基于時(shí)間序列分析并預(yù)測三峽庫區(qū)局地環(huán)境溫度的變化*

馬 力，于瑞林，李 杰，夏立忠，LI Yun-cong

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基于時(shí)間序列分析并預(yù)測三峽庫區(qū)局地環(huán)境溫度的變化*

馬 力1,3，于瑞林2**，李 杰2，夏立忠1，LI Yun-cong3

（1．中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，泰安，271018；3．Soil and Water Science Department，Tropical Research and Education Center，University of Florida，Homestead，F(xiàn)L 33031，USA）

利用湖北秭歸三峽庫首典型區(qū)的氣象監(jiān)測資料，采用時(shí)間序列分析和自回歸積分滑動(dòng)平均模型（ARIAM）方法，對(duì)三峽庫區(qū)2001-2015年局地環(huán)境溫度變化進(jìn)行趨勢和預(yù)測分析，以探討三峽工程蓄水對(duì)庫區(qū)局地氣候環(huán)境變化的影響。結(jié)果表明，研究區(qū)域局地氣溫和地溫的時(shí)間序列為季節(jié)性非平穩(wěn)時(shí)間序列，年際月平均氣溫峰值在7月（29.0℃），低谷在1月（6.0℃）；研究期內(nèi)局地平均氣溫在2003年降至17.8℃，2007年穩(wěn)定升至18.3℃；2011年持續(xù)降至的17.1℃，之后穩(wěn)定升至2013年的17.9℃。平均地溫在2005年升至21.2℃，2008年持續(xù)降至19.4℃，后期在2013年穩(wěn)定升至20.1℃。分析結(jié)果顯示，在2003年蓄水前后三峽庫首典型區(qū)局地環(huán)境溫度呈現(xiàn)一定程度年際波動(dòng)，但不存在顯著單一的變化趨勢，說明在研究期15a內(nèi)三峽工程蓄水對(duì)研究區(qū)域的局地環(huán)境溫度未產(chǎn)生顯著影響。用ARIMA模型獲得了氣溫和地溫的最佳預(yù)測模型，2015年預(yù)測值與監(jiān)測值的符合程度良好，可進(jìn)一步利用該地區(qū)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和應(yīng)用。

時(shí)間序列；局地氣候；三峽庫區(qū)；溫度；ARIAM模型

三峽庫區(qū)（Three Gorges Reservoir area，TGA）泛指175m水位方案淹沒涉及的湖北省和重慶市的19個(gè)市（縣、區(qū)），總面積約5.2萬km2，而庫首地區(qū)包括秭歸縣、興山縣、巴東縣和夷陵區(qū)，位于三峽水庫前緣地帶，是三峽工程蓄水首批受淹地區(qū)[1-3]。長期以來，三峽工程對(duì)庫區(qū)局地氣候和生態(tài)環(huán)境的影響一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[4-7]。相對(duì)于大尺度的氣候變化，一定范圍局地氣候的形成和演變受到自然和人類活動(dòng)條件下所形成的特殊下墊面的性質(zhì)所影響[1,8]。2003年6月三峽工程蓄水至135m水位，2006年9月蓄水至150m水位，2009年三峽工程基本完工，并穩(wěn)定蓄水至175m水位運(yùn)行[9]。隨著三峽工程的穩(wěn)定運(yùn)行，庫區(qū)水位在短時(shí)期內(nèi)抬高，在庫首區(qū)域的庫岸交界地帶，下墊面發(fā)生了明顯的變化，對(duì)庫區(qū)周邊一定范圍區(qū)域局地氣候可能產(chǎn)生一定影響[10]。各種氣候因素的變化將會(huì)直接或間接影響庫岸帶周邊地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境[5,11-13]。近年來已有不少針對(duì)三峽庫區(qū)氣候變化的研究報(bào)道[14-18]，但對(duì)于三峽蓄水運(yùn)行后的氣象因子變化過程和趨勢分析相對(duì)缺乏。本研究選擇位于湖北秭歸縣的三峽庫首典型地區(qū)，對(duì)該地2001-2015年的局地氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，采用時(shí)間序列分析（Time series analysis）和自回歸積分滑動(dòng)平均模型（Autoregressive integrated moving average model，ARIMA）的系統(tǒng)方法，對(duì)該地區(qū)蓄水前后共15a的氣溫和地溫變化進(jìn)行趨勢和預(yù)測分析，旨在通過系統(tǒng)分析庫首典型區(qū)域蓄水前后重要?dú)庀笠蜃拥膭?dòng)態(tài)趨勢，為闡明三峽庫區(qū)局地氣候的變化過程和中長期預(yù)測提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

