1960—2020年黃河流域氣候生長季時空演變及成因分析

張志高， 孫梓欣， 張秀麗， 郭可欣， 李卓婭， 郝海姣， 蔡茂堂

（1.安陽師范學院資源環境與旅游學院，河南 安陽 455000；2.河南大學地理與環境學院，河南 開封 475004；3.河南大學黃河文明與可持續發展研究中心，河南 開封 475001；4.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；5.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081）

IPCC 第六次評估報告指出，全球地表溫度正以前所未有的速度上升，2011—2020 年全球平均表面溫度相比1850—1900年上升1.09 ℃，2001—2020年較工業化前增暖0.99 ℃［1］，北半球中高緯度地區氣溫上升更為明顯［2］。隨著全球變暖的持續發展，氣溫、光照、降水等氣候要素也相應發生變化，進而對作物生長發育以及農業生態環境產生顯著影響［3-4］。生長季是溫度和土壤濕度條件適宜作物生長的時期，對生態系統功能發揮有重要控制因素［5］。在全球氣候變暖背景下，生長季變化會顯著影響生態系統及農業作物生產［6-7］。因此，生長季時空演變格局及其影響因素受到了國內外學者的廣泛關注［8-11］。眾多學者分別以物候觀測［11-12］、歸一化植被指數（NDVI）［13］和地表氣溫［14］等方面資料進行生長季相關研究。物候觀測和NDVI 數據序列相對較短，而氣象站點氣溫數據空間覆蓋范圍廣、持續時間長，可用于長時間尺度上氣候生長季研究［15］。相關研究表明，在全球變暖背景下北半球大部分地區生長季呈延長趨勢［16-18］。中國大部分地區如內蒙古［19］、華北地區［20］、青藏高原［21］和東北地區［22］等生長季開始日提前、結束日推遲、長度延長，但區域性特征明顯，青藏高原地區生長季增加最多，北方地區次之，南方地區最少［23］。在生長季變化影響因素方面，Xia等［24］發現，多年代際氣候變化（multidecadal climate variability,MDV）與大西洋多年代際振蕩指數貢獻了1980—2009 年北半球生長季延長的53%；Dong 等［21］認為，1960—2009 年青藏高原生長季指數變化與海拔高度密切相關；吳蓓蕾等［25］研究發現，中國平均生長季開始日提前和長度延長主要源于春季升溫，生長季結束日推遲則與秋季變暖有關；Jiang 等［26］研究表明，新疆地區生長季延長主要源于結束日的推遲；Wu 等［27］揭示了風速變化對秋季物候的影響，發現風速減弱延遲了高緯度植被秋季落葉期；還有學者分析了生長季氣候資源的變化［28］。

黃河流域橫跨我國北方東、中、西三大地理階梯，跨越干旱、半干旱和半濕潤區，流域上、中、下游地形地貌、植被及氣候類型分異顯著，為我國重要的生態功能區。黃河流域現有耕地1.3×107hm2，糧食產量約占全國1/3，在我國農業生產中占有重要地位。因此，本文基于1960—2020年逐日氣溫數據資料，運用線性趨勢估計、Mann-Kendall突變檢驗和相關分析等方法對近61 a來黃河流域氣候生長季指標的時空演變進行研究，并探討其影響因素，以期為準確把握氣候變化對流域生態環境的影響、充分利用氣候資源以及保障糧食安全等方面提供科學依據和參考。

1 數據來源及研究方法

1.1 研究區概況

黃河流域（32°6′～41°48′N，95°50′～119°6′E）橫貫青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和華北平原4個地貌單元，包含青海、四川等9 省區，流域面積約7.52×105km2。黃河流域海拔在0～6241 m，西接青藏高原，中部為黃土高原區，東鄰華北平原，東西跨度約5464 km，整體地勢西高東低，起伏顯著。流域位于中緯度地帶，受大氣環流和季風環流的影響，跨越干旱、半干旱、半濕潤氣候區。流域多數地區降水在200～650 mm，且年內分布不均，多集中在6—10 月，年均溫在-4～14 ℃，全年日照時數在2000～3300 h。為了研究黃河流域生長季指標的區域分布特征，將黃河流域進一步劃分為上、中、下游地區，其中，上游地區包括久治、景泰和包頭等40 個氣象站點，中游地區包括武功、靖邊和神木等42 個氣象站點，下游地區包括新鄉、鄭州和沂源等7 個氣象站點。

