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自然资源学报 >

2021 , Vol. 36 >Issue 10: 2491 - 2506

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20211004

“秦岭生态文明建设”专栏

1960—2019年秦岭气候带界限的变化研究

  • 张善红 , 1, 2, 3 ,
  • 白红英 , 1, 3 ,
  • 齐贵增 1, 3 ,
  • 梁佳 4 ,
  • 赵婷 1, 3 ,
  • 孟清 1, 3
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  • 1.西北大学城市与环境学院,西安 710127
  • 2.商洛学院城乡规划与建筑工程学院,商洛 726000
  • 3.西北大学陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,西安 710127
  • 4.陕西省气象服务中心,西安 710014
白红英（1962- ）,女,陕西宝鸡人,博士,教授,研究方向为全球变化及自然地理学等。E-mail:

张善红（1983- ）,女,山东日照人,博士,讲师,研究方向为全球变化生态学。E-mail:

收稿日期: 2021-02-22

  要求修回日期: 2021-05-08

  网络出版日期: 2021-12-28

基金资助

国家自然科学基金项目(31570440)

商洛市气候适应型城市重点实验室开放研究基金项目(SLSYS2019019)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
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Changes of climate zone boundary of the Qinling Mountains from 1960 to 2019

  • ZHANG Shan-hong , 1, 2, 3 ,
  • BAI Hong-ying , 1, 3 ,
  • QI Gui-zeng 1, 3 ,
  • LIANG Jia 4 ,
  • ZHAO Ting 1, 3 ,
  • MENG Qing 1, 3
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  • 1. College of Urban and Environmental Sciences, Northwest University, Xi'an 710127, China
  • 2. College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, Shaanxi, China
  • 3. Key Laboratory of Shaanxi Surface System and Environmental Carrying Capacity, Northwest University, Xi'an 710127, China
  • 4. Shaanxi Meteorological Service Center, Xi'an 710014, China

Received date: 2021-02-22

  Request revised date: 2021-05-08

  Online published: 2021-12-28

Copyright

Copyright reserved © 2021.
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摘要

受全球变化的影响,温度带边界在空间上的变化呈现出向高纬度方向显著移动的趋势,其中亚热带区空间分布对全球变暖的响应较为敏感,对其边界空间变化特征的研究对于认识全球变化对自然景观的潜在影响具有重要科学意义。基于秦岭及其周边74个气象站点1960—2019年日均气温数据,选取保证率80%的日均温≥10 ℃持续日220天等值线和1月0 ℃等温线为北亚热带北界指标,探讨了近60年气候变暖背景下秦岭气候带界限的变化趋势。研究表明：（1）1960—2019年秦岭日均温≥10 ℃持续日呈显著上升趋势,其变化率为3.268 d/10 a;秦岭1月平均气温呈弱显著上升趋势,其变化率为0.179 ℃/10 a。（2）60年来秦岭北亚热带北界发生了明显的抬升,平均抬升高度约为228.89 m;从经度上看,中段106°~111°E范围内北亚热带北界的变化最为强烈,60年来上升高度达308.81 m,明显高于东西北三段（东段上升165.69 m,西段上升243.33 m,北段上升267.01 m）。（3）60年来秦岭北亚热带过渡带出现了明显的攀升,且向北移动;秦岭以北“跨越式”地出现北亚热带气候格局。气温突变后,秦岭北亚热带过渡带形成从秦岭南坡延伸到秦岭东部,并向北推进向西进入关中平原的格局,秦岭南坡作为北亚热带和暖温带的分界作用有所减弱。随着气候的变暖,秦岭北亚热带过渡带可能部分或整体转变为北亚热带,北亚热带将从秦岭南坡到秦岭北坡呈连续带状分布,北亚热带北界可能会跨越秦岭山脉。

关键词： 北亚热带北界; 中国南北过渡带; 日均温≥10 ℃持续日; 0 ℃等温线; 秦岭

本文引用格式

张善红 , 白红英 , 齐贵增 , 梁佳 , 赵婷 , 孟清 . 1960—2019年秦岭气候带界限的变化研究[J]. 自然资源学报, 2021 , 36(10) : 2491 -2506 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20211004

