未來東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的時空演變特征

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1、未來東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的時空演變特征 摘要 摘要 研究采用 NorESM1-M 模式輸出的氣候情景資料驅(qū)動農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型，分 析 了21世紀(jì) 中 期 在 RCP2.6和RCP8.5典型濃度路徑下的東北區(qū)域氣候資源變化。研究表明：在 RCP2.6、RCP8.5兩種氣候 　　摘要 研究采用 NorESM1-M 模式輸出的氣候情景資料驅(qū)動農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型，分 析 了21世紀(jì) 中 期 在 RCP2.6和RCP8.5典型濃度路徑下的東北區(qū)域氣候資源變化。研究表明：在 RCP2.6、RCP8.5兩種氣候變化情景下，東北區(qū)域年平均氣溫呈現(xiàn)升高趨勢，≥10 ℃積溫所反映的熱量條件得

2、到顯著改善，以黑龍江省和遼中南積溫的增加最為明顯;受氣溫升高影響，2050s參考作物蒸散普遍增加。區(qū)域內(nèi)降水總 量 略 有 增 加，東北西部干旱地區(qū)狀況略有改善，東部地區(qū)更加濕潤;趨于暖濕的氣候促使作物生長季延長，到21世紀(jì)中期，全區(qū)最長增加12.4天。 　　關(guān)鍵詞 氣候變化;東北區(qū)域;農(nóng)業(yè)氣候資源;預(yù)估 　　引言 　　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化十分敏感，氣候變化亦在糧食的獲取、使用和價格穩(wěn)定等方面存在潛在影響。IPCC第五次評估報告指出1880-2012年全球平均地表溫度升高了0.85(0.62～1.06)℃，21世紀(jì) 末還將上升1.8～4.0℃[1-2]。

3、東北地區(qū)地處北半球中高緯度，是氣候變化的敏感區(qū)[3-8]，也是我國玉米、水稻和大豆的主要產(chǎn)區(qū)，在糧食安全保障體系中占有重要地位。過去50年區(qū)域氣候變化使作物生長熱量條件改善、種植范圍擴大，但干旱、病蟲害加劇，預(yù)估表明未來東北區(qū)域還將面臨更高的氣候災(zāi)害風(fēng)險[3]。在全球變暖背景下，氣候變化將導(dǎo)致 氣 候 資源發(fā)生相應(yīng)變化，增大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不確定性，對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。關(guān)于氣候變化對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響，前人已經(jīng)開展了 很 多 有 益 的 研 究。例 如 楊 曉 光 等[9]利用1961-2007年中國558個氣象站資料對不同區(qū)域喜涼、喜溫作物生長期農(nóng)業(yè)氣候資源進行了分析，紀(jì)瑞鵬等[1

4、0]發(fā)現(xiàn)，熱量資源的改善使得東北地區(qū)春季提前，生長季延長，生長季內(nèi)總積溫增加，10℃積溫帶北移。曾麗紅等[11]發(fā)現(xiàn)東北作物蒸散在過去60年表現(xiàn)為小 幅 度 的 增 長 趨 勢，周 期 震 蕩 非 常 明 顯。湯緒等[12]基于 PRECIS區(qū)域氣候模型資料預(yù)估了21世紀(jì)末氣候變化對我國農(nóng)業(yè)氣候資源可能造成的影 響。此 外，還 有 一 些 針 對 華 北[13]、西北[14]、西南[15-16]、東南[17]等地區(qū)以及各省[18-20]的農(nóng)業(yè)氣候資源研究。前人的工作為本研究奠定了良好的基礎(chǔ)，但以上工作大多圍繞歷史時期農(nóng)業(yè)氣候資源的演變規(guī)律展開，除少數(shù)學(xué)者[21-22]對東北區(qū)域21世紀(jì)中晚期氣

5、候資源進行過分析研究外，針對多種氣候變化情景下未來不同時段的東北區(qū)域氣候資源變化的相關(guān)研究成果還鮮見報道。因此，本文采 用 挪 威 氣 候 中 心 NorESM1-M 模式輸出的未來氣候情景預(yù)估資料及基準(zhǔn)年氣候模擬資料驅(qū)動農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型(AEZ)，分析到21世紀(jì)中期(2021-2070 年)在 2 種 典 型 濃 度 路 徑 下 (RCP2.6和 RCP8.5)東北區(qū)域氣候資源的變 化，旨 在 深入認(rèn)識農(nóng)業(yè)氣候資源，為區(qū)域應(yīng)對氣候變化和制定相應(yīng)的氣候變化適應(yīng)策略提供依據(jù)。 　　1 資料與方法 　　1.1 NorESM1-M 模式資料簡介及性能檢驗 　　Nor