1.2 數據來源

1960—2020 年黃河流域89 個氣象站點逐日氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://data.cma.cn）中國地面氣候資料日值數據集，該數據集經過極值檢驗和RHtest 均一性檢驗等方面的嚴格質量控制。研究區域及代表站點分布如圖1所示。

圖1 黃河流域氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorology stations in the Yellow River Basin

1.3 生長季指標計算

生長季的界定尚未統一，參考相關資料，本文將生長季長度（GSL）定義為一年中5 d 滑動平均溫度大于5 ℃到最后一次連續5 d 滑動平均溫度大于5 ℃之間的天數［29］。生長季開始（GSS）為一年中第一次連續5 d滑動平均氣溫大于5 ℃的第一天，生長季結束（GSE）為最后一次連續5 d 滑動平均氣溫大于5 ℃的最后一天。生長季內≥10 ℃活動積溫（AT10）為生長季內≥10 ℃日平均氣溫的累積之和，對應的天數之和為生長季內≥10 ℃活動積溫天數（DT10）。GSS、GSE、GSL 和DT10 單位為d，AT10 單位為℃。

1.4 研究方法

采用Mann-Kendall 方法［30］對1960—2020 年黃河流域氣候生長季指標（GSS、GSE、GSL、AT10 和DT10）的突變特征進行分析，利用信噪比對其突變點進行檢驗［31］。運用Morlet小波分析法［32］分析黃河流域生長季指標的周期變化特征。

2 結果與分析

2.1 氣候生長季時間變化

由圖2 可知，1960—2020 年黃河流域GSS 在63.36～88.43 d，平均為75.90 d（3月17日），2022年最小，1976 年最大。近61 a 來GSE 平均值為310.25 d（11 月6 日），在301.10～318.06 d 之間波動，1981 年最小，2016年最大。近61 a GSL平均值為235.35 d，其中1976 年最小為219.74 d，2020 年最大為250.84 d。1960—2020 年AT10 在2925.51～3592.65 ℃，平均值為3265.91 ℃，1976 年最小，2016 年最大。近61 a 來DT10 平均為187.54 d，1976 年最小為172.92 d，2009年最大為206.73 d。從變化趨勢來看，近61 a來GSS呈顯著的提前趨勢（P<0.01），傾向率為-2.04 d·(10a)-1，GSE 以0.85 d·(10a)-1的傾向率呈明顯的推遲趨勢（P<0.05），GSL 則呈顯著的延長趨勢（P<0.01），傾向率為2.88 d·(10a)-1。AT10 和DT10 均呈顯著增加趨勢，且通過了0.01 的顯著性檢驗，傾向率分別為70.62 ℃·(10a)-1和3.26 d·(10a)-1。

圖2 1960—2020年黃河流域生長季指標變化Fig.2 Changes of growing season indicators in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

年代際變化方面（表1），1960—1980 年代GSS偏大，距平為正，生長季開始較晚，GSE距平為負，生長季結束較早，GSL 距平為負，生長季長度相對較短，AT10 距平為負，相對較小。1990 年代后GSS 逐年代提前，距平轉為負值，GSE 距平轉正，生長季末期推遲，GSL 距平轉為正值，生長季長度延長，AT10距平轉正，生長季內≥10 ℃活動積溫增加。1970 年代DT10 最小，2000 年代和2010 年代DT10 最大，生長季內≥10 ℃活動積溫天數最多。

表1 黃河流域生長季指標年代際變化Tab.1 Interdecadal variation of growing season index in the Yellow River Basin