Abstract

Influenced by global change, temperature zone boundaries significantly have moved toward higher latitudes, especially the spatial distribution of subtropical zones is more sensitive to global warming, and the study of the spatial change characteristics of its boundaries is of great significance to understand the potential impact of global changes on natural landscapes. Based on the daily average temperature data from 1960 to 2019 from 74 meteorological stations in and around the Qinling Mountains, the 220-day contour of daily average temperature ≥10 ℃ continuous days with 80% guarantee and the 0 ℃ isotherm in January were selected as the northern boundary indicators of the north subtropics, and the trends of the boundaries of the Qinling climate zone under the background of climate warming in the past 60 years were explored. The results showed that: (1) The number of days with daily average temperature ≥10 ℃ in the study area during the period 1960-2019 showed a significant upward trend, with a change rate of 3.268 d/10 a; the average January temperature showed a weakly significant upward trend, with a change rate of 0.179 ℃/10 a. (2) The northern boundary of the north subtropics in the Qinling Mountains underwent a significant uplift in the past 60 years, with an average height of about 228.89 m. In terms of longitude, the northern boundary of the north subtropics in the middle section from 106°E to 111°E had the greatest change, with a rise of 308.81 m in the 60 years, which is significantly higher than the other two sections in the north and west (165.69 m in the east, 243.33 m in the west, and 267.01 m in the north). (3) The northern subtropical transitional zone of the Qinling Mountains climbed significantly in the 60 years and moved northward. Also, the "north" subtropical zone north of the Qinling Mountains climbed significantly and moved northward; the northern subtropical transitional zone of the Qinling Mountains climbed significantly and moved northward in the past 60 years. After the abrupt change in temperature, the northern subtropical transitional zone extended from the southern slope of the Qinling to the eastern part of the mountains and advanced northward into the Guanzhong Plain, and the role of the southern slope as the boundary between the north subtropical and warm temperate zones was weakened. With the climate warming, the northern subtropical transitional zone may continue to climb to higher elevations, and the northern subtropical transitional zone may be partially or integrally transformed into the north subtropical zone, and the north subtropical zone will be continuously distributed from the southern slope of the Qinling Mountains to the northern slope, and then the northern boundary of the north subtropical zone breaks through the Qinling Mountains.

Key words： north subtropical boundary; north-south transitional zone of China; daily average temperature ≥10 ℃ continuous days; 0 ℃ isotherm; Qinling Mountains

IPCC[1]第五次报告指出,1880—2012年全球地表平均温度升高了0.85 ℃,在北半球1983—2012年可能是过去1400年中最温暖的30年。《中国气候变化蓝皮书（2019）》[2]中指出,2014—2018年是全球有完整气象观测记录以来最暖的5个年份;1951—2018年,中国地表年平均气温呈显著上升趋势,近20年是20世纪初以来的最暖时期。大量事实证明,全球变暖在不断加剧。近些年来,很多学者认为由于气候变暖使中国的温度带界线发生了明显的北移。其中,全国[3,4,5]、东南[6]、西北[7]、东北[8]、青藏高原[9]、东部亚热带与热带[10,11,12]等区域温度带界线变化明显,而且区域差异显著,这将影响到自然生态系统与人类生产生活系统对气候变化的适应[7,13]。
在气候变化对温度界线的影响方面,中国的北亚热带界线受到各学者的积极关注。其中有些学者认为,中国亚热带北界在淮河沿线变化明显,而亚热带北界西段秦岭由于受到地形的影响,并没有发生明显的变化[3,4,14,15]。郑景云等[3]对比1981—2010年和1970—2000年中国东部温度带的变化,发现亚热带北界中段已经从洞庭湖平原北移至汉江平原的南部;沙万英等[4]认为1980—1999年较1951—1979年中国的北亚热带东段北移明显,达0.5~1.5个纬度,西段变化不大;缪启龙等[14]认为1951—2005年中国的北亚热带北界东中段向北推移2~3个纬度,而亚热带北界西段几乎没有变化;吴绍洪等[15]认为亚热带北界在112°E以西秦岭段变化不大,而在112°E以东淮河沿线变化非常明显;卞娟娟等[5]认为亚热带北界东段已经越过淮河一线,总体向北移动1个纬度,界线西段仍以秦岭为界,但秦岭南北地区的热量资源均出现增加。另外有些学者认为,北亚热带北界秦岭段也发生了明显变化。如白红英等[16]认为秦岭山地1959—2009年1月0 ℃等温线发生了明显的上移,平均上移143.7 m;张静静等[17]认为豫西山地的亚热带北界气温突变后（1986年）较气温突变前上升165.5 m;缪启龙等[14]认为1991—2005年,亚热带北界西段在陕西省界内西安段向北推移大约1.5个纬度,北界已接近35°N;周旗等[18]认为,20世纪90年代以后,秦岭南北热量差异有所减小,但秦岭作为亚热带北界的分界作用并未变化;李双双等[19]认为秦岭以南,北亚热带北界沿山地“垂直上升”,秦岭以北,以城市为中心的增温区不断延展,但是冷月气温偏低的格局并未改变,秦岭的气候分界作用依然明显。
综上可以看出,前人关于秦岭气候分界问题上做了大量的工作,取得了大量研究成果。但由于这些研究涉及的时段和界线划分指标不同,观测站点的差异,研究的空间尺度不一致,以及分析方法的不同等原因,使得秦岭北亚热带北界的界线存在一定差异,但均为以后的研究提供了重要科学价值。为精确研究秦岭北亚热带北界及其动态变化,有必要采用最新的气候资料,运用高精度的插值软件,以广义的秦岭为研究区,再认识秦岭的气候分界作用,探讨“秦岭北亚热带北界是否发生位移”,若发生位移,“北亚热带北界是否突破秦岭山脉”这一科学问题。基于此,以广义秦岭及其周边74个站点1960—2019年日均温实测数据,以保证率80%的日均温≥10 ℃持续日220天等值线和1月0 ℃等温线为北亚热带北界指标,采用过渡带的方法,探讨近60年秦岭北亚热带北界的趋势变化,旨在揭示全球变暖背景下,北亚热带北界秦岭段是否发生位移,以期为应对气候变化,及时调整农林生产格局,以保障秦岭生态环境安全、资源及服务功能持续利用提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

