近59 年三江源地区气候生产潜力估算及趋势分析

许学莲，高三星保，许清霞，何爱兵，李存莲，祁栋林，王发科

（1.青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099；2.青海省海西州气象局，青海 德令哈 817099；3.青海省气象科学研究所，西宁 810001）

全球气候变暖对生态气候系统产生了深远的影响，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出，当前气温处于较高阶段，全球几乎所有地区均呈现变暖趋势，1880—2012 年全球平均气温升高了0.85 ℃，中国陆地区域气温平均升高0.9～1.5 ℃；气候变暖不仅会影响气温、辐射、降水等要素的时空分布，而且会改变农作物的生长条件，造成农业气候资源的时空差异，使农业气候生产潜力发生年际变化并呈区域性不均匀分布，对农业生产影响深远［1］。有研究表明，全球气候变暖会导致中高纬度区域植物开花提前以及生长期延长等现象［2］。

气候生产潜力是评价农业气候资源的依据之一，其大小取决于光、温、水三要素相互配合协调的程度。气候生产潜力的定量估算以及对未来气候变化的响应，对合理利用气候资源、充分发挥气候生产潜力、指导农业生产，具有重要现实意义。国内外学者对气候生产力进行了大量研究，封珊等［3］研究了全球气候变化及其对人类社会经济影响；郭佩佩等［4］对1960—2011 年三江源地区气候变化及其对气候生产力的影响进行研究，三江源地区52 年的气候生产力略有差异，但总体随年代发展而呈增加趋势，进入21 世纪后增加显著；金志凤等［5］采用线性趋势分析方法研究了茶叶的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力及其时空变化特征；罗永忠等［6］采用 Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型对甘肃气候生产潜力进行分析；张娟等［7］采用Miami模型和Thornthwaite Memorial 模型计算宁夏草地生产潜力，分析其时空变化；王发科等［8］分析柴达木盆地气候生产潜力变化及其敏感性。

本研究基于Miami 模型、Thornthwaite Memorial模型，分析了三江源区气候生产潜力的时空变化特征，气候生产潜力随气候变化的规律，有助于合理开发气候资源，充分发挥气候生产潜力，为农业产业布局、作物种植类型、品种的选优、种植模式及耕作制度等提供决策依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

三江源地区位于中国青海省南部，在世界屋脊青藏高原腹地，位于 31°39′—36°12′N，89°45′—102°23′E，平均海拔 4 500 m，行政区域涉及或包括玉树、果洛、海南、黄南4 个藏族自治州的16 个县和格尔木市代管的唐古拉山镇。全区域总人口56.8 万人，总面积35.66 万km2，其中，长江源区面积15.41万km2，黄河源区面积9.83 万km2，澜沧江源区面积3.68 万km2，其他内陆河流域的面积6.74 万km（2图1）。青海三江源地区气候为典型的高原大陆性气候，表现为冷热两季交替、干湿两季分明、年温差小、日照时间长、辐射强烈、无四季区分的气候特征。年平均气温在-5.38～4.14 ℃，年平均降水量262.2～772.8 mm，年平均蒸发量为730～1 700 mm。

图1 青海省三江源地区源区分区及气象站点分布

三江源区13 个气象站点1961—2019 年月平均气温和降水资料来源于青海省气象信息中心。站点选取考虑了时间序列的连续性、完整性、地域的代表性和空间分布情况等因素。

1.2 气候生产潜力模型

Miami模型：

式（1）（2）中，t为年平均温度（℃）；r为年降水量（mm）；e=2.718 3；Yt、Yr分别为由年平均温度、年降水量决定的生产潜力（kg/hm2）。

Thornthwaite Memorial 模型：

式（3）-（5）中，R为年平均降水（mm）；L为年平均最大蒸散量（mm），L是年平均温度T的函数；Ye为蒸散量决定的生产潜力（kg/hm2）。

1.3 分析方法

用线性气候趋势法、Mann-Kendall 突变检验、滑动t检验［9］分析气象要素的变化趋势、显著性、气候突变等特征；用ArcGIS 反距离权重插值（IDW）方法［10］对三江源地区气候生产进行空间特征分析。