2.2 上、中、下游地區生長季指標時間變化

由表2 可知，近61 a 來流域上、中、下游地區GSS 分別為88.81 d、66.73 d 和53.63 d，上游地區生長季開始最晚（3 月30），下游地區開始最早（2 月23），相差35 d；下游地區GSE 為334.03 d，上游為297.33 d，相差36.70 d，上游地區生長季結束最早（10月24），下游地區結束最晚（11月30），相差37 d；下游地區GSL 為281.40 d，上游地區為208.02 d，上下游地區生長季長度相差73.38 d；下游地區AT10為4619.85 ℃，上游地區為2472.16 ℃，相差2147.69 ℃；DT10 在下游地區最大為232.88 d，上游地區最小為156.31 d，相差76.57 d。從變化趨勢來看，黃河流域上、中、下游地區各指標變化趨勢一致，從變化幅度來看，下游地區GSS、GSE、GSL 和AT10 指標變化幅度最大，上游地區次之，中游地區變幅最小，上游地區DT10 變化幅度最大，下游次之，中游地區最小。

表2 1960—2020年黃河流域生長季指標變化Tab.2 Changes of growing season index in the Yellow River Basin from 1960 to 2020

2.3 氣候生長季空間分布特征

由圖3 可知，黃河流域GSS 的變化范圍為37～164 d，近61 a平均值為75.90 d，即3月17日，整體呈由東到西、由南向北逐漸推遲趨勢，流域東南部生長季開始最早，日序在37～64 d，即2 月6 日—3 月5日，流域西南部達日、瑪多和清水河等站生長季開始最晚，日序在129～164 d，即5 月9 日—6 月14 日。黃河流域GSE 在255～346 d，平均為310.25 d，即11月6 日，分布趨勢與始期相反，整體呈由東到西、由南向北逐漸提前的趨勢，流域東南部生長季結束最晚，日序在327～346 d，即11月23日—12月12日，流域西南部瑪沁、達日、瑪多和清水河等站生長季結束最早，日序在255～273 d，即9 月12 日—9 月30日。黃河流域GSL 在92～310 d，平均為235.35 d，整體呈由東到西，由南向北逐漸縮短趨勢，流域東南部GSL 最長，在265 d 以上，西南部瑪多和清水河生長季最短，在105 d 以下。黃河流域AT10 在33～5153 ℃，流域東南部積溫最高，在4142 ℃以上，西南部瑪多和清水河最低，在188.42 ℃以下。DT10 在3～251 d，流域東南部積溫天數最多，在203 d 以上，西南部瑪多和清水河最低，在20 d 以下，在空間分布上與AT10 的空間分布大致相似，即積溫天數越多，積溫越高，天數越少，積溫越低。

圖3 黃河流域氣候生長季指標的空間分布Fig.3 Spatial distribution of climate growing season index in the Yellow River Basin

2.4 氣候生長季變化趨勢空間分布特征

1960—2020 年黃河流域生長季指標變化趨勢空間分布如圖4 和表3 所示，由圖4 可知，近61 a 來黃河流域GSS 整體呈提前趨勢，全部89 個氣象站點傾向率＜0，傾向率在-4.1～-0.2 d·(10a)-1之間，其中有71.9%站點通過了0.05顯著性檢驗（表3），在空間分布上呈一定的區域集聚特征，流域東南部河南、山東地區與流域中部內蒙古西部、寧夏地區提前幅度較大，西部青海地區提前幅度較小，在-1.6 d·(10a)-1以內。GSE 整體上呈延遲趨勢，傾向率在-0.6～2.6 d·(10a)-1之間，在89 個氣象站點中，有82 個站點呈遞增趨勢，且80.9%的站點達到了0.05 顯著性水平，流域中西部地區和東南部山東、河南地區推遲幅度較大，中東部山西地區推遲幅度較小。GSL 整體呈現出延長趨勢，在0～5.5 d·(10a)-1之間，有88 個站點呈延長趨勢，其中，80.9%的站點呈顯著延長趨勢，流域東南部河南、山東地區和中西部內蒙古西部、寧夏地區形成兩個高值中心，傾向率在3.3 d·(10a)-1以上，流域中東部山西地區傾向率較小，在2.4 d·(10a)-1以下。AT10 整體呈現出上升趨勢，傾向率在2.4～148.6 ℃·(10a)-1，全部89 個站點呈上升趨勢，其中，93.3%站點通過了0.05顯著性檢驗，流域中西部內蒙古西部、寧夏地區增幅較大，在88.4 ℃·(10a)-1以上，流域南部陜西地區、流域西部青海、四川地區增幅較小。DT10 整體呈上升趨勢，傾向率在-0.2～7.2 d·(10a)-1之間，88 個站點呈上升趨勢，其中，79.8%的站點通過了0.05 顯著性檢驗，流域南部陜西地區增幅較小，在2.6 d·(10a)-1以下，流域西南部四川地區增幅較大，在4.3 d·(10a)-1以上。