秦岭地处102°54′10″~112°48′41″E、32°15′22″~34°58′52″N（图1）,是横亘于我国中部地区呈东西走向的巨大山脉,其大体上与我国1月0 ℃等温线、800 mm等降水量线重合[20],是湿润季风气候与半湿润季风气候的分界线,也是北亚热带常绿落叶阔叶林混交林与暖温带落叶阔叶林的分界线[21]。秦岭的高山、中山地貌一般海拔在1500~3000 m,导致山地气候多样,呈现出明显的山地垂直分带特征[20,22],随着海拔的上升,依次呈现暖温带、中温带、寒温带等垂直气候带（南坡在暖温带以下有北亚热带）。气候带的垂直地带性,相应植被也呈现明显的垂直分带特征。
图1 研究区气象站点

Fig. 1 Spatial distribution of meteorological stations in the study area

1.2 研究数据

选取研究区及周边共74个气象站点1960—2019年逐日平均气温实测数据,来源于中国气象科学数据共享服务网和陕西省气象局。对于部分站点数据缺测,通过站点已有数据与邻近站点数据采用回归方法[23],进行一致性检验后插补,保证研究数据的完整性、一致性、连续性。数字高程（DEM）数据分辨率为30 m×30 m,来源于国家基础地理信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1 亚热带与暖温带指标的选取
秦岭位于中国东部季风区,具有划分暖温带和北亚热带的地理意义[19]。参考郑景云等[3]《中国气候区域新方案》的区划原则,探讨全球变暖背景下,中国亚热带北界西段的动态变化,各指标分类见表1。文中提到的北亚热带北界均指秦岭北亚热带北界。
表1 秦岭南北温度带划分指标

Table 1 Indicator system of temperature zones in the north and south of Qinling Mountains