氣象資料來自中國科學(xué)院三峽工程生態(tài)環(huán)境秭歸實(shí)驗(yàn)站（秭歸站）（31°3.53' N，110°40.55' E），監(jiān)測點(diǎn)距離三峽大壩約70km，屬三峽水庫庫首區(qū)域。本區(qū)為濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候，大部分是高原山地，山脈海拔1000-2000m，其次是丘陵和臺(tái)地，海拔500-800m，年平均氣溫為15～18℃，平均日照時(shí)數(shù)為1216～1884h，大部分地區(qū)年降水量為1000～1300mm。區(qū)內(nèi)土壤類型較多，農(nóng)業(yè)土壤以紫色土和水稻土為主，林地土壤有黃色石灰土、棕色石灰土、黃壤和棕壤等，耕地以坡耕地為主，約占耕地總面積的75%[2-3]。

氣象站位于海拔224m坡地平坦處，氣象資料由WatchDog2000自動(dòng)氣象觀測站輔以人工觀測記錄共同獲取。自2001年以來，氣象觀測每日連續(xù)進(jìn)行，氣溫和地溫分別在2：00、8：00、14：00和20：00共4個(gè)時(shí)間進(jìn)行觀測，同時(shí)觀測日極端（最高和最低）溫度，日觀測數(shù)據(jù)用于計(jì)算日、月和年溫度平均值。

觀測數(shù)據(jù)使用Excel 2013軟件進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)。本研究采用的時(shí)間序列和ARIMA模型分析運(yùn)算通過R軟件（Version 3.3.1，The R Foundation for Statistical Computing，2016）來實(shí)現(xiàn)，先通過時(shí)間序列分析獲得環(huán)境溫度的變化規(guī)律和趨勢，再運(yùn)用ARIMA模型對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析，以找到合適的預(yù)測模型。R軟件是一種數(shù)學(xué)計(jì)算環(huán)境，它提供了若干統(tǒng)計(jì)函數(shù)、程序工具和各種數(shù)學(xué)環(huán)境，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型，制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫及相關(guān)參數(shù)，以進(jìn)行靈活機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)分析工作[19-21]。

1.2 時(shí)間序列分析方法

時(shí)間序列是同一現(xiàn)象在不同時(shí)間上的相繼觀察值排列而成的序列，可以分為平穩(wěn)時(shí)間序列（Stationary series）和非平穩(wěn)時(shí)間序列（Non-stationary series）兩類。平穩(wěn)序列是基本上不存在趨勢的序列，在不同時(shí)段的波動(dòng)是不存在規(guī)律的隨機(jī)性波動(dòng)。非平穩(wěn)序列是包含趨勢（Trend）、季節(jié)性（Seasonality）或周期性（Cyclicity）等成分的序列。時(shí)間序列的成分包括趨勢性（T）、季節(jié)性（S）、周期性（C）和隨機(jī)性波動(dòng)（R）。時(shí)間序列分析的目的是把這些成分從時(shí)間序列中分離出來，并將它們之間的關(guān)系用一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式進(jìn)行表達(dá)，而后分別進(jìn)行分析[22-25]。對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分析時(shí)，一般先給出它的圖形描述，然后通過圖形觀察數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的模式及趨勢，以確定判斷其成分。確定時(shí)間序列成分之后，需要對(duì)復(fù)合型時(shí)間序列進(jìn)行分解以觀察各成分特點(diǎn)，再根據(jù)時(shí)間序列類型并結(jié)合具體實(shí)際情況選擇合適的預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測。針對(duì)不同類型時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢和預(yù)測分析原理如圖1所示。本研究采用的時(shí)間序列分析流程如圖2所示。在時(shí)間序列基礎(chǔ)上采用ARIMA模型來進(jìn)行預(yù)測分析，該方法將非平穩(wěn)時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)時(shí)間序列后進(jìn)行回歸并建立模型，從而根據(jù)時(shí)間序列的歷史實(shí)測值來預(yù)測未來值[26-27]。