表3 黃河流域生長季指標空間趨勢檢驗Tab.3 Spatial trend test of growing season index in the Yellow River Basin

2.5 氣候生長季突變特征

由圖5 可知，近61 a 來黃河流域GSS 正序列UF曲線呈波動下降趨勢，反序列UB曲線呈上升趨勢，二者相交于1998 年，突變點在信度線內，且通過了信噪比檢驗，確定其突變點為1998 年，突變前生長季日序平均為79.19 d（3 月20 日），突變后為70.45 d（3 月11 日），提前了9 d（圖5a）。GSE 的UF曲線在1994年后在0值之上，表明該時期UF曲線上升趨勢明顯，UB曲線呈波動下降趨勢，UF和UB曲線存在多個交點，但均未通過信噪比檢驗，故GSE 不存在突變點（圖5b）。GSL 的正序列UF和反序列UB曲線相交于2002 年，在信度線以內，且通過了信噪比檢驗，其突變點為2002 年，突變后GSL 平均為242.98 d，較突變前的231.90 d 顯著延長了11.08 d（圖5c）。AT10和DT10的正序列UF和反序列UB曲線均相交于1998 年，均在信度線內，且通過了信噪比檢驗，故AT10 和DT10 的突變點為1998 年，突變后AT10 和DT10 分別較突變前增加了288.92 ℃和13.49 d。

2.6 生長季周期變化特征

1960—2020年黃河流域生長季指標Morlet小波分析結果如表4 所示（圖略），由表4 可知，GSS 存在28 a、19 a與13 a左右的周期變化，其中，28 a左右的周期為第一主周期，19 a 左右周期為第二主周期，13 a 左右周期為第三主周期。近61 a 來黃河流域GSE、GSL、AT10 和DT10 均存在28 a 左右的主周期變化，而其他周期不明顯。

表4 1960—2020 年黃河流域生長季指標周期變化特征Tab.4 Characteristics of periodic changes of index in the Yellow River Basin during the growing season from 1960 to 2020

2.7 生長季與溫度變化的關系趨勢分析

由表5 可知，黃河流域上游地區生長季指標與溫度變化相關性最強，中游次之，下游最弱。黃河流域平均GSS 與溫度變化顯著負相關，均通過了0.01的顯著性檢驗，與春季平均溫度負相關性最強，相關系數為-0.65，說明GSS 提前與春季變暖有關。分流域來看，黃河流域上、中、下游地區均與溫度變化呈負相關關系，其中，與春季溫度負相關性最強，相關系數分別為-0.83、-0.55 和-0.34，相關性依次減弱。黃河流域平均GSE 與秋季平均溫度相關性最強，說明GSE 延遲與秋季變暖有關，上、中、下游地區GSE 均與秋季溫度相關性最強，相關系數分別為0.82、0.66 和0.42。黃河流域平均GSL 與秋季平均溫度相關性最強，說明GSL 延長與秋季變暖有關，上游地區與春季溫度相關性最強，相關系數達0.80，中游地區GSL 延長主要與秋季增溫有關，相關系數為0.62，下游地區主要與春季增溫有關，相關系數為0.41。

表5 黃河流域生長季指標與各季節平均溫度的相關關系Tab.5 Correlation between growing season index and seasonal average temperature in the Yellow River Basin