温度带 主要指标 辅助指标 参考指标
日均温稳定
≥10 ℃日数/d		 1月平均气温/℃ 日均温稳定≥10 ℃
期间的积温/℃		 年极端最低气温
平均值/℃
暖温带 170~220 -12~0 3200~4500 -25~ -10
北亚热带 220~240 0~4 4500~5300 -14~ -4
同一温度带内,海拔高度的不同,积温值差别较大,日均温稳定≥10 ℃期间的积温作为指标划分温度带时,对于地势高差悬殊的秦岭有一定的局限性[5]。但日均温稳定≥10 ℃日数作为指标,能够更准确地刻划山地起伏较大的地区温度条件的地域分异[24,25,26]。近60年来秦岭地区的年极端最低气温是-7.56 ℃[27],因此年极端最低气温不是秦岭地区的限制因子。故本文选用北亚热带北界以日均温≥10 ℃持续日和1月0 ℃等温线作为主要指标,以日均温稳定≥10 ℃期间的积温、年极端最低气温平均值为参考指标,划分秦岭南北亚热带和暖温带。
1.3.2 日均温稳定≥10 ℃起止日期
界限温度确定为10 ℃,采用5日滑动平均法确定日均温稳定≥10 ℃起止日期,其初日定义为5日滑动平均气温≥10 ℃的日期,终日定义为5日滑动平均气温<10 ℃的日期[7]。初日和终日之间的日均温总和即为日均气温稳定≥10 ℃期间积温[28],初日和终日之间的日数为日均温稳定≥10 ℃日数。
1.3.3 保证率
保证率是指大于或者小于等于某要素值出现的可能性或机率。农业生产希望充分利用气候资源获得高产,同时又要保证产量能够稳定,所以在考虑热量资源的时候,不能只考虑热量的平均值,需要计算80%的保证率[29]。本文采用经验频率法计算,定量化分析了研究区内日均温≥10 ℃持续日和1月平均气温两个指标在满足温度带划分条件下能够达到保证率80%,具体算法参考曲曼丽[30]的方法。
1.3.4 基于DEM的秦岭1月气温空间插值
秦岭地形复杂,南北坡垂直递减率也不同,海拔对气温的影响很大。根据秦岭南北坡1月气温垂直递减率[31]不同（秦岭南坡气温垂直递减率0.432 ℃/100 m,北坡0.349 ℃/100 m）,将各气象站点的气温数据订正到海平面的高度,然后利用ArcGIS空间插值模块中的O-Kriging法进行插值,生成与DEM相同分辨率的温度栅格影像。将生成的温度场栅格数据与DEM数据,利用南北坡垂直递减率,对南、北坡做网格计算,最终生成带有地形特征的30 m×30 m的秦岭1月平均气温数据。采用交叉验证的方法对插值结果进行检验,提取秦岭1月0 ℃等温线。
1.3.5 Anusplin插值方法
Anusplin是基于普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论,它除通常的样条自变量外,允许引入线性协变量子模型,如海岸线距离、海拔等多个地理因子作为线性协变量[32]。Anusplin在独立变量、协变量和样条次数方面有多种组合,共有18种模型[33]。本文对日均温≥10 ℃持续日数插值的最优空间插值模型以经度、纬度为自变量,海拔为协变量的三变量局部薄盘光滑样条函数,样条次数设置为2,保证精度达到最高。
1.3.6 空间插值的精度检验
采用交叉验证的方法对秦岭1月平均气温、≥10 ℃持续天数的插值精度进行检验。从74个站点中每次随机选15个站点作为验证点,共取3次,得到45个验证点,针对验证站点,采用平均绝对误差（MAE）、平均相对误差（MRE）和均方根误差（RMSE）3个误差指标评估实际观测值与空间插值的精度差异。由表2和表3的结果可知,1月平均气温、≥10 ℃持续日数的插值结果良好,满足研究需要。说明采用基于DEM的秦岭1月平均气温和基于Anusplin的≥10 ℃持续日数的插值方法可行,满足研究需要。
表2 1960—2019年秦岭1月平均气温插值交叉验证结果

Table 2 The results of temperature cross-validation of Qinling Mountains in 1960-2019

气象要素 平均绝对误差MAE 平均相对误差MRE 均方根误差RMSE
1960s 1月气温T1 0.30945 0.11943 0.41335
1970s 1月气温T2 0.28097 0.11169 0.38268
1980s 1月气温T3 0.31412 0.12429 0.39122
1990s 1月气温T4 0.38151 0.14408 0.48195
2000s 1月气温T5 0.36866 0.13998 0.45438
2010s 1月气温T6 0.34010 0.12809 0.41449
表3 ≥10 ℃持续日数交叉验证结果

Table 3 The results of duration average daily temperature for above 10 ℃ cross-validation

气温要素 平均绝对误差MAE 平均相对误差MRE 均方根误差RMSE
1960s ≥10 ℃持续日 4.54505 0.02182 6.60251
1970s ≥10 ℃持续日 4.24615 0.01970 5.94306
1980s ≥10 ℃持续日 4.43077 0.02096 6.22309
1990s ≥10 ℃持续日 5.33187 0.02497 7.42453
2000s ≥10 ℃持续日 4.86593 0.01688 7.37748
2010s ≥10 ℃持续日 5.20769 0.02313 7.24080

2 结果分析

2.1 1960—2019年北亚热带北界界线指标的变化

2.1.1 北亚热带北界界线指标的变化趋势
从1960—2019年秦岭日均温≥10 ℃持续日的变化趋势（图2）可以看出,60年来秦岭日均温≥10 ℃日数呈显著上升趋势（P=0.01）,其变化率为3.268 d/10 a。60年来秦岭1月平均气温呈弱显著上升趋势（P=0.1）,其变化率为0.179 ℃/10 a。60年来≥10 ℃日数最小值出现在1960年,为197天,最高值出现在2013年,达235天;60年来1月平均气温最低值出现在1971年,为-2.40 ℃,最高值出现在2002年,达2.33 ℃。即无论是1月平均气温还是日均温≥10 ℃日数最高值均出现21世纪,最低值分别出现在1960s、1970s。
图2 1960—2019年秦岭日均温≥10 ℃日数、1月平均气温时间变化

Fig. 2 Temporal variations in the average daily temperature for ≥10 ℃ and the average temperature in January in Qinling Mountains from 1960 to 2019

