摘要:
利用近61年(1960~2020年)新疆塔城地区7个气象台站逐日平均气温资料，采用线性倾向率、气候趋势系数、M-K突变检验等数理统计方法，对塔城地区不同界限温度积温的时空变化特征进行了分析，结果表明：① 近61a塔城地区7站中乌苏各界限温度积温最多，沙湾次之，和丰最少；区域中南部最多，其次为塔城盆地，和丰最少。② 各站及各区域各界限温度积温基本以1980年代、1990年代、2000年代最多，1960年代最少；③ 各站及各区域各界限温度积温均表现为显著增多趋势，其中≥0℃、15℃积温托里分别以103.8℃/10a、108.6℃/10a的速率显著增多，≥10℃、20℃积温塔城分别以108.9℃/10a、126.6℃/10a的速率显著增多，其余各站增幅各不相同；区域中各界限温度积温以塔城盆地增幅最大，分别以98.7℃/10a、102.9℃/10a、102.0℃/10a、115.5℃/10a的速率显著增多，其次为南部，最少为和丰。④ 塔城盆地 ≥ 0℃、10℃积温序列在20世纪90年代初期发生过明显的由少到多和由多到少的突变，≥15℃、20℃积温序列在20世纪80年代末期发生过突变；南部≥10℃、15℃积温序列在20世纪90年代中期发生过突变，≥0℃积温序列在20世纪90年代中期发生过突变，≥20℃积温序列在20世纪80年代中期发生过突变；和丰 ≥ 10℃、15℃积温序列在20世纪80年代末期发生过突变，≥0℃积温序列在20世纪90年代初期发生过突变，≥20℃积温序列在20世纪80年代末期至90年代初期发生过突变，各区域突变点各不相同。
Abstract:
Based on the daily average temperature data of 7 meteorological stations in Tacheng area of Xin-jiang in recent 61 years (1960~2020), the temporal and spatial variation characteristics of accumulated temperature at different limits in Tacheng area were analyzed by using mathematical statistics methods such as linear trend rate, climatic trend coefficient and M-K mutation test. The results show that: 1) In recent 61 years, among the 7 stations in Tacheng area accumulated temperature is the highest in Wusu, Shawan is the second, and Hefeng is the least. High value center locates central and southern of Tacheng area, Tacheng Basin is the second, and Hefeng is the least. Among the seven stations, Wusu has the highest accumulated temperature, Shawan is next, and Hefeng is the least. Tacheng Basin is the second, and Hefeng basin is the least. 2) The accumulated temperature of each station and each region was the highest in the 1980s, 1990s and 2000, and the lowest in the 1960s. 3) The accumulated temperature of each station and each region showed a significant increase trend. The accumulated temperature of ≥0˚C and 15˚C Toli increased significantly at 103.8˚C/10a and 108.6˚C/10a, respectively. The accumulated temperature of ≥10˚C and 20˚C Tachong increased significantly at 108.9˚C/10a and 126.6˚C/10a, respectively. The growth rate of other stations is not the same; Tacheng Basin had the largest increase in accumulated temperature, with the rates of 98.7˚C/10a, 102.9˚C/10a, 102.0˚C/10a and 115.5˚C/10a, respectively, followed by the south, and the least was Hefeng. 4) The accumulated temperature sequences of ≥0˚C and 10˚C in Tacheng Basin had obvious abrupt changes from less to more and from more to less in the early 1990s, and the accumulated temperature sequences of ≥15˚C and 20˚C had abrupt changes in the late 1980s. In the south, ≥10˚C and 15˚C accumulated temperature sequences were mutated in the mid-1990s, ≥0˚C accumulated temperature sequences were mutated in the mid-1990s, and ≥20˚C accumulated temperature sequences were mutated in the mid-1980s. The sequence of accumulated temperature ≥ 10˚C and 15˚C in Hefeng was mutated in the late 1980s, the sequence of accumulated temperature ≥ 0˚C was mutated in the early 1990s, and the sequence of accumulated temperature ≥ 20˚C was mutated from the late 1980s to the early 1990s, with different mutation points in each region.