圖1 時(shí)間序列數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析及其相應(yīng)預(yù)測方法的選擇

圖2 溫度變化趨勢分析流程圖

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化的時(shí)間序列分析

三峽工程于2003年5月開始蓄水，監(jiān)測數(shù)據(jù)可相應(yīng)分為蓄水前后兩個(gè)階段。根據(jù)2001-2014年的監(jiān)測結(jié)果，蓄水前的2001-2003年，該氣象站年平均氣溫為18.4℃，蓄水后2004-2014年的年平均氣溫為17.7℃，降低了0.7℃。研究期內(nèi)，最低月平均溫度為1月的6.0℃，最高月平均溫度為7月的29.0℃。比較蓄水前后數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，蓄水后部分月份平均溫度有不同程度的升高或降低。由圖3可以看出，不同年份的氣溫均值存在年際波動(dòng)，而各年度在不同月份的氣溫值呈現(xiàn)出相似的波動(dòng)規(guī)律，由此可以確定，研究區(qū)域氣溫的時(shí)間序列為季節(jié)性非平穩(wěn)時(shí)間序列。

由圖4可見，原始?xì)鉁赜^測值時(shí)間序列具有明顯的季節(jié)性，并未顯現(xiàn)明顯的變化趨勢，對(duì)上述季節(jié)性時(shí)間序列進(jìn)行分解，得出時(shí)間序列中趨勢性、季節(jié)性和隨機(jī)部分的估計(jì)值。由計(jì)算結(jié)果得出，季節(jié)性因素最大值在7月（約11.1℃），最小值在1月（約-11.9℃），標(biāo)志著每年的峰值在7月，低谷在1月。由圖4還可以看出，研究期內(nèi)氣溫有弱的下降趨勢。為得到較明顯的趨勢部分，從原始時(shí)間序列中去除估計(jì)出的季節(jié)性部分，并采用簡單移動(dòng)平均法來平滑時(shí)間序列數(shù)據(jù)，以便得到較好的趨勢部分。本研究通過設(shè)置不同的跨度來平滑序列，圖5展示了跨度為30d時(shí)平滑后的時(shí)間序列，由圖可以看出氣溫較明顯的變化過程，局地平均氣溫在2003年下降至17.8℃，又在2007年穩(wěn)定升至18.3℃；后持續(xù)降至2011年的17.1℃，之后穩(wěn)定升至2013年的17.9℃；對(duì)日觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，研究期間該地氣溫的波動(dòng)無顯著單一的變化趨勢。由圖5可以看出，氣溫變化有3個(gè)明顯拐點(diǎn)，因此，可以采用四階曲線作為擬合模型，并根據(jù)季節(jié)性因素得出未來某一時(shí)間的預(yù)測值。

圖3 研究區(qū)2001-2014年平均氣溫的年際變化（a）和歷年各月平均氣溫變化（b）

圖4 研究區(qū)2001-2014年氣溫的時(shí)間序列分解圖

圖5 研究區(qū)2001-2014年跨度為30d的氣溫時(shí)間序列平滑圖

2.2 地溫變化的時(shí)間序列分析

根據(jù)2001-2014年地溫監(jiān)測結(jié)果，蓄水前2001-2003年和蓄水后2004-2014年的年均地面溫度分別為21.1℃和20.4℃，降低了0.7℃。在研究期間，該地最低月平均溫度為1月的6.1℃，最高月平均溫度為7月的33.3℃。由圖6可以看出，不同年份的氣溫均值存在年際波動(dòng)，而各年度地溫在不同月份呈現(xiàn)與氣溫相似的波動(dòng)規(guī)律，因此，確定研究區(qū)域地溫的時(shí)間序列也為季節(jié)性非平穩(wěn)時(shí)間序列。