采用Mann-Kendall非参数检验法进行突变检验（图3）,发现秦岭60年来日均温 ≥10 ℃日数突变点在1999年,且在1999年发生的突变为上升的突变,1月平均气温突变点在1986年,也为上升的突变。秦岭1月份平均气温的突变在1986年,与中国气候变暖突变发生于1984年趋于响应,说明秦岭是气候变暖的敏感地带。
图3 1960—2019年秦岭日均温≥10 ℃日数、1月平均气温M-K突变检验

Fig. 3 M-K abrupt change test of the average daily temperature for ≥10 ℃ and the average temperature in January in Qinling Mountains from 1960 to 2019

2.1.2 北亚热带北界界线指标空间变化
对1960—2019年秦岭日均温≥10 ℃日数、1月平均气温变化进行趋势性分析并进行显著性检验,得到图4。由图4可以看出,研究区所有站点（74个站点）日均温≥10 ℃日数的倾向率都大于零,平均值为3.268 d/10 a,最低为1.947 d/10 a,最高为4.985 d/10 a。其中91.9%的站点增加显著性,8.1%的站点≥10 ℃日数增加不显著,表明研究区日均温≥10 ℃日数总体增加趋势明显,增加显著的地区主要在秦岭西部地区以及镇安、柞水、周至、户县一带。
图4 1960—2019年秦岭日均温≥10 ℃日数、1月温度变化倾向率及其F检验空间分布

Fig. 4 Spatial distribution of the average daily temperature for ≥10 ℃ and January temperature change trend rate and their F test figure of Qinling Mountains from 1960 to 2019

研究区中92.30%的站点1月平均气温倾向率大于零,平均值为0.185 ℃/10 a,其中59.46%的站点增加显著,37.84%的站点增加不显著;研究区只有两个站点的1月平均气温倾向率小于0,华州和商南站,经检验这两个站点非显著下降。表明研究区1月平均气温基本上呈增加趋势,秦岭中西部地区增加明显,东部地区增加不显著。
综上所述,研究区日均温≥10 ℃持续日数增加趋势明显,1月平均气温基本上呈微弱的增加趋势,西部地区增加明显,东部地区增加不显著。

2.2 1960—2019年北亚热带北界的动态变化

2.2.1 北亚热带北界的确定
采用Anusplin对日均温≥10 ℃持续日进行空间插值,提取日均温≥10 ℃持续日220天等值线;利用ArcGIS空间分析功能,获取1月平均气温,提取1月份0 ℃等温线。发现日均温≥10 ℃持续日220天等值线和1月份0 ℃等温线两个指标交错出现,并不完全重合,为切合实际,提取两条指标共同作用的下限作为北亚热带北界。将日均温≥10 ℃持续日、1月平均气温以10年为尺度平均插值,分别提取6条日均温≥10 ℃持续日220天等值线、6条1月0 ℃等温线,最终获得60年来北亚热带北界代际线,见图5。图5a为6条代际线的平面图,图5b为6条北亚热带北界代际线在ArcScene中依托DEM的立体显示。
图5 秦岭北亚热带北界的年代际变化

注：图中及下文中1960s界定为1960—1969年;1970s界定为1970—1979年;1980s界定为1980—1989年;1990s界定为1990—1999年;2000s界定为2000—2009年;2010s界定为2010—2019年。

Fig. 5 Interdecadal variations of the north subtropical boundary of the Qinling Mountains

由图5可以看出,由于纬度、海拔和地形等因素的影响,秦岭北亚热带北界是一条沿秦岭南坡东西向分布（沿东西向分布的同时并沿河谷向北延伸）至秦岭东部末端并向北延伸的蜿蜒曲线。在界线以南以东为北亚热带,在界线以北以西为暖温带,另外在秦岭以北,1980s、2000s和2010s出现局地北亚热带,在局地北亚热带外为暖温带。由图5可以看出,各代际线在秦岭的走势基本一致,但它们在海拔高度方面、分布状况等方面存在较大差别。1960s、1970s、1980s、1990s的代际线基本位于秦岭南坡;2000s和2010s北亚热带北界代际线从秦岭南坡向东延伸至秦岭东部末端并向北推进至35°N附近沿黄河河谷向西进入关中平原,后迂回向东而去;1980s、2000s和2010s代际线在秦岭以北出现“飞地”北亚热带北界,这可能是由于城市热岛效应使区域小气候发生变化,使得秦岭北坡部分区域出现北亚热带。
2.2.2 北亚热带北界的位移变化
（1）北亚热带北界垂直变化
将6条北亚热带北界与DEM进行叠加,提取每条年代际线对应的平均海拔高度。截取年代际线的一段（图6）,可以看出,60年来北亚热带北界存在波动上升趋势。利用ArcGIS的空间分析功能,按时间顺序提取6条代际等值线（1960s、1970s、1980s、1990s、2000s和2010s）所对应的海拔高度依次是624.59 m、696.47 m、619.68 m、677.18 m、827.73 m和853.48 m。可以得出北亚热带北界60年间（除1980s）呈现下降趋势,60年来北亚热带北界平均上升了228.89 m,发生了明显的向北、向高海拔处迁移。从各年际等值线对应的海拔高度可以看出,2000s北亚热带北界上升比较明显,但2010s上升较慢。
图6 秦岭某段60年来北亚热带北界随海拔的变化

