行分析,得出以下结论,(1)全流域年平均气温表现出升高的趋势,年平均气温变化有显著的空间差异性,南四湖地区、淮河干流中下游以南以及伏牛山区,为气温显著上升区;山区最高气温上升缓慢,而最低气温上升明显;全流域平均气温日较差有下降的趋势,气温日较差的空间变化呈现出流域中部平原区减小而其他地区增加的分布特征。(2)全流域地面气压呈降低趋势,空间差异性增大,淮河流域广大平原为降低速率慢的区域,上游桐柏山区和大别山区则为降低速率快的中心;风速的变化及其空间差异性总体上均呈减小趋势,但在淮干上游山区、沂蒙山区以及里下河沿海地区地面风速有增大的趋势。(3)流域西部相对湿度呈微弱增大的趋势,而流域东部呈微弱减小的趋势;日照时数逐年递减的趋势比较明显,空间上呈现流域西部递减的趋势比东部明显。(4)年均降水量以淮河干流为界,呈现南部增多,北部减少的特征,导致流域年平均降水量南多北少的空间分布差异呈增大趋势。     

气候暖干化对半干旱区春小麦产量形成的影响

利用1986─2013年典型黄土高原半干旱区春小麦(Triticum aestivum Linn.)试验资料,结合试验区气象站1958─2013年气候要素观测数据,研究气候变化对春小麦产量形成的影响,为应对气候变化提供科学依据。结果表明:1958─2013年试验区降水量呈下降趋势,气候倾向率为-10.966 mm/10 a;降水量年际波动大,变异系数为20.3%。春小麦主要生长发育时段的3─6月降水量也呈减少趋势,3─6月降水量变异系数为33.2%。试验区气温呈极显著上升趋势,气候倾向率为0.378℃/10 a。春小麦生长季干燥指数也呈上升趋势。20世纪90年代后暖干化特征明显。试验区春小麦产量与5月下旬─6月上旬气温呈极显著负相关(r=-0.492,P0.01),气温偏高,小花分化速度加快,有效小花减少,无效小花增加,结实率降低,导致春小麦产量下降。试验区春小麦产量与其生长季降水呈显著正相关(r=0.306,P0.05),说明黄土高原半干旱区小麦全生育期降水不足是影响春小麦产量的主要气候因素。而春小麦产量形成对5月中旬─5月下旬降水量的变化尤为敏感,此时段是小花开始分化到花粉母细胞四分体形成时的水分临界期,是春小麦需水关键期,降水量减少,部分花粉和胚珠不育,结实率显著下降,产量降低。结论:降水量是影响春小麦产量形成的关键气候因子;而气温增高是春小麦产量形成的主要限制因子。黄土高原半干旱区气候暖干化背景下,春小麦产量呈下降趋势;气候因素对春小麦发育和产量的负效应增大,产量的不确定性增加。