近50年黑龍江省黑土區(qū)氣溫時空變化分析

張立友，陳晶，李維海，高見，楊帆，田寶星，孫天一，孫彥坤*

（1.吉林省白城市人工增雨基地，吉林白城 137000；2.巴彥縣氣象局，哈爾濱 151800；3.黑河市氣象局，黑龍江黑河 164300；4.肇源縣氣象局，黑龍江大慶 166500；5.黑龍江省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，哈爾濱 150030；6.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，哈爾濱 150030；7.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

近50年黑龍江省黑土區(qū)氣溫時空變化分析

張立友1，陳晶2，李維海3，高見4，楊帆5，田寶星6，孫天一7，孫彥坤7*

（1.吉林省白城市人工增雨基地，吉林白城 137000；2.巴彥縣氣象局，哈爾濱 151800；3.黑河市氣象局，黑龍江黑河 164300；4.肇源縣氣象局，黑龍江大慶 166500；5.黑龍江省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，哈爾濱 150030；6.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，哈爾濱 150030；7.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

文章以黑龍江省黑土區(qū)24個市縣1961～2010年的日平均氣溫數(shù)據(jù)為依據(jù)，運用趨勢性分析、MK突變檢驗分析、空間插值分析，從空間和時間兩方面分析黑龍江省黑土區(qū)氣溫時空變化特征。結(jié)果表明，黑龍江省黑土區(qū)近50年平均氣溫由北向南逐漸升高，每10年平均氣溫升高約0.368℃。從氣溫年代際變化中發(fā)現(xiàn)黑土區(qū)氣溫在逐漸升高，其高溫區(qū)正在向北移動。春夏秋冬四季氣溫升溫幅度存在季節(jié)性差異，冬季升溫幅度最大，其次是夏季，春、秋兩個季節(jié)升溫幅度較小；黑土區(qū)在90年代中期增溫十分明顯，1988年發(fā)生一次顯著突變。

黑土區(qū)；ArcGIS；氣溫；空間變化

目前，全國范圍來說，變暖的速率地域間差異很大，升幅最高位于我國東北地區(qū)[1-5]。目前學(xué)者多從黑龍江省整體進(jìn)行氣候變化研究[6-9]，針對黑龍江省黑土區(qū)氣候變化規(guī)律的系統(tǒng)研究較少。黑土區(qū)性狀好、肥力高、適合植物生長，是黑龍江省重點產(chǎn)糧區(qū)，在吉林和黑龍江兩省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占極其重要地位[10]，因此，研究黑龍江省黑土區(qū)氣溫時空變化特征具有重要意義。本文從氣溫對其時空演變進(jìn)行定量分析與評價，探討氣候變暖帶來年、季及年代際氣候變化特征，為研究區(qū)域農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)提供氣候依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取黑龍江省黑土區(qū)24個市縣1961-2010年近50年的各個氣象站點（如圖1）通過實地觀測記錄氣溫數(shù)據(jù)[12]。

圖1 黑龍江省黑土區(qū)氣象臺站分布Fig.1 Distribution of meteorological observation stations in black soil area in Heilongjiang Province

1.2 方法

本文以ArcGIS軟件為平臺，利用1961～2010年50年黑龍江省黑土區(qū)24個氣象站點的氣溫數(shù)據(jù)，用來研究黑龍江省黑土區(qū)氣溫時空變化特征。

克立格插值法是目前地統(tǒng)計學(xué)中應(yīng)用最廣泛的最優(yōu)內(nèi)插法，利用已知點數(shù)據(jù)去估計未知點數(shù)值，其實質(zhì)是1個實行局部估計的加權(quán)平均值[11-13]?？肆⒏穹ㄒ詤^(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，變異函數(shù)為分析工具，對空間分布具有隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性的變量的研究具有獨特的優(yōu)點[14]?？肆⒏癫逯捣ú粌H加入了海拔因子對插值運算點的影響，還克服了受距離樣本點遠(yuǎn)近的影響，所以選用克立格插值法[15]。

克立格插值法又稱空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的一種方法是地統(tǒng)計學(xué)的主要內(nèi)容之一[15-17]。

