近50a国内黄芩主要分布区气象站变化特征分析

近50a国内黄芩主要分布区气象站变化特征分析

20世纪以来，世界气候变化是一个不可否认的事实。气候变化对植物物种的分布有重要影响。因此，分布区域随着气候条件的变化而变化，这影响了其对当地环境条件的适应性。因此,目前植物种的地理分布和气候关系的研究以及植物种空间分布格局的模拟和预测己成为众多学者所关注的重点研究领域。唇形科黄芩属植物黄芩(Scutellariabaicalensis)是一味大宗常用药材,具有清热燥湿、泻火解毒、止血、安胎等功效,主要产于黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、北京、天津、河南、甘肃、陕西、山西、山东等地,俄罗斯的东西伯利亚、蒙古、日本也有分布。目前有关黄芩的研究主要集中在其有效成分、药理作用及人工栽培等方面,而关于其地理分布与气候关系的研究尚未见报道,故本文拟选取中国黄芩主要分布区为研究区域,基于研究区内气象站点的观测资料,分析该区域主要气候要素变化趋势的时空特征,以期为确定在现状气候条件下黄芩的潜在自然分布,为黄芩资源的合理利用和保育提供气候背景资料和基础数据。1数据和方法1.1年降水量与研究区野生黄芩生长的气候条件一般是:年太阳总辐射量在460～565kJ/cm2,最适年太阳总辐射量为500kJ/cm2,年平均气温在-4～8℃,年降水量为400～600mm,其主要分布区如图1。该区域包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、北京、天津、山东、河南、山西、宁夏、陕西及甘肃的南部,由于区内地貌复杂多样,根据自然地理条件,依据文献将研究区划分为三段:东北段(Ⅰ)、华北段(Ⅱ)、西北段(Ⅲ)(图1)。东北段包括黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古东部,华北段包括河北、北京、天津、山东、河南、山西、内蒙古中部,西北段包括陕西、宁夏、内蒙古西部及甘肃南部。1.2国内平均气温序列的测定选取研究区内94个气象站点1957-2007年主要气候要素——气温、降水量、日照时数逐月的观测数据资料,数据由国家气象信息中心气象资料室(中国气象科学数据共享服务网/)提供,对个别缺测数据通过与相邻站点的线性回归进行插补,建立研究区内东北段、华北段、西北段的年平均(1-12月)、春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12-2月)等季节平均气温序列。1.3分析1.3.1标准正态分布1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/2z1-/222222Mann-Kendall非参数检验统计方法是世界气象组织(WMO)推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的一种方法,被广泛用于水文、气象时间序列的趋势分析。在趋势检验中,假设H0表示数据集X的样本独立同分布,没有趋势存在。可选假设H1表示数据集X中存在一个单调趋势,Mann-Kendall统计检验中计算Zc=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪S−1var(sgn)√S>00S=0S+1var(sgn)√S<0(1)S=∑t=1n−1∑k=t+1nsgn(xk−xt)(2)Ζc={S-1var(sgn)S>00S=0S+1var(sgn)S<0(1)S=∑t=1n-1∑k=t+1nsgn(xk-xt)(2)式中,var(sgn)是sgn序列的样本方差;当xk-xt大于、等于和小于0时,sgn(xk-xt)相应地分别等于1、0和-1。如果-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2,接受零假设H0,其中±Z1-α/2是标准正态分布的1-α/2分位数,α为显著性水平,查表得α=0.05,Z1-α/2=±1.96,α=0.01,Z1-α/2=±2.58。检验序列的趋势,单调趋势大小Kendall倾斜度是一个很有用的指标,其精度要比非对称的回归统计量更高一些,公式为β=Median(xi−xji−j)(3)β=Μedian(xi-xji-j)(3)式中:1<j<i<n,β是整个数据序列中的所有组合相邻单元变化率的中值,当β>0时,反映上升的趋势,当β<0时,反映下降的趋势。1.3.2含义预测分析方法R/S分析法最早是由英国科学家赫斯特(H.E.Hurst)于1965年提出,后经Mandelbrot等在理论上对该方法进一步补充和完善,使其成为对时间序列的未来趋势具有较强预测能力的非参数分析方法。R/S分析方法中用H表示Hurst指数,H=0.5表示时间序列相互独立,完全随机,任意时刻t的数值与过去历史行为无关;0.5<H<1,表明时间序列具有长期相关的特征,即过程具有持续性,反映在气候因子上,则表明未来的气候整体变化将与过去的变化一致,H越接近1,持续性越强;0<H<0.5,表明时间序列具有长期相关性,但将来的总趋势与过去相反,即过程具有相反的持续性。2结果与分析2.1年、季平均气温变化规律图2a为研究区年平均气温及5a滑动平均气温序列。从图中可以看到,研究区的东北段、华北段、西北段近50a来气温变化趋势基本一致,即整个研究区年平均气温随时间呈现出上升趋势。就5a滑动平均气温序列而言,1962-1972年,研究区年平均气温逐渐降低,1972-1990年,气温缓慢波动上升,1990年以后,升温幅度逐渐增大,历年的年平均气温均高于平均值,为近50a来最温暖的时段。