武夷山国家公园热量资源时空分布特征研究*

张玉琴 李丽纯 廖 廓 刘桐恺

(1.福建省灾害天气重点实验室，福建 福州 350001; 2.福建省气象科学研究所，福建 福州 350001;3.福建省气象台，福建 福州 350001)

0 引言

2013年IPCC第五次气候变化评估报告明确指出，1880—2012年全球平均地表气温(包括陆地和海洋)升高了0.85℃，至21世纪后期全球平均地表气温将会继续升高0.3～4.8℃，气候呈现明显的增暖趋势[1]。全球气候增暖引起全球热量资源变化，促使水循环进一步加剧，从而引起水资源、热量资源时空分布愈加不均匀，进而导致极端气候事件发生频率和强度均增大，容易诱发森林自然灾害，对森林生态系统结构与功能影响严重[2]。

热量资源是重要的气候资源之一，通常用温度的高低、积温的多少和界限温度及无霜期长短等来衡量某地区热量资源的多少，它的时空分布是影响一个地区的生态环境、植被分布和气象灾害发生等的重要因素[3-4]。21世纪以来，许多学者就不同空间尺度上气候变暖引起的热量资源变化进行了研究[5-6]，既有针对我国华东[7]、华北[8]、华南[9]和青藏高原[10]等大地理区域的分析，也有省市范围的研究[11-12]，均得到热量增加的结论。

武夷山国家公园拥有全球同纬度带保存最为完整、面积最大的典型中亚热带原生性森林生态系统，热量资源变化会直接导致森林植物物候[13]、物种分布[14]及生物多样性[15]发生变化，但仅有宋蝶等[16]对江西武夷山气候变化进行了研究，对武夷山国家公园热量资源时空分布特征的研究未见报道。为此，本文利用1961—2020年武夷山国家基本气象站与1983—1986年4个亚热带东部丘陵山区农业气候资源气象站(黄坑、三港、坳头、七仙山)旬平均气温资料建立回归方程，延长4个丘陵气象站气温资料，再结合2017—2020年4个区域自动气象站(廓前村、桐木村、桐木关和七仙山)旬平均气温资料，对武夷山国家公园热量资源的季节内变化、年际变化和垂直变化特征进行分析，阐明热量资源的时空分布特征，以期为应对气候变化、保护武夷山国家公园生态系统资源提供参考。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

武夷山国家公园位于福建省北部，周边分别与福建省武夷山市西北部、建阳市和邵武市北部、光泽县东南部、江西省铅山县南部毗邻，范围涵盖武夷山国家级自然保护区、武夷山国家级风景名胜区和九曲溪上游保护地带3个区域，总面积982.59km2。武夷山国家公园属于中亚热带季风气候区，保存了地球同纬度带最完整、最典型、面积最大的中亚热带原生性森林生态系统，地貌类型丰富，森林覆盖率达87.86%，相对海拔最高达1700m，植被类型多样且垂直带谱明显，良好的生态环境和特殊的地理位置，使其成为地理演变过程中许多动植物的“天然避难所”，生物物种资源极其丰富[17]。从环流形式、天气过程和要素特征的转折划定福建的自然天气季节：3～6月为春季，7～9月为夏季，10～11月为秋季，12～2月为冬季[18]。

1.2 资料选取

选自福建省气象局提供的以下资料：①武夷山国家基本气象站(站号：58730，海拔：223m)旬平均气温资料(1961年1月-2020年3月)；②4个亚热带东部丘陵山区农业气候资源气象站(简称丘陵气象站，包括黄坑(340m)，三港(750m)，坳头(940m)，七仙山(1409m))旬平均气温资料(1983年4月～1986年3月)；③与4个丘陵气象站相邻的4个区域自动气象站(包括廓前村(344m)、桐木村(759m)、桐木关(1150m)和七仙山(1414m))旬平均气温资料(2017年4月-2020年3月)。

