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全球气候变化背景下华北平原气候资源变化趋势


生 态 学 报 2010, 30( 14) : 3818) 3827
Ac ta Ecologica S inica

全球气候变化背景下华北平原气候资源变化趋势
马洁华 , 刘
1 2 ,

园 , 杨晓光

1

1, *

, 王文峰 , 薛昌颖 , 张晓煜
450003)

1

3

1

( 1 中国农业大学资源与环境学院, 北京 .

100193 2. 中国科学院大气物理研究所, 北京 ;

100029 ;

3. 河南省气象科学研究所, 郑州

摘要: 在全球气候变化的大背景下, 过去几十年, 华北平原气候资源也发生了相应的 变化, 这一变化对该区域的粮食生产将 产生 深刻的影响。利用华北平原 1961- 2007年逐日气候资料, 探讨 了不同年代际间该区域气候资源的空间分布 特征。研究结 果表 明: 气候变暖使华北平原热量资源更加丰富, 全区 \ 0e 和 \ 10e 积温呈 整体增加 趋势, 空 间分布呈 北移东扩的 变化特 征; 且 气 候带移动特征明显, 向北移动了 3个纬度, 约 300多 km。过去 47a 华北区 域年降水量呈下降趋势, 平均下降速率为 18mm /10a , 。 夏、 秋两季降水量呈减少趋势, 速率在 25- 40mm /10a 之间; 春、 冬两季降水量呈微弱增加趋势, 但增加幅 度小于夏、 秋两季 的减 少幅度。年平均参考作物蒸散 量呈整体下降趋势, 减幅小于降水 量的变化 趋势。全区日 照时数显著 减少, 纬 向分布特 征明显, 以大中城市附近减少 最为突出。 关键词: 华北平原; 气候资源; 气候变化

Characteristics of cli ate resources under global cli ate change in the N orth m m China P lain
MA Jiehua , L I Yuan , YANG X ia oguang , WANG W enfeng , XUE Changying , ZHANG X iaoyu U
1 C ollege of R esource s and E nv ironm ental S cien ce C hina Ag ricul tura l Un iversity, B eijing 100193 C hina , , 2 In stitu te of A tm osph eric Physics Ch in ese Acad e y of S cience s Be ijing 100029, Ch ina , m , 3H enan Institute of M e teorolog ical S cience s Zheng zhou 450003 C hina , ,
1 2 , 1 1, * 1 3 1

Abstract In the past few d ecades s ign ificant changes of clm ate resources had taken p lace across the N orth Ch ina P la in : , i ( NCP ), correspond ing to g lob al clm ate ch anges. C lm ate ch ange has cau sed far reach ing m pacts to agricu ltural production i i i in th e N orth Ch ina P lain, wh ere is one of them ost m portan t food production reg ion s in Ch ina In th is study characteristics i . , of regional d istribu tion of clm ate resou rces du ring the five d ifferen t decades from 1961 to 2007 were analyzed by u sing daily i w eather data from 59 typ ical agro eteorolog ical stations located th eN orth Ch in a P lain. T hem ajor resu lts show ed: ( 1) heat -m resources in the N orth Ch in a P lain were s ign ifican tly en rich ed du ring th e study p eriod due to g lobal clm at ic warm ing such i , as \ 0e and \ 10e accumu lat ive a ir te erature m arked ly increased mp , specially, in north and east ( 2 ) Annual . precip itation d ecreased abou t 20 mm per d ecade fro 1961 to 2007. S easonal p recip itation in summ er and au tumn also m decreased w ith rate rang ing fro 25 mm /10 a to 40 mm /10 a however s ligh tly increased in sp ring and w in ter In add ition, m , , . yearly mean of reference crop evapotransp irat ion ( ET 0 ) was declined in the North Ch in a P la in. T he decreas ing rate of rain fall w as a little more than th at of ET 0. ( 3) Sunsh ine hours in the N orth Ch ina P lain showed a s ign ifican t d eclination, esp ecially in large and m idd le size urban area . K ey W ords the N orth Ch ina P la in; clm atic resources clm at ic change : i ; i