Fig. 6 The north subtropical boundary changes with the elevations in Qinling Mountains during 60 years

以日均温≥10 ℃日数的突变时间1999年作为北亚热带北界的突变时间,分析其突变前后的变化情况。提取1960—1999年和2000—2019年的北亚热带北界,并与DEM叠加提取平均海拔高度,结果显示,突变前北亚热带北界平均海拔高度为621.22 m,突变之后为818.86 m,突变之后较突变之前的界线上升约197.64 m,上升幅度较大。
白红英等[16]研究的陕西境内秦岭1959—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年的5条1月0 ℃等温线,其对应的平均海拔高度依次为：1021.01 m、1053.23 m、1118.93 m、1139.89 m、1164.71 m,基本在1000 m左右。而本文的研究结果在800 m左右,与之相差200 m。原因之一,日均温≥10 ℃持续日220天等值线在秦岭南坡略低于1月0 ℃等温线;另外,本文研究范围是广义上的秦岭,在秦岭东部,北亚热带北界经过的地方海拔基本低于秦岭南坡。该结论与刘胤汉等[34,35]认为北亚热带北界在秦岭南坡大致800 m等高线处的观点相符。
（2）北亚热带北界经线方向变化
为显示不同经度对北亚热带变化的影响,以106°E和111°E两条经线为分割线,将北亚热带北界分为西、中、东三段,另外各年代在秦岭以北低海拔区部分,作为北段。研究北亚热带北界线海拔高度随经度的变化情况,见表4。由表4可以看出,北亚热带北界海拔高度从东到西,随着经度的减少而增大,即北亚热带北界的平均海拔高度西段>中段>东段。在东段和中段,北亚热带北界除1980s和2010s有所下降外,其余都是呈上升的趋势;在西段北亚热带北界海拔高度呈增加趋势。其中,在东段,北亚热带北界上升了165.69 m,中段上升了308.81 m,西段上升了243.33 m,北段上升了267.01 m。说明在全球变暖的大背景下,秦岭北亚热带界线对全球变暖趋于响应,尤其以秦岭腹地（中段）响应最为强烈,北段次之,西段再次之,东段响应较小。
表4 秦岭北亚热带北界随经度变化

Table 4 The north subtropical boundary changes with the longitudes in Qinling Mountains (m)

位置 年代
1960s 1970s 1980s 1990s 2000s 2010s
东段 305.63 421.61 377.83 389.06 528.11 471.32
中段 475.65 642.58 528.42 581.33 807.25 784.46
西段 1039.29 1041.35 1062.44 1133.03 1219.74 1282.62
北段 413.93 723.28 680.94

