B2气候情境下辽宁农业气候资源演变特征探讨

蒋林杉　华婧婧　唐秋艳　王焕毅　刘闯

摘 要：农业气候资源特指对农业生产具有正向影响且可以直接参与农业生产过程的温度、光照辐射、降水的组合或单一条件。为了解B2气候情境下辽宁农业气候资源的演变特征，文章选用英国Hadley中心区域气候模式系统PRECIS构建的未来时段（2021—2050年）B2情境气候数据，借助空间分析法，预先探讨了辽宁农业气候资源的演变特征，以期为辽宁地区未来30a农业种植结构的调整提供一定借鉴。

关键词：B2气候;辽宁;农业气候

中图分类号：S16 文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130035

前言

农业气候系统是一个涉及海洋、大气、冰雪、陆地、生物等要素的系统，复杂度较高，相关要素之间会相互作用，并受外界影响。而农业气候资源演变特征是当前科學界预先估测未来气候对农业影响的主要成果，常以图形数据表示，类似于天气预报，可作为农业种植决策者的科学依据。因此，在B2气候情境下，探讨辽宁农业气候资源的演变特征具有非常重要的意义。

1 B2气候情境概述

气候情境又可称之为气候变化情境，主要是立足于一系列科学假设，对未来气候状态时间、空间分布形态的恰当描述[1]。B2气候情境则是由英国Hadley中心区域气候模式系统PRECIS构建的未来时段（2021—2050年）情景，可以有效模拟我国辽宁区域地面气温的局部分布特征。由B2排放方案驱动模拟所获得的逐日气候信息揭露了辽宁未来气候变化状况，在模拟结束后，将相关数据进行反比等距差值到0.25°×0.25°格点上，可以形成作物模型数据库，获得精确度更高的气象数据。而将气象数据逐格点输入到农业气候资源模拟模型中进行模拟，可以获得B2气候情境下未来农业气候资源的演变特征。

2 B2气候情境下农业气候资源演变特征的研究区概况

辽宁是中华人民共和国省级行政区，位于辽河流域，毗邻渤海、南海、内蒙古、河北、吉林、鸭绿江，介于N38°43′～43°26′，E118°53′～125°46′，陆地总面积占我国陆地总面积的1.5%。辽宁省地势大致可以看作由北部向南部、由东西两侧到中部倾斜，山地丘陵呈现马蹄状向渤海倾斜，属于温带季风气候。

在2016年8月辽宁省人民政府办公厅印发《辽宁省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》之后，辽宁省现代农业进入了快速转型升级期，农业质量效益显著提升，粮食产量年均在2.0×107t以上，位居全国粮食生产省前列，蔬菜产量、水果产量分别在4.0×107t、8.82×106t以上，肉蛋奶产量均位列全国前列，为千万亩设施农业建设及提质增效工程推进奠定了基础。

3 B2气候情境下辽宁农业气候资源演变特征的研究方法

3.1 基本式

新时期，以全世界气候变暖为主要特征的气候变化已对生态系统、社会发展造成严重冲击，气候变化也成为农业研究热门。而分析B2气候情境下的未来气候变化特征是气候变化研究的基础。在具体分析时，可以引入气候倾向率这一数值对未来时间段辽宁农业气候资源的时空演变特征进行探究。

气候倾向率可以在Excel中通过SLOPE函数进行计算，设定某区域某一气候要素时间序列为Y1、Y2、…Yn，利用多项式可表示为：

Y_n∧t=a₀+a₁t+a₂t₂+…+a_mt_n（1）

式（1）满足一次直线方程与二次曲线方程，t为时间，a为时间的单位，可以进行温度、降水气候演变趋势及特征的定量表述。若利用一次直线方程定量描述式为yt=a₀+a₁t，则农业气候温度（或降水）趋势变化率方程为：

dyt/dt=a₁（2）

式中，a₁×10被称之为气候倾向率，单位为℃·10a^-1（mm·10a^-1），可利用经验正交多项式、最小二乘法验证。

3.2 研究法

在辽宁区域气候资源演变特征研究时，由于涉及了诸多农业气候资源，可以利用xi表示某一气候要素，如温度、辐射（生长季太阳总辐射）、降水（生长季降水）等。则某要素xi与ti间的一元线性回归为：