1.3 方法介绍

1.3.1 丘陵气象站资料延长及代表站选取

首先计算1983年4月-1986年3月武夷山国家基本气象站与4个丘陵气象站(坳头、黄坑、七仙山和三港站)旬平均气温的单点相关，发现它们的相关系数(R值)均超过0.9，都通过99%显著性水平的置信度检验，表明武夷山本站平均气温在季节内时间尺度上的变化与4个丘陵站非常一致。接着对武夷山国家基本气象站与4个丘陵气象站旬平均气温分别建立回归方程(如图1所示)，利用武夷山本站气温资料，将丘陵站气温资料延长到1961年1月-2020年3月，并将延长得到的2017年4月～2020年3月丘陵站气温资料分别与同期的相邻区域自动站进行对比验证(图略)，二者值非常接近，说明回归方程推算延长不同高度资料的方法是可行的；并且，武夷山国家基本气象站与丘陵站气温的季节内变化一致，故将武夷山国家基本气象站作为代表站，使用其气温资料来分析武夷山国家公园热量资源的变化特征。

1.3.2 趋势分析

气象要素的变化可以用一元线性回归方程表示[19]：

xi=a0+a1×t

式中，a1为回归系数，也称气候倾向率，表示气候变量的长期趋势倾向。a1>0时，表明随时间的增加气候变量呈上升趋势，反之亦然。回归系数的大小反映了上升或下降的速率。其计算公式为：

a1=Rst×σx/σt

式中，σx、σt分别为气象要素x与时间序列的均方差，Rst为趋势系数，可以判断气候因子在长期变化过程中的上升或下降趋势。其计算公式为：

另外，还应用了相关系数及显著性检验方法[20]。

2 武夷山国家公园热量资源时空分布特征

气温是反映某一地区气候特征的重要参数之一，气温的高低是某一地区热量资源丰欠程度的主要指标。在全球气候变暖的大背景下，武夷山国家公园的气温也在发生变化。

2.1 季节内变化特征

为考察武夷山国家公园气温的季节内变化，本文利用武夷山国家基本气象站、4个区域自动气象站和4个丘陵气象站的旬平均气温资料，分析了同一地点不同时段内的季节内气温差异，以及同一时段不同地点间的季节内气温差异。

图1给出了1983年4月～1986年3月丘陵气象站和2017年4月～2020年3月相邻的区域自动气象站旬平均气温的季节内变化，武夷山国家公园季节内平均气温大致呈单峰型变化，20世纪80年代中期最低旬平均气温主要出现在12月下旬(第36旬)～1月上旬(第1旬)，最高旬平均气温主要出现在7月中旬(第20旬)；21世纪10年代后期最低、最高旬平均气温的出现时间都推迟，最低旬平均气温主要出现在1月下旬(第3旬)～2月上旬(第4旬)，最高旬平均气温主要出现在7月下旬(第21旬)。同时，除了由于站点海拔差异210m导致的坳头丘陵站(940m)比桐木关区域自动站(1150m)旬平均气温高0.8℃外，其余3个丘陵站(黄坑、三港和七仙山)均比相邻的区域自动站(廓前村、桐木村和七仙山)旬平均气温低1.1～1.8℃，表明21世纪10年代后期较20世纪80年代中期平均气温高。

(a)黄坑丘陵站和廓前村区域自动站 (b)三港丘陵站和桐木村区域自动站

从图2和图3对比可知，从不同海拔高度气象站气温来看，20世纪80年代中期11月上旬(第31旬)～12月上旬(第34旬)在约750～1000m范围内常出现逆温现象，即温度随高度增加而降低；21世纪10年代后期11月下旬(第33旬)～3月中旬(第8旬)在约1100～1400m范围内常出现逆温现象。

图2 1983年4月～1986年3月武夷山国家基本气象站和4个丘陵气象站旬平均气温

图3 2017年4月～2020年3月武夷山国家基本气象站和4个区域自动气象站旬平均气温

2.2 年际变化特征

为进一步了解武夷山国家公园气温的年际变化特征，分析了1961—2019年武夷山国家基本气象站四季和全年的年平均气温距平，并将1961—2019年武夷山本站年平均气温与延长后的1961—2019年4个丘陵站年平均气温进行对比分析。

