未来黑龙江省15 ℃界限温度特征分析

庞 博，李百超

（1.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨150030；2.黑龙江省气象局，黑龙江 哈尔滨150001）

1 引言

气候变化是当前人类所面临的全球性环境问题。2007年政府间气候变化专门委员会(IPCC)进行了第四次评估报告， 报告指出由于温室气体的大量排放，全球100 a（1906-2005年）增温平均0.74 ℃，预计到2100年全球平均增温预计最高将达到1.1-6.4℃[1]。地处中国最北端的黑龙江省自上世纪80年代以来气候明显变暖，120 a 来气温上升1.4 ℃， 近50 a来气温上升1.0 ℃，黑龙江省现已成为全国气候变暖中心[2]。 南北跨越11 个纬度的黑龙江省，地域辽阔，地形复杂多变，各种喜温、喜凉作物广泛种植；热量资源一直是限制黑龙江省农业生产的重要气象因子，而气温受纬度、海拔高度及地形的影响，差异显著。 积温带则成为黑龙江省各种作物种植界限的重要参考依据。 气候变暖背景下，气温上升，积温增加，将直接导致黑龙江省各个积温带的明显变化和移动。

近年来，利用SRES 的情景模式研究未来一段时期的气候变化国内外已见诸多报道， 主要集中在气候资源配置的趋势演变， 农作物种植结构的可能性变化及作物产量的模拟等方面， 其研究都在不断的探索、揭示气候变化背景下，气候因子和农业生产等方面发生的变化和响应， 及如何适应气候变化的事实， 这些研究对我国应对气候变化提供了强有力的理论支撑。

农业气候上常用的界限温度有日平均温度0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃等。 界限温度的出现日期、持续日数对确定地区的作物布局、耕作制度、品种搭配等都具有十分重要的意义。 气温稳定通过15 ℃的初日是喜温作物旺盛生长的开始。 ≥15 ℃的天数可作为喜温作物如水稻、 玉米等作物生长发育是否有利的指标，称为旺盛生长期。 鉴于此，本文采用区域气候模式PRECIS 输出的SRES B2 情景数据， 与基准时段（1961-1990年）比较，着重分析15 ℃界限温度变化特征，预估黑龙江省各积温带格局的演变过程，为黑龙江省未来农业生产规划提供理论支撑， 保证农业生产的前瞻性和预见性， 稳定和巩固黑龙江省在全国粮食生产中的重要地位。

2 资料与方法

2.1 数据来源

使用区域气候模式PRECIS 输出的SRES B2 情景下2021-2050年、基准时段（1961-1990年) 网格点(分辨率50 km×50 km )逐日平均气温数据，研究未来黑龙江省15 ℃界限温度的特征变化。B2 情景的构建条件是区域可持续发展情景，人口以略低A2 的速度增长，世界体现出区域化倾向，并注重区域生态。

2.2 研究方法

2.2.1 80%保证率

选定农业气象界限温度15 ℃为研究对象， 其依据为稳定≥15 ℃时期为黑龙江省主栽作物水稻、玉米的旺盛生长期。

利用5 d 滑动平均法求算黑龙江省SRES B2 情景下2021-2050年、 基准时段逐日平均气温稳定通过15 ℃的初日和终日，计算≥15 ℃的持续日数和活动积温。

应用SPSS 软件对积温样本进行偏度系数和峰度系数的正态分布检验，经检验，所有样本均符合正态分布。

农业生产既希望充分利用气候资源获得高产，又要求产量能够相对稳定， 所以要求气候资源有较高的保证率。 本研究利用Office 2003 中Excel 函数NORMINV，采用经验值80%[3]求算SRES B2 和基准时段样本正态分布下80%保证率初日、终日、间隔日数和活动积温。

2.2.2 等值线与栅格图的制作

1月1日为日续1，1月2日为日续2， 以此类推，利用ArcGIS 绘制≥15 ℃的初日日续、终日日续、间隔日数等值线图。

采用SPSS 软件，分析网格点积温与经度、纬度、海拔高度之间的关系，拟合优化回归方程，建立空间计算模型[4]。

表1 为拟合得到的SRES B2 情景与基准时段黑龙江省≥15 ℃活动积温的空间分析模型。 回归方程经T 检验和回归系数检验， 均达到P＜0.01， 模型成立。

利用回归模型，应用ArcMAP 的空间分析模块生成均质的积温模拟栅格数据； 并将模型计算值与点积温值进行对比，得到各点回归后的剩余残差值，采用反距离权重法进行空间插值[5]，将空间插值得到的各个点上的剩余残差值订正到模拟积温栅格上，即得到积温的气候栅格图。