2 结果与分析

2.1 平均温度和降水量年际变化特征

三江源地区平均温度和降水量年际变化特征见图2，从图2a 可见1961-2019 年三江源地区平均温度呈增加趋势，增加速率为0.37 ℃/10 年，平均温度在-2.1～0.7 ℃，多年平均温度为-0.7 ℃，最大值出现在2016 年（0.7 ℃），最小值出现在1965 年（-2.1 ℃）。3 个源区平均温度均呈增加趋势，增加速率分别为0.36、0.38 和 0.39 ℃/10 年。从平均温度累积距平变化来看，1997 年之前为下降趋势，气候属于偏冷期，1997 年之后为上升趋势，气候属于偏暖期。9 点滑动曲线呈波动上升趋势。易湘生等［11］研究指出，全球气候变暖背景下，青藏高原不同地区海拔高度和下垫面的差异是导致青海三江源地区增温幅度较大的主要原因。

分析图2b 降水量变化趋势可知，1961—2019 年三江源地区降水量呈增加趋势，增加速率为10.31 mm/10 年，多年平均降水量为470.7 mm，最大值出现在2018 年为589.1 mm，最小值出现在2002 年为404.8 mm。三个源区降水量均呈增加趋势，增加速率分别为 11.71、10.28 和 6.92 mm/10 年。从降水量累积距平变化来看，2002 年之前为下降趋势，属于降水偏少期，2002 年之后为上升趋势，属于降水偏多期。9 点滑动曲线分为3 个阶段，1961—1990 年为波动上升阶段，1991—2000 年为波动下阶段，2001—2019 年为显著上升阶段。

图2 平均温度和降水量年际变化特征

综合来看，59 年来年平均温度和年降水量的变化与郭佩佩等［4］研究的结论基本一致，三江源地区年平均气温整体呈明显升高趋势；2000 年以后降水开始呈增加趋势，且速率较大。

2.2 气候生产潜力年际变化

基于 Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型计算温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力结果变化特征如图3。从图3a 可见，1961—2019 年三江源地区温度生产潜力呈增加趋势，增加速率为21.21 kg（/hm2·10 年），多年平均生产潜力为609.3 kg/hm2，最大值出现在 2016 年，为 695.3 kg/hm2，最小值出现在1963 年，为536.3 kg/hm2。温度生产潜力累计距平曲线显示，1961—1997 年呈下降趋势，为偏低期，1998—2019 年呈上升趋势，为偏高期。9 点滑动曲线分为三个阶段，1961—1980 年呈上升阶段，1981—1985 年呈下降阶段，1986—2019 年呈现快速上升阶段。从年代际距平变化得出（表1），1961—2000 年为负距平，属温度生产潜力偏低期，但总体呈增加趋势；2001—2019 年为正距平，属温度生产潜力偏高期，其中1991—2010 年增加明显，为49.5 kg/hm2。三个源区温度生产潜力均呈增加趋势，增加速率分别为18.03、21.86 和27.18 kg/（hm2·10 年）。

表1 三江源地区气候生产潜力年代际距平

从图3b 可见，三江源地区降水生产潜力呈增加趋势，增加速率为15.45 kg（/hm2·10 年），多年平均生产潜力为795.4 kg/hm2，最大值出现在2018 年，为963.6 kg/hm2，最小值出现在1969年，为690.7 kg/hm2。降水生产潜力累计距平曲线显示，1961—2002 年呈下降趋势，为偏低期，2003—2019 年呈上升趋势，为偏高期。9 点滑动曲线分为四个阶段，1961—1990年呈上升阶段，1991—2000 年呈下降阶段，2001—2010 年呈上升阶段，然后略呈下降阶段。从年代际距平变化，1961—1980 年为负距平，属温度生产潜力偏低期，但略呈增加趋势；1981—1990 年为正距平；1991—2000 年为负距平；2001—2019 年为正距平，属温度生产潜力偏高期，其中1991—2010 年增加明显，为58.9 kg/hm2。三个源区降水生产潜力均呈增加趋势，增加速率分别为17.88、15.36 和9.61 kg（/hm2·10 年）。