基金项目: 国家科技基础性工作专项 ( 2007FY 120100 ) ; 国家重点基 础研究发展计划 ( 973计划 ) 课 题 ( 2009CB118608) ; 公益性 行业 ( 农业 ) 科研 专项 ( GYHY 200803028) 资助 收稿日期: 2009-04 ; -14 修订日期: 2010 -03-09

* 通讯作者 C orrespond ing author E-m ai: yangxg@ cau. edu cn . l .

http: / /www. ecologica cn .

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IPCC 第四次评估报告提出, 过去 100a 全球平均气温升高约 0. 74e , 显著, 预计 2050年中国平均气温升高约 2 3) 3 3e . .
[ 2- 3]

。过去几十年, 中国增暖趋势尤为
[ 4 7] -

。许多专家学者在研究我国气候资源的变化特征时 。
[ 8]

发现, 自 1980年代, 平均温度从南到北递增趋势显著, 且幅度略高于全球平均变化水平 华北平原是我国气候变化敏感区之一, 也是重要的粮食生产基地之一 候资源必然随之发生改变, 也将对区域内农业生产造成很大影响 的影响领域研究提供基础依据。 1 材料与方法 1 1 研究区域和数据来源 .
[ 9- 10]

。该区属于温带大陆性季风气

候, 雨热同季, 光资源丰富, 主体种植制度为冬小麦夏玉米一年两熟。基于全球气候变化的背景, 华北平原气 。鉴于此, 本文旨在前人工作的基础上, 重点分析不同年代间华北地区气候资源平均状况的时间变化和空间分布特征, 为该区域气候变化对农业生产

华北平原地处我国中纬度地带, 属温带大陆性季风区, 光热资源丰富, 雨热同季, 降水量年际变化大且多 集中在夏季。根据气候要素的分布特征, 参考行政区划, 本文选取北京市、 天津市、 河北省、 河南省、 山东省共 59个气象站点。所选站点均为中国气象局基准气象观测站, 数据记录较完整、 时间序列较长, 且均匀分布于 研究区域。研究区域及典型站点分布见图 1 。 本文所用资料取自国家气象信息中心。由于所选站点的建站时间不统一, 鉴于此, 本文研究时段均从 1961年至 2007年 47a, 逐日气象数据包含: 平均温度、 最高温度、 最低温度、 日照时数及降水量资料。

图 1 华北平原基本气象站分布图 F ig 1 L oca tions of t m eteorologica l s tations across t N ort China P la in . he he h

1 2 参考作物蒸散量的计算 . 参考作物蒸散量是作物实际蒸散量的理论上限, 也是计算蒸散量和评价作物需水耗水的重要参数。本文 http: / /www. eco log ica. cn

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[ 11]





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采用 FAO 于 1998年推荐的 Penm an- onte ith方法 M ET 0 = 式中, R n 是到达作物表面的净辐射 (M Jm 压对温度的斜率 ( kPa e 1 3 气候带区划 .
- 1 - 2 - 1

, 公式如下所示: ( 1)
- 2

0 408$(R n - G ) + C .
-1

900 U2 ( ea - ed ) t+ 273 $+ C( 1+ 0 34U2 ) . d ), G 是土壤热通量密度 ( M Jm d
- 1

) , T 是作物冠层空气

温度 ( e ), U2是作物冠层 2m 高处的风速 ( m s ) , ed 和 ea分别是饱和水汽压和实际水汽压 ( kP a), v 是水汽 ), C 是干湿球常数。
[ 12]

本文所采用的气候带区划指标来自 5中华人民共和国国家自然地图集 6 年公布的一级区划指标中每年日平均温度 \10e 的持续日数 ( 表 1)。
表 1 气候带划分指标 T ab le 1 气候带 C li at ic zone m 中温带 M oderate tem perate zon e 暖温带 W ar tem perate zon e m 北亚热带 N orth sub trop ical zone Indices of cl i a tic zone m