表1 SRES 模拟黑龙江省≥15 ℃积温空间分析模型

2.2.3 ≥15 ℃积温带精细划分标准

本文根据黑龙江省现行的≥10 ℃积温带划分标准[6]即每200 ℃·d 为一积温带(表2)，制作≥15 ℃积温带区划图。

表2 黑龙江省≥15 ℃积温带划分标准

3 结果与分析

3.1 稳定通过15 ℃初日、终日和间隔日数分析

黑龙江省现分为13 个市级地区， 其中齐齐哈尔、绥化、大庆和哈尔滨属松嫩平原；鹤岗、佳木斯、双鸭山、七台河和鸡西属三江平原。 松嫩平原、三江平原和黑河地区为黑龙江省主要农业种植区。

图1 中a、c 和e 为B2 情 景下2021-2050年稳定通过15 ℃初日、终日和间隔日数等值线图，b、d 和f 为B2 情景与基准时段初日、 终日和间隔日数差值的等值线图。

由图1a 可见，SRES B2 情景2021-2050年≥15℃初日松嫩平原、三江平原和黑河地区稳定通过时间为4月30日-5月30日， 其中松嫩平原西南部稳定通过时间最早， 从西南至东北方向稳定通过时间逐渐延后。较之基准时段，农业种植区大部初日提前5-15 d（图1b），其中松嫩平原中部初日提前不足5 d，黑河大部初日提前明显，为10-15 d。

由图1c 可见，农业种植区≥15 ℃终日时间集中在8月18日之后出现，其中松嫩平原中南大部和三江平原大部终日时间较晚，在8月28日后。 较之基准时段，农业种植区大部终日延后5-15 d（图1d），其中松嫩平原西南部、三江平原、黑河东北部终日延后时间较长，为10-15 d。

由图1e 可见，农业种植区≥15 ℃初终日间隔日数为70-110 d， 其中松嫩平原中南大部间隔日数最长，为90-110 d；三江平原大部间隔日数较长，为80-100 d；黑河大部间隔日数为70-90 d。较之基准时段，农业种植区间隔日数增加15-30 d（图1f），其中松嫩平原西部及东北部、三江平原大部和黑河地区间隔日数增加明显，为20-30 d。

图1 黑龙江省B2 情景下稳定通过15 ℃初、终日及间隔日数与其基准时段差值的等值线分布

3.2 SRES 模拟未来积温带的界限变化

按照SRES 模拟未来 （2021-2050） 气候变化情景,B2 情景下未来≥15 ℃积温的分布特点为，松嫩平原大部为1 800-2 600 ℃·d，积温梯度大。 三江平原大部为1 800-2 200 ℃·d， 黑河农区为1 200-2 000℃·d；按照划分标准，B2 情景下黑龙江省可划分出8个≥15 ℃积温带，与基准时段模拟值比较，松嫩平原新出现F、G 和H 积温带，三江平原新出现E 和F 积温带，E、F、G 和H 积温带基本覆盖了松嫩平原和三江平原，其中F 区域范围为122.73-134.13°E、43.71-48.53°N；G 区 域 范 围 为122.87-127.87°E、44.40-47.98°N；H 区 域 范 围 为123.11-126.34°E、45.17-47.25°N。

各积温带具体变化表现为，E 积温带大幅度北移、东扩，西拓至黑龙江省最西端，东扩至三江平原最东端， 达8.2 个经距以上， 积温带主带北移至49.47°N，北移约2.2 个纬距；非主带移至黑河北部的黑龙江流域， 最远达3.3 个纬距。 D 积温带北移至50.6°N，北移约2.5 个纬距。C 积温带北移至51.76°N，进入呼玛县境内，北移约3.6 个纬距。 B 积温带北移至52.34°N，北移约3.5 个纬距。原覆盖黑龙江省一半面积的A 积温带急剧北收至大兴安岭境内，至600 m以上的高海拔地区。 A 和B 积温带在黑龙江省农业种植区消失；C 积温带退至350-450 m 的较高海拔地区，在农业种植区基本消失。