从图3c 可见，三江源地区气候生产潜力呈增加趋势，增加速率为18.67 kg（/hm2·10 年），多年平均生产潜力为567.4 kg/hm2，最大值出现在2018 年，为651.4 kg/hm2，最小值出现在1997年，为500.6 kg/hm2。气候生产潜力累计距平曲线显示，1961—1997 年呈下降趋势，为偏低期，1998—2019 年呈上升趋势，为偏高期。9 点滑动曲线呈波动上升。从年代际距平变化，1961—2000 年为负距平，属温度生产潜力偏低期，但总体呈增加趋势；2001—2019 年为正距平，属温度生产潜力偏高期，其中1991—2020 年增加明显，为47.7 kg/hm2。三个源区降水生产潜力均呈增加趋势，增加速率分别为19.10、19.20 和16.01 kg/（hm2·10 年）。这与青海省气候生产潜力变化趋势一致［12］，气侯暖湿化均有利于区域农业生产潜力的提升［13］。

2.3 气候生产潜力突变检验

利用Mann-Kendall 检验法检验三江源地区的温度、降水和气候生产潜力突变情况，见图4。温度生产潜力突变结果显示，1961-2019 年UF 统计量呈明显上升趋势，在1989 年以后超过信度线，UF 与UB相交于信度线外的1998 年，用滑动t检验对温度生产潜力突变点前后不同时段（n=14、10、5）进行检验，当n=10 时，滑动t检验结果显示|t0|＞t0.01，温度生产潜力在1998 年发生突变是可信的。

降水生产潜力突变检验表明，1961—2006 年UF统计量在0 附近上下波动，2007—2019 年呈缓慢上升趋势，1961—2019 年在信度线内有多个交点，用滑动t检验对降水生产潜力突变点前后不同时段（n=14、10、5）进行检验，当n=10 时，滑动t检验结果显示|t0|＞t0.01，降水生产潜力在2002 年发生突变是可信的。

气候生产潜力突变趋势与温度生产潜力突变趋势基本一致，1961—2019 年UF 统计量呈明显上升趋势，在1989 年以后超过信度线，UF 与UB 相交于信度线外的2001—2002 年，用滑动t检验对气候生产潜力突变点前后不同时段（n=14、10、5）进行检验，当n=10 时，滑动t检验结果显示|t0|＞t0.01，气候生产潜力在2001—2002 年发生突变是可信的。这与贵州省气候生产潜力突变有很大差异［14］，59 年仅温度生产潜力在2001 年发生突变，降水生产潜力和气候生产潜力均没有发生突变。

2.4 年平均温度和降水量空间分布特征

三江源地区平均温度和降水量的空间分布见图5。1961—2019 年三江源地区年平均温度（图5a）均在-5.1～4.5 ℃，空间分布呈现出东南部偏高，西北部偏低，由东往西逐渐递减的趋势。高值中心出现在囊谦县，西北部大部分地区处于低值区。年降水量空间分布（图5b）与年平均温度分布基本一致，也呈现出东南部偏高，西北部偏低，由东往西逐渐递减的趋势。高值中心出现在久治，低值区出现在西北大部分地区，年降水量在295.8～751.0 mm，极低极高值出现在沱沱河和久治，这与大多数学者研究的结果一致［15-18］。

图5 三江源地区平均温度（a）和年降水量（b）空间分布

2.5 气候生产潜力空间分布特征

图6 为1961—2019 年三江源地区温度生产潜力、降水生产潜力和气候生产潜力及气候倾向率的空间插值分布结果，从温度生产潜力（图6a）可见，三江源地区温度生产潜力在383.7～941.0 kg/hm2，温度生产潜力空间分布上与年平均气温基本一致，呈现出东南部偏高，西北部偏低，由东往西逐渐递减的趋势。高值中心出现在囊谦，西北部大部分地区处于低值区。从温度生产潜力气候倾向率（图6b）可见，三江源地区温度生产潜力均呈增加趋势，东部地区增加速率明显高于西部地区，其中囊谦增加速率最快，五道梁、沱沱河和清水河增加速率最慢。