6、ESM1-M 模式是由挪威氣候中心開發(fā)的地球系統(tǒng)模式，基 于 CCSM4模式 發(fā) 展 而 來。該 模 式由大氣、海洋、陸面、海冰和耦合器五大模塊組成，并通過耦合器來實現(xiàn)其它四個物理子模塊之間的耦合。NorESM1-M 可 以 對 各 子 模 塊 進 行 不 同 的 組合，以達(dá)到模擬過去和現(xiàn)在的地球氣候系統(tǒng)、預(yù)測和預(yù)估氣候 變 化 等 目 的。此模式在大氣環(huán)流動力框架、對流層和平流層處理方案和通量方案等方面較之前的版本有了顯著改善;另外情景試驗設(shè)計也更加合理，很大程度上保留了未來氣候變化中極端氣候事件 發(fā) 生 的 概 率。已 有 研 究[23-25]利用 觀 測 站 點資料檢驗了 NorESM1

7、-M 模式在中國和東北區(qū)域的氣候模擬能力，總體來看，NorESM1-M 模式對中國和東北區(qū)域的氣候特征模擬性能良好，尤其是對東北區(qū)域降水的模擬效果在 GCM 中較為突出。本文情景數(shù)據(jù)由IIASA(國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究學(xué)會)GuntherFischer課題 組 提 供，資 料 空 間 分辨率為10km10km。使用的氣象指標(biāo)包括逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水、輻射、風(fēng)速、相對濕度和雨日數(shù)并以1981-2010年為 氣 候 基 準(zhǔn) 時段(Baseline)代表 當(dāng) 前 氣 候，以 2020s(2011-2040年)和2050s(2041-2070年)代表未來兩個研究時段，輻射強迫情景分別為

8、 RCP2.6和 RCP8.5。圖1為基準(zhǔn)年期間(1981-2010年)，東北區(qū)域年平均氣溫和降水量的觀測值與模擬值對比。由圖可知，NorESM1-M 模式對東北區(qū)域年平均氣溫和降水量的模擬能力在趨勢變化和年際波動兩個方面均較好，30年平均氣溫模擬值比觀測偏冷0.36 ℃，降水量比實際偏少3.41%。 　　為進一步檢驗 NorESM1-M 模式資料在東北區(qū)域氣候模擬能力，將模式氣候基準(zhǔn)時段平均、最高、最低氣溫、降水量和輻射模擬資料雙線性插值到研究區(qū)域內(nèi)162個氣象觀測站，并與觀測站同時段實測 資 料 進 行 比 對。 表 1 給 出 NorESM1-M 模 式1986-2005年多

9、種要素的氣候模擬值與觀測資料間的空間相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差比率和均方根誤差。相關(guān)系數(shù)及均方根誤差表征模擬的空間型與觀測的相似程度：相關(guān)系數(shù)越大，均方根誤差越小表示相似度越高;標(biāo)準(zhǔn)差表示模式對空間振幅的模擬能力。由表1可知，模式對于各要素均有比較好的模擬能力，與觀測的相關(guān)系數(shù)均可通過α=0.001的顯著性檢驗，標(biāo)準(zhǔn)差比率均接近1說明模式對中心振幅的模擬能力亦與實測相接。對比來看，模式對于氣溫的模擬性能優(yōu)于輻射和降水，降水在3類要素中離散程度最大。 　　1.2 AEZ模型 　　農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型(Argo-EcologicalZone，AEZ)是由聯(lián)合國 糧 農(nóng) 組 織(FAO)和國

10、際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)共同 開 發(fā)，主要應(yīng)用于作物適宜性區(qū)域劃分和生產(chǎn)潛力計算的一種模型。該模型具有相對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐扑氵^程，曾在生產(chǎn)潛力評估領(lǐng)域被世界各國廣 泛 應(yīng) 用，效 果 良 好[26]。AEZ 模型 的 第 一模塊主要是進行氣候數(shù)據(jù)的分析以及農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)的計算[12]，主要包括：(1)積溫。10 ℃積溫是喜涼作物迅速生長、多年生作物以較快速度積累干物質(zhì)的溫度，也是喜溫 作物正常生長的起始溫度。模型中將未來的氣溫變化信號作為每個月第16日的氣溫數(shù)據(jù)，通過線性插值得到逐日資料。模型中以統(tǒng)計界限溫度以上溫度之和求得積溫。(2)參考 作 物 蒸 散 量。AEZ模型 中 采 FAO 在1