2.3 突变前后秦岭北亚热带过渡带分布格局变化

从全国温度带的分布规律看,温度带基本呈现随着纬度的变化而变化。但秦岭由于地势起伏大、地形复杂等原因,在其影响的很多区域超过了纬度因素。因此秦岭温度带表现出包含垂直地带的不完全呈现与纬度平行的水平带状分布。另外,由于气候有年际变化和地区差异,所以气候带的界线往往是一条逐渐过渡的带[36],并非是一条能把相邻地域单元完全分开的线。带内的界线一般比较模糊,表现为逐渐过渡的地域,并会随着时间的推移而发生迁移[37]。从植被带、农业气候带看,各带之间也是有一个过渡的区域而不是一条截然分开的线。本文以保证率80%的日均温≥10 ℃持续日220天等值线和1月0 ℃等温线两个指标作为过渡带的南北缘,提取秦岭北亚热带过渡带,进而研究秦岭北亚热带过渡带的分布格局变化（为了保持过渡带的完整性,研究范围适当扩大）。
大量资料[20,38-41]研究表明,秦岭气温突变在1980年代末1990年代初,且60年来日均温≥10 ℃日数突变点在1999年,1月平均气温突变点在1986年,因此本文把1989年作为秦岭气温突变年。且气候是一个长期的概念,通常30年为一个气候周期,故以1989年秦岭气温突变年为界研究秦岭气温突变前后30年过渡带格局的变化。
以1960—1989年、1990—2019年两个时段以保证率80%的日均温≥10 ℃持续日220天等值线和1月0 ℃等温线作为过渡带的南北缘,得到图7秦岭气温突变前后北亚热带过渡带。图7a、图7b为突变前后过渡带在水平面上的显示;图7c、图7d为突变前后过渡带在秦岭以南、以北两个方向三维立体显示的结果。由图7可以看出,由于纬度、海拔和地形等因素的影响,秦岭北亚热带过渡带主体为沿秦岭南坡东西向分布至秦岭东部末端并向北延伸的一条参差不齐的复杂的狭长地带。图中北亚热带和暖温带的划分参考图5。突变前,过渡带在秦岭以东止于河南洛宁,秦岭以北出现“飞地”过渡带;突变后,过渡带沿秦岭南坡东西向延伸到秦岭以东,并向北推进至35°N附近再向西进入关中平原,突变前的“飞地”过渡带转变为北亚热带。通过图7c、图7d可以清晰地看出,突变后较突变前,秦岭南坡、秦岭东部过渡带明显地向高海拔地区攀升,秦岭北坡过渡带充满整个关中平原。突变后,秦岭南坡较突变前过渡带向北攀升约0.423个纬度;秦岭以东较突变前过渡带向高海拔方向（西）移动约0.5499个纬度;秦岭以北较突变前过渡带向北推进约0.7802个纬度。
图7 突变前、后秦岭北亚热带过渡带

Fig. 7 Transitional zone of north subtropics in Qinling Mountains before and after the abrupt change

1989年气温突变后,秦岭北亚热带过渡带是一条沿秦岭南坡东西向延伸到秦岭以东,并向北推进至35°N附近再向西进入关中平原的参差不齐的狭长带。且在秦岭以东,过渡带基本呈线状,说明气温突变后,低海拔地区的秦岭东部1月0 ℃等温线和≥10 ℃持续日220天两个指标基本重合。对突变后的每一年提取过渡带,发现1997—2019年间,除1999年、2008年、2010年、2011年和2018年份外,其余年份过渡带均从秦岭南坡延伸到秦岭东部,并向北推进,最终进入关中平原。23年中有18年秦岭北亚热带过渡带“跨过”秦岭,说明秦岭北亚热带过渡带从秦岭南坡延伸到秦岭东部,并向北推进至35°N附近再向西进入关中平原的格局已经形成。
由图7可以看出,气温发生突变后,秦岭南北坡北亚热带过渡带气候格局的空间差异较大,秦岭北坡变化趋势高于秦岭南坡,具体表现为“同步增加,南北分异”的响应特征。这种南北空间分异的原因可能是东亚夏季对流层温度年代转折的原因[19,42]。1992年后,中国35°N以北年代际变暖,中心位于蒙古—中国西北地区;35°N以南的地区对流层温度年代际变冷,中心位于长江流域。秦岭以北关中地区位于35°N过渡区,秦岭以南地区位于35°N以南地区。东亚夏季对流层温度年代际的转折,对秦岭以北地区（尤其是关中平原）增温具有放大作用,对秦岭南坡增温具有削弱作用。
通过秦岭北亚热带过渡带突变前后位移的变化,说明秦岭南坡、秦岭东部边界、秦岭以北逐渐成为暖温带与北亚热带的分界;秦岭以北“跨越式”地进入了北亚热带气候格局。秦岭南坡作为北亚热带和暖温带的分界作用有所减弱,但由于秦岭的阻挡作用,秦岭南坡北亚热带过渡带逐渐被抬升,且向北移动,秦岭南坡的分界作用依然明显。但随着气候的变暖,秦岭北亚热带过渡带可能会继续向高海拔地区攀升,秦岭北亚热带过渡带可能部分或整体转变为北亚热带,北亚热带从秦岭南坡到秦岭北坡呈连续带状分布,则北亚热带北界突破秦岭山脉。

3 结论与讨论

本文基于秦岭及其周边74个气象站点1960—2019年日均气温数据,选取保证率80%的日均温≥10 ℃持续日220天等值线和1月0 ℃等温线为北亚热带北界指标,探讨了近60年气候变暖背景下秦岭气候带界线的动态变化。