降水生产潜力（图6c）空间分布表明，三江源地区降水生产潜力在532.4～1 173.8 kg/hm2，降水生产潜力与温度生产潜力空间分布趋势基本一致，呈现出东南部偏高，西北部偏低，由东往西逐渐递减的趋势。高值中心出现在久治，有3 个低值中心，分别出现在西部的伍道梁、沱沱河和东部的玛多地区。从降水生产潜力气候倾向率（图6d）空间分布来看，三江源地区降水生产潜力除久治以1.51 kg/（hm2·10年）的速率呈减少趋势外，其余呈增加趋势，西北部地区增加速率明显高于东南部地区，出现1 个高值中心（五道梁），4 个低值中心（杂多、玉树、玛沁、久治）。

图6 三江源地区生产潜力空间分布

三江源地区气候生产潜力（图6e）在341.0～783.7 kg/hm2，总体分布呈现为东南部偏高，西部偏低，由东往西逐渐递减的趋势，东部的久治和南部的囊谦为三江源地区气候生产潜力高值中心，在651.8～783.7 kg/hm2，东部的玛多、清水河和西部的五道梁、沱沱河为气候生产潜力低值中心，在341.0～426.1 kg/hm2。从气候生产潜力气候倾向率（图6f）空间分布来看，三江源地区气候生产潜力均呈增加趋势，西北部地区增加速率明显高于南部地区，出现多个高值中心（五道梁、玛多、清水河、泽库），在20.74～23.83 kg（/hm2·10 年），一个低值中心（玉树），为10.25 kg/（hm2·10 年）。三江源地区气候生产潜力的空间分布特征与青藏高原青稞气候生产潜力空间分布一致，由东南向西北递减的趋势［19］。

2.6 气候生产潜力相关性分析

气候生产潜力与年平均温度和年降水量的相关性（图7）表明，三江源地区气候生产潜力与年平均温度和年降水量的相关系数分别为0.924（a=0.01）和0.918（a=0.01），表明年平均温度和年降水量与气候生产潜力存在正相关关系，两者都是三江源地区气候生产潜力的主要影响因子。三个源区年平均温度和年降水量与气候生产潜力的相关系数分别为0.902 和 0.640、0.903 和 0.668、0.773 和 0.723，并通过了（a=0.01）显著性检验。

图7 气候生产潜力与年平均温度和降水量的相关性

利用SPSS 建立三江源地区气候生产潜力与年平均温度和年降水量线性回归模型。

式（6）中，Ye为气候生产潜力（kg/hm2）；T为年平均温度（℃）；R为年降水量（mm）。从模型中可以看出，温度每上升（下降）1 ℃时，降水量每递增（递减）1 mm，气候生产潜力分别提高（减少）41.36，0.32 kg/hm2。

3 结论

利用1961—2019 年三江源地区13 个国家气象站的温度和降水资料，分析了温度与降水的时空演变特征及估算了气候生产潜力，得出如下结论。

1）近59 年来三江源地区平均温度和降水量均呈增加趋势，1997 年之前为气候偏冷期，后为气候偏暖期；2002 年之前属于降水偏少期，后属于降水偏多期。

2）三江源地区温度生产潜力总体呈增加趋势，1997 年之前为生产潜力偏低期，之后为生产潜力偏高期；降水生产潜力同样呈增加趋势，2002 年之前为生产潜力偏低期，之后为生产潜力偏高期，温度的偏高（偏低）和降水的偏多（偏少）直接影响到生产潜力的偏高（偏低）。气候生产潜力的变化趋势及偏高（偏低）期与温度变化趋势一致。

3）用滑动t检验法验证温度、降水和气候生产潜力突变年份为 1998、1998 和 2002 年。

4）平均温度和降水量的空间分布特征均呈现出东南部偏高，西北部偏低，由东往西逐渐递减的趋势。温度高值中心出现在囊谦县，降水量高值中心出现在久治，低值中心均出现在西北部大部分地区。

5）气候生产潜力空间分布特征为东南部偏高，西北部偏低，由东往西逐渐递减的趋势。

东部的久治和南部的囊谦为三江源地区气候生产潜力高值中心。

6）三江源地区年平均温度和年降水量与气候生产潜力存在正相关关系，两者都是三江源地区气候生产潜力的主要影响因子。