11、998年推薦的 Penman-Monteith方法，公式為：ET0 =0.408Δ(Rn -G)+γ 900T+273U2(es -ea) Δ+γ(1+0.34U2)式中，Rn 為凈輻射(MJ/m2);G 為土壤熱通量(MJ/m2)，γ為干濕常數(shù)(kPa/℃);Δ 為飽 和 水 氣 壓 曲 線斜率(kPa/℃);T 為平均溫度(℃)，U2 為2m 高處的風(fēng)速(m/s);ea 為實際 水 氣 壓(kPa);es 為平 均 飽和水氣壓(kPa)。(3)濕潤指數(shù)。濕潤指數(shù)是一個表征地區(qū)干濕程度的指標(biāo)，以某個地區(qū)的水分收支比值來表

12、示：M= PET0 100式中，M 為濕潤指數(shù)，P 為降水量(mm/d)，ET0為參考作物蒸散量(mm/d)。(4)生長期長度。生長期定義為穩(wěn)定通過5 ℃ 界限溫度以及ETa≥0.4ET0的持續(xù)日數(shù)(ETa為實際蒸散量)。 　　2 結(jié)果分析 　　2.1 氣候變化對熱量資源的影響 　　2.1.1 年平均氣溫的變化 　　圖2給出 了 東 北 區(qū) 域 年 平 均 氣 溫 1981-2010年的 空 間 分 布 以 及 21 世 紀(jì) 20 和 50 年 代 分 別 在RCP2.6和 RCP8.5情景下相對于基準(zhǔn)年的變化。分析可知，1981-2010年期間

13、東北年平均氣溫的分布與觀測實況較為一致(圖略)，受緯度和海拔影響，一條平原暖舌沿東北平原自西南向東北伸展，南部環(huán)渤海地區(qū)年平均氣溫在8 ℃以上，而黑龍江北部漠河地區(qū)由于 緯 度 偏 高 年 平 均 氣 溫 則 在 0 ℃以下(圖2a)。未來氣候變化情景下(圖2b～2e)，東北區(qū)域為增溫趨勢且北部高于南部，東部高于西部。21世紀(jì)20年代在低輻射強迫(RCP2.6)情景下，東北區(qū)域平均增溫1.03℃，其中小興安嶺至三江平原地區(qū)增溫最為顯著;在高輻射強迫情景下(RCP8.5)的升溫為1.32 ℃，增溫顯著區(qū)域擴大到吉林以及遼寧中部。21世紀(jì)50年代東北增溫進一步增強，0 ℃以下僅在黑龍江最北端存在小

14、范圍區(qū)域，顯著增溫區(qū)包括了黑龍江、吉林和遼寧的中東部地區(qū)，RCP2.6情景下東 北 增 溫 1.7 ℃，RCP8.5 情 景 下 的 增 溫 為3.19℃。 　　2.1.2 日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃積溫的變化 　　圖3a為東 北 地 區(qū)1981-2010年平 均≥10 ℃ 積溫的空間分布。由圖可見，東北區(qū)域≥10 ℃積溫的分布與年均氣溫的分布特征類似。遼寧中南部地區(qū)積溫可達(dá)3500～4000℃，黑龍江北部和小興安嶺及 長 白 山 區(qū) 積 溫 在 1500～2000 ℃ 之 間。 在RCP2.6情景下(圖3b、3c)，21世紀(jì)20和50年代東北地區(qū)≥10 ℃積溫與基準(zhǔn)年

15、相比呈現(xiàn)增加趨勢，全區(qū)年平均增加227.7 ℃和359.0 ℃，其中黑龍江東北部增加最為明顯，吉林大部和遼寧西部相對較少。在 RCP8.5情景下(圖3d、3e)，21世紀(jì)20年代東北區(qū)域積溫年平均增加266.2℃，到了50年代則增加657.6℃，以遼寧省的積溫增加最為顯著，這一變化特征與初征等[22]利用 BCC_CSM1區(qū)域氣候模式模擬的東北區(qū)域2006-2099年積 溫 均 值 的 結(jié) 果相當(dāng)一致：即>4000 ℃積溫區(qū)在基準(zhǔn)情景下僅在遼寧省個別格點出現(xiàn)，而此情景下則可覆蓋遼寧省大部并北擴到吉林西部(圖略)。 　　2.2 氣候變化對降水的影響 　　東北區(qū)域年平均降水