, 该指标反映某区喜温作物气

候生长期的长短, 是决定喜温作物生长和分布的重要指标之一。划分依据采用国家地图集编委员会于 1999

\ 10e 持续日数 / d Th e num ber of the durat ion days for \ 10e / d 100) 171 > 171) 218 > 218 ) 239

1 4 空间表达方法 . 采用 A rcG IS软件的 IDW ( Inverse D istance W eighted Interpo lation) 模块对研究区域各要素进行插值, 生成 空间栅格数据, 得到相应的空间分布图。 2 结果与分析 2 1 热量资源变化特征 . 2 1 1 . . \0e 积温变化特征 图 2为华北平原不同年代间 \0e 积温带的空间分布, 呈明显的纬向带状分布特征, 由南向北逐渐降低。 由图可知, 不同年代际间因温度升高, 带来 \ 0e 积 温带的北移东扩, 空间变化 特征非常明显。 1961) 1970 年, \ 5000e # d积温带的北界在山东济南 ( 36 6bN ); 而到 20世纪 70年代, \ 5000e # d积温带略有南退; . 自 1981) 2000年, 随着全球气候变暖, \ 5000e # d积温带呈明显北移趋势。从 \ 0e 积温的气候倾向率可 知, 全区 \0e 积温呈明显增加, 升温高值出现在河北石家庄地区以及北京地区, 升温相对低值出现该区北部 围场地区。 2 1 2 . . \10e 积温变化特征 与 \0e 积温的空间分布变化相比, \ 10e 积温的空间分布变化同样呈北移变化趋势。图 3为该区稳定 通过 10e 起止日期期间, \10e 积温在不同年代间的空间分布变化。 20世纪 60年代, 全区 \ 4800 e # d积 温带中有 14个典型站点, 最北到河南安阳 ( 36 0b ); 全区 [ 4000e # d积温带中有 13个典型站点, 最南在河 . N 北乐亭 ( 39 4b ) 以及山东胶东半岛地区; 到本世纪初, 全区 \ 4800e # d积温带中典型站点数明显增加到 35 . N 个, 最北端到达北京; [ 4000e # d积温带中典型站点 只有 8 个。研究时 段内, 除河北承德外, 华北地区 \ 10e 积温气候倾向率均为正值, 说明研究区域年均积温呈总体升高趋势, 这为在该区域种植对积温要求较高 的作物品种提供了可能性。 2 1 3 气候带变化特征 . . 图 4依次给出华北地区不同年代气候带的空间分布特征, 由此可知, 基于全球变暖的背景, 该区域北亚热 带和暖温带同样呈向北移动, 大约移动了 3个纬度, 约 300多 k m。自 20世纪 60年代, 北亚热带的北线在河 南省南端 ( 33b 附近 ); 至 70年代, 其北扩趋势明显, 最北端推进到河南新乡附近, 约 35bN; 至 21世纪初, 北 N http: / /www. eco log ica. cn

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图 2 华北地区不同年代 \ 0e 积温空间分布的变化趋势及气候倾向率, 1961) 2006 F ig 2 . D istribution of average and cli atic tendency of \ 0e m accumu lated tem perature in the different decades across t NCP, he

1961) 2006

亚热带的北界已达河北邢台与石家庄之间, 36bN 以南附近。这与沙万英等人 2 2 华北平原水资源分析 . 2 2 1 降水量变化特征 . .