由圖7可見，原始的地溫時(shí)間序列具有明顯的季節(jié)性，并未顯現(xiàn)明顯的變化趨勢，對(duì)上述季節(jié)性時(shí)間序列進(jìn)行分解，得出地溫時(shí)間序列中趨勢性、季節(jié)性和隨機(jī)部分的估計(jì)值。由計(jì)算結(jié)果得出，季節(jié)性因素最大值在7月（約13.2℃），最小值在1月（約-14.0℃），說明每年的峰值在7月，低谷在1月。由圖7可以看出，研究期內(nèi)地溫整體上呈下降趨勢。從原始時(shí)間序列中去除估計(jì)出的季節(jié)性部分，并采用簡單移動(dòng)平均法來平滑時(shí)間序列數(shù)據(jù)。由平滑后的時(shí)間序列圖（圖8）可以看出，局地平均地溫在2005年升至21.2℃，2008年持續(xù)降至19.4℃，后期在2013年穩(wěn)定升至20.1℃。對(duì)日觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，研究期間該地地溫的波動(dòng)也無顯著單一的變化趨勢。由圖8還可以看出，圖像有3個(gè)明顯拐點(diǎn)，因此，可以采用四階曲線作為擬合模型，并根據(jù)季節(jié)性因素得出未來某一時(shí)間的預(yù)測值。

圖6 研究區(qū)2001-2014年平均地溫年際變化（a）和歷年各月平均地溫變化（b）

圖7 研究區(qū)2001-2014年地溫的時(shí)間序列分解圖

圖8 研究區(qū)2001-2014年跨度為30d的地溫時(shí)間序列平滑圖

2.3 局地溫度變化趨勢的模型預(yù)測

差分運(yùn)算具有強(qiáng)大的確定性信息提取能力，許多非平穩(wěn)序列差分后會(huì)顯示出平穩(wěn)序列的性質(zhì)，稱這種非平穩(wěn)序列為差分平穩(wěn)序列。對(duì)差分平穩(wěn)序列可以使用求和自回歸移動(dòng)平均模型（ARIMA）進(jìn)行擬合。該方法的主要分析思路是，首先檢驗(yàn)原觀察值序列是否符合平穩(wěn)性；若不符合，則對(duì)其進(jìn)行差分運(yùn)算將非平穩(wěn)序列變?yōu)槠椒€(wěn)序列；然后對(duì)差分后的平穩(wěn)序列進(jìn)行白噪聲檢驗(yàn)。若通過檢驗(yàn)，則分析結(jié)束；若未通過檢驗(yàn)，則擬合合適的ARIMA模型以使檢驗(yàn)通過。ARIMA模型的結(jié)構(gòu)為：

考慮到溫度觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性和季節(jié)性，本研究采用ARIMA模型來進(jìn)行預(yù)測分析。為確定一個(gè)合適的ARIMA模型，需要獲得ARIMA（p，d，q）中合適的p、d、q值。將2001-2014年全部日觀測平均值數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，利用R軟件中的auto.arima( )函數(shù)可以得到p、d、q的值，得到合適的氣溫和地溫模型分別為ARIMA（2，0，1）和ARIMA（2，0，3）。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果得出局地氣溫和地溫預(yù)測模型分別為：

圖9 2015年氣溫（a）和地溫（b）預(yù)測曲線圖

注：粗線條為2015年氣溫預(yù)測值，淺灰色陰影給出了80%的預(yù)測值區(qū)間

Note：The rough lines are the temperature forecasted values for 2015 and light gray shades are 95% prediction value intervals