16、量基準(zhǔn)年及21世紀(jì)20、50年代在 RCP2.6和 RCP8.5情景 下 相 對 于 基 準(zhǔn)年的變化如圖4所示。圖4a為基準(zhǔn)年東北年平均降水量的分布形態(tài)，受地形與海陸分布的影響，東北區(qū)域降水呈現(xiàn)經(jīng)向分布，降水量級由東向西遞減，長白山區(qū)年平均最大降水量 可 達(dá)900mm 以上，而 水分條件最弱的吉林西部降水量則不足400mm。在未來氣候條件 下，東 北 區(qū) 域 降 水 量 略 微 增 加(圖4b～4e)。在 RCP2.6情景 下，20年代 降 水 量 主 要 增加在黑龍江、吉 林 和 遼 寧 的 中 部 西 部，由 北 向 南，3省降水 增 量 分 別 為 46.3 mm、32.8 mm 和 3

17、3.8mm;50 年 代 全 區(qū) 降 水 平 均 增 加 56.9 mm;在RCP8.5情景下，20年代和50年代降水量分別增加31.1mm 和71.7mm，南部遼寧省的降水增加最為明顯。 　　2.3 氣候變化對參考作物蒸散量的影響 　　圖5為東北 區(qū) 域 參 考 作 物 蒸 散 量 基 準(zhǔn) 年 及21世紀(jì)20、50年代在 RCP2.6和 RCP8.5情景下相對于基準(zhǔn)年的變化。圖5a為基準(zhǔn)年的參考作物蒸散量的分布。由圖可知，東北區(qū)域參考作物蒸散量由東北向西南遞增，蒸散量最大的區(qū)域在遼寧西部，全年蒸散大于900 mm，蒸散量最小的區(qū)域在黑龍江北部，年蒸散量小于500mm，

18、東北北部的低蒸散區(qū)主要是低溫所致，而西南部則由于相對濕度小，日照時間長而形成高蒸散區(qū)。與基準(zhǔn)情景相比較，20年代參考作物蒸 散 量 呈 減 少 趨 勢：RCP2.6情景 下 全區(qū)平均減少39.6mm，RCP8.5情景下減少26.9mm(圖5b、5d)。50年代伴隨氣溫大幅升 高，RCP2.6情景下參考作物蒸散量呈現(xiàn)略微增加趨勢，全區(qū)平均 增 加 10.0 mm，其 中吉林省增加最為明顯(17.2mm)，RCP8.5情景下蒸散量則有顯著增加，全 區(qū) 平 均 達(dá) 到 81.3 mm，最大的吉林省達(dá)到91.3mm(圖5c、5e)。 　　2.4 氣候變化對濕潤指數(shù)的影響 　　圖

19、6 為東北區(qū)域濕潤指數(shù)基準(zhǔn)年及 21 世 紀(jì)20、50年代在 RCP2.6和 RCP8.5情景下相對于基準(zhǔn)年的變 化。1981-2010年東北區(qū)域平均濕潤指數(shù)為 372.5，東 北平原和三江平原濕潤指數(shù)略低(100～300之間)，小興安嶺到長白山一帶濕潤指數(shù)在700～900之間(圖6a)。RCP2.6情景下，濕潤指數(shù)的總體變化趨勢均呈現(xiàn)東增西減的變化趨勢，其中增加最顯著的區(qū)域在小興安嶺南部即三江平原以西的地區(qū)，20年代該區(qū)域濕潤指數(shù)的增加在200以上，50年代則在150～200之間(圖6b、6c)，東北平原中部濕潤指數(shù)呈現(xiàn)略微下降的趨勢。RCP8.5情景下，20年代的分布形態(tài)與 RCP2.6相