[ 13 ]

得到结果一致。

华北地区年降水量平均状况及气候倾向率的空间分布特征, 如图 5所示。全区年降水量呈西北走向的递 http: / /www. eco log ica. cn

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图 3 华北地区不同年代 \ 10e 积温空间分布的变化趋势及气候倾向率, 1961) 2006 F ig 3 . D istribution o f average and cl i a tic tendency of \ 10e m accum ulated tempera ture in the different decades acro ss the NCP,

1961) 2006

减分布特征, 高值分布在河南固始、 信阳一带, 低值分布河北西北部地区 (图 5a) 。从图 5b来看, 过去 47a 华 , 北地区年降水量呈下降趋势, 平均下降速率为 18mm / 10a 大部分地区的下降趋势未达显著性检验标准。下 , 降幅度最大在山东省东部和河北的东部, 每 10a减少 30) 50mm; 但该区河南省东南部年降水量呈微弱增加趋 势, 增加幅度在 0) 30 mm / 10a之间。 http: / /www. eco log ica. cn

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图 4 Fig 4 .

1961) 2006 年华北地区气候带空间分布的变化特征

D istribution o f cli atic zone across the NCP from 1961 to 2006 m

2 2 2 降水量季节变化特征 . . 依据华北地区的气候特点, 将 3) 5月份划分为春季, 6) 8月份为夏季, 9) 11月份为秋季, 12) 翌年 2月 份为冬季
[ 14]

。本文在分析全区年降水量空间分布变化趋势的基础上, 进而分析其降水量变化的季节空间分

布, 为计算该区农作物需水量的变化趋势提供依据。 http: / /www. eco log ica. cn

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图 5 华北平原年降水量的平均状况及气候倾向率, 1961) 2006 F ig 5 D istribution of average and cli a tic tendency of annual precipita tion acro ss t NCP, 1961) 2006 . m he

从年降水量季节变化的空间分布特征可以看出 ( 图 6) : 春季, 河北省和山东省北部地区春季降水量呈增 加趋势, 增幅为 1) 10mm /10a 河南省和山东省南部地区春季降水量平均状况较高, 但过去 47a呈下降趋势, ; 下降幅度约为 0) 30mm /10a 。春季为该区冬小麦返青后的生长季, 降水量的增加在一定程度上缓解春旱的 影响。

图 6 华北平原季节降水量的气候倾向率分布 Fig 6 . C li atic tendency distribution o f seasona l precipita tion acro ss t NCP m he

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夏季, 全区降水量空间分布特征表现为: 该区中北部呈下降趋势, 以河北和山东两省为主, 下降速率约在 25) 40mm / 10a之间。河南夏季降水量的空间变异较大, 北部呈下降趋势, 中部和东南部呈上升趋势, 尤以尚 丘、 西华和固始最明显, 每 10a增加 20mm 以上。夏季为华北地区夏玉米生长季, 夏季降水量的增加有利于夏 玉米生长和发育。 秋季降水量呈河北省北部呈微弱的上升趋势, 上升幅度在 0) 10mm / 10a左右; 该区中部和南部呈下降趋 势。冬季降水量的空间分布特征为河北省和山东省东部呈下降趋势, 河南及山东西部呈上升趋势, 升幅在 2) 5 mm / 10a 。 2 2 3 参考作物蒸散量变化特征 . . 过去 47a, 华北平原的气候发生显著变化, 必然会 影响基于气象资料计算得到的参考作物蒸散量的变化。 华北地区年平均参考作物蒸散量的变化趋势如图 7所 示, 呈明显降低趋势, 降幅约为 13 mm / 10a。下降最明 显的在该区域南部, 约在 - 40 mm /10a以上; 山东东部 沿海地区年平均参考作物蒸散量呈增加趋势, 增幅最大 为 40mm /10a以上。对于华北地区来讲, 参考作物蒸散 量的降 低 在 一定 程 度 反 映 了 该 区 作 物 的 需 水量 的 变化
[ 8]



2 3 光照资源变化特征 . 该区日照时数的空间分布特征如图 8所示, 全区从 北到南日照时数呈明显减少趋势, 纬向分布特征非常明 显, 平均值约为 2400 h / a 。过去 47a 华北地区日照时 , 数呈显著下降, 每 10a平均降低 115h / a, 山东泰安下降 幅度最大 (图 8a) ; 如图 8b所示, 全区大中城市附近日 照时数下降趋势明显, 沿海附近地区的日照时数变化趋 势并不明显。
图 7 华北平原年平均参考作物蒸散量气候倾向率分布 Fig 7 . C li atic tendency distribution of annual potentia l crop m

evapo transpira tion in the NCP

图 8 华北平原年日照时数和气候倾向率分布图 F ig 8 C lima tic tendency distribution of annual sunshine hours in the NCP .