式中，Z(χ0)為未知樣點的值，Z(χi)為未知樣點周圍的已知樣本點的值，λi為第i個已知樣本點對未知樣點的權(quán)重，n為已知樣本點的個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省黑土區(qū)1961～2010年平均氣溫空間變化分析

根據(jù)近50年黑龍江省黑土區(qū)24個市縣日平均氣溫，計算出50年年平均氣溫數(shù)據(jù)，應(yīng)用Arc?GIS9.3軟件生成氣溫空間分布圖（如圖2）。基于黑土區(qū)50年平均氣溫柵格數(shù)據(jù)得知，黑龍江省黑土區(qū)24個市縣近50年平均氣溫分布在0.156～4.720℃，年平均氣溫為2.708℃，年平均最低氣溫出現(xiàn)在黑土區(qū)北部為0.156℃，東南部、西南部和南部地區(qū)氣溫稍高，最高達(dá)4.720℃?？傮w上，黑土區(qū)的東部及中南部地區(qū)近50年平均氣溫略高，而北部地區(qū)近50年平均氣溫比較低，黑土區(qū)其余市縣50年平均氣溫均處于1.454～4.230℃。

圖2 黑土區(qū)1961～2010年平均氣溫空間分布Fig.2 Distribution of annual air temperature in black soil area during 1961-2010

圖3 黑土區(qū)氣溫年代際變化空間分布Fig.3 Distributions of inter-decadal variation of air temperature in black soil area

2.2 黑龍江省黑土區(qū)氣溫年代際變化空間分析

為研究黑土區(qū)氣溫的年代際變化空間特征，根據(jù)黑土區(qū)24個氣象臺站觀測到的氣溫值，分析得出氣溫年代際變化分布（如圖3）。從空間分布看，黑土區(qū)氣溫在逐漸升高，高溫區(qū)面積整體呈擴(kuò)張趨勢，這是由于黑龍江省最低氣溫顯著升高造成的。黑土區(qū)年平均氣溫各年代空間變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為自西向東兩邊地區(qū)高于中部地區(qū)，由北向南下降的變化趨勢，反映黑土區(qū)年平均氣溫的準(zhǔn)西南-東北向差異。

從氣溫年代際變化分布看，黑土區(qū)平均氣溫總體顯示為上升趨勢，但各年代際均溫的氣溫距平并不一致（如表1），最高距平為0.750℃，最低距平為-0.027℃。20世紀(jì)60、70年代氣溫偏低，80年代中期進(jìn)入波動增溫階段，90年代中期后增溫顯著，21世紀(jì)初是50年以來的最高溫期。

表1 黑土區(qū)氣溫年代際均溫值和氣溫距平Table 2 Average air temperature and departure in inter-decadal variation in black soil area(℃)

2.3 黑龍江省黑土區(qū)四季平均氣溫空間變化分析

如圖4所示，黑土區(qū)四季分明，南北地區(qū)有明顯的差距，四季年平均氣溫均呈現(xiàn)出由南向北逐漸降低趨勢，哈爾濱及雙鴨山地區(qū)形成氣溫較高的高溫中心地帶。由表2可見，近50年黑龍江省黑土區(qū)春季年均溫為-5.213℃，空間溫度差達(dá)到5.0℃，與其他三季相比，春季氣溫變幅最小為7.973℃；夏季年均溫為18.551℃，空間溫度差為2.4℃，近50年來變幅較大為15.791℃；秋季年均溫為12.860℃，空間溫度差為3.6℃，氣溫變化幅度略小為10.100℃；冬季年均溫為-15.160℃，空間溫度差7.1℃，冬季氣溫變幅最大為17.920℃，說明，冬季增暖對年平均氣溫的升高貢獻(xiàn)最大，春季貢獻(xiàn)最小。

圖4 黑土區(qū)平均氣溫四季變化空間分布Fig.4 Distributions of seasonal variation of air temperature in black soil area

表2 黑土區(qū)四季均溫值和氣溫變幅Table 2 Average air temperature and amplitude in four seasons in black soil area(℃)