^︿x_i=c+et_i（3）

式中，i的取值范围在1～50，均为自然整数。︿x_i为气候要素拟合值，e×10表示气候要素10a的变化速率，即气候倾向率。式（3）可看作式（1）中最为简单的特殊线性回归形式，即借助时间序列分析的方法，利用一恰当直线，表述某一要素x、对应时间t间联系[2]。

4 B2气候情境下辽宁农业气候资源演变特征的研究结果

4.1 温度

温度的持续增高会导致未来农作物生长发育发生显著变化，但农业气候资源——温度，对以玉米为代表的辽宁农作物影响的机制复杂度较高，气象要素发生变化除在间接层面影响辽宁农作物生长发育外，还可以直接对农作物的蒸腾作用产生较为明显的影响[3]。因此，可以选取若干个点，分布处于辽宁中部、北部、南部，采取算术平均值计算的方式获得代表整个区域的温度数据并进行1a 4个季节的时间序列构建。依据辽宁省气候特点，季节可以划分为上一年11月—3月、4—5月、6—8月、9—10月。采用气候趋势系数加气候倾向率，分析温度变化趋势。在Mann-Kendall法支持下进行温度突变检测，脱离样本必须遵从线性分布的限制，降低少数异常数值的干扰，为适用于温度等非正态农业气候资源演变数据分析提供依据。一般可用≥10℃积温作为B2气候情境下辽宁农业温度演变特征研究重点。2021—2030年，辽宁省处于3600℃·d-1以下的积温地区处于向下发展状态，逐步从东部开始扩展到北部;2031—2040年，辽宁省整个地区积温相较于上一个10a出现显著向上发展趋势，以3800℃·d-1为分界线，分界线温度以上地区也逐步由南部扩展至中部。与此同时，以3600℃·d-1为分界线，处于该分界线以下区域面积呈现出减少态势;2041—2050年，辽宁省各地温度没有发生可以观察到的大幅度变化。

总的来说，未来30a辽宁省≥10℃积温总体呈现出向上发展势头。而从各地≥10℃积温情况来看，环渤海地区每10a温度向上发展幅度低于90℃·d-1，除渤海地区每10a温度向上发展幅度则超出100℃·d-1。热量的大幅度增加，将导致辽宁个别地区作物生育期延长，扩展农作物种植范围，突破以往由于热量条件约束而无法种植的农作物引进瓶颈，丰富区域农作物种植种类。

4.2 降水

B2情境下，辽宁省未来30a农作物生长季节降水的年代际变化呈现出剧烈波动趋势。2021—2030年，除辽宁省西北部而言，其余地区降水量均有所减少，年降水在700mm以上的区域面积持续下降，年降水在500mm的区域则完全消失。这一情况将有效缓解辽宁西部地区的干旱情况，为已发生干旱地区农业生产提供有益影响，但是易增大中东部地区农田渍涝灾害发生率[4]。

2031—2040年，辽宁省各区域年度降水量呈现阶梯状减少，出现年降水在500mm以下区域，为辽河流域及周边地区，而年降水在700mm的区域则消失。这一现象将增加辽宁西部地区干旱灾害危害程度，但对辽宁中东部湿度偏大地区的农业生产具有良好作用。

2041—2050年，辽宁省整个区域内年降水量均呈现出向上递延趋势。年降水在500mm以下的地区面积缩小，主要集中在西北部地区、西部地区及大连南部。但年降水在700mm以上的地区面积扩大，集中分布于辽宁东部、南部大部分地区。

从农业气候整体趋势来看，辽宁地区年降水呈现出向下发展趋势，从辽宁西部到辽宁东部年降水减小幅度呈现出递增趋势。其中以辽宁东部地区年降水量向下发展波动值最大，为20mm·10a-1，其余地区年降水减少趋势则处于浅显状态。

4.3 霜降

霜降在本次研究中特指出现霜的时间，以日最低温度2.0℃为判定指标，对初次出现霜、最终出现霜的年代际变化进行剖析[5]。2021—2030年，辽宁地区初次出现霜的日子少数在9月27日及以前，且范围处于递减状态，大多数在10月17日以后，且范围处于递增状态，北部地区90%以上初次出现霜的时期在10月17日及以后;而辽宁省最后一次出现霜的日子大多处于5月1日，覆盖区域呈现出显著减小趋势，表明辽宁整个地区的无霜期进一步萎缩。