圖10 研究區(qū)2015年各月氣溫（a）和地溫（b）觀測值與預(yù)測值的對(duì)比

表1 2015年局地溫度觀測值與預(yù)測值的比較

3 結(jié)論與討論

三峽庫區(qū)秭歸典型區(qū)域在2001-2015年期間局地環(huán)境溫度雖有一定程度的年際波動(dòng)，但不存在單一且顯著的變化趨勢。這與已有相關(guān)研究結(jié)論與預(yù)測結(jié)果相一致[14-15]。根據(jù)已有觀測資料，2001-2015年研究區(qū)域局地氣溫和地溫的時(shí)間序列均為季節(jié)性非平穩(wěn)時(shí)間序列，每年峰值在7月，低谷在1月，均有先升后降的過程。該地最低月平均氣溫為1月的6.0℃，最高月平均氣溫為7月的29.0℃。在15a研究期內(nèi)局地平均氣溫在2003年下降至17.8℃，又在2007年穩(wěn)定升至18.3℃；后持續(xù)降至2011年的17.1℃，之后穩(wěn)定升至2013年的17.9℃。平均地溫在2005年升至21.2℃，2008年持續(xù)降至19.4℃，后期在2013年穩(wěn)定升至20.1℃。而統(tǒng)計(jì)分析表明，局地氣溫和地溫這種波動(dòng)過程并無顯著變化趨勢，因此得出，在15a研究期內(nèi)，三峽工程蓄水對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的局地環(huán)境溫度變化無顯著影響。用ARIMA模型獲得氣溫和地溫的2個(gè)預(yù)測模型，根據(jù)模型預(yù)測值加上季節(jié)性部分得到了最終的預(yù)測值。結(jié)果表明，2015年度預(yù)測值與觀測值的符合程度良好，可進(jìn)一步利用長期監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和應(yīng)用。三峽庫區(qū)的局地氣候形成是一個(gè)復(fù)雜和長期過程，需要更長時(shí)期的觀測和綜合分析，以得到更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

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Research on Local Environmental Temperature Change and Forecast in the Three Gorges Reservoir Area Based on Time Series Analysis

MA Li1,3, YU Rui-lin2, LI Jie2, XIA Li-zhong1, LI Yun-cong3

(1．Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2．Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018, China; 3．Soil and Water Science Department, Tropical Research and Education Center, University of Florida, Homestead, FL 33031, USA)

To confirm the effects of water storage of the Three Gorges Project on local climate change, using the method of time series analysis and Autoregressive Integrated Moving Average Model (ARIMA), local temperatures in a typical area of the upper basin of the Three Gorges Reservoir area (TGA) located in Zigui County were continuously observed and analyzed during 2001-2015. The results showed that the time series of air and soil temperature can be determined as the seasonal non-stationary time series, the peak value of monthly mean air temperature occurred in July (29.0℃) and trough value occurred in January (6.0℃). The air temperature declined to17.8℃ in 2003 and then stable up to 18.3℃ in 2007, the medium term continued to decline to 17.1℃ in 2011, and the latter stable up to 17.8℃ in 2013; the soil temperature stable increased to 21.1℃ in 2005, declined to 19.3℃ in 2008, and the latter stable up to 20.0℃ in 2013. The local environment temperature in the upper basin of the TGA had a certain degree of inter-annual fluctuation, but no significantly monotonic trends were found. These results indicate that the water storage of the Three Gorges Project had no significant influence on the local environmental temperature in the study area during the 15 years. Forecast models of air and soil temperature were obtained using ARIMA model, the forecast value and the observed value are in good agreement with the observed value in 2015. The results also indicated that the model can be optimized and applied for long-term monitoring data in this region.

Time series; Local climate; Three Gorges Reservoir area (TGA); Temperature; Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) model

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.01.002

馬力,于瑞林,李杰,等.基于時(shí)間序列分析并預(yù)測三峽庫區(qū)局地環(huán)境溫度的變化[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(1):9-17

2017-04-30

。E-mail：ruilinyu@sdau.edu.cn

中國科學(xué)院南京土壤研究所“一三五”計(jì)劃和領(lǐng)域前沿項(xiàng)目（ISSASIP1663）；國家自然科學(xué)基金（41301307）

馬力（1979-），博士，副研究員，主要從事三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與面源污染控制研究。E-mail：lma@issas.ac.cn