1. 引言
20世纪80年代以来，全球气候的明显变暖使得气候变化研究日益受到重视，气候变化给人类的生存和发展带来了一系列重大影响，已经危及到农业和粮食安全、水资源安全、能源安全、生态安全、公共卫生安全等各方面 [1]，农业是受气候变化影响最为敏感的领域之一，气候变化会导致农业气候资源的变化，从而影响农业生产过程，在一定程度上还影响着一个地区的农业产业布局和耕作栽培措施等，而热量是最重要的气候资源之一，它决定着一个地区的生态环境、植被分布、农作物种类及种植方式、作物品种和产量 [2]。而气温、积温和界限温度又是衡量一个地区热量资源的重要指标，是作物生长的重要因素之一，对指导农业生产具有重要意义 [3] [4]，是进行农业气候区划、合理配置农作物以及预报物候期、病虫害发生期的重要依据 [5] [6]，不同界限温度的初日、终日和持续日数、活动积温，可以分析和判断一个地区可提供给作物生长发育的热量资源数量。
目前国内外众多学者对中国的热量资源变化规律开展了诸多研究，并取得了较多的研究成果。刘实等 [7] 利用1951~2005年东北地区100个气象站日平均气温资料，得出各年代稳定通过0℃和10℃积温及其持续天数、起止日期分布的变化；刘文娟，郝成元等 [8] [9] 利用1960~2009年河南省17个气象站逐日均温资料，研究了期间河南省积温的时空变化，结果表明，河南省 ≥ 0℃和≥10℃活动积温均呈上升趋势；且2000年后，两种积温均发生了较显著的增加，且呈自南而北的增大趋势；戴声佩等 [10] 选用福建、广东、广西、云南和海南143个序列较长的气象站1960~2011年逐日平均气温实测数据，分析了≥10℃积温的时空变化，结果表明，1960年以来研究区域 ≥ 10℃积温呈增加趋势；樊静 [11] 的研究表明，近40年新疆奇台县气候趋向变暖，特别是1988年以后气温升高明显，冬季增温的贡献最大，≥10℃活动积温呈减少趋势；李兰等 [12] [13] 对莫索湾地区农业气候资源进行了分析，发现该区域 ≥ 0℃、10℃、15℃、20℃的活动积温均有升高趋势，但年际变化大，而对近45年新疆地区88个气象观测站稳定通过0℃的初日、终日、初终间日数的研究表明，全疆 ≥ 0℃积温呈增加趋势，增加最多的是塔城盆地。
塔城地区素有新疆的“粮仓、肉库、油库”的美誉，近年来塔城地区气象工作者对辖区内降水、气温、高温、霜冻、日照等农业气象资源均进行过相关的研究，并得出一些对实际工作有指导意义的结论，但对重要的农业气象指标——积温的研究尚未见诸报道。本文利用1960~2020年塔城地区7个气象观测站逐日平均气温资料，用数理统计方法分析了≥0℃、10℃、15℃、20℃各界限温度积温的时空变化特征，对揭示塔城地区热量资源分配格局，以期为科学高效利用农业气候资源，更好地为农业生产服务提供参考，同时为塔城地区农业经济结构、生产布局和作物种类调整提供指导。
2. 研究区域和方法
2.1. 研究区域概况
塔城地区位于新疆西北部，远距海洋，属温带大陆性干旱和半干旱气候区，夏季炎热而短促，冬季严寒而漫长，辖区包括塔城市、乌苏市、沙湾市、托里县、额敏县、裕民县、和布克赛尔县，境内热量资源较为丰富，主要农作物有：棉花、春玉米、冬春小麦、油葵、油菜、甜菜、打瓜、加工番茄等。在大气环流、地理纬度、独特地形等因素综合作用下，同属一个行政区域内的7个气象观测站被划分为3个不同的气候带，即塔城盆地(包括：塔城、额敏、裕民、托里)、南部(包括：乌苏、沙湾)、和布克赛尔谷地(包括：和布克赛尔简称“和丰”)。
2.2. 研究方法
利用塔城地区7个气象观测站1960年~2020年逐年、月、日平均气温资料，提取了≥0℃、10℃、15℃、20℃积温资料；采用线性趋势法，对≥0℃、10℃、15℃、20℃各界限温度积温时间序列变化特征进行分析，采用F检验方法对频数进行显著性检验，统一以显著性水平达到0.05作为通过检验的标准；采用M-K突变检验对塔城盆地、南部、和丰各界限温度积温的周期变化进行检验和分析。
3. 近61年塔城地区各界限温度积温的时空变化特征
农作物的生长、发育和产量形成均需要一定的适宜温度(热量)条件，当其他条件均得到满足时，一定数量范围内的气温与作物生长发育速度成正相关关系，同时还要累积到一定的温度总和才能完成其发育期，这个温度累积数量称为积温。任何植物都有一个生长发育的下限温度(或称为生物学起点温度)，只有高于这个下限温度，植物才能正常发育 [8]。学术研究中，把高于生物学下限温度的日平均气温值叫做活动积温，活动积温是衡量一个地区农业热量资源的重要指标。
3.1. 各界限温度积温的时空分布
表1为近61a塔城7站 ≥ 0℃、10℃、15℃、20℃各界限温度积温资料，对其进行分析表明，近61a塔城7站 ≥ 0℃平均积温大值区主要分布在南部，其中乌苏最多，达4295℃，沙湾略少为4207.3℃；次大值分布在塔城盆地，其中塔城最多，达3665.9℃，其后依次为额敏(3646.5℃)、裕民(3638.8℃)、最少为托里(3201.2℃)；最小值分布在和丰(2783.4℃)。≥10℃积温大值区主要分布在南部，其中乌苏最多，达4006.7℃，沙湾为3922℃；次大值分布在塔城盆地，其中塔城最多，达3324.1℃，其后依次为额敏(3318.3℃)、裕民(3300.8℃)、最少为托里(2837.8℃)；最小值分布在和丰，仅2394.6℃。≥15℃积温大值区主要分布在南部，其中乌苏最多，达3598.1℃，沙湾为3508.6℃；次大值分布在塔城盆地，其中塔城最多，达2806.9℃，其后依次为额敏(2805.8℃)、裕民(2802.8℃)、最少为托里(2280.1℃)；最小值分布在和丰，仅1787.7℃。≥20℃积温大值区仍分布在南部，其中乌苏最多，达2883.4℃，沙湾为2757.5℃；次大值分布在塔城盆地，其中裕民最多(1862.4℃)，其后依次为额敏(1835.2℃)、塔城(1825.7℃)、托里(1224.8℃)；最小值在和丰，仅654.9℃。