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30卷

3 结论 本文通过对 1961) 2007年, 华北平原 59个典型气象站点的热量、 降水和光照等气候资源分析, 得到以下 结论: 在全球变暖背景下, 华北平原热量资源更加丰富。自 20世纪 80年代以来, 全区 \ 0e 和 \10e 年积温呈 整体增加趋势, 空间分布呈北移东扩的变化特征; 且气候带向北移动特征明显, 向北移动了 3个纬度, 约 300 多 k m。过去 47a 华北地区年降水量呈下降趋势, 平均下降速率为 20mm /10a, 以秦皇岛、 , 唐山、 天津、 胶东半 岛的减少最为突出。大部分地区的下降趋势未达显著性检验标准。从四季来看, 夏、 秋两季降水量呈减少趋 势, 尤以夏季为主, 下降速率在 25) 40mm /10a之间; 春、 冬两季降水量呈微弱增加, 但增加幅度小于夏、 秋两 季的减少幅度。参考作物蒸散量呈整体下降趋势, 但减幅小于降水量的变化趋势。过去 47a 全区从北到南 , 日照时数呈明显减少趋势, 纬向分布特征明显, 每 10a平均降低 115h / a 。全区大中城市附近日照时数下降趋 势明显, 沿海城市附近日照时数变化趋势并不明显。 4 讨论 热量资源直接决定作物的分布特征和生育期日数, 通常用积温作为衡量标准。 \ 0e 和 \ 10e 积温分别 为华北地区作物生长所需积温的最低温度界限
[ 15]

。从图 2和图 3可知, 研究区域内积温增加、 气候带界限向

北移动, 这一变化有利于气候带变化敏感区域的农业生产和种植制度的变化, 但作物所面临的农业气象灾害 也将更加复杂, 使农业生产的不稳定性增加, 如造成作物生育期的缩短, 减少作物干物重从源到库转移的时 间, 影响产量积累。温度的升高, 降水量的减少这种暖干趋势, 使得华北平原灌溉用水增加, 而水资源供需矛 盾, 将成为该区农业生产面临的主要问题。
R eferences :
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气候资源对我国农业生产发展的影响
关键词 : 全球气候变化 农业生产与发展 气候资源 一、 气候资源对我国农业生产...我国不同地区均存在气象产量的 减产趋势。尤其是北方(西北、 华北和东北)地区...
《全球气候变化》教学设计
2、了解全球气候变化趋势以及全球气候变化的影响及对策。 3、培养资料分析和...变化的规律,采取适当的措施, 规范自身的行为,抗御异常气候灾害,合理利用气候资源...
我的气象
全球而言, 气候在漫长的地质历史上发生过显著的变化...的范围之内小幅上下波动,降 水量的变化趋势不明显...中国黄河中游以南地区和华北平原的干旱 呈增加趋势,...
全球气候变化和气候类型判读
冬季最低气温 在 0℃以下,属于较湿润的温带大陆性气候;乙地位于我国华北平原,...石油等矿产资源,②为沉积作用;全球变暖会导致生态系统破坏,③为全球生态系统 ...
全球气候变化现状及对策 第三小组
气候也发生了明显变化, 变化趋势全球的总趋 势...华北和东北地区干旱面积扩大, 长江中下游地区和东南...水土流失和荒漠化扩展, 三江平原和青海湿地功能下降...
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