2.4 黑龍江省黑土區(qū)1961～2010年平均氣溫時間變化趨勢性分析

近50年變化趨勢為y=0.0368χ+2.0319，結(jié)果見圖5。近50年的平均氣溫變化呈現(xiàn)上升趨勢，每10年平均氣溫增長速率為0.368℃，即50年來黑土區(qū)年平均氣溫每年升高約0.0368℃。年平均氣溫最低值出現(xiàn)在1969年為0.939℃，年平均氣溫最高值為4.878℃（2007年），兩者相差3.939℃。

圖5 黑土區(qū)年平均氣溫趨勢變化分析Fig.5 Trend prediction of average annual air temperature in black soil area

2.5 黑龍江省黑土區(qū)1961～2010年平均溫度突變檢驗分析

在MK突變檢驗中，如果在臨界區(qū)間±2.58間UF（實線）與UB（虛線）有1個交點，即認(rèn)為序列產(chǎn)生突變，該交點為突變的開端。

如圖6顯示，在1963-1983年間UF的值<0，說明年平均氣溫呈下降趨勢；自此后UF的值>0，表明年平均氣溫呈上升趨勢。年平均氣溫開始緩慢增長并于90年代中期后超出臨界線，增溫趨勢變得明顯，且一次明顯的氣溫突變發(fā)生在1988年，說明氣候由冷向暖轉(zhuǎn)變，其后氣溫達(dá)到一個顯著增暖時期。

圖6 黑土區(qū)年平均氣溫Mann-Kendall（MK）突變檢驗分析Fig.6 Mann-Kendall test of annual air temperature in black soil area

3 討論

將空間插值法引入氣溫的研究較多，但應(yīng)用在黑龍江省氣溫變化研究中的較少，且氣溫變化研究的時間尺度較短。本文將研究時間尺度擴(kuò)展至近50年，所用氣溫數(shù)據(jù)資料較新，利于提高數(shù)據(jù)插值的精確性，能夠直觀地觀測到黑土區(qū)氣溫的多時間尺度空間變化。

本文只選取氣溫變化進(jìn)行研究，涵蓋的指標(biāo)比較單一，沒能加入其他氣象指標(biāo)，如能綜合考慮氣溫、降水、相對濕度等因子，可對黑龍江省氣候變化的原因有更全面的認(rèn)識。

4 結(jié)論

a.黑龍江省黑土區(qū)50年的氣溫變化總體呈上升趨勢，每10年增溫率為0.368℃。黑土區(qū)北部平均氣溫偏低，而東部及中南部平均氣溫比較高，黑土區(qū)高溫區(qū)面積不斷增長。

b.20世紀(jì)80年代中期以前氣溫明顯偏低，從80年代后期開始?xì)鉁孛黠@偏高。氣溫年代際變化整體上呈升高趨勢。

c.黑土區(qū)平均氣溫的季節(jié)變化中，夏冬兩季平均氣溫幅度變化較大，尤其以冬季明顯，四季變化顯著。

d.在MK突變檢驗中，黑土區(qū)年平均氣溫表現(xiàn)出明顯的升溫趨勢，自20世紀(jì)70年代中期開始緩慢增溫，80年代末期增溫趨勢變得明顯，隨后黑土區(qū)進(jìn)入一個顯著變暖時期。

[1]于梅,邢俊江,于洪敏.黑龍江省近46年的氣溫變化[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2009,18(3):158-164.

[2]符淙斌,黃燕.亞洲的全球變化問題[J].氣候與環(huán)境研究, 1996,2(1):97-112.

[3]Houghton J.全球變暖[M].戴曉蘇,石廣玉,董敏,等.譯.北京:氣象出版社,2001.

[4]丁一匯,任國玉,趙宗慈,等.氣候變化國家評估報告(I):中國氣候變化的歷史和未來趨勢[J].氣候變化研究進(jìn)展,2006,2 (1):3-8.

[5]潘華盛,張桂華,徐南平.20世紀(jì)80年代以來黑龍江氣候變暖的初步分析[J].氣候與環(huán)境研究,2003,8(3):348-355.

[6]高永剛,那濟(jì)海,顧紅等.黑龍江省氣候變化特征分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,35(5):45-47.