3 討論

1960—2020 年黃河流域GSS 呈提前趨勢，GSE呈推遲趨勢，GSL呈延長趨勢，這與全國生長季變化趨勢一致［25］。從變化幅度來看，黃河流域GSS、GSE和GSL 變化趨勢分別為-2.04 d·(10a)-1、0.85 d·(10a)-1和2.88 d·(10a)-1，黃河流域GSS 提前幅度明顯大于全國平均水平及其他多數地區，小于華北地區［20］，而GSE 延遲幅度要小于全國平均水平，GSL 延長幅度大于全國及其他大部分區域，小于華北［20］和青藏高原地區［21］，這可能與黃河流域1960—2020年增溫趨勢0.36 ℃·(10a)-1顯著高于全國增溫速率0.25 ℃·(10a)-1［33］有關。近61 a 來黃河流域GSS 提前了12.4 d，GSE 推遲了5.2 d，GSL 延長了17.6 d，GSS 貢獻了生長季延長的70.5%，GSE 貢獻了29.5%，GSS 的提前對生長季延長的影響更為重要。

黃河流域GSS 提前主要與春季增溫有關，GSE延遲主要與秋季增溫有關，這與吳蓓蕾等［25］對全國生長季的研究結果一致，黃河流域GSL 的延長主要與秋季增溫有關，這與全國平均GSL 延長主要源于春季升溫的結論不同，這可能與各區域氣溫變化不同有關。

在突變特征方面，黃河流域生長季指標分別于1998年和2002年發生突變，這與華北地區［20］研究結果一致，研究表明，全球氣候狀態轉變發生于20 世紀80年代中后期［34］，氣候狀態的轉變導致氣候變率增大及極端氣候事件增加，導致生長季始期提前，生長季末期延遲和生長季延長。

本文利用黃河流域89 個氣象站點氣溫數據來研究生長季指標變化，還不能較好地反應區域內植被生長動態，后續的研究中應結合物候觀測和歸一化植被指數（NDVI）等進一步探究流域生長季指標變化。此外，本研究探討了黃河流域生長季指標與各季溫度的關系，城市化進程、土地利用變化及環流因子對生長季的影響有待進一步研究。

4 結論

（1）1960—2020 年 黃 河 流 域GSS 顯 著 提 前[-2.04 d·(10a)-1]，GSE 呈推遲趨勢[0.85 d·(10a)-1]，GSL 顯著延長[2.88 d·(10a)-1]，AT10 和DT10 顯著增加，傾向率分別為70.62 ℃·(10a)-1和3.26 d·(10a)-1，但區域差異較大，下游GSS 開始最早（2 月23），上游最晚（3 月30），上游GSE 結束最早（10 月24），下游最晚（11月30），下游GSL最長為334.03 d，上游最短為297.33 d，下 游AT10 為4619.85 ℃，上 游 為2472.16 ℃，下游DT10 最大為232.88 d，上游最小為156.31 d。年代際變化來看，1990 年代以來，黃河流域GSS 逐年代提前，GSE 推遲，GSL 顯著延長，AT10和DT10明顯上升。

（2）近61 a 黃河流域整體上由東到西，由南向北GSS 逐 漸 推 遲，GSE 逐 漸 提 前，GSL 逐 漸 縮 短，AT10和DT10逐漸減少。黃河流域上、中、下游地區生長季指標變化趨勢一致，下游地區變化幅度最大，上游地區次之，中游地區變幅最小。

（3）M-K 突變分析表明，近61 a 來黃河流域GSS、AT10 和DT10 于1998 年發生突變，突變后GSS提前了9 d、AT10 和DT10 分別增加了288.92 ℃和13.49 d。GSE 不存在明顯突變點。GSL 于2002 年發生突變，突變后GSL 延長了11.08 d。Morlet 小波分析表明，近61 a 來黃河流域生長季指標存在28 a左右的周期變化。

（4）近61 a 來，黃河流域生長季長度延長了17.6 d，GSS貢獻了生長季延長的70.5%，GSE貢獻了29.5%。相關分析表明，黃河流域GSS 提前主要與春季升溫有關，GSE延遲主要源于秋季增溫，上游和下游地區GSL 延長主要源于春季增溫，中游地區GSL延長主要與秋季變暖有關。