2031—2040年，辽宁地区初次出现霜的日子在10月7—17日，完全覆盖北部及周边。而辽宁省最后一次出现霜的日子少部分处于5月1日，较前1个10a所涉及的区域面积进一步减小。

2041—2050年，辽宁地区初次出现霜的日子再次向后延伸，即10月17日之后辽宁地区初次出现霜的范围逐步扩大。与此同时，9月27日后辽宁地区初次出现霜的情况出现概率持续减小;辽宁省最后一次出现霜的日子极个别处于5月1日，如辽宁东北部、辽宁西北部、辽宁东部、辽宁西部等。

总的来说，2021—2050年的30a间，辽宁地区初次出现霜的日子呈现出向后延伸的倾向，以显著性水平P为分析依据，空间分布最为显著的区域为辽宁北部、西部、东部。从辽宁地区最后一次出现霜的日子的年代际空间分布格局变动情况进行分析，可知辽宁省多数地区最后一次出现霜的日子呈现出提前趋势，整体无霜期时间限制缩短。同时多数地区最后一次无霜期到来时间提前了1～2d，北部地区、东部地区变化显著。受初次出现霜的日子延后、最后一次出现霜的日子提前的双重作用，辽宁整个地区的无霜期再次延长，未来30a辽宁东北部地区热量资源将出现显著递增趋势。

4.4 辐射

从B2气候情境入手，以辽宁农作物生长季4月、5月、6月、7月、8月、9月为重点，对区域太阳总辐射年代际变化进行分析可知，2021—2030年，辽宁多数地区太阳辐射呈现出较为明显的减少特征。以3100MJ·m-2为分界线，超出该分界值的区域仅为环渤海地区，其余地区的太阳辐射量均低于这一数值;而2031—2040年，该区域太阳辐射资源出现较为显著地向上递增趋势。以3200MJ·m-2作为分界线，仅中部部分地区、北部地区小于该数值，其余地区均高于该数值;2041—2050年，辽宁地区的太阳能总辐射量再次呈现出向下发展趋势，多数地区太阳总辐射在3100MJ·m-2以下。

通过对未来30a辽宁省太阳辐射变化趋势的空间分布进行剖析，辽宁省农作物生长季节太阳能总辐射多数地区呈现出向上递延走向。特别是东部山区、西部多数地区，每10a增速在25MJ·m-2以上，而中部平原、环渤海地区、南部地区的太阳总辐射每10a增长幅度低于20MJ·m-2，除此之外的其它地区太阳总辐射每10a增长幅度处于20～25MJ·m-2。以气候趋势系数为参照指标，辽宁各地区未来30a太阳能增多趋势无法达到显著性水平。

5 总结

综上所述，B2气候情境下，辽宁农业辐射资源呈现不显著的增多趋势，且2031—2040年达到高峰。而≥10℃积温则呈现出突出的增多趋势，区域增长幅度在100.0℃·a-1·10a-1及以上，热量资源增多也标志着无霜期延长。与此同时，农作物生长季节降水呈现减少趋势，与辐射资源变化也出现了相反位相的變化，具体表现为从西部向东部减少幅度逐次增加。而辽东多数地区，减少幅度达到了20mm·10a-1及以上。依据上述演变特征，辽宁省农业技术人员可以进行种植结构的调整，优选耐旱作物，以便更好的应对区域气候变化。

参考文献

[1]何旦旦，徐长春，刘靖朝，等.基于ASD统计降尺度模型的开都河流域未来气候预估[J].人民珠江，2018，39（09）：25-32.

[2]妙旭华，赵晓冏，孟浩贤.气候变化对秦岭太白红杉分布影响预测[J].中国水土保持，2018，439（10）：54-58.

[3]韩金生，赵慧颖，朱良军，等.小兴安岭蒙古栎和黄菠萝径向生长对气候变化的响应比较[J].应用生态学报，2019，30（07）：2218-2230.

[4]臧程，闫力畅，魏青永，等.当前气候情境下3种凤尾藓在中国亚热带东部地区的潜在分布格局[J].上海师范大学学报（自然科学版），2018，47（04）：436-443.

[5]许燕，王世杰，白晓永，等.基于SDSM的珠江中上游气候模拟及未来情景预估[J].中国岩溶，2018，37（02）：228-237.

（责任编辑 李媛媛）

收稿日期：2020-10-27

作者简介：蒋林杉（1992-），女，本科，助理工程师。研究方向：天气学。