综上说述，近61a塔城地区 ≥ 0℃、10℃、15℃、20℃各界限温度积温呈递减趋势，其中≥0℃积温最多，≥10℃次多，≥15℃居第三，≥20℃最少；7站中乌苏 ≥ 0℃、10℃、15℃积温最多，其后依次为沙湾、塔城、额敏、裕民、托里，和丰最少；≥20℃积温仍以乌苏最多，其后依次为沙湾、裕民、额敏、塔城、托里，和丰最少；南部各界限温度积温最多，其次为塔城盆地，和丰最少。
3.2. 历年最多积温时空分布
对表1的分析表明，各界限温度最多积温中≥0℃积温乌苏最多为4785.5℃，沙湾次多(4738.6℃)，其后依次为塔城、额敏、裕民、托里、和丰，除塔城出现于2008年外，其余各站均出现于1997年；≥10℃积温乌苏最多为4614.1℃，沙湾次多(4532.8℃)，其后依次为塔城、额敏、裕民、托里、和丰，各站均出现于1997年；≥15℃积温乌苏最多为4175.2℃，沙湾次多(4134.5℃)，其后依次为额敏、塔城、裕民、托里、和丰，除塔城、和丰出现于2008年外，其余各站均出现于1997年；≥20℃积温沙湾最多为3358.3℃，乌苏次多(3356.7℃)，其后依次为塔城、额敏、裕民、托里、和丰，除沙湾出现于2012年外，其余各站均出现于2008年。
塔城地区各界限温度历年最多积温仍以南部乌苏最多，沙湾次之，其次为塔城盆地，最少为和丰，各界限温度积温出现时间相对较一致。
Table 1. Spatial distribution of minimum accumulated temperature of each boundary temperature in Tacheng area
表1. 塔城地区各界限温度积温
2008
3.3. 历年最少积温时空分布
对表1的分析表明，各界限温度最少积温中≥0℃积温南部最少为3701.8℃~3681.1℃，塔城盆地为3032.4℃~2598.3℃，和丰为2345.3℃，均出现于1960年；≥10℃积温南部最少为3507.3℃~3451.1℃，塔城盆地为2789.2℃~2231.3℃，和丰为2011.5℃，均出现于1960年；≥15℃积温南部为2984.9℃~2947.8℃，塔城盆地为2288.5℃~1596.7℃，和丰为1273.0℃，除额敏出现于1969年外，其余各站均出现于1960年；≥20℃积温南部为2299.2℃~2223.9℃，塔城盆地为1198.6℃~330.8℃，和丰为186.0℃，其中额敏、托里出现于1972年、和丰出现于1961年，其余各站均出现于1960年。
塔城地区各界限温度历年最少积温仍以乌苏、沙湾最多，其次为塔城盆地，最少为和丰，各界限温度积温历年最少值出现时间相对较一致。
3.4. 各界限温度积温的年代际变化
图1(a)~(d)为塔城地区各界限温度积温年代际分布，从图中可以看出，≥0℃积温塔城、额敏、乌苏表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，托里、和丰表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，裕民表现为从“少–多–多–多–少–多”的交替演变，沙湾表现为从“多–少–多–多–多–多”的交替演变；≥10℃积温塔城、额敏、托里、沙湾表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，和丰表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，裕民表现为从“少–多–少–多–多–多”的交替演变，乌苏表现为从“少–多–少–多–多–少”的交替演变；≥15℃积温塔城、额敏、裕民、沙湾表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，托里、和丰表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，乌苏表现为从“少–多–少–多–多–多”的交替演变；≥20℃积温额敏、裕民表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，沙湾、和丰表现为从“多–少–多–多–多–少”的交替演变，塔城表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，托里表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，乌苏表现为从“多–多–多–少–多–少”的交替演变。
(a) ≥0℃积温 
(b) ≥10℃积温 
(c) ≥15℃积温 
(d) ≥20℃积温