黑龙江省各地较基准时段≥15 ℃积温均显著增加；除大兴安岭、伊春等高海拔地区较基准时段偏多300-500 ℃·d 外，其它大部地区偏多500-700 ℃·d，其中三江平原东部偏多700 ℃·d 以上； 农业种植区≥15 ℃积温较基准时段跨越2.5-4 个积温带。

3.3 SRES 模拟的未来积温带的面积变化

对比SRES B2 情景下2021-2050年与基准时段（1961-1990年） 模拟结果划分的积温带统计面积可得，在基准时段，黑龙江省只有A、B、C、D 和E 五个积温带；A 积温带的面积最大， 占黑龙江省总面积达51.9%；其次为B 积温带，占20.8%；E 积温带的面积最小， 占7.8%。 按照SRES B2 情景模拟后，2021-2050年黑龙江省除了上述积温带，又新出现F、G 和H 积温带；A 积温带急剧收缩， 面积仅占黑龙江省总面积20%，比基准时段减小了31.9 个百分点，区域面积缩小2/3；B 积温带面积占7.4%， 比基准时段减小13.4 个百分点，区域面积缩小近2/3；C 积温带面积占10%，比基准时段减小了1.4 个百分点，区域面积变化不大；D 积温带面积占8.2%，比基准时段增加4 个百分点，区域面积扩大1/2；E 积温带面积占7.8%，比基准时段增加9.8 个百分点， 区域面积扩大1倍以上；F、G 和H 积 温 带 面 积 分 别 占17.9%、9.6%和5.2%。1600 ℃·d 以上积温面积总和占62.5%，比基准时段增加46.5 个百分点， 区域扩大3倍左右。 可见SRES B2 情景下，2021-2050年黑龙江省≥15 ℃总体表现为1600 ℃·d 以下的积温带面积明显收缩，1600 ℃·d 以上的积温带面积显著扩大。

4 结论与讨论

气候变化情景下，2021-2050年黑龙江省农业种植区的15 ℃界限温度特征表现为初日提前、 终日延后，初终日间隔日数明显增加的趋势，其中初日提前约5-15 d，终日延后5-15 d，间隔日数增加约10-30 d。 ≥15 ℃积温显著增加， 农业种植区均增加500-800 ℃·d，松嫩平原新出现2 000-2 600 ℃·d 的3 个积温带，三江平原大部新出现1 800-2 200 ℃·d 的2个积温带；1 600-2 000 ℃·d 的2 积温带表现出大幅北移东扩， 北移2.2-2.5 个纬距、 东扩8.2 个经距以上， 面积扩大近1倍；1 600 ℃·d 以上5 个积温带面积总和占黑龙江省总面积的一半以上， 基本覆盖农业种植区；1 600 ℃d 以下3 个积温带不断北移，并向高海拔地区移动，面积明显减少，其中1 200-1 600℃·d 的2 个积温带北移约3.5 个纬距，在农业种植区基本消失；1 200 ℃·d 以下的积温带面积收缩最显著，并在农业种植区完全消失。

水稻和玉米为喜温作物， 在气候变化情景下未来黑龙江省热量资源增加，冷害减少，水稻和玉米将是受益较大的作物，同一熟性的玉米、水稻品种种植界限随着积温带的移动而北移，东扩；玉米与水稻生育期间≥15 ℃时间增加10-30 d，显著增加旺盛生长时间，因此作物的形态建成和产量将发生改变。 作物品种逐渐向中、晚熟过渡，加之种植界限的北移、东扩， 因此将进一步扩大未来黑龙江省水稻和玉米产量的增产空间。

为充分利用和开发未来积温增加这一有利的农业气候资源，使农业生产适应气候变化，应深入研究和制定农业发展规划和发展战略， 采取各种适应性对策措施， 如调整作物育种目标， 开展农田基本建设，发展灌溉农业和生态农业，改善农田生态环境，加强气象灾害的研究等措施减少气候变暖造成的农业生产损失，改善水热条件配置，充分发挥气候变暖给黑龙江省农业生产带来的优势， 保证农业的合理发展。

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