采用Mann-Kendall、R/S法对研究区年、季平均气温变化趋势进行检验,结果见表1。从表中可见,近50a来研究区的东北段、华北段、西北段的Zc值都在5.2以上,升温趋势通过了0.01水平的显著性检验(Zc>2.58);研究区年平均气温增速大于0.3℃/10a,高于全国的气温增长率(0.22℃/10a)。在季节水平上,冬季的气温增长率最大,大于0.5℃/10a,对全年增温贡献最大,夏季气温增加速率最小,在0.2℃/10a以下,这与王遵娅等研究的结论基本一致。研究区春、秋两季的气温增长率略有差异,东北段和华北段,春季>秋季,而西北段正相反。Hurst指数表明(表1),研究区的东北段、华北段、西北段的H值都大于0.9,依据Hurst指数分级表2,整个研究区年平均气温变化具有长期相关的特征,即表现出很强的持续性,说明未来气温变化趋势将同过去保持一致,呈上升趋势。从研究区年平均气温Kendall倾斜度等值线分布(图2b)可以看出,年平均气温变化趋势在空间分布上存在一定的区域差异性,整个研究区绝大部分都呈现出上升趋势,平均升速在0.23～0.55℃/10a,其中升温幅度较大的地区位于以兰州、呼和浩特、孙吴为中心的局部及东北段的西北部地区,气温增长率大于0.55℃/10a,升温速度较小的地区位于本溪附近及卢氏以南的局部地区,小于0.07℃/10a。2.2年、季降水量趋势变化的特征图3a呈现了1957-2007年研究区年平均降水量及其5a滑动平均变化曲线,从图中可见,研究区的东北段、华北段、西北段年平均降水量变化趋势有所不同。从5a滑动平均降水量序列可以看出,1962-1980年,东北段年平均降水量呈现出减少趋势,1980-1988年,降水量急剧增高,1988-2003年,表现为波动减少趋势,之后又有小幅增加;华北段年平均降水量,2001年以前经历了波动减少的过程,2001年以后降水量逐渐增多;西北段年平均降水量,近50a基本在平均降水量附近波动,变幅相对较小。从表3中的年、季平均降水量变化趋势检验结果可见,整个研究区年平均降水量表现为减少趋势,但未达到显著性水平(-1.96<Zc<1.96),各季节间略有差异,其中夏、秋两季平均降水量减少的幅度较大,而冬季却表现出一定的增加趋势,与王英等对全球气候背景下中国降水量空间格局的变化特征的研究结论基本吻合。从Hurst指数看,研究区的华北段、西北段年平均降水量减少持续性较弱,而东北段的降水减少持续性很强,未来降水量仍将表现出减小趋势。从研究区年平均降水量变化趋势空间分布(图3b)看,整个研究区降水量变化幅度多在-16.91～1.91mm/10a,其中日照东部、武都的南部及华北段的中部南端降水量减少幅度较大,降幅大于54.53mm/a,达日、济南、海拉尔附近及拐子湖、延吉以东的局部地区表现为大于1.91mm/a的增加趋势。2.3年、季平均战时变化趋势从研究区年平均日照时数及5a滑动平均日照时数序列变化曲线(图4a)可以发现,近50a来研究区的东北段、华北段、西北段,在1995年以前,年平均日照时数变化趋势基本相同,而后变化趋势并不一致。从其5a滑动平均曲线可以看出,1969年以前,日照时数逐渐增加。1969-1995年为波动减少的过程。1995年以后,研究区的年平均日照时数变化趋势有所不同,东北段表现为:1995-2002年大幅增加,而后急剧减少;西北段表现为:1995-2006年逐渐增加,2006年以后小幅减少;华北段表现为:1995-1998年小幅增加,1998年以后大幅减少。表4给出了研究区年、季平均日照时数变化趋势检验结果。由表4可见,整个研究区近50a来年平均日照时数呈现减少的趋势,通过了0.05水平的显著性检验(Zc>1.96),研究区内的变化幅度存在一定的区域差异性,华北段>东北段>西北段,研究区东北段、华北段、西北段的Hurst指数都大于0.93,即整个研究区日照时数减少趋势的持续性很强,未来日照时数仍会处于逐渐减少的阶段。图4b为研究区年平均日照时数Kendall倾斜度等值线图。从图中可以看出,日照时数变化趋势的空间差异性较为明显,以西安附近、榆林以东的局部地区及华北段的中南部为降速最大的区域,超过了12.63h/10a,而以博克图、本溪、锡林浩特、延安为中心的局部地区及西北段的西北部及西南部表现出大于2.41h/10a的增加趋势。3结论和讨论(1)年平均气温特征整个研究区年平均气温随时间呈现出明显的上升趋势,通过了0.01水平的显著性检验,增速大于0.3℃/10a,其中冬季对年增温贡献最大,未来研究区年平均气温仍将呈现上升趋势;研究区年平均气温变化趋势在空间分布上存在着一定差异,大部分地区升幅在0.23～0.55℃/10a。(2)降水持续性分析研究区年平均降水量表现为减少趋势,但未达到显著性水平,其中东北段、华北段、西北段变化趋势略有差异,未来东北段降水减少持续性很强;研究区夏、秋两季年平均降水量下降的幅度较大,而冬季却表现出一定的增加趋势,整个研究区降水量变化幅度大致在-16.91～1.91mm/10a。(3)年平均气温、年降水量1995年以前,整个研究区东北段、华北段、西北段变化趋势基本一致,1995年以后有所不同;研究区年平均日照时数的变化幅度存在着一定的区域差异,华北段>东北段>西北段;Hurst指数分析表明,未来整个研究区的日照时数仍会表现逐渐减少的趋势。黄芩地道产区承德燕山山地和丘陵区的最适生境气候条件为:年平均气温5～7℃、年平均降水量450～500mm、年平均日照数为230h,而在黄芩分布区内,东北段、华北段、西北段年平均气温分别为4.6℃、8.1℃、5.7℃,且近50a来呈现出明显的增温趋势。随着未来气温的继续升高,黄芩在研究区华北段南部的分布将会受到温度因子的制约,其最适气温分布区将位于东北端的南部、华北段的中部及西北段的中北部;就研究区年平均降水量