Figure 1. (a)~(d) Interdecadal distribution of accumulated temperature of boundary in Tacheng Area (The x-coordinate is the site and area)
图1. (a)~(d)塔城地区各界限温度积温年代际分布(横坐标为站点及区域)
就区域而言，≥0℃积温塔城盆地和南部均表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，和丰表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，各区域均在1970、1980、1990、2000年代表现为增多趋势；≥10℃积温塔城盆地和南部均表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，和丰表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，各区域均在1970、1980、1990、2000年代表现为增多趋势；≥15℃积温塔城盆地和和丰表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，南部表现为从“少–多–多–多–多–多”的交替演变，各区域均1970、1980、1990、2000年代表现为增多趋势；≥20℃积温塔城盆地表现为从“少–多–多–多–多–少”的交替演变，南部表现为从“少–多–多–少–多–少”的交替演变，和丰表现为从“多–少–多–多–多–少”的交替演变，各区域均1980、1990年代表现为增多趋势。
综上多述，塔城地区各站点及各区域各界限温度积温基本以1980年代、1990年代、2000年代最多，1960年代最少。
3.5. 各界限温度积温的线性变化特征
表2为塔城地区各界限温度积温倾向率及趋势系数，就倾向率而言，≥0℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中托里增速最大，以103.8℃/10a的速率显著增多，其后依次为塔城、额敏、裕民、沙湾、乌苏，最少为和丰，以67.6℃/10a的速率显著增多，区域中塔城盆地增速最大，以98.7℃/10a的速率显著增多，其次为南部(76.8℃/10a)，最少为和丰；≥10℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中塔城增速最大，以108.9℃/10a的速率显著增多，其后依次为托里、额敏、沙湾、裕民、乌苏，最少为和丰，以63.0℃/10a的速率显著增多，区域中，塔城盆地增速最大，以102.9℃/10a的速率显著增多，其次为南部(84.3℃/10a)，最少为和丰；≥15℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中托里增速最大，以108.6℃/10a的速率显著增多，其后依次为塔城、额敏、沙湾、裕民、乌苏，最少为和丰，以72.9℃/10a的速率显著增多，区域中塔城盆地增速最大，以102.0℃/10a的速率显著增多，其次为南部(86.1℃/10a)，最少为和丰；≥20℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中塔城增速最大，以126.6℃/10a的速率显著增多，其后依次为托里、额敏、裕民、沙湾、乌苏，最少为和丰，以58.9℃/10a的速率显著增多，区域中塔城盆地增速最大，以115.5℃/10a的速率显著增多，其次为南部(75.9℃/10a)，最少为和丰。这与李兰 [13] 文章所述，全疆近45a 88站 ≥ 0℃积温呈增加趋势，增加最多的是塔城盆地的结论一致。
就气候趋势系数而言，≥0℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中托里增速最大，气候趋势系数为0.75，其后依次为塔城和额敏、沙湾、和丰、裕民，最少为乌苏，区域中塔城盆地增多最明显，其次为南部和和丰；≥10℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中托里增速最大，气候趋势系数为0.73，其后依次为塔城和额敏、沙湾、裕民，最少为和丰和乌苏，区域中塔城盆地增速最大，其次为南部，最少为和丰；≥15℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中托里和塔城增速最大，气候趋势系数均为0.67，其后依次为沙湾、额敏、裕民、乌苏，最少为和丰，区域中塔城盆地增速最大，其次为南部，最少为和丰；≥20℃积温各站及各区域均表现为显著增多趋势(均通过了0.01的显著性水平检验)，7站中塔城增速最大，其后依次为托里、额敏、沙湾、裕民、乌苏，最少为和丰，区域中塔城盆地增速最大，其次为南部，最少为和丰。这与李兰 [12] 文章所述，全疆近45a 88站 ≥ 0℃积温呈增加趋势，增加最多的是塔城盆地的结论一致。
综上所述，各站及各区域各界限温度积温均表现为显著增多趋势，其中≥0℃、≥15℃积温托里增幅最大，≥10℃、≥20℃积温塔城增幅最大，其余各站增幅各不相同，区域中塔城盆地增幅 > 南部 > 和丰。