3.1 讨论

3.1.1 秦岭北亚热带和暖温带界线的划分问题
秦岭北亚热带和暖温带的界线主要有三种划分方法：秦岭主脊线[43,44,45]、秦岭北麓[46,47]和秦岭南坡海拔约800 m[48,49]以及秦岭南坡1000 m处[50]。近些年来,也有部分学者从植物区系的角度认为秦岭只是暖温带和温带植物的分界线[51,52,53],秦岭淮河一线不是我国亚热带的北界,也不是我国常绿阔叶林分布的温度北界。关于北亚热带与暖温带的划分指标问题,竺可桢认为亚热带和暖温带是气候学名词,它们的划分应该以气候为依据,以温度为依据[54]。一方面,这样可以删繁驭要;另一方面植物、土壤、动物、人文等各要素受温度影响,但又有其各自的发展规律,且用地理指标划分的亚热带范围可能会有些误差[55],因此用气候指标划分亚热带与暖温带的分界线更合适。本文采用气候指标,利用1960—2019年研究数据,运用科学的插值方法,全方位地确定了更加精确的秦岭北亚热带北界,并就研究区内近60年秦岭北亚热带北界年代际的变化进行了深刻细致的分析。另外考虑到气候有年际变化和地区差异,提取了秦岭北亚热带过渡带,采用“分界线”到“过渡带”的分析方法,体现“并协、互补”的哲学思想。
3.1.2 秦岭北亚热带北界的变化影响
热量资源的改变以及北亚热带北界的动态变化,将会影响到秦岭南北麓农林作物的生长与分布,植被的物候也会发生变化。一方面体现在高山林线区的变化。高山林线的海拔高度与生长季积温和温度有关。有研究表明[39],在气候变暖的大背景下,秦岭高山林线的海拔高度有升高趋势,同时对1998—2013年秦岭典型林线样区的NDVI进行研究,结果发现各林线样区生长季NDVI均表现为显著的上升趋势。这说明林线对气候变化有很强的敏感性。这与秦岭日均温≥10 ℃持续日和1月0 ℃等温线向高海拔区域移动上升表现一致。
另一方面,体现在植被物候的变化上。有学者[56]对1964—2015年秦岭地区7个树种进行分析,认为1984年是该地区物候的突变年,突变前,物候始期均值呈现推迟趋势,末期物候呈提前趋势,生长期缩短;突变后物候始期呈显著提前趋势,物候末期呈现显著推迟。这与近60年来秦岭北亚热带界线向高海拔区域波动上升表现一致。也有研究发现[57],2000—2010年秦岭遥感物候显示,中高海拔区的植被物候表现为始期提前、末期延后、生长期延长;海拔2000 m以上,物候始期提前、末期提前和生长期缩短。说明不同海拔地区的植被物候对气候变化的敏感响应程度不同。另外,温度带界线的北移,将使植被带上线上升,各植被带植物适生区扩大,农作物向高海拔地区移动、向北移动,同时晚熟的农作物种植范围也将扩大。
秦岭亚热带北界的北移,热量资源的改变对植被变化可能存在多种不确定性,具体如何影响该地区的植被,需要收集最新的一些气候、植被、物候、土壤、水文等资料,进行持续研究跟进。根据秦岭南北麓地区的实际情况确定气候条件与农、林业生产种植之间的反馈机制,及时调整林业管理措施和农林生产格局,以保障秦岭生态环境安全、生态服务功能持续利用,将是下一步研究的重点。

3.2 结论

（1）1960—2019年秦岭日均温≥10 ℃持续日呈显著上升趋势（P=0.01）,其变化率为3.268 d/10 a;秦岭1月平均气温呈弱显著上升趋势（P=0.1）,其变化率为0.18 ℃/10 a。秦岭60年来日均温≥10 ℃持续日突变点在1999年,1月平均气温突变点在1986年,二者突变均为上升的突变。
（2）60年来秦岭北亚热带北界平均上升了228.89 m,发生了明显的向北、向高海拔处移动,说明秦岭是气候变化的敏感地带。突变后北亚热带北界较突变前平均海拔上升约197.64 m;在经度上,106°~111°E范围内北亚热带北界的变化最为强烈,60年来上升高度达308.81 m,表明秦岭中段区域气候变暖已导致北亚热带北界明显上升。
（3）60年来秦岭北亚热带过渡带出现了明显的攀升,且向北移动;秦岭以北“跨越式”地出现北亚热带气候格局。气温突变前,过渡带在秦岭以东止于河南洛宁,秦岭以北出现“飞地”过渡带;突变后,秦岭北亚热带过渡带形成从秦岭南坡延伸到秦岭东部,并向北推进至35°N附近再向西进入关中平原的格局,且秦岭以北出现“飞地”北亚热带。秦岭南坡作为北亚热带和暖温带的分界作用有所减弱,但由于秦岭的阻挡效应,其分界作用依然明显。

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