20、類 似，50年代在黑龍江中北部以及吉林西部出現(xiàn)較顯著下降區(qū)域，最大可達(dá)250以上(圖6d、6e)。 　　2.5 氣候變化對作物生長期長度的影響 　　1981-2010年期間，東北區(qū)域作物生長期長度在氣溫、降水等多種氣象要素的影響下，主要呈東南向西北遞減的分布趨勢，其中遼寧東南部地區(qū)生長期最長可達(dá)210天以上，而黑龍江北部、吉林西部和遼寧西部受高寒以及干旱的影響，生長期不足110d(圖7a)。在未來氣候變化情景下(圖7b～7e)，東北區(qū)域作物生長期長度的變化不盡相同。在 RCP2.6情景 下，21 世 紀(jì) 20、50 年 代 分 別 增 加 9.2d 和11.1d。遼寧南

21、部環(huán)渤海灣地區(qū)生長期長度有小范圍減少，東北大部分地區(qū)呈增長趨勢，西部原本生長季較短的地區(qū)增長趨勢更為明顯，這可能與當(dāng)?shù)責(zé)崃織l件的改善有關(guān)。在 RCP8.5情景 下，受 水 分 條件的限制，21世紀(jì)20、50年代的生長季長度雖總體仍呈增加趨勢，但與 RCP2.6氣候情景相差不大，分別為8.8d和12.4d。 　　3 結(jié)論與討論 　　本文采用 NorESM1-M 模式氣候情景資料驅(qū)動農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模 型，模 擬 了 RCP2.6、RCP8.5兩種 氣候變化情景下東北區(qū)域在21世紀(jì)20、50年代兩個年代的多種氣候資源可能的變化情況。研究表明：在 RCP2.6、RCP8.5兩種氣候

22、變化情景下，東北區(qū)域年平均氣溫呈現(xiàn)升高趨勢，≥10 ℃積溫所反映的熱量條件得到改善;受氣溫升高的影響，21世紀(jì)50年代參考作物蒸散普遍增加。區(qū)域內(nèi)降水總量略有增加，東北西部干旱地區(qū)狀況略有改善，東部地區(qū)更加濕潤;趨于暖濕的氣候促使作物生長季延長，到21世紀(jì)中期，全區(qū)最長增加12.4d。利用未來氣候變化情景數(shù)據(jù)預(yù)測未來氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響是氣候變化影響評估的常用方法之一，因此氣 候 情 景 和 預(yù) 估 數(shù) 據(jù) 的 可 靠 性 至 關(guān) 重 要。本文采用 的 NorESM1-M 模式在大氣環(huán)流動力框架、對流層和平流層處理方案和通量方案等方面較之前的版本有了 顯 著 改 善，且 RCPs濃度 路 徑

23、數(shù) 據(jù)依據(jù)大氣輻射強度來設(shè)定溫度改變準(zhǔn)則，情景試驗設(shè)計也盡可能保留極端氣候事件發(fā)生的概率，方法更為科學(xué)合理，增加了本文預(yù)估資料的可信度，使得本文主要結(jié)論與前人的研究結(jié)論，尤其是以溫度變化為主導(dǎo)的要素較為一致[21-22]。然而，本文研究結(jié)論仍然存在一定的不確定性，主要來自：①全球模式本身在模擬山地和海岸帶等區(qū)域尺度特征時的局限，對氣候系統(tǒng)中存在的各種物理、化學(xué)和生物過程及其相互屬性的模擬能力的局限性等[27];以及②AEZ模型對暴雨、干旱等極端氣候事件的模擬能力的局限等。本文所使用的預(yù)估資料雖然經(jīng)過插值、地形訂正等預(yù)處理以減小系統(tǒng)誤差，但上述問題仍然存在，同時本文亦沒有考慮由作物 品 種 自

24、身 更 替 而 對 氣 候 變 化 產(chǎn) 生 的 適 應(yīng) 性問題。 　　前人研究中雖多采用區(qū)域氣候模式來獲取氣候要素的詳細(xì)空間信息，然而亦會帶來新的不確定性問題，如區(qū)域氣候模式 RegCM3在全球模式模擬我國夏季降水 時 存 在 的 趨 勢 相 反 問 題[28]。在氣 候 變化科研中選用高性能的全球模式預(yù)估資料是一種嘗試，但在未來，尤其是區(qū)域氣候變化研究中，還需要進一步更為可靠的降尺度辦法、采用多模式集合等方式來獲取高精度的區(qū)域氣候變化信息，為氣候服務(wù)提供決策支撐。 　　參考文獻(xiàn) 　　[1] IPCC.Climate Change2007：The Physi

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