Table 2. Trend rates and trend coefficients of accumulated temperature of all limit temperatures in Tacheng area unit: ˚C/10a
表2. 塔城地区各界限温度积温倾向率及趋势系数，单位：℃/10a
注：*通过0.05的显著性检验；**通过0.01的显著性检验；***通过0.001的显著性检验；-未通过检验。
3.6. 各界限温度积温M-K检验
图2(a)~(l)为塔城地区各界限温度积温M-K突变曲线图，由图可知，塔城盆地 ≥ 0℃积温序列在20世纪90年代初期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1994年前后≥0℃积温序列发生了突变，1994年为突变点；南部地区在20世纪90年代后期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1998年前后≥0℃积温序列发生了突变，1998年为突变点；和丰在20世纪90年代初期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1991年、1994年前后≥0℃积温序列发生了突变，1994年为突变点。
塔城盆地 ≥ 10℃积温序列在20世纪90年代初期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1990、1993、1994年前后≥10℃积温序列发生了突变，1994年为突变点；南部地区在20世纪90年代中期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1995年前后≥10℃积温序列发生了突变，1995年为突变点；和丰在20世纪80年代后期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1989年、1992年前后≥10℃积温序列发生了突变，1989年为突变点。
塔城盆地 ≥ 15℃积温序列在20世纪80年代末期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1989年前后≥15℃积温序列发生了突变，突变点为1989年；南部地区在20世纪90年代中期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1995年前后≥15℃积温序列发生了突变，突变点为1995年；和丰在20世纪80年代后期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1987年、1988年前后≥15℃积温序列发生了突变，1988年为突变点。
塔城盆地历年≥20℃积温序列在20世纪80年代末期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1989年前后≥20℃积温序列发生了突变，突变点为1989年；南部地区在20世纪80年代中后期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1986年、1987年、1988年前后≥20℃积温序列发生了突变，1988年为突变点；和丰在20世纪80年代后期至90年代初期发生过一次明显的由少到多和由多到少的突变，根据UFk和UBk曲线交点的位置，可以确定1987年、1988年、1990年前后≥20℃积温序列发生了突变，1987和1990年为突变点。
综上所述，塔城盆地 ≥ 0℃、10℃积温序列在20世纪90年代初期发生过明显的由少到多和由多到少的突变，≥15℃、20℃积温序列在20世纪80年代末期发生过突变；南部 ≥ 10℃、15℃积温序列在20世纪90年代中期发生过突变，≥0℃积温序列在20世纪90年代中期发生过突变，≥20℃积温序列在20世纪80年代中期发生过突变；和丰 ≥ 10℃、15℃积温序列在20世纪80年代末期发生过突变，≥0℃积温序列在20世纪90年代初期发生过突变，≥20℃积温序列在20世纪80年代末期至90年代初期发生过突变。
4. 结论与讨论
1) 近61a塔城地区各界限温度积温以≥0℃最多，≥10℃次多，≥15℃居第三，≥20℃积温最少；7站中乌苏各界限温度积温最多，沙湾次之，和丰最少；区域中南部最多，其次为塔城盆地，和丰最少。
2) 塔城地区各站点及各区域各界限温度积温年代际差异较大，基本以1980年代、1990年代、2000年代最多，1960年代最少。
3) 各站及各区域各界限温度积温均表现为显著增多趋势，其中≥0℃、15℃积温托里增幅最大，≥10℃、20℃积温塔城增幅最大，其余各站增幅各不相同；区域中塔城盆地各界限温度积温增幅最大，分别以98.7℃/10a、102.9℃/10a、102.0℃/10a、115.5℃/10a的速率显著增多，南部次之，和丰最少。
4) 各区域 ≥ 0℃积温在20世纪90年代末期、≥10℃积温在20世纪80年代末期、90年代中后期、≥15℃积温在20世纪80年代末期、90年代中期、≥20℃在20世纪80年代末期均发生过明显的由少到多和由多到少的突变，突变点各不相同。
基金项目
塔城地区气象局课题“1960~2020年塔城地区积温时空变化特征分析”(202003)资助。
NOTES
*通讯作者。