[7]劉玉蓮,吳洪寶.用SSA-MEM分析黑龍江省近45年氣溫變化[J].黑龍江氣象,2004,22(1):16-19.

[8]Hong Y T,Wang Z G,Jiang H B,et al.A 6000-year record of changes in drought and precipitation in northeastern China based onδ13C time series from peat cellulose[M].Beijing:Earth Planet Sci Lett,2001:111-119.

[9]Yang B,Braeuning A,Johnson K R,et al.General characteristics of temperature vartation in China during the last two millennia [R].Gephys Res Letts,2002,29(9):381-384.

[10]張中美.黑龍江省黑土耕地保護(hù)對策研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[11]趙軍,商磊,蕊翠萍,等.基于GIS的黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)空間變化分析[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與研究2006,22(4):304-307.

[12]張健.南京市大氣環(huán)境污染點源數(shù)據(jù)的空間插值方法[D].南京:南京信息工程大學(xué),2009.

[13]楊鳳海,楊鳳江,蘇琦,等.基于ArcGIS的黑龍江省活動積溫空間插值與計算[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,41(1):61-66.

[14]謝云峰,張樹文.基于數(shù)字高程模型的復(fù)雜地形下的黑龍江平均氣溫空間插值[J].中國農(nóng)業(yè)氣象2007,28(2):205-211.

[15]玄明君.黑龍江省黑土區(qū)氣候時空變化特征分析[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[16]張敏,賀鵬飛,陳偉強(qiáng).基于GIS和地統(tǒng)計學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,41(3):53-58.

[17]湯國安,楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

Temporal and spatial variations in air temperature during 1961-2010 over black soil area of Heilongjiang Province

ZHANG Liyou1,CHEN Jing2,LI Wei
hai3,GAO Jian4,YANG Fan5,TIAN Baoxing6,SUN Tianyi7,SUN Yankun7（1.Jilin Provincial Baicheng Artificial Rainfall Base,Baicheng Jilin 137000,China;2.Bayan Meteorological Bureau,Harbin 151800, China;3.Heihe Meteorological Bureau,Heihe Heilongjiang 164300,China;4.Zhaoyuan Meteorological Bureau,Daqing Heilongjiang 166500,China;5.Logistic Service Centre of Heilongjiang Meteorological Bureau,Harbin 150030,China;6.Heilongjiang Academy of Meteorological Sciences, Harbin 150030,China;7.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Based on the daily air temperature data in the 24 meteorological stations in the black soil area in Heilongjiang Province from 1961 to 2010 and with three methods-Trend Prediction,Mann-Kendall Test,and Spatial Interpolation Analysis,this paper made an analysis of the chronic and spatial temperature features in the black soil areas.The annual variation,seasonal and inter-decadal variation of air temperature were summarized and analyzed.It showed that the annual temperature increased gradually from north to south during the period of 50 years.The warming rate of annual mean temperature in black soil area was0.368 per10 years.The study suggested that the annual mounting trend of the temperature in Heilongjiang Province varies greatly on the inter-decadal time scales.High temperature region moved to north.The warming trends had the season difference.It behaved stronger in winter and weaker in spring.On the timescale of 50 years,there was an obvious truth of warming and abrupt change on the temperature of black soil area in Heilongjiang Province,abrupt change point was 1988.

black soil area;ArcGIS;temperature;spatial variation

S162.1；P468.0+21

A

1005-9369（2014）02-0048-06

2012-10-24

UNDP綠色發(fā)展項目（CPR/06/209）

張立友（1964-），男，高級農(nóng)藝師，研究方向為氣象生態(tài)。E-mail:zhangliyou66@sina.com

*通訊作者：孫彥坤，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為氣象生態(tài)。E-mail:yk-sun@163.com

時間2014-1-17 16:40:02[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140117.1640.012.html

張立友,陳晶,李維海,等.近50年黑龍江省黑土區(qū)氣溫時空變化分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,45(2):48-53.

Zhang Liyou,Chen Jing,Li Weihai,et al.Temporal and spatial variations in air temperature during 1961-2010 over black soil area of Heilongjiang Province[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(2):48-53.(in Chinese with English abstract)