从图4(a)可以看到，武夷山国家公园年平均气温呈明显的上升趋势(R=0.72，通过99%显著性水平的置信度检验)，1961—2019年总共上升了近1.35℃，趋势倾向率达到了0.229℃/10a，1990年以前年平均气温相对较低，多为负距平，1990年以后年平均气温增高，除1992年、1993年、1995年、1996年和2012年为负距平外，其余年份均为正距平，表明武夷山年平均气温上升主要是从20世纪90年代开始的。从季节上看(如图4b～e)，平均气温在四季均有不同程度的上升，其中，冬季最为明显，趋势倾向率为0.342℃ /10a，秋季次之，趋势倾向率为0.308℃ /10a，春季的趋势倾向率为0.169℃/10a，夏季升温最不明显，趋势倾向率为0.154℃/10a，四季增温均通过99%显著性水平的置信度检验。秋冬季气温变化较为相似，从80年代中期开始都呈现出明显的上升趋势，而春夏季气温上升是从90年代以后开始的。

(a)全年

从图5可以发现，4个丘陵气象站年平均气温同武夷山国家基本气象站相似，均呈明显的上升趋势(R值都通过99%显著性水平的置信度检验)，1961—2019年总共上升了1.27～1.36℃，趋势倾向率达到了0.216～0.230℃/10a。

图5 1961—2019年武夷山国家基本气象站和4个丘陵气象站年平均气温(虚线)和气候趋势(实线)

2.3 垂直变化特征

从图6可以看出，武夷山国家公园全年和四季的平均气温都随高度增加而降低，但全年和四季的平均气温直减率略有不同，其中，夏季最高，约为0.52℃/100m，冬季最低，约为0.46℃/100m，春秋季相当，均约为0.49℃/100m，而1961—2019年平均气温直减率约为0.49℃/100m。

图6 1961—2019年武夷山国家公园年平均气温垂直变化

从1961—2019年武夷山国家公园年平均气温垂直变化的年代际变化图(图7)可以看到，20世纪60年代至21世纪10年代的年平均气温都随高度增加而降低，且各年代的年平均气温直减率都为0.49～0.50℃/100m；此外，武夷山国家公园各海拔高度的年平均气温在20世纪60年代至80年代均在降低，20世纪90年代至21世纪10年代均在升高，且20世纪90年代增温幅度最大。

3 结论与讨论

本研究利用1961—2020年武夷山国家基本气象站和1983—1986年4个丘陵气象站气温资料，结合2017—2020年4个区域自动气象站气温资料，对武夷山国家公园热量资源的时空分布特征进行了分析研究，主要结论如下。

(1)武夷山国家公园季节内平均气温大致呈单峰型变化，20世纪80年代中期最低旬平均气温主要出现在12月下旬(第36旬)～1月上旬(第1旬)，最高旬平均气温主要出现在7月中旬(第20旬)；21世纪10年代中期最低、最高旬平均气温的出现时间都推迟，最低旬平均气温主要出现在1月下旬(第3旬)～2月上旬(第4旬)，最高旬平均气温主要出现在7月下旬(约第21旬)。

(2)武夷山国家公园年平均气温呈明显的上升趋势，1961—2019年共上升了近1.35℃，趋势倾向率达到了0.229℃ /10a，同时武夷山年平均气温上升主要是从20世纪90年代开始。从季节上看，平均气温在四季均有不同程度的上升，其中，冬季最为明显，趋势倾向率为0.342℃ /10a，夏季最不明显，趋势倾向率为0.154℃ /10a；秋冬季气温从80年代中期开始呈现明显上升趋势，而春夏季气温上升是从90年代以后开始的。

(3)武夷山国家公园1961—2019年全年和四季的平均气温都随高度增加而降低，但平均气温直减率略有不同，其中夏季最高，约为0.52℃ /100m，冬季最低，约为0.46℃ /100m，春秋季相当，均约为0.49℃ /100m，而1961—2019年平均气温直减率约为0.49℃ /100m。

(4)武夷山国家公园从20世纪60年代至21世纪10年代的年平均气温都随高度增加而降低，且各年代的年平均气温直减率都为0.49～0.50℃/100m，各海拔高度的年平均气温在20世纪60年代至80年代均在降低，20世纪90年代至21世纪10年代均在升高，且20世纪90年代增温幅度最大。

本文主要对武夷山国家公园热量资源的时空分布进行了研究，但热量资源变化如何导致武夷山国家公园生态系统资源变化？在全球变暖背景下，光照、水分等其他气候要素也发生了变化，都会对武夷山国家公园生态系统资源产生影响，这都有待于今后作进一步研究。